摘 要：本（běn）文介绍焊接机器人（rén）发展历程，综述国内外焊接机器人技术的应用与研究现状（zhuàng），对焊接机器人未（wèi）来发展趋势作了展（zhǎn）望。
前 言
焊接作（zuò）为“工业（yè）裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起决（jué）定性（xìng）的影响。随着世界制（zhì）造业的迅速发展，焊接技术的应用也（yě）越来越广泛，焊（hàn）接智（zhì）能化技术水（shuǐ）平（píng）也越来越高，实（shí）现焊接产品制造的自（zì）动化、柔性化与智能化已经成为（wéi）必然趋势，采用机器（qì）人焊接已经（jīng）成为焊接技术自动化的主要（yào）标志。
1 焊接机器人的发展历程
1959年（nián）第1台工业机器人UNIMATE 在美国诞生，到现在为止机器人的应用和技术发展（zhǎn）经历了三个阶段：
第一阶段（duàn），机器人不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工（gōng）业生产中的应用受到很大（dà）限制（zhì）。这（zhè）一阶段的机器人被称为第一（yī）代（dài）示教再现型机器人。
第二阶段，机器人对（duì）外界环境有一定的感知（zhī）能（néng）力，具备如听（tīng）觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获得的（de）信息，灵活调整（zhěng）工作状态（tài），保证（zhèng）在适应环境的情况下完成工作。这一阶段的机器人被称为第二代具有感知能力的机器人。
第三阶段，机器人不但具有感觉能力，而且具（jù）有独立判断、行动、记忆（yì）、推理和决策的能力，能（néng）适应外部对象、环境协调地工作（zuò），能完成更加（jiā）复杂的动作，还（hái）具备故障自我诊断及修（xiū）复能力。这一阶段的机器人被称为第（dì）三代智能型（xíng）机器人。
目（mù）前，国内（nèi）外（wài）大量应用的焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的。机器人缺（quē）乏“柔性”, 焊接（jiē）路径和焊（hàn）接参数须根据实际作业条件（jiàn）预先设置，工作时（shí）存在明显（xiǎn）的缺点。随着计算机控制技（jì）术、人工智能技术（shù）以及（jí）网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的（de）单机示教再现型向以智能（néng）化为核心的（de）多传感、智能化的柔性加（jiā）工单元（系统（tǒng））方向发展。
2 焊接机器人国（guó）内外应用现状
目前，比较著名（míng）的焊接机器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa, 德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的Adept Technology，意大（dà）利的COMAU，这些公司已（yǐ）成为其所在地区（qū）的支柱性企业。截（jié）止2005年全世界在役工业机器人约为（wéi）91.4万套，其（qí）中日本（běn）装备的工业机器人总量达到了50万台以（yǐ）上，成为“机器（qì）人王国”，其次（cì）是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的（de）制造（zào）业中每万（wàn）名雇员占有的工业机器人数量居（jū）世界前三（sān）位。
我（wǒ）国焊接机器人（rén）的（de）应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。目（mù）前在我国应用（yòng）的机器人主要分日系、欧系和国产（chǎn）三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不（bú）二越、川崎等公司的产品。欧系中主要（yào）有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。我国焊接机器人经过“七（qī）五”、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展（zhǎn），建立了9个机器人（rén）产（chǎn）业化基地和7个科（kē）研基地。基（jī）地的（de）建设给产业化带来了希望, 为发展我国机器人产业奠定了基础。但目前国内市场上的（de）机器（qì）人进口仍（réng）占了绝大（dà）多数，我国进（jìn）口的工业（yè）机（jī）器人主要来自日本。2004年日本对华出口的机器人占我国进口工业机器（qì）人的一半，其他欧洲品牌（pái）机器人，如ABB、KUKA和COMAU，占据市场的另一半。2005年（nián），我国（guó）工业机器人拥有量达到约7000台。近（jìn）年（nián）来新增工业机器人的台数和总量都在快速增长，截（jié）止2009 年年末，我（wǒ）国已（yǐ）有工（gōng）业机器人约31400 台。虽然机器（qì）人（rén）总量达到一定的规模, 但与发达国家相比仍然有不少差距。仅从汽车工业每百万名生产工人占有（yǒu）的机器人来讲，我国比几个主要发（fā）达工业国家要低很多，仅为90台。
尽管焊接机器人在生产中得到广泛应用，使焊接质量得到了极大改（gǎi）善, 有效提高了企业的劳动生产效率，但在应用中仍然存在（zài）很多（duō）方面的问题值得我们去进一步研究和改善，其中最主要（yào）的有以下三大方面。
2.1 焊接机器人位置偏移后（hòu）重新（xīn）示教的问题（tí）
这个工作现在需要占用大量的生产时间，如果能够利用先进的计算机动态仿真技术对（duì）其进行离线示教和（hé）仿真，将是焊接机器人应用的一次革命性的改善。
2.2 焊接机器人的校轴过程占用过多时间的问题
焊接机器人在轴的校正过程中耗费比较长的时间，对于流（liú）水化的自动生产线（xiàn）来说，其停（tíng）机所造成的经济损失非常巨大。如果能够（gòu）应用高智能化的检测手段，使焊接机器人在（zài）其轴的（de）基本参数丢失或变化后，能（néng）够自（zì）动快速恢（huī）复到发生故障前的状态，将给自动化生产线带来（lái）巨大的生（shēng）产效益，目前的TCP自动校零技术仍然有（yǒu）待进一步的提高。
2.3 焊接机器人（rén）焊接过（guò）程的焊（hàn）缝（féng）实时跟踪（zōng）问题
目前焊接机器人进行弧（hú）焊时，对焊缝进行动态跟踪（zōng）反馈还没有很（hěn）好地应（yīng）用于生产。利（lì）用智能技术，动态跟踪焊缝（féng）状态，实时反馈，这是保证弧焊质（zhì）量的可靠性（xìng）和稳定性的一个（gè）发展（zhǎn）趋势。
我国的工业机器人从80年代开（kāi）始起步，目前已（yǐ）基本掌握了机器人（rén）操作机的设计（jì）制造技术、控（kòng）制系统（tǒng）硬件和软（ruǎn）件设计技术、运动学（xué）和轨迹规（guī）划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等（děng）机器人；弧（hú）焊机器人已应（yīng）用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器（qì）人技术及其工程应用的水平和国外比还有一（yī）定的距离，如：可靠性低于国外产（chǎn）品；机器人应用工程起步较晚，应用领（lǐng）域窄，生产线系统技术与（yǔ）国外比有差距；当前我国的机器人（rén）生产都是应用户的要求，单户单次重新设计，品种规格（gé）多、批量小、零部件（jiàn）通用化程度低、供货周期长、成本也不低（dī），而且质量、可靠性不稳（wěn）定（dìng）。因此，迫切需要解决产业化前期的关键技术（shù），对产品进行全面规划，搞好（hǎo）系列化、通（tōng）用化、模块化设计，积极推进产业化进（jìn）程。
3 焊接机器人技术研究现状
从目前国内（nèi）外（wài）研究现状来看，焊接机器人技术研究主要（yào）集中（zhōng）在焊缝跟踪（zōng）技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制（zhì）技术、专用弧焊电源技术（shù）、焊（hàn）接机器人系统仿真技术、机（jī）器人用（yòng）焊接工艺方法、遥（yáo）控（kòng）焊接技（jì）术等7个主要方面。
3.1 焊缝跟踪技术
焊缝跟踪技术的研究就是根据焊接（jiē）条件的变（biàn）化要求（qiú）弧焊机器人能够实时检测出（chū）焊缝的偏差，并调（diào）整焊接路径和（hé）焊接参数，保证焊接质量的可靠性。焊缝跟踪技术的研究以传感器技术与控（kòng）制理论方法为主，其中传感器技术的研究又以电弧传感器和光学传感器为主。电弧传（chuán）感的基本原（yuán）理是利用焊炬与（yǔ）工件距离的变化而引起的焊接参数变化，来（lái）探测焊炬高度和左右偏（piān）差。光学传感器的（de）种类很多，主要包括红外、光电（diàn）、激光、视觉、光谱和光纤式，光学（xué）传感器的研究（jiū）又以（yǐ）视觉传感器为主，视觉传感器（qì）所获得的信息量（liàng）大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术，大大增强弧（hú）焊机（jī）器人的外部适应能力。激光跟踪传（chuán）感具有优越的性能（néng），成为最有前途、发展（zhǎn）最快的焊接传感器。由于近代模糊数学和神经网（wǎng）络的出现以及（jí）应用到焊接这（zhè）个复杂的非线性系统中，使得（dé）焊缝跟踪进入了智能焊缝跟踪的新时（shí）代。
3.2 离线编程与路径规划技术
机器人离线编程系统是机器（qì）人编程语言的拓广，它利用计算机图形学的成果，建立起（qǐ）机器人及其（qí）工作环境的（de）模型，利用一（yī）些规（guī）划算法，通过对图形的控制和操作，在不使用实际机（jī）器（qì）人的情况下进行轨迹规划，进而产生机器人（rén）程序。离线编程技术的理想目标是实现全自动编程，即只需输入工件的模（mó）型，离线编程系统中的（de）专家（jiā）系（xì）统会自动制定相应的工艺过（guò）程，并最终生成（chéng）整个加工（gōng）过程的机器人程序。目前（qián），还不能实现全自（zì）动编程，自（zì）动编程技术是当前研究的重点。
3.3 多（duō）机器人协调控制（zhì）技术
多机器人系统是指为完成某一任（rèn）务由若干（gàn）个机器人（rén）通过合作与协调组合成一体的（de）系统。主要（yào）对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与（yǔ）学习方法、建模和规划（huá）、群体行为控制等（děng）方面（miàn）进行研究。它包含两方面的内容，即多机器人合作与多机（jī）器人协调（diào）。当给定多机器人系统某项任务（wù）时，首先面临的问题是如何组织多个机器人去完成任务，如何将总体任务分（fèn）配给各个机器人成员，即机器人之间怎样进行有效的合作。当以某种机制确定了各自任务（wù）与关系后, 问题变为如何保持机器人间的运动协调一致。智能体技（jì）术是解决这一问题的最有（yǒu）力的工具，多智能体系统（tǒng）是研究在一定的网络环境中，各个分散的、相对独立的智能子（zǐ）系（xì）统之间通过合作, 共同（tóng）完成一个或多个控制作业任务的技术。多机器人焊接的协调控制是目前（qián）的一个研究热点问题。
3.4 专用弧焊电源技术
在焊接机器人系统中，电器性能良好的专（zhuān）用弧焊电源直接影（yǐng）响焊接机器人的使用性能。目前，弧焊机器人一般采用熔化极气体保护焊（MIG焊、MAG焊、CO2焊）或非熔化极气（qì）体保护焊（TIG、等（děng）离子弧焊）方法，熔化极气体保护焊焊接电源主要使用晶闸管电源与（yǔ）逆变电源。近年来，弧焊逆变器的技术已（yǐ）趋于成熟，机器人用的专用弧（hú）焊逆变电源大多（duō）为单片机控制的晶体管式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术，工作频率在20~50kHz，最（zuì）高的可达200kHz，焊接系统具有十（shí）分优良（liáng）的动特性，非常适合（hé）机器人自动化和智能化焊接。还有一些特殊功能的电（diàn）源，如适合铝及其合金TIG焊的方波交流电源、带有专家系（xì）统的焊接电源等。目前有一种（zhǒng）采用模糊控制方法的焊接（jiē）电源，可以（yǐ）更（gèng）好保证焊缝熔宽和熔深的基本一致，不仅焊缝表面美观，而且还能减（jiǎn）少焊接缺陷。弧焊电源不断（duàn）向数（shù）字化方向发展，其特点是（shì）焊接（jiē）参数稳定，受网路电（diàn）压波动、温升、元器件老化等因素的影响很小，具有较高的重复（fù）性，焊接质（zhì）量稳定、成形良好。另外，利用DSP的快速（sù）响应，可以（yǐ）通过（guò）主控制系统的指令精确控制逆变（biàn）电源的输（shū）出，使之具有输出多种电流波形和弧压（yā）高速稳定调节的功能，适应多种焊接方（fāng）法对电源的要求。
3.5 焊（hàn）接机器人系统仿真技术
机器人在研制、设计和试验过程中，经常要对（duì）其运动学、动力学性能进行（háng）分析以（yǐ）及进行轨迹规划设计，而机器人又是多自由（yóu）度、多连杆空间机构，运动（dòng）学和（hé）动（dòng）力学问（wèn）题十分复杂，计算难（nán）度和计算（suàn）量都很大。若将机械（xiè）手作为仿真对象，运用计算机图形CAD 技术和（hé）机器人学理论在（zài）计算机中形成几何图形，并动画显示，然后对机器人的机构（gòu）设计、运动学正反（fǎn）解分析、操作臂控制以及实（shí）际工作环境中的（de）障碍避让和碰撞干涉等诸多问题（tí）进行模拟仿真，这样就可（kě）以很好地解决研（yán）发机械手过程中出现（xiàn）的问题。
3.6 机器人用焊接工艺方法（fǎ）
目前，弧（hú）焊机器人普遍采用气体保护焊（hàn）方法，主要是熔化极气体保护焊，其次是（shì）钨极氩弧焊，等离子弧焊、切割及机器人激光焊数量有限、比例较（jiào）小。国外先进国（guó）家的弧焊机器人已普遍采用高速、高效气（qì）体保护焊接工（gōng）艺，如双丝气体保护焊（hàn）、T.I.M.E焊、热丝TIG焊、热丝等离子焊等先进的工艺方法，这些工艺方法不（bú）仅有效地保证了优良的焊接接头，还使焊接速度和熔敷效率（lǜ）提高数倍至几十倍。
3.7 遥（yáo）控焊接技术
遥控（kòng）焊接是指人在（zài）离开现场的安全（quán）环境中对焊接设备和（hé）焊（hàn）接过程进行远程监视和控制, 从而完成完整的焊接工作。在一（yī）些诸（zhū）如核辐射、深水、有毒（dú）等高危险环境中进行焊（hàn）接或其他作业，需要（yào）有（yǒu）遥控的机器人代替人去工作。而目（mù）前的技术水平（píng）还不（bú）可能实现完全的自主焊接, 因此需要采用遥（yáo）控（kòng）焊接技（jì）术（shù）。目前（qián），美（měi）国、欧洲、日本等（děng）国对遥控焊接进行了深入的研究, 国内哈（hā）尔滨工业（yè）大学也正在（zài）进行这方（fāng）面的研（yán）究。
4 焊接机器人的发展趋势（shì）
从机器人技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主（zhǔ）要方向。
4.1 视觉控制技（jì）术
焊接（jiē）机器人视觉（jiào）控制技术是通过对焊接区图像进行（háng）采集，产生视（shì）频信（xìn）号送至图像处理机，对图像进行快速处理并提取跟踪特征参量，进行数据识别和（hé）计算，通过逆运动学求解得到机器人各关节位置给定值（zhí），最后控制高精度的末端执行机构，调整机器人的位置和姿（zī）式。视觉控制的关键在于视觉测（cè）量，在焊接过（guò）程中视觉技术分（fèn）为直接视觉传感和间接视觉传感二种形式。直接视觉传感技术是一种常用的非接（jiē）触式传感形式，其主（zhǔ）要优点是不接触工件，不干扰正常的焊接过（guò）程, 获取的（de）信息量大，通用性强。研究人（rén）员直接利用电弧光照射熔池前方的工件间隙获取焊接区焊缝信息，根据熔（róng）池前方不同远（yuǎn）近处电弧光闪（shǎn）烁的强度来实现焊接过程中的焊缝跟踪；典型的例子（zǐ）是利用（yòng）带有CCD摄像机的微型计算机控制系统对焊接熔池行为进行观察和控制；现在，基于激光（guāng）三角形（xíng）的视觉系统具有高度的灵活（huó）性，价格低、精度高、获取信息能力强，且不受周围（wéi）噪声和电弧产生的高温影响，其获得的信息可以用于多（duō）种自适应功能。弧焊（hàn）中（zhōng）使用激光视觉系统可以抗电弧辐（fú）射、火（huǒ）焰、热金属飞溅、振动（dòng）、冲击和高（gāo）温，这种传感器（qì）正在成为智（zhì）能自适应焊接机器人焊接（jiē）优先选（xuǎn）用的视觉系统。
4.2 模糊控制技术
由于焊（hàn）接机器人系统具（jù）有非线性和时变特点，难以用精确的（de）数学模型进行描述，用传统的控制方（fāng）法难以实现最佳控制，而模糊控制具有自适应和鲁棒性等特点，它为机器人焊接（jiē）控制提供了一个理想（xiǎng）的控制（zhì）方法。模糊控制是智能（néng）控制的较早形式，它吸（xī）取了人的思维具（jù）有（yǒu）模（mó）糊性的（de）特点，使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和决策等工具（jù），巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经典控制理论（lùn）和现代控制理论（lùn）不太奏效的场合能够（gòu）实现较满意的控制。将模糊控制理论和实际焊接过（guò）程相结合，发展成为专用焊接控制器（qì），进一步发展成为了通用型焊接模（mó）糊控制器。模糊控制具有较完善的控制规则，但模糊控制综合定量知识的能力（lì）较差，当对象动态特性发生变化，或者受到随机（jī）干扰的影响都会影响模糊控制的效果。因此，在模糊控制理论方面，人们对常规模糊控制进行了改（gǎi）进，设计了一（yī）些高性能模糊控制器，有效（xiào）解决精度较低、自适应能力有限（xiàn）及设备（bèi）产生振荡现象等问题。
4.3 神经（jīng）网（wǎng）络控制技术
神经网络控制是研究和利用人脑（nǎo）的某些结构、机理以及人的知（zhī）识和经验（yàn）对系统进行控制，它是神经网络作为人工智能的一（yī）种途径在控制领域的渗透。用神经网（wǎng）络设计的（de）控制系统适应（yīng）性、鲁棒性均（jun1）较好，能处理时变、多因素、非线性等复杂焊接过程的控制问题。人工神经网络具有很强的（de）自学习、自适应能力，信（xìn）息存储量大，容错性（xìng）好，能（néng）够实现并行联想搜索解空间和完成自适应推理，提（tí）高智能系统的智能水平、知识处（chù）理能力及强壮性。因此，在机器人焊接质量控制中可采用神经网络建立（lì）焊（hàn）接过程模型从而解决线性控制方法所不能克（kè）服的问题，弥补传统专（zhuān）家系（xì）统以及模糊控制的不足，现在焊接机器人神经网（wǎng）络控制系统中使用较多（duō）的是前馈式（shì）多（duō）层神经网络。
4.4 嵌（qiàn）入式控制技术的应用
嵌入式系统以其小（xiǎo）型、专用（yòng）、易携带、可靠性（xìng）高的特点（diǎn），已经在焊接（jiē）机器人（rén）控制（zhì）领域得到了应（yīng）用，嵌入式（shì）控制系统具备（bèi）网络和人机交互能力，可（kě）以取代以往基于微处理器的控制方式。嵌入式控制器具有（yǒu）液晶（jīng）显示器，可以替代CRT显示（shì）器在控制系统中所扮（bàn）演的角色，键盘响应也（yě）具有（yǒu）很高的实时性，满足信（xìn）息的输入和对控制系统的干预等（děng）工作（zuò）。经实（shí）验和实际应用表明（míng），嵌入式控制器（qì）比基本的模糊控制器具有更好的控制性能。嵌入式控制技（jì）术为焊（hàn）接工艺的在线监测提供（gòng）了新的技术方法（fǎ），它能确保焊接质量“零缺陷”的目标得以实（shí）现。
5 结束语（yǔ）
目前，焊（hàn）接机（jī）器人已广泛应用于汽（qì）车、航天、船舶、机（jī）械加工行（háng）业、电子电气行业（yè）、食（shí）品工业及其他相关制造业等诸多领域中，并作为先进制造业中不可替代（dài）的重要装备和（hé）手段，在高质量、高效率的焊接生产中（zhōng）发挥了极其重要的作用。近年来，焊接机器人技术的研究与应用在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机（jī）器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系（xì）统仿（fǎng）真（zhēn）技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等方面取得了许多突出的（de）成（chéng）果。随着计算（suàn）机技术、网络技术、智能控制技术、人工智能理（lǐ）论（lùn）以及工业生产系（xì）统的不断发展，焊接机器人技术（shù）特别是焊接机器人的（de）视觉控制技术、模糊（hú）控制（zhì）技术、嵌入（rù）式控制技术、网络控制技（jì）术等方面将是未来研究的主要（yào）方向。
