我国焊接技术状况2.doc

第一部分 传达科技部刘燕华副部长的“大力开展创新方法工作，全面提升自主创新能力”报告精神；贯彻落实科技部、发改委、教育部、中国科协四部门联合发布的关于加强创新方法工作的若干意见。一、科学思维、方法和工具的创新已经成为科学技术发展与进步的重要动力 创新方法是科技创新的手段，也是科技创新的内容。先进的创新方法是提升国家自主创新能力的重要武器。在我国建设创新型国家的进程中，对创新方法的研究、掌握和应用具有基础性、根本性和先导性意义。完整的创新方法包括科学思维、科学方法和科学工具上的创新。科学思维的创新是科学技术取得突破性、革命性进展的先决条件。科学方法的突破是实现科学技术跨越式发展的重要基础。 科学工具的创新是开展科学研究和实现发明创造的必要手段。在近、现代科学史上，许多重大科学发现本身就是这三个方面的创新。 我国古代有一部孙子兵法，千百年来，享誉中外。它不仅为世界各国军事家必读之书，也为现代商业、政治以及人们的日常行为与处世之道所广泛应用。孙子兵法之所以被如此推崇，主要是它从无数战争胜败的实践经验中，创造性地总结、集成了军事上的谋、略、技巧和套路，是我国古代集军事“方法创新”之大成的杰出成果，充分反映了“创新方法”的重大影响。回顾人类发展历史以及科学技术进步历程，每一次重大跨越和重要发现都与思维创新、方法创新、工具创新密切相关；离开了“创新”，人类社会不可能向前迈进，科学技术也不可能有实质性的进步。这里所说的创新包括思维、方法和工具三个方面的创新，这三者的有机集合可以统称为“创新方法”。导致中国近现代科学技术落后有许多原因。其中对思维、方法和工具创新重视不够是较为重要的原因之一。特别是自近代科学诞生尤其是进入20世纪以来，思维、方法和工具的创新与重大科学发现之间的关系更加密切。据统计，从1901年诺贝尔奖设立以来，大约有60%70%是由于科学观念、思维、方法和手段上的创新而取得的。英国著名哲学家卡尔皮尔逊曾将科学方法看作是“通向绝对知识或真理的唯一道路”。近代、现代科学技术的发展历程表明，科学思维、方法和工具的创新已经成为科学技术发展与进步的重要动力。二、加强创新方法工作的必要性与紧迫性 从一定意义上说，谁掌握了最先进的科学方法，谁就掌握了科技发展的优先权。我国目前正在全面落实科学发展观，贯彻执行国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）建设创新型国家。要有效推进这些战略目标的实现，加强科学思维、科学方法与科学工具创新是一项重要而又紧迫的任务，对于我国整体科技发展水平的提高以及技术能力的提升具有重大意义。1. 建设创新型国家迫切需要创新科学方法 建设创新型国家，核心就是把增强自主创新能力作为发展科学技术的战略基点，走出一条中国特色的自主创新道路。要在激烈的国际竞争中掌握主动权，就必须在若干重要领域加强科学方法的研究与创新，只有这样才能掌握一批核心技术和关键方法，从而降低科技发展对国外技术和方法的依赖，真正提高自主创新能力。 目前，我国在关系国计民生的诸多领域，还没有掌握国际最为先进的科学方法与手段，甚至在一些领域落后于国际先进水平数十年，这大大限制了我国科技自主创新能力的提高，制约着创新型国家的建设。2. 方法上的突破是实现科学技术跨越式发展的重要基础 实现科学技术的跨越式发展是中国由科技大国向科技强国转变的根本途径。科技史上后进赶超先进的经验表明，创新方法是科技跨越式发展的关键。研究思维、方法和工具上的突破与创新不仅意味着进入并占领科学研究的前沿和战略制高点，而且意味着向新的领域、新的方向开拓时占据了先机，具备了跨越发展的竞争优势。科技发展史上有许多事例印证了思维、方法和工具突破对科学技术跨越式发展的重要性。 例如，20世纪30年代科学家创新性的提出了用电子束替代光波进行显微的设想，导致了电子显微镜的出现，从而使放大率比原来光学显微镜扩大了数百倍，彻底解决了材料、化工等科学在微观研究领域放大率不足的问题，使这些领域进入了原子时代。20世纪60年代遥感方法与技术的出现使得人类可以在不与物体、区域接触情况下获得数据资料，促使地球科学获得了跨越式发展。 20世纪90年代纳米技术的兴起，给科学家提供了一个全新的科学研究与技术开发手段，引起了材料、电子、能源等许多领域科技的革命性变革。科技发展的历史经验表明，要想实现科学技术的跨越式发展，就必须有科学方法上的突破与创新。正如诺贝尔奖获得者巴甫洛夫曾指出：“科学是随着研究方法所获得的成就前进的。”3. 企业创新能力的增强有赖于科学方法的应用与创新 企业是一个国家经济发展的主体，科技自主创新的关键是企业科技的自主创新。企业为适应生产发展和市场需求，必然以开拓新技术、新产品、新市场为经济目的，进行科技创新活动。像美国的波音、日本的丰田、德国的大众汽车等公司，其企业自身就拥有庞大的科研机构，不断开展科学研究与技术创新；企业的这种技术创新行为本身就是新思维、新方法、新手段探索与新仪器、新设备生产的行为。可以说，科学思维与方法的研究与创新不仅为企业研发提供了必要的知识，而且科学思维和方法研究及其与先进科研仪器的结合能够大力增强企业研发能力，从而提升企业的技术创新能力和市场竞争力。我国目前正处在经济发展的重要时期，提高企业的国际竞争力是我国现阶段经济发展的重要任务。然而，我国目前绝大多数企业依然缺乏创新能力，这种创新能力的缺乏除了企业自身经济实力的限制之外，科学思维、方法、工具的推广与普及机制不健全也是一个重要原因。因此，现阶段有必要对企业在科学思维、方法与工具的应用与创新方面加大能力建设，为有效提高企业的自主创新能力与国家竞争力提供帮助。4. 普及科学方法、弘扬科学精神是提高全民科学素养的重要手段 科学素养是公民素质的重要组成部分，公民的科学素养反映了一个国家或地区的软实力。自主创新、科技发展不仅依赖于社会的物质保障，还与社会文化环境和广大公众的科学素养高低紧密相关。目前，我国公民科学素养较低，据有关调查，2003年我国公民具备基本科学素养的人口比例仅为1.98%，与美国2001年已经达到的17%的水平相距甚远，这与实现建设创新型国家和全面建设小康社会的战略目标的要求形成了很大反差。这种严峻形势既表明我国提高全民科学素养任务的艰巨性，也表明了我国提高全民科学素养的重要性与紧迫性。要提高全民科学素养，不仅要加强公众对科学内容的了解，更要提高公众对科学思维、科学方法和科学工具的认识，只有这样才能使公众形成对科学具体而丰富的把握。 全面推动方法的研究与创新，并在此基础上加强对相关知识的传播，将对全面提高全民科学素养产生重要而深远的影响。“自主创新，方法先行”，创新方法是自主创新根本之源。没有创新方法，科学研究和技术发展将始终只能跟踪模仿，受制于人。可以说，建设创新型国家迫切需要创新科学方法。同时，方法上的突破又是实现科学技术跨越式发展的重要基础，技术创新方法的推广和应用是切实增强企业创新能力的重要渠道，普及科学方法、弘扬科学精神是提高全民科学素养的重要手段。当前，培养一批掌握科学思维、科学方法和科学工具的创新型人才，催生一批具有自主知识产权的科学方法和科学工具，培育一批拥有自主知识产权和持续创新能力的创新型企业是十分重要的。从而为自主创新战略、建设创新型国家提供强有力的人才、方法和工具支撑，大幅提升国家竞争力。第二部分关于焊接技术的发展一、关于电焊机 自从改革开放以来，我国的国民经济发生了翻天覆地的变化。钢铁年产量已经达到了5亿吨，成为了世界钢铁大国。而焊接主要是以钢铁作为对象。同时近年来我国电焊机的出口量不断增加，这些都推动了我国电焊机行业的快速发展。回顾过去，我国电焊机行业已有50多年的历史。从最初的机械控制，发展到今天的电子控制，产品结构发生了根本性的变化。弧焊方法从以手弧焊为主，逐步转为半自动和自动焊接，尤其是气体保护焊方法得到了长足的进步。该方法完成的焊接工作量已达到焊接总量30%以上。从上世纪70年代开始，模拟控制的逆变焊机相继出现并得到迅速推广。 逆变焊机表现出了极大的生命力，因为其工作频率高而使焊机具备体积小、重量轻、节能、省材、降耗和动态相应快、效率高、焊机性能好等特点，正在逐步成为弧焊电源的主流。经过多年发展，逆变焊机已经有了很大进步，随着技术的成熟和产品可靠性的提高，逆变焊机正向着大容量、高效率和高性能方向发展。随之，也存在一些问题，例如，高档焊机存在电路设计过于复杂的问题，降低了焊机可靠性，因采用模拟控制电路而使焊机的控制精度不稳定和焊机性能分散，难以保证批量生产的产品质量一致性，以及难以实现焊接生产的网络化监控和管理等。事实上，模拟控制系统的不足之点主要是进行复杂处理的能力有限、元器件数量多，并且控制器的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控制器的调试复杂、灵活性差。同时电阻、电容的参数分布影响控制器的一致性和稳定性。面对模拟控制逆变焊机的上述问题，积极推动开展了数字化逆变焊机的研究与开发工作，用数字控制代替模拟控制是电焊机发展的科学之路。 数字化焊机，是一个相对独立的系统，这一点与数字电视、数码相机等产品不同。数字电视必须与数字信号网络兼容、数码相机必须与计算机接口相兼容，同时其发展也有一定的标准约束，这就使得绝大多数的数字产品的发展比较规范。然而，作为一种工业产品，数字焊机的外部环境是多样的，即便是与焊接机器人、变位机等构成自动焊接系统，控制网络的标准也是千差万别的。因此，数字化焊机在当前阶段还难以涉及标准问题。但是，数字化焊机概念的明确对其未来发展是有好处的。所谓数字化焊机就是在逆变焊机的基础上，用0/1编码的数字信号代替模拟信号，施加数字信号处理和数字控制技术，从而具有精密化、人性化、高效化、绿色化和网络化的特征。也就是说，只有数字控制接管了焊机的功率控制、工艺控制和通讯控制之后，数字化焊机才有可能更好地满足未来焊接生产的需要。 总之，数字化焊机是一种高科技产品，它是集计算机技术、电力电子技术和焊接技术的综合技术产品。其核心技术需要我们自己去开发才能拥有自己的知识产权。这里需要强调的是：在硬件平台建立起来之后，软件也是关键问题，只有软件的不断更新，才能生产出“不失先进的焊机”。而软件水平的高低主要决定于工艺水平和工艺理论的不断充实提高与自主创新。 从国外数字化焊机的成功之路可以看到，国外公司从生产实践中寻找问题的切入点和落脚点。如：适应集装箱行业需要的高速焊；符合异种金属连接需求的CMT焊和ACMIG焊；适用于无飞溅短路过渡焊和管道打底焊接需求的STT焊；为满足长焊缝对接焊需求的低热输入和减小变形而产生的双丝MIG焊等。 国外厂家根据这些问题研制出相应的焊接工艺，形成专用的软件模块，进而生产出新型的、特性化的数字化逆变焊机。这一点正是我们所缺少的，我们应该根据市场需要，结合国情，充分发挥产学研结合的作用，不断推进电焊机技术的进步与发展。 二、关于焊接机器人 自从1919年玛丽雪莱创作出世界上第一部科幻小说弗兰肯斯坦（又译科学怪人），小说家就为我们揭开了无限神奇的未来。而从1927年美国西屋公司工程师温兹利制造出第一个机器人“电报箱”到现在，幻想正在一步步变为现实。1. 世界各国正加快机器人研究 世界发达国家都投入大量资金加紧在机器人方面的研究，有关资料显示，韩国在确定未来十年国家经济发展的10个新的增长引擎中就包括智能机器人；美国将机器人作为高技术的发展重点，大量服务机器人已进入军工市场。日本则成立了多个国家和企业支持的机器人研究中心，投入大量资金进行持续性的研究。欧盟第七框架中也将机器人开发作为重要的支持对象。可见，全球化时代中，各个发达国家均将经济发展的重点放到机器人等高附加值的高技术产业上，并专注于高利润低能耗轻污染的新工业的发展。 上世纪90年代人们造出了用于排雷等特殊用途的智能机器人，它们有感知能力，可以通过传感器测量距离。接着，智能机器人开始向服务机器人发展，它们能感知语音和图像，甚至会好几国语言。生产型机器人是未来制造业很重要的组成部分，而服务型机器人注定将有更为广阔的发展潜力。从技术层面分析，工业机器人多数是执行重复性任务为主的“固定式”机器人（如生产线上的焊接机器人），而服务机器人则更多地是“移动式”机器人，向服务型扩展。据有关专家预测，机器人行业可能将会发展到较大的规模。但是，这一突破必须要建立在高技术发展的基础上，因为移动式机器人多数工作于非定规（Unstructured）条件下，也就是它们工作的条件往往不是事先设计中预料得到的，典型的例子是病人护理，由于病人的一次突发咳嗽，就能使通用的机器人措手不及，做出错误反应，这里需要机器人具有全身感知（whole-body sensing）能力。为此，科学家们正在运用微传感方面的高技术成就来实现全表面感知，如美国科学家研究的“Senskin”，就是在数据处理技术、新材料技术和微传感技术的基础上，集成产生的所谓“敏感皮肤”，覆盖机器人全身的敏感皮肤将使各种服务型智能机器人真正成为可能。 工业发达国家在研制仿人机器人方面做了大量工作，中国各高校也取得了突破性进展。重点研究机器人自由度配置、步态规划的分类、基于零力矩点的稳定性判据、传感器的分类和应用以及机器人控制系统等关键技术。目前，国际上科技界研究机器人大体上是沿着两个方向前进：一是让机器人具有更强的智能和功能，一是让机器人更具人形，也就是更像人。而在工业领域前者是重点。2. 2050年人机智能鸿沟将消失 计算机的智能是否能接近乃至超过人类智能？ 可能用不了50年，人机智能的鸿沟将不复存在。在近日举行的英特尔信息技术峰会上，英特尔首席技术官贾斯汀做出上述大胆预言。贾斯汀认为到2050年的时候，技术将使机器智能与人类智能更加接近。目前，机器人主要用在工厂中重复执行单一任务。而现在这家引导技术潮流的公司正在“训练”机器人更加个人化，具有了“感知”能力。贾斯汀演示了两个在英特尔研究实验室开发的个人机器人原型。其中一个机器人演示了被设置于机器人手上的电场预接触，这是一种鱼类而非人类使用的新奇感知方式，所以机器人可以在接触到物体之前就能“感知”物体。 另外一项演示是一个完全自主的移动操作机器人，利用先进的动作规划操作感知和人工智能，它可以识别人脸领会并执行 “请把这些乱糟糟的东西清理一下”之类的命令。可以说，从机器人诞生到20世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了20世纪90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术、控制论以及材料科学和仿生学等高科技的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展和广泛应用。机器人的制造水平、控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在发达国家，与机器人价格下降相反的是人的劳动成本有不断增长的趋势。图中，把1990年的机器人价格指数和劳动力成本指数都作为参考值100，至2000年，劳动力成本指数为140，增长了40%；而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20，降低了80%，在不考虑质量因素的情况下，机器人价格指数约为40，降低了60%。因此，工业机器人的应用在发达国家得到了飞速发展。日本在1980年之前机器人就得到了普及，到2001年初，世界上安装的工业机器人超过100多万台，其中焊接机器人占50%以上。焊接机器人之所以得到越来越广泛的应用，是因为焊接机器人具有以下特点： （1）稳定和提高焊接质量，保证其一致性； （2）提高劳动生产率； （3）改善了工人劳动条件； （4）容易控制产品产量； （5）单机价格不断下降。 从目前国内外对焊接机器人技术研究来看主要集中在如下诸多方面： 焊缝跟踪技术研究 机器人传感技术 机器人控制系统 机器人操作机优化设计 焊接机器人用焊接电源的研究 机器人用焊接工艺方法的研究 全位置焊接机器人研究 仿真技术研究 虚拟机器人研究 多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术研究 多智能体调控技术 机器人遥控和监控技术三、关于焊接智能化 1. 机械工程学科的展望 （1）从代替体力劳动的机械制造到代替脑力劳动的机械制造（智能制造） （2）从宏观制造到微观制造（微纳制造） （3）从非生态制造到生态制造（绿色制造） （4）从无生命制造到有生命制造（生物制造） 2. 智能制造 人工智能（Artificial Intelligence）是研究开发用于模拟延伸和扩展人的智能的理论方法技术及应用系统的一门新的技术科学。它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能与人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人语言识别图像识别自然语言处理和专家系统等。“人工智能”一词最初是在1956年美国达特茅斯会议上提出的。从那以后，研究者们发展了众多理论和原理，人工智能的概念也随之扩展。人工智能是一门极富挑战性的科学。总的说来，人工智能的目的就是让这台机器能够像人一样思考。进入21世纪，基于知识的产品设计、制造和管理将成为知识经济的重要组成部分，是制造科学和技术最重要和最基本的特征之一。智能化正是在这一背景下提出并得到了学术界和工业界的广泛关注。智能制造（IM）是美国首先提出的。它的特征是：在制造工业的各个环节以高度柔性与高度集成的方式，通过计算机和模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、构思和决策，旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动，并对人类专家的制造智能进行收集、存储、完善、共享、继承与发展。智能制造的目的是：通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器人控制技术来对制造工人的技能与人类专家知识进行建模，以使智能机器能够在没有人干预的情况下进行小批量生产。 智能制造技术的主要研究内容如下： （1）智能制造理论及系统设计技术 产品日趋个性化、多样化，产品生命周期日益缩短，更新速度日益加快。使得制造企业的生产方式已由面向产品的生产逐渐转变为面向顾客的生产，制造系统的运行环境越来越充满了不确定性，使得传统的分级递阶制造控制系统（hierarchical manufacturing control system）难以胜任。因此。对复杂、频繁的变化和扰动的处理是目前制造控制系统必须考虑的一个关键问题。作为复杂巨型系统，制造控制系统对自动化理论提出了更高的要求。近年来对分布式人工智能的基础性研究及其在制造系统控制中的应用研究的初步进展表明分布式多智能体系统以其反应能力和能动能力成为替代传统分级递阶控制结构的富有活力的选择。 （2）智能设计理论、方法及系统 利用图像分析和处理以及智能模式识别技术实现工程图由光栅图到矢量图的智能识别；利用模式识别技术实现由零件的平面投影图到三维立体图的智能三维建模；利用模糊技术和神经网络技术进行产品的可靠性分析、优化设计及设计效果的综合评判；对产品进行基于专家系统与神经网络结合的智能CAD造型、有限元分析与虚拟制造。 （3）智能机器人及智能机械 第三代智能型机器人不仅具有感知功能，还具有一定的决策和规划能力。它能根据人的命令或按照所处的环境，自行做出决策，规划动作，即按任务编程。同时它具有由多种外部传感器组成的感觉系统，并拥有自己的知识库及多信息处理系统。随着计算机技术、模糊控制技术、专家系统技术、人工神经网络技术和智能工程技术等高新技术的不断发展，将进一步提高工业机器人学习知识和运用知识解决问题的能力。 （4）智能调度 为解决日益复杂的调度问题，需解决调度系统的结构问题；调度问题的知识表示及有效的求解策略；调度知识获取问题以及有效的调度优化算法的研究。 （5）智能加工、智能检测与控制 利用各种计算智能技术对加工状态（如刀具磨/破损状态）进行实时识别，并对非正常状态进行自适应控制与决策。实现加工状态智能检测、预测与监控；在优化（或约束）目标下，对切削参数进行自学习、自组织或自适应控制，实现加工过程智能控制与优化；利用智能工业机器人实现产品的装配与包装、材料搬运、表面喷涂、焊接、高压水切割等。在产品的在线智能测量方面：利用机器模拟人的视觉功能，采用CCD照相机摄取检测图像并转化为数字信号，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图像数字信号进行处理，得到所需要的各种目标图像的特征值。并由此实现模式识别、坐标计算、灰度分布图等多种功能，非接触、快速、高精度地测量产品的几何参数如尺寸精度、形位公差、表面粗糙度等，实现大批量生产过程中的产品在线测量、抽样检查、工况辨识和质量控制。20世纪80年代末我国将“智能模拟”列入国家科技发展规划的主要课题，已在专家系统、模式识别、机器人方面取得了一批成果。此后，科技部正式提出“工业智能工程”。智能制造是该项工程中的重要内容。1993年，中国国家自然科学基金会重点项目“智能制造技术基础的研究”获准设立，1994年开始实施，由华中科技大学、南京航空航天大学、西安交通大学和清华大学联合承担。研究内容为智能制造基础理论、智能化单元技术（智能设计、智能工艺规划、智能制造、智能数控技术、智能质量保证等）、智能机器（智能机器人、智能加工中心）等。进入新世纪，国际合作业已开展并取得了可喜的研究成果。如：中、日、韩三方在“智能机器人”领域开展共同合作研究。 综上可以看出： 焊接工作者面对焊接智能化的发展 我们任重而道远！ 我们对未来充满信心 ！据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。图4所示是这两种焊接机器人在工业机器人中所占的大致比例。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，机器人可以根据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。然而，焊接又与其它工业加工过程不一样，比如，电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置适时地调整焊枪的位置、姿态和行走的速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，必须首先像人一样要“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪音、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别焊缝所需要的信号特征的提取并不像工业制造中其它加工过程的检测那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊过程的。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。图5所示为不同形式的机器人点焊钳。点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接。从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。图6所示是联合国欧洲经济委员会(UNECE)统计的从1990年至2000年的机器人价格指数和劳动力成本指数的变化曲线。图中，把1990年的机器人价格指数和劳动力成本指数都作为参考值100，至2000年，劳动力成本指数为140，增长了40%；而机器人在考虑质量因素的情况下价格指数低于20，降低了80%，在不考虑质量因素的情况下，机器人的价格指数约为40，降低了60%.这里，不考虑质量因素的机器人价格是指现在的机器人实际价格与过去相比较；而考虑质量因素是指由于机器人制造工艺技术水平的提高，机器人的制造质量和性能即使在同等价格的条件下也要比以前高，因此，如果按过去的机器人同等质量和性能考虑，机器人的价格指数应该更低。由此可以看出，在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据UNECE的统计，2001年全世界有75万台工业机器人用于工业制造领域，其中38.9万在日本、19.8万在欧盟、9万在北美，7.3万在其余国家。至2004年底全世界在役的工业机器人至少有约100万。由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决，机器人焊接在汽车制造中的应用从原来比较单一的汽车装配点焊很快发展为汽车零部件和装配过程中的电弧焊。机器人电弧焊的最大的特点是柔性，即可通过编程随时改变焊接轨迹和焊接顺序，因此最适用于被焊工件品种变化大、焊缝短而多、形状复杂的产品。这正好又符合汽车制造的特点。尤其是现代社会汽车款式的更新速度非常快，采用机器人装备的汽车生产线能够很好地适应这种变化。图7所示为机器人电弧焊用于焊接汽车底盘。另外，机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，更可以用于涉及电弧焊的其它制造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。因此，机器人电弧焊的应用范围日趋广泛，在数量上大有超过机器人点焊之势。随着汽车轻量化制造技术的推广，一些高强合金材料和轻合金材料(如铝合金、镁合金等)在汽车结构材料中得到应用。这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决，必须采用新的焊接方法和焊接工艺。其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力。因此，机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成为必然趋势。事实上，像上海大众等国内最具实力的汽车制造商在他们的新车型制造过程中已经大量使用机器人激光焊接。图8所示为其汽车车顶的机器人激光焊接。和机器人电弧焊相比，机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高。根据一般的要求，机器人电弧焊(包括GTAW和GMAW)的焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的1/2以内，在具有填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽。但对激光焊而言，焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在0.6以内，远小于焊丝直径(通常大于1.0)，而激光焊接时通常又不加填充焊丝，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便会造成偏焊、漏焊。因此，上海大众的汽车车顶机器人激光焊除了在工装夹具上采取措施防止焊接变形外，还在机器人激光焊枪前方安装了德国SCOUT公司的高精度激光传感器用于焊缝轨迹的跟踪。工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度(XYZ)用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度(ABC)用于控制焊枪的空间姿态。因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态，这时必须通过增加13个外部轴的办法增加机器人的自由度。通常有两种做法：一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件上的焊接部位进入机器人的作业空间。也有的同时采用上述两种办法，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式(Teach-in)为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更加易。然而机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也增加了编程人员的劳动强度。目前解决的方法有2种：一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接机器人的视觉传感器(通常是电弧传感器或激光视觉传感器)自动跟踪实际的焊缝轨迹。这种方式虽然仍离不开示教编程，但在一定程度上可以减轻示教编程的强度，提高编程效率。但由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用。二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成，不需要机器人本身的参与。机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，如今的机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，而且，获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”(virtual Teach-in)的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹，然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统。从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程员的劳动强度。目前，国际市场上已有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件。如Workspace5、RobotStudio等。图9所示为笔者自行开发的基于PC的三维可视化机器人离线编程系统。该系统可针对ABB公司的IRB140机器人进行离线编程，程序中的焊缝轨迹通过虚拟示教获得，并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动，以此检验其准确性和合理性。所编程序可通过网络直接下载给机器人控制器。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。当前我国的机器人生产都是应用户的要求，单户单次重新设计，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。3、焊接机器人发展趋势目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：1)机器人操作机结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。例如，以德国KUKA公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机几乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。意大利COMAU公司，日本FANUC等公司已开发出了此类产品。2)机器人控制系统：重点研究开放式，模块化控制系统。向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点，在某些领域的离线编程已实现实用化。3)机器人传感技术：机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。4)网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。5)机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。多机器人和操作者之间的协调控制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。6)虚拟机器人技术：虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。7)机器人性能价格比：机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性MTBF一般为几千小时，而现在已达到5万小时，可以满足任何场合的需求。8)多智