1機(jī)器人焊接的主要優(yōu)勢(shì)

焊接機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營成本；

2)提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性；

3)縮短產(chǎn)品更換的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；

4)降低對(duì)一線操作人員的技能要求，改善工作環(huán)境；

5)節(jié)約勞動(dòng)工資及相關(guān)費(fèi)用，提高安全生產(chǎn)；

6)更加靈活，不僅大大提高了批量生產(chǎn)的效率，還實(shí)現(xiàn)了小批量產(chǎn)品的快速響應(yīng)；

7)更加信息化，更容易收集材料、半成品、成品、制造過程中的各種工藝參數(shù)等信息，便于質(zhì)量控制、質(zhì)量分析和產(chǎn)品過程追溯，同時(shí)更容易進(jìn)行產(chǎn)品的成本統(tǒng)計(jì)和控制；

8)以焊接機(jī)器人為基本單元，輔以焊接電源、夾具、傳感、控制等系統(tǒng)的集成，整個(gè)設(shè)備更加自動(dòng)化、智能化、信息化，更容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的智能化制造。

2焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史和基本情況

2.1焊接機(jī)器人的特點(diǎn)和組成

與一般工業(yè)機(jī)器人不同，焊接機(jī)器人不僅需要滿足焊接過程的基本動(dòng)作要求，還需要專用的焊接軟件和其他應(yīng)用軟件；弧焊機(jī)器人還要求整個(gè)焊縫軌跡的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性、跟蹤功能、對(duì)惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)性和抗干擾能力。

焊接機(jī)器人和多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人一樣，由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。主體是底座和執(zhí)行機(jī)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)力裝置和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于使致動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；控制系統(tǒng)根據(jù)輸入程序向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行器發(fā)送命令信號(hào)并控制它們。

圖2焊接機(jī)器人

2.2焊接機(jī)器人的發(fā)展

世界上第一臺(tái)焊接機(jī)器人是日本川崎公司1974年在美國Unimate的基礎(chǔ)上開發(fā)的弧焊機(jī)器人，用于摩托車車架制造。我國對(duì)弧焊機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)80年代初，1984年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出我國第一臺(tái)焊接機(jī)器人。此后，焊接機(jī)器人的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。

第一代是示教再現(xiàn)機(jī)器人:這類機(jī)器人操作簡(jiǎn)單，對(duì)外界信息沒有反饋能力，難以適應(yīng)工作環(huán)境的變化，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用受到限制。

第二代是具有感知能力的機(jī)器人:這類機(jī)器人對(duì)外界環(huán)境具有一定的感知能力，如聽覺、視覺、觸覺等功能。工作時(shí)借助傳感器獲取信息，靈活調(diào)整工作狀態(tài)，保證在適應(yīng)環(huán)境的情況下完成工作。

第三代是智能機(jī)器人:這種機(jī)器人不僅具有感覺能力，還具有獨(dú)立判斷、行動(dòng)、記憶、推理和決策的能力，能夠適應(yīng)外界物體，與環(huán)境和諧相處，能夠完成更復(fù)雜的動(dòng)作，還具有故障自診斷和自修復(fù)能力。

圖3焊接機(jī)器人的發(fā)展

早期的焊接機(jī)器人缺乏靈活性，焊接路徑和焊接參數(shù)必須根據(jù)實(shí)際工作條件進(jìn)行預(yù)設(shè)，因此在工作時(shí)存在明顯的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人也從單一的單機(jī)示教再現(xiàn)型發(fā)展到以智能為核心的多傳感、智能柔性處理單元(系統(tǒng))。

2.3焊接機(jī)器人的應(yīng)用及前景

近五年來，國內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)保持快速增長(zhǎng)，未來行業(yè)仍將保持20%以上的增長(zhǎng)速度。中國連續(xù)幾年成為世界最大的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用市場(chǎng)。2016年，中國工業(yè)機(jī)器人共銷售88992臺(tái)，同比增長(zhǎng)26.6%(2016年，全球市場(chǎng)銷售29.4萬臺(tái)機(jī)器人)。在應(yīng)用行業(yè)，2017年，汽車行業(yè)使用的機(jī)器人數(shù)量仍占最高的33%，在3C制造業(yè)中，占第二位的28%，但增長(zhǎng)最快(同比增長(zhǎng)86%)。在下游需求的推動(dòng)下，2017年中國工業(yè)機(jī)器人累計(jì)產(chǎn)量達(dá)到13.1萬臺(tái)，同比增長(zhǎng)68%。我們認(rèn)為，中國制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的需求日益突出。與此同時(shí)，隨著下游3C制造業(yè)、以汽車零部件制造業(yè)為代表的汽車制造業(yè)以及汽車制造業(yè)的復(fù)蘇，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求不斷增加，企業(yè)產(chǎn)量不斷擴(kuò)大。受政策、成本、技術(shù)等驅(qū)動(dòng)。，未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)機(jī)器替代的熱潮不會(huì)消退，焊接、打磨、噴涂等枯燥、工作環(huán)境非常惡劣的工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)保持高增長(zhǎng)需求。2017年，中國工業(yè)機(jī)器人年銷量預(yù)計(jì)為11.5萬臺(tái)，2018-2020年復(fù)合年增長(zhǎng)率為22%，到2020年將達(dá)到21萬臺(tái)/年。如果每個(gè)機(jī)器人按18萬人民幣計(jì)算，2020年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到378億人民幣。

圖4 2011-2020年中國工業(yè)機(jī)器人銷量及預(yù)測(cè)

圖5 2017年，中國工業(yè)機(jī)械產(chǎn)量為13.1萬臺(tái)，增長(zhǎng)率為68%

3焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的基本信息

3.1焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的特點(diǎn)

焊接機(jī)器人是集焊接技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)、識(shí)別與傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、信息采集與處理、人工智能等學(xué)科于一體的高科技應(yīng)用技術(shù)，主要解決工業(yè)制造中以焊接技術(shù)為主的自動(dòng)化設(shè)備。該焊接機(jī)器人系統(tǒng)不僅具有滿足焊接要求、實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或自動(dòng)化、信息化和智能化、焊接質(zhì)量控制和檢驗(yàn)的基本要求，而且根據(jù)用戶的實(shí)際應(yīng)用需求，輔助上下游工序?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化。

3.2焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的基本組件

除焊接機(jī)器人本體外，焊接機(jī)器人系統(tǒng)由焊接電源、定位器、焊接夾具、輔助裝卸和物流系統(tǒng)、焊縫識(shí)別和跟蹤裝置、焊接質(zhì)量控制和檢測(cè)、信息采集和傳輸系統(tǒng)、綜合控制和一些輔助裝置(如電弧焊的清槍和線切割機(jī)構(gòu)、安全圍欄和環(huán)保裝置)等組成。

圖6焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的基本組成

3.3焊接機(jī)器人在中國的主要應(yīng)用

焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成在我國的大規(guī)模應(yīng)用始于汽車設(shè)備生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊和薄板電弧焊。1984年，一汽公司率先引進(jìn)德國KUKA焊接機(jī)器人，用于當(dāng)時(shí)的“紅旗”車身焊接和“解放”汽車頂蓋焊接，并于1988年開發(fā)了車身機(jī)器人全自動(dòng)焊接生產(chǎn)線。20世紀(jì)90年代初，隨著上海大眾、一汽大眾等合資汽車廠的誕生，通過引進(jìn)、消化和二次開發(fā)，我國焊接機(jī)器人系統(tǒng)的集成能力和行業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用能力大大提高。當(dāng)時(shí)除了少數(shù)大型國有企業(yè)引進(jìn)消化國外機(jī)器人應(yīng)用外，國內(nèi)較早參與焊接機(jī)器人應(yīng)用的高校和科研機(jī)構(gòu)有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、北京密云機(jī)床研究所、沈陽自動(dòng)化研究所等。值得一提的是，北京精益公司(現(xiàn)中電華強(qiáng))也是國內(nèi)焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的先驅(qū)。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，焊接機(jī)器人不僅在中國的汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且在摩托車、工程機(jī)械、鋼結(jié)構(gòu)、核電風(fēng)電、航空空航天、海洋工程、軌道交通、國防軍工、家電、民用五金等其他行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。從區(qū)域市場(chǎng)來看，中國的焊接機(jī)器人系統(tǒng)主要應(yīng)用在整體產(chǎn)業(yè)相對(duì)發(fā)達(dá)的珠三角和長(zhǎng)三角地區(qū)。

圖7焊接機(jī)器人在中國的主要應(yīng)用

3.4焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成及應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀

目前，簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成單元比較成熟，應(yīng)用案例較多。全線系統(tǒng)集成技術(shù)也廣泛應(yīng)用于車身點(diǎn)焊。

從技術(shù)角度來看，焊接機(jī)器人的系統(tǒng)集成不僅僅是焊接機(jī)器人本身，還包括焊接電源、焊縫跟蹤系統(tǒng)、全線控制技術(shù)等功能單元，以滿足不斷增長(zhǎng)的客戶需求?；『笝C(jī)器人系統(tǒng)集成在焊接路徑規(guī)劃和自適應(yīng)跟蹤技術(shù)、專用數(shù)字化焊接電源技術(shù)和焊接參數(shù)自調(diào)整技術(shù)(專家系統(tǒng))、離線編程和遠(yuǎn)程控制技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、機(jī)器人控制系統(tǒng)和外軸自適應(yīng)技術(shù)、自動(dòng)焊接過程信息采集技術(shù)等方面得到了快速發(fā)展和應(yīng)用。

圖8技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.5焊接機(jī)器人應(yīng)用流程

在機(jī)器人制造商和機(jī)器人系統(tǒng)集成商的共同努力下，機(jī)器人可以應(yīng)用點(diǎn)焊、電弧焊、激光焊接、多工藝復(fù)合焊接、攪拌摩擦焊、等離子和激光切割、釬焊等多種焊接工藝。，其中點(diǎn)焊和電弧焊應(yīng)用廣泛(占總數(shù)的近90%，點(diǎn)焊約占40%)。

3.6焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成行業(yè)

隨著機(jī)器人行業(yè)的蓬勃發(fā)展，目前國內(nèi)焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成商有300-400家，總銷量呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。2015年總銷售額約100億元，其中汽車制造業(yè)的大型系統(tǒng)集成商主要以點(diǎn)焊機(jī)器人為主。除了科邁、庫卡、ABB等外企外，國內(nèi)大型企業(yè)還有成都馬里。、廣州羅明、宜興東方等公司；除了海外的CLOOS和IGM公司，還有國內(nèi)的唐山開元、廈門Sylt、昆山華恒、珠海凌銳等企業(yè)。但國內(nèi)80%以上的焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成商規(guī)模小，缺乏熟練人員，綜合技術(shù)水平、整體解決方案和服務(wù)能力弱，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差，年銷售額不超過1000萬元，保持著慘淡的經(jīng)營狀態(tài)。

焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢(shì)

4.1整體市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)

目前，焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提高；另一方面，勞動(dòng)力成本上升，中國正在從制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要升級(jí)加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這表明焊接機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展前景巨大。

工業(yè)和信息化部預(yù)計(jì)，2015年至2025年，中國工業(yè)機(jī)器人銷售的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到35%。10年來，機(jī)器人本體市場(chǎng)達(dá)到近千億元，系統(tǒng)集成和零部件維修市場(chǎng)累計(jì)近3500億元。機(jī)器人焊接行業(yè)的應(yīng)用市場(chǎng)占30%，十年后每年可以達(dá)到1000億的市場(chǎng)容量。

4.2焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

從工業(yè)制造中焊接需求的發(fā)展來看，焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用的市場(chǎng)趨勢(shì)主要包括:

1)中厚板高效高焊接性能和薄板高速焊接；

2)少量大型構(gòu)件機(jī)器人的自動(dòng)焊接(如海洋工程、造船業(yè))；

3)高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料、特殊材料的焊接；

4)更穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，焊接監(jiān)控和測(cè)試，焊接參數(shù)的記錄和再現(xiàn)；

5)多工序聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)線使工業(yè)制造更加自動(dòng)化、智能化、信息化。

4.3焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1)焊接電源的工藝性能進(jìn)一步提高，適應(yīng)性更廣，更加數(shù)字化和智能化；

2)焊接機(jī)器人本體更加智能化；

3)視覺、力、觸覺、信息采集等各種智能傳感技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用；

4)更強(qiáng)大的自適應(yīng)軟件支持系統(tǒng)；

5)焊接和上下游加工工序的熔合和總線控制；

6)焊接信息化、智能化與互聯(lián)網(wǎng)融合，最終實(shí)現(xiàn)無人智能工廠；

7)虛擬制造和仿真技術(shù)的發(fā)展。

圖9技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

總之，先進(jìn)高效、自動(dòng)化、柔性化和智能化系統(tǒng)是焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的重要發(fā)展趨勢(shì)。焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成正經(jīng)歷著從單機(jī)示教再現(xiàn)到多傳感、智能柔性機(jī)器人工作站或多機(jī)器人工作組甚至全廠生產(chǎn)線的發(fā)展。

焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成的問題與思考

5.1整體市場(chǎng)狀況

目前焊接機(jī)器人整體市場(chǎng)需求情況是低端市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，高端市場(chǎng)跟不上客戶需求，大部分系統(tǒng)集成商沒有能力形成成熟完善的整體解決方案。

5.2技術(shù)問題

目前，焊接機(jī)器人系統(tǒng)集成仍處于單系統(tǒng)的低端應(yīng)用水平，從技術(shù)角度來看仍存在一些問題:

1)各集成單元技術(shù)的性能和穩(wěn)定性存在一些問題。像機(jī)器人本體，很多還是依靠進(jìn)口技術(shù)和產(chǎn)品，價(jià)格高，服務(wù)成本高，在一定程度上限制了專用機(jī)器人系統(tǒng)集成的應(yīng)用；

2)整體系統(tǒng)集成水平較低，尤其是多機(jī)器人、多工序組合生產(chǎn)線的集成能力較弱；

3)由于對(duì)子行業(yè)的需求了解不夠，流程和技術(shù)分解比較粗糙，很難提供適合行業(yè)現(xiàn)狀和需求的有競(jìng)爭(zhēng)力的系統(tǒng)解決方案。

圖10技術(shù)問題