工业机器人焊接工艺研究

工业机器人焊接工艺研究

摘要：伴随着国家经济规模的快速发展、人民生活水平的不断提升，同时由于

我国社会老龄化不断加剧，一线焊接工人的数量呈现减少趋势。焊接机器人的出

现有效解决了这种供需矛盾，并且可以使更多人把有限的工作时间投入到更具创

造力的工作中去。焊接机器人的使用可以大幅提高焊接生产效率，改善操作人员

的劳动条件，稳定和保证产品质量，易于实现产品的差异化生产，并能够推动相

关产业的自动化升级改造。本文主要就工业机器人焊接工艺进行研究探讨。

关键词：工业机器人；焊接工艺

焊接质量的好坏和钢结构相关产品质量起着决定性的作用。传统的手工焊接

已经无法满足现代化工业的生产需求，因此焊接自动化势在必行。通过对机器人

智能焊接技术进行探讨，可促进和推动精密行业实现批量生产、质量管控、自动

化控制，与工业智能化接轨，为建设工厂智能化提供坚实有力的依据。

1焊接机器人应用的意义

（1）稳定和提高焊接质量，保证焊缝均一性。采用机器人焊接时每条焊缝的焊接参数恒定，焊缝质量受人为因素影响较小，因此焊接质量比较稳定。（2）

改善了工人的劳动条件.采用机器人焊接，焊工远离了焊接弧光、烟雾、飞溅和高

温等，对于点焊来说焊工不再搬运笨重的手工焊钳，使焊工从高强度的体力劳动

中解脱出来。（3）提高劳动生产率。焊接机器人一天可24h连续生产，另外随

着高速焊、窄间隙焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。（4）产品周期明确，容易控制生产效率。机器人的生产节拍是固定的，因此安

排生产计划非常明确。

2机器人智能焊接技术

2.1机器人专用弧焊电源技术

弧焊电源是机器人智能装备焊接设备的重要环节。弧焊电源应具备良好的电

气性能，动特性，能够使机器人智能装备焊接的功能发展到最大限度。逆变弧焊

电源系统已经发展成熟，该系统设计设备具体积小，质量轻，高效节能，控制灵活，动特性好。具备精细的波形控制技术，焊接工作频率宽广（20～200kHz），

适用于机器人智能装备智能焊接。数字化控制是弧焊电源设计中的重要组成部分，具备稳定的焊接参数、电网电压波动小、元器件温升及老化影响小，重复精度高，焊缝成形好，质量稳定，可以采用DS快速响应，控制系统精确的给定控制指令，使电源输出稳定，输出的电流波形和电弧电压种类多，高速稳定调节适应于多种

焊接电源要求。

2.2焊接机器人系统仿真技术

机械手的仿真技术，在机器人智能装备焊接设备的设计过程中使用机器人控

制系统、Auto-CAD和计算机3D建模等图形设计软件，在计算机中以仿真动画形

式呈现出来，然后对机械手手臂进行控制、运动正反解分析，在实际运行中环境

中遇到的抗干扰和避让问题进行运动仿真模拟。设计模型通过ANSYS等分析软件

在力学、光学、电磁学、流体学等环境中分析，达到最实用，最可靠的设计，通

过这种方法可以很好地解决遇到的问题。

2.3多设备的协调控制技术

按照常规设计进行，机器人智能装备是一台机器人系统或工作站，包括焊接

电源，机器人控制柜，焊接机器人本体及焊接夹具等。通常工人操作中只对焊接

夹具及变位机、焊接机器人和弧焊电源集成，才能发挥其更好的作用。当焊接设

备具有多个焊接机器人时，多套系统进行集成，如何做好多套机器人合作，使用

多套设备协调控制技术。

2.4焊缝实时跟踪技术

机器人智能装备焊接设备使用焊缝实时跟踪技术，保证良好的焊接质量。焊

缝的实时跟踪受设备、环境、温度、材料等诸多因素影响。焊接在不同的环境等

诸多因素中进行时，焊接参数就要跟着变化，应力的变化，会使焊缝发生偏离，

就会出现质量缺陷等严重情况发生。焊缝质量实时检测，随时对焊接参数及路径

进行调整，才能保证焊缝质量。要想实现焊缝实时跟踪技术，必须实现焊缝跟踪

控制理论与方法和传感器技术。

（1）焊缝跟踪控制理论与方法。使用焊缝跟踪控制技术，常用的控制理论与方法有以下几种。①焊接过程中，在焊接轨迹方向上，焊枪相对工件按照每移动固定的距离，就完成一次调整，或者说，每移动固定的距离，控制器向传感系统

发出一次位置指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，进行焊接作业。②在焊接过程中，以固定的时间间隔控制器向控制系统发送位置请求的指令，焊枪

依据系统给定的相对位置进行移动，从而进行焊接作业。③焊接过程中，在焊接速度方向上，提前确定焊缝线路，传感器对焊缝前段（未开始焊接）进行跟踪，

向控制系统发送位置请求指令，焊枪依据系统给定的相对位置进行移动，进行焊

接作业。

（2）传感器技术。在智能装备焊接设备中长使用电弧传感器及光传感器，然而两种的原理各有不同。电弧传感器的原理是从焊弧中获得相应焊缝偏差信息的，不添加外设装置设备，使用方便，成本较低，实时性良好等优点。然而光传感器

中多使用视觉识别，是传统的光传感器与图形识别及处理系统综合集成的现代先

进生产技术，有效的提高了智能焊接装备的适应能力及产量和质量的提高。

①路径规划及编程仿真技术。利用计算机进行图形建模，依据现场设定焊接

作业的工作环境，采用动画仿真模式进行焊接路径规划，通过机器人智能焊接装

备设置对相应的规划路径信息进行分析，利用规划路径的算法进行科学的分析，

结合仿真技术，得出详细的焊缝规划路径。设置焊接材料，焊丝数据，焊接任务

等参数，通过计算算法分析得出焊接程序，机器人智能焊接装备焊接设备依据焊

接程序对工件进行焊接作业，完成智能化焊接，保证焊接质量。自动编程仿真技

术以焊接任务、焊接轨迹、焊接参数等为基础，针对于机器人智能焊接装备运用

与研究有着重要的推动作用。自动编程技术在焊接的各个环节中能够独立完成相

应的实施目的，具备高智能化、高效率、高精度等优良特点。

②遥控焊接技术。遥控焊接技术是指工作人员在离开现场，在安全的环境中

对设备进行焊接或远程监视和控制，达到整个焊接完成的相关焊接工作。在一些

特定场所不适合人员进入该现场进行操作，会危害人身安全的环境，如核电厂反

应塔等设备维护，石油海上工作站，高温高压环境等都不适合焊接工作人员进入

现场进行焊接作业，所以遥控焊接技术是完成相关工作的必然物。

3焊接机器人技术的发展趋势

3.1虚拟现实技术

虚拟现实技术是针对事件的现实性从空间层面和实践层面上分解后再次组合

的技术。将多媒体技术以及虚拟现实技术等和焊接机器人技术进行有机结合，在

焊接过程的模拟仿真中应用，而且利用计算机使工艺过程向数字化操作转换，之

后科学指导焊接工作。在该过程中，不管是机械人的行走速度还是行走轨迹，都

必须要利用计算机进行展示，便于及时调整机械手轨迹以及姿态，进而对生产系