焊接智能化機(jī)器人

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上焊接智能化機(jī)器人第一臺(tái)Unimate型機(jī)器人是在 1959 年被制造出來(lái)的，自那以后，越來(lái)越多的工業(yè)機(jī)器人出現(xiàn)在世界各地的各行各業(yè)中，而其中一半左右的工業(yè)機(jī)器人為焊接機(jī)器人。自始至今，焊接機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一階段的焊接機(jī)器人是以示教再現(xiàn)方式運(yùn)行的；第二階段為可以通過(guò)傳感器接收信息的離線編程焊接機(jī)器人；第三階段為智能機(jī)器人，它是多傳感器的且能夠自行編程以適應(yīng)環(huán)境。自從1959年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人UNIMATE在美國(guó)誕生以來(lái)到現(xiàn)在，工業(yè)機(jī)器人經(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。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半以上用于各

2、種形式的焊接加工領(lǐng)域。因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。目前，國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用的焊接機(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。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(guò)渡將成為焊接機(jī)器人追求的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)。焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，自從第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)，焊接機(jī)器人就顯示出了極強(qiáng)的生命力。經(jīng)過(guò)近50年的飛速發(fā)展，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，焊接機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航天

3、、船舶、機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、食品工業(yè)及其他相關(guān)制造業(yè)等諸多領(lǐng)域中，并作為先進(jìn)制造業(yè)中不可替代的重要裝備和手段，成為衡量一個(gè)國(guó)家制造水平和科技水平的重要標(biāo)志之一。目前，比較著名的焊接機(jī)器人公司有日本的Motoman、FANUC、Yaskwa，德國(guó)的KUKA，瑞典的ABB，美國(guó)的Adept Technology，意大利的COMAU，這些公司已成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)。盡管焊接機(jī)器人在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，使焊接質(zhì)量得到了極大改善，有效提高了企業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)效率，但在應(yīng)用中仍然存在很多方面的問(wèn)題值得我們?nèi)ミM(jìn)一步研究和改善，其中最主要的有以下三大方面。(1) 焊接機(jī)器人位置偏移后重新示教的問(wèn)題

4、這個(gè)工作現(xiàn)在需要占用大量的生產(chǎn)時(shí)間，如果能夠利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行離線示教和仿真，將是焊接機(jī)器人應(yīng)用的一次革命性的改善。 (2) 焊接機(jī)器人的校軸過(guò)程占用過(guò)多時(shí)間的問(wèn)題機(jī)器人在軸的校正過(guò)程中耗費(fèi)比較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)于流水化的自動(dòng)生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，其停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。如果能夠應(yīng)用高智能化的檢測(cè)手段，使機(jī)器人在其軸的基本參數(shù)丟失或變化后，能夠自動(dòng)快速恢復(fù)到發(fā)生故障前的狀態(tài)，將給自動(dòng)化生產(chǎn)線帶來(lái)巨大的生產(chǎn)效益，目前的TCP自動(dòng)校零技術(shù)仍然有待進(jìn)一步的提高。 (3) 焊接機(jī)器人焊接過(guò)程的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤問(wèn)題目前焊接機(jī)器人進(jìn)行弧焊時(shí)，對(duì)焊縫進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤反饋仍然還沒(méi)有很好地應(yīng)用于生產(chǎn)。利用智能

5、技術(shù)，動(dòng)態(tài)跟蹤焊縫狀態(tài)，實(shí)時(shí)反饋，這是保證弧焊質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。焊接質(zhì)量控制一直是焊接研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是焊接界工作者致力研究的重要課題。在實(shí)際焊接中，常常存在變形、變散熱、變間隙、變錯(cuò)邊等因數(shù)，影響焊縫成形的質(zhì)量。為了克服焊接過(guò)程中這些不確定性因素對(duì)精密焊接件質(zhì)量的影響，迫切需要采用信息反饋、智能控制等技術(shù)提高現(xiàn)行焊接機(jī)器人的適應(yīng)性或智能化水平，使之能實(shí)現(xiàn)初始焊位識(shí)別與自主導(dǎo)引、實(shí)時(shí)焊縫糾偏與跟蹤、焊接熔池動(dòng)態(tài)特征信息獲取、工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)和焊縫成形的實(shí)時(shí)控制，即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接過(guò)程的智能化控制。特別是在追求高質(zhì)量、高效率的今天，焊接機(jī)器人自動(dòng)化、智能化已成為焊接發(fā)展的必

6、然趨勢(shì)，對(duì)焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)智能控制的要求也顯得更為迫切。從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，焊接機(jī)器人智能化技術(shù)研究主要集中在焊接傳感技術(shù)、焊縫識(shí)別與導(dǎo)引技術(shù)、焊縫跟蹤技術(shù)、焊縫成形質(zhì)量控制方法、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)與遙控焊接技術(shù)等6個(gè)主要方面。（1） 焊接機(jī)器人傳感技術(shù)傳感器在焊接機(jī)器人中具有重要作用，除了有傳統(tǒng)的位置、速度、加速度、力傳感器外，還有激光、視覺(jué)、電弧傳感器。利用傳感技術(shù)在焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等場(chǎng)合，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問(wèn)題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，

7、特別是在非線性、非平穩(wěn)和非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。多傳感器信息融合技術(shù)目前尚處于研究階段，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究還不是很成熟。（2） 焊縫識(shí)別與導(dǎo)引技術(shù)實(shí)施機(jī)器人焊接的首要技術(shù)之一是如何尋找并導(dǎo)引機(jī)器人焊槍接近焊接的初始點(diǎn)，焊縫的識(shí)別與導(dǎo)引是焊接機(jī)器人智能化的重要組成部分。在現(xiàn)有的研究成果中，主要是通過(guò)基于視覺(jué)的方法對(duì)焊縫進(jìn)行識(shí)別與導(dǎo)引。Welding and cutting雜志曾論述過(guò)一種基于移動(dòng)機(jī)器人的獲取焊縫接頭位置并對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)引的方法，該方法能夠通過(guò)傳感系統(tǒng)自動(dòng)地獲取焊接的接頭位置并計(jì)算出焊縫的軌跡信息，并通過(guò)計(jì)算出的焊縫信息調(diào)整焊槍的姿態(tài)。陳希章提出了一種空間焊縫的路徑

8、規(guī)劃方法，通過(guò)雙目視覺(jué)傳感技術(shù)對(duì)空間焊縫的三維坐標(biāo)進(jìn)行了恢復(fù)。（3）焊縫跟蹤技術(shù)在實(shí)際焊接中，精確的焊縫跟蹤是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化的重要研究方向。隨著近代模糊數(shù)學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)并成功地應(yīng)用于焊縫跟蹤系統(tǒng)，焊縫跟蹤技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入到了智能跟蹤的時(shí)代。Journal of Materials Processing Technology提出了一種基于模糊邏輯推理的焊縫跟蹤系統(tǒng)。通過(guò)安裝在機(jī)器人上的CCD裝置獲取焊接過(guò)程的圖像，根據(jù)圖像處理技術(shù)得到焊縫的邊緣，采用模糊邏輯推理的控制方法對(duì)焊接的過(guò)程進(jìn)行糾偏。此方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)直線焊縫、曲線焊縫和折線焊縫的焊縫跟蹤，取得了較好的跟蹤效果

9、。劉亞（音）提出一種基于遺傳算法的焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃方法，針對(duì)多自由度的機(jī)器人，采用遺傳算法對(duì)機(jī)器人的路徑和各個(gè)關(guān)節(jié)位姿進(jìn)行最優(yōu)規(guī)劃，取得了穩(wěn)定可靠的焊接結(jié)果。也有文獻(xiàn)提出一種基于被動(dòng)視覺(jué)的焊縫實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)。通過(guò)攝像機(jī)獲取焊接過(guò)程中的焊縫圖像，通過(guò)圖像處理算法提取出焊縫的上下兩條邊緣，根據(jù)焊縫中心線和熔池中心的位置偏差調(diào)整焊接機(jī)器人的行走軌跡。 (4) 焊縫成形質(zhì)量控制方法 由于焊接過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變的非線性系統(tǒng)，很難采用傳統(tǒng)的控制方法對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制。近些年隨著模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)及專家系統(tǒng)理論的發(fā)展，模擬焊工操作的智能控制方法已經(jīng)在焊接過(guò)程中成功應(yīng)用，主要涉及到的技

10、術(shù)包括熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的視覺(jué)傳感技術(shù)、建模與智能控制。Journal of Materials Processing Technology提出了針對(duì)焊接機(jī)器人弧焊過(guò)程中焊縫成形的控制方法。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)焊接過(guò)程的正面余高進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的預(yù)測(cè)，針對(duì)預(yù)測(cè)得到的結(jié)果調(diào)整焊接過(guò)程的參數(shù)，焊縫成形的質(zhì)量取得了較好的結(jié)果。李來(lái)平、杜全營(yíng)通過(guò)CCD攝像機(jī)對(duì)焊接熔池的圖像進(jìn)行采集，根據(jù)熔池表面的成像特點(diǎn)，開發(fā)了由熔池圖像提取熔池三維形狀參數(shù)的圖像處理算法。（5） 多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù) 這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理、感知與學(xué)習(xí)方法、建模和規(guī)劃、群體行為控制等

11、方面進(jìn)行研究。馬國(guó)紅設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜焊接機(jī)器人系統(tǒng)的Petri Net模型，開發(fā)出基于局域網(wǎng)絡(luò)通信的軟件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)機(jī)器人的協(xié)同控制，進(jìn)行了多機(jī)器人鋁合金GTAW角焊試驗(yàn)。Lecture Notes in Control and Information Science設(shè)計(jì)了一種激光焊接多智能體柔性制造加工系統(tǒng)（LWFMS），在激光焊接過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)機(jī)器人在激光焊接過(guò)程中的協(xié)調(diào)和控制。（6）遙控焊接技術(shù) 在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行焊接或其他作業(yè)，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自動(dòng)系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制。國(guó)

12、內(nèi)外對(duì)遙控技術(shù)的研究成果較多，遙控焊接正向著實(shí)用化的方向發(fā)展。美國(guó)發(fā)射到火星上的索杰納機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。（7）其他相關(guān)技術(shù) 焊接機(jī)器人智能化技術(shù)覆蓋的領(lǐng)域范圍廣，它融合了多個(gè)學(xué)科的研究成果。除了以上介紹的幾個(gè)主要的發(fā)展方向以外，機(jī)器人智能化技術(shù)還在焊接電源的配套設(shè)計(jì)、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、離線編程、專家系統(tǒng)、虛擬機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域研究取得了較大的進(jìn)展。（8）特種焊接機(jī)器人技術(shù) 目前，關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人已在汽車制造、工程機(jī)械、航空航天、船舶等行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用，但對(duì)一些危險(xiǎn)、惡劣及特殊環(huán)境下，例如航天空間、深海作業(yè)、管道內(nèi)外焊接等，傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人難以勝任，為此需要研究發(fā)展新型的

13、特種焊接機(jī)器人。特種焊接機(jī)器人是21世紀(jì)焊接自動(dòng)化、智能化技術(shù)的集中體現(xiàn)，它融合了多學(xué)科的知識(shí)，如機(jī)構(gòu)學(xué)、控制工程學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、微電子學(xué)、光學(xué)、傳感技術(shù)、材料學(xué)以及仿生學(xué)等，是當(dāng)今國(guó)際焊接自動(dòng)化、智能化技術(shù)發(fā)展的重要方向。與傳統(tǒng)的焊接機(jī)器人相比，特種機(jī)器人通常是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下自主工作，更多依賴其對(duì)環(huán)境信息的獲取和智能決策能力，更強(qiáng)調(diào)感知、思維和復(fù)雜行動(dòng)能力，比一般意義的焊接機(jī)器人需要更大的靈活性、機(jī)動(dòng)性，具有更強(qiáng)的感知、決策、反應(yīng)以及行動(dòng)能力，是最高意義上的焊接自動(dòng)化、智能化。針對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，科學(xué)技術(shù)人員正在研制各種類型的特種焊接機(jī)器人，現(xiàn)在國(guó)外已開發(fā)出空間焊接機(jī)器人、深海

14、焊接機(jī)器人、管道焊接機(jī)器人、球罐焊接機(jī)器人、軍用焊接機(jī)器人等，這些特種焊接機(jī)器人將更加符合各應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大超出了一般的關(guān)節(jié)式焊接機(jī)器人的范圍，使焊接機(jī)器人技術(shù)呈現(xiàn)出更加廣闊的發(fā)展空間。在國(guó)外，生產(chǎn)特種焊接機(jī)器人的公司數(shù)量近幾年迅速增加，特種焊接機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成，并對(duì)社會(huì)與生產(chǎn)力的發(fā)展發(fā)揮了重大的推動(dòng)作用。我國(guó)在“863”計(jì)劃支持下，在水下焊接機(jī)器人、爬壁焊接機(jī)器人、管道焊接機(jī)器人、球罐焊接機(jī)器人等方面開展了研究，培養(yǎng)了隊(duì)伍，取得了一批研究成果，在某些技術(shù)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，但從總體上與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，沒(méi)有形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果相對(duì)較少。

15、蔣力培等研發(fā)了無(wú)導(dǎo)軌磁輪自由行走式全位置焊接及有導(dǎo)軌全位置特種焊接機(jī)器人系列產(chǎn)品。朱加雷等研制了適合核電環(huán)境水下焊接的試驗(yàn)系統(tǒng)，可進(jìn)行水下環(huán)境的遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化焊接作業(yè)。張華等公布了有關(guān)水下焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊縫識(shí)別與跟蹤控制、技術(shù)、焊接方法及工藝、機(jī)器人運(yùn)載技術(shù)、機(jī)器人通信技術(shù)等技術(shù)。當(dāng)前焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在以下四個(gè)方面：焊接機(jī)器人用弧焊電源的研究；焊縫跟蹤技術(shù)的研究；多臺(tái)焊接機(jī)器人和外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)；仿真技術(shù)。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化、柔性化和智能化的發(fā)展已成必然趨勢(shì)。眾所周知，借助于材料、信息、控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代焊接技術(shù)正在經(jīng)歷從

16、傳統(tǒng)的“手工技藝”作業(yè)發(fā)展為現(xiàn)代的“科學(xué)制造”。模擬焊工的焊接操作過(guò)程中智能行為進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人焊接技術(shù)是智能化焊接科學(xué)問(wèn)題與關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點(diǎn)。主要分為三方面研究問(wèn)題：第一需要準(zhǔn)確地采集和獲取焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的信息，類似于人類的感官器官感受外部的焊接條件；第二是模擬焊工經(jīng)驗(yàn)，解析并提取焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的機(jī)理特征，進(jìn)而建立對(duì)焊接過(guò)程與質(zhì)量關(guān)系的模型；第三模擬焊工的決策與操作，設(shè)計(jì)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程智能控制策略并運(yùn)用機(jī)器代替人去實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程及其質(zhì)量的自主與智能控制。利用智能化機(jī)器模擬并實(shí)現(xiàn)焊工的智能行為是現(xiàn)代先進(jìn)焊接制造追求的目標(biāo)。由于焊接過(guò)程中環(huán)境、裝配條件變化以及不確定性因素干擾的存在，使得目前在實(shí)際生產(chǎn)中使用的示教在線型焊接機(jī)器人一般無(wú)法滿足焊接生產(chǎn)質(zhì)量及多樣性的要求。為此，發(fā)展智能化機(jī)器人焊接技術(shù)，諸如機(jī)器人焊接過(guò)程的視覺(jué)等多信息傳感技術(shù)，識(shí)別焊接環(huán)境、自主導(dǎo)引焊縫跟蹤糾偏、實(shí)時(shí)質(zhì)量智能控制以及智能化焊接機(jī)器人及其柔性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)等已是非常必要而迫切。為了解決諸如此類的智能化機(jī)器人焊接過(guò)程控制中的瓶頸問(wèn)題，上海交通大學(xué)智能化機(jī)器人焊接技術(shù)實(shí)驗(yàn)室十幾年來(lái)主要開展了電弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程的視覺(jué)信息獲取，知識(shí)建模，智能控制方法，以及智能化機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化途徑的研究工作。發(fā)展了一個(gè)智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)，稱為局部自主智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一些基本的焊接機(jī)器