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焊接机器人为什么能够在钢结构行业得到应用

进入2000年以后，我国国民经济显著增长，国力明显增强，钢产量大幅提高，在建筑中提出了“积极、合理地用钢”，从此甩掉了“限制用钢”的束缚，钢结构建筑在经济发达地区逐渐增多。我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。从2008年奥运会鸟巢场馆、中国尊到如今的港珠澳大桥，出现了钢结构建筑热潮，强劲的市场需求，推动钢结构建筑迅猛发展，建成了一大批钢结构场馆、机场、车站和高层建筑。

在钢结构工程建设过程中，焊接是钢结构工程制作和安装的关键技术和质量控制手段，在建设工程中有着十分重要的作用。由于钢结构结构形式的多样性，加之其安装过程多在户外，自动化焊接程度较低，多数采用手工进行焊接。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。机器人焊接在钢结构建设过程中的应用仅限于前期在车间内钢结构部件的组装连接，如图1所示，例如H柱、梁、箱型柱、U形肋、板肋板单元和横隔板单元的组装连接等。

由于钢结构应用场所的重要性，因此在钢结构生产安装过程中对钢结构的焊接提出了更高要求。钢结构的焊接性包含以下两个方面的含义：一是工艺焊接性，是指金属或材料在一定的焊接工艺条件下，能否获得致密、无缺陷并具有一定使用性能的焊接接头的能力；二是使用焊接性，是指焊接接头或整体焊接结构满足技术条件所规定的各种性能的程度，包括常规的力学性能（强度、塑性、韧性等）或特定工作条件下的使用性能，如低温韧性、断裂韧性、高温蠕变强度、持久强度、疲劳性能以及耐蚀性、耐磨性等。除了这种点式激光光源，目前更多的焊缝激光传感器采用激光条纹作为光源。

焊接机器人研究和应用现状

机器人技术是综合了计算机、 控制论、 机构学信息和传感技术、 人工智能、 仿生学等多学科而形成的高新技术， 是当代研究十分活跃的领域。近十几年来， 随着相关领域技术快速发展， 机器人技术也得到了飞速发展。为了更好地完成焊接任务， 机器人生产厂商在机器人本体上做了相应的调整。从2008年奥运会鸟巢场馆、中国尊到如今的港珠澳大桥，出现了钢结构建筑热潮，强劲的市场需求，推动钢结构建筑迅猛发展，建成了一大批钢结构场馆、机场、车站和高层建筑。机器人所采用材料开始转向铝、 不锈钢、 高强钢， 所使用的板材也越来越薄。使用材料的变化在保证刚度的前提下， 减少了机器人自身的质量， 降低了成本。目前市场上机器人的售价越来越低， 性价比越来越高， 各个机器人厂商纷纷推出了 11~13 万的经济型弧焊机器人。

焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。多关节机器人作为占比本体类型，轻小负载产品（负载≤20kg）同质化严重，价格竞争愈演愈烈，成为内外资工业机器人厂商较量的主战场，同时也是增速下滑明显的细分产品之一。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。图1a、b表示弧焊机器人和点焊机器人的基本组成。

世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节机器人，绝大部分有6个轴。其中，1、2、3轴可将末端工具送到不同的空间位置，而4、5、6轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构，如图2a、b所示。侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人，2、3轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一根拉杆驱动的。柔性机器人是数控立体作业机床，具有六个自由度，不仅可以实现焊枪位置的可达性，还可以实现焊枪的角度变化。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。但80年代后期以来开发的新型平行四边形机器人（平行机器人），已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负载100～150kg）大多选用平行四边形结构形式的机器人。

1.2 不锈钢气室机器人柔性激光焊接加工设备是针对不锈钢焊接变形量比较大，密封性要求高的箱体类工件焊接开发的的柔性机器人激光焊接加工设备。（1）机器人设备及应用技术管理人员主要负责机器人系统设备的维护及管理、机器人应用技术的开发和利用，以挖掘机器人的工作能力为目的。　该加工设备是由机器人、激光发生器机组、水冷却机组、激光扫描跟踪系统、柔性变位机、工装夹具、安全护栏、吸尘装置和控制系统等组成，通过设置控制系统中的品种选择参数并更换工装夹具，可实现多个品种的不锈钢气室类工件的自动焊接。

1.3 轴类焊接机器人工作站是专门针对低压电器行业中式断路器中的转轴焊接开发的专用设备，推出了一套专用的转轴焊接机器人工作站。

轴类焊接机器人工作站由弧焊机器人、焊接电源、焊枪送丝机构、回转双工位变位机、工装夹具和控制系统组成。该工作站用于以转轴为基体（上置若干悬臂）的各类工件的焊接，在同一工作站内通过使用不同的夹具可实现多品种的转轴自动焊接。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。焊接的现对位置精度很高。由于采用双工位变位机，焊接的同时，其他工位可拆装工件，极大的提高了效率。