能源工程焊接機(jī)器人的智能化技術(shù)

徐長海

摘 要：隨著焊接機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，機(jī)器人的采購、運(yùn)行成本不斷降低。另一方面，由于市場的需要，焊接機(jī)器人的使用已由傳統(tǒng)的汽車行業(yè)向其他行業(yè)推廣，各企業(yè)所生產(chǎn)的焊接機(jī)器人種類日益繁多。如何根據(jù)工件特性與焊接條件選擇合適的焊接機(jī)器人，使焊接機(jī)器人發(fā)揮更大的效用，成為我們所關(guān)心的問題。

關(guān)鍵詞：能源工程；焊接機(jī)器人；智能化技術(shù)；研究

引言

國民經(jīng)濟(jì)加速發(fā)展需要和綜合國力支撐能力提升，使能源工程裝備呈現(xiàn)出大型化、系統(tǒng)化和復(fù)雜化的顯著特點(diǎn)，能源工程裝備的工作地點(diǎn)也從陸地向太空、海洋和地下發(fā)展。在能源工程裝備制造與安裝過程中，焊接扮演著非常重要的作用，焊接金屬結(jié)構(gòu)件已成為產(chǎn)品制造發(fā)展的主要方向，金屬結(jié)構(gòu)制造基本實(shí)現(xiàn)了以焊代鑄，向大型化、成套化、自動化方向的發(fā)展已成為時(shí)代的主流。新材料不斷涌現(xiàn)，因功能需要結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。各種焊接機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，焊接過程及焊接裝備智能化特征凸顯。智能化設(shè)備應(yīng)有自主的決策能力，能夠應(yīng)付復(fù)雜的環(huán)境和條件變化。

1機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

1.1直角坐標(biāo)機(jī)器人

直角坐標(biāo)機(jī)器人具有空間上相互垂直的兩根或三根直線移動軸，通過直角坐標(biāo)方向的三個(gè)獨(dú)立自由度確定其手部的空間位置，其動作空間為一長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，空間軌跡易于求解；但其動作范圍相對較小，設(shè)備的空間因數(shù)較低，實(shí)現(xiàn)相同的動作空間要求時(shí)，機(jī)體本身的體積較大。

1.2柱面坐標(biāo)機(jī)器人

柱面坐標(biāo)機(jī)器人的空間位置機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)基座、垂直移動和水平移動軸構(gòu)成，具有一個(gè)回轉(zhuǎn)和兩個(gè)平移自由度，其動作空間呈圓柱形，這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、剛性好，但缺點(diǎn)是在機(jī)器人的動作范圍內(nèi)，必須有沿軸線前后方向的移動空間，空間利用率較低。

1.3球面坐標(biāo)機(jī)器人

其空間位置分別由旋轉(zhuǎn)、擺動和平移三個(gè)自由度確定，動作空間形成球面的一部分。其機(jī)械手能夠作前后伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在水平面上轉(zhuǎn)動。著名的Unimate就是這種類型的機(jī)器人，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小于直角坐標(biāo)和柱面坐標(biāo)機(jī)器人，但仍大于多關(guān)節(jié)型機(jī)器人。

1.4多關(guān)節(jié)型機(jī)器人

由多個(gè)旋轉(zhuǎn)和擺動機(jī)構(gòu)組合而成，這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間大、動作最接近人的動作，對噴漆、裝配、焊接等多種作業(yè)都有良好的適應(yīng)性，應(yīng)用范圍越來越廣。不少著名的機(jī)器人都采用了這種型式，其擺動方向主要有鉛垂方向和水平方向兩種，所以這類機(jī)器人又可分為垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人和水平多關(guān)節(jié)機(jī)器人。

2焊接機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，國外焊接機(jī)器人技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，其準(zhǔn)確度和可靠性不斷提高，與此同時(shí)，造價(jià)卻不斷下降。西方發(fā)達(dá)國家也將發(fā)展焊接機(jī)器人作為研究的重點(diǎn)。日本僅用了10年左右的時(shí)間，便形成了自己的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，韓國的機(jī)器人發(fā)展也極其迅速，截止到2005年全世界的在役工業(yè)機(jī)器人約為914000套，日本占了其中的60%左右，大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。盡管美國和德國等老牌工業(yè)強(qiáng)國在數(shù)量上不如日本，但其技術(shù)底蘊(yùn)身后，制作的焊接機(jī)器人水平較高，因此在國際市場上還是占有一定的優(yōu)勢。

2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國開發(fā)工業(yè)機(jī)器人較晚，在二十世紀(jì)七十年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，使得我國整體落后于歐美和日本等國家，但是經(jīng)過幾十年的努力，仍然取得了可喜的成績，目前已基本掌握了其關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)在我國建立了9個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地和7個(gè)科研基地。2005年我國新增機(jī)器人數(shù)量超過了5000臺，平均每年的增長率都超過40%，主要應(yīng)用在汽車、摩托車及工程機(jī)械三個(gè)主要行業(yè)，國內(nèi)擁有焊接機(jī)器人最多的是上海市，占全國的19%，長春市居第二，占全國的17%。目前在我國應(yīng)用的焊接機(jī)器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三類。由于進(jìn)口焊接機(jī)器人價(jià)格大幅度降低，國產(chǎn)焊接機(jī)器人不管是從控制水平還是可靠性方面均與進(jìn)口焊接機(jī)器人有一定的差距。

3能源工程焊接機(jī)器人智能化技術(shù)研究

3.1焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫跟蹤技術(shù)就是在焊接過程中，根據(jù)環(huán)境因素的影響，調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量的可靠性。焊縫跟蹤技術(shù)的研究以傳感器技術(shù)與控制理論方法為主，隨著近代模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，并應(yīng)用在焊縫跟蹤技術(shù)中后，焊縫跟蹤技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到了一個(gè)全新的時(shí)代——智能跟蹤的時(shí)代。國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都對對焊縫跟蹤技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并研究和設(shè)計(jì)出很多種較為成熟焊縫跟蹤系統(tǒng)。

3.2離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)

離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)能夠利用規(guī)劃算法，設(shè)置機(jī)器人程序，根據(jù)焊接參數(shù)、焊接路徑和軌跡完成焊接任務(wù)，其特點(diǎn)是智能化程度高、編程質(zhì)量和效率高等，但是其缺點(diǎn)是還不能實(shí)現(xiàn)全自動編程。

3.3多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)

有些工作單臺焊接機(jī)器人完成較為困難，不能充分發(fā)揮其作用，這個(gè)時(shí)候就需要采用多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)，該技術(shù)必須由若干個(gè)機(jī)器人的合作與協(xié)調(diào)來成。多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)涉及面很廣，包括多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、群體行為控制等，所有機(jī)器人在統(tǒng)一的控制下做相應(yīng)的協(xié)調(diào)運(yùn)動。隨著工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動態(tài)和開放的方向發(fā)展，工業(yè)多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)將成為研究的熱點(diǎn)。

3.4遙控焊接技術(shù)

遙控焊接技術(shù)是指焊接機(jī)器人在一些危險(xiǎn)、惡劣及特殊的環(huán)境中，而人在離開現(xiàn)場的安全環(huán)境中對焊接機(jī)器人的操作進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，完成完整的焊接工作，它融合了多學(xué)科的知識。在如核輻射區(qū)域設(shè)備維修、深水、有毒、空間站等環(huán)境中應(yīng)用較為廣泛，遙控焊接技術(shù)可以說是目前最高意義上的焊接自動化、智能化。國內(nèi)外對遙控技術(shù)的研究成果較多，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)也正在進(jìn)行這方面的研究。

結(jié)束語

綜上所述，焊接機(jī)器人在生產(chǎn)生活中，發(fā)揮了極其重要的作用。目前國內(nèi)外都在對焊接機(jī)器人加大研究力度，其應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。從發(fā)展趨勢來看，在不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展，也會涉及到太空、核事故、醫(yī)用、仿生等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]余小榕.高職工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)在焊接機(jī)器人實(shí)訓(xùn)的探索[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（09）：219-220.

（作者單位：承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰荆?/p>