北京石油化工学院研究开发的具有自主知识产权的系列化无导轨、有导轨及柔性导轨全位置智能焊接机器人，包括焊接机器人机械机构、自动跟踪、焊缝轨迹示教、焊接工艺参数管理系统等关键技术的研究，其产品已在多个国家重大工程项目中得到应用。
焊接机器人在焊接生产中可大大提高生产设备的自动化水平、焊接质量和生产效率，保证焊接过程的稳定性和产品的一致性，减小劳动强度，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。自20世纪90年代以来，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。焊接机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而焊接机器人的制造成本和价格却不断下降。
和焊接机器人价格相反的是，焊工的劳动力成本有不断增长的趋势，劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，因而焊接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。
笔者所在团队从事焊接机器人及其相关技术研究已有10余年，先后承担了九五“863”项目和十五“863”重大科研项目，已研制出无导轨、有导轨和柔性导轨等三个系列多种全位置焊接机器人产品，并在国家体育场“鸟巢”工程等国家重大工程项目中得到应用，目前正在积极推进焊接机器人的产业化。
无导轨全位置焊接机器人研究
为适应石油石化、冶金建设、船舶制造及压力容器制造等行业要求现场安装制造、焊接施工量大、焊缝不规则及焊接工艺复杂等特点，在九五“863”项目研究成果基础上，研制出了BIPT-3全位置智能焊接机器人、BIPT-5无导轨全位置焊接机器人和QB-1轻便型无导轨全位置焊接机器人等多种无导轨全位置焊接机器人。
1.无轨道全位置焊接机器人机构特点
为了能在焊接工件表面直接吸附行走，无导轨磁轮自由行走式焊接机器人行走机构采用行车式四磁轮柔性行走机构，该机构主要由底板与左右两侧磁轮箱组成，底板与左右两侧磁轮座间通过铰链机构柔性连接，如图1所示。磁轮箱中的磁轮由交流伺服电机通过减速器驱动。
图1 无导轨全位置焊接机器人结构
该磁轮机构左右磁轮轮箱能相对偏转，自动保证四磁轮同时接触焊件表面。各磁轮与钢板构成封闭磁路，磁吸力达到200kg以上。四磁轮均为主动轮，保证全位置行走平稳可靠。左右磁轮可进行差动工作，实现左右转弯，甚至原地转动。
2.无轨道全位置焊接机器人控制系统特点
该系列焊接机器人采用PLC为主控制器，并配置自主研发的CCD光电传感器。该系统在焊接过程中实时控制焊枪依照焊缝跟踪线运动，其跟踪精度高，在多层多道焊接时，无累积跟踪误差，并具有手控盒输入输出模块及液晶显示输入模块，焊接操作十分方便。同时还具有位置检测传感器及焊接参数存储控制模块，可存储并实时调用全位置焊接工艺参数，适合大厚板的多层多道全位置焊接作业。
3.CCD光电跟踪传感器研究
焊缝检测及自动跟踪技术是无导轨全位置焊接机器人实现自动化焊接所需解决的一个关键技术问题。经过长期研究，已开发出具有自主知识产权的CCD光电跟踪传感器及相应跟踪控制系统。该系统采用线阵CCD芯片作为检测元件，通过检测与焊缝平行的焊缝跟踪线，来进行全位置实时跟踪。
CCD光电跟踪传感器检测信号处理波形如图2所示，CCD检测反映焊缝位置的黑线，经二值化处理后得到反映黑线位置信息的二值化信号波形，再经单片机进行信号计算处理后，便可得到与此黑线位置相对应的模拟量输出。焊接机器人微机控制系统采样CCD模拟量输出信号，对焊枪进行焊缝跟踪控制。
图2 光电跟踪传感器检测信号处理波形
CCD光电跟踪传感器系统的特点是无需直接检测焊缝，不受弧光干扰，检测信号稳定，跟踪精度可达1mm以内，可成功解决多层多道焊的焊缝跟踪问题。
有导轨全位置焊接机器人研究
有导轨全位置焊接机器人是沿导轨进行焊接作业的一类焊接机器人，其运行轨迹相对固定，运动重复性好，适用于规则焊缝的焊接。其导轨可为直导轨，也可为圆导轨。有导轨全位置焊接机器人有GDC-1轨道式焊接机器人、GDC-3管道自动焊接成套设备、GDC-4管道自动焊接成套设备及GTC-2轨道式管道TIG焊接机器人等多种机型。nextpage
有导轨全位置焊接机器人具有位置传感器，能够自动识别焊接小车所在的空间位置；焊接参数存储控制模块允许操作者分道分区设定不同的焊接工艺参数；焊接电源联机控制模块使焊接机器人与焊接电源联动控制，可自动调节全位置焊接工艺参数；焊缝轨迹示教模块使操作者能对焊缝轨迹进行在线示教，从而使焊接机器人能适应各种不规范焊缝的全自动焊接，减少焊接过程中的人为干预；此外有轨道焊接机器人还具有直摆和角摆两种摆动方式，可适应不同焊接工艺对焊枪摆动方式的需求。
1.导轨行走机构研究
有导轨全位置焊接机器人行走机构如图3所示，在车体内部安装有导向夹紧机构，车体通过导向夹紧机构与齿条型刚性轨道可靠滚动连接。此行走机构由交流伺服电机驱动，行走速度无级可调，实时闭环控制，稳定可靠。其主要特点是能适应从φ160mm圆轨到直导轨的各种曲率刚性导轨，具有通用性。
图3 有导轨焊接机器人机头结构简图
2.焊缝轨迹在线示教系统研究
有导轨全位置焊接机器人具有焊缝轨迹在线示教功能，其工作流程如图4所示。
图4 在线焊缝轨迹示教操作流程
启动在线焊缝轨迹示教操作后，操作者先将焊接机器人定位于焊缝起始点，并记忆焊接机器人所在位置信息。记忆完第一点后将焊接机器人移动至下一记忆点，再次记忆该点所在的位置信息，直至记忆到焊缝终点的位置信息为止。在记忆完焊缝位置信息后将焊接机器人定位于焊缝起始点，同时系统将所记忆的相邻焊缝点位置信息进行分段线性化，从而可以拟合出焊接机器人焊缝跟踪运动轨迹。在焊缝轨迹示教成功后退出在线焊缝轨迹示教模式，该焊接机器人便可按示教的运动轨迹来进行焊接操作。
该示教控制可实现多点的分段线性化，从而可适应复杂多变的不规则焊缝的机器人自动焊接。nextpage
3.全位置焊接工艺参数程控研究
有导轨全位置焊接机器人可存储记忆各种全位置焊接参数，识别焊接位置，易于实现全位置自动焊接。
使用程控功能可存储8套焊接机器人自动焊接工艺参数。每套焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接小车车速、焊枪摆速、焊枪摆幅和焊枪摆动左右滞时等。程控过程中可手动修正各焊接参数，可满足特殊焊接条件下的程控焊接。并可将管道全位置焊进行分区，每一区的焊接参数可单独设置，可实现多层多道焊的自动焊接工艺参数存储，因而每套焊接参数可包括每一层、每一道、每一区的参数。在焊接过程中还可实时显示焊接小车的当前位置。焊接参数输入操作简便，可离线输入，并可随时修改。
柔性导轨全位置焊接机器人研究
在有导轨全位置焊接机器人基础上，最新研究开发出了柔性导轨全位置焊接机器人系列产品，包括RHC-2柔性导轨全位置焊接机器人和RHC-3柔性导轨全位置焊接机器人。
1.柔性导轨全位置焊接机器人机构特点
柔性导轨采用特殊钢制成，由磁座吸附在工件外表面或内表面，可与工件表面的曲率保持一致，其柔性好，装卸方便，可适应各种曲率的大型焊件。
柔性导轨焊接机器人焊接小车机器人装夹结构设计精巧，即能够满足不同曲率半径的刚性导轨的装夹，又能够满足柔性导轨的装夹，其中在刚性导轨装夹中又能够满足环型轨道的内外环缝的装夹。
2.全位置焊接机器人工艺参数管理系统研究
全位置管道焊接机器人工艺参数管理软件具有焊接工艺参数传输下载、工艺参数实时监控、工艺参数实时存储、工艺数据查看、修改等功能。该软件安装于笔记本电脑上，通过通信电缆与机器人控制箱进行通信，集实时采集、存储、监控、传输数据于一体，使得焊接操作变得简单、方便。该软件实用性强、使用方便，在焊接过程中能够发挥其强大的的功能。
焊接工艺参数传输下载使得焊接参数的修改、输入、传输变得非常的方便，节省了焊接过程中大量的时间，同时也避免了参数输入过程中由于疏忽产生的错误，提高了焊接过程的可靠性，安全性。工艺参数实时监控功能通信电缆与焊接机器人控制器进行通信，实时读取机器人中的焊接数据并显示，用户可实时监控焊接过程中数据。工艺参数实时存储功能，自动对不同层、不同区的焊接参数进行存储，并进行保存，用户可以从多次试教的焊接参数表中找出最符合焊接材料的一组焊接参数。工艺数据查看、修改等功能方便用户对工艺参数的维护。
全位置智能焊接机器人应用
在已有全位置焊接机器人研究成果基础上，对焊接机器人产品进行系列化、通用化及模块化设计与研发，积极推进焊接机器人产业化进程，其成果已在多个国家重大工程项目中获得应用。
1.无导轨全位置焊接机器人应用
无导轨全位置焊接机器人系列产品已在多个工程项目中获得应用，其中BIPT-3全位置智能焊接机器人已应用于如中石化第十建筑公司球罐工程施工中；BIPT-5无导轨全位置焊接机器人已应用于水电三局相关项目焊接施工中，如图5所示；QB-1轻便型无导轨全位置焊接机器人目前已在鞍钢附属冶金车辆厂的鱼雷罐制造焊接中获得应用。
图5 BIPT-5无导轨全位置焊接机器人山西西珑池现场焊接工艺试验
2.有导轨全位置焊接机器人应用
有导轨全位置焊接机器人系列产品已在多个国家重大工程项目中获得应用。其中GDC-1轨道式焊接机器人已成功应用于国家体育场“鸟巢”工程钢结构焊接中，如图6所示。GDC-3管道自动焊接机器人成套设备已在上海五冶完成了高强钢压力钢管的焊接工艺试验，如图7所示，并已正式应用于宝钢UOE项目中实施高强钢压力钢管全位置全自动焊接中。GTC-2轨道式管道TIG焊接机器人已成功应用于中海油国家十五863重大项目“水下干式管道维修系统”水下干式高压焊接中，并已经通过国家863专家组的验收。
图6 GDC-1轨道式焊接机器人国家体育场“鸟巢”工程现场施焊nextpage
图7 GDC-3管道自动焊接成套设备上海五冶焊接工艺试验
3.柔性轨道焊接机器人应用
RHC-2柔性轨道焊接机器人已成功应用于广东韶钢降尘管工程现场焊接中，如图8所示。
图8 RHC-2柔性轨道焊接机器人在广东韶钢现场焊接直径4m的降尘管
经过多年的发展，焊接机器人的推广应用迎来了巨大的历史机遇。笔者所在团队经过多年的积累，已研制开发出系列化无导轨、有导轨及柔性导轨全位置焊接机器人产品，其成果已在多个国家重大工程项目中获得应用。目前正在坚持走焊接机器人产业化之中，力争使具有自主知识产权的国产焊接机器人在国内各行业中获得推广应用，为国家的经济发展做出贡献。
