工業(yè)4.0語(yǔ)義下智能焊接技術(shù)發(fā)展綜述*

張廣軍，李永哲

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

到2015年底，全球約有66億件設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)，2020年，這一數(shù)字將上升至300億[1]。以互聯(lián)網(wǎng)為載體的信息技術(shù)在過(guò)去的10余年里逐漸影響甚至改變傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)格局以及商業(yè)模式。尤其是在航空航天等零件加工產(chǎn)業(yè)中，柔性化、個(gè)性化、快速小批量生產(chǎn)逐漸成為飛機(jī)、火箭等航空航天產(chǎn)品零部件生產(chǎn)加工的新要求。信息技術(shù)的進(jìn)步掀起了工業(yè)技術(shù)革新浪潮，引發(fā)全球工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈快速升級(jí)[2]。

在這一背景下，德國(guó)政府在2013年4月漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出“工業(yè)4.0”國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略[3]，旨在復(fù)雜多變的制造業(yè)格局中，提高德國(guó)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?！肮I(yè)4.0”也被德國(guó)政府在《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》中確立為10大未來(lái)項(xiàng)目之一[4]。與此同時(shí)，美國(guó)先后出臺(tái)“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”和“先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃”等，旨在通過(guò)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略，使制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型[5]。作為世界上“最大的工廠”，中國(guó)在制造領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。在中國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的當(dāng)下，國(guó)務(wù)院于2015年5月提出了《中國(guó)制造2025》國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃[6]，以加快智能制造的技術(shù)創(chuàng)新為目的，著眼于奪取未來(lái)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和話語(yǔ)權(quán)。

無(wú)論是“工業(yè) 4.0”、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”還是“中國(guó)制造2025”，都描繪了未來(lái)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，即憑借著高新信息通信技術(shù)的基本手段，將信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPSs） 融合到制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)中，使制造業(yè)向更高的智能化方向轉(zhuǎn)型，其技術(shù)基礎(chǔ)為互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)端應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等。

焊接技術(shù)是制造業(yè)中不可或缺的組成部分之一，是衡量工業(yè)化水平的重要指標(biāo)。在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)線上，手持焊槍作業(yè)已經(jīng)一去不復(fù)返，取而代之的是以工業(yè)機(jī)器人為載體的自動(dòng)化焊接作業(yè)系統(tǒng)。然而，在焊接加工過(guò)程中，由于電弧的存在以及施焊環(huán)境和對(duì)象的差異，智能化焊接技術(shù)的發(fā)展總是滯后于人工智能、智能控制、大數(shù)據(jù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展腳步[7-9]?！肮I(yè)4.0”體系需求的焊接智能化程度與實(shí)際智能焊接技術(shù)發(fā)展速度之間的矛盾愈演愈烈。因此，為了順應(yīng)智能制造的工業(yè)改革浪潮，智能化、網(wǎng)絡(luò)化焊接技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)呈現(xiàn)出蓄勢(shì)待發(fā)的狀態(tài)。本文將解釋基于工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的“工業(yè)4.0”概念的核心，指出在這一背景下智能焊接的關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

圖1 4次工業(yè)革命的不同特征Fig.1 Different characteristics of the four industrial revolutions

圖2 基于信息物理系統(tǒng)的 “工業(yè)4.0”產(chǎn)業(yè)鏈Fig.2 Production chain of industry 4.0 based on CPSs

圖3 信息物理系統(tǒng)框架Fig.3 Framework of CPSs

“工業(yè)4.0”改變制造業(yè)模式

工業(yè)革命是現(xiàn)代文明的起點(diǎn)，是人類生產(chǎn)方式的根本性變革。德國(guó)技術(shù)科學(xué)院（ACDTECH）等機(jī)構(gòu)提出的前3次工業(yè)技術(shù)革命分別為：18世紀(jì)末蒸汽機(jī)的廣泛使用，20世紀(jì)初電力的發(fā)現(xiàn)及廣泛使用，以及20世紀(jì)中期PLC（可編程邏輯控制器）和PC機(jī)的應(yīng)用[4]。在這3次革命性的轉(zhuǎn)變過(guò)程中，工業(yè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度和智能化水平逐漸提高，而工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期以及人在工業(yè)系統(tǒng)中的參與程度逐漸降低?！肮I(yè)4.0”的核心是信息與物理系統(tǒng)的高度融合，以期高智能化、更加復(fù)雜的工業(yè)系統(tǒng)、更短的產(chǎn)品生產(chǎn)周期和更少量人的參與度。4次工業(yè)革命的不同特征示意圖如圖1所示。

1 “工業(yè)4.0”的內(nèi)涵

“工業(yè)4.0”最顯著的特征就是使工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)[10]。工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈主要包括： 技術(shù)研發(fā)、原料采購(gòu)、物流供應(yīng)、加工生產(chǎn)、市場(chǎng)銷售以及用戶調(diào)查6個(gè)部分，如圖2所示。在當(dāng)前制造業(yè)產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，各業(yè)務(wù)部門相對(duì)獨(dú)立完成工作，然而由于各部門溝通手段有限，極易形成信息孤島，因此，工業(yè)制造的柔性很低，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的市場(chǎng)的需求[11]。例如，加工生產(chǎn)部門在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)了產(chǎn)品合格率降低的問(wèn)題，技術(shù)研發(fā)部門由于不在加工現(xiàn)場(chǎng)，可能并不知道實(shí)際影響產(chǎn)品合格率的真正問(wèn)題所在，而在加工現(xiàn)場(chǎng)的工人可能并不知道技術(shù)細(xì)節(jié)。 因此，產(chǎn)品合格率問(wèn)題可能會(huì)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的雙方反復(fù)論證，與此同時(shí)，物流以及市場(chǎng)銷售部門可能會(huì)繼續(xù)按照原本的計(jì)劃執(zhí)行訂單，從而導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)轉(zhuǎn)不暢。

在“工業(yè)4.0”架構(gòu)下，工作人員、倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、機(jī)器設(shè)備、制造設(shè)施、市場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)以及用戶反饋信息被置于同一平臺(tái)，共同形成信息物理系統(tǒng) （CPSs）。CPSs是指一套融合了信息流的物理或工程系統(tǒng)，該系統(tǒng)的操作執(zhí)行過(guò)程被具有計(jì)算以及通訊能力的部件所監(jiān)測(cè)、協(xié)調(diào)、控制及整合[12]，信息物理系統(tǒng)框架見(jiàn)圖3。CPSs核心是分布式、深度嵌入物理系統(tǒng)、具有高度自主能力的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）[13]。在嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用下，產(chǎn)業(yè)鏈中各個(gè)單位的物理設(shè)備以及操作人員實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和信息分享，從而形成物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）或更高層次的萬(wàn)物互聯(lián)（Internet of Everything，IoE）?！肮I(yè) 4.0”的內(nèi)涵不僅在于對(duì)信息的獲取以及收集，更重要的是對(duì)現(xiàn)有的信息進(jìn)行提取、融合、整合和推理，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)的問(wèn)題進(jìn)行決策和分析，并且最終通過(guò)通訊和控制手段執(zhí)行決策策略的過(guò)程。這樣，產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的制造柔性得到極大的提高。因此，“工業(yè)4.0”是通過(guò)“傳感-決策-執(zhí)行”的途徑，對(duì)工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈全生命周期過(guò)程進(jìn)行的智能化和信息化升級(jí)。

“工業(yè)4.0”框架下的工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中最重要一環(huán)是加工生產(chǎn)過(guò)程中的智能化——智能制造。智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及人工智能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程和企業(yè)管理及服務(wù)的智能化，是信息技術(shù)與制造技術(shù)的深度融合與集成[14]。智能制造的內(nèi)涵是綠色化和人性化，單件小批量生產(chǎn)要能夠達(dá)到大批量生產(chǎn)同樣的效率和成本，構(gòu)建能生產(chǎn)高精度、高質(zhì)量、個(gè)性化智能產(chǎn)品的智能工廠[15]。

圖4 工業(yè)革命進(jìn)程中焊接技術(shù)的發(fā)展Fig.4 Development of welding technologies during the industrial revolutions

表1 工業(yè)4.0語(yǔ)義下CPSs的5C架構(gòu)

2 信息物理系統(tǒng)的基本架構(gòu)

文獻(xiàn)[16]更進(jìn)一步提出了在“工業(yè)4.0”體系中CPSs的5C架構(gòu)， 由低到高分別為：智能連接層 （smart connection layer）、數(shù)據(jù)解釋層（datato-information conversion layer）、信息層（cyber layer）、認(rèn)知層 （cognition layer）和自主調(diào)節(jié)層 （configuration layer）。各層級(jí)及其所要求實(shí)現(xiàn)的功能如表1所示。智能連接層和數(shù)據(jù)解釋層重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了CPSs中對(duì)傳感器的要求，即多源信息（物理世界中的數(shù)據(jù)和信息世界中的反饋信息）的實(shí)時(shí)獲取與通訊。信息層和認(rèn)知層主要針對(duì)決策提出了相應(yīng)的要求，即多維信息的分析、管理、存儲(chǔ)和綜合以及基于所獲取信息的推理和決策。自主調(diào)節(jié)層滿足了執(zhí)行過(guò)程的需求，通過(guò)信息世界中的決策信息的執(zhí)行，從而對(duì)物理世界做出相應(yīng)的改變。

3 焊接產(chǎn)業(yè)的革新

在歷次工業(yè)革命的改革進(jìn)程中，焊接技術(shù)始終在制造業(yè)領(lǐng)域扮演著不可或缺的角色。在工業(yè)進(jìn)入電氣化時(shí)代之前，焊接技術(shù)主要停留在簡(jiǎn)單的鑄焊、釬焊及鍛焊等層面上，使用的熱源都是爐火，溫度低、熱源不集中，無(wú)法用于大截面、長(zhǎng)焊縫焊件的焊接；所加工的材料有限，成形零件性能低下[17]，只能用以制造裝飾品和簡(jiǎn)單的工具（圖4（a））。在第二次工業(yè)革命改革進(jìn)程中，電氣化技術(shù)的進(jìn)步為焊接技術(shù)的蓬勃發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這一時(shí)期，電弧焊、電阻焊的工業(yè)化應(yīng)用標(biāo)志著現(xiàn)代焊接技術(shù)的起源。藥皮焊條的發(fā)明確立了手工電弧焊正式進(jìn)入實(shí)用化階段（圖4（b））。美國(guó)諾布爾里發(fā)明的自動(dòng)電弧焊機(jī)，標(biāo)志著焊接進(jìn)入機(jī)械化、自動(dòng)化時(shí)代[18]。此后各種焊接技術(shù)如雨后春筍般被發(fā)明并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中。焊接技術(shù)的第二次重大飛躍出現(xiàn)在第三次工業(yè)革命。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，使得工業(yè)焊接過(guò)程從以單工位手工加工模式轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮土魉€機(jī)械化加工模式（圖4（c）），工業(yè)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)化和初步的智能化。與此同時(shí)，新能源、新材料、微電子技術(shù)取得重大突破，推動(dòng)了新型焊接方法的發(fā)明和應(yīng)用。隨著發(fā)達(dá)國(guó)家第三次工業(yè)改革進(jìn)程的逐步完善，焊接技術(shù)的發(fā)展速度也逐漸趨于平緩。

在“工業(yè)4.0”的改革浪潮中，很多相關(guān)制造業(yè)都爭(zhēng)先恐后搶占領(lǐng)域制高點(diǎn)?！肮I(yè)4.0”也對(duì)焊接產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求。信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展再一次為焊接技術(shù)的發(fā)展注入新活力，使得焊接技術(shù)更進(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化?，F(xiàn)階段，相對(duì)于材料冷加工諸多方法，焊接加工過(guò)程更加復(fù)雜，影響參數(shù)更多，但對(duì)其機(jī)理的認(rèn)識(shí)過(guò)程十分有限。與此同時(shí)，用戶對(duì)不同焊件的要求不盡相同，焊接加工零件的實(shí)際服役環(huán)境又有很大差別。這就急需整個(gè)焊接產(chǎn)業(yè)在“工業(yè)4.0”體系下實(shí)現(xiàn)信息共享，從而在產(chǎn)業(yè)鏈的每一環(huán)節(jié)都能夠考慮待焊零件整個(gè)生命周期的全方位信息。例如，對(duì)每個(gè)焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)估并且跟蹤零件服役狀態(tài)，可以促進(jìn)加工工藝的改善，提高焊接結(jié)構(gòu)件性能并且提升后續(xù)服務(wù)質(zhì)量。

圖5 CPSs 5C架構(gòu)下的智能焊接系統(tǒng)Fig.5 Intelligent welding system based on the 5C architecture of CPSs

“工業(yè)4.0”架構(gòu)下的智能焊接技術(shù)

智能焊接屬于智能制造的范疇，指在焊接加工過(guò)程中對(duì)相關(guān)機(jī)器與構(gòu)件進(jìn)行智能化、信息化升級(jí)[19-20]。智能焊接仍舊以“傳感-決策-執(zhí)行”為著眼點(diǎn)，對(duì)焊接過(guò)程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。一方面，智能焊接強(qiáng)調(diào)在加工過(guò)程中引入信息流，通過(guò)安裝多種傳感器的方式，更全面、具體地獲取加工過(guò)程信息，從而認(rèn)識(shí)加工過(guò)程；另一方面，智能焊接強(qiáng)調(diào)信息與人之間的轉(zhuǎn)換與融合，從而實(shí)現(xiàn)智能焊接加工系統(tǒng)與系統(tǒng)操作者無(wú)縫的人機(jī)交互?！肮I(yè)4.0”中智能焊接技術(shù)的實(shí)現(xiàn)著力于CPSs的基本5C架構(gòu)的各個(gè)層次，如圖5所示。

（1）智能連接層中智能焊接相關(guān)技術(shù)。

在CPSs 框架下構(gòu)建智能焊接系統(tǒng)，對(duì)焊接加工過(guò)程中信息的準(zhǔn)確、有效獲取是關(guān)鍵[21]。在焊接加工現(xiàn)場(chǎng)，需要對(duì)焊接參數(shù)（電流、電壓等）、焊接質(zhì)量（溫度場(chǎng)、應(yīng)力等）、焊道尺寸（焊道寬度、高度等）等信息進(jìn)行檢測(cè)。因此，需要在焊接系統(tǒng)中合理部署虛擬傳感器（焊接電壓、電流、網(wǎng)絡(luò)通信流量等）和物理傳感器（結(jié)構(gòu)光傳感器、熔池檢測(cè)CCD傳感器、焊道溫度傳感器等），并且通過(guò)有線或無(wú)線的方式組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程參數(shù)的在線檢測(cè)。單工位的傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以與其他工位傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和分享。傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的實(shí)時(shí)通訊，使得多傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的控制、協(xié)作變?yōu)榭赡?，為?shí)現(xiàn)基于態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)的獲取打下良好基礎(chǔ)。例如，針對(duì)大型薄壁結(jié)構(gòu)件多機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接曲線焊縫作業(yè)時(shí)，需要在各機(jī)械臂上部署的傳感器之間協(xié)調(diào)通訊，可以更準(zhǔn)確地獲取待加工零件信息。

（2）數(shù)據(jù)解釋層中智能焊接相關(guān)技術(shù)。

在數(shù)據(jù)解釋層中，對(duì)實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息層次上的轉(zhuǎn)換，從而提高對(duì)它的認(rèn)識(shí)。多傳感器的數(shù)據(jù)分析和多源數(shù)據(jù)融合可有效避免信息冗余和信息不足，與此同時(shí)提高檢測(cè)信息的可靠性等?；谥苯訖z測(cè)的信息，系統(tǒng)也可以推理出派生的信息，如統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的分布、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)等。另外，智能焊接系統(tǒng)也根據(jù)獲取的信息，對(duì)加工子系統(tǒng)的健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程信息的自主感知。例如：焊接機(jī)構(gòu)在加工過(guò)程中可對(duì)焊材（焊絲、保護(hù)氣）的剩余情況進(jìn)行監(jiān)控，從而判斷是否可以連續(xù)完成一個(gè)焊接任務(wù)。

（3）信息層中智能焊接相關(guān)技術(shù)。

信息層需要對(duì)物理過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)以及對(duì)獲取的信息進(jìn)行管理。通過(guò)構(gòu)建焊接過(guò)程模型和焊接相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型，智能焊接系統(tǒng)可以對(duì)自身操作的性能進(jìn)行評(píng)估，對(duì)當(dāng)前所處狀態(tài)進(jìn)行感知。例如：一方面可以對(duì)獲取信息的可靠性、準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估，從而決定是否依賴于所獲取的信息進(jìn)行決策。另一方面，根據(jù)相關(guān)模型，可以通過(guò)分析系統(tǒng)在時(shí)域下的不同狀態(tài)來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)的狀態(tài)。例如：對(duì)焊道尺寸在線檢測(cè)，可以通過(guò)預(yù)測(cè)控制算法，提升焊道尺寸控制器性能。另外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享、云計(jì)算等信息技術(shù)，可以獲取不同時(shí)空狀態(tài)下的加工參數(shù)和過(guò)程信息等。例如，通過(guò)本地系統(tǒng)訪問(wèn)云空間中的焊接加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅能提升系統(tǒng)的智能，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)焊接過(guò)程的遙監(jiān)控、遙操作等。

（4）認(rèn)知層中智能焊接相關(guān)技術(shù)。

對(duì)焊接過(guò)程相關(guān)知識(shí)進(jìn)行推理和表達(dá)以及基于知識(shí)的自主決策是焊接走向智能化的有效途徑?，F(xiàn)階段，受限于機(jī)器的智能水平，焊接過(guò)程中的很大一部分問(wèn)題仍然需要專家操作者做出決策。對(duì)此，可通過(guò)建立焊接專家系統(tǒng)的方式，在機(jī)器中固化一部分專家知識(shí)，使得機(jī)器可以自主完成比較簡(jiǎn)單的決策過(guò)程。另外，這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，需要機(jī)器對(duì)所獲取的知識(shí)進(jìn)行提煉，并且通過(guò)可以理解的語(yǔ)言與操作者實(shí)現(xiàn)交互，通過(guò)人機(jī)協(xié)同作用共同完成針對(duì)復(fù)雜任務(wù)的決策。例如：增強(qiáng)焊接機(jī)器人的在線學(xué)習(xí)能力，可以模擬操作者在實(shí)際加工過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)積累的過(guò)程。

（5）自主調(diào)節(jié)層中智能焊接相關(guān)技術(shù)。

針對(duì)認(rèn)知層中推理出的決策信息，自主調(diào)節(jié)層需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的行動(dòng)。這就要求機(jī)器能夠通過(guò)一定的控制器自主改變所檢測(cè)的參數(shù)信息。針對(duì)焊接過(guò)程多干擾、不穩(wěn)定的因素，控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)以及抗干擾等特性。例如，通過(guò)監(jiān)督控制、回彈控制等方式將決策信息演繹出來(lái)，實(shí)現(xiàn)虛擬世界與物理世界的深度融合。

智能焊接發(fā)展趨勢(shì)

智能焊接技術(shù)是“工業(yè)4.0”體系中的重點(diǎn)發(fā)展方向之一?！肮I(yè)4.0”體系強(qiáng)調(diào)工業(yè)制造業(yè)、產(chǎn)品和服務(wù)的全方位交叉滲透。智能焊接系統(tǒng)需要對(duì)焊接機(jī)器和構(gòu)件進(jìn)行智能化集成，從而實(shí)現(xiàn)全流程的協(xié)同制造。目前，焊接系統(tǒng)的智能化水平仍然有限，制造業(yè)用的工業(yè)焊接機(jī)器人仍停留在示教再現(xiàn)階段。對(duì)智能焊接的初步研究也局限于針對(duì)焊接過(guò)程中某一參數(shù)的控制。在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，智能焊接的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）多種傳感手段的使用。在焊接加工現(xiàn)場(chǎng)部署多傳感器，對(duì)焊接過(guò)程的上下文信息進(jìn)行在線檢測(cè)，包括加工過(guò)程相關(guān)參數(shù)、加工環(huán)境信息、操作者狀態(tài)以及機(jī)器健康狀態(tài)。尤其是通過(guò)機(jī)器對(duì)全方位信息檢測(cè)和預(yù)測(cè)，是機(jī)器進(jìn)行自我感知和情景感知的前提條件。

（2）加工數(shù)據(jù)的管理與共享。針對(duì)不同來(lái)源、多種類數(shù)據(jù)的管理與分析，可以有效地提高關(guān)鍵信息的可靠性和準(zhǔn)確性。另外，通過(guò)數(shù)據(jù)共享，與“大數(shù)據(jù)”、“云計(jì)算”等信息技術(shù)相結(jié)合，可快速制定焊接加工方案，并實(shí)現(xiàn)焊接加工的遙操作、監(jiān)督控制。

（3）機(jī)器智能的實(shí)現(xiàn)。機(jī)器智能的實(shí)現(xiàn)主要依托于計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)等的發(fā)展。一方面，將焊接知識(shí)和人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行規(guī)則化，轉(zhuǎn)化為機(jī)器可以理解的語(yǔ)言，使得機(jī)器具有理解焊接加工問(wèn)題的能力。另一方面，以此為基礎(chǔ)，制定合適的推理規(guī)則和算法，使得機(jī)器具有對(duì)簡(jiǎn)單問(wèn)題決策的能力。

（4）良好的人機(jī)交互。智能焊接系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)合理的手段與操作者進(jìn)行“對(duì)話”。使得人和機(jī)器各自發(fā)揮所長(zhǎng)。促進(jìn)人與機(jī)器之間的合作，從而提高焊接系統(tǒng)解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。更進(jìn)一步說(shuō)，智能機(jī)器與人的交互過(guò)程應(yīng)該是建立在機(jī)器對(duì)操作者當(dāng)前狀態(tài)感知的前提下的。機(jī)器需要針對(duì)操作者不同的工作狀態(tài)、疲勞程度以及業(yè)務(wù)熟練程度采取不同的交互策略和自主等級(jí)。

（5）柔性化、個(gè)性化焊接服務(wù)的制定與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)靈活的焊接系統(tǒng)集成方案，為用戶提供個(gè)性化的焊接加工服務(wù)是“工業(yè)4.0”體系所強(qiáng)調(diào)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)基于焊接的增材制造技術(shù)的發(fā)展，可以有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并且降低加工制造成本。另外，柔性化加工促進(jìn)“云工廠”概念的實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)共享焊接加工流水線的方式，利用空閑加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)綠色、高效、人性化的焊接加工服務(wù)。

（6）統(tǒng)一焊接設(shè)備的通訊接口。智能焊接系統(tǒng)中，要求機(jī)器與機(jī)器、人與機(jī)器之間的緊密通信。這就需要確定相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，與整個(gè)“工業(yè)4.0”體系的通信標(biāo)準(zhǔn)相一致，從而促進(jìn)分布式的多智能焊接加工平臺(tái)的發(fā)展。另外，統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)可以促進(jìn)傳感器、控制器、數(shù)字化焊機(jī)等數(shù)據(jù)終端的即插即用，可以有效縮短焊接系統(tǒng)的搭建時(shí)間。

（7）信息安全需要全面升級(jí)。在焊接加工過(guò)程的信息化升級(jí)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)、信息和數(shù)據(jù)的安全性需要得到高度的重視。發(fā)展信息安全防護(hù)技術(shù)，可以防止用戶的相關(guān)信息和企業(yè)加工關(guān)鍵技術(shù)的泄漏，并且防止通過(guò)網(wǎng)絡(luò)漏洞進(jìn)行的惡意攻擊，從而保障加工過(guò)程的順利進(jìn)行。

結(jié)束語(yǔ)

“工業(yè)4.0”對(duì)智能焊接技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。本文對(duì)基于工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈下“工業(yè)4.0”體系進(jìn)行了介紹，并且根據(jù)CPSs的基本5C架構(gòu)分析了各層次中智能焊接的關(guān)鍵技術(shù)。最后，對(duì)智能焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望?！肮I(yè)4.0”體系下的智能焊接的發(fā)展不僅僅局限于對(duì)焊接過(guò)程的智能決策和控制，而且還需要考慮整個(gè)焊接產(chǎn)業(yè)，從而滿足綠色、柔性化、個(gè)性化的焊接加工方案，在計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的發(fā)展潮流中保持產(chǎn)業(yè)活力。

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