智能化焊接机器人展望

王二桥

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： 机器人焊接；智能化技术；多信息传感；智能控制

焊接生产过程自动化、柔性化以及智能化是焊接技术发展的必然趋势，采用机器人焊接已经成为自动化焊接的主要标志。机器人焊接技术具有焊接质量稳定、焊接效率高、自动化程度高等优点，受到人们的广泛关注，经过几十年的发展，焊接机器人已经应用于船舶、汽车工业、航天、电子电气行业及其他相关制造业等诸多领域中，获得了显著的经济与社会效益。随着智能制造、工业4.0战略计划的提出与实施，焊接机器人将会在制造业中扮演越来越重要的角色。目前，焊接机器人的研究与应用水平已经成为衡量一个国家制造业先进程度的重要标志之一。

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。当前国内外大量应用的焊接机器人仍然是“示教再现型”，其焊接路径与焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，焊接时缺乏对外部信息传感与实时反馈调节的功能，一般仅用于汽车骨架等焊接条件比较一致的大批量焊接。并且“示教型”焊接机器人进行新产品焊接时，焊前准备时间较长，对于中小批量产品的焊接，相比于手工焊接不具备焊接效率与成本上的优势，限制了焊接机器人的应用范围。因此迫切需要在机器人焊接中应用智能化技术，提高焊接机器人智能化水平，扩大焊接机器人的应用范围。国内外机器人焊接智能化技术研究表明，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4个方面是制约机器人焊接技术发展的瓶颈，也是目前机器人焊接智能化技术研究的热点。本文从这4个方面介绍近些年来智能化技术的研究成果及其面临的问题，并对智能化技术各方面的发展进行展望。

一、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狀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。

（一）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。

（二）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。

二、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。

（一）视觉跟踪法

视觉跟踪法是通过视觉传感器获取焊缝图像，然后检测出焊缝中心线，从而实现焊缝跟踪过程的方法。该跟踪方法几乎能实现所有接头形式的焊缝跟踪，在焊缝跟踪中应用也最为广泛。其实现过程主要包括： 焊缝图像的获取、图像处理、特征点提取、焊缝中心线的拟合及焊枪末端的跟踪控制等。

（二）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。

三、焊接路径规划技术

焊接机器人的焊接路径获取方法主要有三种：手工示教、离线编程和在线自主编程。

（一）手工示教法

手工示教法是利用操作工人手动操作示教盒，控制焊枪末端生成实际焊接轨迹的一种在线手动编程方法。手工示教法具有操作简单，对焊接条件适应性较强，并广泛应用于焊接机器人。由于焊接路径受人为因素影响较大，路径参数规划效率低，所以限制了焊接机器人在中小批量焊接中的应用。

（二）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。

（三）在线自主编程法

在线自主编程法是借助于视觉传感器识别焊缝并获取焊缝在机器人基坐标系下的三维坐标，进而实现机器人焊接路径自主规划的方法。该方法能够有效模拟人工焊接中观察-决策这一智能行为，提高了焊接机器人的智能化水平，是焊接路径规划技术发展的趋势。国内外学者在基于视觉传感的焊缝三维坐标重建上进行了深入的研究，焊缝定位误差已经基本能满足一般电弧焊接技术要求。

四、焊缝成形质量控制技术

焊缝成形质量控制技术是在焊接过程中，利用视觉传感方法监控、检测焊接动态熔池几何尺寸、焊缝背面熔宽的变化，根据变化相应的实时调整焊接参数、焊枪姿态与运动轨迹，使焊缝得到良好成形。焊缝成形质量控制技术主要包括：焊接熔池动态信息传感、焊接过程建模，智能控制器设计三个方面。

（一）焊接熔池动态信息传感

焊接熔池动态信息传感是焊缝成形质量控制过程的一个重要环节。基于视觉传感在线实时获取的熔池动态信息能够直接反应焊接过程金属熔化的动态行为，因此视觉传感方法是焊接熔池动态过程控制中最常用到的方法。国内外研究人员对视觉传感测量焊接动态熔池自由表面参数的方法进行了深入研究。

（二）焊接过程建模与控制器设计

焊接过程的建模是在焊接过程中，建立焊接参数对焊缝成形的影响规律模型。建模是控制器设计的基础，其模型的准确性決定了控制系统对焊接熔池动态过程控制有效性。由于焊接过程具有多变量耦合、时变、非线性等特点，采用传统的数学模型无法真实的反应焊接过程，很难达到理想的控制效果。随着现代神经网络、模糊集合与粗糙集合等智能建模方法的提出与应用到焊接过程的模型建立中，焊缝成形质量控制技术有了显著的突破。

五、结论与展望

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：

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；

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。

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。

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，机器人焊接技术进入一个新阶段。智能化焊接机器人终将会逐步取代焊工。