智能化机器人高效焊接技术

刘古文 王忠哲

摘要：针对国内部分行业焊接机器人使用过程中出现的问题，采用焊缝寻位技术、机器视觉技术、参数化编程技术和低飞溅焊接技术，降低焊接变形及组对误差对焊缝成型的影响，实现部分行业多品种小批量生产的机器人快速编程，完成高效率、高质量的的自动化焊接。

关键词：焊接；机器人；智能化

0 机器人焊接应用现状

与手工焊相比，焊接机器人焊接质量稳定，可在有害环境下长时间工作并显著提高劳动生产率。焊接机器人应用推广最成熟的行业为汽车行业，得益于汽车零部件料精度高、品种单一、易于实现批量生产。国内使用焊接机器人的现状基本上是一个行业一个行业的推广，从汽车行业逐步发展到健身器材、工程机械等焊接量大可实现批量生产的行业。焊接机器人在部分行业难以大规模推广受制于多种因素，典型的原因包括：如何适应下料精度差、多品种少批量生产、焊接过程变形等不可控因素。基于这一系列的需求，国内外焊接机器人研发工作者开发了一系列新技术和新工艺。

1 焊缝寻位与跟踪

实际焊接中，由于加工和装配误差造成的焊缝位置和尺寸的变化，使焊接机器人无法按照事先编程或示教好的轨迹进行焊接。解决焊接形位误差的方式目前主要有三种，分别是接触式焊缝寻位与电弧跟踪、激光跟踪和机器人视觉定位技术。

1.1 接触式焊缝寻位

焊接前，机器人通过预先设置的程序，焊枪的焊丝沿某个方向向工件靠近，在焊丝与工件接触的瞬间发生短路，此时可以确定工件边沿在某个方向的坐标位置，从而计算出焊缝的实际位置（当前工件）与示教位置（前期编程用的工件）的偏移量，机器人自动修正焊接路径。接触式寻位的缺点是工件边沿的特征要有高度方向偏差，无法实现薄板搭接或平板对接焊缝的寻位。针对部分行业焊件表面锈体较多或是氧化皮较多的现状，在接触式寻位基础上开发了高压寻位技术，高压寻位技术寻位电压很高，但导通电流及其微小，既保证了氧化皮接触时的导电灵敏又确保了生产安全。

焊缝跟踪是在焊接过程中通过焊枪摆动，监控焊接电流的变化，从而找到焊缝的中心位置。焊缝跟踪技术的局限性为焊接摆动要有足够的宽度，焊缝种类一般为平角焊或船形焊。接触式焊缝寻位和焊缝跟踪技术已经非常成熟，普遍应用于工程机械、铁路车辆、煤炭机械等的中厚板焊接。

1.2 激光跟踪

激光跟踪主要通过激光三角测距原理实现焊缝跟踪。激光器发出的激光斜射在在工件表面上形成激光条纹，视觉传感器与激光器形成一定角度，视觉传感器获取的激光条纹图像具有一定的结构特征，通过结构特征判定焊缝的中心位置。

图1 激光三角测量原理

机器人视觉定位是通过摄像头拍摄焊缝或者工件，然后由图像采集卡将拍摄的图片采集到计算机内部进行图像处理与识别，提取出本次焊接所需要的图像特征信息，用于调整焊枪的运动。图2所示为典型管板焊接工件，视觉传感器通过寻找管口的特征点进行定位，精确定位每一条环焊缝的位置。

图2 管板焊接机器人视觉定位

机器人视觉除定位焊缝位置外，还可以定位整个工件的放置位置。图3为铁路车辆工件的焊接。生产人员将批量工件依次放置在平台上，放的位置不需要精确，机器人通过摄像头拍照精确定位工件的放置位置及旋转角度，自动实现轨迹纠偏。采用视觉后，工件放置不再需要定位工装，操作简单方便。

图3 通过视觉方式确定工件的摆放位置和角度

2 参数化编程

国内很多行业焊接生产的特点是多品种小批量生产，国际知名品牌的机器人都配有离线编程和仿真功能，离线编程目前在喷涂和搬运行业应用较好，但在焊接领域一直少有应用，主要原因是焊接编程过于复杂，涉及的焊接工艺、焊枪姿态、起收弧状态等在电脑上作出的效果与工件示教编程有一定差距，电脑模型作出的理想轨迹与客户车间组对完的实际工件也有一定偏差。

以专用汽车厢体焊接为例，厢体一般根据客户和经销商需求定制，无法实现大批量生产，采用机器人单件生产的编程时间甚至比焊接时间都长，因此专用汽车行业很少采用焊接机器人，这与批量生产的商用汽车大规模采用机器人有明显的差距。专用车厢体虽然品种很多，但基本上可以分为有限的几类，每类车体只是尺寸不相同。基于这个现状，可以每类车体编出一种机器人程序，工人在触摸屏上简单输入车体及方格的尺寸，机器人自动修改焊缝的坐标位置，焊枪姿态、焊接工艺参数等不用做调整，这样编程时间可从几个小时缩短到十几分钟，实现多品种、小批量生产。

图4 参数化编程人机界面

控制器内部使用了多维搜索算法以及坐标系的网点分布策略，提高了焊接的效率。多维搜寻算法对于非垂直线条的图形的焊接轨迹问题非常有效，也是平行四边形以及其他图形焊接问题的解决方法。

参数化变差有其局限性，但在一定程度上可以解决部分行业单件小批量生产的难题，参数化编程与离线编程相结合将是下一步研究的方向。

4 低飞溅焊接技术

焊接机器人采用的焊接方式主要以CO2／MAG 焊接为代表的熔化极气体保护焊为主，但是飞溅相对比较多，焊后往往需要人工打磨，所以完全消除飞溅是熔化极气体保护焊永恒的课题。小电流短路过渡时大部分飞溅都是在短路和燃弧交替切换的瞬间发生的，因此需要在这个瞬间通过各种方式减少飞溅量。

传统焊接方式在短路过渡过程中，当熔滴与熔池刚接触的瞬间，形成焊接回路短路，电阻和电流较大，短路电流迅速上升，爆断液体小桥形成较大飞溅。低飞溅焊接在短路前期、中期和后期分别采用不同策略以较快速度控制电流电压波形，降低短路电流及飞溅量。

图5 低飞溅焊接方式与传统焊接方式波形图

为精确判断和控制电弧即将缩颈的瞬间，控制系统需要在几个微秒内检测到电弧状态并进行精细波形输出，控制短路电流和燃弧能量，因此主控板采用处理速度高达600 MHz 的DSP 和实时性强的ARM 组成双CPU 控制系统，实时监测电弧状态并进行有效的精细控制。

低飞溅焊接技术除飞溅量小外，还能显著提高焊接的搭桥能力，适应较大组对误差的薄板焊接。低飞溅焊接技术在机器人应用中具备显著优势，正逐步取代传统的短路过渡焊接方式。

5 结束语

焊缝寻位与跟踪技术、参数化编程技术、低飞溅焊接技术在焊接机器人推广和应用过程中发挥了重要作用。在弧焊机器人领域，为适应各种焊接要求，起弧点高度自适应技术、同步热波技术、焊接参数优化过度技术、飞行起弧技术等焊接应用技术为提高焊接效率和焊接质量发挥了重要作用。焊接机器人的运行速度明显高于焊接速度，如何重分利用焊接机器人的优势，持续提高焊接速度、继续降低飞溅量将是焊接机器人未来发展的重要方向。

参考文献：

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[3] 清原，岡田，山本．有关短路电弧焊接熔滴过渡稳定性和新控制方法[A]．焊接电弧物理研究委员会资料．1973,73－205．

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