近日，在北京市石景山区供水管网完善一期工程施工现场，北京市自来水集团首次在供水管道施工作业中应用“焊接机器人”。这项技术由市自来水集团禹通公司与北京石油化工学院共同研发，工作效率较传统焊接工艺提高了3倍，一次焊接合格率近100%。你知道机器人是怎样完成焊接工作的吗？
焊接机器人在作业。刘红敏摄
焊接机器人，顾名思义即完成焊接工作的机器人，任务主要包含切割工序和喷涂工序等。事实上，它并非一个完整的“机器人”，既没有鼻子、眼睛和脑袋，也没有双腿和躯干，只有一个机械臂而已。因为它与大多常见的、传统意义上的机器人(如AlphaGo)一样，拥有智能的“中枢系统”和实现操作的设备，所以被我们形象地称为“焊接机器人”。
依照ISO(国际标准化组织)的相关定义，焊接机器人其实是工业用机器人的一个分支。工业机器人是一类用途非常广泛、可以反复编写程序的自动操控操作机械设备，通常情况下具有3个及以上的可编程的轴结构，这个多轴结构就是我们常说的“机械臂”。基于不同的用途，在轴的末端通常是一个法兰结构(一个连接零件)，可连接各种末端执行设备。因此，焊接机器人的机械臂末端就是我们常见的焊枪等具有焊接功能的部件。
一只机械臂的两种焊接技能
当我们还是稚嫩孩童时，总是对绚烂的光芒充满好奇，所以电焊工身旁常有小孩驻足，也常有大人们告诫“不能肉眼观看”“对视力有影响”云云。回想小时候所见的电焊工们，他们常常蹲在地上，对着钢材左瞄右看，确定好位置后再拿起护具小心翼翼地焊接。
焊接机器人对焊枪等焊接设备进行了优化，还利用技术解决了瞄准焊接点的关键问题。对焊接机器人在自动捕捉焊接工件位置，以及工件焊缝的跟踪技术上的探索，是研究人员有效提升焊接工作质量的重要环节。因为在实际工作中，加工、装配过程中各种长期的误差累计，焊接操作过程中温度分布不均、焊接工件的形变等等都可能导致焊接出现偏离，最终影响工件的品质。
焊接机器人所掌握的焊接技能分为两类——点焊和弧焊。点焊就好比在一亩田地上插秧，每次只插一棵秧苗，至于在每两棵秧苗之间移动，是径直走过去还是在田地间翩翩起舞都无关紧要，重要的只是每次插秧的方位精确即可；弧焊则如同写毛笔字一般，笔走龙蛇之下要求的是每一笔的顺畅以及笔画的精确，一笔一画都要和描红一致，才能有入木三分的质感。
从以上的阐释我们不难看出，点焊的要求远低于弧焊，所以早年的焊接机器人大多只能完成点焊的工作，即使是需要连贯的“笔画”也是多次点焊的结果。现阶段，随着焊接机器人的广泛应用，焊点数量繁多且空间分布错杂，对于焊接的要求大多提升至弧焊。因此，需要对焊接路径进行合理规划才能提高焊接效率，这大多仰仗于数学建模分析提炼出的算法支持。其中一种比较有意思的算法来源于仿生学——自然界中蚂蚁依靠对食物、同伴间气息的感知能力，可以寻找到最优觅食路径，通过模拟这种能力、提炼出一种群智能优化算法，可以达到焊接机器人关节空间最优路径规划的目的。
焊接机器人出没，请注意!
目前，焊接机器人已经广泛应用于汽车制造业以及水下建造工程。我们耳熟能详的丰田、福特生产线都有它们的身影，港珠澳大桥的建设也有它们的帮忙。
焊接机器人既能有效地减少人工误差、保证工件品质，又解放了大量的生产力，避免了枯燥乏味的工作。更重要的是，在各种极端条件下的焊接工作将极大程度地辅助其他领域的有效开展。
随着经济和科学技术的共同发展，焊接技术的使用领域正在向海洋、高温高压、极寒等极限环境延伸。为了确保工作人员的安全以及焊接工作的顺利进行，提升远距离遥控焊接、编程规划焊接路线等技术是发展的必然趋势。(刘怡恋)
专家：燕山大学机械工程学院教授曹秒艳
