焊接智能化与智能化焊接机器人技术研究

莫明朝

摘 要：随着我国科学技术的不断发展，机器人焊接智能化技术也逐渐提升，越来越多的制造企业都提高了对焊接智能化技术的重视度，机器人已经不再是稀有产品，采用智能化机器人来代替人工焊接已经成为触手可及的梦想，本文就针对焊接智能化与智能化焊接机器人技术进行了分析和研究。

关键词：焊接智能化；焊接机器人技术；分析研究

中图分类号：TG409 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0081-02

近几年，伴随各种智能化技术的普及，焊接生产过程也逐渐朝着智能化、自动化的方向发展，当前，采用焊接机器人技术进行焊接已经成为我国实现焊接智能化的重要标志，相对于传统的焊接技术来说，机器人焊接技术主要具有自动化程度高、焊接速度快、焊接质量佳等优势，但是从当前的现状看，我国的机器人焊接技术还存在成本高、焊接时间长等问题，只有解决这些问题，才能进一步拓展我国智能化机器人焊接技术的应用范围。

1 焊接智能化与智能化焊接机器人技术的研究现状

1.1 焊接路径规划技术

焊接机器人的焊接路径主要包括三种，即在线自主编程法、手工示教法和离线编程法。以下是具体分析：

1.1.1 在线自主编程法

在线自主编程法主要是通过视觉传感器来实现对焊缝的自动识别，同时绘制出焊缝在机器人基坐标下的三维图形，这样就能达到机器人焊接在线自主规划路径的目的，这种方式可以避免人工焊接中因观察失误而导致的问题，能有效提升焊接机器人的智能化水平，将成为当前以及今后一段时间我国焊接路径规划技术的发展方向，为了避免在线自主编程法在应用过程中出现誤差，一些著名学者在现有的视觉传感技术之上进行了更进一步的研究，以缩小焊缝定位的误差，当前，利用在线自主编程法进行焊接路径的规划已经能够将误差控制在合理的范围之内，基本能符合一般电弧焊接技术的需求。

1.1.2 手工示教法

所谓手工示教法，指的就是通过操作工人手动操作示教盒，实现对焊接轨迹的在线控制的一种方法，这种焊接路径规划技术主要具有适应性强、灵活性高、操作便捷等优势，在焊接机器人中应用比较普遍，但是因为手工示教法需要人工进行操作，因此，很容易受到人为因素的影响，进而对路径规划的准确度和整体效率造成影响，正是由于这些问题，导致焊接机器人技术只能在小范围内得以应用和推广。

1.1.3 离线编程法

离线编程法又称“虚拟示教法”，它主要通过交互式三维图形软件对环境、机器人等进行建模，利用创设出的模拟环境，开展虚拟示教工作，并通过对示教结果的分析，找出实际的焊接路径，这种方法的主要优势是可以提升焊接自动化水平以及机器人的利用效率，大幅减少成本耗费，然而，离线编程法规划出的焊接路径很容易出现与实际不符合的情况，因此，在实际应用之时，必须经过校正处理才能使用，与国外发达国家相比，我国在焊接路径规划过程中采用的离线编程法水平较低，仍处于试验时期。

1.2 焊缝跟踪技术

1.2.1 电弧跟踪法

电弧传感器是电弧跟踪法应用过程中用来测量电信号的主要工具，根据电信号的变化情况们可以比较准确地掌握焊缝是否存在偏差，进而达到对整个焊接过程误差的快速纠正，这种方法一般不会受烟尘、弧光等因素的影响，焊枪可以达到比较好的焊接效果，同时还具有成本较低、实时性强的优点，但电弧跟踪法的应用范围有限，仅仅适用于几何特征明显的焊缝跟踪，从目前的现状看，我国的电弧跟踪技术正朝着磁控电弧技术的方向发展，焊枪运动的复杂性逐渐降低，只需要周期性地改变磁场，就能达到焊接电弧周期性变化的目的，该技术的应用潜力非常大，发展前景十分广阔。

1.2.2 视觉跟踪法

视觉跟踪法指的是利用视觉传感器得到焊缝的清晰图像，通过对图像进行分析，找出焊缝中心线，进而达到对焊缝的跟踪，这种方法的适用范围比较广，基本可以对所有接头形式的焊缝进行跟踪，在焊缝跟踪领域中的应用范围是最广的，该方法的实现过程主要包括图像的获取、图像分析和处理、找出特征点以及对焊枪端部的跟踪控制等。焊缝图像的获取方式主要可分为以下两类：第一是被动视觉传感方法，也就是通过自然光或者弧光照亮焊缝区域，然后采用过滤技术取得清晰的焊缝图像。第二是主动视觉传感方法，主要通过激光照亮焊缝，然后利用CCD得到焊接区域的图像，这种方式的优点主要是图像的分辨率较高，而且能较好地抵御外界干扰。

1.3 焊接传感技术

1.3.1 多传感信息融合技术

在焊接过程中采用多传感信息融合技术需要用到多个传感器，这些传感器可以实现从多角度、多方位把握焊接信息，并将获得的信息进行融合处理，最终得到完整、真实的焊接过程动态信息，这种方法的主要优点是容错能力强，能全面展现整个焊接过程的相关信息，对焊接质量的提升来说大有裨益，多传感信息融合技术将成为今后一段时间我国传感技术的发展方向。当前，我国已经研制出的多传感器信息融合系统还存在诸多缺陷，其中比较明显的就是对焊接状态的描述不完善、传感器类型过少等，还需在实践中不断提升多传感信息融合处理的技术水平，从而提升融合信息的真实性和准确性。

1.3.2 焊接中用到的传感器类型

在立足于传感原理的基础上，对焊接传感器进行类型的划分，主要可分为温度传感器、光谱传感器、声学传感器、电弧传感器和视觉传感器。温度传感器主要通过建立焊接过程中的温度场模型，利用温度传递感应信号的方式来达到检测焊接熔池几何形状的目的。光谱传感方器则主要利用氢气孔部位电弧光谱变化的主要特征，及时检测出整个焊接过程中存在的不足之处。声学传感器可以通过对焊接电弧声音信号的检测来达到识别熔透状态的目的。电弧传感器在应用过程中具有较高的实时性，而且操作也比较方便，不用添加任何额外的装置，正是由于这些优势，电弧传感器在实际中的应用比较普遍。视觉传感器的优点主要是不会扰乱焊接过程，因为它在应用的过程中不会与焊接回路直接接触。能准确地识别焊接接头的类型，并得到相关的熔池信息、焊缝位置信息等。

2 工程应用实例分析

以船用管系双机器人工作站系统为例，该系统主要利用自动化施焊方式，进行自动上下料、夹紧、定位等，由于焊接现场存在一些装配方面的偏差，必须配备电弧跟踪器等装置，以保证焊缝接头质量达标。在整个工作站系统中，有专门针对船体分段的曲面而设计的弧焊机器人工作站，该工作站主要应用了离线编程法、电弧传感跟踪技术以及始端检出技术等，其工作的具体流程如下：首先，利用人机对话软件，得到相关的分段结构件加工数据，并对这些数据信息进行离线编程工作，利用通信模块将这些信息输入机器人焊接程序，根据得到的结果，可校正焊接起始点的具体位置，并随着焊接的不断深入，利用电弧跟踪器对焊枪进行调整，最终达到自动焊接的目的。此外，我国还在海洋重工业领域取得了重大突破，研发出了Q690高强钢厚板的双机器人双弧立焊机器人工作站，钢板的厚度最大可达150毫米，高工作站系统可高效快速地解决大厚板焊接过程中存在的质量偏低、热变形严重以及工作效率低等问题。不锈钢薄壁结构件的弧焊机器人工作站也是我国智能化焊接机器人技术实际应用的体现，这一工作站系统利用远程监控设备，由视觉CCD传感模块负责对机器人运行模式、服务状态等各项信息的传递。在焊缝跟踪与焊位识别方面，该系统主要利用的是激光传感器。

3 结语

综上所述，焊接智能化与智能化焊接机器人技术对我国焊接制造领域工作效率以及质量的提升具有极大的促进作用，当前，我国的智能化焊接机器人技术在焊缝跟踪、焊接路径规划以及焊接传感等方面都取得了一定的成就，但必须意识到我国的焊接智能化技术与国外发达国家相比还存在较大的差距，必须在实践中不断总结经验和教训，积极引进国外的先进技术理念，坚持自主创新的原则，进一步加大自主研发的力度，这样才能从根本上壮大我国的智能化焊接机器人技术实力，提高我国的国际竞争力。

参考文献

[1]陈善本，吕娜.焊接智能化与智能化焊接机器人技术研究进展[J].电焊机，2013，43（5）：28-36.

[2]黄政艳.焊接机器人的应用现状与技术展望[J].装备制造技术，2007，（3）：46-48.

[3]董云菊.焊接机器人技术的应用研究与发展[J].山东工业技术，2015，（7）：2.