近年來，數(shù)字化、智能化、流水線化結(jié)構(gòu)件加工設(shè)備已在汽車、數(shù)碼3C產(chǎn)品等制造業(yè)細分領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，工業(yè)機器人便是這些產(chǎn)線數(shù)字化、智能化的核心部件。
經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，工業(yè)機器人在物料搬運、非接觸式加工、零部件裝配及自動化檢測等生產(chǎn)過程中，均有不同深度、廣度的應(yīng)用。
其中，非接觸式加工中的焊接機器人作為工業(yè)機器人中應(yīng)用最廣、最為主流的品類，全球在役的工業(yè)機器人中，約有半數(shù)以上應(yīng)用于焊接加工流程。
1. 硬件發(fā)展
- 1957年，美國機器人公司Unimation成立，并于次年正式運營。
- 1959年，工業(yè)機器人Unimate問世，由美國發(fā)明家恩格爾伯格（Joseph Engelberger）和喬治德沃爾（George Devol）共同發(fā)明。
圖1 世界上第一臺工業(yè)機器人Unimate
- 1961年，美國通用汽車公司安裝了這臺工業(yè)機器人，標志著機器人在工業(yè)領(lǐng)域正式投入應(yīng)用。
- 上世紀八十年代，美國軍方將工業(yè)機器人應(yīng)用于軍船的建造，工業(yè)機器人逐漸走入航運及船舶制造業(yè)。
- 上世紀九十年代，日本大型造船企業(yè)開始采用機器人進行焊接作業(yè)。
- 1995年，韓國船企改造生產(chǎn)線，焊接機器人逐步應(yīng)用于造船工業(yè)。
- 21世紀以來，北歐各企業(yè)的焊接機器人生產(chǎn)、應(yīng)用逐步成熟，奧地利、芬蘭等國的焊接機器人系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于丹麥、德國、新加坡等國的大型船企。
- 目前，日韓船企正在逐步完成小組立焊接生產(chǎn)線的機器人化，工人投入逐漸減少的同時，生產(chǎn)效率有了明顯提高。
2. 軟件發(fā)展
工業(yè)機器人作業(yè)編程軟件的發(fā)展大致可以分為三個階段，即通過示教進行作業(yè)再現(xiàn)、通過離線編程進行作業(yè)下發(fā)及自主識別編程階段。
其中，示教再現(xiàn)階段較為初級，即通過人工導(dǎo)引或示教盒引導(dǎo)機器人末端的夾持器、焊槍等功能執(zhí)行器具依照固定的路徑及輸出參數(shù)完成預(yù)設(shè)的動作，該過程稱為“示教”。由用戶示教過程編制出的程序可被機器人記憶并不斷再現(xiàn)，并指導(dǎo)機器人完成重復(fù)性較高的工作。
工業(yè)機器人發(fā)展初期，投入生產(chǎn)的機器人多通過人工導(dǎo)引示教進行編程。上世紀末，使用示教盒示教的方式逐漸興起。
目前，通過示教作業(yè)進行編程的機器人仍占據(jù)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的主流地位，在汽車、消費級數(shù)碼3C產(chǎn)品等領(lǐng)域的生產(chǎn)裝配得到了大規(guī)模的應(yīng)用。我國 “七五”和 “八五”期間研制、生產(chǎn)的工業(yè)機器人多屬示教再現(xiàn)型機器人。
但針對焊縫復(fù)雜、小批量、柔性化生產(chǎn)的工件，示教再現(xiàn)型機器人應(yīng)用效率較低。車體焊接過程中，焊接機器人針對單個工件的示教作業(yè)需數(shù)月時間，而施焊過程僅需十余小時。
因此，施焊與編程同步進行、幾乎不存在停機等待時間的離線編程逐漸成為興起。
離線編程模式中，操作者讀取到目標焊件三維模型后，在相應(yīng)的軟件環(huán)境下通過離線編程軟件遠程編輯、修改機器人運行軌跡，軟件編譯模型和指令生成機器人作業(yè)代碼，控制機器人依設(shè)定軌跡運行。
另外，部分軟件中帶有仿真模塊，通過工件模型、生產(chǎn)設(shè)備模型及廠房設(shè)施模型針對機器人的運行軌跡進行仿真模擬，在焊接作業(yè)下發(fā)前確認焊接路徑的合理性，可避免造成設(shè)備及焊件損壞。
相較于傳統(tǒng)的示教編程而言，離線編程作業(yè)程序在目標焊件運送至產(chǎn)線前完成編制，編程工作不占用焊接機器人工作時間，在上一焊件施焊完畢前完成下一焊件程序的編制，時間上完成銜接，極大程度提高了小批量、柔性生產(chǎn)流程中的作業(yè)效率。
但是，盡管不占用機器人工作時間，但對于較為復(fù)雜的焊件而言，離線編程中焊縫路徑建立、軌跡和工藝規(guī)劃仍非常繁瑣。
圖2 典型離線編程的關(guān)鍵步驟
隨著各種測量、傳感技術(shù)日益成熟，人工智能、圖像識別等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，關(guān)于機器人的自主編程技術(shù)的思考也在逐年增加。
人們希望通過視覺、超聲等傳感器及工業(yè)相機獲取現(xiàn)場目標焊件及周圍環(huán)境信息，達到自動識別工件外形尺寸、類型，通過圖像處理算法提取工件數(shù)模，并通過特征點自動識別目標焊縫位置、自動規(guī)劃機器人焊接路徑、自動生成工藝特征等參數(shù)，最終自動生成帶機器人運動位姿的焊接作業(yè)程序的程度。
程序無需依賴使用者的經(jīng)驗，而是通過讀取焊接工藝專家數(shù)據(jù)庫來匹配對應(yīng)工藝需求，進而通過需求及參數(shù)匹配對應(yīng)焊接工藝，并根據(jù)工藝信息自適應(yīng)生成機器人焊接程序，下發(fā)至機器人執(zhí)行。
該方式不僅無需停機操作，且無需操作人員干預(yù)，適合在自動化程度需求較高工業(yè)環(huán)境下，針對復(fù)雜焊件做到真正的“無人化”、“自動化”生產(chǎn)。
目前，自主編程方式已逐步應(yīng)用于焊縫規(guī)律的簡單結(jié)構(gòu)件，還無法完全保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無人化投產(chǎn)。
