MATLAB在焊接機器人應(yīng)用與維護(hù)課程中的作用

（江蘇省徐州技師學(xué)院，徐州 221000）

0 引言

焊接機器人應(yīng)用與維護(hù)課程是焊接專業(yè)核心課程之一，該專業(yè)綜合了焊接及設(shè)備操作等知識，開設(shè)了焊接工藝、焊接設(shè)備、焊接檢測、焊接操作實訓(xùn)課程等。主要培養(yǎng)焊接機器人操作工及應(yīng)用維護(hù)專業(yè)技術(shù)人員，該專業(yè)的學(xué)生需具備焊工中級工、高級工技能等級資格證書及焊接設(shè)備操作工資格證書。近幾年，工業(yè)機器人應(yīng)用越來越廣泛，很多中小型企業(yè)都有機器人生產(chǎn)線，尤其是以焊接為主要技術(shù)工種的淮海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，對焊接機器人操作工需求更是供不應(yīng)求。因此，培養(yǎng)既能操作又具備機器人維護(hù)基礎(chǔ)的技能人才是迫在眉睫的。

但在該專業(yè)學(xué)習(xí)過程中，無論是傳統(tǒng)的手工焊接方法還是適用機器人焊接，焊接工藝參數(shù)是影響焊縫成形的關(guān)鍵因素。眾所周知，焊縫成形是多因素作用的結(jié)果，成形過程很抽象，學(xué)生理解有一定難度，因此，在該課程的教學(xué)過程中除了課堂上的理論講授、多媒體課件的演示外，實驗教學(xué)以及利用MATLAB軟件完成焊接工藝參數(shù)優(yōu)化也是十分重要的。多種教學(xué)方法相結(jié)合可以激發(fā)學(xué)生對焊接專業(yè)的興趣，在未來的職業(yè)道路上讓他們有能力適應(yīng)崗位要求。

MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，可使學(xué)生快速高效的得到不同焊縫外形尺寸下的焊接工藝參數(shù)。以往獲得焊接參數(shù)與焊縫成形各因素之間的關(guān)系都是通過不斷的焊接試驗后對焊縫進(jìn)行外觀檢測和無損檢測，與現(xiàn)在的方法相比，不但快速得到實驗結(jié)果，還提高了學(xué)習(xí)效率，結(jié)合實際焊接方法的操作應(yīng)用，能讓學(xué)生不受時間約束，充分發(fā)揮自主學(xué)習(xí)的能力和想象力，對解決生產(chǎn)實際問題奠定了基礎(chǔ)。

1 MATLAB在教學(xué)中的作用

在焊接機器人教學(xué)中，通過將MATLAB引入課程教學(xué)，該教學(xué)內(nèi)容包括焊接機器人基礎(chǔ)知識，主要有機器人本體、控制柜、焊接系統(tǒng)、清槍系統(tǒng)的功能及作用，機器人運動方式，機器人示教功能及坐標(biāo)系的運用，機器人零點校正及TCP工具校驗，常規(guī)的機器人生產(chǎn)維護(hù)保養(yǎng)知識。MATLAB的應(yīng)用使得枯燥的理論教學(xué)多了一些多媒體、仿真和交互性操作，將原本很難理解的抽象過程MATLAB的計算功能和圖形處理功能，可使其準(zhǔn)確、形象、直觀地表現(xiàn)出來，從而加深了學(xué)生理解，事半功倍的提高了教學(xué)效果。

在該系統(tǒng)軟件中，我們設(shè)計出了仿真演示機器人動作和示教過程，設(shè)計了直線編程軌跡和圓弧編程軌跡動畫，插入了機器人現(xiàn)場焊接操作視頻，運用多層多道視頻加深對多層多道概念的理解，通過尋位程序的演示使得學(xué)習(xí)不再受時間、地點和實習(xí)環(huán)境的局限，學(xué)生可以利用課外時間進(jìn)行復(fù)習(xí)，預(yù)習(xí)及鞏固知識要點。

2 MATLAB焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

在焊接機器人操作應(yīng)用中，焊接工藝參數(shù)設(shè)置是決定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，傳統(tǒng)的焊工在不斷施焊過程中總結(jié)經(jīng)驗得到合理的焊接工藝參數(shù)，這對操作工有一定的技術(shù)要求，但若運用MATLAB可以實現(xiàn)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，學(xué)習(xí)者只需要將焊縫外形尺寸參數(shù)輸入，就能得到合理的焊接電流、焊接電壓、焊接速度。此方法的運用，不但提高了工作效率，還便于掌握焊接工藝參數(shù)，減少了施焊次數(shù)及耗材，使學(xué)習(xí)者快速掌握該技術(shù)。

機器人焊接過程中，決定焊縫外形尺寸有熔寬、熔深、熔高；需要設(shè)置的焊接參數(shù)有焊接電流、焊接電壓、焊接速度。送絲速度決定焊接電流大小，電流越大，容易增大飛濺，需要與電壓配合設(shè)置，才能得到較好的焊縫成形。電壓越大，熔寬越大，熔深越大，熔敷率越大。焊接速度越大，熔高越大，熔寬變小，熔深變小。因此，獲得較好的焊縫成形需要焊接電流、焊接電壓、焊接速度等參數(shù)相互匹配[1]。

焊接過程是復(fù)雜的多耦合的過程，很多因素影響著焊縫成形過程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦生物過程的人工智能技術(shù)，具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)和很強的非線性映射能力，因此在該領(lǐng)域很多專家和學(xué)者運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬復(fù)雜的焊接成形過程。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最常用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運用BP算法是一種多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，常應(yīng)用與軟件中實現(xiàn)其功能。

MATLAB是理工科研究中常用的軟件，擁有強大的可視化功能和數(shù)值運算。與其他程序語言相比，MATLAB優(yōu)勢在于對矩陣等算法處理能力強，程序可讀性強，調(diào)試方便。可以將建模仿真、數(shù)據(jù)處理、可視化應(yīng)用等集成于MATLAB工具箱中，各專業(yè)性較強的學(xué)科基礎(chǔ)程序都在工具箱中，用戶只需要調(diào)用相關(guān)程序，就可以實現(xiàn)不同學(xué)科功能。

本文中運用MATLAB工具箱進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計形式通常采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在焊接參數(shù)優(yōu)化過程中，設(shè)置了該網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)為焊接電流、焊接電壓、焊接速度；輸出參數(shù)為熔寬、熔深、熔高[2]。因此設(shè)置輸入層節(jié)點數(shù)為3，隱含層節(jié)點數(shù)為7，輸出層節(jié)點數(shù)1。隱含層及輸出層函數(shù)均為tagsig，權(quán)值、閥值初始值及相應(yīng)訓(xùn)練參數(shù)均為默認(rèn)值[3]。訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)為前饋型，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是通過輸出值和目標(biāo)值誤差，通過每個節(jié)點的權(quán)值和閥值進(jìn)行不斷調(diào)整，達(dá)到理想目標(biāo)值的過程。將訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)保存為函數(shù)，在MATLAB中調(diào)用后，輸入焊縫外形尺寸熔寬、熔深、熔高就能得到焊接電流、焊接電壓、焊接速度。

3 焊接機器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)教學(xué)改革

焊接機器人應(yīng)用與維護(hù)專業(yè)學(xué)生對調(diào)整焊接工藝參數(shù)這課題的訓(xùn)練途徑是通過不斷的實訓(xùn)，在施焊過程中讓學(xué)生通過焊縫外觀成形判斷焊接參數(shù)是否合理。該教學(xué)方法的弊端有兩點：一是浪費耗材包括焊絲、焊槍易損件、混合氣體、板材等。二是學(xué)生不能直觀的判斷如何調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，初學(xué)者缺乏焊接基礎(chǔ)和焊接經(jīng)驗，不能很快熟練和掌握。

面對豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，現(xiàn)代化的教學(xué)設(shè)備，雄厚的理論基礎(chǔ)，如何運用網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，改進(jìn)教學(xué)方式優(yōu)化教學(xué)過程，已成為我們必須研究的重要課題。將MATLAB引入到教學(xué)中開發(fā)交互式教學(xué)系統(tǒng)，交互式軟件便于任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法，小組學(xué)習(xí)法，等教學(xué)方法的實施。小組間形成合作競爭關(guān)系，得到最優(yōu)的焊接參數(shù)。基于網(wǎng)絡(luò)的教師交互式教學(xué)系統(tǒng)在教育信息化建設(shè)中可以成為教師開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實踐探究的試驗田和師生互動的平臺，促使教學(xué)“虛擬學(xué)習(xí)共同體”的形成。

4 結(jié)束語

將MATLAB引入到教學(xué)中能夠有效整合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，開發(fā)教師網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的通用模塊，減少資源浪費，將枯燥乏味的焊接過程變成趣味的操作游戲，學(xué)生從中不僅掌握了焊接工藝參數(shù)如何優(yōu)化，還能培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作的能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力，有助于職業(yè)能力素養(yǎng)的養(yǎng)成。