汽車車身CO2智能焊接機器人研究綜述與展望

覃江繁

摘 要：焊接機器人的出現(xiàn)，讓人類的雙手得到了解放。而焊接機器人焊接工藝對汽車車身焊縫質(zhì)量有著至關重要的影響。本文首先敘述國內(nèi)外焊接機器人的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的焊接問題，并對焊接工藝的難度進行了討論。最后對智能焊接機器人的發(fā)展趨勢進行了展望，提出了未來智能機器人的研究方向。

關鍵詞：焊接機器人 自動焊工藝 智能控制

1 引言

近年來，隨著我國工業(yè)技術的快速發(fā)展，世界汽車生產(chǎn)發(fā)展的趨勢向多品種、小批量的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，為了滿足汽車消費者廣泛而多樣化的需求，適應汽車市場的激烈競爭，必須依賴先進自動化及智能技術。而車身焊接時，焊接工藝的設計直接關系到焊接精度和焊接實時性的提高。

焊接工藝是焊接流程中最重要的一個環(huán)節(jié)，它是利用電能或者其他能源轉(zhuǎn)化為熱能實現(xiàn)材料焊接的一種熱加工方法[1]。隨著工業(yè)自動化行業(yè)的快速發(fā)展，焊接不斷被認為是改善產(chǎn)品壽命成本、質(zhì)量和可靠性的重要手段，并且對提高產(chǎn)品的市場競爭力有著重要作用[2]。

2 工程焊接在國內(nèi)外的應用趨勢

2.1 焊接工藝國外研究狀況

世界各主要工業(yè)發(fā)達國家都非常重視發(fā)揮焊接研究機構的作用，基本上都形成以大學研究所為中心，并應用到企業(yè)中去的研究開發(fā)體系，希望采用先進焊接技術來提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，以此來和勞動力多且價格低廉的國家進行市場競爭。

其中美國EWI公司[3]制定“在線焊接指南”，并且通過對天然氣管道的焊接進行實驗驗證。日本大阪大學（Osaka University）的Masahito MOCHIZUKI等利用力學建模和模擬技術，研究焊接過程和熱輸入條件對焊縫引起的角度畸變影響，從而確定在焊接工藝中影響角變形的主導因素[4]?；F盧大學（University of Waterloo）的N.Sreenivasan[5]研究了激光焊接方式對980不銹鋼的焊縫成形影響。芬蘭的拉彭蘭塔理工大學學者闡述了異種金屬熔焊的基本原理，對不同類型的金屬如不銹鋼、碳鋼和低合金鋼進行實驗及總結，并得出焊接工藝是影響異種金屬焊接的重要因素[6]。Joffin George[7]等學者開發(fā)一種用于地下管道裂縫檢測和機器人焊接的工藝，由此解決了在管道等空間狹小的地域進行焊接與維護的局限性操作問題。

2.2 焊接工藝國內(nèi)研究狀況

我國對機器人焊接工藝的研究相比發(fā)達國家來說起步較晚，地域差異性較大，存在工藝落后、依賴人工才能完成設備加工的現(xiàn)象[8]。近年來，我國對于機器人焊接工藝研究與開發(fā)的同時，對于弧焊電源、仿真技術以及智能控制等也不斷投入大量的研究，并不斷進行創(chuàng)新[9]，部分產(chǎn)品已接近國際先進水平。目前國內(nèi)焊接工藝主要分為四種，分別為電弧焊焊接工藝、氬弧焊焊接工藝、激光焊焊接工藝、氣體保護焊焊接工藝[10]，其中氣體保護焊主要分類如圖1所示。

江蘇科技大學[11]對于馬鞍形管接口坡口角度隨空間位置變化而變化的問題進行了大量工藝研究，通過運用機器人智能焊接，得到高質(zhì)量的焊縫。

王曉峰[12]通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡，通過焊縫位姿的焊槍角度匹配工藝參數(shù)，提升零件的焊縫質(zhì)量。中車株洲電力機車有限公司的黃家慶[13]通過改變的Ar和CO2混合氣體配比（體積比為4：1），改善了焊接零件強度。

3 車身弧焊焊接工藝缺點

焊接機器人雖然解放了焊接工人的雙手，提高了生產(chǎn)效率。但是目前還無法做到柔性焊接，汽車主機廠焊接機器人還需依靠專業(yè)的工程師編程，普通車間工人無法完成機器人焊接編程，如圖2所示車身焊接機器人。面臨焊接結構和材料及工藝方法的多樣性、焊接生產(chǎn)環(huán)境的復雜性和時變性、以及先進制造領域不斷提出的高標準新要求等諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的焊接系統(tǒng)難以應對，大量重要的焊接作業(yè)尚無法真正實現(xiàn)柔性焊接。因為焊接過程的路徑規(guī)劃樣式多種多樣，選用時要根據(jù)接頭形式、間隙、焊縫的空間位置等方面確定需要的焊接樣式，對于普通用戶來說，難以具備相應的焊接知識。最根本的原因是焊道自動識別及跟蹤控制不精確，仿真環(huán)境到實際環(huán)境的遷徙算法不精準。

4 展望

未來的焊接機器人將會越來越智能，焊接機器人不僅能夠取代工人進行焊接，還能模仿人腦進行復雜多變的自適應焊接。為了實現(xiàn)焊接機器人的柔性焊接，需要克服傳統(tǒng)機器人單一特征決策方法適用性低、精度欠佳等弊端。激光視覺示教的焊接路徑規(guī)劃主要包括激光視覺模塊、焊接路徑規(guī)劃模塊以及機器人焊接模塊，其中弧焊機器人焊接路徑規(guī)劃設計框架如圖3所示。

在智能化焊接過程中，充分利用不同特征信息實時糾正焊道軌跡偏移，自適應調(diào)整焊接過程的工藝參數(shù)，對維持焊接過程穩(wěn)定性、保證焊接接頭質(zhì)量。設想未來焊接數(shù)據(jù)庫按照一定的焊接條件（如接頭類型、坡口類型等）進行索引，自動匹配得到適合的焊接路徑樣式與對應的焊接工藝參數(shù)，并調(diào)用焊接路徑規(guī)劃模塊，進行焊接路徑插補。最后結合焊接模塊將焊接路徑插補點下發(fā)配合數(shù)字焊機協(xié)同操作實現(xiàn)焊接作業(yè)，有效提升焊道軌跡檢測結果的準確性和魯棒性。

參考文獻：

[1]宋顯中.我國焊接工藝的現(xiàn)狀及其發(fā)展[J]. 科技視界，2014（14）：95.

[2]蘭月.國外焊接技術創(chuàng)新狀況[J].電源技術應用，2009（12）：74-75.

[3]美國EWI公司[EB/OL]. https：//ewi.org/.

[4]GANNON L，LIU Y，PEGG N，et al.Effect of welding sequence on residual stress and distortion in flat-bar stiffened plates[J]. Marine Structures，2010，23（3）：385-404.

[5]MOCHIZUKI M，OKANO S. Effect of Laser Welding on Formability of DP980 steel[J]. ISIJ Int， 2018（58）：153-158.

[6] MVOLA B， KAH P， MARTIKAINEN J， et al. State-of-the-art of advanced gas metal arc welding processes： Dissimilar metal welding[Z]. London， England： SAGE Publications， 2015： 229， 1694-1710.

[7] GEORGE J， NAVEEN N， MADHAVA PANICKER P R. Manipulator robot for crack detection and welding in underground process pipes， 2014[C]. IEEE.

[8] Dinesh Elayaperumal， Young Hoon Joo，Robust visual object tracking using context-based spatial variation via multi-feature fusion，Information Sciences，Volume 577，2021，Pages 467-482，ISSN 0020-0255.

[8]劉文.機器人變坡口角度焊接工藝研究[D]. 江蘇：江蘇科技大學，2012.

[9]韓帥.發(fā)展趨勢研究[J]. 科技展望，2016（04）：52.

[10]張濤.焊接工藝的技術要點闡述[J]. 科技創(chuàng)新導報，2018（03）：90-91.

[11]王曉峰，陳煥明.弧焊機器人焊接姿態(tài)與工藝參數(shù)聯(lián)合規(guī)劃[J].焊接技術，2008（06）：29-31.

[12]黃家慶.空心軸機器人焊接工藝改進[J]. 金屬加工（冷加工），2016（S1）：601-605.

[13]楊永波，崔彤，秦偉濤等.焊接機器人工作站系統(tǒng)中焊接工藝的設計[J].焊接， 2015（08）：43-45.

[14]Shengli Li，Napat Vajragupta， Abhishek Biswas， Wenshen Tang， Hao Wang， Aleksander Kostka， Xinqi Yang， Alexander Hartmaier，Effect of microstructure heterogeneity on the mechanical properties of friction stir welded reduced activation ferritic/martensitic steel，Scripta Materialia，Volume207，2022，114306，ISSN 1359-6462.