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点焊机器人技术专利分析 一、点焊机器人技术概况 点焊机器人集合了机械、电子、信息、计算机等多学科的多种元器件和控制软件，是在工业机器人的末端执行器上装接上焊枪，使之能够进行焊接操作。使用点焊机器人的好处是能够保证焊接质量并且提高焊接效率，另外其焊接稳定性也是人工焊接不能达到的。世界上第一台点焊机器人是美国的Unimation公司在 1956 年推出的名为Unimate 的点焊机器人。1987 年，中国自行研制成了国内第一台点焊机器人—华宇I型点焊机器人。点焊机器人一般有6个自由度，其具有腰关节、肩关节、肘关节、腕扭转、腕弯曲、腕旋转，自由度越多的点焊机器人工作起来越灵活。 点焊机器人具有以下一些优点：1. 安装面积小，工作空间大；2. 能够快速完成小节距的多点定位；3. 定位精度高，焊接质量好；4. 示教简单，焊接速度快，同时又安全可靠性高。点焊机器人的运动方式为点位控制（PTP）型，机器人自一个点位目标移向另一个点位目标，仅在目标点上实施作业操作。相邻两个目标点间的运动方式主要有两种，一种是各关节驱动机以最快的方式接近目标点，各关节视其转角大小不同而到达目标点的速度有先有后；另一种运动方式是各关节同时趋近目标点，由于各关节运动时间相同，角位移大的运动速度较快。 点焊机器人用于电子产业时，需要在已经印制好的电路板上进行元器件的焊接，因此，在进行点焊步骤之前，电路板的印刷、电镀技术也尤为重要。印制线路板是具有印制线路的板，是将已经设计好的电路图形，利用印刷法在绝缘基板的表面或内部形成导电图形，该导电图形使元器件之间相互连接。电镀是电路板制造中一个主要的工艺，随着电子产品不断向高密集、多功能、小型化、高稳定性方向发展，将大量使用微孔、盲孔等实现层间的电气互连，每张板上的小孔数量和类型越来越多，孔径越来越小，促使人们在生产实践中不断开发和引入高新技术含量的电镀技术。 二 点焊机器人技术全球专利分布分析 2.1全球申请量趋势分析 图1 全球申请量变化图 从图1可以看出，1972年出现点焊机器人领域的第一件发明专利申请，此后申请量保持稳定，直至1984年，申请量出现较大幅度的增长，随后二十几年，增长幅度和趋势大致相同，并于2016年申请量达到最大，这与中国国内申请量快速增长不无关系。 2.2全球技术构成分析 图2 全球技术构成占比图 从图2可以看出，全球对于点焊机器人的研究主要分为以下几部分，机器人本体、示教功能、焊缝跟踪、质量检测、控制检测等，其中关于机器人本体的申请量占较大比重，达到55%。随着电子技术的进步，将机器人与传感器相结合的研究越来越多，应用传感器进行焊缝跟踪、质量检测等技术逐渐成熟。随着控制总线技术以及无线通讯技术的发展，对于机器人的控制或示教产生较大影响，点焊机器人的控制已经开始从现场在线控制转换远程离线控制，使得操作环境更加安全可靠，控制精度也得到提升。下面依据DWPI数据库的样本，主要对机器人本体进行技术分析。 根据机器人基本结构的不同，工业机器人分为直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球面坐标型机器人、关节坐标型机器人、多关节串联机器人以及并联结构机器人，如图3.所示。 图3. 点焊机器人本体技术分析图 1）直角坐标型机器人 1977年，美国专利公开号为US4156367A采用直角坐标型机器人进行焊接操作，从其说明书附图4可以看出，直角坐标型机器人具有三个滑动关节，分别沿X、Y、Z轴滑动，每个滑动关节的轴线互垂直，均按直角坐标配置。直角坐标型机器人运动学模型较为简单，每个运动自由度之间的夹角均为直角，便于运动学求解，具有位置精度高，控制无耦合的特点。直角坐标型机器人在工作过程中需要较大的操作空间，因此常制作成龙门式或框架式结构，也被称为龙门式机器人。在其末端根据作业需求还可安装具有旋转功能的工具，常用在无损检测、探伤等领域，具有高可靠性、高速度和高精度的特点。 图4 公开号为US4156367A的专利申请说明书附图 2）极坐标型机器人 1977年，日国专利公开号为JPS5232729B2的说明书附图所示，如图5所示，该种工业机器人具有两个转动关节和一个滑动关节。滑动关节保证机器人的末端点可以沿球面径向伸缩，转动关节则是机器人末端可以绕竖直向上的轴线转动以及绕水平轴线摆动，从而构成了一个球形的工作空间。极坐标型机器人体积小，占地面积小，但是其末端位置误差与半径成正比，定位精度比较低。 图5 公开号为JPS5232729B2的专利申请说明书附图 3）多关节串联机器人 1978年，德国专利公开号为DE2659743A1采用多关节串联机器人进行操作，从其说明书附图6可以看出，多关节串联机械臂由多个关节串联组成，构成链状结构，其设计安装较为简单，但仅能在有限的空间内转动同时结构较为冗余，不利于机械臂的控制和检