焊接智能化的研究現狀及應用

（四川工程職業技術學院，四川德陽 618000）

0 前言

焊接被稱為“工業裁縫”，是工業加工中最主要的加工方法之一。焊接機器人是焊接智能化發展的代表。19世紀末出現了最早的現代化焊接技術，在20世紀中期出現了焊接機器人，從此焊接逐漸由傳統的手工焊向智能化、自動化的焊接方法轉變。如今，依托計算機的發展，為使焊接達到更加智能化，焊縫跟蹤系統、離線編程與路徑規劃技術、遙控焊接技術、虛擬仿真與人機交互技術、基于PC機的轉變研究技術等成為了目前智能化焊接的研究熱點。

1 焊接智能化研究

1.1 焊縫跟蹤系統

在智能化焊接中，焊接機器人工作時產生強烈的弧光輻射、高溫、焊渣的飛濺、灰塵、氧化、加熱形變等都會使焊炬偏離焊縫，從而導致焊接的整體質量下降[1-3]。焊縫跟蹤系統則能夠在這種不利條件影響下，通過實時檢測焊縫偏差，進而調整焊接路徑和焊接參數，保證焊接質量[4]。

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

哈爾濱理工大學的王世偉[5]研制了基于激光視覺的焊縫跟蹤系統，其主要由激光視覺系統、圖像處理系統、運動控制系統三部分組成，各有分工，激光視覺系統和圖像處理系統采集、處理焊縫圖像后獲取焊縫特征點，進行偏差修正，再由運動控制系統實時調整焊接機器人的行走路徑，提升自動焊接系統的實時性與精度。

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

傳感器作為焊縫跟蹤系統的核心，一直是研究熱點。焊縫識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具有以下特點而應用廣泛：（1）與焊接回路無關且與工件無接觸；（2）可實時實現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，甚至運用小波變換模極大值理論與最小二乘法的結合提取焊縫的特征點，使焊接精度達到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，從而導致跟蹤精度低。針對該問題，曹瑩瑜等人[11]采用特制導輪與坡口緊密接觸，當坡口位置發生偏移，利用光電轉化原理轉化為電信號的變化，從而實時指引焊槍的運動。由于采用機械接觸傳感，避免了弧光、背景光等因素的干擾，使傳感器具有強抗干擾能力，穩定性和可靠性得到提高。

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

結合國內外的研究現狀來看，激光跟蹤系統是焊接智能化發展的必然方向，是科研的重點研究方向。隨著計算機視覺技術的發展，主動激光照明焊縫視覺傳感技術因對推動焊縫的智能識別和焊接過程的自動化有重要作用逐漸備受關注[10-15]。

1.2 離線編程與路徑規劃技術

離線編程技術是在不使用焊接機器人的情況下，利用計算機圖形學成果模擬焊接機器人工作環境，并運用相應算法，通過對圖形的控制和操作，對焊接機器人的焊接路徑實施編程。

離線編程技術相比在線編程技術而言，可使編程者遠離危險環境，提升工作效率，便于做到CAD/CAM/機器人一體化等特點。離線編程技術正在向著全自動更加智能化的方向發展[16-17]。

1.3 焊接遙控技術

遙控焊接是指操作者遠離有毒、深水、核輻射、易燃易爆等危險工作環境對焊接設備和焊接過程進行遠程操控。目前的焊接技術還不能完全實現使用智能化焊接技術來進行自主焊接，所以需要采用遙控焊接遠程操控焊接設備以保證焊接的精確性和質量[16]。在20世紀70年代，操作人員通過遠程操作執行機構控制焊槍的運動完成了焊接；20世紀80年代中期，國外進行了應用機器人的遙控焊接技術研究，最早成功實現的是在1984年加拿大Douglas Point核電站利用遙控焊接維修反應堆泄露事故。主動視覺傳感是遙控焊接中主要應用的傳感方式，但也存在一定的缺陷，因為在焊接機器人遙操作系統中，不僅自主控制的視覺傳感器體積會影響焊槍的可達性，焊縫軌跡以及工作環境也會影響傳感器的適用條件，所以由傳感器引導的機器人對工作環境缺乏適應力，遇到某些意外情況憑自身難以解決[18]。

1.4 虛擬仿真與人機交互技術

在智能化焊接中，焊接過程會涉及到幾何學、運動學、動力學等許多參數，所以焊接前需要進行大量的高難度的設計和實驗。若將智能化焊接的機械臂進行虛擬仿真，并使用CAD技術和計算機仿真技術將焊接過程用動畫方式表現出來，并結合相應的幾何學、動力學等多次實驗，就能找出并解決可能會在實際操作中出現的問題[19]。

在目前的智能化焊接中，Unity3D在虛擬仿真與人機交互方面發揮著重要作用。人機交互即機器人模型給工作人員反饋機器人的位置與姿態，人機交互界面負責機器人運動信息反饋和機器人的控制，人再通過人機交互界面對焊接機器人實施遠端操作，從而達到人機交互。在復雜、惡劣的環境中將遠端焊接機器人與虛擬現實結合起來并實施人機交互，既能保證焊接工人的安全又能高效地完成焊接作業[19-20]。

1.5 基于PC機的轉變研究技術

隨著計算機技術、微電子的快速發展，計算機因其普遍、易操控、計算快等特點，成為智能化發展的一個重要選擇方向。焊接機器人從以往較傳統的控制器控制向基于PC機的通用型控制器轉變。基于PC機的控制系統，能夠將圖形處理、聲音處理、人工智能更好地應用于智能化焊接中，并且彌補因實時性而產生的誤差[21]。

2 焊接智能化的應用

2.1 焊接機器人應用

目前廣泛使用的焊接機器人可分為點焊機器人和弧焊機器人兩大類[22]。點焊機器人主要由機器人本體、控制系統、焊接系統組成，分直角、圓柱坐標、極坐標型等若干種，具有操作簡便、生產率高等優點，尤其適用于薄板金屬結構的焊接，被廣泛用于汽車車身裝配、航天航空等工業領域[23]。弧焊機器人主要有熔化極焊接作業和非熔化極焊接作業兩種類型，具有可長期進行焊接作業并保證焊接作業的高生產率、高質量和高穩定性等特點[24-25]。在我國，汽車是焊接機器人最早和最大的用戶。一汽的捷達車身焊接車間自動化率高達80%，實現工件自動傳送和焊接[26-27]，每臺點焊機器人經過零位標定、氣壓和電流標定后進行焊接。

2.2 仿真技術在教學中的應用

隨著智能化虛擬仿真技術的發展，焊接在基于Unity3D下可以進行虛擬建模，而在高職院校焊接實訓中就可以讓學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訓場地的環境特征，并且可以基于Unity3D技術創建VR環境模擬，讓學生控制VR手柄來模擬焊接操作，避免因第一次焊接和對焊接實訓場地的不熟悉而導致的人員及財產損失[19，20，28]。

2.3 智能化焊接站系統應用

隨著焊接機器人的智能化發展，逐漸發展出一些典型的焊接機器人系統，如“機器人+焊接”“機器人+焊接工作站”“機器人+焊接生產線”。其中，“機器人+焊接”系統最為簡單，“機器人+焊接生產線”系統最為復雜，其包括備料、組對、上料、焊接、檢驗、下料、分揀等一系列工序，不僅對單一生產線有技術要求，還對整個焊接過程的協調性有很強的技術要求。而作為一個相對獨立的工作單元系統，“機器人+焊接工作站”則是最有可實施性的。在該系統下，采用雙工位的焊接方法，焊接機器人與操作者分別在不同工位交替完成焊接任務，有效減少或避免了機器人的等待時間，提高了生產率。江蘇南通某生產垃圾焚燒設備的集團公司通過搭建“機器人+焊接工作站”的系統，使其生產車間升級為集智能化、自動化、信息化等多種先進技術于一體的現代先進工程[29]。

2.4 智能化焊接協調技術應用

隨著工業的發展，對工業產品的需求增多，多智能化焊接協調技術成為重要的發展方向。多智能化焊接協調技術是在完成某個任務的同時使用多個焊接設備來完成工作，主要分為多機器人合作與多機器人協調。王健強[30]等運用多智能體Multiagent系統理論思想，機器人通過硬線或線場總線與其他設備通訊實現協調作業，實現了雙機器人協調焊接。多智能化焊接協調技術在車輛的生產車間的應用最為廣泛，在車間里分配給各機器人相應的工作，使其完成各自的工作從而達到合作；在合作的基礎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動的協調一致。而在整個多智能化焊接協調技術的系統中，智能體技術是解決機器人有效合作的關鍵[16，31]。

3 結論

在工業4.0時代，焊接作為主要的工業加工方法之一，正朝著智能化和自動化方向發展。

通過焊縫跟蹤系統、離線編程與路徑規劃技術、遙控焊接技術、虛擬仿真與人機交互技術、基于PC機的轉變研究技術等方面的研究，實現了焊接智能化的跨越發展，拓展了焊接智能化的應用領域，使我國工業在國際上占有重要地位。