焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)研究

莫明朝

摘 要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人焊接智能化技術(shù)也逐漸提升，越來越多的制造企業(yè)都提高了對焊接智能化技術(shù)的重視度，機(jī)器人已經(jīng)不再是稀有產(chǎn)品，采用智能化機(jī)器人來代替人工焊接已經(jīng)成為觸手可及的夢想，本文就針對焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：焊接智能化；焊接機(jī)器人技術(shù)；分析研究

中圖分類號：TG409 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）09-0081-02

近幾年，伴隨各種智能化技術(shù)的普及，焊接生產(chǎn)過程也逐漸朝著智能化、自動化的方向發(fā)展，當(dāng)前，采用焊接機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行焊接已經(jīng)成為我國實現(xiàn)焊接智能化的重要標(biāo)志，相對于傳統(tǒng)的焊接技術(shù)來說，機(jī)器人焊接技術(shù)主要具有自動化程度高、焊接速度快、焊接質(zhì)量佳等優(yōu)勢，但是從當(dāng)前的現(xiàn)狀看，我國的機(jī)器人焊接技術(shù)還存在成本高、焊接時間長等問題，只有解決這些問題，才能進(jìn)一步拓展我國智能化機(jī)器人焊接技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1 焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 焊接路徑規(guī)劃技術(shù)

焊接機(jī)器人的焊接路徑主要包括三種，即在線自主編程法、手工示教法和離線編程法。以下是具體分析：

1.1.1 在線自主編程法

在線自主編程法主要是通過視覺傳感器來實現(xiàn)對焊縫的自動識別，同時繪制出焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)下的三維圖形，這樣就能達(dá)到機(jī)器人焊接在線自主規(guī)劃路徑的目的，這種方式可以避免人工焊接中因觀察失誤而導(dǎo)致的問題，能有效提升焊接機(jī)器人的智能化水平，將成為當(dāng)前以及今后一段時間我國焊接路徑規(guī)劃技術(shù)的發(fā)展方向，為了避免在線自主編程法在應(yīng)用過程中出現(xiàn)誤差，一些著名學(xué)者在現(xiàn)有的視覺傳感技術(shù)之上進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究，以縮小焊縫定位的誤差，當(dāng)前，利用在線自主編程法進(jìn)行焊接路徑的規(guī)劃已經(jīng)能夠?qū)⒄`差控制在合理的范圍之內(nèi)，基本能符合一般電弧焊接技術(shù)的需求。

1.1.2 手工示教法

所謂手工示教法，指的就是通過操作工人手動操作示教盒，實現(xiàn)對焊接軌跡的在線控制的一種方法，這種焊接路徑規(guī)劃技術(shù)主要具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、操作便捷等優(yōu)勢，在焊接機(jī)器人中應(yīng)用比較普遍，但是因為手工示教法需要人工進(jìn)行操作，因此，很容易受到人為因素的影響，進(jìn)而對路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確度和整體效率造成影響，正是由于這些問題，導(dǎo)致焊接機(jī)器人技術(shù)只能在小范圍內(nèi)得以應(yīng)用和推廣。

1.1.3 離線編程法

離線編程法又稱“虛擬示教法”，它主要通過交互式三維圖形軟件對環(huán)境、機(jī)器人等進(jìn)行建模，利用創(chuàng)設(shè)出的模擬環(huán)境，開展虛擬示教工作，并通過對示教結(jié)果的分析，找出實際的焊接路徑，這種方法的主要優(yōu)勢是可以提升焊接自動化水平以及機(jī)器人的利用效率，大幅減少成本耗費，然而，離線編程法規(guī)劃出的焊接路徑很容易出現(xiàn)與實際不符合的情況，因此，在實際應(yīng)用之時，必須經(jīng)過校正處理才能使用，與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國在焊接路徑規(guī)劃過程中采用的離線編程法水平較低，仍處于試驗時期。

1.2 焊縫跟蹤技術(shù)

1.2.1 電弧跟蹤法

電弧傳感器是電弧跟蹤法應(yīng)用過程中用來測量電信號的主要工具，根據(jù)電信號的變化情況們可以比較準(zhǔn)確地掌握焊縫是否存在偏差，進(jìn)而達(dá)到對整個焊接過程誤差的快速糾正，這種方法一般不會受煙塵、弧光等因素的影響，焊槍可以達(dá)到比較好的焊接效果，同時還具有成本較低、實時性強(qiáng)的優(yōu)點，但電弧跟蹤法的應(yīng)用范圍有限，僅僅適用于幾何特征明顯的焊縫跟蹤，從目前的現(xiàn)狀看，我國的電弧跟蹤技術(shù)正朝著磁控電弧技術(shù)的方向發(fā)展，焊槍運動的復(fù)雜性逐漸降低，只需要周期性地改變磁場，就能達(dá)到焊接電弧周期性變化的目的，該技術(shù)的應(yīng)用潛力非常大，發(fā)展前景十分廣闊。

1.2.2 視覺跟蹤法

視覺跟蹤法指的是利用視覺傳感器得到焊縫的清晰圖像，通過對圖像進(jìn)行分析，找出焊縫中心線，進(jìn)而達(dá)到對焊縫的跟蹤，這種方法的適用范圍比較廣，基本可以對所有接頭形式的焊縫進(jìn)行跟蹤，在焊縫跟蹤領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍是最廣的，該方法的實現(xiàn)過程主要包括圖像的獲取、圖像分析和處理、找出特征點以及對焊槍端部的跟蹤控制等。焊縫圖像的獲取方式主要可分為以下兩類：第一是被動視覺傳感方法，也就是通過自然光或者弧光照亮焊縫區(qū)域，然后采用過濾技術(shù)取得清晰的焊縫圖像。第二是主動視覺傳感方法，主要通過激光照亮焊縫，然后利用CCD得到焊接區(qū)域的圖像，這種方式的優(yōu)點主要是圖像的分辨率較高，而且能較好地抵御外界干擾。

1.3 焊接傳感技術(shù)

1.3.1 多傳感信息融合技術(shù)

在焊接過程中采用多傳感信息融合技術(shù)需要用到多個傳感器，這些傳感器可以實現(xiàn)從多角度、多方位把握焊接信息，并將獲得的信息進(jìn)行融合處理，最終得到完整、真實的焊接過程動態(tài)信息，這種方法的主要優(yōu)點是容錯能力強(qiáng)，能全面展現(xiàn)整個焊接過程的相關(guān)信息，對焊接質(zhì)量的提升來說大有裨益，多傳感信息融合技術(shù)將成為今后一段時間我國傳感技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)前，我國已經(jīng)研制出的多傳感器信息融合系統(tǒng)還存在諸多缺陷，其中比較明顯的就是對焊接狀態(tài)的描述不完善、傳感器類型過少等，還需在實踐中不斷提升多傳感信息融合處理的技術(shù)水平，從而提升融合信息的真實性和準(zhǔn)確性。

1.3.2 焊接中用到的傳感器類型

在立足于傳感原理的基礎(chǔ)上，對焊接傳感器進(jìn)行類型的劃分，主要可分為溫度傳感器、光譜傳感器、聲學(xué)傳感器、電弧傳感器和視覺傳感器。溫度傳感器主要通過建立焊接過程中的溫度場模型，利用溫度傳遞感應(yīng)信號的方式來達(dá)到檢測焊接熔池幾何形狀的目的。光譜傳感方器則主要利用氫氣孔部位電弧光譜變化的主要特征，及時檢測出整個焊接過程中存在的不足之處。聲學(xué)傳感器可以通過對焊接電弧聲音信號的檢測來達(dá)到識別熔透狀態(tài)的目的。電弧傳感器在應(yīng)用過程中具有較高的實時性，而且操作也比較方便，不用添加任何額外的裝置，正是由于這些優(yōu)勢，電弧傳感器在實際中的應(yīng)用比較普遍。視覺傳感器的優(yōu)點主要是不會擾亂焊接過程，因為它在應(yīng)用的過程中不會與焊接回路直接接觸。能準(zhǔn)確地識別焊接接頭的類型，并得到相關(guān)的熔池信息、焊縫位置信息等。

2 工程應(yīng)用實例分析

以船用管系雙機(jī)器人工作站系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要利用自動化施焊方式，進(jìn)行自動上下料、夾緊、定位等，由于焊接現(xiàn)場存在一些裝配方面的偏差，必須配備電弧跟蹤器等裝置，以保證焊縫接頭質(zhì)量達(dá)標(biāo)。在整個工作站系統(tǒng)中，有專門針對船體分段的曲面而設(shè)計的弧焊機(jī)器人工作站，該工作站主要應(yīng)用了離線編程法、電弧傳感跟蹤技術(shù)以及始端檢出技術(shù)等，其工作的具體流程如下：首先，利用人機(jī)對話軟件，得到相關(guān)的分段結(jié)構(gòu)件加工數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行離線編程工作，利用通信模塊將這些信息輸入機(jī)器人焊接程序，根據(jù)得到的結(jié)果，可校正焊接起始點的具體位置，并隨著焊接的不斷深入，利用電弧跟蹤器對焊槍進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到自動焊接的目的。此外，我國還在海洋重工業(yè)領(lǐng)域取得了重大突破，研發(fā)出了Q690高強(qiáng)鋼厚板的雙機(jī)器人雙弧立焊機(jī)器人工作站，鋼板的厚度最大可達(dá)150毫米，高工作站系統(tǒng)可高效快速地解決大厚板焊接過程中存在的質(zhì)量偏低、熱變形嚴(yán)重以及工作效率低等問題。不銹鋼薄壁結(jié)構(gòu)件的弧焊機(jī)器人工作站也是我國智能化焊接機(jī)器人技術(shù)實際應(yīng)用的體現(xiàn)，這一工作站系統(tǒng)利用遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，由視覺CCD傳感模塊負(fù)責(zé)對機(jī)器人運行模式、服務(wù)狀態(tài)等各項信息的傳遞。在焊縫跟蹤與焊位識別方面，該系統(tǒng)主要利用的是激光傳感器。

3 結(jié)語

綜上所述，焊接智能化與智能化焊接機(jī)器人技術(shù)對我國焊接制造領(lǐng)域工作效率以及質(zhì)量的提升具有極大的促進(jìn)作用，當(dāng)前，我國的智能化焊接機(jī)器人技術(shù)在焊縫跟蹤、焊接路徑規(guī)劃以及焊接傳感等方面都取得了一定的成就，但必須意識到我國的焊接智能化技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距，必須在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，積極引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)理念，堅持自主創(chuàng)新的原則，進(jìn)一步加大自主研發(fā)的力度，這樣才能從根本上壯大我國的智能化焊接機(jī)器人技術(shù)實力，提高我國的國際競爭力。

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