弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

          自 1881 年電弧焊發(fā)明以來， 隨著機(jī)械、 電力、 材料等行業(yè)的發(fā)展， 焊接技術(shù)已成為一種最重要的金屬熱加工技術(shù)。從日常用品的生產(chǎn)到尖端技術(shù)產(chǎn)品的制造都離不開焊接技術(shù)， 現(xiàn)代化生產(chǎn)實(shí)踐對(duì)焊接技術(shù)提出了進(jìn)一步提高效率， 優(yōu)化質(zhì)量， 改善勞動(dòng)條件等要求， 焊接自動(dòng)化就是焊接工作者順應(yīng)這種要求的具體體現(xiàn)。工業(yè)發(fā)達(dá)國家， 如美國、 日本、 德國的焊接自動(dòng)化、 機(jī)械化程度已達(dá) 60% ~ 70%， 而我國僅為 20% ~ 30%。因此， 發(fā)展和應(yīng)用新型焊接自動(dòng)化技術(shù)對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)將起到巨大的作用， 而弧焊機(jī)器人的焊縫跟蹤系統(tǒng)正是焊接自動(dòng)化研究的一個(gè)重要方面。1960 年， 美國的 ConsoIidated ControI 公司根據(jù)DevoI 的技術(shù)專利研制出世界上第 1 臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了 Unimation 公司， 定型生產(chǎn)了 Unimate （意為“萬能自動(dòng)” ） 機(jī)器人。從此以后， 機(jī)器人的研究、 生產(chǎn)與應(yīng)用得到了很大的發(fā)展， 到 1997 年底， 全世界的工業(yè)機(jī)器人已達(dá) 80 多萬臺(tái)， 其中用于焊接的機(jī)器人占 40%以上。在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上， 我國 70年代初開始研究工業(yè)機(jī)器人。1985 年， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功中國第 1 臺(tái) HY - 1 型焊接機(jī)器人；1987 年， 北京機(jī)床研究所和華南理工大學(xué)聯(lián)合為天津自行車二廠研制出用于焊接自行車前三角架的TJR - G1 型弧焊機(jī)器人； 上海交通大學(xué)研制的 “上海1 號(hào)” 、 “上海 2 號(hào)” 和廣州機(jī)床研究所等研制的示教再現(xiàn)型機(jī)器人也都具有可供弧焊和點(diǎn)焊的功能， 有的還有自動(dòng)跟蹤、 尋找起始點(diǎn)和保持姿勢(shì)等功能［1］。

 

          目前的機(jī)器人大多為可編程的示教再現(xiàn)機(jī)器人。這種機(jī)器人可以在其工作空間內(nèi)精確地完成示教的操作。在弧焊機(jī)器人施焊過程中， 如果焊接條件基本穩(wěn)定， 則機(jī)器人能夠保證焊接質(zhì)量。但是， 由于各種因素的影響， 實(shí)際的焊接條件經(jīng)常發(fā)生變化。例如， 由于強(qiáng)烈的弧光輻射、 高溫、 煙塵、 飛濺、 坡口狀況、 加工誤差、 夾具裝夾精度、 表面狀態(tài)和工件熱變形等影響會(huì)使焊炬偏離焊縫， 從而造成焊接質(zhì)量下降甚至失敗。因此， 焊接條件的這種變化要求弧焊機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出焊縫的偏差， 并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)， 保證焊接質(zhì)量的可靠性［2］。人們?yōu)榱耸沟脵C(jī)器人在焊接過程中能實(shí)時(shí)地檢測(cè)出焊縫的實(shí)際位置， 開始了弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤技術(shù)的研究。

 

1. 焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

 

         弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)雖然經(jīng)過了幾十年的發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟硬件的大力應(yīng)用， 但是整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)沒有太大的變化。弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般包括傳感器、 PC 處理機(jī)、 機(jī)器人專用控制器、 機(jī)器人本體及焊接設(shè)備等。傳感器采集到信號(hào)傳送到 PC 機(jī)， 經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理過程和圖像顯示后［3］， PC 機(jī)與機(jī)器人專用控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊， 然后將控制信號(hào)傳送給機(jī)器人本體控制焊接過程的正確運(yùn)行。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中， 焊槍與機(jī)器人本體是固定在一起的， 由多自由度的機(jī)械手來控制焊槍的方向、 位移和速度。傳感器的位置一般通過機(jī)械接口與機(jī)器人本體連接， 甚至采用鋼性連接并一起移動(dòng)。PC 機(jī)在弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用是近幾年的事情， 在系統(tǒng)的跟蹤過程中， PC 機(jī)可以對(duì)傳感器接收的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理， 通過圖像處理軟件在可視化界面上顯示焊接過程的工作狀態(tài)， PC 機(jī)與機(jī)器人專用控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊， 可以按照用戶的要求在離線編程的情況下對(duì)焊接過程進(jìn)行跟蹤控制。系統(tǒng)框圖如圖所示。

          在整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中， 傳感器起著非常重要的作用， 它決定著整個(gè)系統(tǒng)對(duì)焊縫的跟蹤精度。在焊接過程中， 傳感器必須精確地檢測(cè)出焊縫 （坡口） 的位置和形狀信息， 然后傳送給控制器進(jìn)行處理。隨著大規(guī)模集成電路、 半導(dǎo)體技術(shù)、 光纖及激光等的迅速發(fā)展， 促進(jìn)了焊接技術(shù)向自動(dòng)化、 智能化方向發(fā)展，并出現(xiàn)了多種用于焊縫跟蹤的傳感器， 它們主要是檢測(cè)電磁、 機(jī)械等各物理量的傳感器。我們知道， 在電弧焊接的過程中， 存在著強(qiáng)烈的弧光、 煙塵、 電磁干擾以及高溫輻射、 煙塵、 飛濺等， 焊接過程伴隨著傳熱傳質(zhì)和物理化學(xué)冶金反應(yīng)， 工件會(huì)產(chǎn)生熱變形，因此， 用于電弧焊接的傳感器必須具有很強(qiáng)的抗干擾能力。隨著電子工業(yè)、 計(jì)算機(jī)軟硬件、 網(wǎng)絡(luò)通訊和圖像處理算法等技術(shù)的飛速發(fā)展， 機(jī)械控制、 電氣及材料技術(shù)日益更新， 新的傳感器、 控制器、 控制軟件和機(jī)器人等先進(jìn)系統(tǒng)的不斷推出， 使得弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤控制技術(shù)變得更加先進(jìn)與復(fù)雜。

 

2 傳感技術(shù)

 

           傳感器是指能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并能轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)， 實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)钠骷蜓b置。隨著大規(guī)模集成電路、 半導(dǎo)體技術(shù)及光纖、 激光等的迅速發(fā)展， 現(xiàn)代焊接技術(shù)正朝著自動(dòng)化、 智能化方向發(fā)展。世界上許多著名的焊接設(shè)備研究和制造機(jī)構(gòu)都在努力開發(fā)這一領(lǐng)域。焊接過程控制系統(tǒng)首先要解決的問題是焊縫跟蹤。經(jīng)過幾十年的研究和實(shí)踐， 焊縫跟蹤技術(shù)已經(jīng)取得了長足進(jìn)步， 而新型焊縫跟蹤傳感器的不斷出現(xiàn)正是這一進(jìn)步的標(biāo)志。弧焊用傳感器可分為直接電弧式、 接觸式和非接觸式 3 大類。按工作原理可分為機(jī)械、 機(jī)電、 電磁、 電容、 射流、 超聲、 紅外、 光電、 激光、 視覺、 電弧、光譜及光纖式等。按用途分有用于焊縫跟蹤、 焊接條件控制 （熔寬、 熔深、 熔透、 成形面積、 焊速、 冷卻速度和干伸長） 及其他如溫度分布、 等離子體粒子密度、 熔池行為等。據(jù)日本焊接技術(shù)學(xué)會(huì)近期所做的調(diào)查顯示， 在日本、 歐洲及其他發(fā)達(dá)國家， 用于焊接過程的傳感器有 80%是用于焊縫跟蹤的。目前我國用得較多的是電弧式、 機(jī)械式和光電式。

 

           電弧傳感器是從焊接電弧自身直接提取焊縫位置偏差信號(hào)， 實(shí)時(shí)性好， 不需要在焊槍上附加任何裝置， 焊槍運(yùn)動(dòng)的靈活性和可達(dá)性最好， 尤其符合焊接過程低成本自動(dòng)化的要求。電弧傳感器的基本工作原理是： 當(dāng)電弧位置變化時(shí)， 電弧自身電參數(shù)相應(yīng)發(fā)生變化， 從中反映出焊槍導(dǎo)電嘴至工件坡口表面距離的變化量， 進(jìn)而根據(jù)電弧的擺動(dòng)形式及焊槍與工件的相對(duì)位置關(guān)系， 推導(dǎo)出焊槍與焊縫間的相對(duì)位置偏差量。電參數(shù)的靜態(tài)變化和動(dòng)態(tài)變化都可以作為特征信號(hào)被提取出來， 實(shí)現(xiàn)高低及水平兩個(gè)方向的跟蹤控制。目前國外發(fā)達(dá)國家廣泛采用的方法是： 通過測(cè)量焊接電流 I、 電弧電壓 U 和送絲速度 1來計(jì)算工件與焊絲之間的距離 H = f （I， U， 1） ， 并應(yīng)用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。電弧傳感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 響應(yīng)速度快， 目前得到了廣泛的應(yīng)用。但是， 它主要適用于對(duì)稱側(cè)壁的坡口 （如 V 型坡口） ， 而對(duì)于那些無對(duì)稱側(cè)壁或根本就無側(cè)壁的接頭形式， 如搭接接頭、 不開坡口的對(duì)接接頭等形式， 現(xiàn)有的電弧傳感器則不能識(shí)別［4］。

 

          典型的接觸式焊縫跟蹤傳感器是依靠在坡口中滾動(dòng)或滑動(dòng)的觸指將焊槍與焊縫之間的位置偏差反映到檢測(cè)器內(nèi)， 并利用檢測(cè)器內(nèi)裝的微動(dòng)開關(guān)判斷偏差的極性， 除微動(dòng)開關(guān)式外， 檢測(cè)器判斷偏差的極性和大小的方法還有電位計(jì)式、 電磁式和光電式。接觸傳感器適用于 X 型、 Y 型坡口、 窄間隙焊縫及角焊縫。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 操作方便， 價(jià)格便宜且不受電弧煙塵及飛濺等干擾， 也是目前使用比較廣泛的一種焊縫跟蹤傳感器。存在的問題是： 對(duì)不同的坡口需要不同的探頭， 探頭磨損大， 易變形， 點(diǎn)固點(diǎn)障礙難以克服， 不適于高速焊接。

          目前，用于焊縫跟蹤的非接觸式傳感器很多，主要有電磁傳感器、光電傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器及 CCD 視覺傳感器等。據(jù)日本焊接技術(shù)學(xué)會(huì)對(duì)在日本使用的弧焊機(jī)器人的調(diào)查結(jié)果顯示，領(lǐng)導(dǎo)未來焊縫跟蹤傳感器的主要是光學(xué)傳感器。其中以視覺傳感器最引人注目，由于視覺傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理的最新技術(shù)成果，大大增強(qiáng)了弧焊機(jī)器人的外部適應(yīng)能力。視覺傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件最簡(jiǎn)單的是單元感光器件，如光電二極管等；其次是一維的感光單元線陣，如線陣 CCD（電荷耦合器件） ；應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的二維感光單元面陣，如面陣 CCD，是二維圖像的常規(guī)感光器件，它代表著目前傳感器發(fā)展的最新階段，因而應(yīng)用日益廣泛。在焊接機(jī)器人各種視覺傳感器中，CCD 傳感器因其可靠的性能，清晰直觀的圖像和使用效果而受到了普遍重視。特別是 80 年代以來，CCD 與高性能的微機(jī)相結(jié)合產(chǎn)生的焊縫跟蹤系統(tǒng)，使焊縫跟蹤的研究跨上了一個(gè)新的臺(tái)階。

 

3 PC 機(jī)在弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用［5］

 

           近幾年， 隨著微電子技術(shù)的大力發(fā)展， 以 PC 機(jī)為代表的計(jì)算機(jī)軟硬件得到了空前的發(fā)展， 制造業(yè)也以建立 FM 為目標(biāo)， 向 “開放的工廠自動(dòng)化” 方向發(fā)展。為順應(yīng)這一趨勢(shì)， 焊縫跟蹤控制系統(tǒng)中弧焊機(jī)器人控制器必須由專用的控制器向基于 PC 機(jī)的開放通用型控制器過渡。PC 機(jī)在焊縫跟蹤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用， 不但解決了專用控制器計(jì)算負(fù)擔(dān)重、 實(shí)時(shí)性差等問題， 同時(shí)能夠?qū)⑵渌I(lǐng)域如圖像處理、 聲音識(shí)別、 最優(yōu)控制、 人工智能等先進(jìn)的研究成果應(yīng)用到該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作中。另外， PC 機(jī)具有良好的開放性、 安全性和聯(lián)網(wǎng)性、 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、 標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)、 標(biāo)準(zhǔn)接口等特點(diǎn)， 打破了機(jī)器人專用控制器結(jié)構(gòu)封閉的局面， 開發(fā)出結(jié)構(gòu)開放性、功能模塊化的標(biāo)準(zhǔn)化弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)。目前， 系統(tǒng)中應(yīng)用 PC 機(jī)的方式一般是在原來的機(jī)器人專用控制器中配置與 PC 機(jī)通訊的總線及接口板， 加上相應(yīng)的通訊軟件和開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件及接口板， 用戶即可在 PC 機(jī)上編程讀取機(jī)器人跟蹤焊縫的當(dāng)前位置， 對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制， 從而監(jiān)控機(jī)器人焊縫跟蹤系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

 

4.人工智能技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

 

          隨著焊接自動(dòng)化的發(fā)展， 焊縫自動(dòng)跟蹤的研究得到人們的普遍重視。以往的焊縫跟蹤系統(tǒng)往往以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)， 采用相應(yīng)的控制器進(jìn)行控制。但是焊接是一個(gè)非常復(fù)雜的過程， 由于焊縫坡口的加工、 焊件裝夾、 焊接小車行走偏差和焊接熱變形等原因， 都會(huì)引起焊炬位置的偏差， 而這些影響因素都是不確定的、 非線性的， 因此， 在焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中采用經(jīng)典控制理論和方法進(jìn)行控制， 在實(shí)際焊接生產(chǎn)中往往不能得到令人滿意的結(jié)果。為了提高焊縫跟蹤系統(tǒng)的靈活性和精度， 采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)并在弧焊跟蹤系統(tǒng)中引進(jìn)人工智能技術(shù)， 改進(jìn)控制算法是一個(gè)必然的趨勢(shì)。

          人工智能是一門新興的技術(shù)學(xué)科， 它研究如何模仿、 延伸和擴(kuò)展人的智能， 實(shí)現(xiàn)某些 “機(jī)器思維” 或腦力勞動(dòng)自動(dòng)化。因此， 從自動(dòng)化角度說， 人工智能是腦力勞動(dòng)自動(dòng)化的技術(shù)基礎(chǔ)； 從工程角度說， 它是多學(xué)科知識(shí)綜合而形成的一種高新技術(shù)［7］。當(dāng)前在焊縫跟蹤系統(tǒng)中有以下 3 種人工智能方法具有代表性， 即專家系統(tǒng)、 模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。所謂專家系統(tǒng)是指專門設(shè)計(jì)的用以模仿某一領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)和推理方法， 并能使其知識(shí)被他人所用的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般包括知識(shí)系統(tǒng)、開發(fā)環(huán)境和操作環(huán)境。知識(shí)系統(tǒng)是指包含所有專家知識(shí)， 并能靈活應(yīng)用的系統(tǒng) ； 開發(fā)環(huán)境包括開發(fā)專家系統(tǒng)所需的必要軟件工具； 操作環(huán)境即是與外部進(jìn)行交流的軟件和硬件。其中知識(shí)系統(tǒng)是專家系統(tǒng)的核心所在， 它由知識(shí)庫、 推理機(jī)和用戶界面 3 個(gè)主要部分組成。焊接領(lǐng)域中專家系統(tǒng)的開發(fā)最早始于80年代中期， 英、 美、 日、 德等國先后進(jìn)行了這方面的研究開發(fā)工作。我國從 80 年代末開始焊接專家系統(tǒng)的研制［8］。目前總的看來， 焊接專家系統(tǒng)的安放站還不夠成熟， 大多數(shù)專家系統(tǒng)的推理過程簡(jiǎn)單，多為導(dǎo)果式推理， 而很少涉及到歸因式推理。所有焊接專家系統(tǒng)僅覆蓋人工智能的知識(shí)表達(dá)和智能推理， 而普遍缺乏獲得新知識(shí)的能力。未來的開發(fā)方向是： 集成化及網(wǎng)絡(luò)通訊化將進(jìn)一步加強(qiáng)； 專家系統(tǒng)的開發(fā)工具將不斷更新， 以 Windows 為開發(fā)平臺(tái)， 結(jié)合 ANN、 00、 FUZZY 等人工智能的開發(fā)工具將不斷涌現(xiàn)并成為主流； 趨向于混合化互補(bǔ)性強(qiáng)的系統(tǒng)， 自動(dòng)獲取知識(shí)的能力也將不斷提高； 開發(fā)具有元知識(shí)處理能力的焊接專家系統(tǒng)； 多媒體技術(shù)將應(yīng)用到系統(tǒng)中去。

          近年來， 隨著模糊控制理論和技術(shù)的大力發(fā)展，特別是它有著較為完善的數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)， 模糊控制在焊縫跟蹤中得到了廣泛的應(yīng)用， 從而使焊縫跟蹤系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度和跟蹤精度得到了很大提高。日本等國家大量地將模糊控制技術(shù)用于焊縫跟蹤及焊接動(dòng)態(tài)過程的控制中， 并取得了滿意的效果。國內(nèi)清華大學(xué)、 哈爾濱工業(yè)大學(xué)、 華南理工大學(xué)等單位在弧焊過程的模糊跟蹤及控制方面進(jìn)行了大量的卓有成效的研究工作［9］。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) （ANN） 是隨著神經(jīng)科學(xué)與腦功能研究的發(fā)展而開始出現(xiàn)， 并得到迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的專家系統(tǒng) （ES） 相比， 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自組織、 容錯(cuò)與自修復(fù)、 模式識(shí)別與檢索等能力特點(diǎn)［10］。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的種種特性為研制弧焊智能控制系統(tǒng)， 特別是高智能的弧焊機(jī)器人的焊縫跟蹤提供了一條重要途徑， 把該技術(shù)應(yīng)用于弧焊機(jī)器人的焊縫跟蹤系統(tǒng)在國內(nèi)外已有很多成功的例子。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行處理能力、 自適應(yīng)能力以及極強(qiáng)的容錯(cuò)性和映射力正是研制具有視覺信息并行處理能力及智能化焊縫跟蹤控制系統(tǒng)所需要的特性。

 

 

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