MATLAB在焊接機器人應用與維護課程中的作用

（江蘇省徐州技師學院，徐州 221000）

0 引言

焊接機器人應用與維護課程是焊接專業核心課程之一，該專業綜合了焊接及設備操作等知識，開設了焊接工藝、焊接設備、焊接檢測、焊接操作實訓課程等。主要培養焊接機器人操作工及應用維護專業技術人員，該專業的學生需具備焊工中級工、高級工技能等級資格證書及焊接設備操作工資格證書。近幾年，工業機器人應用越來越廣泛，很多中小型企業都有機器人生產線，尤其是以焊接為主要技術工種的淮海經濟開發區，對焊接機器人操作工需求更是供不應求。因此，培養既能操作又具備機器人維護基礎的技能人才是迫在眉睫的。

但在該專業學習過程中，無論是傳統的手工焊接方法還是適用機器人焊接，焊接工藝參數是影響焊縫成形的關鍵因素。眾所周知，焊縫成形是多因素作用的結果，成形過程很抽象，學生理解有一定難度，因此，在該課程的教學過程中除了課堂上的理論講授、多媒體課件的演示外，實驗教學以及利用MATLAB軟件完成焊接工藝參數優化也是十分重要的。多種教學方法相結合可以激發學生對焊接專業的興趣，在未來的職業道路上讓他們有能力適應崗位要求。

MATLAB神經網絡工具箱進行焊接工藝參數優化，可使學生快速高效的得到不同焊縫外形尺寸下的焊接工藝參數。以往獲得焊接參數與焊縫成形各因素之間的關系都是通過不斷的焊接試驗后對焊縫進行外觀檢測和無損檢測，與現在的方法相比，不但快速得到實驗結果，還提高了學習效率，結合實際焊接方法的操作應用，能讓學生不受時間約束，充分發揮自主學習的能力和想象力，對解決生產實際問題奠定了基礎。

1 MATLAB在教學中的作用

在焊接機器人教學中，通過將MATLAB引入課程教學，該教學內容包括焊接機器人基礎知識，主要有機器人本體、控制柜、焊接系統、清槍系統的功能及作用，機器人運動方式，機器人示教功能及坐標系的運用，機器人零點校正及TCP工具校驗，常規的機器人生產維護保養知識。MATLAB的應用使得枯燥的理論教學多了一些多媒體、仿真和交互性操作，將原本很難理解的抽象過程MATLAB的計算功能和圖形處理功能，可使其準確、形象、直觀地表現出來，從而加深了學生理解，事半功倍的提高了教學效果。

在該系統軟件中，我們設計出了仿真演示機器人動作和示教過程，設計了直線編程軌跡和圓弧編程軌跡動畫，插入了機器人現場焊接操作視頻，運用多層多道視頻加深對多層多道概念的理解，通過尋位程序的演示使得學習不再受時間、地點和實習環境的局限，學生可以利用課外時間進行復習，預習及鞏固知識要點。

2 MATLAB焊接工藝參數優化

在焊接機器人操作應用中，焊接工藝參數設置是決定焊縫質量的關鍵因素之一，傳統的焊工在不斷施焊過程中總結經驗得到合理的焊接工藝參數，這對操作工有一定的技術要求，但若運用MATLAB可以實現焊接工藝參數優化，學習者只需要將焊縫外形尺寸參數輸入，就能得到合理的焊接電流、焊接電壓、焊接速度。此方法的運用，不但提高了工作效率，還便于掌握焊接工藝參數，減少了施焊次數及耗材，使學習者快速掌握該技術。

機器人焊接過程中，決定焊縫外形尺寸有熔寬、熔深、熔高；需要設置的焊接參數有焊接電流、焊接電壓、焊接速度。送絲速度決定焊接電流大小，電流越大，容易增大飛濺，需要與電壓配合設置，才能得到較好的焊縫成形。電壓越大，熔寬越大，熔深越大，熔敷率越大。焊接速度越大，熔高越大，熔寬變小，熔深變小。因此，獲得較好的焊縫成形需要焊接電流、焊接電壓、焊接速度等參數相互匹配[1]。

焊接過程是復雜的多耦合的過程，很多因素影響著焊縫成形過程，神經網絡是模擬人腦生物過程的人工智能技術，具有自學習、自組織、自適應和很強的非線性映射能力，因此在該領域很多專家和學者運用神經網絡模擬復雜的焊接成形過程。人工神經網絡中最常用的是BP神經網絡，BP神經網絡運用BP算法是一種多層神經網絡，常應用與軟件中實現其功能。

MATLAB是理工科研究中常用的軟件，擁有強大的可視化功能和數值運算。與其他程序語言相比，MATLAB優勢在于對矩陣等算法處理能力強，程序可讀性強，調試方便。可以將建模仿真、數據處理、可視化應用等集成于MATLAB工具箱中，各專業性較強的學科基礎程序都在工具箱中，用戶只需要調用相關程序，就可以實現不同學科功能。

本文中運用MATLAB工具箱進行神經網絡設計。神經網絡設計形式通常采用BP神經網絡，在焊接參數優化過程中，設置了該網絡的輸入參數為焊接電流、焊接電壓、焊接速度；輸出參數為熔寬、熔深、熔高[2]。因此設置輸入層節點數為3，隱含層節點數為7，輸出層節點數1。隱含層及輸出層函數均為tagsig，權值、閥值初始值及相應訓練參數均為默認值[3]。訓練的網絡為前饋型，該神經網絡主要是通過輸出值和目標值誤差，通過每個節點的權值和閥值進行不斷調整，達到理想目標值的過程。將訓練的網絡保存為函數，在MATLAB中調用后，輸入焊縫外形尺寸熔寬、熔深、熔高就能得到焊接電流、焊接電壓、焊接速度。

3 焊接機器人應用與維護專業教學改革

焊接機器人應用與維護專業學生對調整焊接工藝參數這課題的訓練途徑是通過不斷的實訓，在施焊過程中讓學生通過焊縫外觀成形判斷焊接參數是否合理。該教學方法的弊端有兩點：一是浪費耗材包括焊絲、焊槍易損件、混合氣體、板材等。二是學生不能直觀的判斷如何調節焊接參數，初學者缺乏焊接基礎和焊接經驗，不能很快熟練和掌握。

面對豐富的網絡資源，現代化的教學設備，雄厚的理論基礎，如何運用網絡信息技術，改進教學方式優化教學過程，已成為我們必須研究的重要課題。將MATLAB引入到教學中開發交互式教學系統，交互式軟件便于任務驅動教學法，小組學習法，等教學方法的實施。小組間形成合作競爭關系，得到最優的焊接參數。基于網絡的教師交互式教學系統在教育信息化建設中可以成為教師開展網絡教學實踐探究的試驗田和師生互動的平臺，促使教學“虛擬學習共同體”的形成。

4 結束語

將MATLAB引入到教學中能夠有效整合現有網絡資源，開發教師網絡教學的通用模塊，減少資源浪費，將枯燥乏味的焊接過程變成趣味的操作游戲，學生從中不僅掌握了焊接工藝參數如何優化，還能培養學生團隊協作的能力和創新創造能力，有助于職業能力素養的養成。