工业机器人焊接路径规划研究与应用

工业机器人焊接路径规划研究与应用

孙术文

奥托尼克斯电子（嘉兴）有限公司    浙江省嘉兴市314000

摘要：焊接路径规划作为工业机器人焊接的关键技术之一，直接影响着焊接质量和效率，近年来随着计算机技术、传感技术和控制技术的不断进步，焊接路径规划技术也得到了长足的发展和应用。本文对工业机器人焊接路径规划的研究与应用进行研究，探讨工业机器人焊接路径规划技术的最新进展和发展趋势，希望能为相关领域的研究人员和工程技术人员提供一定的参考和借鉴，推动工业机器人焊接路径规划技术的进一步发展和应用，促进现代制造业的发展和进步。

关键词：工业机器人；焊接路径规划；应用

随着工业机器人在车身焊装线上的广泛应用，其工作效率越来越受到关注，工业机器人的路径规划是否合理是影响其工作效率的一个非常重要的因素，若能在保证焊接质量的情况下进一步提高焊接效率，可以有效地降低生产成本。在由多个工位构成的自动生产线中，如果某个工位的工作时间增加，会导致后续每个工位的工作时间相应延长降低生产效率增加车间的生产成本，在规划路径方面仅依靠仿真人员的工作经验往往需要多次重复工作来进行路径的调试。

一、焊接工艺概述

焊接是一种重要的材料连接工艺广泛应用于金属结构、管道、航空航天和汽车制造等工业领域，该工艺选择合适的焊接方法（电弧焊、气焊、激光焊、摩擦焊）使用相应的焊接设备（电弧焊机、气焊设备、激光焊机、摩擦焊设备）来提供热源和施加压力，挑选适宜的焊接材料（焊条、焊丝、焊剂）用于填充焊缝或连接工件。精确控制焊接工艺参数（焊接电流、电压、速度、预热温度等）对于确保焊接质量和效率至关重要，焊接质量控制通过无损检测和力学性能测试等手段来执行，保障焊接接头的性能满足标准要求，选择合适的焊接工艺并优化相关参数可以实现高质量、高效率和经济性的焊接成果。

二、焊接路径规划的关键技术

（一）焊接接头特征识别

   焊接接头特征识别通过对工件进行扫描或图像处理，识别出焊接接头的位置、形状和特征为后续的路径规划提供准确的数据基础，焊接接头特征识别可以借助计算机视觉和传感器技术来实现。在焊接接头特征识别中计算机视觉技术可以利用摄像头或其他图像采集设备对工件进行实时监测和图像处理，从而识别出焊接接头的具体位置和形状，这种方法能够实现自动化的接头识别提高路径规划的准确性和效率[1]。

传感器技术也可以用于焊接接头特征识别，对工件表面的触摸、形状或其他特征进行实时检测从而确定焊接接头的位置和特征，这种方法通常适用于特殊形状或材质的工件，能够提供与图像处理不同的识别途径增加识别的可靠性和适用性。

（二）焊接路径生成

   焊接路径生成是根据焊接接头的特征和工艺要求，确定机器人焊接的具体路径的过程，焊接路径生成需要确定路径的起始点和终点，起始点通常是焊接接头的一个确定位置，可以是接头的一端或者其他特定位置。终点则是焊接接头另一端或者其他需要连接的位置，起始点和终点的确定对于路径的连续性和稳定性非常关键。在焊接多个接头或多段焊接接头时需要确定连接它们的顺序，通常涉及到优化算法或者启发式算法来确定最佳的连接顺序。

焊接接头的形状和位置可能会导致机器人需要在不同的姿态下进行焊接，而姿态控制则是控制机器人在焊接过程中的位置、速度和角度等参数的过程，通过合理的姿态控制规划，能够确保焊接过程中的稳定和质量[2]。

（三）机器人运动学与动力学优化

   机器人运动学与动力学优化针对具体的焊接任务，对焊接机器人的运动学特性和动力学特性进行优化设计，实现焊接过程中的高精度、高稳定性和高效率，这一优化涉及到机器人的轨迹规划、速度控制、工具姿态调整等方面。机器人运动学优化考虑如何根据焊接工件的几何形状和所需焊接路径，规划出机器人的运动轨迹实现高效的焊接，确定机器人工具末端执行器（工具坐标系）沿着工件表面的移动轨迹避免障碍物和保证路径的连续性。

三、智能优化算法在路径规划中的应用

（一）遗传算法（GA）

   遗传算法是一种模拟自然选择与遗传机制的优化算法，通过模拟自然界中的遗传、变异、自然选择等过程进行优化搜索。在焊接路径规划中利用遗传算法来搜索最佳的焊接路径，对路径的交叉、变异和选择等操作不断优化焊接路径的适应度找到最优解决方案。

（二）粒子群优化（PSO）

   粒子群优化算法是一种模拟鸟群觅食行为的优化算法，通过模拟粒子在多维空间中的搜索和迭代更新寻找最优解决方案。在焊接路径规划中粒子群优化算法可以用于寻找具有最小焊接成本或最优路径长度的焊接路径，通过不断迭代更新粒子位置和速度，寻找最优的焊接路径[3]。

（三）蚁群算法（ACO）

   蚁群算法是一种模拟蚂蚁寻找食物路径的优化算法，通过模拟蚂蚁释放信息素、选择路径等行为，寻找最优路径。在焊接路径规划中蚁群算法可以用于寻找最佳的焊接路径，通过模拟信息素的释放和蒸发过程引导搜索过程向全局最优解收敛。

四、工业机器人焊接路径规划在不同行业的应用

（一）汽车制造行业

   在汽车制造行业中，焊接是一个重要的工艺环节。工业机器人可以应用于汽车车身焊接、车轮焊接、底盘焊接等多个焊接环节。机器人焊接路径规划可以根据汽车车身的形状和焊接接头的位置，通过自动化循环焊接路径规划，提高焊接速度和质量。

（二）船舶制造行业

   在船舶制造行业中，焊接是连接船体结构的关键工艺。利用工业机器人进行船舶焊接可以提高生产效率和质量稳定性。机器人焊接路径规划可以根据船舶结构的复杂性和尺寸的不同，进行自动化路径规划，确保焊接覆盖到每个焊接接头，并优化焊接路径以减少焊接变形[4]。

（三）航空航天领域

   在航空航天领域，焊接是一项至关重要的技术，涵盖了航空发动机零部件、航空航天器结构等多个方面。工业机器人在航空航天焊接中可以大大提高生产效率和焊接质量。机器人焊接路径规划可以根据不同航空航天器零部件的形状、结构要求和材料特性，进行路径规划和优化，确保高精度和高质量的焊接。

结论：

综上所述，工业机器人焊接路径规划技术在实现焊接自动化、提高焊接效率和质量方面具有重要意义，通过应用相关技术实现自动化路径规划、精确焊接运动控制，确保焊接过程的安全性，为工业制造业提供了重要的技术支持。

参考文献：

[1] 徐达,陶长城. 工业机器人焊接路径规划研究与应用[J]. 电焊机,2020,50(12):37-42.

[2] 邓国辉. 浅析机器人焊接离线编程与仿真在汽车焊装中的应用[J]. 科技风,2021(36):189-191.

[3] 孟宪伟,肖玉龙,唐宇佟,等. 焊接智能化的研究现状及应用[J]. 电焊机,2019,49(9):84-87.

[4] 崔洪刚,汪永超,唐浩. 白车身焊接技术的研究进展[J]. 制造技术与机床,2016(8):37-40.