焊接是高速列車制造過程中最主要和最基本的工藝方法。隨著列車高速化和輕量化， 各部件的服役環(huán)境惡化， 對車體和轉(zhuǎn)向架的焊接技術(shù)提出了更高的要求。采用焊接機器人工作站或自動焊接專機是提高和穩(wěn)定焊接質(zhì)量的重要途徑， 而且隨著勞動力成本的提高， 機器人焊接的成本優(yōu)勢越來越明顯。

《智能制造科技發(fā)展 “十二五” 專項規(guī)劃》 指出：“中國已是世界第二大經(jīng)濟體和制造業(yè)大國， 但自主創(chuàng)新能力薄弱、 先進裝備貿(mào)易逆差嚴重、 高端裝備與智能裝備嚴重依賴進口， 嚴重制約我國制造產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。而智能制造技術(shù)是世界制造業(yè)未來發(fā)展的重要方向之一” 。近年來， 我國高速鐵路和高速列車發(fā)展迅猛， 獲得了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的重大科技成果。但是， 我國高速列車制造過程與國外高速列車生產(chǎn)現(xiàn)狀還有一定差距， 行業(yè)中的高端裝備和智能裝備依賴進口。走智能制造的道路也是我國未來高速列車制造業(yè)發(fā)展的趨勢。

智能制造最終目標是實現(xiàn) “設(shè)計過程、 制造過程和制造裝備智能化”， 包括產(chǎn)品設(shè)計中的數(shù)字化，制造過程中的傳感信息化和網(wǎng)絡(luò)化， 制造裝備的數(shù)字化和智能化。其中， 制造裝備的智能化是實現(xiàn)整體制造智能化的前提和基礎(chǔ)。在所有的智能化制造裝備中， 機器人無疑是柔性制造自動化的集中體現(xiàn)。而在高速列車的生產(chǎn)中， 焊接又占據(jù)了相當大的比重， 焊接機器人必然在高速列車智能制造中發(fā)揮重要作用。本文在分析焊接機器人的發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，給出其在高速列車制造行業(yè)中的應(yīng)用前景。

1

焊接機器人研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

機器人技術(shù)是綜合了計算機、 控制論、 機構(gòu)學(xué)信息和傳感技術(shù)、 人工智能、 仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)， 是當代研究十分活躍的領(lǐng)域。近十幾年來， 隨著相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)快速發(fā)展， 機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。為了更好地完成焊接任務(wù)， 機器人生產(chǎn)廠商在機器人本體上做了相應(yīng)的調(diào)整。機器人所采用材料開始轉(zhuǎn)向鋁、 不銹鋼、 高強鋼， 所使用的板材也越來越薄。使用材料的變化在保證剛度的前提下， 減少了機器人自身的質(zhì)量， 降低了成本。目前市場上機器人的售價越來越低， 性價比越來越高， 各個機器人廠商紛紛推出了 11~13 萬的經(jīng)濟型弧焊機器人。

下面介紹機器人相關(guān)技術(shù)的一些新進展。

1.1焊接機器人本體結(jié)構(gòu)的改進

在焊接機器人本體結(jié)構(gòu)方面， 近幾年一個較大的改進就是將原來的外置式送絲機構(gòu)， 改到機械臂中心， 如圖 1 所示。這樣避免了焊絲送絲中的打彎現(xiàn)象， 由于保證了焊絲輸送穩(wěn)定， 使焊接質(zhì)量進一步提高。同時這樣改進也避免了圖 1 所示情況下所發(fā)生的干涉。這種送絲同軸的設(shè)計， 可以使焊槍旋轉(zhuǎn)角度大于 360°。

1.2機器人控制器的通用化、 開放化和多軸協(xié)調(diào)控制

機器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置， 它是機器人的心臟， 決定了機器人性能的優(yōu)劣。傳統(tǒng)的機器人控制器基本上采用專用的計算機、 專用的機器人語言和專用的操作系統(tǒng)設(shè)計的， 結(jié)構(gòu)封閉， 表現(xiàn)出開放性差、 軟件獨立性差、 擴展性差、 缺少網(wǎng)絡(luò)功能等缺點， 它嚴重地影響了機器人的發(fā)展和應(yīng)用水平。在這種情況下， 開發(fā)開放式的機器人控制系統(tǒng)顯得非常迫切， 同時開放式機器人控制器也是當前控制系統(tǒng)的主流和發(fā)展趨勢。

目前各機器人廠商的控制柜都具有多軸協(xié)調(diào)控制能力， 用于多機器人焊接系統(tǒng)， 即若干個機器人通過合作與協(xié)調(diào)而完成某一任務(wù)。例如 MOTOMAN的機器人控制柜 NX100 最多可控制 4 臺弧焊機器人同時作業(yè)， 使生產(chǎn)效率進一步提高。由于1臺控制柜可統(tǒng)一控制多臺機器人，所以機器人間無需聯(lián)鎖。

焊接過程中， 可根據(jù)作業(yè)內(nèi)容選擇多臺機器人協(xié)調(diào)作業(yè)， 或選擇單臺機器人獨立作業(yè)， 控制器實時監(jiān)控手臂間的干涉， 即使在示教中， 也能防止機器人間發(fā)生碰撞。

1.3焊接傳感器

焊接機器人由示教再現(xiàn)型向智能型發(fā)展， 增強其柔性和適應(yīng)性， 傳感器是必不可少的。對于自主焊接來說， 傳感器感知外部環(huán)境的變化通知機器人，機器人實時調(diào)整工作狀態(tài)， 以適應(yīng)環(huán)境的變化這一點對于焊接來說尤為重要。在實際焊接過程中， 焊接條件是經(jīng)常變化的， 如加工和裝配上的誤差會造成焊縫位置和尺寸的變化， 焊接過程中工件受熱及散熱條件改變會造成焊道變形和熔透不均。為了克服機器人焊接過程中各種不確定性因素對焊接質(zhì)量的影響， 需提高機器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性， 要求弧焊機器人系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)空間焊縫的自動實時跟蹤， 而且還能實現(xiàn)焊接參數(shù)的在線檢測、 調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實時控制。目前， 應(yīng)用比較成熟的傳感器主要是焊縫跟蹤傳感器， 主要有電弧跟蹤和激光跟蹤兩大類， 分別如圖2和圖3所示。

電弧跟蹤傳感優(yōu)點是簡單， 不用附加另外的傳感裝置， 但它只適用于熔化極焊接場合。目前很多商用機器人已具有電弧跟蹤傳感功能。激光跟蹤傳感由于其優(yōu)越的性能， 已成為最有前途、 發(fā)展快的焊接傳感器。由激光二極管發(fā)射的激光束入射到工件表面， 經(jīng)金屬表面反射， 由 CCD 攝像機接收成像。可以看到， 當工件位置不同時， 激光光斑成像在 CCD 上的位置是不同的。如果已知激光入射角度， 通過圖像上的光斑位置， 就可以計算出工件上點的三維信息。除了這種點式激光光源， 目前更多的焊縫激光傳感器采用激光條紋作為光源。加拿大Servorobot 和英國 META 公司已有商業(yè)化的產(chǎn)品出售。這類專業(yè)的激光焊縫跟蹤傳感器的售價一般在20 萬元以上， 比機器人本體還要昂貴。傳感結(jié)果通過數(shù)據(jù)接口傳輸給機器人控制， 由控制器發(fā)出指令對機器人的運動進行調(diào)整。目前， 這類激光傳感器在焊接機器人工作站上使用主要為了實現(xiàn)三類功能：

（ 1 ） 初始焊位引導(dǎo)， 也稱為焊縫搜索或接頭搜索。由于裝配誤差， 可能引起焊縫位置的變化。此時如果仍然按照原示教結(jié)果進行焊接， 可能會出現(xiàn)焊偏現(xiàn)象。焊縫搜索是利用一次或多次搜索定位焊縫， 在焊接前平移機器人的編程路徑， 確保焊縫確地熔敷在接頭上的過程。用于焊接機器人的焊縫搜索定位系統(tǒng)， 包括點式及條紋式的激光傳感器，適用于不同項目需求。

（ 2 ） 焊接過程中對焊縫實時跟蹤。焊縫跟蹤也稱為接頭跟蹤， 是指在焊接位置前方進行實時跟蹤。這不僅可以校正機器人或?qū)C的軌跡， 而且可以實現(xiàn)自適應(yīng)控制， 例如通過調(diào)整電壓、 送絲速度或行走速度來改變焊縫成形。利用激光焊縫跟蹤傳感器在焊槍之前實時地檢測焊縫三維空間位置和曲面曲率， 并將此信息發(fā)送給機器人控制器， 引導(dǎo)焊槍移動。

（ 3 ） 焊后質(zhì)量檢測。利用激光傳感器的三維信息獲取能力， 可以對焊后的焊縫成形質(zhì)量和缺陷進行檢驗， 發(fā)現(xiàn)成形不良、 咬邊等缺陷。

值得注意的是， 目前一些機器人廠商， 如 OTC ，MOTOMAN 等， 已經(jīng)開始著手研制用于所產(chǎn)機器人的激光焊縫跟蹤傳感器。將來焊縫跟蹤激光傳感器將與焊接機器人協(xié)同工作得更好。先進的激光焊縫跟蹤傳感器不僅能夠感知被測點的三維位置， 還能夠擬合出工件的曲率， 從而不僅調(diào)節(jié)焊槍位置， 還可以幫助調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)， 如圖 4 所示。這樣在激光焊縫跟蹤傳感器的幫助下， 有可能完全省去示教步驟， 從而大大提高工作效率。目前， 焊縫跟蹤傳感器還是非?；钴S的領(lǐng)域之一， 多條紋激光光源、 錐形激光光源等都有研究和應(yīng)用。所適用的焊接過程也從原來的單道焊接擴展到多層多道焊的焊縫跟蹤， 對于高反光的鋁合金材料焊接， 也能夠?qū)崿F(xiàn)有效跟蹤。

1.4離線編程技術(shù)

機器人離線編程 （ OLP — off－linprogramming ） 系統(tǒng)是機器人編程語言的拓廣， 它利用計算機圖形學(xué)的成果， 建立起機器人及其工作環(huán)境的模型， 在利用一些規(guī)劃算法， 通過對圖形的控制和操作， 在不使用實際機器人的情況下進行軌跡規(guī)劃， 進而產(chǎn)生機器人程序。它是 CAD/CAM/ROBOTICS 一體化的產(chǎn)物。

離線編程技術(shù)的高目標是全自動編程， 即只需輸入工件的模型， 離線編程系統(tǒng)中的專家系統(tǒng)會自動制訂相應(yīng)的工藝過程， 并最終生成整個加工過程的機器人程序， 稱之為 “傻瓜編程”。目前， 還不能實現(xiàn)全自動編程。自動編程技術(shù)是當前研究的重點。自動編程技術(shù)的核心是焊接任務(wù)、 焊接參數(shù)、焊接路徑和軌跡的規(guī)劃技術(shù)。針對弧焊應(yīng)用， 自動編程技術(shù)可以表述為在編程各階段中， 能夠輔助編程者完成獨立的、 具有一定實施目的和結(jié)果的編程任務(wù)的技術(shù)， 是為了提高系統(tǒng)的智能， 提高編程的質(zhì)量和效率而提出來的。目前除了一些較通用的離線編程系統(tǒng)外， 各個機器人生產(chǎn)廠商也紛紛推出自己的離線編程系統(tǒng)。

1.5焊接過程監(jiān)測和質(zhì)量保證

為了更好地監(jiān)測焊接過程， 一些焊接機器人向用戶直接提供了焊接參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)， 用以幫助用戶觀察和記錄焊接過程參數(shù)， 發(fā)現(xiàn)潛在的焊接缺陷。同時為了保證焊接質(zhì)量， 機器人廠商紛紛推出專用焊機， 采用自適應(yīng)控制方法， 避免飛濺產(chǎn)生和適應(yīng)變坡口間隙的情況。目前能夠采用機器人進行焊接的工藝方法有 GTAW ， GMAW ， 點焊， 激光焊等，從焊接工藝的角度出發(fā)， 改進機器人的性能和輔助功能。

2

焊接機器人在高速列車生產(chǎn)中的應(yīng)用前景

隨著智能制造計劃的推進， 工業(yè)機器人在制造業(yè)中的應(yīng)用將會飛速發(fā)展。實際上， 近年來我國每年新裝機器人的臺套數(shù)都在以 50％/ 年的速度在增長。隨著機器人售價的降低和人工成本的增加， 使用機器人所帶來的經(jīng)濟效益越來越驅(qū)動企業(yè)使用機器人進行焊接。另一方面， 機器人的性能大幅提高，經(jīng)過了幾十年的積累， 機器人廠商已經(jīng)能夠針對不同的產(chǎn)品形式提供成套的設(shè)備， 包括機器人本體、變位機、 離線編程系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)等， 大大降低了用戶使用機器人的難度。

在高速列車生產(chǎn)中， 北車集團已經(jīng)采用多套機器人系統(tǒng)進行鋁合金車體的焊接， 其轉(zhuǎn)向架的焊接已經(jīng)可用焊接機器人來完成。由于復(fù)雜的形狀和嚴格的質(zhì)量要求， 轉(zhuǎn)向架是另一種采用弧焊很難焊接的工件。為了獲得規(guī)定的熔透， 焊縫的定位要求非常關(guān)鍵。采用裝有視覺系統(tǒng)的機器人已用于焊接這些工件， 其中所用的機器人帶有焊接參數(shù)自適應(yīng)控制的功能。

可以預(yù)見， 在高速列車生產(chǎn)中采用機器人焊接無疑可以提高產(chǎn)品質(zhì)量， 為實現(xiàn)智能制造奠定基礎(chǔ)。