1. 引言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為必然趨勢[1-8]。目前，采用機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。焊接機(jī)器人由于具有通用性強(qiáng)、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，受到人們越來越多的重視。在焊接生產(chǎn)中采用機(jī)器人技術(shù)，可以提高生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化[9]。

從60年代誕生和發(fā)展到現(xiàn)在，焊接機(jī)器人的研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，即示教再現(xiàn)階段、離線編程階段和自主編程階段。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使焊接機(jī)器人由單一的單機(jī)示教再現(xiàn)型向多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由第二代向第三代的過渡將成為焊接機(jī)器人追求的目標(biāo)[9,10]。

目前，國內(nèi)外大量應(yīng)用弧焊機(jī)器人系統(tǒng)從整體上看基本都屬于第一代或準(zhǔn)二代的焊接由于焊接路徑和焊接參數(shù)是根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置的，在焊接時(shí)缺少外部信息傳感和實(shí)時(shí)調(diào)整控制功能，這類弧焊機(jī)器人對(duì)焊接作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，焊接時(shí)缺乏“柔性”，表現(xiàn)出明顯的缺點(diǎn)。在實(shí)際弧焊過程中，焊接條件是經(jīng)常變化的，如加工和裝配上的誤差會(huì)造成焊縫位置和尺寸的變化，焊接過程中工件受熱及散熱條件改變會(huì)造成焊道變形和熔透不均[9,12]。為了克服機(jī)器人焊接過程中各種不確定性因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，提高機(jī)器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊機(jī)器人系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)空間焊縫的自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤，而且還能實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的在線調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。

2. 機(jī)器人焊接智能化技術(shù)的主要構(gòu)成

現(xiàn)代焊接技術(shù)具有典型的多學(xué)科交叉融合特點(diǎn)[5,11]，采用機(jī)器人焊接則是相關(guān)學(xué)科技術(shù)成果的集中體現(xiàn)。將智能化技術(shù)引入焊接機(jī)器人所涉及的主要技術(shù)構(gòu)成可見圖1 所示。其中包括：

1）焊接機(jī)器人對(duì)于焊接任務(wù)的自主規(guī)劃技術(shù)；

2）焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制技術(shù)；

3）焊接動(dòng)態(tài)過程的信息傳感、建模與智能控制技術(shù)；

4）機(jī)器人焊接系統(tǒng)的集成與控制，將上述焊接任務(wù)規(guī)劃、軌跡跟蹤控制、傳感系統(tǒng)、過程模型、智能控制等子系統(tǒng)的軟硬件集成設(shè)計(jì)、統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度與控制，涉及焊接柔性制造系統(tǒng)的物料流、信息流的管理與控制，多機(jī)器人與傳感器、控制器的多智能單元與復(fù)雜系統(tǒng)的控制等。

下面對(duì)以上相關(guān)方面的主要技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀分別作簡要敘述。

3. 機(jī)器人焊接任務(wù)自主規(guī)劃技術(shù)[13-16]

如前所述，國內(nèi)外弧焊機(jī)器人多屬示教--再現(xiàn)型，它無法滿足焊接生產(chǎn)日益復(fù)雜的需要，還存在許多問題有待研究。有關(guān)弧焊機(jī)器人的研究逐步向自主化過渡，出現(xiàn)了弧焊機(jī)器人的離線編程技術(shù)，一個(gè)較為完整的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)應(yīng)包括焊接作業(yè)任務(wù)描述(語言編程或圖形仿真)、操作手級(jí)路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)算法及優(yōu)化、針對(duì)焊接作業(yè)任務(wù)的關(guān)節(jié)級(jí)規(guī)劃、規(guī)劃結(jié)果動(dòng)畫仿真、規(guī)劃結(jié)果離線修正、與機(jī)器人的通訊接口(downloading)、利用傳感器自主規(guī)劃路徑及進(jìn)行在線路徑修正等幾大部分組成。其關(guān)鍵技術(shù)通常包括視覺傳感器的設(shè)計(jì)以及焊縫信息的獲取問題、規(guī)劃控制器的設(shè)計(jì)問題。

在1987年的自動(dòng)化及機(jī)器人焊接國際會(huì)議上，專家對(duì)離線編程的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，其中最有代表性的工作是WRAPS系統(tǒng)。K.H.Goh等人在一個(gè)焊接工作站FANUC/WESTWOOD上建立了基于專家系統(tǒng)的焊接機(jī)器人自適應(yīng)離線編程和控制系統(tǒng)—WRAPS，它包括焊接數(shù)據(jù)庫、離線編程、計(jì)算機(jī)仿真和焊接專家系統(tǒng)。它還配有視覺傳感器進(jìn)行焊前接頭檢測和焊后缺陷檢測，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的專家焊接機(jī)器人系統(tǒng)。

國內(nèi)哈工大研究人員對(duì)焊接機(jī)器人的無碰路徑規(guī)劃、具有冗余度弧焊機(jī)器人自主規(guī)劃以及焊接工藝參數(shù)聯(lián)合規(guī)劃問題的研究工作[14-16]，設(shè)計(jì)開發(fā)了離線規(guī)劃與仿真系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 離線規(guī)劃及仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
弧焊機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)都包含了CAD輸入系統(tǒng)、焊接專家系統(tǒng)、自主規(guī)劃系統(tǒng)以及模擬仿真系統(tǒng)等。從更廣泛的意義上講，一個(gè)更完善的弧焊機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)該還包括反饋控制系統(tǒng)、焊前傳感系統(tǒng)以及焊后檢測系統(tǒng)。

4．機(jī)器人焊接的焊縫跟蹤與導(dǎo)引技術(shù)

就機(jī)器人焊接作業(yè)而言，焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制主要指初始焊位導(dǎo)引與焊縫跟蹤控制技術(shù)。在弧焊機(jī)器人的各種應(yīng)用領(lǐng)域，適應(yīng)能力都是影響焊接質(zhì)量和焊接效率的最重要因素。弧焊機(jī)器人的適應(yīng)能力即采用從焊接工件檢測到的傳感器的輸入信號(hào)實(shí)時(shí)控制和修正機(jī)器人的操作，以適應(yīng)變化了的焊接條件和環(huán)境。

瑞典和美國公司曾先后研制出激光掃描和結(jié)構(gòu)光視覺傳感器用于焊縫跟蹤系統(tǒng)。國內(nèi)哈工大的呂偉新、張炯博士研制了基于激光掃描和高性能線陣CCD敏感器的視覺系統(tǒng)，見圖4，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺控制[13]。

在初始焊位機(jī)器人視覺導(dǎo)引技術(shù)研究方面，呂偉新博士基于激光掃描視覺系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了局部搜索算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一定工件焊縫特征在一定范圍的自主導(dǎo)引[13]。郭振民和李金泉分別采用視覺伺服和圖象識(shí)別技術(shù)探討了機(jī)器人焊接初始焊位導(dǎo)引和焊縫識(shí)別與實(shí)時(shí)跟蹤問題。

5．焊接熔池動(dòng)態(tài)過程的視覺傳感、建模與智能控制技術(shù)

機(jī)器人焊接的高質(zhì)量關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)對(duì)于焊接動(dòng)態(tài)過程的有效精確的控制。由于焊接過程的復(fù)雜性，實(shí)踐表明經(jīng)典的控制方法有效性受到較大的限制。受熟練焊工操作技藝的啟發(fā)，近年來，模擬焊工操作的智能控制方法已被引入焊接動(dòng)態(tài)過程，主要涉及熔池動(dòng)態(tài)視過程的視覺傳感、建模與智能控制。

5．1 焊接過程的傳感技術(shù)

焊接過程的傳感，是實(shí)現(xiàn)焊接過程質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。未來焊接發(fā)展的趨勢是焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化及智能化，而傳感技術(shù)是這一發(fā)展中最重要的部分。焊接傳感器按其使用目的可分為測量和檢測操作環(huán)境、檢測和監(jiān)控焊接過程兩大類。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。

聲學(xué)傳感器主要用于GMAW過程熔滴過渡的檢測、等離子穿孔焊等。力學(xué)傳感主要指近年來發(fā)展起來的熔池振蕩法。電弧傳感器由于直接檢測電弧自身的特性(電流，弧壓)，不需要外加傳感器以及外加傳感器所需的保護(hù)和去噪裝置，使應(yīng)用變得簡單。目前的應(yīng)用領(lǐng)域主要是焊縫跟蹤和熔敷控制。與其它傳感方法相比，光學(xué)傳感器不與焊接回路接觸，信號(hào)的檢測不影響正常焊接過程，是將來最有發(fā)展前景的傳感技術(shù)之一。利用焊接區(qū)的紅外熱輻射傳感焊接過程信息是光學(xué)傳感中一種自成體系的方法，這方面的研究成果也較多[16]。