MATLAB在焊接机器人应用与维护课程中的作用

（江苏省徐州技师学院，徐州 221000）

0 引言

焊接机器人应用与维护课程是焊接专业核心课程之一，该专业综合了焊接及设备操作等知识，开设了焊接工艺、焊接设备、焊接检测、焊接操作实训课程等。主要培养焊接机器人操作工及应用维护专业技术人员，该专业的学生需具备焊工中级工、高级工技能等级资格证书及焊接设备操作工资格证书。近几年，工业机器人应用越来越广泛，很多中小型企业都有机器人生产线，尤其是以焊接为主要技术工种的淮海经济开发区，对焊接机器人操作工需求更是供不应求。因此，培养既能操作又具备机器人维护基础的技能人才是迫在眉睫的。

但在该专业学习过程中，无论是传统的手工焊接方法还是适用机器人焊接，焊接工艺参数是影响焊缝成形的关键因素。众所周知，焊缝成形是多因素作用的结果，成形过程很抽象，学生理解有一定难度，因此，在该课程的教学过程中除了课堂上的理论讲授、多媒体课件的演示外，实验教学以及利用MATLAB软件完成焊接工艺参数优化也是十分重要的。多种教学方法相结合可以激发学生对焊接专业的兴趣，在未来的职业道路上让他们有能力适应岗位要求。

MATLAB神经网络工具箱进行焊接工艺参数优化，可使学生快速高效的得到不同焊缝外形尺寸下的焊接工艺参数。以往获得焊接参数与焊缝成形各因素之间的关系都是通过不断的焊接试验后对焊缝进行外观检测和无损检测，与现在的方法相比，不但快速得到实验结果，还提高了学习效率，结合实际焊接方法的操作应用，能让学生不受时间约束，充分发挥自主学习的能力和想象力，对解决生产实际问题奠定了基础。

1 MATLAB在教学中的作用

在焊接机器人教学中，通过将MATLAB引入课程教学，该教学内容包括焊接机器人基础知识，主要有机器人本体、控制柜、焊接系统、清枪系统的功能及作用，机器人运动方式，机器人示教功能及坐标系的运用，机器人零点校正及TCP工具校验，常规的机器人生产维护保养知识。MATLAB的应用使得枯燥的理论教学多了一些多媒体、仿真和交互性操作，将原本很难理解的抽象过程MATLAB的计算功能和图形处理功能，可使其准确、形象、直观地表现出来，从而加深了学生理解，事半功倍的提高了教学效果。

在该系统软件中，我们设计出了仿真演示机器人动作和示教过程，设计了直线编程轨迹和圆弧编程轨迹动画，插入了机器人现场焊接操作视频，运用多层多道视频加深对多层多道概念的理解，通过寻位程序的演示使得学习不再受时间、地点和实习环境的局限，学生可以利用课外时间进行复习，预习及巩固知识要点。

2 MATLAB焊接工艺参数优化

在焊接机器人操作应用中，焊接工艺参数设置是决定焊缝质量的关键因素之一，传统的焊工在不断施焊过程中总结经验得到合理的焊接工艺参数，这对操作工有一定的技术要求，但若运用MATLAB可以实现焊接工艺参数优化，学习者只需要将焊缝外形尺寸参数输入，就能得到合理的焊接电流、焊接电压、焊接速度。此方法的运用，不但提高了工作效率，还便于掌握焊接工艺参数，减少了施焊次数及耗材，使学习者快速掌握该技术。

机器人焊接过程中，决定焊缝外形尺寸有熔宽、熔深、熔高；需要设置的焊接参数有焊接电流、焊接电压、焊接速度。送丝速度决定焊接电流大小，电流越大，容易增大飞溅，需要与电压配合设置，才能得到较好的焊缝成形。电压越大，熔宽越大，熔深越大，熔敷率越大。焊接速度越大，熔高越大，熔宽变小，熔深变小。因此，获得较好的焊缝成形需要焊接电流、焊接电压、焊接速度等参数相互匹配[1]。

焊接过程是复杂的多耦合的过程，很多因素影响着焊缝成形过程，神经网络是模拟人脑生物过程的人工智能技术，具有自学习、自组织、自适应和很强的非线性映射能力，因此在该领域很多专家和学者运用神经网络模拟复杂的焊接成形过程。人工神经网络中最常用的是BP神经网络，BP神经网络运用BP算法是一种多层神经网络，常应用与软件中实现其功能。

MATLAB是理工科研究中常用的软件，拥有强大的可视化功能和数值运算。与其他程序语言相比，MATLAB优势在于对矩阵等算法处理能力强，程序可读性强，调试方便。可以将建模仿真、数据处理、可视化应用等集成于MATLAB工具箱中，各专业性较强的学科基础程序都在工具箱中，用户只需要调用相关程序，就可以实现不同学科功能。

本文中运用MATLAB工具箱进行神经网络设计。神经网络设计形式通常采用BP神经网络，在焊接参数优化过程中，设置了该网络的输入参数为焊接电流、焊接电压、焊接速度；输出参数为熔宽、熔深、熔高[2]。因此设置输入层节点数为3，隐含层节点数为7，输出层节点数1。隐含层及输出层函数均为tagsig，权值、阀值初始值及相应训练参数均为默认值[3]。训练的网络为前馈型，该神经网络主要是通过输出值和目标值误差，通过每个节点的权值和阀值进行不断调整，达到理想目标值的过程。将训练的网络保存为函数，在MATLAB中调用后，输入焊缝外形尺寸熔宽、熔深、熔高就能得到焊接电流、焊接电压、焊接速度。

3 焊接机器人应用与维护专业教学改革

焊接机器人应用与维护专业学生对调整焊接工艺参数这课题的训练途径是通过不断的实训，在施焊过程中让学生通过焊缝外观成形判断焊接参数是否合理。该教学方法的弊端有两点：一是浪费耗材包括焊丝、焊枪易损件、混合气体、板材等。二是学生不能直观的判断如何调节焊接参数，初学者缺乏焊接基础和焊接经验，不能很快熟练和掌握。

面对丰富的网络资源，现代化的教学设备，雄厚的理论基础，如何运用网络信息技术，改进教学方式优化教学过程，已成为我们必须研究的重要课题。将MATLAB引入到教学中开发交互式教学系统，交互式软件便于任务驱动教学法，小组学习法，等教学方法的实施。小组间形成合作竞争关系，得到最优的焊接参数。基于网络的教师交互式教学系统在教育信息化建设中可以成为教师开展网络教学实践探究的试验田和师生互动的平台，促使教学“虚拟学习共同体”的形成。

4 结束语

将MATLAB引入到教学中能够有效整合现有网络资源，开发教师网络教学的通用模块，减少资源浪费，将枯燥乏味的焊接过程变成趣味的操作游戏，学生从中不仅掌握了焊接工艺参数如何优化，还能培养学生团队协作的能力和创新创造能力，有助于职业能力素养的养成。