焊接智能化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

1、焊接智能化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展上海交通大學(xué)焊接工程研究所陳善本教授（博導(dǎo)）哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳 林 教授（博導(dǎo)）由于焊接技術(shù)是基于多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，隨著現(xiàn)代科學(xué) 技術(shù)成果的不斷涌現(xiàn)，必將推動(dòng)焊接技術(shù)更新發(fā)展。除了物理、化學(xué)、 材料、力學(xué)、冶金、機(jī)械、電子學(xué)等學(xué)科的新發(fā)展將會(huì)推動(dòng)焊接新材 料、新工藝的不斷出現(xiàn)外，計(jì)算機(jī)、控制理論、人工智能等信息科學(xué) 領(lǐng)域的新進(jìn)展將進(jìn)一步將焊接工藝實(shí)現(xiàn)的手段推進(jìn)到自動(dòng)化、機(jī)器人 化和智能化的新階段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)幾代焊接人的夢(mèng)想-用機(jī)器來(lái)代替人 焊接。1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

2、制造的技術(shù)。就實(shí)現(xiàn)技術(shù)而言，焊 接智能化技術(shù)包括采用智下載自.管理資源吧能化途徑進(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(jiàn)焊接智能化技術(shù)是綜合 的系統(tǒng)集成技術(shù)。2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(lèi)。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。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

3、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。脈沖GTAW焊熔池正反面視覺(jué)圖象同時(shí)同幅傳感系統(tǒng)對(duì)熔池正反兩面視覺(jué)圖象進(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熔池圖象: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)下的圖象。（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

4、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 得的焊接熔池圖象，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。3焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的建模本文以脈沖GTAW熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程為例探討焊接過(guò)程的建模問(wèn) 題。（1）脈沖GTAW熔池幾何特征尺寸參數(shù)的提取。（2）脈沖GTAW熔池正面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型。（3）脈沖GTAW熔池反面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型。4焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的智能控制技術(shù)4.1 模糊推理與控制在焊接過(guò)程中的應(yīng)用（1）脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程模糊控制規(guī)則的提取。（2）脈沖GTAW平板堆焊模糊邏輯控制

5、系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)。脈沖GTAW平板堆焊神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制（1）脈沖GTAW單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制系統(tǒng)。（2）脈沖GTAW平板堆焊神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制實(shí)驗(yàn)（略）。脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程單變量自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（1）脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（FNNC）。（2）脈沖GTAW對(duì)接FNNC閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)（略）。脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程雙變量智能控制（1）脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程雙變量智能控制器設(shè)計(jì)。在單變量模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)成形閉環(huán) 反饋專(zhuān)家控制系統(tǒng)，用來(lái)調(diào)節(jié)焊接速度，組成了脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合的雙變量智能控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)焊縫成 形的閉環(huán)智能控

6、制。（2）脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程雙變量智能控制實(shí)驗(yàn)。圓弧形試件脈沖GTAW雙變量智能控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熔池形 狀和大小均得到很好的控制，與單變量控制系統(tǒng)相比焊縫成形質(zhì)量明 顯提高。填絲脈沖GTAW對(duì)接熔池的雙變量自適應(yīng)模糊控制5焊接工藝專(zhuān)家系統(tǒng)與質(zhì)量檢測(cè)的智能化手段5.1專(zhuān)家系統(tǒng)及其在焊接中的應(yīng)用狀況焊接領(lǐng)域ES的開(kāi)發(fā)研究始于80年代中期，美、英、日等國(guó) 都開(kāi)展了這方面的研究工作。國(guó)外開(kāi)發(fā)的焊接，主要涉及工藝設(shè)計(jì) 或工藝選擇（包括單因素的焊接材料選擇或焊接方法選擇），焊接缺 陷或設(shè)備故障診斷，焊接成本估算，實(shí)時(shí)監(jiān)控，焊接CAD（疲勞設(shè)計(jì)， 符號(hào)繪制），焊工考試等，幾乎包括了焊接生產(chǎn)的所有主要階段及

7、主 要方面。英、美已有很多商品化的ES。目前就總體水平來(lái)看，世界 各國(guó)焊接領(lǐng)域中，專(zhuān)家系統(tǒng)的應(yīng)用已開(kāi)始從研究階段和試用階段向商 品化階段邁進(jìn)。國(guó)內(nèi)焊接ES研究始于1988年，最早見(jiàn)于報(bào)道的是南昌航空 工業(yè)學(xué)院的焊接方法選擇ES。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、天津大 學(xué)、甘肅工業(yè)大學(xué)、天津焊接研究所等單位都先后進(jìn)行了焊接ES的 開(kāi)發(fā)。在焊接專(zhuān)家系統(tǒng)方面研究已逐步走向成熟，部分系統(tǒng)已經(jīng)商品 化。5.2質(zhì)量檢測(cè)與分析的智能系統(tǒng)（1）人工智能的點(diǎn)焊質(zhì)量多參量綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（略）。（2）基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的智能化超聲缺陷模式識(shí)別與診斷系統(tǒng) （略）。機(jī)器人焊接智能化技術(shù)與系統(tǒng)（1）機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)技術(shù)組成。（2

8、）視覺(jué)焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)（略）。（3）機(jī)器人焊接智能化復(fù)雜系統(tǒng)控制與優(yōu)化技術(shù)。（4）焊接柔性加工單元/系統(tǒng)（WFMC/S）及其優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)WFMC中各子系統(tǒng)作業(yè)的特點(diǎn)，我們將其分為兩級(jí)：工作 站級(jí)和執(zhí)行級(jí)。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)屬于前者，其余子系統(tǒng)屬于后者。整 個(gè)系統(tǒng)具有如下功能：弧焊機(jī)器人柔性加工單元各組成部分之間能實(shí) 現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互；中央控制計(jì)算機(jī)在不同子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)間形成通 訊鏈路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的管理與監(jiān)控。研究弧焊機(jī)器人柔性制造系統(tǒng)的集成建模技術(shù)，基于離散事 件的焊接柔性制造系統(tǒng)（單元）應(yīng)用設(shè)計(jì)，建立相應(yīng)的Petri網(wǎng)模型， 在此基礎(chǔ)上研究系統(tǒng)的調(diào)度和優(yōu)化管理技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程柔性化 和敏

9、捷化的重要發(fā)展方向?；『笝C(jī)器人柔性加工系統(tǒng)由于在物料流及 信息流上都具有離散的特性，使基于Petri網(wǎng)的建模與控制研究具有 良好的前景。應(yīng)用Petri網(wǎng)理論設(shè)計(jì)WFMC集成系統(tǒng)有如下的特點(diǎn)：（1）以網(wǎng)形方式描述焊接柔性制造系統(tǒng)，使復(fù)雜系統(tǒng)形象 化，利于理解；（2）可以分層建立Petri網(wǎng)圖，適用于描述WFMS的分布式 遞階結(jié)構(gòu)；（3）具有一套較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)解析理論，可以十分方便地分析WFMS的各個(gè)運(yùn)行特征；（4）不僅可以描述WFMS的靜態(tài)，而且可以描述WFMS的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況;（5）既描述了系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息流，又描述了系統(tǒng)內(nèi)部的 物流（如被焊工件的流動(dòng)狀況）；（6）采用遷移發(fā)射的形式，可以描述焊接柔性制造系統(tǒng)內(nèi)部 的并發(fā)性、競(jìng)爭(zhēng)性等性質(zhì)；（7）Petri網(wǎng)模型可以較方便地與人工智能技術(shù)相結(jié)合，開(kāi) 發(fā)相應(yīng)的焊接柔性制造專(zhuān)家系統(tǒng)。遙控焊接技術(shù)（1）主從遙控焊接系統(tǒng)。（2）基于共享控制和分布控制方法的遙控焊接系統(tǒng)。遙控焊接系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人作為操作器，以六維力、力矩傳 感器和二維操縱桿為控制輸入設(shè)備，以個(gè)人計(jì)算機(jī)配合相應(yīng)硬件作為 控制主體。在該系統(tǒng)上進(jìn)行了全自主控制、全手工控制、共享跟蹤、共 享避障、共享調(diào)整焊槍姿態(tài)、共享調(diào)整焊接速度、分布式跟蹤控制、 分布式避障控制等廣泛的研究，而且完成了實(shí)際焊接