智能化焊接機器人

　　一、前言

　　焊接機器人是應用最廣泛的一類工業機器人，在各國機器人應用比例中大約占總數的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。剛性自動化焊接設備一般都是專用的，通常用于中、大批量焊接產品的自動化生產，因而在中、小批量產品焊接生產中，焊條電弧焊仍是主要焊接方式，焊接機器人使小批量產品的自動化焊接生產成為可能。

　　焊接機器人的主要優點如下：

　　1)易于實現焊接產品質量的穩定和提高，保證其均一性;

　　2)提高生產率，一天可24h連續生產;

　　3)改善工人勞動條件，可在有害環境下長期工作：

　　4)降低對工人操作技術難度的要求;

　　5)縮短產品改型換代的準備周期，減少相應的設備投資;

　　6)可實現小批量產品焊接自動化;

　　7)為焊接柔性生產線提供技術基礎。

　　二、機器人焊接智能化系統技術組成

　　機器人焊接智能化系統是建立在智能反饋控制理論基礎之上，涉及眾多學科綜合技術交叉的先進制造系統。除了不同的焊接工藝要求不同的焊接機器人實現技術與相關設備之外，現行機器人焊接智能化系統可從宏觀上劃分為如圖1所示的組成部分：

　　1)機器人焊接任務規劃軟件系統設計技術;

　　2)焊接環境、焊縫位置及走向以及焊接動態過程的智能傳感技術;

　　3)機器人運動軌跡控制實現技術;

　　4)焊接動態過程的實時智能控制器設計;

　　5)機器人焊接智能化復雜系統的控制與優化管理技術。

　　三、機器人焊接任務規劃技術

　　機器人焊接任務職能規劃系統的基本任務是在一定的焊接工作區內自動生成從初始狀態到目標狀態的機器人動作序列、可達的焊槍運動軌跡和最佳的焊槍姿態、以及與之相匹配的焊接參數和控制程序，并能實現對焊接規劃過程的自動仿真與優化。

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

　　機器人焊接參數規劃主要是指對焊接工藝過程中各種質量控制參數的設計與確定。焊接參數規劃的基礎是參數規劃模型的建立，由于焊接過程的復雜性和不確定性，目前應用和研究較多的模型結構主要是基于神經網絡理論、模糊推理理論以及專家系統理論等。根據該模型的結構和輸入輸出關系，由預先獲取的焊縫特征點數據可以生成參數規劃模型所要求的輸入參數和目標參數，通過規劃器后即可得到施焊時相應的焊接工藝參數。

　　機器人焊接路徑規劃不同于一般移動機器人的路徑規劃。它的特點在于對焊縫空間連續曲線軌跡、焊槍運動的無碰，路徑以及焊上槍姿態的綜合設計與優化。由于焊接參數規劃通常需要根據不同的工藝要求、不同的焊縫空間位置以及相異的工件材質和形狀作相應的調整，而焊接路徑規劃和參數規劃又具有一定的相互聯系，因此對它們進行聯合規劃研究具有實際的意義。對焊接質量來講，焊槍的姿態路徑和.焊接參數是一個緊密耦合的統一整體。一方面在機器人路徑規劃中的焊槍姿態決定了施焊時的行走角和工作角，機器人末端執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的重要內容;另一方面，從焊接工藝和焊接質量控制角度講，焊接速度、焊槍行走角等參數的調整由必須在機器人運動路徑規劃中得以實現。而從焊縫成形的規劃模型來看，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。地實現對焊縫成形的控制。因此焊接路徑和焊接參數是一個有機的統一整體，必須進行焊接路徑和焊接參數的聯合規劃。

　　四、機器人焊接傳感技術

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

　　視覺焊縫跟蹤傳感器是焊接機器人傳感系統的核心和基礎之一。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一般是采用激光、結構光等主動視覺的方法，從而正確導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os且肅缺的瞄姑扭價曙檀辱餾健權層處理穩定、簡單、實用性好。

　　結構光視覺是主動視覺焊縫跟蹤的另一種形式，相應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系裝配后，并配以一定的算法，便構成了結構光視覺傳感器，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成的，其密集程度根據控制的需要而定，焊縫坐標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信息。導引機器人焊槍完成整個光滑連續焊縫的跟蹤。

　　焊接動態過程的實時檢測技術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的在線檢測，從而實現焊接質量的實時控制。由于焊接過程的：弧光干擾復雜的物理化學反應、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;已有眾多學者探索過用多種途徑及技術手段檢測嘗試，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、技術實現手段，實質上是要求綜合技術的提高。從熔池動態變化和熔透特征檢測來看，目前認為計算機視覺技術、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、焊接動態過程智能控制技術

　　焊接動態過程是一個多因素影響的復雜過程，尤其是在弧焊動態過程中對焊接熔池尺寸(即熔寬、熔深、熔透及成形等焊接質量)的實時控制問題，由于被控對象的強非線性、多變量耦合、材料的物理化學變化的復雜性，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量成為焊接界多年來矚目的攤題。也是實現焊接機器人智能化系統不可逾越的關鍵問題。

　　由于經典及現代控制理論所能提供的控制器設計方法是基于被控對象的精確數學模型建模的，而焊接動態過程不可能給出這種可控的數學模型，因此對焊接過程也難于應用這些理論方法設計有效的控制器。

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

　　針對實際的焊接動態過程控制對象，智能控制器的設計需要許多技巧性的工作，尤其在控制器的實時白適應與自學習算法研究及其系統實現尚有許多問題，而且對不同的焊接工藝、不同的檢測手段都將導致不同的智能控制器設計方法。焊接動態過程智能控制器與焊接機器人系統設計結合起來，將使機器人焊接智能化技術有實質性的提高。

　　六、機器人焊接智能化集成系統

　　對于以焊接機器人為主體的包括焊接任務規劃、各種傳感系統、機器人軌跡控制以及焊接質量智能控制器組成的復雜系統，要求有相應的系統優化設計結構與系統管理技術。從系統控制領域的發展分類來看，可將機器人焊接智能化系統歸結為一個復雜系統的控制問題。這一問題在近年的系統科學的發展研究中已有確定的學術地位，已有相當的學者進行這一方向的研究。目前對這種復雜系統的分析研究主要集中在系統中存在的各種不同性質的信息流的共同作用，系統的結構設計優化及整個系統的管理技術方面。隨著機器人焊接智能化控制系統向實用化發展，對其系統的整體設計、優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

　　綜上所述，在焊接機器人技術的現階段，發展與焊接工藝相關設備的智能化系統是適宜的。這種系統可以作為一個焊接產品柔性加工單元(WFMC)相對獨立，也可以作為復合柔性制造系統(FMS)的子單元存在，技術上具有靈活的適應性。另外，研究這種機器人焊接智能化系統作為向更高目標——制造具有高度自主能力的智能焊接機器人的一個技術過渡也是不可缺少的。