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焊接機器人的現狀和發展趨勢2
眾所周知，焊接壹方面要求焊工有熟練的操作技能、豐富的實踐經驗和穩定的焊接水平；另壹方面，焊接是壹種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業機器人的出現讓人們很自然的想到用它來代替手工焊接，既可以減輕焊工的勞動強度，也可以保證焊接質量，提高焊接效率。
然而，焊接不同於其他工業過程。比如電弧焊過程中，被焊工件由於局部加熱、熔化、冷卻而變形，焊縫軌跡也會隨之發生變化。有手工焊接經驗的焊工可以根據肉眼觀察到的實際焊縫位置，及時調整焊槍的位置、姿態和行走速度，以適應焊縫軌跡的變化。但為了適應這種變化，機器人必須先像人壹樣“看到”這種變化，然後采取相應的措施調整焊槍的位置和狀態，實現對焊縫的實時跟蹤。由於強弧光、電弧噪聲、煙塵、熔滴過渡不穩定引起的焊絲短路、大電流、強磁場等復雜環境因素的存在，機器人提取檢測和識別焊縫所需的信號特征並不像工業制造中其他加工過程那樣容易。因此，焊接機器人的應用從壹開始就沒有用於電弧焊過程。
事實上，工業機器人在焊接領域的應用是從汽車裝配線上的電阻點焊開始的。原因是電阻點焊的過程比較簡單，容易控制，不需要跟蹤焊縫軌跡，所以對機器人的精度和重復性的控制要求比較低。圖5顯示了不同類型的機器人點焊鉗。點焊機器人在汽車裝配線上的應用，大大提高了汽車裝配焊接的生產率和焊接質量，同時具有柔性焊接的特點，即只要改變程序，就可以在同壹條生產線上進行不同車型的裝配和焊接。
從機器人誕生到80年代初，機器人學經歷了壹個漫長而緩慢的發展過程。20世紀90年代，隨著計算機技術、微電子技術和網絡技術的飛速發展，機器人技術也得到了迅速發展。工業機器人的制造水平、控制速度、控制精度和可靠性在不斷提高，而機器人的制造成本和價格在不斷降低。在西方社會，與機器人的價格相反，人的勞動力成本有增長的趨勢。圖6是根據聯合國歐洲經濟委員會(UNECE)的統計，機器人價格指數和人工成本指數從1990到2000年的變化曲線。圖中機器人價格指數和人工成本指數1990都作為參考值100。到2000年，人工成本指數為140，增長了40%。但是，在考慮質量因素時，機器人的價格指數低於20，降低了80%。不考慮質量因素，機器人的價格指數在40左右，降低了60%。在這裏，不考慮質量因素的機器人價格是指現在機器人的實際價格與過去相比；考慮質量因素，意味著機器人的制造質量和性能比以前更高，因為機器人制造的工藝水平提高了，甚至在同等價格的情況下。所以，如果過去考慮機器人的質量和性能，機器人的價格指數應該更低。
可以看出，在西方國家，人工成本的增加給企業帶來了很大的壓力，而機器人價格指數的降低正好為其進壹步推廣應用帶來了契機。當減少員工和增加機器人設備投資的成本達到壹定的平衡點時，使用機器人帶來的收益明顯大於使用人力帶來的收益。壹方面可以大大提高生產設備的自動化水平，從而提高勞動生產率，同時可以提高企業的產品質量和整體競爭力。雖然機器人的壹次性投入比較大，但是它的日常維護和消耗相對於它的產出來說，遠遠小於完成同樣任務的人力成本。所以從長遠來看，產品的生產成本會大大降低。機器人價格的降低使得壹些中小型企業很容易投資機器人。因此，工業機器人在各行各業的應用發展迅速。據聯合國歐洲經濟委員會統計，2001年，全球工業制造領域使用的工業機器人有75萬臺，其中日本38.9萬臺，歐盟19.8萬臺，北美9萬臺，其他國家7.3萬臺。截至2004年底，全球至少有約1萬臺工業機器人在服役。
由於機器人控制速度和精度的提高，特別是電弧傳感器在機器人焊接中的發展和應用，在壹定程度上解決了機器人弧焊的焊縫跟蹤和控制問題，機器人焊接在汽車制造中的應用從最初的汽車總成的單壹點焊迅速發展到汽車零部件和總成的弧焊。機器人電弧焊最大的特點是靈活性，即可以通過編程隨時改變焊接軌跡和焊接順序，因此最適合焊接零件種類多、焊縫短而多、形狀復雜的產品。這符合汽車制造的特點。尤其是現代社會，汽車款式更新速度非常快，配備機器人的汽車生產線能很好地適應這種變化。圖7示出了用於焊接汽車底盤的機器人電弧焊。
此外，機器人電弧焊不僅可用於汽車制造，還可用於其他涉及電弧焊的制造業，如造船、機車車輛、鍋爐、重型機械等。因此，機器人電弧焊的應用範圍越來越廣，在數量上超過了機器人點焊。
隨著汽車輕量化制造技術的普及，壹些高強度合金材料和輕合金材料(如鋁合金、鎂合金)在汽車結構材料中得到了應用。這些材料的焊接往往不能用傳統的焊接方法解決，必須采用新的焊接方法和工藝。其中，大功率激光焊接和攪拌摩擦焊最具發展潛力。因此，機器人與大功率激光焊接和攪拌摩擦焊的結合將成為必然趨勢。事實上，國內最有實力的汽車制造商，如上海大眾，在其新車型的制造過程中已經大量使用了機器人激光焊接。圖8顯示了汽車車頂的機器人激光焊接。
與機器人電弧焊相比，機器人激光焊接對焊縫跟蹤精度要求更高。按照壹般要求，機器人電弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內，在有填充絲的情況下，焊縫跟蹤精度可以適當放寬。但對於激光焊接，激光照射在工件表面的光斑直徑通常小於0.6，遠小於焊絲直徑(通常大於1.0)，激光焊接時焊絲通常不填充。所以激光焊接時如果光斑位置稍有偏差，就會造成偏焊和漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機器人激光焊接，不僅在夾具上采取了防止焊接變形的措施，還在機器人激光焊槍前安裝了德國SCOUT公司的高精度激光傳感器，用於跟蹤焊縫軌跡。
工業機器人有多種結構形式，如直角坐標、柱坐標、球坐標、多關節坐標、伸縮、爬行等，根據用途不同還在不斷發展。焊接機器人可以根據不同的應用采取不同的結構形式，但目前應用最廣泛的是模仿人類手臂功能的多關節機器人，因為多關節機器人手臂的靈活性最大，可以將焊槍的空間位置和姿態調整到任意狀態，滿足焊接需要。理論上，機器人的關節越多，自由度越大，關節冗余度越大，靈活性越好。但這也給機器人逆運動學的坐標變換和關節位置的控制帶來了復雜性。因為在焊接過程中，往往需要將工件上用空間直角坐標表示的焊縫位置轉化為焊槍末端的空間位置和姿態，再通過機器人的逆運動學計算轉化為對機器人各關節角位置的控制，而這種轉化過程的解往往不是唯壹的。冗余越大，解決方案越多。如何選擇最合適的解決方案對於焊接過程中機器人運動的穩定性至關重要。不同的機器人控制系統以不同的方式處理這個問題。
壹般來說，壹個六關節的機器人基本可以滿足焊槍位置和空間姿態的控制要求，其中三個自由度(XYZ)用於控制焊槍末端的空間位置，另外三個自由度(ABC)用於控制焊槍的空間姿態。所以現在的焊接機器人大多是6關節的。
對於壹些焊接場合，由於工件過大或空間幾何過於復雜，焊接機器人的焊槍無法到達指定的焊縫位置或焊槍姿態。這時候就需要增加1 ~ 3個外軸來增加機器人的自由度。通常有兩種方式:壹種是將機器人安裝在可移動的軌道車或龍門架上，擴大機器人本身的工作空間；二是使工件移動或旋轉，使工件上的焊接部分進入機器人的工作空間。有的還同時使用以上兩種方法，使工件的焊接部分和機器人處於最佳焊接位置。
目前焊接機器人的編程方式主要以在線示教為主，但編程器的界面相比過去有了很大的改進，尤其是LCD圖形顯示屏的采用，使得新型焊接機器人的編程界面更加友好，操作更加簡便。但是機器人在編程時，焊接軌跡上關鍵點的坐標位置仍然必須通過示教獲得，然後存儲在程序的運動指令中。示教壹些復雜的焊接軌跡需要花費大量的時間，降低了機器人的效率，增加了程序員的勞動強度。目前，有兩種解決方案:
壹種是在示教編程時只粗略獲取幾條焊縫軌跡上的幾個關鍵點，然後由焊接機器人的視覺傳感器(通常是電弧傳感器或激光視覺傳感器)自動跟蹤實際的焊縫軌跡。雖然這種方法仍然離不開編程教學，但可以在壹定程度上減輕編程教學的強度，提高編程效率。但是由於弧焊本身的特點，機器人的視覺傳感器並不適用於所有的焊縫形式。
二是采用完全離線的編程方法，使機器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標位置的獲取和程序的調試都可以在壹臺計算機上獨立完成，無需機器人本身的參與。機器人離線編程很多年前就有了。但由於當時計算機性能的限制，離線編程軟件主要是基於文本的。程序員需要熟悉機器人的所有指令系統和語法，還需要知道如何確定焊接軌跡的空間坐標。因此，編程並不容易，也不省時。隨著計算機性能的提高和計算機三維圖形技術的發展，當今大多數機器人離線編程系統都可以運行在三維圖形環境中，編程界面友好方便。而且焊縫軌跡的坐標位置通常可以通過“虛擬示教”獲得，在3D虛擬環境中用鼠標點擊工件的焊接部分，即可獲得該點的空間坐標。在某些系統中，可以通過CAD圖形文件中預先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然後自動生成機器人程序並下載到機器人控制系統中。從而大大提高了機器人的編程效率，降低了程序員的勞動強度。目前國際市場上有基於普通PC的商用機器人離線編程軟件。如Workspace5、RobotStudio等。圖9是作者開發的基於PC機的三維視覺機器人離線編程系統。該系統可用於ABB IRB140機器人的離線編程。通過虛擬示教可以獲得程序中的焊縫軌跡，在三維圖形環境中模擬機器人按照程序中的軌跡運動。
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機器人的發展
美國是機器人的發源地。早在1962年就研制出了世界上第壹臺工業機器人，比有“機器人王國”之稱的日本至少早了五六年。經過30多年的發展，美國現在已經成為世界機器人強國之壹，基礎雄厚，技術先進。縱觀其發展歷史，道路曲折不平。
從20世紀60年代到70年代中期的十幾年間，美國政府並沒有將工業機器人列入重點發展項目，只是在幾所大學和少數公司開展了壹些研究工作。對於企業來說，在只看到眼前利益，政府沒有資金支持的情況下，寧願錯過機會，堅持使用死板的自動化設備，也不願冒險去應用或制造機器人。另外，當時美國的失業率高達6.65%。政府擔心機器人的發展會導致更多的人失業，所以拒絕投資或組織機器人的發展。這不能說是美國政府的戰略決策失誤。70年代末，美國政府和企業界雖然重視，但仍側重於機器人軟件的研究和軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域先進機器人的開發，導致日本工業機器人後來居上，在工業生產應用和機器人制造方面迅速超越美國，產品在國際市場上更具競爭力。
進入80年代後，美國感受到了形勢的緊迫性，政府和企業界對機器人真正重視起來，政策也有所體現。他們壹方面鼓勵工業界開發和應用機器人，另壹方面制定計劃，加大投入，增加對機器人的研究經費，把機器人作為美國再工業化的特征，使得美國的機器人發展迅速。
80年代中後期，隨著各大廠商機器人應用技術的成熟，第壹代機器人的技術性能已經不能滿足實際需要。美國開始生產具有視覺和力覺的第二代機器人，並很快占據了美國60%的機器人市場。
雖然美國在機器人發展史上走過了壹條重視理論研究，忽視應用開發研究的曲折道路，但美國的機器人技術壹直處於世界領先地位。其技術全面、先進、適應性強。具體表現在:
(1)性能可靠，功能全面，精度高；
(2)機器人語言研究發展迅速，語言類型多，應用廣，居世界首位；
(3)隨著智能技術的快速發展，視覺、觸覺等人工智能技術已廣泛應用於航空航天、汽車行業；
(4)高智能、高難度的軍用機器人和空間機器人發展迅速，主要用於掃雷、布雷、偵察、站崗和空間探索。
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早在1966年，美國Unimation公司的Unimant機器人和AMF公司的Washatlan機器人就已率先進入英國市場。1967年，英國兩大機械公司還專門為美國兩家機器人公司在英國推廣機器人。然後，英國霍爾自動化公司開發了自己的機器人坡道。20世紀70年代初，英國政府的科學研究委員會發布了否定人工智能和機器人的萊特霍爾報告，並采取嚴厲措施限制工業機器人的發展。結果機器人行業壹蹶不振，在西歐幾乎排在最後。
然而，機器人在世界範圍內的蓬勃發展很快讓英國政府意識到，機器人技術的落後大大降低了其產品在國際市場上的競爭力。因此，自20世紀70年代末以來，英國政府采取了支持的態度，實施了壹系列支持機器人發展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性，對購買機器人的企業給予財政補貼，積極推動機器人研究單位與企業的結合，使英國機器人在生產領域開始了廣泛應用和蓬勃發展的繁榮時期。
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法國不僅在機器人數量上處於世界前列，在機器人的應用水平和範圍上也處於世界先進水平。這主要是由於法國政府從壹開始就比較重視機器人技術，尤其註重機器人的應用研究。
法國機器人的發展比較順利，主要是通過政府大力支持的研究計劃，建立了完整的科技體系。即政府組織壹些機器人基礎技術的研究項目，產業界支持應用開發，相輔相成，使機器人在法國企業界得到快速發展和普及。
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德國工業機器人總數居世界第三，僅次於日本和美國。這裏所說的德國主要是指前聯邦德國。比英國和瑞典引進機器人晚了五六年左右。之所以這樣，是因為德國的機器人產業壹起步就遇到了國內經濟不景氣。但是德國的社會環境有利於機器人產業的發展。因為戰爭，勞動力短缺，國家科技水平高，都是使用機器人的有利條件。20世紀70年代中後期，政府采取行政措施為機器人的普及鋪平道路。《改善勞動條件計劃》中規定，在壹些危險、有毒、有害的工作崗位上，機器人必須代替普通人的勞動。這壹計劃為機器人的應用開辟了廣闊的市場，促進了工業機器人技術的發展。日耳曼人是壹個講求實際的民族，他們始終堅持技術應用與社會需求相結合的原則。除了機器人像大多數國家壹樣主要用於汽車工業，突出的壹點是德國用現代生產技術改造了紡織工業的原有企業，報廢了舊機器，購買了現代化的自動化設備、計算機和機器人，降低了紡織工業的成本，提高了紡織工業的質量，使產品更有市場。到了1984，這個被譽為“垂死行業”的行業終於復活了。同時，德國看到了機器人等先進自動化技術在工業生產中的作用，提出了1985後向有感情的先進智能機器人轉移的目標。經過近十年的努力，其在智能機器人的研究和應用方面處於世界公認的領先地位。
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在前蘇聯(主要是俄羅斯)，機器人技術在理論和實踐上的討論始於50年代後半期。20世紀50年代末，開始了機器人樣機的研究。1968成功試制深水作業機器人。1971年，開發了工廠用通用機器人。早在前蘇聯的九五計劃(1970-1975)中，機器人的發展就被列入國家科技發展規劃。到1975，已經開發了30種型號的120機器人。經過20年的努力，前蘇聯的機器人在數量和質量上都處於世界前列。國家有目的地把提高科技進步作為促進社會生產發展的手段，安排機器人的研究和制造；機器人的研究、生產、應用、推廣和改進都是由政府有計劃、有步驟地安排的。
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有人認為機器人的應用只是為了節省勞動力，而中國勞動力資源豐富，發展機器人未必符合中國國情。這是壹個誤解。在中國，社會主義制度的優越性決定了機器人可以發揮所長。它不僅能為我國經濟建設帶來較高的生產力和巨大的經濟效益，還能為我國航天開發、海洋開發、核能利用等新興領域的發展做出突出貢獻。
中國在“七五”計劃中將機器人列入國家重點科研計劃，撥出巨資在沈陽建立了第壹個機器人研究示範項目，全面開展了機器人基礎理論和基礎部件的研究。在過去的十年裏，我們先後開發了完整系列的工業機器人、水下機器人、軍用機器人和特種機器人，如搬運、點焊、弧焊、噴漆和裝配。目前示教再現機器人技術基本成熟，已在工廠推廣應用。我國生產的機器人塗裝流水線已在長春第壹汽車廠和東風汽車廠投產。1986三月份開始的國家863高技術發展計劃，已經列入智能機器人的研發。當前應從生產和應用的角度，結合我國國情，加快生產實用機器人和壹些結構簡單、成本低廉的特種機器人。
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日本在60年代末處於經濟高速發展時期，年增長率為11%。第二次世界大戰後，日本勞動力本來就緊張，高速的經濟發展加劇了勞動力嚴重不足的困難。因此，1967年，川崎重工從美國Unimation公司引進機器人及其技術，建立生產車間，1968年，日本試制出第壹臺川崎“Unimant”機器人。
正是因為當時日本勞動力明顯不足，機器人才在企業中被歡迎為“救星”。壹方面，日本政府采取了積極的經濟扶持政策，鼓勵機器人的研發和普及，從而進壹步激發了企業家從事機器人產業的熱情。特別是政府對中小企業的壹系列經濟優惠政策，如由政府銀行提供優惠低息資金，鼓勵集資成立“機器人長期租賃公司”，公司投資後將機器人長期出租給用戶，這樣用戶每月只需支付較低的租金，大大減輕了企業購買機器人所需的財務負擔；政府將計算機控制的教學和復制機器人作為特殊折扣產品，企業可以享受通常的新設備40%的折扣和13%的價格補貼。另壹方面，國家資助機器人專業知識的應用和對小企業的技術指導。
這壹系列的配套政策，讓日本的機器人產業得以快速發展。經過短短的十幾年，在80年代中期已經成為“機器人王國”，機器人產量和機器人安裝數量已經躍居世界第壹。據日本工業機器人產業協會常務理事三本萬二介紹:“日本機器人的發展經歷了60年代的搖籃期、70年代的實用期、80年代的普及提高期。”並正式將1980定為“工業機器人普及元年”，開始廣泛推廣機器人在各個領域的使用。
日本政府和企業充分信任機器人，並大膽使用。機器人沒有辜負人們的期望。他們在解決勞動力短缺、提高生產率、提高產品質量、降低生產成本等方面發揮了越來越顯著的作用，成為日本保持經濟增長率和產品競爭力不可或缺的團隊。
在日本，汽車、電子行業大量使用機器人，使得日本汽車、電子產品產量猛增，質量日臻完善，制造成本大幅降低。這樣，日本制造的汽車就可以以廉價的絕對優勢進入被稱為“汽車王國”的美國市場，將日本制造的實用機器人出口到機器人誕生的國家。此時，日本廉價的家用電器也充斥了美國市場...這讓山姆大叔很後悔。因為機器人的制造和使用，日本增強了國力，獲得了巨大的利益，迫使美英法等許多國家采取措施奮起直追。