焊接機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接乂是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提薛焊接效率。然而，焊接乂與其它工業(yè)加工過(guò)程不一樣，比如，電呱焊過(guò)程中，被焊工件山于局部加熱熔化和冷卻產(chǎn)生變形，焊縫的軌跡會(huì)因此而發(fā)生變化。手匸焊時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的焊匸可以根據(jù)眼睛所觀察到的實(shí)際焊縫位置適時(shí)地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行走的速度，以適應(yīng)焊縫軌跡的變化。然而機(jī)器人要適應(yīng)這種變化，必須首先像人一樣要“看”到這種變化，然后采取相應(yīng)的措施調(diào)整焊槍的位置和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。山于電弧焊接過(guò)程屮有強(qiáng)烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定引起的焊絲短路、大電流強(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在，機(jī)器人要檢測(cè)和識(shí)別焊縫所需要的信號(hào)特征的提取并不像工業(yè)制造中其它加工過(guò)程的檢測(cè)那么容易，因此，焊接機(jī)器人的應(yīng)用并不是一開(kāi)始就用于電弧焊過(guò)程的。實(shí)際上，工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開(kāi)始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，控 制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對(duì)機(jī)器人的精度和幣:復(fù)椿度的控制 要求比較低。圖5所示為不同形式的機(jī)器人點(diǎn)焊鉗。點(diǎn)焊機(jī)器人在汽 車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊 接質(zhì)量，同時(shí)乂具有柔性焊接的特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同一 條生產(chǎn)線上對(duì)不同的車型進(jìn)行裝配焊接。從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期 緩慢的發(fā)展過(guò)程。到了 90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了 E速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的 制造水平、控制速度和控制粘度、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制 造成木和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人 的勞動(dòng)力成本有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。圖6所示是聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì) (UNECE)統(tǒng)計(jì)的從1990年至2000年的機(jī)器人價(jià)格指數(shù)和勞動(dòng)力成 本指數(shù)的變化曲線。圖中，把1990年的機(jī)器人價(jià)格指數(shù)和勞動(dòng)力成 本指數(shù)都作為參考值100,至2000年，勞動(dòng)力成本指數(shù)為140,增 長(zhǎng)了 40%；而機(jī)器人在考慮質(zhì)量因素的情況下價(jià)格指數(shù)低于20,降 低了 80%,在不考慮質(zhì)量因素的情況下，機(jī)器人的價(jià)格指數(shù)約為40, 降低了 60%。這里，不考慮質(zhì)量因素的機(jī)器人價(jià)格是指現(xiàn)在的機(jī)器 人實(shí)際價(jià)格與過(guò)去相比較；而考慮質(zhì)量因素是指山于機(jī)器人制造工藝 技術(shù)水平的提鳥(niǎo)，機(jī)器人的制造質(zhì)量和性能即使在同等價(jià)格的條件下 也要比以前高，因此，如果按過(guò)去的機(jī)器人同等質(zhì)量和性能考慮，機(jī) 器人的價(jià)格指數(shù)應(yīng)該更低。由此可以看出，在西方國(guó)家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企業(yè)帶 來(lái)了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低乂恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng) 用帶來(lái)了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到 某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來(lái)的利 大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn) 率，同時(shí)乂可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提崗企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī) 器人次性投資比較大，但它的口常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比 完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成 本還會(huì)大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低便一些屮小企業(yè)投資購(gòu)買機(jī)器 人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。 根據(jù)UNECE的統(tǒng)計(jì)，2001年全世界有75萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè) 制造領(lǐng)域，其中38.9萬(wàn)在II木、19.8萬(wàn)在歐盟、9萬(wàn)在北美，7.3萬(wàn) 在其余國(guó)家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機(jī)器人至少有約100萬(wàn)。山于機(jī)器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開(kāi)發(fā) 并在機(jī)器人焊接屮得到應(yīng)用，使機(jī)器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制 問(wèn)題在一定程度上得到很好解決，機(jī)器人焊接在汽車制造屮的應(yīng)用從 原來(lái)比較單的汽車裝配點(diǎn)焊很快發(fā)展為汽車零部件和裝配過(guò)程屮 的電弧焊。機(jī)器人電弧焊的垠大的特點(diǎn)是柔性，即可通過(guò)編程隨時(shí)改 變焊接軌跡和焊接順序，因此最適用于被焊工件品種變化大、焊縫短 而多、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品。這iE好乂符合汽車制造的特點(diǎn)。尤其是現(xiàn)代 社會(huì)汽車款式的更新速度非?？?，采用機(jī)器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠 很好地適應(yīng)這種變化。圖7所示為機(jī)器人電弧焊用于焊接汽車底盤。另外，機(jī)器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉及電 弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機(jī)車車輛、鍋爐、覓型機(jī)械等等。因此, 機(jī)器人電弧焊的應(yīng)用范I韋II趨廣泛，在數(shù)量上大有超過(guò)機(jī)器人點(diǎn)焊Z 勢(shì)。隨著汽車輕量化制造技術(shù)的推廣，一些高強(qiáng)合金材料和輕合金 材料（如鋁合金、鎂合金等）在汽車結(jié)構(gòu)材料屮得到應(yīng)用。這些材料的 焊接往往無(wú)法用傳統(tǒng)的焊接方法來(lái)解決，必須采用新的焊接方法和焊 接工藝。其中高功率激光焊和攪拌摩擦焊等最具發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?，機(jī) 器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的結(jié)合將成為必然趨勢(shì)。事實(shí)上， 像上海大眾等國(guó)內(nèi)最具實(shí)力的汽車制造商在他們的新車型制造過(guò)程 屮已經(jīng)大量使用機(jī)器人激光焊接。圖8所示為其汽車車頂?shù)臋C(jī)器人激 光焊接。和機(jī)器人電弧焊相比，機(jī)器人激光焊的焊縫跟蹤粘度要求更高。 根據(jù)一般的要求，機(jī)器人電弧焊（包括GTAW和GMAW）的焊縫跟蹤 粘度必須控制在電極或焊絲直徑的1/2以內(nèi)，在具有填充絲的條件下 焊縫跟蹤精度可適肖放寬。但對(duì)激光焊而言，焊接時(shí)激光照射在工件 表面的光斑直徑通常在0.6以內(nèi)，遠(yuǎn)小于焊絲直徑（通常大于1.0）, 而激光焊接時(shí)通常乂不加填充焊絲，因此，激光焊接屮若光斑位置稍 有偏差，便會(huì)造成偏焊、漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機(jī)器人激 光焊除了在工裝夾具上采取措施防止焊接變形外，還在機(jī)器人激光焊 槍前方安裝了德國(guó)SCOUT公司的高精度激光傳感器用于焊縫軌跡 的跟蹤。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo) 式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的 用途還在不斷發(fā)展Z屮。焊接機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)介可采取不同 的結(jié)構(gòu)形式，但U前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī) 器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)器人的手臂靈活性最大，可以使焊槍的空 間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足焊接需要。理論上講，機(jī)器人的 關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時(shí)也 給機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來(lái)復(fù)雜性。因?yàn)?焊接過(guò)程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn) 換為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為 對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這變換過(guò)程的解往往不是唯 一的，兀余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對(duì)機(jī)器人焊接過(guò)程 屮運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性很匝要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對(duì)這問(wèn)題的處理方 式不盡相同。- 般來(lái)講，具有6個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人基本上能滿足焊槍的位置和 空間姿態(tài)的控制要求，其屮3個(gè)自山度(XYZ)用于控制焊槍端部的空 間位置，另外3個(gè)自山度(ABC)用于控制焊槍的空間姿態(tài)。因此，U 前的焊接機(jī)器人多數(shù)為6關(guān)節(jié)式的。對(duì)于有些焊接場(chǎng)合，工件由于過(guò)大或空間兒何形狀過(guò)于復(fù)雜，使焊接機(jī)器人的焊槍無(wú)法到達(dá)指定的焊縫位詈或焊槍姿態(tài)，這時(shí)必須通過(guò)增加13個(gè)外部軸的辦法增加機(jī)器人的自由度。通常有兩種做法：一是把機(jī)器人裝于可以移動(dòng)的軌道小車或龍門架上，擴(kuò)大機(jī)器人本身的作業(yè)空間；二是讓工件移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件上的焊接部位進(jìn)入機(jī)器人的作業(yè)空間。也有的同時(shí)采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機(jī)器人都處于最佳焊接位置。焊接機(jī)器人的編程方法H前還是以在線示教方式(Teach-in)為主，但編程器的界面比過(guò)去有了不少改進(jìn)，尤其是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機(jī)器人的編程界面更趨友好、操作更加易。然而機(jī)器人編程時(shí)焊縫軌跡上的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)位置仍必須通過(guò)示教方式獲取，然后存入程序的運(yùn)動(dòng)指令屮。這對(duì)于一些復(fù)雜形狀的焊縫軌跡來(lái)說(shuō)，必須花費(fèi)大量的時(shí)間示教，從而降低了機(jī)器人的使用效率，也增加了編程人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。H前解決的方法有2種：一是示教編程時(shí)只是粗略獲取兒個(gè)焊縫軌跡上的兒個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后通過(guò)焊接機(jī)器人的視覺(jué)傳感器(通常是電弧傳感器或激光視覺(jué)傳感器)自動(dòng)跟蹤實(shí)際的焊縫軌跡。這種方式雖然仍離不開(kāi)示教編程，但在一定程度上可以減輕示教編程的強(qiáng)度，提高編程效率。但山于電弧焊木身的特點(diǎn)，機(jī)器人的視覺(jué)傳感器并不是對(duì)所有焊縫形式都適二是采取完全離線編程的辦法，使機(jī)器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在臺(tái)計(jì)算機(jī)上獨(dú)立完成，不需要機(jī)器人木身的參與。機(jī)器人離線編程早在多年以前就有，只是山于當(dāng)時(shí)受計(jì)算機(jī)性能的限制，離線編程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機(jī)器人的所有指令系統(tǒng)和語(yǔ)法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標(biāo)，因此，編程工作并不輕松省吋。隨著計(jì)算機(jī)性能的提鳥(niǎo)和計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)的發(fā)展，如今的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖形環(huán)境下運(yùn)行，編程界面友好、方便，而且，獲取焊縫軌跡的坐標(biāo)位置通?？梢圆捎谩疤摂M示教”(virtual Teach-in)的辦法，用鼠標(biāo)輕松點(diǎn)擊三維虛擬環(huán)境屮工件的焊接部位即可獲得該點(diǎn)的空間坐標(biāo)；在有些系統(tǒng)中，可通過(guò)CAD圖形文件中事先定義的焊縫位置自接生成焊縫軌跡，然后自動(dòng)生成機(jī)器人程序并下載到機(jī)器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機(jī)器人的編程效率，也減輕了編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度。H前，國(guó)際市場(chǎng)上已有基于普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件。如Workspace5x Robotstudio等。圖9所示為筆者自行開(kāi)發(fā)的基于PC的三維可視化機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對(duì)ABB公訶的IRB140機(jī)器人進(jìn)行離線編程，程序屮的焊縫軌跡通過(guò)虛擬示教獲得，并在三維圖形環(huán)境屮町讓機(jī)器人按程序中的軌跡作模擬運(yùn)動(dòng)，以此檢機(jī)器人教育在線J _ a hre仁”www.YRobot”target="_blank"www.YRobot/a _科技a hre仁"www.yrobot/" target="_blank”www.yrobot/a機(jī)器人的發(fā)展美國(guó)是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，比起號(hào)稱”機(jī)器人王國(guó)”的R本起步至少要早五六年。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，美國(guó)現(xiàn)已成為lit界上的機(jī)器人強(qiáng)國(guó)Z，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。山于美國(guó)政府從60年代到70年代中的十兒年期間，并沒(méi)有把工業(yè)機(jī)器人列入匝點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，只是在兒所大學(xué)和少數(shù)公司開(kāi)展了一些研究工作。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，在只看到眼前利益，政府乂無(wú)財(cái)政支持的情況下，寧愿錯(cuò)過(guò)良機(jī)，固守在使用剛性自動(dòng)化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險(xiǎn)，去應(yīng)用或制造機(jī)器人。加上，當(dāng)時(shí)美國(guó)失業(yè)率高達(dá)665%,政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會(huì)造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機(jī)器人，這不能不說(shuō)是美國(guó)政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤。70年代后期，美國(guó)政府和企業(yè)界雖有所覓視，但在技術(shù)路線上仍把覓點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的筒級(jí)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上，致使H本的工業(yè)機(jī)器人后來(lái)居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過(guò)了美國(guó)，產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上形成了較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。進(jìn)入80年代Z后，美國(guó)才感到形勢(shì)緊迫，政府和企業(yè)界才對(duì)機(jī)器 人真正重視起來(lái)，政策上也有所體現(xiàn)，-方而鼓勵(lì)工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用 機(jī)器人，另一方面制訂計(jì)劃、提高投資，增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)，把機(jī)器人看成美國(guó)再次工業(yè)化的特征，使美國(guó)的機(jī)器人迅速發(fā)展。80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)D臻成熟，第一 代機(jī)器人的技術(shù)性能越來(lái)越滿足不了實(shí)際需要，美國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)帶有視 覺(jué)、力覺(jué)的第二代機(jī)器人，并很快占領(lǐng)了美國(guó)60%的機(jī)器人市場(chǎng)。 盡管美國(guó)在機(jī)器人發(fā)展史上走過(guò)一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開(kāi)發(fā)研 究的曲折道路，但是美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在國(guó)際上仍直處于領(lǐng)先地 位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在：（1）性能可靠，功能全面，精確度高；（2）機(jī)器人語(yǔ)言研究發(fā)展較快，語(yǔ)言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界Z首；（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺(jué)、觸覺(jué)等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)屮廣泛應(yīng)用；（4）高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速， 主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測(cè)方面。早在1966年,美國(guó)Unimation公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公 司的沃莎特蘭機(jī)器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國(guó)市場(chǎng)。1967年英國(guó)的兩家 大機(jī)械公司還特地為類國(guó)這兩家機(jī)器人公司在英國(guó)推銷機(jī)器人。接 著，英國(guó)Hall Automation公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。70年 代初期，山于英國(guó)政府科學(xué)研究委員會(huì)頒布了否定人工智能和機(jī)器人 的Lighthall報(bào)告，對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而 機(jī)器人工業(yè)蹶不振，在西歐差不多居于末位。但是，國(guó)際上機(jī)器人蓬勃發(fā)展的形勢(shì)很快使英政府意識(shí)到：機(jī)器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國(guó)際市場(chǎng)上的竟?fàn)幜Υ鬄橄陆?。于是，?0年代末開(kāi)始，英國(guó)政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實(shí)施了一系列支持機(jī)器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機(jī)器人的重要性、在財(cái)政上給購(gòu)買機(jī)器人企業(yè)以補(bǔ)貼、積極促進(jìn)機(jī)器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國(guó)機(jī)器人開(kāi)始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時(shí)期。法國(guó)不僅在機(jī)器人擁有量上居于壯界前列，而且在機(jī)器人應(yīng) 用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要?dú)w功于法國(guó)政府開(kāi) 始就比較朿視機(jī)器人技術(shù)，特別是把匝點(diǎn)放在開(kāi)展機(jī)器人的應(yīng)用研究o法國(guó)機(jī)器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過(guò)政府大力支持的 研究計(jì)劃，建立起一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機(jī)器 人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項(xiàng)H,而山工業(yè)界支持開(kāi)展應(yīng)用和開(kāi)發(fā)方面的 工作，兩者相輔相成，使機(jī)器人在法國(guó)企業(yè)界很快發(fā)展和普及.德國(guó)工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于FI木和美國(guó)。這里所 說(shuō)的徳國(guó)，主要指的是原聯(lián)邦德國(guó)。它比英國(guó)和瑞典引進(jìn)機(jī)器人大約 晚了五六年。其所以如此，是因?yàn)閺試?guó)的機(jī)器人工業(yè)一起步，就遇到 了國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國(guó)的社會(huì)環(huán)境卻是有利于機(jī)器人工業(yè)發(fā)展 的。因?yàn)閼?zhàn)爭(zhēng)，導(dǎo)致勞動(dòng)力短缺，以及國(guó)民技術(shù)水平高，都是實(shí)現(xiàn)使 用機(jī)器人的有利條件。到了 70年代屮后期，政府采用行政手段為機(jī) 器人的推廣開(kāi)辟道路；在”改善勞動(dòng)條件計(jì)劃”中規(guī)定，對(duì)于一些有危 險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來(lái)代替普通人的勞動(dòng)。這 個(gè)讓劃為機(jī)器人的應(yīng)用開(kāi)拓了廣泛的市場(chǎng)，并推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 的發(fā)展。H爾曼民族是一個(gè)重實(shí)際的民族，他們始終堅(jiān)持技術(shù)應(yīng)用和 社會(huì)需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國(guó)家-樣，將機(jī)器人主要應(yīng)用 在汽車工業(yè)Z外，突出的一點(diǎn)是德國(guó)在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù) 改造原有企業(yè)，報(bào)廢了舊機(jī)器，購(gòu)買了現(xiàn)代化自動(dòng)設(shè)備、電子計(jì)算機(jī) 和機(jī)器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適 銷對(duì)路。到1984年終于使這一被喻為”快完蛋的行業(yè)”重新振興起來(lái)。 與此同時(shí)，徳國(guó)看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的作用， 提出了 1985年以后要向高級(jí)的、帶感覺(jué)的肄能世機(jī)器人轉(zhuǎn)移的卜I標(biāo)。 經(jīng)過(guò)近十年的努力，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公 認(rèn)的領(lǐng)先地位。在前蘇聯(lián)（主要是在俄羅斯），從理論和實(shí)踐上探討機(jī)器人技術(shù)是 從50年代后半期開(kāi)始的。到了 50年代后期開(kāi)始了機(jī)器人樣機(jī)的研 究工作。1968年成功地試制出一臺(tái)深水作業(yè)機(jī)器人。1971年研制出 工廠用的萬(wàn)能機(jī)器人。早在前蘇聯(lián)第九個(gè)五年計(jì)劃（1970年一 1975 年）開(kāi)始時(shí)，就把發(fā)展機(jī)器人列入國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展綱領(lǐng)Z屮。到 1975年，已研制出30個(gè)型號(hào)的120臺(tái)機(jī)器人，經(jīng)過(guò)20年的努力， 前蘇聯(lián)的機(jī)器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。國(guó)家有II 的地把提高科學(xué)技術(shù)進(jìn)步當(dāng)作推動(dòng)社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的手段，來(lái)安排機(jī)器 人的研究制造；有關(guān)機(jī)器人的研究生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣和提鳥(niǎo)工作，都山政府安排，有計(jì)劃、按步驟地進(jìn)行。有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐 富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。這是一種誤解。在我國(guó)，社會(huì) 主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我 國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的 宇宙開(kāi)發(fā)、海洋開(kāi)發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國(guó)已在“七五”計(jì)劃屮把機(jī)器人列人國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥 巨款在沈陽(yáng)建立了全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開(kāi)了機(jī)器 人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十兒年來(lái)，相繼研制出示教再現(xiàn)型的 搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、 軍用和特種機(jī)器人。H前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在 工廠屮推廣應(yīng)用。我國(guó)自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長(zhǎng)春第汽車 廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開(kāi)始的國(guó)家863高科技發(fā)展 規(guī)劃已列入研究、開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就口前來(lái)看，我們應(yīng)從生 產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成木低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。H本在60年代末正處于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展時(shí)期，年增長(zhǎng)率達(dá)11%o第 二次世界大戰(zhàn)后，H木的勞動(dòng)力木來(lái)就緊張，而高速度的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更 加劇了勞動(dòng)力嚴(yán)重不足的困難。為此，n本在1967年山川臨重工業(yè) 公司從美國(guó)Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間， 并于1968年試制出第一臺(tái)川崎的“尤尼曼特”機(jī)器人。止是山于R本當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力顯著不足，機(jī)器人在企業(yè)里受到了“救世 主”般的歡迎。Fl本政府一方面在經(jīng)濟(jì)上采収了積極的扶植政策，鼓 勵(lì)發(fā)展和推廣應(yīng)用機(jī)器人，從而更進(jìn)一步激發(fā)了企業(yè)家從事機(jī)器人產(chǎn) 業(yè)的積極性。尤其是政府對(duì)中、小企業(yè)的系列經(jīng)濟(jì)優(yōu)惠政策，如山 政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵(lì)集資成立“機(jī)器人長(zhǎng)期租賃公可， 公訶出資購(gòu)入機(jī)器人后長(zhǎng)期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租 金，大大減輕了企業(yè)購(gòu)入機(jī)器人所需的資金負(fù)擔(dān)；政府把111計(jì)算機(jī)控 制的示教再現(xiàn)型機(jī)器人作為特別折扣優(yōu)待產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設(shè)備通 常的40%折撲I優(yōu)待外，還可再享受13%的價(jià)格補(bǔ)貼。另一方面，國(guó)家出資對(duì)小企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用機(jī)器人的&門知識(shí)和技術(shù)指導(dǎo)等等。這一系列扶植政策，使I本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)，經(jīng)過(guò)短短 的十兒年，到80年代中期，已一躍而為“機(jī)器人王國(guó)”，其機(jī)器人的 產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國(guó)際上躍居首位。按照I本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常 務(wù)理事米本完二的說(shuō)法：“口本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了 60年代的搖籃 期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)人普及提高期。”并iE式把1980 年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”，開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī) 器人。H木政府和企業(yè)充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。機(jī)器人也沒(méi)有 辜負(fù)人們的期望，它在解決勞動(dòng)力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量 和降低生產(chǎn)成木方面，發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用，成為丨I木保持經(jīng)濟(jì) 增長(zhǎng)速度和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)能力的一支不可缺少的隊(duì)伍。H本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使口本汽車及電子產(chǎn) 品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量口益提高，而制造成本則大為降低。從而使R本生 產(chǎn)的汽車能夠以價(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)進(jìn)軍號(hào)稱“汽車土國(guó)”的美國(guó)市場(chǎng)，并 且向機(jī)器人誕生國(guó)出口口本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。此時(shí)，D本價(jià)廉物美 的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國(guó)市場(chǎng)這使“山姆大叔”后悔不已。H 本山于制造、使用機(jī)器人，增大了國(guó)力，獲得了巨大的好處，迫使美、 英、法等許多國(guó)家不得不采取措施，奮起直追。焊接機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的匸業(yè)機(jī)器人中大約有將近一 半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)器人應(yīng) 用中最普遍的主要有兩種方式，即點(diǎn)焊和電弧焊。圖4所示是 這兩種焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占的大致比例。我們所說(shuō) 的焊接機(jī)器人其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊匸從事焊接任 務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專 門設(shè)計(jì)的，而人多數(shù)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是通用的匸業(yè)機(jī)器人 裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺(tái)機(jī)器人甚 至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運(yùn)、安裝、焊接、卸料等 多種任務(wù)，機(jī)器人可以根據(jù)程序要求和任務(wù)性質(zhì)，H動(dòng)更換機(jī) 器人手腕上的工具，完成相應(yīng)的任務(wù)。因此，從某種意義上來(lái) 說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技 能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是 一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè) 機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊 接，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊 接效率。然而，焊接又與其它工業(yè)加工過(guò)程不-樣，比如，電弧焊 過(guò)程屮，被焊T件由于局部加熱熔化和冷卻產(chǎn)生變形，焊縫的 軌跡會(huì)因此而發(fā)生變化。手工焊時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的焊工可以根據(jù)眼睛 所觀察到的實(shí)際焊縫位置適時(shí)地調(diào)整焊槍的位置、姿態(tài)和行上 的速度，以適應(yīng)焊縫軌跡的變化。然而機(jī)器人要適應(yīng)這種變化, 必須首先像人樣要“看”到這種變化，然后采取相應(yīng)的措施 調(diào)整焊槍的位置和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的實(shí)時(shí)跟蹤。由于電弧焊 接過(guò)程小有強(qiáng)烈弧光、電弧噪音、煙塵、熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定引起 的焊絲短路、大電流強(qiáng)磁場(chǎng)等復(fù)雜的環(huán)境因素的存在，機(jī)器人 要檢測(cè)和識(shí)別焊縫所需要的信號(hào)特征的提取并不像匸業(yè)制造 中其它加工過(guò)程的檢測(cè)那么容易，因此，焊接機(jī)器人的應(yīng)用并 不是一開(kāi)始就用于電弧焊過(guò)程的。實(shí)際上，1】業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配 生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開(kāi)始的。原因在于電阻點(diǎn)焊的過(guò)程相對(duì)比 較簡(jiǎn)單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對(duì)機(jī)器人的精度 和重復(fù)精度的控制要求比較低。圖5所示為不同形式的機(jī)器人 點(diǎn)焊鉗。點(diǎn)焊機(jī)器人在汽車裝配生產(chǎn)線上的人量應(yīng)用人人提高 了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量，同時(shí)乂具有柔性焊接的 特點(diǎn)，即只要改變程序，就可在同條生產(chǎn)線上對(duì)不同的車型 進(jìn)行裝配焊接。從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一 個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到了 90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微 電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速 發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性 等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷卜降。在西方 社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本有不斷增長(zhǎng)的 趨勢(shì)。圖6所示是聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UNECE)統(tǒng)計(jì)的從 1990年至2000年的機(jī)器人價(jià)格指數(shù)和勞動(dòng)力成木指數(shù)的變化 I山線。圖屮，把1990年的機(jī)器人價(jià)格指數(shù)和勞動(dòng)力成本指數(shù) 都作為參考值100,至2000年，勞動(dòng)力成本指數(shù)為140,增長(zhǎng) T 40%； iflj機(jī)器人在考慮質(zhì)量因素的情況下價(jià)格指數(shù)低于20, 降低了 80%,在不考慮質(zhì)量因素的悄況下，機(jī)器人的價(jià)格指數(shù) 約為40,降低了 60%.這里，不考慮質(zhì)量因素的機(jī)器人價(jià)格是 指現(xiàn)在的機(jī)器人實(shí)際價(jià)格與過(guò)去相比較；而考慮質(zhì)量因素是指 由于機(jī)器人制造工藝技術(shù)水平的提高，機(jī)器人的制造質(zhì)量和性 能即使在同等價(jià)格的條件卜也要比以前高，因此，如果按過(guò)去 的機(jī)器人同等質(zhì)量和性能考慮，機(jī)器人的價(jià)格指數(shù)應(yīng)該更低。由此可以看出，在西方國(guó)家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企 業(yè)帶來(lái)了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn) -步推廣應(yīng)用帶來(lái)了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投 資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然 要比采用人工所帶來(lái)的利人，它方面可大人提高生產(chǎn)設(shè)備的 H動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)乂可提升企業(yè)的產(chǎn)品 質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)器人一次性投資比較人, 但它的FI常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)岀遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所 消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會(huì)人 大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使些中小企業(yè)投資購(gòu)買機(jī)器人 變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速 發(fā)展。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計(jì)，2001年全世界有75萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器 人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬(wàn)在H本、19.8萬(wàn)在歐盟、 9萬(wàn)在北美，7. 3萬(wàn)在其余國(guó)家。至2004年底全世界在役的工 業(yè)機(jī)器人至少有約100萬(wàn)。山于機(jī)器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的 開(kāi)發(fā)并在機(jī)器人焊接中得到應(yīng)用，使機(jī)器人電弧焊的焊縫軌跡 跟蹤和控制問(wèn)題在定程度上得到很好解決，機(jī)器人焊接在汽 車制造中的應(yīng)用從原來(lái)比較單一的汽車裝配點(diǎn)焊很快發(fā)展為 汽車零部件和裝配過(guò)程屮的迫弧焊。機(jī)器人電弧焊的最人的特 點(diǎn)是柔性，即可通過(guò)編程隨時(shí)改變焊接軌跡和焊接順序，因此 最適用于被焊匸件品種變化人、焊縫短而多、形狀復(fù)朵的產(chǎn)品。 這正好乂符合汽車制造的特點(diǎn)。尤其是現(xiàn)代社會(huì)汽車款式的更 新速度非?？?，采用機(jī)器人裝備的汽車生產(chǎn)線能夠很好地適應(yīng) 這種變化。圖7所示為機(jī)器人電弧焊用于焊接汽車底盤。另外，機(jī)器人電弧焊不僅用于汽車制造業(yè)，更可以用于涉 及電弧焊的其它制造業(yè)，如造船、機(jī)車車輛、鍋爐、重型機(jī)械 等等。因此，機(jī)器人電弧焊的應(yīng)用范闌Fl趨廣泛，在數(shù)量上大 有超過(guò)機(jī)器人點(diǎn)焊之勢(shì)。隨著汽車輕量化制造技術(shù)的推廣，些高強(qiáng)合金材料和輕 合金材料（如鋁合金、鎂合金等）在汽車結(jié)構(gòu)材料屮得到應(yīng)用。 這些材料的焊接往往無(wú)法用傳統(tǒng)的焊接方法來(lái)解決，必須采用 新的焊接方法和焊接匸藝。其屮高功率激光焊和攪拌摩擦焊等 最貝發(fā)展?jié)摿?。因此，機(jī)器人與高功率激光焊和攪拌摩擦焊的 結(jié)合將成為必然趨勢(shì)。事實(shí)上，像上海人眾等國(guó)內(nèi)最具實(shí)力的 汽車制造商在他們的新車型制造過(guò)程中已經(jīng)大量使用機(jī)器人 激光焊接。圖8所示為其汽車車頂?shù)臋C(jī)器人激光焊接。和機(jī)器人電弧焊相比，機(jī)器人激光焊的焊縫跟蹤精度要求 更高。根據(jù)i般的要求，機(jī)器人電弧焊（包括GTAW和GMAW）的 焊縫跟蹤精度必須控制在電極或焊絲肓徑的1/2以內(nèi)，在具有 填充絲的條件下焊縫跟蹤精度可適當(dāng)放寬。但對(duì)激光焊而言, 焊接時(shí)激光照射在匸件農(nóng)面的光斑直徑通常在0. 6以內(nèi)，遠(yuǎn)小 于焊絲直徑（通常大于1. 0）,而激光焊接時(shí)通常又不加填充焊 絲，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便會(huì)造成偏焊、 漏焊。因此，上海大眾的汽車車頂機(jī)器人激光焊除了在工裝夾 具上采取措施防止焊接變形外，還在機(jī)器人激光焊槍前方安裝 了徳國(guó)SCOUT公司的高精度激光傳感器用于焊縫軌跡的跟蹤。工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面 坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等, 根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展Z中。焊接機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng) 用場(chǎng)合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但LI前用得最多的是模仿人的 手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)器人的手 臂靈活性最大，可以使焊槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài), 以滿足焊接需要。理論上講，機(jī)器人的關(guān)節(jié)愈多，(M由度也愈 多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時(shí)也給機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng) 學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來(lái)復(fù)雜性。因?yàn)楹附舆^(guò)程 中往往需要把以空間直角坐標(biāo)農(nóng)示的工件上的焊縫位置轉(zhuǎn)換 為焊槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn) 換為對(duì)機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這-變換過(guò)程的解 往往不是唯的，兀余度愈人，解愈多。如何選取最合適的解 對(duì)機(jī)器人焊接過(guò)程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性很匝要。不同的機(jī)器人控制 系統(tǒng)對(duì)這問(wèn)題的處理方式不盡相同。-般來(lái)講，具有6個(gè)關(guān)節(jié)的機(jī)器人基本上能滿足焊槍的位 置和空間姿態(tài)的控制要求，其中3個(gè)H由度(XYZ)用于控制焊 槍端部的空間位置，另外3個(gè)自山度(ABC)用于控制焊槍的空 間姿態(tài)。因此，目前的焊接機(jī)器人多數(shù)為6關(guān)節(jié)式的。對(duì)于有些焊接場(chǎng)合，工件由于過(guò)大或空間兒何形狀過(guò)于復(fù) 雜，使焊接機(jī)器人的焊槍無(wú)法到達(dá)指定的焊縫位置或焊槍姿 態(tài)，這時(shí)必須通過(guò)增加13個(gè)外部軸的辦法增加機(jī)器人的自 由度。通常有兩種做法：是把機(jī)器人裝于可以移動(dòng)的軌道小 車或龍門架上，擴(kuò)人機(jī)器人本身的作業(yè)空間；二是讓工件移動(dòng) 或轉(zhuǎn)動(dòng)，使工件上的焊接部位進(jìn)入機(jī)器人的作業(yè)空間。也有的 同時(shí)采用上述兩種辦法，讓工件的焊接部位和機(jī)器人都處于最 佳焊接位置。焊接機(jī)器人的編程方法目前還是以在線示教方式 (Teach-in)為主，但編程器的界面比過(guò)去有了不少改進(jìn)，尤其 是液晶圖形顯示屏的采用使新的焊接機(jī)器人的編程界面更趨 友好、操作更加易。然而機(jī)器人編程時(shí)焊縫軌跡上的關(guān)鍵點(diǎn)坐 標(biāo)位置仍必須通過(guò)示教方式獲取，然后存入程序的運(yùn)動(dòng)指令 中。這對(duì)于些復(fù)雜形狀的焊縫軌跡來(lái)說(shuō)，必須花費(fèi)人量的時(shí) 間示教，從而降低了機(jī)器人的使用效率，也增加了編程人員的 勞動(dòng)強(qiáng)度。口前解決的方法有2利-一是示教編程時(shí)只是粗略獲取兒個(gè)焊縫軌跡上的幾個(gè)關(guān) 鍵點(diǎn)，然后通過(guò)焊接機(jī)器人的視覺(jué)傳感器(通常是電弧傳感器 或激光視覺(jué)傳感器)口動(dòng)跟蹤實(shí)際的焊縫軌跡。這種方式雖然 仍離不開(kāi)示教編程，但在定程度上可以減輕示教編程的強(qiáng) 度，提高編程效率。但由于電弧焊本身的特點(diǎn)，機(jī)器人的視覺(jué) 傳感器并不是對(duì)所有焊縫形式都適用。二是采取完全離線編程的辦法，使機(jī)器人焊接程序的編 制、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取、以及程序的調(diào)試均在臺(tái)計(jì)算 機(jī)上獨(dú)立完成，不需要機(jī)器人本身的參與。機(jī)器人離線編程早 在多年以前就有，只是由于當(dāng)時(shí)受計(jì)算機(jī)性能的限制，離線編 程軟件以文本方式為主，編程員需要熟悉機(jī)器人的所有指令系 統(tǒng)和語(yǔ)法，還要知道如何確定焊縫軌跡的空間位置坐標(biāo)，因此, 編程匚作并不輕松省時(shí)。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算機(jī)三維 圖形技術(shù)的發(fā)展，如今的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)多數(shù)可在三維圖 形環(huán)境下運(yùn)行，編程界面友好、方便，而口，獲取焊縫軌跡的 坐標(biāo)位置通?？梢圆捎谩疤摂M示教” (virtual Teach-in)的 辦法，用鼠標(biāo)輕松點(diǎn)擊三維虛擬環(huán)境中匸件的焊接部位即可獲 得該點(diǎn)的空間坐標(biāo)；在有些系統(tǒng)中，可通過(guò)CAD圖形文件中事 先定義的焊縫位置直接生成焊縫軌跡，然后口動(dòng)生成機(jī)器人程 序并下載到機(jī)器人控制系統(tǒng)。從而大大提高了機(jī)器人的編程效 率，也減輕了編程員的勞動(dòng)強(qiáng)度。目前，國(guó)際市場(chǎng)上已有基于 普通PC機(jī)的商用機(jī)器人離線編程軟件。如Workspace5、 RobotStudio等。圖9所示為筆者自行開(kāi)發(fā)的基于PC的三維 可視化機(jī)器人離線編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)可針對(duì)ABB公司的IRB140 機(jī)器人進(jìn)行離線編程，程序中的焊縫軌跡通過(guò)虛擬示教獲得, 并在三維圖形環(huán)境中可讓機(jī)器人按程序中的軌跡作模擬運(yùn)動(dòng)，以此檢驗(yàn) 其準(zhǔn)確性和合理性。所編程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接卜載給機(jī)器人控 制器。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起 步，H前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系 統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分 機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等 機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的 來(lái)看，我國(guó)的匸業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其匚程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還 有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起 步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；應(yīng)用 規(guī)模小，沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，單戶單次匝新 設(shè)計(jì)，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期 長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解 決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、 通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。3、焊接機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)U前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技 術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊接機(jī)器人和其它匚業(yè) 機(jī)器人樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。貝體而言，農(nóng)現(xiàn)在如下兒個(gè)方面：1）機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)：通過(guò)有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的 運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)步提高負(fù)載/口重比。例 如，以徳國(guó)KUKA公司為代農(nóng)的機(jī)器人公司，已將機(jī)器人并聯(lián) 平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加 Z輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大人提高了機(jī)器人的性能。此外采 用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成 為免維護(hù)系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的 伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿 模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人 產(chǎn)品問(wèn)市。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來(lái)愈小，二者正朝著 一體化方向發(fā)展。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù),實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加匸, 這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控 技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。意大利COMAU公司，F(xiàn)I本FANUC等公司已開(kāi)發(fā)出了此類產(chǎn)品。2）機(jī)器人控制系統(tǒng)：重點(diǎn)研究開(kāi)放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于PC機(jī)的開(kāi)放 型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高, 控制柜F1見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大人提離了系統(tǒng)的可靠 性、易操作性和可維修性。控制系統(tǒng)的性能進(jìn)步提高，已由 過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21軸其至27 軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好，語(yǔ)言、圖形編程界面正在研制之中。 機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制 器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)步提高在線編程的可操作性Z外，離線編 程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)，在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí) 用化。3）機(jī)器人傳感技術(shù)：機(jī)器人中的傳感器作用口益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速 度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感 器、視覺(jué)傳感器和力傳感器，并實(shí)現(xiàn)了焊縫口動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化 生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī) 器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的 融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的 智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題無(wú)決的關(guān)鍵。其研 究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及 非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另i問(wèn)題 就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。4）網(wǎng)絡(luò)通信功能：H本YASKAWA和德國(guó)KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí) 現(xiàn)了與Canbus. Profibus總線及些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人 由過(guò)去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由 過(guò)去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。5）機(jī)器人遙控和監(jiān)控技術(shù)在些諸如核輻射、深水、有毒等高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行焊接 或其它作業(yè)，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機(jī) 器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者 與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的 監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人龍岀實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階 段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功 應(yīng)用的最著名實(shí)例。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通 過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立人范禺內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下， 建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。6）虛擬機(jī)器人技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用 于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境 中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人?；诙鄠鞲衅?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以 及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。7）機(jī)器人性能價(jià)格比：機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于 操作和維修），而單機(jī)價(jià)格不斷下降。由于微電了技術(shù)的快速 發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很 大提高。過(guò)去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性MTBF 般為幾千小時(shí)，而 現(xiàn)在已達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，可以滿足任何場(chǎng)合的需求。8）多智能體調(diào)控技術(shù)：這是H前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的 群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法, 建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。近年來(lái)，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)人，機(jī)器人應(yīng)用也從制造 領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、寧宙探測(cè)、采掘、建筑、 醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化 的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非 結(jié)構(gòu)化和不確立性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，霜要機(jī)器人具 有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī) 器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入人 類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。4、挑戰(zhàn)與對(duì)策進(jìn)入21世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生覓大而深刻的變革, 但制造業(yè)依然是世界各發(fā)達(dá)與發(fā)展中國(guó)家加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高 國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的重要途徑。我國(guó)是個(gè)制造業(yè)大國(guó)，尚處于工業(yè)化進(jìn)程之中，在未來(lái) 相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里，制造業(yè)仍將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占主導(dǎo)地位。在新 輪國(guó)際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國(guó)正逐步成為世界最覓要的制造 業(yè)基地Z-o然而H前我國(guó)裝備制造業(yè)的整體水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚 有較大的差距，尤其是在戰(zhàn)略必爭(zhēng)裝備技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng)前核心技 術(shù)、基礎(chǔ)制造裝備與成套關(guān)鍵裝備制造技術(shù)等方面差距更人, 這種差距又主要體現(xiàn)在先進(jìn)裝備的自主設(shè)計(jì)與獨(dú)立制造能力 差，成套與系統(tǒng)集成、優(yōu)化能力岸，技術(shù)創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力 差。這些差距已經(jīng)成為制約我國(guó)制造業(yè)乃至其他行業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展 的關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題Z-o21世紀(jì)基礎(chǔ)制造裝備的水平主要體現(xiàn)在高精度、高效率、 低成本和高柔性等兒個(gè)方面。高效率、高精度工藝的一個(gè)典型 例子是精密成形技術(shù)，其H的是盡量減少切削，其至免除切削, 減少原材料的浪費(fèi)，同時(shí)提高制造效率。精密成形技術(shù)在工業(yè) 發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用。柔性自動(dòng)化仍是機(jī)床業(yè)發(fā)展的重要 趨勢(shì)之一。柔性自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是敏捷生產(chǎn)設(shè)備。為適應(yīng) 敏捷生產(chǎn)模式，人們正在探求設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)重組以及生產(chǎn)單 元的動(dòng)態(tài)重組問(wèn)題。另外，國(guó)外在大型、成套裝備方面有很大優(yōu)勢(shì)，并且在成 套裝備的高技術(shù)化方面，取得了巨大的進(jìn)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控 化、柔性動(dòng)化，并大量采用工業(yè)機(jī)器人，正向著智能化、集 成化的方向發(fā)展。隨著我國(guó)貿(mào)易溶入全球化，我國(guó)裝備制造業(yè)從來(lái)沒(méi)有像今 天這樣直接地面對(duì)國(guó)際同行的有力競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)。如何適應(yīng)激烈 的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和快速變化的世界市場(chǎng)需求，不斷以高質(zhì)量、低成 本、快速響應(yīng)的手段在新的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)屮求得生存和發(fā)展，已是 我國(guó)裝備制造業(yè)不容回避的問(wèn)題。同時(shí)溶入全球化也為我們提 供了前所未有的機(jī)遇，我們必須抓住機(jī)遇迎頭趕上。在“十五”期間，我國(guó)曾把包括焊接機(jī)器人在內(nèi)的示教再 現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為覓點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之，其 中包括焊接機(jī)器人（把弧焊與點(diǎn)焊機(jī)器人作為負(fù)載不同的一個(gè) 系列機(jī)器人，可兼作弧焊、點(diǎn)焊、搬運(yùn)、裝配、切割作業(yè)）產(chǎn) 品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；弧焊機(jī)器人用激 光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置的開(kāi)發(fā)，激光發(fā)射器的選用，CCD成象系 統(tǒng)，視覺(jué)圖彖處理技術(shù)，視覺(jué)跟蹤與機(jī)器人協(xié)調(diào)控制；焊接機(jī) 器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真等。在新的歷史時(shí)期，面對(duì)新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，只有方面緊跟 世界科技發(fā)展的潮流，研究與開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制 造裝備；另方面，仍然通過(guò)引進(jìn)和消化，吸收一些現(xiàn)有的先 進(jìn)技術(shù)，踩在別人的肩膀上，盡快縮短和別人的差距。并通過(guò) 應(yīng)用研究和二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提 高我國(guó)制造業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)上的地位。