工業(yè)機(jī)器人是一種生產(chǎn)裝備，可以單機(jī)形式使用，也可作為生產(chǎn)系統(tǒng)中一個(gè)構(gòu)成部分使用。隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化和智能化的不斷需求，工業(yè)機(jī)器人越來越廣泛地在生產(chǎn)中使用并得到不斷地發(fā)展。本文介紹了工業(yè)機(jī)器人的定義、硬件、軟件系統(tǒng)及其在中厚板加工和焊接中的實(shí)際應(yīng)用，展示了工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用和優(yōu)勢以及對(duì)其柔性化和智能化的需求。
1. 概述
工業(yè)機(jī)器人是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)器裝置，它能自動(dòng)執(zhí)行工作，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)構(gòu)學(xué)、控制理論和技術(shù)、計(jì)算機(jī)、傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等諸多領(lǐng)域，是一門多學(xué)科的綜合性高新技術(shù)，當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛，同時(shí)機(jī)器人的應(yīng)用情況也標(biāo)志著一個(gè)國家制造業(yè)及其工業(yè)自動(dòng)化的水平。
2. 工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成
機(jī)器人正常工作的基礎(chǔ)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，其中硬件系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)則是所有控制程序的統(tǒng)稱。工業(yè)機(jī)器人的基本構(gòu)造如圖1所示。
（1）手部
又稱抓取機(jī)構(gòu)或夾持器或終端效應(yīng)器，用以直接抓取工件或工具。在手部可安裝某些專用工具，如焊槍、噴槍、電鉆、電動(dòng)螺釘（母）擰緊器，這些可視為專用的特殊手部。工業(yè)機(jī)器人所用手部有機(jī)械式、真空、磁力及粘附式手爪。
（2）腕部
連接手部與臂部的部件，用以支撐和調(diào)整末端執(zhí)行器（手部）的姿態(tài)，確定物件的姿態(tài)（方向）。
（3）臂部
支撐腕部的部件，由操作機(jī)的動(dòng)力關(guān)節(jié)和連桿件等構(gòu)成，用以承受工件和工具的負(fù)荷，改變它們的空間位置并將它們送至預(yù)定的位置。
（4）機(jī)身
又稱為立柱，是支撐臂的部件，用以擴(kuò)大臂部的活動(dòng)范圍。
（5）機(jī)座及行走機(jī)構(gòu)
支撐整個(gè)工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)件，用以確定或改變整臺(tái)機(jī)器人的位置。
（6）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力源，又稱為移動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器、減速器及檢測元件等組成。
（7）控制系統(tǒng)
控制工業(yè)機(jī)器人按預(yù)定要求進(jìn)行動(dòng)作的位置，也是由人操作啟動(dòng)、停機(jī)及示教機(jī)器人的一種裝置，其核心是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
機(jī)器人的精度與執(zhí)行工作的速度由硬件系統(tǒng)決定，而機(jī)器人執(zhí)行何種操作、操作控制的方便性則由機(jī)器人的軟件系統(tǒng)決定，軟件系統(tǒng)可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件（見圖2）。
系統(tǒng)軟件是由機(jī)器人制造廠商提供，相當(dāng)于機(jī)器人的操作系統(tǒng)，它提供了各種控制機(jī)器人動(dòng)作的手段和指令系統(tǒng)。應(yīng)用軟件是由用戶編制的，它是機(jī)器人完成具體任務(wù)的程序。機(jī)器人系統(tǒng)軟件的主要功能有：提供人—機(jī)器人對(duì)話的手段、提供控制機(jī)器人的指令系統(tǒng)與編程環(huán)境、監(jiān)控和管理機(jī)器人完成任務(wù)的過程和實(shí)時(shí)監(jiān)控各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。
按系統(tǒng)軟件功能的不同，機(jī)器人系統(tǒng)軟件可用分級(jí)的方法概括，如圖3所示。機(jī)器人具有的不同軟件級(jí)別，是區(qū)別機(jī)器人先進(jìn)性的重要標(biāo)志。機(jī)器人的編程語言是機(jī)器人系統(tǒng)軟件的重要組成部分，其發(fā)展與機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是同步的，與系統(tǒng)軟件的分級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。
3. 工業(yè)機(jī)器人在厚板加工中的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)器人可滿足當(dāng)今工業(yè)成本與時(shí)間高效性的需求，以及對(duì)材料加工的柔性需求，以其高效性、低成本、柔性好等優(yōu)勢，可作為替換傳統(tǒng)機(jī)械加工單元的自動(dòng)化加工設(shè)備。
與數(shù)控加工中心、FMC等其他加工設(shè)備相比，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于機(jī)械加工領(lǐng)域具有成本低、自動(dòng)化程度高、柔性好及安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，可適應(yīng)多品種、小批量、現(xiàn)場加工的現(xiàn)代生產(chǎn)要求，可滿足各種復(fù)雜工件的加工要求。
在中厚板的實(shí)際加工生產(chǎn)中，使用工業(yè)機(jī)器人主要為了降低工件的加工難度，提高工件的加工效率和精度等。
具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
（1）對(duì)一些非直線形坡口的加工，提高工件的加工效率和精度
在實(shí)際的生產(chǎn)中，為了使中厚板在焊接中能夠更好地熔合，需要對(duì)其進(jìn)行坡口加工。對(duì)于一些直線形坡口可使用導(dǎo)軌切割機(jī)和銑邊機(jī)進(jìn)行加工，而對(duì)于一些非直線形坡口，為了提高其加工效率和精度，需要使用坡口加工機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行加工。例如，挖掘機(jī)斗桿和動(dòng)臂的“大頭板”，產(chǎn)品形狀不規(guī)則，坡口較多并且大小不一，因此在對(duì)其坡口加工的過程中必須借助坡口切割機(jī)器人柔性化和無限回轉(zhuǎn)的功能對(duì)其進(jìn)行坡口的加工，以提高產(chǎn)品加工的效率和精度（見圖4）。
（2）對(duì)一些雙面或多邊坡口的工件進(jìn)行加工，以提高生產(chǎn)效率
在生產(chǎn)中有些中厚板材件需要雙面或多邊加工坡口，這些需要雙面或多邊加工坡口的工件也分為非直線形和直線形坡口。
非直線形坡口工件在制定加工工藝時(shí)直接選用機(jī)器人進(jìn)行加工；對(duì)于直線形雙面或多邊坡口工件制定加工工藝時(shí)可以選擇銑邊機(jī)、導(dǎo)軌切割機(jī)和切割機(jī)器人進(jìn)行加工。對(duì)于雙面或多邊直線形坡口的加工，使用銑邊機(jī)加工的過程中，需要對(duì)工件進(jìn)行多次翻轉(zhuǎn)或裝夾；使用導(dǎo)軌切割機(jī)進(jìn)行加工的過程中也需要對(duì)工件或者導(dǎo)軌切割機(jī)進(jìn)行多次調(diào)整，工作效率較低。
使用坡口切割機(jī)器人對(duì)其進(jìn)行加工的過程中，由于機(jī)器人可以多角度進(jìn)行調(diào)整，具有高度的柔性化，所以不需要對(duì)工件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)或重新裝夾，只需要一次裝夾就可以完成多個(gè)坡口的加工，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。
圖5為挖掘機(jī)馬達(dá)頭側(cè)板，坡口為雙面直線坡口。由于工件較厚，若使用銑邊機(jī)進(jìn)行加工坡口，單側(cè)坡口需要兩次進(jìn)給，并且在過程中需要一次工件的翻轉(zhuǎn)，加工效率較低，因此為了提高工件的生產(chǎn)效率并保證工件的加工精度，編制坡口加工工藝時(shí)選擇坡口切割機(jī)器人進(jìn)行加工。挖掘機(jī)斗桿加強(qiáng)板的各個(gè)邊上都有坡口分布，使用坡口加工機(jī)器人進(jìn)行工件坡口的加工，不僅可以省去工件多次裝夾的輔助時(shí)間，大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約工件的生產(chǎn)成本，而且使用機(jī)器人加工基準(zhǔn)統(tǒng)一，提高了工件坡口加工的精度。
（3）對(duì)一些鈑金件成形之后進(jìn)行切割余料加工，以提高產(chǎn)品切割余料的精度
中厚板板材件在折彎加工中由于工藝尺寸的要求，有些工件的折彎線到料邊距離較小需要增加余料，在折彎完成后去除；有些工件距折彎線較近的地方有長孔或圓孔，為了防止折彎過程中孔的變形，需要增加余料；有些工件邊緣形狀不規(guī)則，需要增加余料折彎完成后割除。
這些工件在折彎后需要割除余料部，一般情況下形狀不規(guī)則，而利用坡口加工機(jī)器人的柔性化、多自由度的優(yōu)勢，比較容易加工，效果較好。兩種需折彎后切割余料的工件如圖6所示。另外，有些時(shí)候可以使用切割機(jī)器人進(jìn)行管子相貫線軌跡的切割下料等。
4.工業(yè)機(jī)器人在厚板焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)器人在中厚板焊接生產(chǎn)中主要應(yīng)用于船舶制造、工程機(jī)械、煤炭機(jī)械、核工業(yè)、鋼結(jié)構(gòu)及壓力容器制造等行業(yè)。造船焊接技術(shù)是現(xiàn)代船舶制造的關(guān)鍵工藝技術(shù)，在船體建造中，焊接工時(shí)占船體建造總工時(shí)的30%~40%，焊接成本占船體建造總成本的30%~50%。
船舶焊接質(zhì)量是評(píng)價(jià)船舶質(zhì)量的重要指標(biāo)，焊接效率直接影響到造船周期和船舶建造成本。因此焊接自動(dòng)化將是船舶產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和升級(jí)的關(guān)鍵，也是造船行業(yè)的一大趨勢，隨著焊接技術(shù)的發(fā)展這種趨勢還將越來越明顯。
在工程機(jī)械行業(yè)，焊接機(jī)器人已經(jīng)較廣泛的應(yīng)用于各種工程機(jī)械工件的制造。例如挖掘機(jī)的動(dòng)臂、斗桿、挖斗、X架、主平臺(tái)及履帶梁等各個(gè)部件，裝載機(jī)的前后車架、動(dòng)臂等關(guān)鍵部件，推土機(jī)后橋箱、臺(tái)車方盒，汽車起重機(jī)車架、轉(zhuǎn)臺(tái)、支腿以及履帶起重機(jī)、泵車、平地機(jī)及攤鋪機(jī)等設(shè)備關(guān)鍵部件的焊接都有了專門的焊接機(jī)器人-變位機(jī)集成系統(tǒng)。
這些專門的機(jī)器人焊接系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，本體及控制系統(tǒng)通過電弧跟蹤功能、接觸傳感功能、焊接專家數(shù)據(jù)庫等智能化功能，對(duì)中厚板焊接領(lǐng)域存在的工件尺寸、焊腳尺寸較大，焊接坡口加工、工件組對(duì)精度較差等問題進(jìn)行了解決，焊縫成形效果和焊接穩(wěn)定性均較好。圖7和圖8分別為機(jī)器人焊接挖掘機(jī)履帶梁的柔性系統(tǒng)及焊接效果。
5. 厚板焊接加工機(jī)器人智能化發(fā)展的趨勢
焊接機(jī)器人在得到越來越廣泛應(yīng)用的同時(shí)，也正向更高程度的自動(dòng)化與智能化方向發(fā)展。近年來不斷涌現(xiàn)具有代表性的機(jī)器人焊接新技術(shù)，這些技術(shù)從生產(chǎn)效率、精度要求、操作性、適應(yīng)性等方面顯示了焊接機(jī)器人技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，從研發(fā)完善逐漸走向推廣應(yīng)用。
（1）機(jī)器人示教再現(xiàn)與離線編程技術(shù)
現(xiàn)階段在工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用的焊接機(jī)器人多為基于示教再現(xiàn)或離線編程的工作方式實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)，在輔助以一定傳感技術(shù)的情況下能夠滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的基本需求，但其智能化程度仍然有較大的發(fā)展空間，包括以下幾個(gè)方面：易實(shí)現(xiàn)的示教、焊接路徑自主規(guī)劃、自動(dòng)生成焊接任務(wù)工藝參數(shù)、直觀易用的人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)、借助虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊接工作站的離線編程等。
（2）焊接過程傳感與適應(yīng)性控制技術(shù)
集成了一種或多種傳感器的焊接機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知、信息提取及處理，通過視覺、觸覺等感知的反饋形成一定的閉環(huán)控制，對(duì)外部環(huán)境的變化具有一定的適應(yīng)力，如焊接起始位置自動(dòng)尋位、焊縫自動(dòng)跟蹤等。更高智能程度的機(jī)器人需要能根據(jù)所獲取的信息進(jìn)行判斷、融合、決策。對(duì)于復(fù)雜環(huán)境具有更高的適應(yīng)性，以完成更復(fù)雜的任務(wù)，這是焊接智能化的未來發(fā)展方向。
（3）用于焊接工作站/生產(chǎn)線的多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)
以焊接工作站或生產(chǎn)線的形式，采用多機(jī)器人協(xié)作技術(shù)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)焊接作業(yè)或焊接作業(yè)與定位、安裝、檢測等其他工序的同時(shí)進(jìn)行，可極大地提高生產(chǎn)效率并能保證質(zhì)量，進(jìn)一步減少人工介入，生產(chǎn)空間更緊湊。同時(shí)，協(xié)同控制參與作業(yè)的多臺(tái)機(jī)器人或運(yùn)動(dòng)軸，可從工序上避免其發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉或相互碰撞的問題，提高生產(chǎn)的安全性，減小生產(chǎn)線發(fā)生故障的概率。
（4）適用于高能束焊接、攪拌摩擦焊接等工藝方法的機(jī)器人技術(shù)
激光、電子束這類高能束焊接在運(yùn)動(dòng)軌跡高精度控制、輔助設(shè)備集成等方面對(duì)焊接機(jī)器人提出了特殊要求。
（5）用于極限環(huán)境的焊接機(jī)器人遙控技術(shù)
在核環(huán)境、太空、深海等特殊工況下，需要采用遙控機(jī)器人替代人完成焊接任務(wù)，極限環(huán)境在輻射、氣壓、水壓、重力、溫度等方面的特殊性，要求焊接機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)計(jì)、傳感方式、控制技術(shù)、工藝方法等方面均具有應(yīng)對(duì)措施。