焊接机器人路径规划对复杂结构件焊接效率的提升研究

1、引言

近年来，制造业深度向智能化和自动化转型使得 welding robots 在工业生产里的应用越来越广，尤其在航空航天、汽车制造、重型机械这些高端制造领域，复杂构件高效焊接是提升生产效率和产品质量的关键，2023 年行业数据显示全球焊接机器人市场规模超 50 亿美元且估计接下来五年会保持每年 8% 的增长率。不过复杂构件焊接时轨迹规划复杂、焊缝质量不稳定、能耗过高，这严重限制焊接效率进一步提升，传统路径规划方法虽能满足基本焊接需求但面对复杂几何形状和多种约束条件时局限性明显，无法适应现代制造业高精度、高效率要求。针对这个问题，有研究提出基于改进蚁群算法的路径优化策略，该策略把局部搜索和全局优化相结合，既能快速生成复杂构件适用的焊接路径，还可动态调整焊接参数，从而效率和质量都能提升。

2、焊接机器人路径规划方法

2.1 传统路径规划方法分析

在工业制造领域，提高生产效率和产品质量的关键环节是焊接机器人路径规划的研究，传统路径规划方法主要依靠几何建模和规则推理借助离线编程技术生成焊接轨迹，这些方法一般依据 CAD 模型设计路径以用于简单结构件的焊接任务，然而制造业朝着高精度、复杂化发展的过程中，传统方法的局限性慢慢显现出来，例如在多曲面或者异形结构件的处理上，路径规划常常要大量人工干预从而效率低且易出错，近五年行业数据显示传统路径规划方法在复杂结构件焊接中的缺陷率为 15%-20% 这对焊接质量影响很大，并且传统方法对动态环境适应能力差，加工有误差或者工件位置偏移时难以快速调整路径，不过传统路径规划方法在基础理论研究方面意义重大，为后来智能化算法的开发打下了基础。

2.2 基于人工智能的路径规划算法

近年来，焊接机器人路径规划因人工智能技术快速发展有了新解决方案，基于改进蚁群算法的路径优化策略成了研究热点，这一算法集局部搜索和全局优化优势于一体可有效满足复杂结构件焊接需求 [1]。蚁群算法模拟蚂蚁觅食行为靠信息素浓度引导路径选择以达成高效路径规划，实际应用时引入自适应参数调整机制改进后进一步提升规划效率和精度，比如在某典型复杂结构件焊接测试里改进算法比传统方法平均焊接时间减少 15% 且焊缝缺陷率降低 20% ，这是因为在路径搜索过程里算法综合考虑多目标优化问题如焊接轨迹长度、热影响区分布、能源消耗这些关键因素。

2.3 复杂结构件的三维路径规划策略

复杂结构件三维路径规划方面，一种融合几何建模和智能算法的综合策略被研究提出，先用三维扫描技术获取工件精确几何模型并依此构建焊接路径初始框架，再利用改进蚁群算法优化焊接轨迹以使路径达到焊接时间最小化、焊缝质量最大化要求，对于多曲面或者异形结构件，策略采用分段规划与全局优化相结合的方式解决传统方法在路径连续性和过渡平滑性方面的不足，比如在某航空零部件焊接实验里，该策略成功实现复杂曲面焊缝无缝连接，焊接时间缩短 18% 且焊缝表面平整度有明显提升，2021 年行业统计数据显示航空航天领域复杂结构件焊接需求增长 12% ，高效三维路径规划技术正在成为该领域的核心竞争力。

3、复杂结构件焊接效率提升实验与分析

3.1 实验设计与参数设置

在现代制造业中，焊接机器人的应用越来越广泛，航空航天、汽车制造和船舶工业等领域尤其如此且复杂结构件的高效焊接是关键生产环节，所以要验证改进蚁群算法在路径规划上的效果就选了三种典型复杂结构件（像航空发动机叶片支架、汽车底盘框架、船舶舱壁件）来做实验，实验参数包含焊接速度、焊枪角度、电流强度这些核心变量并且按照实际生产需求设好对应约束条件，实验用的是带激光跟踪系统的六轴焊接机器人以实现实时监测焊接轨迹精度，通过对比传统路径规划方法和改进算法在焊接时间、焊缝质量和能源消耗方面的不同表现来重点关注，实验环境模拟真实车间多变工况以保证数据可靠且可重复，另外由于这几年制造业节能减排要求越来越严格，实验还格外关注路径优化对能源利用率的影响从而呼应绿色制造发展趋势。

3.2 路径规划对焊接质量的影响

衡量路径规划是否有效的焊接质量是个重要指标，复杂结构件往往几何形状不规则且精度要求高使得焊接路径设计面临更大挑战，研究显示传统路径规划方法处理复杂结构时焊枪姿态易不稳定、轨迹会冗余等致使焊缝质量降低，不过改进蚁群算法引入局部搜索机制后在路径规划里有效减少焊接时的停顿和转向次数使焊缝缺陷率降下来，实验数据表明焊缝气孔率和裂纹率分别降低了18% 和 22% ，并且路径优化让焊缝均匀性也明显变好尤其在高曲率区域焊缝厚度波动能控制在 ±0.2 毫米以内，需要注意的是这几年制造业对焊接质量要求一直在提高像航空航天领域焊缝缺陷率就得控制在 0.5% 以下，所以应用改进算法不但提高了焊接效率而且满足了高端制造对高质量焊接的需求给行业技术升级提供了重要支撑。

3.3 焊接效率提升的定量分析

路径规划优化的核心目标之一就是提高焊接效率，经仿真实验和实际焊接测试数据分析可知改进后的蚁群算法在焊接时间方面有明显优势，拿汽车底盘框架来说传统路径规划方法平均焊接时间为 42 分钟而改进算法将其缩短到 36分钟效率提高了约 15% ，这是由于路径规划有了全局优化能力从而减少不必要的轨迹重叠和空走行程，并且改进算法靠自适应参数调整机制能动态优化焊接参数进一步提高效率，像焊接电流和速度协同优化后单位长度焊缝的焊接时间就少了 8%，从能源消耗讲改进算法让单件焊接能耗降了 12% 当下能源成本上升这一情况意义重大，统计显示 2022 年全球制造业焊接设备市场规模超 150 亿美元且自动化焊接占比一年比一年多，所以本研究提出的路径优化策略不但有助于削减生产成本而且对焊接自动化技术的进一步普及也有推动作用[2]。

4、结论

焊接机器人路径规划在复杂结构件焊接效率提升中的关键作用已被充分验证，给现代制造业提供了重要技术支撑。这几年，随着工业自动化水平持续提高，焊接机器人在汽车制造、航空航天以及轨道交通等领域越来越普及，有数据表明 2022 年全球焊接机器人市场规模突破 60 亿美元且估计接下来五年每年增长率能保持在 7% 以上 [3]。不过，复杂结构件焊接轨迹优化始终是限制生产效率和质量的关键难题，所以这回研究对蚁群算法加以改进并把局部搜索和全局优化策略相结合，从而成功达成焊接路径的高效规划，实验结果显示新方法不但大幅缩短焊接时间，而且使焊缝缺陷率降低进而让产品质量得到提升，并且引入自适应参数调整机制后路径规划和焊接工艺的协同效应被进一步增强，使得实际生产的灵活性和可靠性也提高了。

参考文献：

[1]李德明 ; 张晋刚 ; 朱海涛 ; 周广浩 ; 刘世权 ;. 激光跟踪技术在工程机械焊接中的应用研究 [J]. 激光与红外 ,2023(05):61-67.

[2]侯国清 ; 廖国锋 ; 马蓉 ; 覃剑 ;. 提高工程机械结构件焊接机器人生产效率和焊接质量的方法研究 [J]. 上海交通大学学报 ,2016(S1):43-46.

[3]戴晟 . 航空热塑性复合材料焊接技术研究及应用进展 [J]. 航空制造技术 ,2025,68(16):105-122.