机器人手工

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焊接机器人的控制原理及应用

焊接机器人是一种高度自动化的焊接设备，是焊接自动化的

革命性进步，它突破了焊接刚性自动化传统方式，开拓了一种柔

性自动化新方式。在大三上学期的认识实习过程中，已经在长力

机械厂有所接触。焊接机器人采用机器人代替手工焊接作业是焊

接制造业的发展趋势，是提高焊接质量、降低成本、改善工作环

境的重要手段。机器人焊接作为现代制造技术发展的重要标志己

被国内许多工厂所接受，并且越来越多的企业首选焊接机器人作

为技术改造的方案。

一、我国焊接机器人技术的发展历史

焊接机器人技术的发展我国开发工业机器人晚于美国与日

本，起于20世纪70年代，早期是大学与科研院所的自发性的

研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国

外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到

了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划

将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特

别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术与用户紧

密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。

与此同时于1986年将发展机器人列入国家"863"高科技计

划。在国家"863"计划实施五周年之际，邓小平提出了"发展

高科技，实现产业化"的目标。在国内市场发展的推动下，以及

对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对

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主攻方向进行了调整与延伸，将工业机器人及应用工程作为研究

开发重点之一，提出了以应用带动关键技术与基础研究的发展方

针，以后又列入国家"八五"与"九五"中。经过十几年的持续努力，

在国家的组织与支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控

制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶

段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。

二、焊接机器人的组成

常规的弧焊机器人系统由以下5部分组成。

1、机器人本体，一般是伺服电机驱动的6轴关节式操作机，它

由驱动器、传动机构、机械手臂、关节以及内部传感器等组成。

它的任务是精确地保证机械手末端（悍枪）所要求的位置、姿态

与运动轨迹。

2、机器人控制柜，它是机器人系统的神经中枢，包括计算机硬

件、软件与一些专用电路，负责处理机器人工作过程中的全部信

息与控制其全部动作。

3、焊接电源系统，包括焊接电源、专用焊枪等。

4、焊接传感器及系统安全保护设施。

5、焊接工装夹具。

三、焊接机器人工作站的工作原理

焊接机器人工作站正常运行的中枢是其控制柜中的计算机

系统。焊接机器人工作站通过计算机系统对焊接环境、焊缝跟踪

及焊接动态过程进行智能传感，根据传感信息对各种复杂的空间

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曲线焊缝进行实时跟踪控制，从而控制焊枪能够实现规划轨迹运

行，并对焊接动态过程进行实时智能控制。由于焊接工艺、焊接

环境的复杂性与多样性，焊接机器人工作站在实施焊接前，应配

备其焊接路径与焊接参数的计算机软件系统。该软件要对焊缝空

间的连续轨迹、焊接运动的无碰路径及焊枪姿态进行规划设计，

并根据焊接工艺来优化焊接参数。

四、焊接机器人使用过程中的安全要求

焊接机器人能够代替人类在危险、有害的恶劣环境中作业，

同时又带来了另一种潜在的危险，即机器人伤人事故。为此，在

焊接机器人在线运行时，绝对不能有人进入其运动安全范围所在

区域，并且其运动区域内应该保证无干涉，这是焊接机器人安全

管理的最为重要的一条原则。此外，除了通用的工业安全规程外，

还要注意焊接机器人的特殊性，采取相应可靠的对策。例如现在

我们正在使用的安全措施：

1、为焊接机器人及其周边设备安装安全防护栏，以防止有人进

入危险区域造成意外伤害；

2、在安全护栏入口的安全门上设置插拔式电接点开关，该开关

与焊接机器人的安全回电路相连接，一旦安全门打开，机器人控

制器将切断机器人的驱动电源，机器人立即停止运动；

3、在距焊接机器人所在工位最近的地方，安装多个紧急停止开

关，一旦发生紧急或危险情况，工作人员可以就近按下急停，让

机器人停止运动；

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4、示教作业时降低焊接机器人的运动速度，并由经过专业技术

操作培训的人员进行示教；

5、焊接机器人安全电路与生产线安全电路联为一体，当生产线

遇到紧急情况时，生产工人可以按下该线上任何工位的紧急停止

开关，让机器人停止运动；

五、焊接机器人的应用

我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、

铁路机车等行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早的用

户，汽车制造与汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接

机器人的76%。在汽车行业中，点焊机器人与弧焊机器人的比

例为3：2，而其他行业大都是以弧焊机器人为主。20世纪90

年代以来，先进技术、生产设备及工艺装备的引进使我国的汽车

制造水平讯速提高到规模化生产，国外焊接机器人大量进入中

国。我国的焊接装备水平、前后道工序设备的制造水平及系统集

成能力与国外仍然存在很大差距，这直接制约了机器人在国内其

它行业的发展。

六、焊接机器人的应用技术分析

1.机器人与焊接设备共同发展

焊接机器人应用技术是机器人技术、焊接技术与系统工程技

术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越

性，取决于这几方面技术的共同提高，而系统工程技术是机器人

技术与焊接技术的粘合剂。以安川电机的MOTOMAN机器人为

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例，过去几代机器人的发展都是围绕焊接设备完成多项焊接专用

功能的开发，如焊接参数的渐变调节功能、TIG焊接时利用摆焊

同步技术进行的断续填丝焊接功能、弧焊传感器（电弧跟踪）功

能及焊接实时监控功能等，都是焊接工艺的需求促使下的开发。

同样地，焊接设备制造商为了实现机器人自动化焊接，在焊

接电源的设计上也做了许多改进，如、机器人可检出焊缝位置使

用的高电压，焊接电源做到了内置；与机器人的通信接口方面，

现在许多焊机制造商都采用了方便快捷的通信接口。

2.焊接机器人提高精度

企业在生产中应用机器人意味着追求高效率、高焊接质量，

因此各机器人厂家都在焊接速度上寻求突破，而机器人在轨迹控

制上的高精度是高速焊接的可靠保证。

MOTOMAN机器人在新一代控制器NX100中，应用ARM

（AdvancedRobotMotion）控制技术将各轴的惯性矩、重力

矩、机器人安装位置等因素纳入运动控制计算，大大提高了运动

轨迹的精度。如，在焊接工作站中，我们会遇到各种机器人安装

形式（如图1a），在每种安装方式中，机器人各轴所受的重力矩

各不相同，我们只要在ARM控制中正确地设置机器人对地面的

角度，就会克服各种安装方式对轨迹精度造成的不利影响。

3.双机协调焊接功能

有时我们会遇到长形工件，焊缝分布在工件的两端，若采用1

台机器人进行焊接，会出现因两端不同时焊接而造成焊接变形不

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一致，从而使工件在长度方向上扭转变形，焊接后的工件难以符

合尺寸要求。针对这种类型的工件，我们常采用2台机器人同时

协调焊接的方式，这就促生了两台机器人双机协调焊接技术。在

汽车后桥与消声器的焊接中，经常会使用到该项技术。

此外，焊接机器人的实用功能还有很多，并已经过实践的检

验，为提高焊接生产效率与焊接质量带来了明显的效果。同时，

每个机器人厂家对各种功能的开发也各有特点，可以说，在这个

舞台上，各种各样的先进技术始终在不断涌现，异彩纷呈。

七、焊接机器人的发展展望

在新的历史时期，面对新的机遇与挑战，只有一方面紧跟世

界科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的焊机机器人

设备；另一方面，仍然通过引进与消化，吸收一些现有的先进技

术，踩在别人的肩膀上，尽快缩短与别人的差距。并通过应用研

究与二次开发，实现技术创新与关键设备的产业化，提高我国制

造业在国际竞争舞台上的地位。