焊接机器人介绍
1焊接机器人的应用背景
工业制造领域中应用最广泛的机器人是焊接机器人，特别是在汽车制造业中，机器人使用量约占全部工业机器人总量的30%，而其中的焊接机器人数量就占去50%左右。
焊接是现代机械制造业中必不可少的一种加工工艺方法，在汽车制造、工程机械、摩托车等行业中占有重要的地位。过去采用人工操作焊接加工是一项繁重的工作， 随着许多焊接结构件的焊接精度和速度要求越来越高，一般工人已难以胜任这一工作。此外，焊接时的电弧、火花及烟雾等对人体会造成伤害，焊接制造工艺的复杂性、劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于自动化、机械化的要求极为迫切，实现机器人自动焊接代替人工操作焊接成为几代焊接人的理想和追求目标。汽车制造的批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使焊接机器人在汽车焊接中获得大量应用。汽车制造中的机器人自动焊接所占比重也超过建筑、造船、钢结构等其它行业，这也反映出汽车焊接生产所具有的自动化、柔性化、集成化的制造特征。焊接机器人是焊接自动化的革命性进步，它突破了焊接刚性自动化的传统方式，开拓了一种柔性自动化生产方式。刚性自动化生产设备通常都是专用的，只适用于中、大批量的自动化
生产，因而在很长一段时期内中、小批量产品的焊接生产中，仍然以手工焊接为主要的焊接方式，而焊接机器人的出现，使小批量产品自动化焊接生产成为可能。由于机器人具有示教再现功能，完成一项焊接任务只需要人给机器人作一次示教，随后机器人可精确的再现示教的每一步操作。如果需要机器人去作另一项工作，无需改变任何硬件，只要对机器人再作一次示教或编程即可，因此，在一条焊接机器人生产线上，可同时自动生产若不同产品。
1.1焊接机器人的概述
焊接机器人是集机械、计算机、电子、传感器、人工智能等多方面知识技术于一体的现代化、自动化设备。焊接机器人主要由机器人和焊接设备两大部分构成。机器人由机器人本体和控制系统组成。焊接设备以点焊为例，则由焊接电源、专用焊、传感器、修磨器等部分组成。此外，还有相应的系统保护装置。
1.1.1焊接机器人的优点
(1) 稳定和提高焊接质量，保证焊缝均匀性;
(2) 提高劳动生产率，一天可24小时连续工作:
(3) 改善工人劳动条件，可以在有毒、有害的环境下工作;
(4) 降低对工人操作技术的要求;
(5 )可实现小批量产品的焊接自动化;
(6) 能在空间站建设、核能设备维修、深水焊接等极限条件下完成人工无法或难以进行的焊接作业;
(7 )为焊接柔性生产线提供技术基础。
1.1.2 焊接机器人的发展历史
从二十世纪六十年代焊接机器人诞生和发展到现在，焊接机器人研究大致分为三代：第一代是指基于示教再现方式的焊接机器人，由于其操作简便、不需要环境模型，并且可以在示教时修正机械结构带来的误差，因此在焊接生产中得到大量的应用。第二代是指基于一定传感器传递信息的离线编程机器人，它得益于焊接传感技术和离线编程技术的不断改进和快速发展，目前这类机器人己经进入实际应用研究阶段。第三代是指具有多种传感器，在接收作业指令后可根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人。
这一代机器人由于人工智能技术发展的滞后，目前正处于实验研究阶段。
随着计算机智能控制技术的不断发展进步，焊接机器人从单一的示教再现型向多传感器、智能化、柔性化加工方向发展必将是下一个目标。最近几十年来，随着焊接技术和其他科学技术的迅猛发展，出现了激光、电子束、等离子及气体保护焊等新的焊接方法以及高质量、高性能焊接材料的不断发展和完善，使得几乎所有的工程材料都能实现焊接。而且焊接自动化技术发展迅速，自动化焊接的生产方式越来越多的代替了手工焊接生产方式。在各种焊接技术及焊接系统中， 以电子技术、信息技术及计算机技术综合应用为标志的焊接机械化、自动化系统乃至焊接柔性制造系统，是信息时代焊接技术的重要特点。实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化己成为必然趋势。
采用机器人焊接己成为焊接自动化技术现代化的主要标志。焊接机器人由于具有通用性强、工作可靠的优点，受到人们越来越多的重视。在焊接生产中采用机器人技术，可以提高生产率、改善劳动条件、稳定和保证焊接质量、实现小批量产品的焊接自动化。国外发达工业国家在制造业中应用工业机器人技术相当广泛，从上个世纪六十年代初焊接工业机器人刚诞生不久就开始应用机器人进行焊接加工，经过四十多年的技术发展和经验积累，不仅技术上相
当成熟，而且在实际应用上也很成功，国际上许多大型汽车企业都广泛采用机器人进行汽车制造的焊接加工，大大提高了汽车产品的质量和生产效率，获得很好的经济效益和社会效益。
美国通用、福特，日本丰田、日产，德国大众、宝马等大型汽车企业基本上建立了全部采用机器人焊接的车身焊接生产线。发达国家焊接自动化生产从最初的半自动化，采用焊接机器人代替手工焊接，但上下料、待焊工件定位夹紧等工作仍需手工完成，现今已发展成柔性自动化焊接生产线，整个焊接过程均自动完成。当今的汽车产品改型换代相当频繁，不同的车型需要不同的焊接生产线，如果重建新的焊接生产线，要花费大量资金，而原有的焊接生产线则被闲置或报废，造成极大浪费。假如焊接生产线具有柔性，则只须对生产线进行局部改造就可以满足新产品车型的生产需要。自动化焊接生产线是由焊接设备、焊接工装夹具及自动控制和机械化运输系统等组成，其中焊接设备的柔性是决定焊接生产线柔性的关键。而焊接机器人是机体独立、动作自由度多、程序变更灵活、自动化程度高、柔性程度好的焊接设备，具有多用途功能、重复定位精度高、焊接质量高、运动速度快、动作稳定可靠等特点，是焊接设备柔性化的最佳选择。
我国的机器人焊接应用起步较晚，二十世纪七十年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于“上海牌”轿车底盘的焊接，可以看作是我国机器人焊接应用的萌芽，虽然这还不是严格意义上的机器人焊接。到了二十世纪八十年代，我国应用机器人焊接生产的发展开始明显加快，主要是在一些大、中型的汽车、摩托车、工程机械等制造业企业中广泛采用，特别是在汽车制造企业，焊接机器人的应用最为广泛。1984年“一汽”成为我国最早引进焊接机器人进行汽车制造的企业，先后从德国KUKA公司引进了3台焊接机器人用于当时的“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”卡车的车顶盖焊接。1986年又成功应用机器人焊接汽车前围总成，1988年又开发了机器人焊接车身总焊装线。此后随着德国大众等一批世界着名汽车企业在中国合资办厂，带来了一系列自动化生产设备和工艺装备，使焊接机器人大量进入我国。到2001年，我国全国各类焊接机器人数量就达到一千台，此后由于我国汽车行业的迅猛发展，我国焊接机器人每年以近千台的数量剧增， 目前己突破五千台。汽车制造中的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢这六大总成加工都离不开焊接技术应用，随着我国汽车需求量的激增，汽车制造业急需适应市场需求的先进加工技术来改变传统的加工方法。焊接加工作为汽车制造中重要的技术之一，也亚需采用先进的自动化加工技术来替代传统的落后的加工方法，提高汽车产品的质量和生产率，提升中国制造业
自动化水平。汽车工业的技术水平和生产能力代表一个国家工业技术水平，我国汽车工业正在步入一个高速发展的快车道，并成为国民经济的重要支柱产业，对国民经济的贡献和提高人民生活质量的作用也越来越大。
中国加入WTO后，面对国际市场的激烈竞争，中国的制造企业，特别是汽车工业急需引进、开发具有世界先进水平的生产线。目前，我国许多大型的汽车制造企业都在努力进行现代化的技术改造，如在焊接加工中采用半自动、全自动化加工技术，运用机器人来完成人工动作，如焊接机器人、上下料机器人、搬运机器人等。利用机器人焊接可以有效提高产品质量、降低能耗、改善工人劳动条件、稳定和保证焊接质量。虽然我国已经掌握了焊接机器人生产的关键技术，并且也有专门生产焊接机器人的工厂，但是机器人产品同世界先进产品相比，在性价比上还有很大差距。目前我国焊接机器人应用主要以自我设计开发焊接辅助设备为主，结合先进的焊接机器人产品，研发出焊接机器人工作站、焊接机器人生产线等自动化焊接加工系统，应用于我国飞速发展的汽车工业及其它制造业。
1.2焊接行业中采用焊接机器人的重要性
由于存在焊接烟尘、弧光、金属飞溅，焊机环境恶劣，焊接质量的好坏决定了产品的质量。
主要的重要性如下：
1） 焊接质量稳定并得到提高，均一性得到保障。焊接结果主要受焊接电流、电压、速度及干伸长度等焊接参数的影响。机器人焊接时，每条焊缝的焊接参数恒定，人为影响比较小。当人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，质量的均一性不能保障。
2） 工人劳动条件得到改善。工人在焊接机器人的应用中只负责装卸工件，从而远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊工人来说，不用再搬运笨重的手工焊钳，工人的劳动强度得到了改善。
3） 劳动生产率得到提高。机器人不会感到疲劳，可以整天24 小时连续生产，随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，劳动生产效率得到大大的提高。
4） 产品周期明确，产品产量容易控制。机器人的生产环节是固定的，所以安排生产的计划将会非常明确。
5） 大大缩短了产品改型换代的周期,设备投资相应减少。焊接机器人可以实现小批量产品的自动化，通过修改程序来适应不同工况，较传统焊接优势明显。
日本丰田
1.3焊接机器人对车身焊接的现状
从本质上讲焊接是使用局部加热或加压，或同时加热、加压的方法，使连接处的金属变成塑性状态或熔化，在原子间的结合力作用下把两个或多个金属工件连接到一起的过程。汽车车身焊接生产线的发展通过从手工、（半） 自动刚性、（半） 自动柔性等不同阶段，现已慢慢成熟。目前，国内应用于汽车车身的焊接方法多种多样，最广泛常用的是电阻焊工艺。而在国外激光焊接机器人已经大量投入于生产中。
1.4某款微型汽车车身制造中机器人焊接与人工焊接的详细对比
一直以来大家接触关于机器人焊接的信息大都是积极的，如同在第一章中提到的那样焊接机器人有许多的优点，白车身焊装自动线是工业机器人应用的一个典型领域,用机器人来代替人工焊接是未来发展的必然趋势。但正是出于对微型汽车“低成本，高价值”制造理念的深刻理解，以及通过对生产线人工焊接的仔细观察分析，作者发现人工焊接同样有自己的特长和优势。把车身生产线的工人全部用机器人来代替的想法，并不现实。特别是对于微型汽车或者低成本的车身制造来说，只有把机器人焊接和人工焊接有机的结合起来才是正道。
为了能更加有效的对比机器人焊接和人工焊接，作者引入 SPQRC的比较指标。SPQRC 即 S 安全（Safety） 、P 人员 （People）、Q 质量（Quality）、R 响应（Responsiveness）、C 成本（Cost Goals）。
1.4.1焊接机器人 SPQRC
安全：
机器人在安全方面有着无可比拟的优势。适合在车身焊接这种恶劣的工作环境（噪声大、金属焊接飞溅物多、金属粉尘多、焊接过程中光和热辐射强）下长时间运行，不存在人机工程问题。周边设备工作稳定，安全风险低。
人员：
焊接机器人一旦调试完成后得益于其很低的设备故障率，只需要少量专门的操作和维护人员。但对人员的技术水平要求高，需要维护人员需要经过较长时间的培训和实践才能独立处理故障。无论是进行在线式还是离线仿真编程，都需要工程技术人员有很高技术水平和经验。