陳子學(xué)

【摘 要】本文首先介紹了焊接智能化技術(shù)的學(xué)科范疇，然后介紹了智能化焊接技術(shù)與智能化焊接制造工程，接著對(duì)焊接過(guò)程的傳感技術(shù)進(jìn)行了介紹，最后介紹了焊接過(guò)程的智能建模方法和機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】智能化焊接；制造工程；概念；技術(shù)

一、前言

焊接技術(shù)是多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，隨著社會(huì)科技的不斷發(fā)展，焊接技術(shù)也不斷地更新。智能化的焊接技術(shù)就是科技進(jìn)步的體現(xiàn)。

二、焊接智能化技術(shù)的學(xué)科范疇

本文關(guān)于焊接智能化技術(shù)的提法含義如下：利用機(jī)器模擬和實(shí)現(xiàn)人的智能行為實(shí)施焊接工藝制造的技術(shù)。就實(shí)現(xiàn)技術(shù)而言，焊接智能化技術(shù)包括采用智能化途徑進(jìn)行焊接工藝知識(shí)、焊接設(shè)備、傳感與檢測(cè)、信息處理、過(guò)程建模、過(guò)程控制器、機(jī)器人機(jī)構(gòu)、復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的實(shí)施，可見焊接智能化技術(shù)是綜合的系統(tǒng)集成技術(shù)。

三、智能化焊接技術(shù)與智能化焊接制造工程

1、智能化焊接技術(shù)

基于計(jì)算機(jī)、控制等信息處理新技術(shù)，將人工智能與焊接工藝有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊接工藝制造的技術(shù)-作者稱之為“智能化焊接技術(shù)”（Intelligentized Welding Technology，IWT）。IWT的提法含義為：利用機(jī)器模擬和實(shí)現(xiàn)人的某些智能行為實(shí)施焊接工藝制造的技術(shù)。

圖1為智能化焊接的主要技術(shù)構(gòu)成。包括采用智能化途徑進(jìn)行焊接工藝規(guī)劃、焊接設(shè)備、傳感與檢測(cè)、信息處理、知識(shí)建模、焊接過(guò)程控制、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的實(shí)施。可見IWT是多學(xué)科交叉綜合在焊接技術(shù)領(lǐng)域的集成與升華。

2、智能化焊接制造工程

以人工智能技術(shù)為核心形成的現(xiàn)代焊接制造工程，稱之為“智能化焊接制造工程”（IWME），其所涉及的主要學(xué)科與技術(shù)領(lǐng)域如圖2所示。

圖中顯示了智能化基礎(chǔ)技術(shù)和焊接工藝與制造問(wèn)題的分類及結(jié)合的關(guān)系，并構(gòu)成了“智能化焊接制造工程”學(xué)科交叉技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)涵。“智能化焊接制造工程”的目的是將焊工操作的智能、體能行為用機(jī)器模擬并實(shí)現(xiàn)實(shí)際的焊接制造工程。所涉及的主要問(wèn)題之一是焊工智能行為，如視覺(jué)感覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)判斷，知識(shí)提取、決策控制等基本人工智能技術(shù)。圖1和圖2所提出的概念，既是對(duì)近年來(lái)人工智能等信息技術(shù)用于焊接領(lǐng)域研究工作的粗略歸納，也是對(duì)焊接先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)探索。僅為拋磚引玉，目的是將目前人工智能技術(shù)向傳統(tǒng)焊接制造工藝滲透這一發(fā)展趨勢(shì)引向一個(gè)系統(tǒng)化的研究領(lǐng)域，以利于推動(dòng)焊接制造與信息領(lǐng)域最新技術(shù)發(fā)展的有機(jī)結(jié)合，推動(dòng)現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展。

四、焊接過(guò)程的傳感技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化及智能化，傳感技術(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。焊接過(guò)程的傳感，是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程質(zhì)量控制的。焊接傳感器按其使用目的可分為測(cè)量和檢測(cè)操作環(huán)境、檢測(cè)和監(jiān)控焊接過(guò)程兩大類。在傳感原理方面，主要分為聲學(xué)、力學(xué)、電弧、光學(xué)傳感等。

1、焊接區(qū)直接視覺(jué)信息傳感

直接視覺(jué)傳感在焊接中的應(yīng)用包括離線確定被焊工件的位置；在線補(bǔ)償由于固定精度、機(jī)器人各部分的容差、焊接過(guò)程中的焊件變形引起的焊接路徑偏差；焊接過(guò)程控制中的焊接接頭和熔池幾何形狀的實(shí)時(shí)傳感；熔滴過(guò)渡形式的監(jiān)測(cè)等。（1）利用輔助光源的主動(dòng)式視覺(jué)檢測(cè)方法。（2）無(wú)輔助光源的被動(dòng)式直接視覺(jué)傳感。

2、脈沖GTAW焊熔池正反面視覺(jué)圖像同時(shí)同幅傳感系統(tǒng)

對(duì)熔池正反兩面視覺(jué)圖像進(jìn)行同時(shí)同幅傳感，經(jīng)過(guò)圖象處理提取出熔池正反兩面的特征信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的熔透狀態(tài)和反面焊道穩(wěn)定成形質(zhì)量控制的目的。（1）堆焊熔池正反面同時(shí)同幅成像。（2）填絲脈沖GTAW熔池圖像：焊接過(guò)程中填充焊絲熔池表面凸出和下塌，部分熔透和全熔透狀態(tài)下的圖像。（3）由熔池圖象恢復(fù)熔池表面高度。在填絲脈沖GTAW過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)熔池形狀動(dòng)態(tài)控制，如熔池反面寬度和正面高度的控制，需要提取出熔池正面高度參數(shù)。根據(jù)獲得的焊接熔池圖像，通常只能獲得關(guān)于熔池的二維形狀信息。由單目圖象恢復(fù)物體表面高度算法-由陰影恢復(fù)形狀算法獲取熔池表面高度的方法是最新研究方向。

五、焊接過(guò)程的智能建模方法

焊工的智能行為另一個(gè)主要表現(xiàn)是對(duì)于焊接過(guò)程的判斷與處理。這里要求對(duì)焊接過(guò)程的理解與經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的運(yùn)用與推理。作為焊接智能化技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成之一是研究焊接過(guò)程的數(shù)學(xué)建模與知識(shí)建模方法。經(jīng)典的基于機(jī)理分析與數(shù)值模擬方法在解決焊接動(dòng)態(tài)控制模型方面都具有較大的局限性。采用智能化方法直接提取焊接過(guò)程可測(cè)量數(shù)據(jù)中隱含的知識(shí)模型應(yīng)是實(shí)現(xiàn)智能控制的一條合適的途徑。建立反映焊接熔深、焊縫寬度、焊縫橫截面積、焊縫余高等直接焊接參數(shù)與焊接電壓、電流、焊接速度、送絲速度、電極角度、保護(hù)氣體等間接焊接參數(shù)之間的數(shù)學(xué)映射或知識(shí)模型關(guān)系，目前在脈沖GTAW過(guò)程智能化建模的研究方法主要有以下兩種。

1、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)建模方法

由于焊接過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變的非線性系統(tǒng)，因而，模型的輸入?yún)?shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互作用，很難采用傳統(tǒng)建模方法確定焊接過(guò)程模型。為了能夠解決這些問(wèn)題，在建模過(guò)程中引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN（Artificial Neural Network）數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)建模的方法，這種方法的特點(diǎn)是不考慮未知對(duì)象的特性，建立過(guò)程的黑箱模型，在建模過(guò)程中不做任何假設(shè)，所建模型能在數(shù)據(jù)樣本覆蓋的范圍較真實(shí)地反映系統(tǒng)特性。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法建立GTAW過(guò)程的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)模型，已有較多的研究報(bào)道。為了實(shí)現(xiàn)脈沖GTAW正面焊控制背面焊縫寬度，依據(jù)焊接實(shí)時(shí)測(cè)得的工藝參數(shù)、熔池正面特征尺寸以及它們的歷史值，建立了堆焊背面熔寬的ANN預(yù)測(cè)模型。建立了對(duì)接無(wú)間隙焊背面熔寬的ANN預(yù)測(cè)模型]建立了對(duì)接無(wú)間隙填絲焊背面熔寬與正面余高的ANN預(yù)測(cè)模型；]建立了對(duì)接變間隙焊背面熔寬的ANN預(yù)測(cè)模型。基于所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了較為理想的控制效果。

2、基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的知識(shí)提取與建模方法

（一）、基于模糊集合方法的知識(shí)

模型建立智能化焊接需要對(duì)焊接過(guò)程知識(shí)的描述。如何將焊工的經(jīng)驗(yàn)描述為知識(shí)模型以便計(jì)算機(jī)再現(xiàn)人的經(jīng)驗(yàn)操作、智能決策，這是實(shí)現(xiàn)焊接智能化技術(shù)的關(guān)鍵之一。由于人類對(duì)自身經(jīng)驗(yàn)描述能力的差異，以及焊接條件的不確定性，使得試圖直接取自焊工經(jīng)驗(yàn)的專家式知識(shí)的途徑幾乎不可能。文獻(xiàn)[10]探索了基于直接焊接過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量采用模糊規(guī)則提取建立脈沖GTAW熔池變化的單變量模糊邏輯模型，利用C類聚方法，獲得的脈沖GTAW熔池變化的模糊規(guī)則模型。

（二）、基于粗糙集合方法的知識(shí)模型建立

1982年波蘭學(xué)者PawlakZ提出的粗糙集理論———RST（RoughSetTheory）[23]用于分析和處理模糊、不完整、不精確和不確定數(shù)據(jù)中隱含的有效知識(shí)，已成為一種從不完善數(shù)據(jù)中提取知識(shí)模型的較為有效的方法而為人們所注意。基于粗糙集理論、數(shù)據(jù)約減、知識(shí)約減等軟計(jì)算方法提出了利用實(shí)際焊接過(guò)程數(shù)據(jù)采集的知識(shí)模型提取方法，獲得的鋁合金脈沖GTAW熔池變化的知識(shí)模型-控制決策表。

六、機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)

1、焊接機(jī)器人在焊接中的地位與優(yōu)勢(shì)

機(jī)器人制造是一種新興的現(xiàn)代制造技術(shù)，對(duì)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域以及人們的生活產(chǎn)生了重要影響。焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(yè)機(jī)器人，在全世界的工業(yè)機(jī)器人比例中大約占總數(shù)的60%以上。我國(guó)目前大約有700臺(tái)以上的焊接機(jī)器人用于點(diǎn)焊和弧焊。

機(jī)器人焊接是焊接行業(yè)的突破性進(jìn)步。它相對(duì)于傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式而言，是一種柔性的自動(dòng)化新方式。這樣柔性主要表現(xiàn)在，想要讓焊接機(jī)器人完成一項(xiàng)焊接任務(wù)，只需焊工給它做一次示范，它就可以模仿人的每一步動(dòng)作。若要機(jī)器人去做另一項(xiàng)任務(wù)，不需要改變硬件，對(duì)它再作一次示范就可以了。機(jī)器人的這種性能，讓小批量不同產(chǎn)品的自動(dòng)化焊接成為了可能。而剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備一般都是專用的，只能完成一種焊接任務(wù)，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)。

2、焊接機(jī)器人系統(tǒng)的組成部分

（一）、機(jī)械手臂

別名操作機(jī)，是焊接機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端焊槍飛點(diǎn)焊鉗實(shí)現(xiàn)各種操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，根據(jù)實(shí)際需要，其追求的目標(biāo)是高質(zhì)量、高靈活性。

（1）關(guān)節(jié)式手臂是通用焊接機(jī)器人的最常見結(jié)構(gòu)，通常有六個(gè)或更多的運(yùn)動(dòng)軸。關(guān)節(jié)式手臂的優(yōu)勢(shì)在于它的靈活性高，而且能夠到達(dá)手工焊接難以到達(dá)的區(qū)域。

（2）直角坐標(biāo)式手臂是另外一種結(jié)構(gòu)，它可以用于一些小型的高精度加工和一些需要大型的操作范圍的場(chǎng)合。

（3）機(jī)床式手臂這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類似機(jī)床。這種形式的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)笨重，占地面積大。簡(jiǎn)易焊接機(jī)器人常采用這種形式

（二）、焊接部件

（1）對(duì)于電阻焊來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要一個(gè)便攜式的電阻焊槍。對(duì)于電阻焊槍，有兩方面的要求。因?yàn)楹笜屝枰貜?fù)操作，保證它的堅(jiān)固性是很重要的。不過(guò)，焊槍也必須是緊湊且可靈活操縱的。

（2）對(duì)于電弧焊接來(lái)說(shuō)，輸出穩(wěn)定的弧焊電源是必不可少的。

（3）對(duì)于激光焊接來(lái)說(shuō)，一系列傳輸激光的鏡片是必要的。激光束沿著機(jī)器人手臂傳輸?shù)焦ぷ髋_(tái)，二氧化碳激光通過(guò)一系列鏡片傳輸。而一些特別的激光束，如光纖激光，需要利用柔韌的光纖光纜傳輸。

（三）、機(jī)器人控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)有3個(gè)部分組成。

（1）操作界面。焊接機(jī)器人系統(tǒng)最起碼需要有生產(chǎn)操作界面與示教編程界面。前者用于選擇一個(gè)特定的已編程作業(yè)，后者用于允許示范和檢查焊接操作。

（2）位置控制部分。通過(guò)驅(qū)動(dòng)三個(gè)或更多的執(zhí)行器，機(jī)器人手臂的末端可以在三維環(huán)境中跟隨任意路徑。

（3）功能控制部分。這部分以一種可控的方式來(lái)協(xié)調(diào)控制機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)和所要求焊接的功能。

七、結(jié)束語(yǔ)

焊接的智能化時(shí)刻記得體現(xiàn)，同時(shí)焊接的智能化是焊接技術(shù)得到了更高的提升。焊接智能化讓危險(xiǎn)復(fù)雜的焊接技術(shù)得到了解決。為了是智能化焊接不斷地體現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)，必須不斷地鉆研。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘際鑾.二十一世紀(jì)焊接科學(xué)研究的展望[A].第九次全國(guó)焊接會(huì)議論文集[C].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[2]宋天虎，李敏賢.先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展與焊接技術(shù)的未來(lái)[A].第八屆全國(guó)焊接會(huì)議論文集[C].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011