焊接智能化机器人

焊接智能化机器人第一台Unimate型机器人是在1959年被制造出来的，自那以后，越来越多的工业机器人出现在世界各地的各行各业中，而其中一半左右的工业机器人为焊接机器人。自始至今，焊接机器人的发展经历了三个阶段：第一阶段的焊接机器人是以示教再现方式运行的；第二阶段为可以通过传感器接收信息的离线编程焊接机器人；第三阶段为智能机器人，它是多传感器的且能够自行编程以适应环境。自从1959年第一台工业机器人UNIMATE在美国诞生以来到现在，工业机器人经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半以上用于各种形式的焊接加工领域。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。目前，国内外大量应用的焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的。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，实现焊接产品的自动化、柔性化与智能化已成为发展的必然趋势。焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，自从第一台工业机器人问世以来，焊接机器人就显示出了极强的生命力。经过近50年的飞速发展，在工业发达国家，焊接机器人已经广泛应用于汽车工业、航天、船舶、机械加工行业、电子电气行业、食品工业及其他相关制造业等诸多领域中，并作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，成为衡量一个国家制造水平和科技水平的重要标志之一。目前，比较著名的焊接机器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa，德国的KUKA，瑞典的ABB，美国的AdeptTechnology，意大利的COMAU，这些公司已成为其所在地区的支柱性企业。尽管焊接机器人在生产中得到广泛应用，使焊接质量得到了极大改善，有效提高了企业的劳动生产效率，但在应用中仍然存在很多方面的问题值得我们去进一步研究和改善，其中最主要的有以下三大方面。(1)焊接机器人位置偏移后重新示教的问题这个工作现在需要占用大量的生产时间，如果能够利用先进的计算机动态仿真技术对其进行离线示教和仿真，将是焊接机器人应用的一次革命性的改善。(2)焊接机器人的校轴过程占用过多时间的问题机器人在轴的校正过程中耗费比较长的时间，对于流水化的自动生产线来说，其停机所造成的经济损失非常巨大。如果能够应用高智能化的检测手段，使机器人在其轴的基本参数丢失或变化后，能够自动快速恢复到发生故障前的状态，将给自动化生产线带来巨大的生产效益，目前的TCP自动校零技术仍然有待进一步的提高。(3)焊接机器人焊接过程的焊缝实时跟踪问题目前焊接机器人进行弧焊时，对焊缝进行动态跟踪反馈仍然还没有很好地应用于生产。利用智能技术，动态跟踪焊缝状态，实时反馈，这是保证弧焊质量的可靠性和稳定性发展的一个趋势。焊接质量控制一直是焊接研究的热点和难点，也是焊接界工作者致力研究的重要课题。在实际焊接中，常常存在变形、变散热、变间隙、变错边等因数，影响焊缝成形的质量。为了克服焊接过程中这些不确定性因素对精密焊接件质量的影响，迫切需要采用信息反馈、智能控制等技术提高现行焊接机器人的适应性或智能化水平，使之能实现初始焊位识别与自主导引、实时焊缝纠偏与跟踪、焊接熔池动态特征信息获取、工艺参数自适应调节和焊缝成形的实时控制，即实现机器人焊接过程的智能化控制。特别是在追求高质量、高效率的今天，焊接机器人自动化、智能化已成为焊接发展的必然趋势，对焊缝质量实时智能控制的要求也显得更为迫切。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人智能化技术研究主要集中在焊接传感技术、焊缝识别与导引技术、焊缝跟踪技术、焊缝成形质量控制方法、多机器人协调控制技术与遥控焊接技术等6个主要方面。（1）焊接机器人传感技术传感器在焊接机器人中具有重要作用，除了有传统的位置、速度、加速度、力传感器外，还有激光、视觉、电弧传感器。利用传感技术在焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等场合，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性、非平稳和非正态分布的情形下的多传感器融合算法。多传感器信息融合技术目前尚处于研究阶段，国内外的相关研究还不是很成熟。（2）焊缝识别与导引技术实施机器人焊接的首要技术之一是如何寻找并导引机器人焊枪接近焊接的初始点，焊缝的识别与导引是焊接机器人智能化的重要组成部分。在现有的研究成果中，主要是通过基于视觉的方法对焊缝进行识别与导引。Weldingandcutting杂志曾论述过一种基于移动机器人的获取焊缝接头位置并对焊接机器人进行导引的方法，该方法能够通过传感系统自动地获取焊接的接头位置并计算出焊缝的轨迹信息，并通过计算出的焊缝信息调整焊枪的姿态。陈希章提出了一种空间焊缝的路径规划方法，通过双目视觉传感技术对空间焊缝的三维坐标进行了恢复。（3）焊缝跟踪技术在实际焊接中，精确的焊缝跟踪是保证焊接质量的关键技术，是实现焊接过程自动化的重要研究方向。随着近代模糊数学和神经网络的出现并成功地应用于焊缝跟踪系统，焊缝跟踪技术已经进入到了智能跟踪的时代。JournalofMaterialsProcessingTechnology提出了一种基于模糊逻辑推理的焊缝跟踪系统。通过安装在机器人上的CCD装置获取焊接过程的图像，根据图像处理技术得到焊缝的边缘，采用模糊逻辑推理的控制方法对焊接的过程进行纠偏。此方法实现了对直线焊缝、曲线焊缝和折线焊缝的焊缝跟踪，取得了较好的跟踪效果。刘亚（音）提出一种基于遗传算法的焊接机器人路径规划方法，针对多自由度的机器人，采用遗传算法对机器人的路径和各个关节位姿进行最优规划，取得了稳定可靠的焊接结果。也有文献提出一种基于被动视觉的焊缝实时跟踪系统。通过摄像机获取焊接过程中的焊缝图像，通过图像处理算法提取出焊缝的上下两条边缘，根据焊缝中心线和熔池中心的位置偏差调整焊接机器人的行走轨迹。(4)焊缝成形质量控制方法由于焊接过程是一个多参数相互耦合的时变的非线性系统，很难采用传统的控制方法对焊接过程进行控制。近些年随着模糊控制理论和神经网络控制技术及专家系统理论的发展，模拟焊工操作的智能控制方法已经在焊接过程中成功应用，主要涉及到的技术包括熔池动态过程的视觉传感技术、建模与智能控制。JournalofMaterialsProcessingTechnology提出了针对焊接机器人弧焊过程中焊缝成形的控制方法。通过神经网络模型对焊接过程的正面余高进行实时在线的预测，针对预测得到的结果调整焊接过程的参数，焊缝成形的质量取得了较好的结果。李来平、杜全营通过CCD摄像机对焊接熔池的图像进行采集，根据熔池表面的成像特点，开发了由熔池图像提取熔池三维形状参数的图像处理算法。（5）多机器人协调控制技术这是目前机器人研究的一个新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。马国红设计了一种复杂焊接机器人系统的PetriNet模型，开发出基于局域网络通信的软件控制系统，实现了多台机器人的协同控制，进行了多机器人铝合金GTAW角焊试验。LectureNotesinControlandInformationScience设计了一种激光焊接多智能体柔性制造加工系统（LWFMS），在激光焊接过程中，实现了多个机器人在激光焊接过程中的协调和控制。（6）遥控焊接技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其他作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自动系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制。国内外对遥控技术的研究成果较多，遥控焊接正向着实用化的方向发展。美国发射到火星上的索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。（7）其他相关技术焊接机器人智能化技术覆盖的领域范围广，它融合了多个学科的研究成果。除了以上介绍的几个主要的发展方向以外，机器人智能化技术还在焊接电源的配套设计、机器人结构设计、离线编程、专家系统、虚拟机器人技术等领域研究取得了较大的进展。（8）特种焊接机器人技术目前，关节式焊接机器人已在汽车制造、工程机械、航空航天、船舶等行业获得广泛应用，但对一些危险、恶劣及特殊环境下，例如航天空间、深海作业、管道内外焊接等，传统的关节式焊接机器人难以胜任，为此需要研究发展新型的特种焊接机器人。特种焊接机器人是21世纪焊接自动化、智能化技术的集中体现，它融合了多学科的知识，如机构学、控制工程学、计算机科学、人工智能、微电子学、光学、传感技术、材料学以及仿生学等，是当今国际焊接自动化、智能化技术发展的重要方向。与传统的焊接机器人相比，特种机器人通常是在非结构环境下自主工作，更多依赖其对环境信息的获取和智能决策能力，更强调感知、思维和复杂行动能力，比一般意义的焊接机器人需要更大的灵活性、机动性，具有更强的感知、决策、反应以及行动能力，是最高意义上的焊接自动化、智能化。针对各个领域的应用特点，科学技术人员正在研制各种类型的特种焊接机器人，现在国外已开发出空间焊接机器人、深海焊接机器人、管道焊接机器人、球罐焊接机器人、军用焊接机器人等，这些特种焊接机器人将更加符合各应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大超出了一般的关节式焊接机器人的范围，使焊接机器人技术呈现出更加广阔的发展空间。在国外，生产特种焊接机器人的公司数量近几年迅速增加，特种焊接机器人产业已经形成，并对社会与生产力的发展发挥了重大的推动作用。我国在“863”计划支持下，在水下焊接机器人、爬壁焊接机器人、管道焊接机器人、球罐焊接机器人等方面开展了研究，培养了队伍，取得了一批研究成果，在某些技术方面达到了国际先进水平，但从总体上与国际发达国家相比还有较大差距，没有形成规模产业，自主知识产权的成果相对较少。蒋力培等研发了无导轨磁轮自由行走式全位置焊接及有导轨全位置特种焊接机器人系列产品。朱加雷等研制了适合核电环境水下焊接的试验系统，可进行水下环境的远程控制自动化焊接作业。张华等公布了有关水下焊接机器人机构设计、焊缝识别与跟踪控制、技术、焊接方法及工艺、机器人运载技术、机器人通信技术等技术。当前焊接机器人技术研究主要集中在以下四个方面：焊接机器人用弧焊电源的研究；焊缝跟踪技术的研究；多台焊接机器人和外围设备的协调控制技术；仿真技术。随着现代制造技术的发展，焊接自动化、机器人化、柔性化和智能化的发展已成必然趋势。众所周知，借助于材料、信息、控制、计算机科学等多学科交叉技术发展，现代焊接技术正在经历从传统的“手工技艺”作业发展为现代的“科学制造”。模拟焊工的焊接操作过程中智能行为进而实现智能化机器人焊接技术是智能化焊接科学问题与关键技术的研究热点。主要分为三方面研究问题：第一需要准确地采集和获取焊接动态过程的信息，类似于人类的感官器官感受外部的焊接条件；第二是模拟焊工经验，解析并提取焊接动态过程的机理特征，进而建立对焊接过程与质量关系的模型；第三模拟焊工的决策与操作，设计焊接动态过程智能控制策略并运用机器代替人去实现焊接过程及其质量的自主与智能控制。利用智能化机器模拟并实现焊工的智能行为是现代先进焊接制造追求的目标。由于焊接过程中环境、装配条件变化以及不确定性因素干扰的存在，使得目前在实际生产中使用的示教在线型焊接机器人一般无法满足焊接生产质量及多样性的要求。为此，发展智能化机器人焊接技术，诸如机器人焊接过程的视觉等多信息传感技术，识别焊接环境、自主导引焊缝跟踪纠偏、实时质量智能控制以及智能化焊接机器人及其柔性系统实现技术等已是非常必要而迫切。为了解决诸如此类的智能化机器人焊接过程控制中的瓶颈问题，上海交通大学智能化机器人焊接技术实验室十几年来主要开展了电弧焊动态过程的视觉信息获取，知识建模，智能控制方法，以及智能化机器人焊接系统实现智能化途径的研究工作。发展了一个智能化焊接机