智能化焊接機器人

　　一、前言

　　焊接機器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(yè)機器人，在各國機器人應(yīng)用比例中大約占總數(shù)的40%～60%。采用機器人焊接是焊接自動化的革命性進步，它突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動化方式，開拓了一種柔性自動化新方式。剛性自動化焊接設(shè)備一般都是專用的，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)，因而在中、小批量產(chǎn)品焊接生產(chǎn)中，焊條電弧焊仍是主要焊接方式，焊接機器人使小批量產(chǎn)品的自動化焊接生產(chǎn)成為可能。

　　焊接機器人的主要優(yōu)點如下：

　　1)易于實現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性;

　　2)提高生產(chǎn)率，一天可24h連續(xù)生產(chǎn);

　　3)改善工人勞動條件，可在有害環(huán)境下長期工作：

　　4)降低對工人操作技術(shù)難度的要求;

　　5)縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資;

　　6)可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動化;

　　7)為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。

　　二、機器人焊接智能化系統(tǒng)技術(shù)組成

　　機器人焊接智能化系統(tǒng)是建立在智能反饋控制理論基礎(chǔ)之上，涉及眾多學(xué)科綜合技術(shù)交叉的先進制造系統(tǒng)。除了不同的焊接工藝要求不同的焊接機器人實現(xiàn)技術(shù)與相關(guān)設(shè)備之外，現(xiàn)行機器人焊接智能化系統(tǒng)可從宏觀上劃分為如圖1所示的組成部分：

　　1)機器人焊接任務(wù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)設(shè)計技術(shù);

　　2)焊接環(huán)境、焊縫位置及走向以及焊接動態(tài)過程的智能傳感技術(shù);

　　3)機器人運動軌跡控制實現(xiàn)技術(shù);

　　4)焊接動態(tài)過程的實時智能控制器設(shè)計;

　　5)機器人焊接智能化復(fù)雜系統(tǒng)的控制與優(yōu)化管理技術(shù)。

　　三、機器人焊接任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

　　機器人焊接任務(wù)職能規(guī)劃系統(tǒng)的基本任務(wù)是在一定的焊接工作區(qū)內(nèi)自動生成從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的機器人動作序列、可達(dá)的焊槍運動軌跡和最佳的焊槍姿態(tài)、以及與之相匹配的焊接參數(shù)和控制程序，并能實現(xiàn)對焊接規(guī)劃過程的自動仿真與優(yōu)化。

　　機器人焊接任務(wù)規(guī)劃可歸結(jié)為人工智能領(lǐng)域的問題求解技術(shù)，其包含焊接路徑規(guī)劃和焊接參數(shù)規(guī)劃兩部分。由于焊接工藝及任務(wù)的多樣性與復(fù)雜性，在實際施焊前對機器人焊接的路徑和焊接參數(shù)方案進行計算機軟件規(guī)劃(即CAD仿真設(shè)計研究)是十分必要的。這一方面可以大幅度節(jié)省實際示教對生產(chǎn)線的占用時間，提高焊接機器人的利用率，另一方面還可以實現(xiàn)機器人運動過程的焊前模擬，保證生產(chǎn)過程的有效性和安全性。

　　機器人焊接參數(shù)規(guī)劃主要是指對焊接工藝過程中各種質(zhì)量控制參數(shù)的設(shè)計與確定。焊接參數(shù)規(guī)劃的基礎(chǔ)是參數(shù)規(guī)劃模型的建立，由于焊接過程的復(fù)雜性和不確定性，目前應(yīng)用和研究較多的模型結(jié)構(gòu)主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊推理理論以及專家系統(tǒng)理論等。根據(jù)該模型的結(jié)構(gòu)和輸入輸出關(guān)系，由預(yù)先獲取的焊縫特征點數(shù)據(jù)可以生成參數(shù)規(guī)劃模型所要求的輸入?yún)?shù)和目標(biāo)參數(shù)，通過規(guī)劃器后即可得到施焊時相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)。

　　機器人焊接路徑規(guī)劃不同于一般移動機器人的路徑規(guī)劃。它的特點在于對焊縫空間連續(xù)曲線軌跡、焊槍運動的無碰，路徑以及焊上槍姿態(tài)的綜合設(shè)計與優(yōu)化。由于焊接參數(shù)規(guī)劃通常需要根據(jù)不同的工藝要求、不同的焊縫空間位置以及相異的工件材質(zhì)和形狀作相應(yīng)的調(diào)整，而焊接路徑規(guī)劃和參數(shù)規(guī)劃又具有一定的相互聯(lián)系，因此對它們進行聯(lián)合規(guī)劃研究具有實際的意義。對焊接質(zhì)量來講，焊槍的姿態(tài)路徑和.焊接參數(shù)是一個緊密耦合的統(tǒng)一整體。一方面在機器人路徑規(guī)劃中的焊槍姿態(tài)決定了施焊時的行走角和工作角，機器人末端執(zhí)行器的運動速度也決定了焊接速度，而行走角、工作角、焊接速度等都是焊接參數(shù)的重要內(nèi)容;另一方面，從焊接工藝和焊接質(zhì)量控制角度講，焊接速度、焊槍行走角等參數(shù)的調(diào)整由必須在機器人運動路徑規(guī)劃中得以實現(xiàn)。而從焊縫成形的規(guī)劃模型來看，焊接電流、電弧電壓、焊槍運動速度、焊接行走角4個量又必須有機地配合才能較好。地實現(xiàn)對焊縫成形的控制。因此焊接路徑和焊接參數(shù)是一個有機的統(tǒng)一整體，必須進行焊接路徑和焊接參數(shù)的聯(lián)合規(guī)劃。

　　四、機器人焊接傳感技術(shù)

　　人的智能標(biāo)志之一是能夠感知外部世界并依據(jù)感知信息而采取適應(yīng)性行為。要使機器人焊接系統(tǒng)具有一定的智能，研究機器人對焊接環(huán)境、焊縫位置及走向以及焊接動態(tài)過程的智能傳感技術(shù)是十分必要的。機器人具備對焊接環(huán)境的感知功能可利用計算技術(shù)視覺技術(shù)實現(xiàn)，將對焊接工件整體或局部環(huán)境的視覺模型作為規(guī)劃焊接任務(wù)、無碰路徑及焊接參數(shù)的依據(jù)，這里需要建立三維視覺硬件系統(tǒng)，以及實現(xiàn)圖像理解、物體分割、識別算法軟件等技術(shù)。

　　視覺焊縫跟蹤傳感器是焊接機器人傳感系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)之一。為了獲取焊縫接頭的三維輪廓并克服焊接過程中弧光的干擾，機器人焊縫跟蹤識別技術(shù)一般是采用激光、結(jié)構(gòu)光等主動視覺的方法，從而正確導(dǎo)引機器人焊槍終端沿實際焊縫完成期望的軌跡運動。由于采用的主動光源的能量大都比電弧光的能量小，一般將這種傳感器放在焊槍的前端以避開弧光直射的干擾。主動光源一般為單光面或多光面的激光域掃描的激光束水山工業(yè)os且肅缺的瞄姑扭價曙檀辱餾健權(quán)層處理穩(wěn)定、簡單、實用性好。

　　結(jié)構(gòu)光視覺是主動視覺焊縫跟蹤的另一種形式，相應(yīng)的傳感器主要有兩部分組成：一個是投影器，用它的輻射能量形成一個投影光面;一個是光電位置探測器件，常采用面陣CCD攝像機。它們以一定的位置關(guān)系裝配后，并配以一定的算法，便構(gòu)成了結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，它能感知投影面上所有可視點的三維信息。一條空間焊縫的軌跡可看成是由一系列離散點構(gòu)成的，其密集程度根據(jù)控制的需要而定，焊縫坐標(biāo)系的原點便建立在這些點上，傳感器每次測得一個焊縫點位姿并可獲得未知焊縫點的位姿啟發(fā)信息。導(dǎo)引機器人焊槍完成整個光滑連續(xù)焊縫的跟蹤。

　　焊接動態(tài)過程的實時檢測技術(shù)主要指在焊接過程中對熔池尺寸、熔透、成形以及屯弧行為等參數(shù)的在線檢測，從而實現(xiàn)焊接質(zhì)量的實時控制。由于焊接過程的：弧光干擾復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)、強非線性以及大量的不確定性因素的作用，使得對焊接過程可靠而實用的檢測成為矚目的難題。長期以來;已有眾多學(xué)者探索過用多種途徑及技術(shù)手段檢測嘗試，在一定條件下取得了成功，各種不同的檢測手段、信息處理方法以及不同的傳感原理、技術(shù)實現(xiàn)手段，實質(zhì)上是要求綜合技術(shù)的提高。從熔池動態(tài)變化和熔透特征檢測來看，目前認(rèn)為計算機視覺技術(shù)、溫度場測量、熔池激勵振蕩、電弧傳感等方法用于實時控制的效果較好。

　　五、焊接動態(tài)過程智能控制技術(shù)

　　焊接動態(tài)過程是一個多因素影響的復(fù)雜過程，尤其是在弧焊動態(tài)過程中對焊接熔池尺寸(即熔寬、熔深、熔透及成形等焊接質(zhì)量)的實時控制問題，由于被控對象的強非線性、多變量耦合、材料的物理化學(xué)變化的復(fù)雜性，以及大量隨機干擾和不確定因素的存在，使得有效地實時控制焊接質(zhì)量成為焊接界多年來矚目的攤題。也是實現(xiàn)焊接機器人智能化系統(tǒng)不可逾越的關(guān)鍵問題。

　　由于經(jīng)典及現(xiàn)代控制理論所能提供的控制器設(shè)計方法是基于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型建模的，而焊接動態(tài)過程不可能給出這種可控的數(shù)學(xué)模型，因此對焊接過程也難于應(yīng)用這些理論方法設(shè)計有效的控制器。

　　近年來隨著模擬人類智能行為的模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能控制理論方法的出現(xiàn)，使得我們有可能采用新思路來設(shè)計模擬焊工操作行為的智能控制器，以期解決焊接質(zhì)量實時控制的難題。目前已有一些學(xué)者將模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家推理等人工智能技術(shù)綜合運用于機器人系統(tǒng)焊接動態(tài)過程控制問題。

　　針對實際的焊接動態(tài)過程控制對象，智能控制器的設(shè)計需要許多技巧性的工作，尤其在控制器的實時白適應(yīng)與自學(xué)習(xí)算法研究及其系統(tǒng)實現(xiàn)尚有許多問題，而且對不同的焊接工藝、不同的檢測手段都將導(dǎo)致不同的智能控制器設(shè)計方法。焊接動態(tài)過程智能控制器與焊接機器人系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合起來，將使機器人焊接智能化技術(shù)有實質(zhì)性的提高。

　　六、機器人焊接智能化集成系統(tǒng)

　　對于以焊接機器人為主體的包括焊接任務(wù)規(guī)劃、各種傳感系統(tǒng)、機器人軌跡控制以及焊接質(zhì)量智能控制器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，要求有相應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)管理技術(shù)。從系統(tǒng)控制領(lǐng)域的發(fā)展分類來看，可將機器人焊接智能化系統(tǒng)歸結(jié)為一個復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。這一問題在近年的系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展研究中已有確定的學(xué)術(shù)地位，已有相當(dāng)?shù)膶W(xué)者進行這一方向的研究。目前對這種復(fù)雜系統(tǒng)的分析研究主要集中在系統(tǒng)中存在的各種不同性質(zhì)的信息流的共同作用，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及整個系統(tǒng)的管理技術(shù)方面。隨著機器人焊接智能化控制系統(tǒng)向?qū)嵱没l(fā)展，對其系統(tǒng)的整體設(shè)計、優(yōu)化管理也將有更高的要求，這方面研究工作的重要性將進一步明確。

　　七、小結(jié)

　　綜上所述，在焊接機器人技術(shù)的現(xiàn)階段，發(fā)展與焊接工藝相關(guān)設(shè)備的智能化系統(tǒng)是適宜的。這種系統(tǒng)可以作為一個焊接產(chǎn)品柔性加工單元(WFMC)相對獨立，也可以作為復(fù)合柔性制造系統(tǒng)(FMS)的子單元存在，技術(shù)上具有靈活的適應(yīng)性。另外，研究這種機器人焊接智能化系統(tǒng)作為向更高目標(biāo)——制造具有高度自主能力的智能焊接機器人的一個技術(shù)過渡也是不可缺少的。