智能化焊接制造工程的概念與技術(shù)

趙志華 馬書亮

摘 要：本文以焊接技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展為文章的切入點(diǎn)，詳細(xì)的對焊接動(dòng)態(tài)過程的視覺傳感技術(shù)進(jìn)行介紹，并對焊接動(dòng)態(tài)過程中的實(shí)時(shí)智能控制方法進(jìn)行講解，除此之外，還對智能化焊接技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：智能化；焊接技術(shù)；焊接制造工程；動(dòng)態(tài)過程

焊接工藝是在三千年以前發(fā)明的，但是將焊接工藝做為一種技術(shù)應(yīng)用并開始發(fā)展的時(shí)期是在一九五零年左右，直至現(xiàn)在，焊接技術(shù)的發(fā)展時(shí)間已經(jīng)超過了六十年，并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)也一直得到不斷地發(fā)展和創(chuàng)新，尤其是現(xiàn)階段的焊接工藝，更是物理、化學(xué)、冶金、電子、機(jī)械等不同學(xué)科、工藝交叉融合后的產(chǎn)物，而且目前的焊接工藝已有數(shù)十種接連問世，其材料、設(shè)備的領(lǐng)域更是稱為制造業(yè)不可缺少的基本制造技術(shù)之一。

1.焊接技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展

在焊接材料領(lǐng)域，進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)的知名焊材企業(yè)對鋼材的發(fā)展迅速跟進(jìn)，在提升傳統(tǒng)產(chǎn)品的品質(zhì)和開發(fā)與高品質(zhì)鋼種配套焊材品種方面做出了不少努力，但新型焊材的開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鋼種的發(fā)展，一些新型鋼種的配套焊材尚需進(jìn)口。高品質(zhì)焊接材料附加值較高，目前約占我國焊接材料總量的20%左右，預(yù)計(jì)5年后能達(dá)到30%～40%。即使按20%計(jì)，其總量也可達(dá)60萬t左右。近年來國外各著名焊材企業(yè)紛紛進(jìn)入中國搶奪高端焊材市場，我國民族焊材工業(yè)在這方面存在明顯差距。

例如國外已采用廠房密閉除塵換氣的方式生產(chǎn)熔煉焊劑，國內(nèi)仍是敞開式生產(chǎn)，對環(huán)境的污染大；燒結(jié)焊劑國外均采用先進(jìn)的自動(dòng)化設(shè)備生產(chǎn)，我國大部分焊劑的成形欠佳和顆粒強(qiáng)度不好。除此之外，在無鉛焊接可靠性評價(jià)及壽命評估的機(jī)理研究上起步晚，只有少數(shù)科研院所在從事無鉛可靠性領(lǐng)域的研究及檢測工作。助焊劑和錫膏的研發(fā)與國際先進(jìn)水平差距大。

2.智能化焊接技術(shù)的構(gòu)成

基于計(jì)算機(jī)、控制等信息處理新技術(shù)，將人工智能與焊接工藝有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊接工藝制造的技術(shù)——稱之為“智能化焊接技術(shù)”（Intelligentized Welding Technology，IWT）。智能焊接技術(shù)的提法含義為：利用機(jī)器模擬和實(shí)現(xiàn)人的某些智能行為實(shí)施焊接工藝制造的技術(shù)。

智能化焊接的主要技術(shù)構(gòu)成如圖1-1所示。包括采用智能化途徑進(jìn)行焊接工藝規(guī)劃、焊接設(shè)備、傳感與檢測、信息處理、知識建模、焊接過程控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的實(shí)施?？梢娭悄芑附蛹夹g(shù)是多學(xué)科交叉綜合在焊接技術(shù)領(lǐng)域的集成與升華。

圖 1-1 智能化焊接技術(shù)的構(gòu)成

3.焊接動(dòng)態(tài)過程的視覺傳感技術(shù)

視覺是人類感覺外部信息的主要功能之一。焊工感官對焊接過程接受的主要是視覺信息。因此，模擬焊工行為的基礎(chǔ)技術(shù)之一是采用計(jì)算機(jī)將人類視覺的理解及其信息的處理有效地用于焊接過程傳感。近年來，隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，利用視覺正面直接觀察焊接熔池，以反映焊接過程熔化金屬的動(dòng)態(tài)變化行為，通過圖象處理獲取熔池的幾何形狀信息實(shí)現(xiàn)焊接熔深、熔透以及成形的實(shí)時(shí)控制，已成為重要的研究方向。

脈沖GTAW的技術(shù)研究有以下幾方面：熔池正反面同時(shí)同幅視覺傳感系統(tǒng)，并獲得了堆焊熔池正反面圖象，對熔池圖象二維特征尺寸的實(shí)時(shí)提取進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，為控制正反面熔寬提供了傳感信息；對接填絲無間隙熔池圖象的三維特征提取進(jìn)行了的研究，獲得了填充焊絲焊接過程中熔池表面凸出和下塌，部分熔透和全熔透狀態(tài)下的圖象。采用灰度分布的反射圖方程計(jì)算恢復(fù)熔池的三維尺寸信息取得了初步的成功，為基于單目圖象傳感控制焊縫的余高提供了預(yù)測傳感信息；多方位同時(shí)同幅熔池圖象，基于對熔池前端圖象處理實(shí)時(shí)提取間隙變化，為解決工程應(yīng)用中變間隙焊接焊縫成形控制提供了傳感信息。成功地提取鋁合金熔池的動(dòng)態(tài)特征并實(shí)現(xiàn)了對鋁合金熔池尺寸的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接過程中的熔池特征視覺傳感與實(shí)時(shí)控制的結(jié)合技術(shù)。

4.焊接動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)智能控制方法

實(shí)現(xiàn)焊接動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)智能控制是智能化焊接制造過程的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)所在。

由于焊接過程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變的非線性系統(tǒng)，影響焊縫成形質(zhì)量的不確定因素眾多，這使得基于精確數(shù)學(xué)模型的經(jīng)典和現(xiàn)性控制理論方法的有效應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。而模擬焊工決策操作功能的智能控制則有可能在大范圍的不確定性條件下實(shí)現(xiàn)較為滿意焊接質(zhì)量。因此，在焊接過程控制中引入智能控制，如模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)控制和專家系統(tǒng)及其相互結(jié)合的智能控制方法的研究已經(jīng)興起。

如堆焊、無間隙對接焊、有間隙變化對接焊智能控制器設(shè)計(jì)的方法；無填絲和有填絲焊條件下正反面焊縫寬度、余高的實(shí)時(shí)智能控制的系列研究；對焊接速度與熔寬變化過程時(shí)滯不確定系統(tǒng)的預(yù)測補(bǔ)償自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)控制方法；單個(gè)神經(jīng)元自學(xué)習(xí)控制器實(shí)現(xiàn)了對脈沖GTAW堆焊熔池背面熔寬的智能控制；系統(tǒng)控制和自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（焊接速度、電流）雙變量控制器實(shí)現(xiàn)了對脈沖GTAW對接熔池背面熔寬的智能控制；自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)了對脈沖GTAW填絲熔池背面熔寬與正面余高的預(yù)測智能控制；前饋控制送絲速度和自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)了對變間隙脈沖GTAW填絲熔池背面熔寬與焊縫成形質(zhì)量的智能控制等。

5.智能化焊接技術(shù)的未來發(fā)展

焊接工藝智能化的未來發(fā)展就是能夠?qū)⒑附蛹夹g(shù)進(jìn)行優(yōu)化發(fā)展、智能識別工程制造操作環(huán)境、對焊接的質(zhì)量自動(dòng)進(jìn)行檢測、對焊接過程智能的進(jìn)行控制以及對焊接中的紕漏進(jìn)行自我的診斷和檢查等。

目前的焊接制造由于不能感知焊接的操作環(huán)境、不能適應(yīng)工藝條件的變化及波動(dòng)的干擾，故而，還是以人員操作焊接為主，因此，焊接工藝近期的發(fā)展目標(biāo)就是研發(fā)一種具有感知、具有判斷能力、具有反饋和決策能力的智能焊接機(jī)器人。而智能焊接制造的最終目標(biāo)是研發(fā)一款以智能、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以柔性制造系統(tǒng)、敏捷制造系統(tǒng)為輔的智能化焊接生產(chǎn)線。

結(jié)束語：

綜合全文的敘述，可以得出以下結(jié)論，智能焊接技術(shù)主要是由十大技術(shù)構(gòu)成的，其中動(dòng)態(tài)視覺傳感以及智能控制過程是智能化焊接的主要研究對象，智能焊接的動(dòng)態(tài)傳感技術(shù)主要用于焊接的動(dòng)態(tài)成像以及監(jiān)測技術(shù)，而焊接的智能控制則是智能化焊接制造工程中的研究難點(diǎn)，由此可見，智能化焊接工程不僅是信息與科學(xué)技術(shù)的結(jié)合，更是焊接技術(shù)發(fā)展的又一大突破。

焊接工藝從剛開始的手工作業(yè)逐漸發(fā)展為機(jī)械作業(yè)，再發(fā)展為半自動(dòng)化焊接，現(xiàn)今又向智能化焊接技術(shù)邁進(jìn)，并且隨著計(jì)算機(jī)的普及、人工智能技術(shù)的滲透，智能化的焊接制造工程將在不遠(yuǎn)的未來得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳善本，林濤，陳文杰，邱濤. 智能化焊接制造工程的概念與技術(shù)[J]. 焊接學(xué)報(bào)（2004）06：124-128+134.

[2]陳華斌，黃紅雨，林濤，張華軍，陳善本. 機(jī)器人焊接智能化技術(shù)與研究現(xiàn)狀[J]. 電焊機(jī)（2013）04：8-15.

[3]陳善本，呂娜. 焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 電焊機(jī)（2013）05：28-36.

[4]中國工程建設(shè)焊接協(xié)會(huì)開展“焊接制造智能化、焊接管理信息化、焊接設(shè)備數(shù)字化”先進(jìn)技術(shù)裝備考察[A].工程焊接2014年第4期（總第28期）[C]（2014）2.