智能化焊接機器人展望

王二橋

摘 要： 機器人焊接已經成為自動化焊接的主要標志，實現機器人焊接過程智能化是機器人焊接技術發展的必然趨勢。本文從焊接傳感技術、焊縫跟蹤技術、焊接路徑規劃技術與焊縫成形質量控制技術四個方面介紹機器人焊接智能化關鍵技術的研究現狀及其面臨的問題，也展望了焊接機器人智能化技術的發展趨勢。

關鍵詞： 機器人焊接；智能化技術；多信息傳感；智能控制

焊接生產過程自動化、柔性化以及智能化是焊接技術發展的必然趨勢，采用機器人焊接已經成為自動化焊接的主要標志。機器人焊接技術具有焊接質量穩定、焊接效率高、自動化程度高等優點，受到人們的廣泛關注，經過幾十年的發展，焊接機器人已經應用于船舶、汽車工業、航天、電子電氣行業及其他相關制造業等諸多領域中，獲得了顯著的經濟與社會效益。隨著智能制造、工業4.0戰略計劃的提出與實施，焊接機器人將會在制造業中扮演越來越重要的角色。目前，焊接機器人的研究與應用水平已經成為衡量一個國家制造業先進程度的重要標志之一。

實現機器人焊接過程智能化是機器人焊接技術發展的必然趨勢。當前國內外大量應用的焊接機器人仍然是“示教再現型”，其焊接路徑與焊接參數是根據實際作業條件預先設置的，焊接時缺乏對外部信息傳感與實時反饋調節的功能，一般僅用于汽車骨架等焊接條件比較一致的大批量焊接。并且“示教型”焊接機器人進行新產品焊接時，焊前準備時間較長，對于中小批量產品的焊接，相比于手工焊接不具備焊接效率與成本上的優勢，限制了焊接機器人的應用范圍。因此迫切需要在機器人焊接中應用智能化技術，提高焊接機器人智能化水平，擴大焊接機器人的應用范圍。國內外機器人焊接智能化技術研究表明，焊接傳感技術、焊縫跟蹤技術、焊接路徑規劃技術與焊縫成形質量控制技術4個方面是制約機器人焊接技術發展的瓶頸，也是目前機器人焊接智能化技術研究的熱點。本文從這4個方面介紹近些年來智能化技術的研究成果及其面臨的問題，并對智能化技術各方面的發展進行展望。

一、焊接傳感技術

焊接過程的傳感是機器人焊接智能控制行為的前提條件，如同人工智能行為的感知功能，機器人通過傳感器實時獲取焊接過程的各種狀態信息來實現機器人焊接的智能控制行為。研究學者對焊接過程的傳感技術的研究開展了許多的工作，開發了許多種類的傳感器，用于對焊接過程進行感知，進而智能控制焊接過程。已有的研究表明，單一的傳感器在反映焊接狀態的全面性與準確性存在不足，采用多傳感信息融合技術能獲取更多的焊接過程狀態信息，能更全面和真實的表達焊接過程。

（一）焊接過程中的各類傳感器

基于傳感原理對焊接傳感器進行分類，主要包括：視覺傳感、電弧傳感、聲學傳感、光譜傳感、溫度傳感等。

（二）多傳感信息融合技術

多傳感信息融合技術是在焊接過程中采用多個傳感器，從多角度、多方面對焊接過程進行傳感，然后使用信息融合技術對多傳感信息進行融合處理，獲取更加準確、全面的焊接過程狀態的融合信息。該方法對錯誤信息的容錯能力較強、更加真實全面的描述焊接過程狀態，因此能夠更加準確控制焊接質量，是未來傳感技術發展的趨勢。目前針對焊接過程的多傳感信息融合技術的研究才剛剛起步，已展現出一定的優勢。

二、焊縫跟蹤技術

焊接過程的跟蹤與糾偏是智能化焊接必須面對與解決的問題之一。實際焊接過程中，受到加工精度、裝配精度與熱變形等因素的影響，使焊槍偏離焊接軌跡，從而導致焊接質量下降甚至工件報廢。所以智能化焊接要求在焊接時，利用傳感器檢測出焊縫偏差信息，并根據偏差信息實時反饋調整焊接路徑與焊接參數。根據焊縫跟蹤中所用到的傳感器種類的不同可以分為視覺、電弧、超聲波、接觸式感應跟蹤等，其中視覺跟蹤和電弧跟蹤是焊縫跟蹤技術研究的重點。

（一）視覺跟蹤法

視覺跟蹤法是通過視覺傳感器獲取焊縫圖像，然后檢測出焊縫中心線，從而實現焊縫跟蹤過程的方法。該跟蹤方法幾乎能實現所有接頭形式的焊縫跟蹤，在焊縫跟蹤中應用也最為廣泛。其實現過程主要包括： 焊縫圖像的獲取、圖像處理、特征點提取、焊縫中心線的擬合及焊槍末端的跟蹤控制等。

（二）電弧跟蹤法

電弧跟蹤法是利用電弧傳感器測量焊接過程中電信號的變化來檢測出焊縫偏差信息，從而實現焊接過程糾偏的方法。該方法不受焊接飛濺、弧光、煙塵等干擾，焊槍可達性好，信號檢測的實時性較強，成本較低，在焊縫跟蹤中取得較廣泛的應用。

三、焊接路徑規劃技術

焊接機器人的焊接路徑獲取方法主要有三種：手工示教、離線編程和在線自主編程。

（一）手工示教法

手工示教法是利用操作工人手動操作示教盒，控制焊槍末端生成實際焊接軌跡的一種在線手動編程方法。手工示教法具有操作簡單，對焊接條件適應性較強，并廣泛應用于焊接機器人。由于焊接路徑受人為因素影響較大，路徑參數規劃效率低，所以限制了焊接機器人在中小批量焊接中的應用。

（二）離線編程法

離線編程法也稱為虛擬示教法，是利用交互式三維圖形軟件對機器人、工件及其環境進行建模，并在模擬環境中進行虛擬示教，進而將示教結果轉化實際焊接路徑的方法。該方法能夠提高機器人的使用效率和焊接自動化水平，降低成本。但通過離線編程獲取的焊接路徑在實際焊接時仍需要進行校準與修正才能使用。目前，國內對于焊接路徑規劃的離線編程還處于研究試驗階段，而國外一些工業機器人廠家已經開發離線編程軟件用于實際生產。

（三）在線自主編程法

在線自主編程法是借助于視覺傳感器識別焊縫并獲取焊縫在機器人基坐標系下的三維坐標，進而實現機器人焊接路徑自主規劃的方法。該方法能夠有效模擬人工焊接中觀察-決策這一智能行為，提高了焊接機器人的智能化水平，是焊接路徑規劃技術發展的趨勢。國內外學者在基于視覺傳感的焊縫三維坐標重建上進行了深入的研究，焊縫定位誤差已經基本能滿足一般電弧焊接技術要求。

四、焊縫成形質量控制技術

焊縫成形質量控制技術是在焊接過程中，利用視覺傳感方法監控、檢測焊接動態熔池幾何尺寸、焊縫背面熔寬的變化，根據變化相應的實時調整焊接參數、焊槍姿態與運動軌跡，使焊縫得到良好成形。焊縫成形質量控制技術主要包括：焊接熔池動態信息傳感、焊接過程建模，智能控制器設計三個方面。

（一）焊接熔池動態信息傳感

焊接熔池動態信息傳感是焊縫成形質量控制過程的一個重要環節。基于視覺傳感在線實時獲取的熔池動態信息能夠直接反應焊接過程金屬熔化的動態行為，因此視覺傳感方法是焊接熔池動態過程控制中最常用到的方法。國內外研究人員對視覺傳感測量焊接動態熔池自由表面參數的方法進行了深入研究。

（二）焊接過程建模與控制器設計

焊接過程的建模是在焊接過程中，建立焊接參數對焊縫成形的影響規律模型。建模是控制器設計的基礎，其模型的準確性決定了控制系統對焊接熔池動態過程控制有效性。由于焊接過程具有多變量耦合、時變、非線性等特點，采用傳統的數學模型無法真實的反應焊接過程，很難達到理想的控制效果。隨著現代神經網絡、模糊集合與粗糙集合等智能建模方法的提出與應用到焊接過程的模型建立中，焊縫成形質量控制技術有了顯著的突破。

五、結論與展望

智能化技術是保證焊接機器人獲取更高焊接質量與生產效率的關鍵技術，是解決焊接機器人在船舶、航空航天、機械制造等領域進一步深入應用的關鍵。從上述的研究現狀可以看出焊接機器人智能化技術取得了較大的進展，但仍然還有許多問題需要解決。焊接機器人各方面智能化關鍵技術中：

焊接傳感技術將由單一傳感方法向多傳感信息融合方法發展，以確保焊接狀態信息的準確性與完整性；

研制出成本較低、精度較高、實時性較好、適應性較強的視覺跟蹤系統是焊縫跟蹤技術發展的一種趨勢，將會為機器人激光焊的焊縫跟蹤應用打下基礎。

基于視覺傳感的在線自主路徑規劃技術將是焊接路徑規劃技術的發展趨勢。

隨著對焊接過程了解的深入，協同調節各種焊接參數控制焊接過程將是焊縫成形控制技術的發展方向。

隨著科學技術快速發展，機器人焊接各方面智能化技術的問題得到有效解決，并取得巨大突破，機器人焊接技術進入一個新階段。智能化焊接機器人終將會逐步取代焊工。