智能化焊接機(jī)器人展望

王二橋

摘 要： 機(jī)器人焊接已經(jīng)成為自動(dòng)化焊接的主要標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接過(guò)程智能化是機(jī)器人焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文從焊接傳感技術(shù)、焊縫跟蹤技術(shù)、焊接路徑規(guī)劃技術(shù)與焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)四個(gè)方面介紹機(jī)器人焊接智能化關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀及其面臨的問(wèn)題，也展望了焊接機(jī)器人智能化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人焊接；智能化技術(shù)；多信息傳感；智能控制

焊接生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、柔性化以及智能化是焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，采用機(jī)器人焊接已經(jīng)成為自動(dòng)化焊接的主要標(biāo)志。機(jī)器人焊接技術(shù)具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的廣泛關(guān)注，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，焊接機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于船舶、汽車工業(yè)、航天、電子電氣行業(yè)及其他相關(guān)制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。隨著智能制造、工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃的提出與實(shí)施，焊接機(jī)器人將會(huì)在制造業(yè)中扮演越來(lái)越重要的角色。目前，焊接機(jī)器人的研究與應(yīng)用水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)先進(jìn)程度的重要標(biāo)志之一。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接過(guò)程智能化是機(jī)器人焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用的焊接機(jī)器人仍然是“示教再現(xiàn)型”，其焊接路徑與焊接參數(shù)是根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置的，焊接時(shí)缺乏對(duì)外部信息傳感與實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)的功能，一般僅用于汽車骨架等焊接條件比較一致的大批量焊接。并且“示教型”焊接機(jī)器人進(jìn)行新產(chǎn)品焊接時(shí)，焊前準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于中小批量產(chǎn)品的焊接，相比于手工焊接不具備焊接效率與成本上的優(yōu)勢(shì)，限制了焊接機(jī)器人的應(yīng)用范圍。因此迫切需要在機(jī)器人焊接中應(yīng)用智能化技術(shù)，提高焊接機(jī)器人智能化水平，擴(kuò)大焊接機(jī)器人的應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)外機(jī)器人焊接智能化技術(shù)研究表明，焊接傳感技術(shù)、焊縫跟蹤技術(shù)、焊接路徑規(guī)劃技術(shù)與焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)4個(gè)方面是制約機(jī)器人焊接技術(shù)發(fā)展的瓶頸，也是目前機(jī)器人焊接智能化技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本文從這4個(gè)方面介紹近些年來(lái)智能化技術(shù)的研究成果及其面臨的問(wèn)題，并對(duì)智能化技術(shù)各方面的發(fā)展進(jìn)行展望。

一、焊接傳感技術(shù)

焊接過(guò)程的傳感是機(jī)器人焊接智能控制行為的前提條件，如同人工智能行為的感知功能，機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲取焊接過(guò)程的各種狀態(tài)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接的智能控制行為。研究學(xué)者對(duì)焊接過(guò)程的傳感技術(shù)的研究開(kāi)展了許多的工作，開(kāi)發(fā)了許多種類的傳感器，用于對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行感知，進(jìn)而智能控制焊接過(guò)程。已有的研究表明，單一的傳感器在反映焊接狀態(tài)的全面性與準(zhǔn)確性存在不足，采用多傳感信息融合技術(shù)能獲取更多的焊接過(guò)程狀態(tài)信息，能更全面和真實(shí)的表達(dá)焊接過(guò)程。

（一）焊接過(guò)程中的各類傳感器

基于傳感原理對(duì)焊接傳感器進(jìn)行分類，主要包括：視覺(jué)傳感、電弧傳感、聲學(xué)傳感、光譜傳感、溫度傳感等。

（二）多傳感信息融合技術(shù)

多傳感信息融合技術(shù)是在焊接過(guò)程中采用多個(gè)傳感器，從多角度、多方面對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行傳感，然后使用信息融合技術(shù)對(duì)多傳感信息進(jìn)行融合處理，獲取更加準(zhǔn)確、全面的焊接過(guò)程狀態(tài)的融合信息。該方法對(duì)錯(cuò)誤信息的容錯(cuò)能力較強(qiáng)、更加真實(shí)全面的描述焊接過(guò)程狀態(tài)，因此能夠更加準(zhǔn)確控制焊接質(zhì)量，是未來(lái)傳感技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。目前針對(duì)焊接過(guò)程的多傳感信息融合技術(shù)的研究才剛剛起步，已展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

二、焊縫跟蹤技術(shù)

焊接過(guò)程的跟蹤與糾偏是智能化焊接必須面對(duì)與解決的問(wèn)題之一。實(shí)際焊接過(guò)程中，受到加工精度、裝配精度與熱變形等因素的影響，使焊槍偏離焊接軌跡，從而導(dǎo)致焊接質(zhì)量下降甚至工件報(bào)廢。所以智能化焊接要求在焊接時(shí)，利用傳感器檢測(cè)出焊縫偏差信息，并根據(jù)偏差信息實(shí)時(shí)反饋調(diào)整焊接路徑與焊接參數(shù)。根據(jù)焊縫跟蹤中所用到的傳感器種類的不同可以分為視覺(jué)、電弧、超聲波、接觸式感應(yīng)跟蹤等，其中視覺(jué)跟蹤和電弧跟蹤是焊縫跟蹤技術(shù)研究的重點(diǎn)。

（一）視覺(jué)跟蹤法

視覺(jué)跟蹤法是通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取焊縫圖像，然后檢測(cè)出焊縫中心線，從而實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤過(guò)程的方法。該跟蹤方法幾乎能實(shí)現(xiàn)所有接頭形式的焊縫跟蹤，在焊縫跟蹤中應(yīng)用也最為廣泛。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要包括： 焊縫圖像的獲取、圖像處理、特征點(diǎn)提取、焊縫中心線的擬合及焊槍末端的跟蹤控制等。

（二）電弧跟蹤法

電弧跟蹤法是利用電弧傳感器測(cè)量焊接過(guò)程中電信號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)出焊縫偏差信息，從而實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程糾偏的方法。該方法不受焊接飛濺、弧光、煙塵等干擾，焊槍可達(dá)性好，信號(hào)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，成本較低，在焊縫跟蹤中取得較廣泛的應(yīng)用。

三、焊接路徑規(guī)劃技術(shù)

焊接機(jī)器人的焊接路徑獲取方法主要有三種：手工示教、離線編程和在線自主編程。

（一）手工示教法

手工示教法是利用操作工人手動(dòng)操作示教盒，控制焊槍末端生成實(shí)際焊接軌跡的一種在線手動(dòng)編程方法。手工示教法具有操作簡(jiǎn)單，對(duì)焊接條件適應(yīng)性較強(qiáng)，并廣泛應(yīng)用于焊接機(jī)器人。由于焊接路徑受人為因素影響較大，路徑參數(shù)規(guī)劃效率低，所以限制了焊接機(jī)器人在中小批量焊接中的應(yīng)用。

（二）離線編程法

離線編程法也稱為虛擬示教法，是利用交互式三維圖形軟件對(duì)機(jī)器人、工件及其環(huán)境進(jìn)行建模，并在模擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬示教，進(jìn)而將示教結(jié)果轉(zhuǎn)化實(shí)際焊接路徑的方法。該方法能夠提高機(jī)器人的使用效率和焊接自動(dòng)化水平，降低成本。但通過(guò)離線編程獲取的焊接路徑在實(shí)際焊接時(shí)仍需要進(jìn)行校準(zhǔn)與修正才能使用。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于焊接路徑規(guī)劃的離線編程還處于研究試驗(yàn)階段，而國(guó)外一些工業(yè)機(jī)器人廠家已經(jīng)開(kāi)發(fā)離線編程軟件用于實(shí)際生產(chǎn)。

（三）在線自主編程法

在線自主編程法是借助于視覺(jué)傳感器識(shí)別焊縫并獲取焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接路徑自主規(guī)劃的方法。該方法能夠有效模擬人工焊接中觀察-決策這一智能行為，提高了焊接機(jī)器人的智能化水平，是焊接路徑規(guī)劃技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在基于視覺(jué)傳感的焊縫三維坐標(biāo)重建上進(jìn)行了深入的研究，焊縫定位誤差已經(jīng)基本能滿足一般電弧焊接技術(shù)要求。

四、焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)

焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)是在焊接過(guò)程中，利用視覺(jué)傳感方法監(jiān)控、檢測(cè)焊接動(dòng)態(tài)熔池幾何尺寸、焊縫背面熔寬的變化，根據(jù)變化相應(yīng)的實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)、焊槍姿態(tài)與運(yùn)動(dòng)軌跡，使焊縫得到良好成形。焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)主要包括：焊接熔池動(dòng)態(tài)信息傳感、焊接過(guò)程建模，智能控制器設(shè)計(jì)三個(gè)方面。

（一）焊接熔池動(dòng)態(tài)信息傳感

焊接熔池動(dòng)態(tài)信息傳感是焊縫成形質(zhì)量控制過(guò)程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。基于視覺(jué)傳感在線實(shí)時(shí)獲取的熔池動(dòng)態(tài)信息能夠直接反應(yīng)焊接過(guò)程金屬熔化的動(dòng)態(tài)行為，因此視覺(jué)傳感方法是焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程控制中最常用到的方法。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)視覺(jué)傳感測(cè)量焊接動(dòng)態(tài)熔池自由表面參數(shù)的方法進(jìn)行了深入研究。

（二）焊接過(guò)程建模與控制器設(shè)計(jì)

焊接過(guò)程的建模是在焊接過(guò)程中，建立焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律模型。建模是控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其模型的準(zhǔn)確性決定了控制系統(tǒng)對(duì)焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程控制有效性。由于焊接過(guò)程具有多變量耦合、時(shí)變、非線性等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型無(wú)法真實(shí)的反應(yīng)焊接過(guò)程，很難達(dá)到理想的控制效果。隨著現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊集合與粗糙集合等智能建模方法的提出與應(yīng)用到焊接過(guò)程的模型建立中，焊縫成形質(zhì)量控制技術(shù)有了顯著的突破。

五、結(jié)論與展望

智能化技術(shù)是保證焊接機(jī)器人獲取更高焊接質(zhì)量與生產(chǎn)效率的關(guān)鍵技術(shù)，是解決焊接機(jī)器人在船舶、航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域進(jìn)一步深入應(yīng)用的關(guān)鍵。從上述的研究現(xiàn)狀可以看出焊接機(jī)器人智能化技術(shù)取得了較大的進(jìn)展，但仍然還有許多問(wèn)題需要解決。焊接機(jī)器人各方面智能化關(guān)鍵技術(shù)中：

焊接傳感技術(shù)將由單一傳感方法向多傳感信息融合方法發(fā)展，以確保焊接狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性與完整性；

研制出成本較低、精度較高、實(shí)時(shí)性較好、適應(yīng)性較強(qiáng)的視覺(jué)跟蹤系統(tǒng)是焊縫跟蹤技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)，將會(huì)為機(jī)器人激光焊的焊縫跟蹤應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

基于視覺(jué)傳感的在線自主路徑規(guī)劃技術(shù)將是焊接路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著對(duì)焊接過(guò)程了解的深入，協(xié)同調(diào)節(jié)各種焊接參數(shù)控制焊接過(guò)程將是焊縫成形控制技術(shù)的發(fā)展方向。

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，機(jī)器人焊接各方面智能化技術(shù)的問(wèn)題得到有效解決，并取得巨大突破，機(jī)器人焊接技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新階段。智能化焊接機(jī)器人終將會(huì)逐步取代焊工。