焊接智能化機(jī)器人

1、焊接智能化機(jī)器人第一臺(tái) Unimate 型機(jī)器人是在 1959 年被制造出來的，自那以后，越來越多 的工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)在世界各地的各行各業(yè)中， 而其中一半左右的工業(yè)機(jī)器人為焊 接機(jī)器人。 自始至今，焊接機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段： 第一階段的焊接機(jī)器 人是以示教再現(xiàn)方式運(yùn)行的； 第二階段為可以通過傳感器接收信息的離線編程焊 接機(jī)器人；第三階段為智能機(jī)器人，它是多傳感器的且能夠自行編程以適應(yīng) 環(huán)境。自從 1959 年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 UNIMATE在美國(guó)誕生以來到現(xiàn)在，工業(yè)機(jī)器 人經(jīng)歷了三個(gè)階段， 即示教再現(xiàn)階段、 離線編程階段和自主編程階段。 據(jù)不完全 統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一

2、半以上用于各種形式的焊接加工 領(lǐng)域。因此， 從某種意義上來說， 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展 歷史。目前，國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)從整體上看基本都屬于第一代或 準(zhǔn)二代的。 隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步， 使焊接機(jī)器人由單一的單機(jī)示教再 現(xiàn)型向多傳感、 智能化的柔性加工單元 (系統(tǒng))方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由第二代向第三代 的過渡將成為焊接機(jī)器人追求的目標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化、 柔性化與智能化 已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、 改善工人勞動(dòng)條件、 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)， 自從第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世以來， 焊接機(jī)器人就顯示出了極強(qiáng)的生命力。 經(jīng)過近 50 年的飛速發(fā)展，

3、在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，焊接機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航 天、船舶、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、食品工業(yè)及其他相關(guān)制造業(yè)等諸多領(lǐng) 域中，并作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段， 成為衡量一個(gè)國(guó)家制造 水平和科技水平的重要標(biāo)志之一。目前，比較著名的焊接機(jī)器人公司有日本的 Motoman、FANU、CYaskwa，德國(guó)的 KUKA，瑞典的 ABB，美國(guó)的 Adept Technology ， 意大利的 COMA，U這些公司已成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)。盡管焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，使焊接質(zhì)量得到了極大改善，有效 提高了企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)效率， 但在應(yīng)用中仍然存在很多方面的問題值得我們?nèi)ミM(jìn) 一步研

4、究和改善，其中最主要的有以下三大方面。(1) 焊接機(jī)器人位置偏移后重新示教的問題這個(gè)工作現(xiàn)在需要占用大量的生產(chǎn)時(shí)間， 如果能夠利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿 真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行離線示教和仿真，將是焊接機(jī)器人應(yīng)用的一次革命性的改善。(2) 焊接機(jī)器人的校軸過程占用過多時(shí)間的問題機(jī)器人在軸的校正過程中耗費(fèi)比較長(zhǎng)的時(shí)間， 對(duì)于流水化的自動(dòng)生產(chǎn)線來說， 其停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。 如果能夠應(yīng)用高智能化的檢測(cè)手段， 使機(jī)器 人在其軸的基本參數(shù)丟失或變化后， 能夠自動(dòng)快速恢復(fù)到發(fā)生故障前的狀態(tài)， 將 給自動(dòng)化生產(chǎn)線帶來巨大的生產(chǎn)效益， 目前的 TCP自動(dòng)校零技術(shù)仍然有待進(jìn)一步 的提高。(3) 焊接機(jī)器人焊接過程

5、的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤問題目前焊接機(jī)器人進(jìn)行弧焊時(shí)， 對(duì)焊縫進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤反饋仍然還沒有很好地應(yīng) 用于生產(chǎn)。利用智能技術(shù)，動(dòng)態(tài)跟蹤焊縫狀態(tài)，實(shí)時(shí)反饋，這是保證弧焊質(zhì)量的 可靠性和穩(wěn)定性發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。焊接質(zhì)量控制一直是焊接研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)， 也是焊接界工作者致力研究的 重要課題。在實(shí)際焊接中，常常存在變形、變散熱、變間隙、變錯(cuò)邊等因數(shù)，影 響焊縫成形的質(zhì)量。 為了克服焊接過程中這些不確定性因素對(duì)精密焊接件質(zhì)量的 影響，迫切需要采用信息反饋、 智能控制等技術(shù)提高現(xiàn)行焊接機(jī)器人的適應(yīng)性或 智能化水平， 使之能實(shí)現(xiàn)初始焊位識(shí)別與自主導(dǎo)引、 實(shí)時(shí)焊縫糾偏與跟蹤、 焊接 熔池動(dòng)態(tài)特征信息獲取、 工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)

6、和焊縫成形的實(shí)時(shí)控制， 即實(shí)現(xiàn)機(jī) 器人焊接過程的智能化控制。 特別是在追求高質(zhì)量、 高效率的今天， 焊接機(jī)器人 自動(dòng)化、智能化已成為焊接發(fā)展的必然趨勢(shì)， 對(duì)焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)智能控制的要求也 顯得更為迫切。 從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看， 焊接機(jī)器人智能化技術(shù)研究主要集 中在焊接傳感技術(shù)、 焊縫識(shí)別與導(dǎo)引技術(shù)、 焊縫跟蹤技術(shù)、 焊縫成形質(zhì)量控制方 法、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)與遙控焊接技術(shù)等 6 個(gè)主要方面。(1) 焊接機(jī)器人傳感技術(shù) 傳感器在焊接機(jī)器人中具有重要作用，除了有傳統(tǒng)的位置、速度、加速度、 力傳感器外，還有激光、視覺、電弧傳感器。利用傳感技術(shù)在焊縫自動(dòng)跟蹤和自 動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密

7、裝配作業(yè)等場(chǎng)合， 大大提高了機(jī)器人的作 業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。 為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性， 多種傳感器的 使用是其問題解決的關(guān)鍵。 其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法， 特別 是在非線性、 非平穩(wěn)和非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。 多傳感器信息 融合技術(shù)目前尚處于研究階段，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究還不是很成熟。（2）焊縫識(shí)別與導(dǎo)引技術(shù) 實(shí)施機(jī)器人焊接的首要技術(shù)之一是如何尋找并導(dǎo)引機(jī)器人焊槍接近焊接的 初始點(diǎn)，焊縫的識(shí)別與導(dǎo)引是焊接機(jī)器人智能化的重要組成部分。 在現(xiàn)有的研究 成果中，主要是通過基于視覺的方法對(duì)焊縫進(jìn)行識(shí)別與導(dǎo)引。 Welding and cutting 雜志曾論述過

8、一種基于移動(dòng)機(jī)器人的獲取焊縫接頭位置并對(duì)焊接機(jī)器 人進(jìn)行導(dǎo)引的方法， 該方法能夠通過傳感系統(tǒng)自動(dòng)地獲取焊接的接頭位置并計(jì)算 出焊縫的軌跡信息， 并通過計(jì)算出的焊縫信息調(diào)整焊槍的姿態(tài)。 陳希章提出了一 種空間焊縫的路徑規(guī)劃方法， 通過雙目視覺傳感技術(shù)對(duì)空間焊縫的三維坐標(biāo)進(jìn)行 了恢復(fù)。（3）焊縫跟蹤技術(shù) 在實(shí)際焊接中，精確的焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)焊接過 程自動(dòng)化的重要研究方向。 隨著近代模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)并成功地應(yīng)用于 焊縫跟蹤系統(tǒng)，焊縫跟蹤技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到了智能跟蹤的時(shí)代。Journal of Materials Processing Technology 提出了一種基于模

9、糊邏輯 推理的焊縫跟蹤系統(tǒng)。 通過安裝在機(jī)器人上的 CCD裝置獲取焊接過程的圖像， 根 據(jù)圖像處理技術(shù)得到焊縫的邊緣， 采用模糊邏輯推理的控制方法對(duì)焊接的過程進(jìn) 行糾偏。此方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)直線焊縫、 曲線焊縫和折線焊縫的焊縫跟蹤， 取得了較 好的跟蹤效果。劉亞（音）提出一種基于遺傳算法的焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，針對(duì)多自由 度的機(jī)器人， 采用遺傳算法對(duì)機(jī)器人的路徑和各個(gè)關(guān)節(jié)位姿進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃， 取得 了穩(wěn)定可靠的焊接結(jié)果。也有文獻(xiàn)提出一種基于被動(dòng)視覺的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。 通過攝像機(jī)獲取焊接 過程中的焊縫圖像， 通過圖像處理算法提取出焊縫的上下兩條邊緣， 根據(jù)焊縫中 心線和熔池中心的位置偏差調(diào)整焊接機(jī)器

10、人的行走軌跡。（4）焊縫成形質(zhì)量控制方法 由于焊接過程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變的非線性系統(tǒng)， 很難采用傳統(tǒng)的 控制方法對(duì)焊接過程進(jìn)行控制。 近些年隨著模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及 專家系統(tǒng)理論的發(fā)展， 模擬焊工操作的智能控制方法已經(jīng)在焊接過程中成功應(yīng)用， 主要涉及到的技術(shù)包括熔池動(dòng)態(tài)過程的視覺傳感技術(shù)、建模與智能控制。Journal of Materials Processing Technology 提出了針對(duì)焊接機(jī)器人弧 焊過程中焊縫成形的控制方法。 通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)焊接過程的正面余高進(jìn)行實(shí) 時(shí)在線的預(yù)測(cè)， 針對(duì)預(yù)測(cè)得到的結(jié)果調(diào)整焊接過程的參數(shù)， 焊縫成形的質(zhì)量取得 了較好的結(jié)果。

11、李來平、杜全營(yíng)通過 CCD攝像機(jī)對(duì)焊接熔池的圖像進(jìn)行采集，根據(jù)熔池表面 的成像特點(diǎn)，開發(fā)了由熔池圖像提取熔池三維形狀參數(shù)的圖像處理算法。（5）多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù) 這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相 互間的通信與磋商機(jī)理、 感知與學(xué)習(xí)方法、 建模和規(guī)劃、 群體行為控制等方面進(jìn) 行研究。馬國(guó)紅設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜焊接機(jī)器人系統(tǒng)的 Petri Net 模型，開發(fā)出基于局域 網(wǎng)絡(luò)通信的軟件控制系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人的協(xié)同控制， 進(jìn)行了多機(jī)器人鋁合 金 GTAW角焊試驗(yàn)。Lecture Notes in Control and Information Science 設(shè)計(jì)了一

12、種激光焊 接多智能體柔性制造加工系統(tǒng) （LWFM）S，在激光焊接過程中， 實(shí)現(xiàn)了多個(gè)機(jī)器人 在激光焊接過程中的協(xié)調(diào)和控制。（6）遙控焊接技術(shù)在一些諸如核輻射、 深水、有毒等高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行焊接或其他作業(yè)， 需要 有遙控的機(jī)器人代替人去工作。 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自動(dòng) 系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制。 國(guó)內(nèi)外對(duì)遙控技術(shù)的研究成 果較多，遙控焊接正向著實(shí)用化的方向發(fā)展。 美國(guó)發(fā)射到火星上的索杰納機(jī)器人 就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。（7）其他相關(guān)技術(shù) 焊接機(jī)器人智能化技術(shù)覆蓋的領(lǐng)域范圍廣，它融合了多個(gè)學(xué)科的研究成果。 除了以上介紹的幾個(gè)主要的發(fā)展方向以外， 機(jī)器

13、人智能化技術(shù)還在焊接電源的配 套設(shè)計(jì)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、離線編程、專家系統(tǒng)、虛擬機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域研究取 得了較大的進(jìn)展。（8）特種焊接機(jī)器人技術(shù) 目前，關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人已在汽車制造、工程機(jī)械、航空航天、船舶等行業(yè) 獲得廣泛應(yīng)用，但對(duì)一些危險(xiǎn)、惡劣及特殊環(huán)境下，例如航天空間、深海作業(yè)、 管道內(nèi)外焊接等， 傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人難以勝任， 為此需要研究發(fā)展新型的 特種焊接機(jī)器人。特種焊接機(jī)器人是 21 世紀(jì)焊接自動(dòng)化、智能化技術(shù)的集中體 現(xiàn)，它融合了多學(xué)科的知識(shí)，如機(jī)構(gòu)學(xué)、控制工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、 微電子學(xué)、光學(xué)、傳感技術(shù)、材料學(xué)以及仿生學(xué)等，是當(dāng)今國(guó)際焊接自動(dòng)化、智 能化技術(shù)發(fā)展的重要方

14、向。 與傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人相比， 特種機(jī)器人通常是在非結(jié) 構(gòu)環(huán)境下自主工作， 更多依賴其對(duì)環(huán)境信息的獲取和智能決策能力， 更強(qiáng)調(diào)感知、 思維和復(fù)雜行動(dòng)能力， 比一般意義的焊接機(jī)器人需要更大的靈活性、 機(jī)動(dòng)性， 具 有更強(qiáng)的感知、決策、反應(yīng)以及行動(dòng)能力， 是最高意義上的焊接自動(dòng)化、 智能化。針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)， 科學(xué)技術(shù)人員正在研制各種類型的特種焊接機(jī)器 人，現(xiàn)在國(guó)外已開發(fā)出空間焊接機(jī)器人、深海焊接機(jī)器人、管道焊接機(jī)器人、球 罐焊接機(jī)器人、 軍用焊接機(jī)器人等， 這些特種焊接機(jī)器人將更加符合各應(yīng)用領(lǐng)域 的特殊要求，其功能和智能程度也大大超出了一般的關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人的范圍， 使焊接機(jī)器人技術(shù)呈現(xiàn)出

15、更加廣闊的發(fā)展空間。 在國(guó)外，生產(chǎn)特種焊接機(jī)器人的 公司數(shù)量近幾年迅速增加， 特種焊接機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成， 并對(duì)社會(huì)與生產(chǎn)力的 發(fā)展發(fā)揮了重大的推動(dòng)作用。我國(guó)在“863”計(jì)劃支持下，在水下焊接機(jī)器人、 爬壁焊接機(jī)器人、 管道焊接 機(jī)器人、球罐焊接機(jī)器人等方面開展了研究， 培養(yǎng)了隊(duì)伍，取得了一批研究成果， 在某些技術(shù)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平， 但從總體上與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大 差距，沒有形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)， 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果相對(duì)較少。 蔣力培等研發(fā)了無導(dǎo) 軌磁輪自由行走式全位置焊接及有導(dǎo)軌全位置特種焊接機(jī)器人系列產(chǎn)品。 朱加雷 等研制了適合核電環(huán)境水下焊接的試驗(yàn)系統(tǒng)， 可進(jìn)行水下環(huán)境的遠(yuǎn)程控制自動(dòng)

16、化 焊接作業(yè)。張華等公布了有關(guān)水下焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊縫識(shí)別與跟蹤控制、 技術(shù)、焊接方法及工藝、機(jī)器人運(yùn)載技術(shù)、機(jī)器人通信技術(shù)等技術(shù)。當(dāng)前焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在以下四個(gè)方面： 焊接機(jī)器人用弧焊電源 的研究；焊縫跟蹤技術(shù)的研究； 多臺(tái)焊接機(jī)器人和外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)； 仿 真技術(shù)。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化、柔性化和智能化的發(fā)展 已成必然趨勢(shì)。眾所周知，借助于材料、信息、控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉 技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代焊接技術(shù)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)的“手工技藝”作業(yè)發(fā)展為現(xiàn)代的“科 學(xué)制造”。模擬焊工的焊接操作過程中智能行為進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人焊接技術(shù) 是智能化焊接科學(xué)問題與關(guān)鍵

17、技術(shù)的研究熱點(diǎn)。 主要分為三方面研究問題： 第一 需要準(zhǔn)確地采集和獲取焊接動(dòng)態(tài)過程的信息， 類似于人類的感官器官感受外部的 焊接條件； 第二是模擬焊工經(jīng)驗(yàn)， 解析并提取焊接動(dòng)態(tài)過程的機(jī)理特征， 進(jìn)而建 立對(duì)焊接過程與質(zhì)量關(guān)系的模型； 第三模擬焊工的決策與操作， 設(shè)計(jì)焊接動(dòng)態(tài)過 程智能控制策略并運(yùn)用機(jī)器代替人去實(shí)現(xiàn)焊接過程及其質(zhì)量的自主與智能控制。 利用智能化機(jī)器模擬并實(shí)現(xiàn)焊工的智能行為是現(xiàn)代先進(jìn)焊接制造追求的目標(biāo)。由于焊接過程中環(huán)境、裝配條件變化以及不確定性因素干擾的存在，使得目 前在實(shí)際生產(chǎn)中使用的示教在線型焊接機(jī)器人一般無法滿足焊接生產(chǎn)質(zhì)量及多 樣性的要求。 為此，發(fā)展智能化機(jī)器人焊接技術(shù)， 諸如機(jī)器人焊接過程的視覺等 多信息傳感技術(shù)， 識(shí)別焊接環(huán)境、 自主導(dǎo)引焊縫跟蹤糾偏、 實(shí)時(shí)質(zhì)量智能控制以 及智能化焊接機(jī)器人及其柔性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)等已是非常必要而迫切。為了解決諸如此類的智能化機(jī)器人焊接過程控制中的瓶頸問題， 上海交通大 學(xué)智能化機(jī)器人焊接技術(shù)實(shí)驗(yàn)室十幾年來主要開展了電弧焊動(dòng)態(tài)過程的視覺信 息獲取，知識(shí)建模，智能控制方法， 以及智能化機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化途徑 的研究工作。 發(fā)展了一個(gè)智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)， 稱為局部自主智能化焊接機(jī)器 人系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一些