智能化焊接制造工程的概念與技術

陳子學

【摘 要】本文首先介紹了焊接智能化技術的學科范疇，然后介紹了智能化焊接技術與智能化焊接制造工程，接著對焊接過程的傳感技術進行了介紹，最后介紹了焊接過程的智能建模方法和機器人焊接智能化系統(tǒng)。

【關鍵詞】智能化焊接；制造工程；概念；技術

一、前言

焊接技術是多學科交叉的產(chǎn)物，隨著社會科技的不斷發(fā)展，焊接技術也不斷地更新。智能化的焊接技術就是科技進步的體現(xiàn)。

二、焊接智能化技術的學科范疇

本文關于焊接智能化技術的提法含義如下：利用機器模擬和實現(xiàn)人的智能行為實施焊接工藝制造的技術。就實現(xiàn)技術而言，焊接智能化技術包括采用智能化途徑進行焊接工藝知識、焊接設備、傳感與檢測、信息處理、過程建模、過程控制器、機器人機構、復雜系統(tǒng)集成設計的實施，可見焊接智能化技術是綜合的系統(tǒng)集成技術。

三、智能化焊接技術與智能化焊接制造工程

1、智能化焊接技術

基于計算機、控制等信息處理新技術，將人工智能與焊接工藝有機結合，實現(xiàn)焊接工藝制造的技術-作者稱之為“智能化焊接技術”（Intelligentized Welding Technology，IWT）。IWT的提法含義為：利用機器模擬和實現(xiàn)人的某些智能行為實施焊接工藝制造的技術。

圖1為智能化焊接的主要技術構成。包括采用智能化途徑進行焊接工藝規(guī)劃、焊接設備、傳感與檢測、信息處理、知識建模、焊接過程控制、機器人運動控制、復雜系統(tǒng)集成設計的實施。可見IWT是多學科交叉綜合在焊接技術領域的集成與升華。

2、智能化焊接制造工程

以人工智能技術為核心形成的現(xiàn)代焊接制造工程，稱之為“智能化焊接制造工程”（IWME），其所涉及的主要學科與技術領域如圖2所示。

圖中顯示了智能化基礎技術和焊接工藝與制造問題的分類及結合的關系，并構成了“智能化焊接制造工程”學科交叉技術領域的內(nèi)涵?！爸悄芑附又圃旃こ獭钡哪康氖菍⒑腹げ僮鞯闹悄堋Ⅲw能行為用機器模擬并實現(xiàn)實際的焊接制造工程。所涉及的主要問題之一是焊工智能行為，如視覺感覺、經(jīng)驗判斷，知識提取、決策控制等基本人工智能技術。圖1和圖2所提出的概念，既是對近年來人工智能等信息技術用于焊接領域研究工作的粗略歸納，也是對焊接先進制造技術發(fā)展的一個探索。僅為拋磚引玉，目的是將目前人工智能技術向傳統(tǒng)焊接制造工藝滲透這一發(fā)展趨勢引向一個系統(tǒng)化的研究領域，以利于推動焊接制造與信息領域最新技術發(fā)展的有機結合，推動現(xiàn)代焊接技術的發(fā)展。

四、焊接過程的傳感技術

要實現(xiàn)焊接自動化、機器人化及智能化，傳感技術是關鍵環(huán)節(jié)之一。焊接過程的傳感，是實現(xiàn)焊接過程質(zhì)量控制的。焊接傳感器按其使用目的可分為測量和檢測操作環(huán)境、檢測和監(jiān)控焊接過程兩大類。在傳感原理方面，主要分為聲學、力學、電弧、光學傳感等。

1、焊接區(qū)直接視覺信息傳感

直接視覺傳感在焊接中的應用包括離線確定被焊工件的位置；在線補償由于固定精度、機器人各部分的容差、焊接過程中的焊件變形引起的焊接路徑偏差；焊接過程控制中的焊接接頭和熔池幾何形狀的實時傳感；熔滴過渡形式的監(jiān)測等。（1）利用輔助光源的主動式視覺檢測方法。（2）無輔助光源的被動式直接視覺傳感。

2、脈沖GTAW焊熔池正反面視覺圖像同時同幅傳感系統(tǒng)

對熔池正反兩面視覺圖像進行同時同幅傳感，經(jīng)過圖象處理提取出熔池正反兩面的特征信息。實現(xiàn)對焊縫的熔透狀態(tài)和反面焊道穩(wěn)定成形質(zhì)量控制的目的。（1）堆焊熔池正反面同時同幅成像。（2）填絲脈沖GTAW熔池圖像：焊接過程中填充焊絲熔池表面凸出和下塌，部分熔透和全熔透狀態(tài)下的圖像。（3）由熔池圖象恢復熔池表面高度。在填絲脈沖GTAW過程中，為實現(xiàn)熔池形狀動態(tài)控制，如熔池反面寬度和正面高度的控制，需要提取出熔池正面高度參數(shù)。根據(jù)獲得的焊接熔池圖像，通常只能獲得關于熔池的二維形狀信息。由單目圖象恢復物體表面高度算法-由陰影恢復形狀算法獲取熔池表面高度的方法是最新研究方向。

五、焊接過程的智能建模方法

焊工的智能行為另一個主要表現(xiàn)是對于焊接過程的判斷與處理。這里要求對焊接過程的理解與經(jīng)驗知識的運用與推理。作為焊接智能化技術基礎構成之一是研究焊接過程的數(shù)學建模與知識建模方法。經(jīng)典的基于機理分析與數(shù)值模擬方法在解決焊接動態(tài)控制模型方面都具有較大的局限性。采用智能化方法直接提取焊接過程可測量數(shù)據(jù)中隱含的知識模型應是實現(xiàn)智能控制的一條合適的途徑。建立反映焊接熔深、焊縫寬度、焊縫橫截面積、焊縫余高等直接焊接參數(shù)與焊接電壓、電流、焊接速度、送絲速度、電極角度、保護氣體等間接焊接參數(shù)之間的數(shù)學映射或知識模型關系，目前在脈沖GTAW過程智能化建模的研究方法主要有以下兩種。

1、神經(jīng)網(wǎng)絡學習建模方法

由于焊接過程是一個多參數(shù)相互耦合的時變的非線性系統(tǒng)，因而，模型的輸入?yún)?shù)之間相互關聯(lián)、相互作用，很難采用傳統(tǒng)建模方法確定焊接過程模型。為了能夠解決這些問題，在建模過程中引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡ANN（Artificial Neural Network）數(shù)據(jù)學習建模的方法，這種方法的特點是不考慮未知對象的特性，建立過程的黑箱模型，在建模過程中不做任何假設，所建模型能在數(shù)據(jù)樣本覆蓋的范圍較真實地反映系統(tǒng)特性。采用神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法建立GTAW過程的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)模型，已有較多的研究報道。為了實現(xiàn)脈沖GTAW正面焊控制背面焊縫寬度，依據(jù)焊接實時測得的工藝參數(shù)、熔池正面特征尺寸以及它們的歷史值，建立了堆焊背面熔寬的ANN預測模型。建立了對接無間隙焊背面熔寬的ANN預測模型]建立了對接無間隙填絲焊背面熔寬與正面余高的ANN預測模型；]建立了對接變間隙焊背面熔寬的ANN預測模型?；谒⒌纳窠?jīng)網(wǎng)絡模型，實現(xiàn)了較為理想的控制效果。

2、基于試驗數(shù)據(jù)的知識提取與建模方法

（一）、基于模糊集合方法的知識

模型建立智能化焊接需要對焊接過程知識的描述。如何將焊工的經(jīng)驗描述為知識模型以便計算機再現(xiàn)人的經(jīng)驗操作、智能決策，這是實現(xiàn)焊接智能化技術的關鍵之一。由于人類對自身經(jīng)驗描述能力的差異，以及焊接條件的不確定性，使得試圖直接取自焊工經(jīng)驗的專家式知識的途徑幾乎不可能。文獻[10]探索了基于直接焊接過程試驗數(shù)據(jù)的測量采用模糊規(guī)則提取建立脈沖GTAW熔池變化的單變量模糊邏輯模型，利用C類聚方法，獲得的脈沖GTAW熔池變化的模糊規(guī)則模型。

（二）、基于粗糙集合方法的知識模型建立

1982年波蘭學者PawlakZ提出的粗糙集理論———RST（RoughSetTheory）[23]用于分析和處理模糊、不完整、不精確和不確定數(shù)據(jù)中隱含的有效知識，已成為一種從不完善數(shù)據(jù)中提取知識模型的較為有效的方法而為人們所注意?；诖植诩碚?、數(shù)據(jù)約減、知識約減等軟計算方法提出了利用實際焊接過程數(shù)據(jù)采集的知識模型提取方法，獲得的鋁合金脈沖GTAW熔池變化的知識模型-控制決策表。

六、機器人焊接智能化系統(tǒng)

1、焊接機器人在焊接中的地位與優(yōu)勢

機器人制造是一種新興的現(xiàn)代制造技術，對高技術產(chǎn)業(yè)各領域以及人們的生活產(chǎn)生了重要影響。焊接機器人是應用最廣泛的一類工業(yè)機器人，在全世界的工業(yè)機器人比例中大約占總數(shù)的60%以上。我國目前大約有700臺以上的焊接機器人用于點焊和弧焊。

機器人焊接是焊接行業(yè)的突破性進步。它相對于傳統(tǒng)的焊接剛性自動化方式而言，是一種柔性的自動化新方式。這樣柔性主要表現(xiàn)在，想要讓焊接機器人完成一項焊接任務，只需焊工給它做一次示范，它就可以模仿人的每一步動作。若要機器人去做另一項任務，不需要改變硬件，對它再作一次示范就可以了。機器人的這種性能，讓小批量不同產(chǎn)品的自動化焊接成為了可能。而剛性自動化焊接設備一般都是專用的，只能完成一種焊接任務，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動化生產(chǎn)。

2、焊接機器人系統(tǒng)的組成部分

（一）、機械手臂

別名操作機，是焊接機器人的操作部分，由它直接帶動末端焊槍飛點焊鉗實現(xiàn)各種操作，它的結構形式多種多樣，根據(jù)實際需要，其追求的目標是高質(zhì)量、高靈活性。

（1）關節(jié)式手臂是通用焊接機器人的最常見結構，通常有六個或更多的運動軸。關節(jié)式手臂的優(yōu)勢在于它的靈活性高，而且能夠到達手工焊接難以到達的區(qū)域。

（2）直角坐標式手臂是另外一種結構，它可以用于一些小型的高精度加工和一些需要大型的操作范圍的場合。

（3）機床式手臂這種機械手結構類似機床。這種形式的機械手優(yōu)點是精度高，缺點是機構笨重，占地面積大。簡易焊接機器人常采用這種形式

（二）、焊接部件

（1）對于電阻焊來說，機器人的末端執(zhí)行機構需要一個便攜式的電阻焊槍。對于電阻焊槍，有兩方面的要求。因為焊槍需要重復操作，保證它的堅固性是很重要的。不過，焊槍也必須是緊湊且可靈活操縱的。

（2）對于電弧焊接來說，輸出穩(wěn)定的弧焊電源是必不可少的。

（3）對于激光焊接來說，一系列傳輸激光的鏡片是必要的。激光束沿著機器人手臂傳輸?shù)焦ぷ髋_，二氧化碳激光通過一系列鏡片傳輸。而一些特別的激光束，如光纖激光，需要利用柔韌的光纖光纜傳輸。

（三）、機器人控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)有3個部分組成。

（1）操作界面。焊接機器人系統(tǒng)最起碼需要有生產(chǎn)操作界面與示教編程界面。前者用于選擇一個特定的已編程作業(yè)，后者用于允許示范和檢查焊接操作。

（2）位置控制部分。通過驅(qū)動三個或更多的執(zhí)行器，機器人手臂的末端可以在三維環(huán)境中跟隨任意路徑。

（3）功能控制部分。這部分以一種可控的方式來協(xié)調(diào)控制機械手臂的運動和所要求焊接的功能。

七、結束語

焊接的智能化時刻記得體現(xiàn)，同時焊接的智能化是焊接技術得到了更高的提升。焊接智能化讓危險復雜的焊接技術得到了解決。為了是智能化焊接不斷地體現(xiàn)優(yōu)點，必須不斷地鉆研。

參考文獻：

[1]潘際鑾.二十一世紀焊接科學研究的展望[A].第九次全國焊接會議論文集[C].北京：機械工業(yè)出版社，2010

[2]宋天虎，李敏賢.先進制造技術的發(fā)展與焊接技術的未來[A].第八屆全國焊接會議論文集[C].北京：機械工業(yè)出版社，2011