隨著科技水平的進(jìn)步，人們對(duì)焊接質(zhì)量的要求也越來越高。而人工焊接時(shí)，由于受到技術(shù)水平、疲勞程度、責(zé)任心、生理極限等客觀和主觀因素的應(yīng)影響，難以較長(zhǎng)時(shí)間保持焊接工作的穩(wěn)定性和一致性。而且，由于焊接惡劣的工作條件，愿意從事手工焊接的人在減少，熟練的技術(shù)工人更有短缺的趨勢(shì)。另一方面，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控及機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為焊接過程的自動(dòng)化提供了有利的條件，并已滲透到焊接的各個(gè)領(lǐng)域。

近年來，焊接自動(dòng)化程度在不斷的增加，2000年時(shí)，中國(guó)焊接生產(chǎn)的機(jī)械化自動(dòng)化率,按熔敷金屬計(jì)算約為30%,而發(fā)達(dá)國(guó)家的焊接自動(dòng)化率已經(jīng)達(dá)到65%以上[1]。焊接自動(dòng)化生產(chǎn)已是必然的趨勢(shì)。焊接機(jī)器人是焊接自動(dòng)化的革命性的進(jìn)步，它突破了焊接剛性自動(dòng)化的傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動(dòng)化的生產(chǎn)方式[2]。

目前，用于工業(yè)生產(chǎn)的弧焊機(jī)器人主要是示教再現(xiàn)型機(jī)器人，在機(jī)器人弧焊過程中，它們可以在其工作空間內(nèi)高精度重復(fù)已經(jīng)示教的動(dòng)作。但這也帶來一定的局限性，那就是應(yīng)變能力很差，對(duì)工件的裝配精度要求較嚴(yán)，重復(fù)性要好。如果焊接條件基本穩(wěn)定，則機(jī)器人能夠保證焊接質(zhì)量。但在實(shí)際焊接過程中，因?yàn)闄C(jī)器人工作時(shí)為了避免發(fā)生危險(xiǎn)，操作人員不準(zhǔn)或不宜進(jìn)入機(jī)器人的工作區(qū)域，使得操作者不能近距離實(shí)時(shí)監(jiān)視焊接過程并作必要的調(diào)節(jié)控制，所以當(dāng)實(shí)際的焊接條件發(fā)生變化時(shí)，例如焊接過程中的工件在加工、裝配過程中的尺寸誤差和位置偏差以及工件加熱變形等因素的變化會(huì)使接頭位置偏離所示教的路徑，這樣會(huì)造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。所以精確的焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，它是實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)化的重要研究方向。

1 弧焊機(jī)器人在焊接中的應(yīng)用現(xiàn)狀

自從60年代機(jī)器人進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域以來，發(fā)展較為迅速。預(yù)計(jì)從1999-2003年，世界實(shí)際裝備工業(yè)機(jī)器人數(shù)量將由1999年的743,000臺(tái)增加到892,000臺(tái)，其中在“機(jī)器人王國(guó)”日本有370，000臺(tái)，世界其他地區(qū)通用工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際裝備數(shù)量將由340,000臺(tái)增加到508,000臺(tái)。在美國(guó)，實(shí)際裝備通用工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量2003年將達(dá)到155,000臺(tái)，歐洲達(dá)到262,000臺(tái)[3] ，其中半數(shù)以上為焊接機(jī)器人。

焊接是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最重要的領(lǐng)域之一，隨著國(guó)外對(duì)工業(yè)機(jī)器人在焊接方面的研究應(yīng)用，我國(guó)也開始了焊接機(jī)器人的研究應(yīng)用。在數(shù)量上，根據(jù)到2001年的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有焊接機(jī)器人1040臺(tái)(不包括港、澳、臺(tái))，其中弧焊機(jī)器多于點(diǎn)焊機(jī)器人。汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76％，是我國(guó)焊接機(jī)器人最主要的用戶。汽車制造廠的點(diǎn)焊機(jī)器人多，弧焊機(jī)器人少；而汽車零部件廠則相反 。

焊接機(jī)器人的技術(shù)水平在不斷的進(jìn)步，目前，焊接機(jī)器人幾乎全部采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種電機(jī)因?yàn)闆]有電刷，故障率很低。控制器中普遍采用32位的計(jì)算機(jī)，除可以控制機(jī)器人本體的5－6個(gè)軸外，還可以使外圍設(shè)備和機(jī)器人協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。在2004年的中國(guó)焊接會(huì)議上，日本安川公司的新型焊接機(jī)器人控制器NX100技術(shù)中，一臺(tái)控制器能同時(shí)控制四臺(tái)機(jī)器人共36軸（每臺(tái)機(jī)器人有本體6個(gè)軸，3個(gè)外部軸），并且使用軟PLC對(duì)周圍裝置進(jìn)行控制。示教盒也采用了功能強(qiáng)大的Windows CE操作系統(tǒng)。

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配套焊接系統(tǒng)也有很多新的進(jìn)展，在1993年的埃森展覽會(huì)上，日本松下公司把旋轉(zhuǎn)電弧焊技術(shù)用于弧焊機(jī)器人。由于采用旋轉(zhuǎn)電弧焊時(shí)，焊絲能夠以50HZ以上的頻率旋轉(zhuǎn)，所以用這種技術(shù)進(jìn)行焊縫跟蹤時(shí)，其跟蹤精度比機(jī)器人經(jīng)常采用的擺動(dòng)焊（擺動(dòng)頻率小于10HZ）要高的多。該公司還于1993年首先銷售在控制柜中內(nèi)藏焊機(jī)的機(jī)器人，依靠數(shù)字通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊機(jī)和機(jī)器人的結(jié)合。并于2004年實(shí)現(xiàn)焊機(jī)和機(jī)器人的融合，既由機(jī)器人控制器直接控制焊接波形。采用頻率為100KHZ的逆變電源，體積小巧，控制精度高。焊機(jī)和機(jī)器人融合的優(yōu)點(diǎn)主要有焊機(jī)和焊槍的動(dòng)作能夠?qū)崿F(xiàn)同步的精確控制，便于實(shí)現(xiàn)縝密的焊接條件控制，并使焊接系統(tǒng)小型化。另外，該機(jī)器人把送絲機(jī)和機(jī)器人手臂做成一體，送絲機(jī)能夠配合焊槍的動(dòng)作進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，以保證送絲始終順暢。

2 焊縫跟蹤過程中使用的傳感器

弧焊用傳感器可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式3大類。按工作原理可分為機(jī)械、機(jī)電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺、電弧、光譜及光纖式等。按用途分有用于焊縫跟蹤、焊接條件控制(熔寬、熔深、熔透、成形面積、焊速、冷卻速度和干伸長(zhǎng))及其他如溫度分布、等離子體粒子密度、熔池行為等。據(jù)日本焊接技術(shù)學(xué)會(huì)1994年所做的調(diào)查顯示,在日本、歐洲及其他發(fā)達(dá)國(guó)家,用于焊接過程的傳感器有80%是用于焊縫跟蹤的[5]。

接觸式傳感器一般在焊槍前方采用導(dǎo)桿或?qū)л喓秃缚p或工件的一個(gè)側(cè)壁接觸，通過導(dǎo)桿或?qū)л啺押缚p位置的變化通過光電、滑動(dòng)變阻器、力覺等方式轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以供控制系統(tǒng)跟蹤焊縫。其特點(diǎn)為不受電弧干擾，工作可靠，成本低，曾在生產(chǎn)中得到過廣泛應(yīng)用，但跟蹤精度不高，目前正在被其他傳感方法取代。此外，現(xiàn)在有的工業(yè)機(jī)器人中利用接觸傳感方式進(jìn)行焊縫起點(diǎn)的尋找，例如日本安川公司生產(chǎn)的機(jī)器人有些具有這種功能。

電弧式傳感器利用焊接電極與被焊工件之間的距離變化能夠引起電弧電流（對(duì)于GMAW方法）電弧電壓（對(duì)于GTAW方法）變化這一物理現(xiàn)象來檢測(cè)接頭的坡口中心。電弧傳感方式主要有擺動(dòng)電弧傳感、旋轉(zhuǎn)電弧傳感以及雙絲電弧傳感。因?yàn)樾D(zhuǎn)電弧傳感器的旋轉(zhuǎn)頻率可達(dá)幾十Hz以上，大大高于擺動(dòng)電弧傳感器的擺動(dòng)頻率（10Hz以下），所以提高了檢測(cè)靈敏度，改善了焊縫跟蹤的精度，且可以提高焊接速度，使焊道平滑等。旋轉(zhuǎn)電弧傳感器通常采用偏心齒輪的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而采用空心軸電機(jī)的機(jī)構(gòu)能有效的減小傳感器的體積，如圖1所示。