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焊接机器人的现状及发展趋势2
众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。
然而，焊接又与其它工业加工过程不一样，比如，电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。
实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。图5所示为不同形式的机器人点焊钳。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。
从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。图6所示是联合国欧洲经济委员会(UNECE)统计的从1990年至2000年的机器人价格指数和劳动力成本指数的变化曲线。图中，把1990年的机器人价格指数和劳动力成本指数都作为参考值100，至2000年，劳动力成本指数为140，增长了40%；而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20，降低了80%，在不考虑质量因素的情况下，机器人的价格指数约为40，降低了60%。这里，不考虑质量因素的机器人价格是指现在的机器人实际价格与过去相比较；而考虑质量因素是指由于机器人制造工艺技术水平的提高，机器人的制造质量和性能即使在同等价格的条件下也要比以前高，因此，如果按过去的机器人同等质量和性能考虑，机器人的价格指数应该更低。
由此可以看出，在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万。
由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决，机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性，即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快，采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化。图7所示为机器人电弧焊用于焊接汽车底盘。
另外，机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，更可以用于涉及电弧焊的其它制造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。因此，机器人电弧焊的应用范围日趋广泛，在数量上大有超过机器人点焊之势。
随着汽车轻量化制造技术的推广，一些高强合金材料和轻合金材料(如铝合金、镁合金等)在汽车结构材料中得到应用。这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决，必须采用新的焊接方法和焊接工艺。其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力。因此，机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成为必然趋势。事实上，像上海大众等国内最具实力的汽车制造商在他们的新车型制造过程中已经大量使用机器人激光焊接。图8所示为其汽车车顶的机器人激光焊接。
和机器人电弧焊相比，机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高。根据一般的要求，机器人电弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的1/2以内，在具有填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽。但对激光焊而言，焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在0.6以内，远小于焊丝直径(通常大于1.0)，而激光焊接时通常又不加填充焊丝，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便会造成偏焊、漏焊。因此，上海大众的汽车车顶机器人激光焊除了在工装夹具上采取措施防止焊接变形外，还在机器人激光焊枪前方安装了德国SCOUT公司的高精度激光传感器用于焊缝轨迹的跟踪。
工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。
一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。
对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态，这时必须通过增加1～3个外部轴的办法增加机器人的自由度。通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件上的焊接部位进入机器人的作业空间。也有的同时采用上述两种办法，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。
焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式(Teach-in)为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更加易。然而机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有2种：
一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接机器人的视觉传感器(通常是电弧传感器或激光视觉传感器)自动跟踪实际的焊缝轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程，但在一定程度上可以减轻示教编程的强度，提高编程效率。但由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用。
二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成，不需要机器人本身的参与。机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，如今的机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，而且，获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”(virtual Teach-in)的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹，然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程员的劳动强度。目前，国际市场上已有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件。如Workspace5、RobotStudio等。图9所示为笔者自行开发的基于PC的三维可视化机器人离线编程系统。该系统可针对ABB公司的IRB140机器人进行离线编程，程序中的焊缝轨迹通过虚拟示教获得，并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动，以此检
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机器人的发展
美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。
由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达6．65％，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。
进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。
80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。
尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：
（1）性能可靠，功能全面，精确度高；
（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；
（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；
（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。
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早在1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Automation公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。
但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。
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法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。
法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及.
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德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在"改善劳动条件计划"中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为"快完蛋的行业"重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。
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在前苏联（主要是在俄罗斯），从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划（1970年一1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行。
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有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。
我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。
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日本在60年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达11％。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。
正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品，企业除享受新设备通常的40%折扣优待外，还可再享受 13％的价格补贴。另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。
这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。
日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。
日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场……这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。
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