国产智能焊接机器人大有可为

“本体 + 集成”的发展模式成为趋势 “

‘本体 + 集成’的发展模式成为全球机器人公司发展的共同趋势，焊 接机器人也将遵循这个趋势，我们正在研发更智能的焊接机器人，满足国 内市场的需求。”深圳市鸿栢科技实业有限公司董事长韩玉琦说。 《深圳机器人产业发展白皮书（2018 年）》显示，2018 年深圳市机器 人产业总产值增长至近 1200 亿元人民币，工业机器人的产值增速有所放 缓，2018 年深圳工业机器人产值约为 803 亿元人民币，增长率为 6.25%。 从企业的数量来看，工业机器人企业主要聚集在宝安区，龙华区增速最快 ； 从产值来看，南山区所占比例仍较高。

目前，深圳工业机器人已有较完整的产业链，大致可分为核心零部件、 本体制造、系统集成服务等环节。核心零部件包括控制系统、伺服电机、 精密减速器及传感器等；本体制造，包括机器人的结构和功能设计及实现； 系统集成，是指按照客户需求进行设计和组装。 工业机器人本体早已不是利润中心。本土企业在关键零部件依赖进口 的情况下发展本体，可以说是勇敢者的游戏。

深圳的本体机器人企业多数 陷入模仿组装和价格战，主要依靠政府资助、资本力量和行业资源获得一 定的市场外，多数出货量都比较小，且单品毛利率低于 10%。 韩玉琦对工业机器人“四大家族”做过深入研究，了解到它们在机器 人领域的绝对领导地位来自业务先发优势和全产业链布局优势，追溯“四 大家族”的发展进程，它们早期均从事机器人产业链相关的业务，虽然起 步业务和发展路径各不相同，但最终都实现了从应用开发、前端销售、系 统集成到客户服务的全价值链业务模式。他表示，中国想要在工业互联网 的发展上取得先机，必须在工业机器人领域有所突破。

如今大部分的国际 市场被洋品牌抢占了先机，如果要杀出重围，必须从产业链出发，生产数 控系统、运动控制系统或伺服电机等自动化零部件的厂商，可依托技术优 势向全产业链布局，做系统集成的厂家也可以发挥在各自细分行业领域的 优势，对产业链上下游进行深耕细作，发挥业务的协同性。 他说：“近年来，‘本体 + 集成’的发展模式成为全球机器人公司发展 的共同趋势。系统集成商上游采购工业机器人等设备，根据下游客户的具 体要求，给出合理的设计方案，完成产线的组装和调试。

一般来说，一个 单纯的系统集成商，其核心竞争优势在于对下游行业的理解、设计能力、 历史业绩情况及客户资源。从长期的发展来看，系统集成环节的竞争将会比较激烈，单纯的系统集成商需要向上游核心设备制造环节拓展，以保证 自己的成本不处于劣势。这也就是鸿栢科技为何从单一的螺柱焊机产品， 发展到今天研制出多关节工业机器人与自动化设备的原因。”

国产焊接机器人有巨大的提升空间

工业机器人市场中使用量最大的是搬运机器人、装配机器人和焊接机 器人，这三种类型的工业机器人保有量占到世界工业机器人总保有量的近 90%，其中，焊接机器人约占 9%。中国是全球焊接机器人的第一大市场， 其中汽车焊接领域又是工业机器人运用最集中的地方。在汽车焊装生产线 上，使用最多的为点焊机器人、弧焊机器人和螺柱焊机器人。因此，我国 焊接机器人市场前景广阔、发展潜力巨大。 目前，国内焊接机器人应用市场主要分为日系、欧美系和国产三类。

其中，日系主要以安川 MOTOMAN（如 MOTOMAN-ES165D）、OTC（如 FD_V166）、松下（如 VR-006L）、发那科（如 R-2000iB/165F）等机器 人为主，欧美系以德国的库卡（如 KR-150R3100PRIME）、卡尔克鲁斯 （如 ROMAT350）、瑞士的 ABB（如 IRB6650S）以及奥地利的 IGM（如 RTE499）机器人等，国产焊接机器人主要以沈阳新松机器人、广州数控 机器人为主。

和国外产品相比，国产焊接机器人在价格和性能两个方面都处于劣势。 究其根本原因，就是在焊接机器人系统的关键技术方面没有突破，落后于 人，受制于人。主要表现在：在机器人运动控制方面，目前没有实现笛卡 尔空间加速度连续光滑的高阶样条轨迹插补，这是轨迹精度和效率不高的重要原因。在伺服电机驱动技术方面，没有很好解决低频振动和高频谐振 的抑制问题，缺乏闭环系统的 PID（比例 - 积分 - 微分）参数自动调整算 法，导致点位运动作业定位时间过长，作业效率受限。在高速通信总线方面， 缺乏自主高速、可靠的通信总线技术。这是导致机器人系统各模块之间易 受干扰、不可靠的重要原因。在伺服点焊钳力矩闭环控制技术方面，没有 实施基于高分辨率的力 / 力矩传感器的力矩闭环控制以及作业点形变补偿， 这是影响点焊接质量的重要环节。在机器人弧焊焊缝跟踪技术方面，尚未 实施稳定有效的焊缝质量跟踪及在线校正技术，导致某些工况下弧焊质量 受限。“上述焊接机器人系统的关键技术的突破，是改进和提升国产焊接 机器人系统性能的关键。”韩玉琦分析道。

获深圳市重大产业技术攻关项目支持

2015 年，鸿栢科技承担的“焊接机器人系统关键技术研究”项目被列 为深圳市重大产业技术攻关项目，获资助金额 500 万元人民币。韩玉琦说： “鸿栢科技研发投入资金主要来自企业经营利润，企业启动焊接机器人研 发项目需要投入更多的研发资金，2016 年企业机器人项目成果有了较大进 展，但需要投入的资金也急剧增加，而 2016 年汽车行业经济不景气，公 司营收也受到一定影响，这时鸿栢科技焊接机器人系统关键技术研究项目 获得了深圳市科技创新委的重大产业技术攻关项目资助 500 万元人民币， 这不仅在资金上给予我们极大的扶持，也对我们研发具备自主知识产权的 焊接机器人起到鼓舞和激励的作用，坚定了我们继续研发的信心。”

鸿栢科技的“焊接机器人系统关键技术研究”项目正是围绕高性能焊接机器人系统的关键技术产业化应用展开研究。项目的先进性体现在多个 方面，第一，基于 ARM（一种微型处理器）、DSP（一种数字信号处理器， 由大规模或超大规模集成电路芯片组成的用来完成某种信号处理任务的处 理器）和 FPGA（现场可编程门阵列）的一体化机器人运动控制器。在此 结构中，ARM 为主控制器，负责主控和协调任务；DSP 为从控制器，专 门用于处理复杂插补计算；FPGA 负责光纤通信。能从高效、稳定、可靠 三方面保证运动控制的性能。第二，采用了高速实时工业以太网总线技术。 采用公司独创的 HLINK（鸿栢科技自主研发的基于光纤的实时串行通信 总线）技术。具有自同步、高速、安全、可靠的一系列特点。第三，通过 采用加速度连续光滑的高阶样条插补技术，可最大限度地消除加速度变化 给机器人手臂运动带来的影响，实现焊接机器人的高速高精度定位和轨迹 跟踪。第四，通过采用低频和高频机械谐振抑制技术，能保证在高速定位 和轨迹跟踪作业时具有较高的定位精度和轨迹精度。第五，通过实施焊钳 在接触点的形变补偿技术，可提高焊接精度和质量。第六，机器人螺柱焊 接质量自动跟踪和控制技术。通过对焊接电流、弧压和焊接时间的有效控 制，使每次输出的焊接能量保持恒定，从而保证每次焊接质量的稳定性。 而且，在控制系统中集成组网和分布式应用端口，并配备相应的智能软件， 能适应未来工业 4.0 智慧工厂的需求。

韩玉琦介绍，通过这个项目的实施，在关键技术研究方面取得了重要 进展，其中包括运动控制高阶样条轨迹规划和插补技术、伺服电机 PID 参 数自动调节技术、伺服电机振动抑制技术、焊接作业系统力矩闭环和变形 量动态补偿技术、机器人焊缝跟踪技术以及机器人静力矩、惯性力矩前馈 补偿技术等，形成了一系列高性能用于点焊、弧焊和螺柱焊的焊接机器人系统产品及其生产技术。 汽车焊接领域又是工业机器人运用最集中的地方，由于汽车焊装厂金 属粉尘污染严重，各种大功率、高频率焊接设备干扰严重，而且，汽车车 身制造对点焊、弧焊和螺柱焊机器人的要求不仅是可以抗污染、抗干扰， 还对机器人的控制精度和重复精度要求严格。

汽车焊装厂使用的机器人， 除了弧焊机器人承重较小以外，其他机器人的承重都比较大，其中点焊机 器人一般都在 165 千克以上，其中又以 165 千克和 210 千克为主，这个级 别的机器人市场目前几乎全部被国外品牌所占有，我国目前开发的机器人 大部分还是承重很小的机器人。由于受到控制技术、伺服电机技术、减速 机技术和焊接工艺技术等因素的制约，国产 165 千克以上的焊接机器人目 前正在研发的厂家少，在市场上销售的就更少。 韩玉琦指出：“本项目研究的机器人正是这种具有抗污染、抗干扰、控 制精度和重复精度高，承重为 165 千克、50 千克和 20 千克，国内研发的 厂家少，目前几乎全部是被国外品牌垄断的焊接机器人。

其目标就是通过 我们几年的努力，突破控制系统、伺服电机系统、减速机系统和焊接工艺 系统等技术难题，研发出合格的焊接机器人以替代国外品牌，为我国的工 业机器人发展做出我们的贡献。” 2019 年 4 月，鸿栢科技历经 5 年开发的全自主知识产权机器人控制 系统——智哥多功能六轴机器人——亮相第五届深圳国际机器人与智能系 统博览会。该系统采用 TI 的多核异构平台，采用驱控一体化设计，机器 人任务处理、运动规划及动力学、伺服驱动控制任务，均在主处理板处 理，各个部分采用共享内存及高速并行总线连接，高速高耦合，处理性能 卓越。DSP 计算内核采用双精度浮点进行规划、插补及动力学计算，计算精度高，插补精度可达 1nm，插补周期为 1ms，并实时同步发送给 FPGA 进行伺服控制处理，运动点位更密集，利于系统实现高精度。

伺服系统采 用 FPGA 作为控制核心，实现 8 轴集中控制，伺服控制与运动控制器高度 耦合，并采用了静力矩补偿、惯量补偿、动力学补偿等先进技术，提高伺 服控制的精度。伺服功率放大器采用通用接口，不设处理单元。 机器人任务系统采用了鸿栢科技自行研发的 HBL-1 机器人编程语言， 配有上位机 PC 端控制软件，拥有离线编程能力，可以搭配各型视觉处理 单元，组合成视觉处理系统。机器人任务系统，还拥有弧焊软件包，可以 通过光纤及其他物理接口，搭配主流品牌弧焊机，组成弧焊系统。

其中， 可以通过光纤连接鸿栢科技的专用弧焊机，两种设备功能互相配合，系统 集成度高，软件功能完善。弧焊软件包除通用功能外，还具备 2 轴变位机 控制功能、焊缝激光跟踪器功能。焊缝跟踪是通过红外激光器，对焊缝进 行实时校正，能够弥补焊接时的焊缝意外变形及工件之间的差异。 令韩玉琦感到自豪的是，智哥机器人拥有完整的自主知识产权的软硬 件控制系统，具有视觉、离线编程、焊缝跟踪器、专用弧焊机等特有功能， 相互之间能进行最优配合，在未来的竞争中将处于有利地位。

智能机器人迎来黄金发展期

现阶段我国智能制造行业才刚刚兴起，未来 10 年，将是工业 4.0 蓬 勃发展的 10 年。
加上新能源汽车的兴起，未来几年智能化汽车生产车间 的建设需求较大。由于鸿栢科技在轿车车身焊接领域知名度高，有较好的 客户基础，根据机器人项目计划和整体技术特点，鸿栢科技拟以汽车制造业为主，将焊接机器人项目成果首先在公司现有的重点客户进行推广试用， 达到规模化效应后，再逐步向整个汽车、船舶和五金制造等行业稳步推进。 工业焊接机器人的发展历史已有 60 多年，概括起来可以归纳为 3 个 阶段 ：第一阶段“示教—再现”型机器人 ；第二阶段基于一定传感信息的 离线编程焊接机器人 ；第三阶段具有自适应性的智能化焊接机器人。国际 工业机器人正朝着智能化方向发展，而智能工业机器人将成为未来的技术 制高点和经济增长点。

智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部 信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器， 作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、 脚、鼻子、触角等动起来。由此也可知，智能机器人至少要具备三个要素 ： 感觉要素、反应要素和思考要素。 智能工业机器人是指用于工业如焊接、搬运、装卸等的智能机器人。 例如在焊接领域，智能工业机器人将配备视觉传感器用于焊缝识别和自动 焊缝跟踪 ；还应配备环境传感器用于感知焊接工艺参数，并根据感知的参 数自动调节控制量 ；配备远程故障诊断、技术支持等功能。

为了在智能焊接机器人研发上夺得先机，鸿栢科技从 2014 年开始， 加大研发投入，研究焊接机器人的关键技术，并开发出针对弧焊作业的智 哥系列机器人控制系统，并取得应用。目前，公司拥有的弧焊机器人控制 技术包括运动控制高阶样条轨迹规划和插补技术、伺服电机 PID 参数自动 调节技术、伺服电机振动抑制技术、焊接作业系统力矩闭环和变形量动态 补偿技术、机器人焊缝跟踪技术，以及机器人静力矩、惯性力矩前馈补偿 技术等，已进入行业的先进水平。 “先进的 3D 视觉技术运用到焊接机器人身上，就好像给机器人戴上一副灵敏的眼镜，只要把工件放在工作台上，机器人可以自动寻缝、自动编 程、自动焊接，大大提高焊接机器人作业系统的精度和效率。”

韩玉琦介绍， 鸿栢科技焊接工业机器人采用基于结构光视觉焊缝识别和激光传感器焊缝 跟踪技术，将视觉和其他信息感知加入焊接机器人系统，形成一种智能焊 接机器人系统，可自动定位工件的焊缝形式和位置，焊缝轨迹的自动纠偏， 内置 4G/5G 移动通信终端和标准以太网接口，方便实现多机器人协调控制， 方便远程监控、故障诊断、作业系统关键数据的第三方创新应用，改善数 据通信，优化工艺和技术服务水平。相关技术鸿栢科技已发表两篇论文， 拥有 14 项软件著作权并申请了 4 项发明专利。 有一位拉丁诗人用“渴望新事物”来形容人类。

企业家群体则是更为 “渴望新事物”的一群人，并且为了他们认为值得努力的目标而孜孜以求。 作为创业 10 多年的老将，韩玉琦表示：“鸿栢科技未来产品主要定位在智 能弧焊机器人系统、大功率 165 千克以上的智能点焊机器人、基于视觉的 智能搬运和装卸机器人，力争通过 3 至 5 年的努力，建成智能焊接机器人 系统研发、应用和销售的龙头企业。”

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