焊接机器人的应用

1.焊接机器人在汽车生产中应用

焊接机器人应用于汽车领域中，具有质量稳定、生产稳定、效率较高等优势，对于汽车行业的发展起了很大的推动作用。

汽车制造领域是当前工业生产中最大规模使用激光焊接技术的行业，从汽车零部件生产到车身制造，激光焊接已经成为汽车制造生产中的最主要焊接方法之一。总体上讲，激光焊接在汽车制造中的应用包括三个方面：

（1）汽车零部件的激光焊接。

激光焊接在汽车制造中的应用始于变速箱的齿轮焊接，由于采用了激光焊接，焊接后的齿轮几乎没有焊接变形，不需要焊后热处理，而且焊接速度大大提高，因此很快得到了应用。到目前为止，激光焊接在国外已经在汽车零部件生产中得到非常广泛的应用，包括尾气排放系统（进气歧管、排气管、消声器等）、变速箱双联齿轮、减振器储油缸筒体、滤清器、车门铰链等。国内汽车领域应用激光焊接主要有变速箱齿轮和减振器储油缸筒的焊接。

（2）激光拼焊技术。

激光焊接在汽车制造中应用最为成功，同时效益最为明显的一项技术就是汽车车身的拼焊技术。激光拼焊的目的是为了降低车身质量，即在进行车身的设计制造时，根据车身不同部位的性能要求，选择钢材等级和厚度不同的钢板，通过激光裁剪和拼接技术完成车身某一部位的制造。激光拼焊技术具有下列优点：减少零件和模具数量；缩短设计和开发周期；减少材料浪费；最合理使用不同级别、厚度和性能的钢板，减少车身质量；降低制造成本；提高尺寸精度；提高车身结构刚度和安全性。

德国大众最早于1985年将激光拼焊用于奥迪车型底盘的焊接，日本丰田于 1986 年采用添丝激光焊的方法用于车身侧面框架的焊接。北美大批量应用激光拼焊技术是在 1993 年，当时美国为了提高美国汽车同日本汽车的竞争力而提出了 2 mm 工程。到目前为止，世界上几乎所有的著名汽车制造商都大量采用了激光拼焊技术，所涉及的汽车结构件包括车身侧框架、车门内板、挡风玻璃窗框、轮罩板、底板、中间支柱等。

（3）汽车车身激光焊接技术。

激光焊接在汽车制造中的另一个重要应用是汽车车身框架的激光焊接，其中一个典型例子就是汽车车身顶盖与车身侧板的焊接。传统的焊接方法点焊［见图6.33（a）］，现在正逐渐被激光焊接所代替［见图 6.33（b）］。比较两者可以看出，采用激光焊接后，顶盖和侧面车身的搭接边宽度减少，降低了钢板使用量，同时提高了车体的刚度。目前，这种车身框架的激光焊接技术在各大汽车制造商的较新型车中都得到了非常广泛的应用，如奥迪A2车体框架是由铝合金材料焊接而成，比同样结构使用钢材可减少质量 43 kg，其实激光焊接的焊缝总长多达30 m。国内，上海大众帕萨特和一汽宝来的制造中，也都采用了激光焊接技术。

图6.33　汽车车身顶盖与侧面激光焊代替点焊

2.焊接机器人在水下的应用

发展水下焊接的研究及应用，有利于开发海洋事业，开采海底油田，使丰富的海洋资源为人类服务，具有重要的现实意义。近年来，随着海洋结构物建设的增多，其水下有关设施的组装、维修，对水下焊接技术提出了更高的要求。水下焊接是在水下环境中进行的特殊焊接，为了克服水下环境给焊接带来的困难，科学工作者研究出了多种水下焊接方法，常用的水下焊接有湿法、局部干法、干法三种。从目前的实际应用情况来看，水下焊接工作主要是由潜水焊工完成。虽然有些干法水下焊接压力舱装备了自动焊接设备，但是其有关设备的安装及在线实时监视、维护仍需要潜水员。这使得水下焊接工作受到一定的限制。首先，水下焊接材料及潜水焊工技术水平高低直接影响到水下焊接接头的质量；其次，对于深水焊接，潜水焊工不但要携带氧气，而且潜水焊工在深水实际工作时间受到生理条件限制；此外还存在650 m饱和潜水深度的极限，超过这个深度潜水焊工难以进行水下焊接工作。为保证水下焊接质量、减低生产成本、提高生产效率以及突破水下焊接的水深限制等，很有必要开发水下焊接机器人。

（1）水下机器人的发展历史。

水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。早期的水下机器人主要为军事用途，人们为了出其不意地击毁敌人的水面舰只而设计制造了潜艇。1929 年，美国海洋科学家威廉·比勃与奥梯斯·巴顿建造了第一个深潜球（Bathysphee）。它是一个铸钢的球壳，上面装有 3 个观察窗，它挂在 422 mm 的钢缆上。1934年8月，深潜球下潜到914 m的水深，这是第一次在深海环境中进行生物观察，也是第一次有意义的深潜器潜水活动。从1975 年开始，由于海洋工程和近海石油开发的需要，无人遥控潜器（Remotely Operated Vehicles，ROV）得到了迅速的发展。第一艘无人遥控潜器于1953年研制成功，由于“无人遥控潜器”具有结构简单、造价低廉、维修方便，以及无人员生命危险等优点，所以从1975年以来发展尤为迅速。我国从20世纪60年代中期开始对水下机器人进行了探索性的研究，20世纪70年代研制了拖曳式深潜器，从20世纪70年代末到80年代初，随着工业机器人技术的发展，以及海上救助打捞和海洋石油开采的需要，我国也在积极地开展了水下机器人的研制与应用工作。在“七五”期间，水下机器人产品开发被列入了国家重点攻关任务。目前我国的水下机器人技术已日趋成熟。

（2）水下机器人的分类。(www.xing528.com)

水下机器人种类繁多，可根据其结构形式、运动方式、控制、用途等不同的原则进行分类。目前，国际上通常将水下机器人按如图6.34所示分类。

图6.34　水下机器人的分类

ROV 是由人通过主缆和系缆进行遥控，人的参与使得ROV能完成复杂的水下作业任务。其中系缆用于提供动力、遥控、信息交换和安全保障。我国第一艘ROV是由上海交通大学和中国科学院联合研制的“海人1号”，其主要特点是机械手为双向位置力反馈、有力感和触觉、主从式控制方式。2004 年，上海交通大学研发的当时国内下潜深度最大的、功能最强的取样机器人“海龙号”成功下水，同年该潜水器成功下潜至3 500 m深海并且测试成功。“海龙”号 ROV 长 3 m，宽和高都是 1.8 m，高达 600 m的范围内活动。“海龙”号配备有5个各种性能的摄像机和一台静物监视机，还装备特殊有水下照明设备，可在水下照亮几百米的范围，其声呐可以在浑浊的水中作业。海龙号配备有两只分别为7功能和5功能的机械手，可在水面的遥控下进行比较复杂的工作，最大提举质量达数百公斤。

无缆水下机器人（AUV）不配备主缆和系缆，自带能源，依靠自身的自治能力来管理自己、控制自己，以完成赋予它的使命。它是根据各种传感器的测量信号，由机器人载体上携带的智能决策系统自主地指挥、完成各种机动航行、动力定位、探测、信息收集、作业等任务，其与岸基和船基支撑基地间的联络通常是靠水声通信来完成的。有的AUV也可以浮出水面，通过无线电信号来完成与基地乃至与地球同步通信卫星间的通信。进入 21 世纪，AUV技术得到了飞速的发展，商业化的AUV不断涌现，标志着AUV进入了较大规模实际应用阶段。“十二五”期间，在国家海洋局和中国科学院的大力支持下，沈阳自动化研究所面向深海资源调查和海洋科学研究的需求，分别构建了“潜龙”系列深海AUV和“探索”系列 AUV 两个技术体系，其中潜龙系列AUV主要用于深海资源勘查，主要包括6 000 m 级“潜龙一号”、4 500 m 级“潜龙二号”和“潜龙三号”；“探索”系列 AUV 主要用于海洋科学研究，主要包括“探索 100”“探索1000”和“探索4500”，其中“探索 4500”是 4 500 m级深海 AUV，主要用于冷泉区科学调查。在全面掌握了深水自主水下机器人技术的基础上，沈阳自动化研究所联合国内多家单位，经过十年，研究并突破了智能控制、精确导航、高效能源应用、海洋环境观测、海底地形地貌探测等关键技术。经过几百次湖上和海上试验，于2010年研制成功我国首型长航程自主水下机器人，创造并多次刷新了我国 AUV 一次下水连续航行距离和航行时间的记录，标志着我国已全面掌握了长航程自主水下机器人的技术，并迈入国际先进水平。

ROV 优点在于动力充足，可以支撑复杂的探测设备和较大的作业机械用电、信息和数据的传递和交换快捷方便、数据量大。由于其操作、运行和控制等行为最终由水面功能强大的计算机、工作站与操作员通过人机交互方式进行，因而其总体决策能力和水平往往高于AUV，但是脐带电缆是制约其行为的主要因素。AUV的优点在于其活动范围可以不受限制，且因为没有脐带电缆，所以不会发生缆与水下结构物及探测目标缠绕的问题，但其在水下的续航力及所携带仪器的数量与复杂度大大受限于载体上的能源容量的大小。

（3）机器人水下焊接难题。

由于我国水下机器人焊接和增材制造的研究起步较晚，与国外有较大的差距，包括水下作业的范围、效率、环境空间、深度等方面，国外基本上是千米深度起步，我们还处于摸索阶段。

水下焊接与增材设备研制周期长、投资大，现阶段国内大部分仍然采用水下蛙人作业的方式，现有水下作业机器人企业存在生存压力。不过，多年来中国在水下机器人技术上也取得了一些进步。例如，在硬件本体方面，水下移动平台、水下轮式全位置智能焊接机器人、深潜机器人等均有较大突破；在水下图像处理算法方面，采用多目立体视觉技术以及多信息融合传感获取水下焊缝图像三维坐标，为机器人跟踪焊缝提供位置信息；在高性能的水下机器人焊接电源方面，基于动态稳定控制（DSC）的超高频逆变式水下机器人专用SiC焊接电源也已经取得了突破，逆变频率可以达到 200 kHz；适用于水下环境的焊接材料也已经取得了长足的进步。图6.35为机器人水下焊接示例。

水下环境和介质比较特殊，实现水下机器人焊接要突破的技术难点主要有以下几点：

（1）粗定位：即水下复杂空间环境感知、水下视觉驱动控制等。

（2）轨迹规划：智能无轨移动平台（浮游/履带/轮式吸附）＋多自由度机械臂在复杂水下环境的运动轨迹规划。

（3）精定位：水下机器视觉、激光/超声传感与机械臂的手-眼协调控制。

（4）焊接设备：超高频水下焊接电源＋潜水送丝装置＋微型排水装置＋故障诊断与保护。

（5）质量预测：水下焊接电弧行为及熔池动态模拟与电信号高速分析，专家数据库的建立等。

图6.35　机器人水下焊接