机器人领军焊接自动化

不锈阳光

随着近年来中国制造业的良好持续发展，带来了焊接行业的空前繁荣。特别是自成功举办北京•埃森焊接展20年来，受益最大的当数国内众多致力于在焊接领域发展的企业，他们通过这一平台不仅很好地展示了企业的产品和品牌形象，更给这些企业与国际同类产品同台竞技和学习的机会，对推动中国焊接工业的发展产生了深远影响。焊接机器人作为焊接自动化的新锐，在提高企业的生产效率和产品质量稳定性方面扮演着越来越重要的角色。
典型的焊接机器人系统有如下几种形式：焊接机器人工作站、焊接机器人生产线、焊接专机。焊接机器人系统属于柔性制造系统（FMS），一般适合中、小批量生产，被焊工件的焊缝可以短而多，形状较复杂。该焊接系统特别适合产品品种多，每批数量又很少的情况。而焊接专机则适合批量大，改型慢的产品，而且工件的焊缝数量较少，形状规矩的情况，至于选用哪种自动化焊接生产形式，需根据企业的实际情况而定。
据统计，目前全世界已有近140万台机器人投入使用，其中用于完成各种焊接作业的焊接机器人占全部机器人的40%以上，而企业所应用的机器人基本上只作弧焊及点焊使用（MIG/TIG），分别占53%和46%，用于其他焊接方法的机器人极少。目前我国的焊接机器人主要集中在汽车、摩托车及工程机械三个主要行业。汽车制造及汽车零部件制造业中所拥有的焊接机器人占全部焊接机器人的65%，在摩托车行业和工程机械行业中分别占15%和16%，其他行业仅占4%。我国工业生产中应用的焊接机器人90%以上都是五轴或六轴关节式机器人，但也有一些直角坐标式三轴或五轴机器人。90%以上的焊接机器人应用集中在我国的东部地区，即东北、华北、华东及中南地区。华东是应用焊接机器人最多的地区，占37%。上海拥有的焊接机器人最多，占全国的19%，主要以弧焊为主；长春市的焊接机器人数量名列全国第二，占全国的17%，主要以点焊为主。由此可见，上海和长春这一南一北的两个城市是全国在生产中应用机器人的领头羊。
一、焊接机器人发展进程
我国于20世纪70年代末开始研制焊接机器人，素有中国机器人“摇篮”美誉的沈阳新松机器人自动化股份有限公司在国内率先开展机器人理论与应用研究。在科技部“863”机器人计划主题的支持下，90年代开始进行具有应用前景的机器人研究，在国内机器人最早应用于工程机械行业，并于1990年顺利研究成功中国首台工业机器人通用控制器，随后进行小批量生产应用。1995年，新松公司又开发成功中国首台四自由度点焊机器人，该机器人系统是新松公司针对焊接面包车底底板开发的，机器人操作机采用交流伺服电机驱动，减速装置则采用先进的RV减速器，在保证操作机高性能前提下，又使之成为免维护机器人操作。控制系统则采用新松公司具有自主版权的SIA-GRC高性能控制器，操作简便，性能优异。该机器人系统已成功应用于松辽汽车公司和金杯客车股份有限公司的汽车生产线上。沈阳新松机器人自动化股份有限公司被国家发改委和科技部分别命名为“机器人国家工程研究中心”、“国家863计划智能机器人主题产业化基地”、“国家高技术研究发展计划成果产业化基地”。从技术方面来说，中国的机器人技术在世界机器人界已有一席之地，奠定了独立自主发展中国机器人事业的基础；从社会经济角度来看，中国机器人技术的发展，为中外机器人产品打开中国市场准备了物质和人员条件。同时也标志着我国的机器人应用真正开始走向实用化阶段。
二、焊接机器人应用现状
“十五”期间是焊接机器人产业发展的一个关键转折点。经过多年的研究开发，市场需求在“十五”初期也有了一个“井喷式”的发展，中国的焊接机器人的需求量每年以15%～20%以上的速度增长，拥有量约为3000〜4000台，年需求量在1000台左右。主要集中汽车、摩托车和工程机械3个重要行业，并且90%以上属于5或6轴关节式机器人。
新松机器人公司以关键技术攻关、自主产品开发、应用工程示范为技术路线，将各类汽车车身自动冲压线、白车身焊装线、汽车总装线、发动机装配线、工装夹具及输送系统的设计制造；焊装线钢结构、管网工程的设计制造；焊装线工艺设计、平面布置、机器人选型、机器人用自动焊钳设计与选型、非标机械装备、辅具、控制系统的设计制造与生产工艺调试等方面的先进装备技术成功应用于企业实际生产，开发出了适用性强、系统稳定可靠、操作简便、工艺结构性良好、经济高效的系列装备生产线，在机器人弧焊、点焊系统总体设计和应用工程的实施过程中，积累了丰富的生产线设计与机器人系统集成技术。迄今，新松公司完成的弧焊、点焊机器人工作站，各种装焊线等机器人自动化应用工程已超过1000多台套，解决了国内众多企业生产装备技术难题，提升了在国际舞台上的抗衡能力，为中国企业的腾飞乃至民族工业的发展起到了推波助澜的作用。典型应用如下：
1．一汽轿车点焊机器人应用工程
由新松公司自行开发研制的6台RD120—A型点焊机器人，以及新松公司II型电阻焊控制器，实现一汽轿车的小红旗、世纪星2种车型的车身组焊线中车身前、后风窗和左、右车门点焊焊装工作交钥匙工程，平均每台机器人完成焊点90点，生产节拍小于3min，两班制生产最高年产可达10万辆，生产线为滑撬式车身移动方式，可实现机器人与生产线间通信，完成移动传输、定位夹紧、安全互锁，并具有启动、暂停及机器人原位、运行状态等监控功能，实现焊接车身记数和自动修磨焊钳功能，机器人与电阻焊控制器配合使用，可实现焊钳打点、双行程焊钳开闭等动作，同时具有对气压、冷却水流量等焊接运行参数的自动监控功能，以便保证焊点质量和焊接作业安全、可靠。一汽轿车点焊机器人应用工程于2000年12月顺利通过由国家科技部和国家863计划联合办公室组织的验收，并得到极高评价，堪称我国工业机器人产业化和机器人工程应用的重要里程碑，标志着沈阳新松机器人自动化股份有限公司已经掌握了点焊机器人研制开发的关键技术，并具有了设计和承揽大型综合性汽车车身焊装机器人生产线项目的能力。
2．大连华克-吉莱特汽车消声器弧焊机器人工作站
从1998年至今，新松公司为大连华克-吉莱特汽车公司开发的多达十几个汽车消声器弧焊机器人工作站，其中焊接汽车发动机排气岐管焊接总成工作站采用双变位机布置结构，变位机放管件与法兰点焊夹具，在另一变位机放焊接总成夹具。这样布置合理地安排机器人工作时间，减少辅助时间，提高工作效率。夹具安装在两轴变位机上，两轴变位机包括垂直和平行水平面的两个伺服回转轴，其任何位置可停，它完全由机器人系统控制，可与机器人实现协调运动保证焊接工件的焊缝始终处于最佳焊接位置。
3．重庆驰骋前托梁总成机器人弧焊工作站
本工作站为重庆驰骋轻型汽车部件股份有限公司委托沈阳新松机器人股份有限公司设计的焊接机器人系统。工作站基本配置日本OTC EX—MV6机器人机控制器、CPDRA—501水冷高速焊接系统、头尾架式变位机、PLC总体控制系统及其他周边辅助控制设备等。工作站实现了焊接自动化，在设备正常工作时，操作工人只需要按动启动按钮机器人就可以按照程序工作。在出现工件夹紧不到位等情况时，工人还可以通过夹具上的手动按钮进行调整操作。周边设备和焊接过程的逻辑控制由外部的PLC总体控制完成，机器操作机和外部轴上的夹具在焊接示教程序中可以实现同时、同步的插补协调工作，从而实现空间曲线焊缝的连续焊接。
4．上海汇众弧焊机器人焊接生产线
采用机器人代替工人手工进行焊接作业是我国汽车及汽车零部件等行业发展趋势，是提高焊接质量和生产效率、降低成本增加经济效益、改善工作环境减轻工人劳动强度、创造良好企业形象的重要手段，对我国汽车工业的长远发展具有十分重要意义。新松公司为上海汇众汽车制造有限公司设计制造的由12台弧焊机器人组成的机器人焊接生产线，是为上海汽车工业公司配套生产的桑塔纳轿车转向器、减振器，别克轿车减振器等部件。该线还配有10套回转工作台、1套翻转工作台、39套焊接夹具等，可年产桑塔纳汽车配件30万套，别克轿车配件10万套。该线焊接质量稳定，适于多品种、多工艺和不同批量的自动化柔性生产，经济效益显著。
2002年，新松公司给芜湖市汽车工业的龙头企业——上汽集团奇瑞汽车有限公司提供了８台机器人焊接系统，使奇瑞轿车噪声降低４个分贝，产品质量超过了同行业提供的生产线生产的产品。由于可靠的工程质量和完善的售后服务，上汽集团又与新松公司签定了B11底盘件生产线，加长车白车身焊装线，A11车型AGV发动机装配线等供货合同，以组成扩建工程中的焊接和装配生产线。中国第一汽车集团青岛汽车厂，是中国第一汽车集团公司全资子公司，国家大型企业。我公司为该厂设计的由14台点焊机器人组成的驾驶室机器人焊装线是第一条由国内企业自行设计、实施的整车厂机器人点焊生产线，由于该生产线的顺利运行，提高了产品的焊接质量和稳定性，降低了劳动强度，提高了生产效率，解决了关键性的技术难题，因此得到客户高度评价。
公司正是凭借多年专业经验与对客户诚信服务，使公司的机器人技术装备的性价比在业界始终处于领先地位，其行业地位不断得到巩固和提升。
三、焊接机器人技术现状
近几年，焊缝跟踪控制系统中弧焊机器人的控制器正由专用的控制器向基于PC机的开放通用型控制器过渡。PC机与焊缝机器人的结合应用，不但能够解决专用控制器计算负担重、实时性差等问题，同时能够将图像处理、最优控制、人工智能等先进的研究成果应用到该系统的实时操作中。另外，PC机具有良好的开放性、联网性、标准的总线结构及标准接口等，可以打破机器人专用控制器结构封闭的局面，开发出结构开放、功能模块化的标准化焊接机器人系统。
随着人工智能技术的发展，神经网络和模糊逻辑技术的融合已成为当前焊接机器人技术的研究热点。神经网络具有很强的自学习、自适应、大规模并行运算和精确计算的能力，而模糊逻辑在专家可预见的领域上有很好的收敛性，在进行模糊量的运算上有优势。因此，二者结合可以优势互补，从而大大提高综合性能。神经网络模糊控制器的快速实时算法、稳定性、鲁棒性等问题，需要结合弧焊机器人系统及弧焊工业加以深入的研究。
目前的工业生产系统正在向大型、复杂、动态和开放的方向发展，为了解决在传统工业系统和多机器人技术相结合的许多关键问题上遇到的严重挑战，人们采用了将分布式人工智能和多智能体系统理论充分应用于工业生产系统和和多机器人系统——多智能体机器人系统。焊接是工业生产的一大领域，焊接机器人的发展基本上同步于整个机器人行业的发展。所以，多智能体机器人的研究与发展将要很快应用于焊接机器人领域。随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方向发展，多智能体焊接机器人系统终将成为热点的研究领域。
四、焊接机器人的发展趋势
2006年，焊接机器人拥有量达到8000多台，年拥有量将突破1500台。“十五”期间焊接机器人的总需求量约为3000台，预计到2010年工业机器人拥有量奖达到17300台，2015年将达到十几万台（套）。为保障企业的产品与技术与世界水平同步发展，新松公司充分利用自身的技术优势和行业地位，除了开发具有自主知识产权机器人自动化系列产品外。公司还与国外众多知名的机器人公司形成了紧密的商业合作伙伴关系，紧紧围绕客户需求，公司把国外先进的机器人自动化技术、产品与自身强大的研发设计能力、先进的技术装备与完善的服务体系进行完美整合，充分发挥各自的技术和资源优势，为客户提供完整的技术解决方案和交钥匙工程，保证了公司的产品技术水平始终与世界先进水平同步，为广大客户提供最大增值服务，形成了以机器人和先进装备为主体的核心技术，从而形成了较强的综合竞争优势和差异化比较竞争优势。
正是伴随着北京•埃森焊展20年的进程，我国的焊接机器人市场也迎来的前所未有的机遇，对未来大量采用焊接机器人的生产企业在高技术、高质量、低成本条件下必将获得高速发展，真正实现了与国际接轨，也必将为民族工业的发展带来新的生机。