上海交通大學機器人焊接智能化技術實驗室

一、科研簡介

上海交通大學機器人焊接智能化技術實驗室成立于2000年3月，由教育部長江學者獎勵計劃特聘教授陳善本博士領銜，多年來一直致力于智能化焊接機器人技術和焊接動態過程信息獲取與智能控制研究工作：運用人工智能技術模擬實現焊工觀察、判斷與操作行為，研究在局部環境基于視覺信息對焊接環境自動識別、導引跟蹤焊縫、焊接熔池動態特征智能控制等關鍵技術，將計算機視覺、聲音、電弧及其光譜等多信息傳感與融合處理、知識建模、模糊神經網絡、智能控制等智能化技術成功地用于解決各種典型工藝條件下脈沖TIG焊接動態過程控制這一焊接界的難題，形成了系列性的研究成果。研究了基于單目圖像視覺信息的焊接環境識別、熔池動態形狀與二維、三維特征的視覺計算、焊接過程聲音與電弧特征提取與處理、運用模糊辨識與粗糙集理論對焊接過程的知識建模、焊接動態過程模糊神經網絡控制器設計、對具有時滯的不確定對象的神經網絡補償與自學習控制；研究了局部自主智能焊接機器人系統的關鍵技術并集成研制了具有對焊接環境感知的初始焊為位自主識別與導引、焊縫識別與自主規劃、軌跡修正和跟蹤、焊接熔池視覺傳感與特征提取、工藝專家系統指導、熔透與焊縫成形智能控制功能的局部自主智能化焊接機器人（LAIWR）系統，并在局部作業空間模擬焊工基本智能行為的自主焊接機器人單元，以及研制了基于視覺和電弧傳感的輪足組合越障全位置移動焊接機器人系統。在基于視覺信息的焊接機器人自主與智能化關鍵技術及其系統實現等方向的研究中取得多項創新性結果。本實驗室在相應機器人焊接智能化技術研究成果在海洋工程、航空航天、造船、汽車、家電等行業擁有多項成功的應用。

上海交通大學機器人焊接智能化技術實驗室研究團隊在上述領域研究曾獲國家自然科學基金重點項目、面上項目、國際合作交流項目，863計劃以及國防預研、國防基金、教育部和上海市重點項目等30余項資助。所研究的“局部環境自主智能焊接機器人關鍵技術”曾在航天飛行器、船舶與汽車焊接制造中獲得了有效的應用，推動了我國航天、船舶重工等焊接制造自動化技術的進步。主要成員曾獲國家科學技術進步獎二等獎2項、國防科學技術獎一、二等獎、中國機械工業科學技術一等獎、中國高校科學技術一等獎、教育部科技進步獎二等獎以及上海市科技進步獎、專利發明獎等多項；申請/授權國家發明專利30余項和軟件著作10余項；出版中英文著作8部；在國內外學術刊物發表學術論文300余篇。

◆焊接智能化關鍵技術基礎研究

針對GTAW開展了基于電弧光譜、聲音、電弧電壓和熔池視覺等多元特征信息融合的焊縫成形及質量控制策略研究，見圖1。

針對示教再現型焊接機器人不具備對于焊接環境識別、焊接動態過程信息獲取、反饋以及實時閉環控制功能，難以滿足高新技術裝備對焊接制造高質量、高效率的要求，研制了局部自主智能化焊接機器人系統，見圖2。

◆研制輪足組合越障全位置自主焊接機器人系統

在國家863計劃支持下，自主研制了“越障全位置自主焊接機器人系統”，涉及了主要關鍵技術包括：非接觸永磁吸附裝置研究及優化、越障機構設計與控制、機器人焊接過程中平穩運動協調控制以及基于視覺傳感的智能化焊接技術等，見圖3。

◆機器人焊接系統工程應用

實驗室聯合上海船舶工藝研究所共同開發了船舶管系（中徑管）管子-法蘭自動焊接系統，解決了大中型船廠管徑（Ф：114～273 mm）范圍內管—法蘭機器人自動焊。目前已在新時代造船、江南管業和廣州文沖船廠推廣應用，見圖4。

針對船體分段“＃字”形結構、曲面艕板機器人自動焊，聯合上海船舶工藝研究所、江南造船廠開發了一套基于離線編程技術的機器人焊接系統，見圖5。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖6

結合上海振華重工（股份）集團公司“海上鉆井平臺裝備制造智能化焊接車間”（發改辦高技[2012]2144號）項目平臺建設，針對海洋能源裝備自升式鉆井平臺樁腿焊接智能化制造需求，開展了Q690高強鋼雙機器人雙弧立焊新工藝及智能化焊接系統的研究，見圖6。

針對航天鋁合金薄壁結構件，聯合上海航天精密機械研究所開展了航天器新型鋁合金結構件機器人焊接智能化系統關鍵技術研究。研制的系統可實現初始焊接位置導引、焊縫跟蹤以及熔透控制，見圖7。

針對傳統接觸傳感器在機器人初始尋位中的應用局限性，基于實驗室多款機器人系統平臺開發了視覺尋位傳感系統，自主開發了能夠自適應環境變化的焊縫起始點尋找快速、精確和魯棒性好的圖像處理算法，見圖8。

圖7

圖8

二、團隊組成

實驗室以教育部長江學者陳善本教授領銜，包括“第九批千人計劃”——新西蘭坎特伯雷大學的陳小奇教授加盟的“機器人焊接智能化技術”研究團隊共有30余人。其中全職教師5人，國外客座研究員1人，兼職教師3人、博士后2名，博士生15名，碩士生10余名。

三、研發設備

實驗室擁有9自由度KUKA機器人柔性制造系統、ABB機器人系統、KEMPPI、OTC、LINCOLN以及BINZEL焊槍等先進設備、日本FANUC機器人及其視覺系統、日本安川MOTMAN焊接機器人及其變位機協調系統、自行研制開發的7自由度局部自主智能化焊接機器人系統、863項目支持的“輪足組合越障全位置自主焊接智能機器人系統”，以及Deneb機器人仿真系統軟件。實驗室現有多套自行研制的焊接動態過程視覺傳感和圖像處理算法軟硬件設備、焊接動態過程聲音傳感、電弧傳感和信號處理系統以及智能控制實驗平臺以及其他焊接過程模擬計算軟件，可以方便開展焊接熔池動態過程的視覺、聲音、電弧溫度、光譜等特征信息獲取、知識建模與智能控制方法研究系統實驗，見圖9。

圖9

實驗室在焊接動態過程信息采集與處理的傳感系統儀器設計與研發方面，曾研制了可用于碳鋼和鋁合金的兩光路、三光路多款脈沖TIG焊熔池區視覺傳感器，可用于智能化焊接機器人及專機并針對TIG、MIG焊接工藝的多款單目、雙目視覺傳感器，并已獲得了多項國家發明專利且有部分轉讓應用。

四、合作機構

上海交通大學機器人焊接智能化技術實驗室分別與KUKA、ABB、FANUC和KEMPPI等國際知名企業建有焊接機器人智能化技術研發與應用聯合實驗室；與KUAK公司建有“KUKA-上海交大機器人培訓中心”，面向各類交大學生培訓工業機器人編程技術；與中國機械工程學會焊接學會機器人與自動化專業委員會共建“CWS-RAC焊接機器人技術培訓中心”面向全國焊接行業從業人員培訓機器人焊接操作技術。實驗室的組織機構圖示：

聯系方式：

聯系人：陳華斌副教授、博士

地址：上海市東川路800號材料F樓（郵編：200240）

上海交通大學機器人焊接智能化技術實驗室

電話：021-34202740-807

網址：http://rwlab.sjtu.edu.cn

Email：hbchen@sjtu.edu.cn,rwlab@sjtu.edu.cn