焊接智能化的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川德陽 618000）

0 前言

焊接被稱為“工業(yè)裁縫”，是工業(yè)加工中最主要的加工方法之一。焊接機(jī)器人是焊接智能化發(fā)展的代表。19世紀(jì)末出現(xiàn)了最早的現(xiàn)代化焊接技術(shù)，在20世紀(jì)中期出現(xiàn)了焊接機(jī)器人，從此焊接逐漸由傳統(tǒng)的手工焊向智能化、自動(dòng)化的焊接方法轉(zhuǎn)變。如今，依托計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為使焊接達(dá)到更加智能化，焊縫跟蹤系統(tǒng)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、遙控焊接技術(shù)、虛擬仿真與人機(jī)交互技術(shù)、基于PC機(jī)的轉(zhuǎn)變研究技術(shù)等成為了目前智能化焊接的研究熱點(diǎn)。

1 焊接智能化研究

1.1 焊縫跟蹤系統(tǒng)

在智能化焊接中，焊接機(jī)器人工作時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧光輻射、高溫、焊渣的飛濺、灰塵、氧化、加熱形變等都會(huì)使焊炬偏離焊縫，從而導(dǎo)致焊接的整體質(zhì)量下降[1-3]。焊縫跟蹤系統(tǒng)則能夠在這種不利條件影響下，通過實(shí)時(shí)檢測焊縫偏差，進(jìn)而調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)，保證焊接質(zhì)量[4]。

激光結(jié)構(gòu)光具有方向性和干涉性好、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，以激光結(jié)構(gòu)光為光源的激光視覺傳感器能夠提升跟蹤效果[5]。

哈爾濱理工大學(xué)的王世偉[5]研制了基于激光視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)，其主要由激光視覺系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)三部分組成，各有分工，激光視覺系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)采集、處理焊縫圖像后獲取焊縫特征點(diǎn)，進(jìn)行偏差修正，再由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整焊接機(jī)器人的行走路徑，提升自動(dòng)焊接系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與精度。

沈陽建筑大學(xué)的鄒媛媛等[6-7]提出了一種基于紋理特征的焊縫跟蹤點(diǎn)識(shí)別方法，解決了激光拼焊時(shí)因焊縫過窄或拼接板材厚度相同引起的激光條紋特征點(diǎn)不突出的難題。采用 Laws紋理能量濾波方法對原始焊縫圖像進(jìn)行紋理濾波處理，融合紋理特征和條紋信息識(shí)別焊縫跟蹤點(diǎn)。通過焊接機(jī)器人對等厚激光拼焊板的焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)表明，該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)不同焊接速度下焊縫跟蹤點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別，而且具有識(shí)別精度高的優(yōu)點(diǎn)。

傳感器作為焊縫跟蹤系統(tǒng)的核心，一直是研究熱點(diǎn)。焊縫識(shí)別與跟蹤傳感器可分為非接觸式和接觸式兩種。其中非接觸式中基于激光的視覺傳感技術(shù)具有以下特點(diǎn)而應(yīng)用廣泛：（1）與焊接回路無關(guān)且與工件無接觸；（2）可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對焊縫的跟蹤和焊接條件控制；（3）適用于各種形狀的坡口[8-9]。

華南理工大學(xué)的李琳等人[10]對激光跟蹤傳感器的研究也表明，激光傳感器一般能保持焊接精度在0.5 mm以內(nèi)，甚至運(yùn)用小波變換模極大值理論與最小二乘法的結(jié)合提取焊縫的特征點(diǎn)，使焊接精度達(dá)到0.304 mm。

雖然激光視覺傳感器可以替代人眼觀測焊縫，但受焊接過程中弧光及背景光等因素的干擾，采集到的噪聲多，從而導(dǎo)致跟蹤精度低。針對該問題，曹瑩瑜等人[11]采用特制導(dǎo)輪與坡口緊密接觸，當(dāng)坡口位置發(fā)生偏移，利用光電轉(zhuǎn)化原理轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，從而實(shí)時(shí)指引焊槍的運(yùn)動(dòng)。由于采用機(jī)械接觸傳感，避免了弧光、背景光等因素的干擾，使傳感器具有強(qiáng)抗干擾能力，穩(wěn)定性和可靠性得到提高。

德國Mel公司在研發(fā)M2DW激光焊縫跟蹤系統(tǒng)的激光視覺傳感器時(shí)增加了水冷卻裝置，使其在高溫環(huán)境下可正常工作。

結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，激光跟蹤系統(tǒng)是焊接智能化發(fā)展的必然方向，是科研的重點(diǎn)研究方向。隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)激光照明焊縫視覺傳感技術(shù)因?qū)ν苿?dòng)焊縫的智能識(shí)別和焊接過程的自動(dòng)化有重要作用逐漸備受關(guān)注[10-15]。

1.2 離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)

離線編程技術(shù)是在不使用焊接機(jī)器人的情況下，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)成果模擬焊接機(jī)器人工作環(huán)境，并運(yùn)用相應(yīng)算法，通過對圖形的控制和操作，對焊接機(jī)器人的焊接路徑實(shí)施編程。

離線編程技術(shù)相比在線編程技術(shù)而言，可使編程者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)環(huán)境，提升工作效率，便于做到CAD/CAM/機(jī)器人一體化等特點(diǎn)。離線編程技術(shù)正在向著全自動(dòng)更加智能化的方向發(fā)展[16-17]。

1.3 焊接遙控技術(shù)

遙控焊接是指操作者遠(yuǎn)離有毒、深水、核輻射、易燃易爆等危險(xiǎn)工作環(huán)境對焊接設(shè)備和焊接過程進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。目前的焊接技術(shù)還不能完全實(shí)現(xiàn)使用智能化焊接技術(shù)來進(jìn)行自主焊接，所以需要采用遙控焊接遠(yuǎn)程操控焊接設(shè)備以保證焊接的精確性和質(zhì)量[16]。在20世紀(jì)70年代，操作人員通過遠(yuǎn)程操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制焊槍的運(yùn)動(dòng)完成了焊接；20世紀(jì)80年代中期，國外進(jìn)行了應(yīng)用機(jī)器人的遙控焊接技術(shù)研究，最早成功實(shí)現(xiàn)的是在1984年加拿大Douglas Point核電站利用遙控焊接維修反應(yīng)堆泄露事故。主動(dòng)視覺傳感是遙控焊接中主要應(yīng)用的傳感方式，但也存在一定的缺陷，因?yàn)樵诤附訖C(jī)器人遙操作系統(tǒng)中，不僅自主控制的視覺傳感器體積會(huì)影響焊槍的可達(dá)性，焊縫軌跡以及工作環(huán)境也會(huì)影響傳感器的適用條件，所以由傳感器引導(dǎo)的機(jī)器人對工作環(huán)境缺乏適應(yīng)力，遇到某些意外情況憑自身難以解決[18]。

1.4 虛擬仿真與人機(jī)交互技術(shù)

在智能化焊接中，焊接過程會(huì)涉及到幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等許多參數(shù)，所以焊接前需要進(jìn)行大量的高難度的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。若將智能化焊接的機(jī)械臂進(jìn)行虛擬仿真，并使用CAD技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)將焊接過程用動(dòng)畫方式表現(xiàn)出來，并結(jié)合相應(yīng)的幾何學(xué)、動(dòng)力學(xué)等多次實(shí)驗(yàn)，就能找出并解決可能會(huì)在實(shí)際操作中出現(xiàn)的問題[19]。

在目前的智能化焊接中，Unity3D在虛擬仿真與人機(jī)交互方面發(fā)揮著重要作用。人機(jī)交互即機(jī)器人模型給工作人員反饋機(jī)器人的位置與姿態(tài)，人機(jī)交互界面負(fù)責(zé)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息反饋和機(jī)器人的控制，人再通過人機(jī)交互界面對焊接機(jī)器人實(shí)施遠(yuǎn)端操作，從而達(dá)到人機(jī)交互。在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中將遠(yuǎn)端焊接機(jī)器人與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來并實(shí)施人機(jī)交互，既能保證焊接工人的安全又能高效地完成焊接作業(yè)[19-20]。

1.5 基于PC機(jī)的轉(zhuǎn)變研究技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)因其普遍、易操控、計(jì)算快等特點(diǎn)，成為智能化發(fā)展的一個(gè)重要選擇方向。焊接機(jī)器人從以往較傳統(tǒng)的控制器控制向基于PC機(jī)的通用型控制器轉(zhuǎn)變?；赑C機(jī)的控制系統(tǒng)，能夠?qū)D形處理、聲音處理、人工智能更好地應(yīng)用于智能化焊接中，并且彌補(bǔ)因?qū)崟r(shí)性而產(chǎn)生的誤差[21]。

2 焊接智能化的應(yīng)用

2.1 焊接機(jī)器人應(yīng)用

目前廣泛使用的焊接機(jī)器人可分為點(diǎn)焊機(jī)器人和弧焊機(jī)器人兩大類[22]。點(diǎn)焊機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、控制系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)組成，分直角、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)型等若干種，具有操作簡便、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于薄板金屬結(jié)構(gòu)的焊接，被廣泛用于汽車車身裝配、航天航空等工業(yè)領(lǐng)域[23]?；『笝C(jī)器人主要有熔化極焊接作業(yè)和非熔化極焊接作業(yè)兩種類型，具有可長期進(jìn)行焊接作業(yè)并保證焊接作業(yè)的高生產(chǎn)率、高質(zhì)量和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)[24-25]。在我國，汽車是焊接機(jī)器人最早和最大的用戶。一汽的捷達(dá)車身焊接車間自動(dòng)化率高達(dá)80%，實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)傳送和焊接[26-27]，每臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人經(jīng)過零位標(biāo)定、氣壓和電流標(biāo)定后進(jìn)行焊接。

2.2 仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

隨著智能化虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，焊接在基于Unity3D下可以進(jìn)行虛擬建模，而在高職院校焊接實(shí)訓(xùn)中就可以讓學(xué)生在虛擬仿真的模擬下提前了解到焊接的主要操作步驟和實(shí)訓(xùn)場地的環(huán)境特征，并且可以基于Unity3D技術(shù)創(chuàng)建VR環(huán)境模擬，讓學(xué)生控制VR手柄來模擬焊接操作，避免因第一次焊接和對焊接實(shí)訓(xùn)場地的不熟悉而導(dǎo)致的人員及財(cái)產(chǎn)損失[19，20，28]。

2.3 智能化焊接站系統(tǒng)應(yīng)用

隨著焊接機(jī)器人的智能化發(fā)展，逐漸發(fā)展出一些典型的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，如“機(jī)器人+焊接”“機(jī)器人+焊接工作站”“機(jī)器人+焊接生產(chǎn)線”。其中，“機(jī)器人+焊接”系統(tǒng)最為簡單，“機(jī)器人+焊接生產(chǎn)線”系統(tǒng)最為復(fù)雜，其包括備料、組對、上料、焊接、檢驗(yàn)、下料、分揀等一系列工序，不僅對單一生產(chǎn)線有技術(shù)要求，還對整個(gè)焊接過程的協(xié)調(diào)性有很強(qiáng)的技術(shù)要求。而作為一個(gè)相對獨(dú)立的工作單元系統(tǒng)，“機(jī)器人+焊接工作站”則是最有可實(shí)施性的。在該系統(tǒng)下，采用雙工位的焊接方法，焊接機(jī)器人與操作者分別在不同工位交替完成焊接任務(wù)，有效減少或避免了機(jī)器人的等待時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。江蘇南通某生產(chǎn)垃圾焚燒設(shè)備的集團(tuán)公司通過搭建“機(jī)器人+焊接工作站”的系統(tǒng)，使其生產(chǎn)車間升級(jí)為集智能化、自動(dòng)化、信息化等多種先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代先進(jìn)工程[29]。

2.4 智能化焊接協(xié)調(diào)技術(shù)應(yīng)用

隨著工業(yè)的發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品的需求增多，多智能化焊接協(xié)調(diào)技術(shù)成為重要的發(fā)展方向。多智能化焊接協(xié)調(diào)技術(shù)是在完成某個(gè)任務(wù)的同時(shí)使用多個(gè)焊接設(shè)備來完成工作，主要分為多機(jī)器人合作與多機(jī)器人協(xié)調(diào)。王健強(qiáng)[30]等運(yùn)用多智能體Multiagent系統(tǒng)理論思想，機(jī)器人通過硬線或線場總線與其他設(shè)備通訊實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)器人協(xié)調(diào)焊接。多智能化焊接協(xié)調(diào)技術(shù)在車輛的生產(chǎn)車間的應(yīng)用最為廣泛，在車間里分配給各機(jī)器人相應(yīng)的工作，使其完成各自的工作從而達(dá)到合作；在合作的基礎(chǔ)上各焊接單位互不干擾，在確立各自的焊接工作后，各焊接單位再保持運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)一致。而在整個(gè)多智能化焊接協(xié)調(diào)技術(shù)的系統(tǒng)中，智能體技術(shù)是解決機(jī)器人有效合作的關(guān)鍵[16，31]。

3 結(jié)論

在工業(yè)4.0時(shí)代，焊接作為主要的工業(yè)加工方法之一，正朝著智能化和自動(dòng)化方向發(fā)展。

通過焊縫跟蹤系統(tǒng)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、遙控焊接技術(shù)、虛擬仿真與人機(jī)交互技術(shù)、基于PC機(jī)的轉(zhuǎn)變研究技術(shù)等方面的研究，實(shí)現(xiàn)了焊接智能化的跨越發(fā)展，拓展了焊接智能化的應(yīng)用領(lǐng)域，使我國工業(yè)在國際上占有重要地位。