焊接机器人智能化技术研究
发表时间：2018-10-15T09:55:07.960Z 来源：《知识-力量》2018年10月中作者：平苏丰
[导读] 机器人焊接已经成为自动化焊接的主要标志，实现机器人焊接过程智能化是机器人焊接技术发展的必然趋势。
本文从焊接传感技术（山东省特种设备检验研究院有限公司）
摘要：机器人焊接已经成为自动化焊接的主要标志，实现机器人焊接过程智能化是机器人焊接技术发展的必然趋势。
本文从焊接传感技术、焊缝跟踪技术、焊接路径规划技术与焊缝成形质量控制技术四个方面介绍机器人焊接智能化关键技术的研究现状及其面临的问题，也展望了焊接机器人智能化技术的发展趋势。
关键词：焊接；智能化；发展趋势
随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。
从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。
随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标。
一、焊接机器人技术发展过程
随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。
从60年代诞生和发展到现在，焊接机器人的研究经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。
随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的单机示教再现型向多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展，实现由第二代向第三代的过渡将成为焊接机器人追求的目标。
目前，国内外大量应用的弧焊机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的。
由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出明显的缺点。
在实际弧焊过程中，焊接条件是经常变化的，如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和间隙的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均。
为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。
研究智能化机器人焊接技术，改进目前工业生产中示教再现型焊接机器人的适应或智能化功能，一方面是目前高技术产品复杂焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求；另外，随着人类探索空间的扩展，在极端环境，如太空、深水以及核环境下的焊接制造也对发展自主智能型焊接机器人提出了强烈的技术需求。
二、焊接机器人技术发展现状
1.焊接传感技术
焊接过程的传感是机器人焊接智能控制行为的前提条件，如同人工智能行为的感知功能，机器人通过传感器实时获取焊接过程的各种状态信息来实现机器人焊接的智能控制行为。
研究学者对焊接过程的传感技术的研究开展了许多的工作，开发了许多种类的传感器，用于对焊接过程进行感知，进而智能控制焊接过程。
已有的研究表明，单一的传感器在反映焊接状态的全面性与准确性存在不足，采用多传感信息融合技术能获取更多的焊接过程状态信息，能更全面和真实的表达焊接过程。
焊接过程中的各类传感器基于传感原理对焊接传感器进行分类，主要包括:视觉传感、电弧传感、声学传感、光谱传感、温度传感等。
视觉传感方法可以识别焊接接头类型，获取焊缝位置、焊接过程熔滴过渡、熔池动态特征等信息，并且不与焊接回路接触，不干扰正常焊接过程，是最有发展前景的传感方法之一。
2.多传感信息融合技术
多传感信息融合技术是在焊接过程中采用多个传感器，从多角度、多方面对焊接过程进行传感，然后使用信息融合技术对多传感信息进行融合处理，获取更加准确、全面的焊接过程状态的融合信息。
该方法对错误信息的容错能力较强、更加真实全面的描述焊接过程状态，因此能够更加准确控制焊接质量，是未来传感技术发展的趋势。
目前针对焊接过程的多传感信息融合技术的研究才刚刚起步，已展现出一定的优势。
3.焊缝跟踪技术
焊接过程的跟踪与纠偏是智能化焊接必须面对与解决的问题之一。
实际焊接过程中，受到加工精度、装配精度与热变形等因素的影响，使焊枪偏离焊接轨迹，从而导致焊接质量下降甚至工件报废。
所以智能化焊接要求在焊接时，利用传感器检测出焊缝偏差信息，并根据偏差信息实时反馈调整焊接路径与焊接参数。
根据焊缝跟踪中所用到的传感器种类的不同可以分为视觉、电弧、超声波、接触式感应跟踪等，其中视觉跟踪和电弧跟踪是焊缝跟踪技术研究的重点。
4.离线编程法
离线编程法也称为虚拟示教法，是利用交互式三维图形软件对机器人、工件及其环境进行建模，并在模拟环境中进行虚拟示教，进而将示教结果转化实际焊接路径的方法。
该方法能够提高机器人的使用效率和焊接自动化水平，降低成本。
但通过离线编程获取的焊接路径在实际焊接时仍需要进行校准与修正才能使用。
目前，国内对于焊接路径规划的离线编程还处于研究试验阶段，而国外一些工业机器人厂家已经开发离线编程软件用于实际生产。
5.电弧跟踪法
电弧跟踪法是利用电弧传感器测量焊接过程中电信号的变化来检测出焊缝偏差信息，从而实现焊接过程纠偏的方法。
该方法不受焊接飞溅、弧光、烟尘等干扰，焊枪可达性好，信号检测的实时性较强，成本较低，在焊缝跟踪中取得较广泛的应用。
电弧跟踪方法主要用于几何特征比较明显的焊缝跟踪，其工作原理是在V型坡口对接焊试验中，控制电弧周期性摆动，当焊枪位置出现偏差时，电信号在周期内呈非对称分布，根据检测到的电信号变化情况，获取焊枪位置偏差信息，并反馈给控制系统实现焊接过程纠偏。
三、焊接机器人技术发展趋势
智能化技术是保证焊接机器人获取更高焊接质量与生产效率的关键技术，是解决焊接机器人在船舶、航空航天、机械制造等领域进一步深入应用的关键。
从上述的研究现状可以看出焊接机器人智能化技术取得了较大的进展，但仍然还有许多问题需要解决。
焊接机器人各方面智能化关键技术中:(1)焊接传感技术将由单一传感方法向多传感信息融合方法发展，以确保焊接状态信息的准确性与完整性;(2)研制出
成本较低、精度较高、实时性较好、适应性较强的视觉跟踪系统是焊缝跟踪技术发展的一种趋势，将会为机器人激光焊的焊缝跟踪应用打下基础。
(3)基于视觉传感的在线自主路径规划技术将是焊接路径规划技术的发展趋势。
(4)随着对焊接过程了解的深入，协同调节各种焊接参数控制焊接过程将是焊缝成形控制技术的发展方向。
随着科学技术快速发展，机器人焊接各方面智能化技术的问题得到有效解决，并取得巨大突破。
本文中探讨了大量的示教再现类型的智能化机器人焊接技术运用问题,这些技术研究成果在众多科研和实务工作者的研究下已经取得了一定的研究成果,在结构和半结构空间的智能化机器人范畴实现了跨越式发展。
但是,在其发展完善过程中仍然存在着相当多的问题,函待解决,需要进一步的调整和优化。
从目前的智能化机器人焊接技术运用实践来看,爬行式焊接机器人等针对具有特殊构件设备的机器人也正处于开发研究过程中,而本文中的各项智能化机器人焊接应用技术具有很强的普适性,也是发展这些新型技术的关键所在。
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作者简介：平苏丰（1992-），男，山东济南市人，检验员，单位：山东省特种设备检验研究院有限公司。