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机器人智能化焊接技术

机器人智能化焊接技术

1、智能化焊接的大背景:
 
自从改革开放以来,中国制造业发展突飞猛进,彻底激活了中国的加工业,让中国成为了“世界工厂”之说,但是近年来,随着中国人口红利的日渐消失,

外来制造业正逐步转移到东南亚以及印度、巴西、墨西哥等劳动力成本较低的国家。正如美国提出制造业回归概念,中国制造业的未来应该考虑如何能够长远提升中国创造的能力以及产业投资、

经营环境,而不应该仅仅停留在早期代工阶段。  目前,中国制造业生产技术特别是关键技术主要依靠国外的状况仍未从根本上改变,部分行业劳动密集型为主,附加值不高。

目前,尽管我国制造业的技术创新有所提高,但在自主开发能力仍较薄弱,研发投入总体不足,缺少自主知识产权的高新技术,缺乏世界一流的研发资源和技术知识,

对国外先进技术的消化、吸收、创新不足,基本上没有掌握新产品开发的主动权。  更为关键的是,大部分企业和政府部门基于中国市场的薪资水平,来为是否选用机器人做成本核算,

却根本没有考虑到周边国家及地区“竞争对手”的人力成本。其实,大规模使用机器人升级制造业,更深层次的原因是减少流水线管理成本以及提高企业的管理和生产效率。

因为除了精准、高效、可适应恶劣生产环境等优势,机器人可以给制造业带来“高水平制造工艺”和“制造高水平产品”。  

为了提高我国的制造业技术以及提升产品的附加价值,国家提出了在2025年实现工业4.0(工业化4.0)工业化,4.0最开始是德国政府提出的一个高科技战略计划,其技术基础是网络实力系统及物联网。

德国所谓的工业四代(Industry4.0)是指利用物联信息系统(Cyber—PhysicalSystem简称CPS)将生产中的供应,制造,销售信息数据化、智慧化,最后达到快速,有效,个人化的产品供应。

工业4.0已经进入中德合作新时达了。全世界平均45%的钢用于焊接结构,而工业发达国家焊接结构用钢量已达到占钢产量的60%~70%。

近些年,随着我国工业现代化的高速发展,许多重型结构如电站锅炉、压力容器、重型机械、船舶等结构大型化,使焊接结构用钢量大幅上升,

但是我国焊接生产机械化、自动化水平低,为了提高生产效率,提高产品的精度,降低工人劳动强度,我们国家需要向焊接自动化,焊接智能化发展。    

2、智能化焊接实现的途径:  

一、前言  焊接机器人是应用最广泛的一类工业机器人,在各国机器人应用比例中大约占总数的40%~60%。采用机器人焊接是焊接自动化的革命性进步,它突破了传统的焊接刚性自动化方式,

开拓了一种柔性自动化新方式。刚性自动化焊接设备一般都是专用的,通常用于中、大批量焊接产品的自动化生产,因而在中、小批量产品焊接生产中,焊条电弧焊仍是主要焊接方式,

焊接机器人使小批量产品的自动化焊接生产成为可能。  

焊接机器人的主要优点如下:
    
1)易于实现焊接产品质量的稳定和提高,保证其均一性;  
 
2)提高生产率,一天可24h连续生产;
    
3)改善工人劳动条件,可在有害环境下长期工作:
 
4)降低对工人操作技术难度的要求;   
   
5)缩短产品改型换代的准备周期,减少相应的设备投资;
   
6)可实现小批量产品焊接自动化;
   
7)为焊接柔性生产线提供技术基础。

二、机器人焊接智能化系统技术组成  机器人焊接智能化系统是建立在智能反馈控制理论基础之上,涉及众多学科综合技术交叉的先进制造系统。

除了不同的焊接工艺要求不同的焊接机器人实现技术与相关设备之外,现行机器人焊接智能化系统可从宏观上划分为如图1所示的组成部分:

1)机器人焊接任务规划软件系统设计技术;    

2)焊接环境、焊缝位置及走向以及焊接动态过程的智能传感技术;
   
3)机器人运动轨迹控制实现技术;   

4)焊接动态过程的实时智能控制器设计;
    
5)机器人焊接智能化复杂系统的控制与优化管理技术。

三、机器人焊接任务规划技术  

机器人焊接任务职能规划系统的基本任务是在一定的焊接工作区内自动生成从初始状态到目标状态的机器人动作序列、可达的焊枪运动轨迹和最佳的焊枪姿态、

以及与之相匹配的焊接参数和控制程序,并能实现对焊接规划过程的自动仿真与优化。  机器人焊接任务规划可归结为人工智能领域的问题求解技术,其包含焊接路径规划和焊接参数规划两部分。

由于焊接工艺及任务的多样性与复杂性,在实际施焊前对机器人焊接的路径和焊接参数方案进行计算机软件规划(即CAD仿真设计研究)是十分必要的。

这一方面可以大幅度节省实际示教对生产线的占用时间,提高焊接机器人的利用率,另一方面还可以实现机器人运动过程的焊前模拟,保证生产过程的有效性和安全性.

机器人焊接参数规划主要是指对焊接工艺过程中各种质量控制参数的设计与确定。焊接参数规划的基础是参数规划模型的建立,由于焊接过程的复杂性和不确定性,

目前应用和研究较多的模型结构主要是基于神经网络理论、模糊推理理论以及专家系统理论等。根据该模型的结构和输入输出关系,

由预先获取的焊缝特征点数据可以生成参数规划模型所要求的输入参数和目标参数,通过规划器后即可得到施焊时相应的焊接工艺参数。
 
机器人焊接路径规划不同于一般移动机器人的路径规划。它的特点在于对焊缝空间连续曲线轨迹、焊枪运动的无碰,路径以及焊上枪姿态的综合设计与优化。

由于焊接参数规划通常需要根据不同的工艺要求、不同的焊缝空间位置以及相异的工件材质和形状作相应的调整,而焊接路径规划和参数规划又具有一定的相互联系,

因此对它们进行联合规划研究具有实际的意义。对焊接质量来讲,焊枪的姿态路径和.焊接参数是一个紧密耦合的统一整体。

一方面在机器人路径规划中的焊枪姿态决定了施焊时的行走角和工作角,机器人末端执行器的运动速度也决定了焊接速度,而行走角、工作角、焊接速度等都是焊接参数的重要内容;

另一方面,从焊接工艺和焊接质量控制角度讲,焊接速度、焊枪行走角等参数的调整由必须在机器人运动路径规划中得以实现。

而从焊缝成形的规划模型来看,焊接电流、电弧电压、焊枪运动速度、焊接行走角4个量又必须有机地配合才能较好。地实现对焊缝成形的控制。

因此焊接路径和焊接参数是一个有机的统一整体,必须进行焊接路径和焊接参数的联合规划。


四、机器人焊接传感技术  

人的智能标志之一是能够感知外部世界并依据感知信息而采取适应性行为。要使机器人焊接系统具有一定的智能,

研究机器人对焊接环境、焊缝位置及走向以及焊接动态过程的智能传感技术是十分必要的。机器人具备对焊接环境的感知功能可利用计算技术视觉技术实现,

将对焊接工件整体或局部环境的视觉模型作为规划焊接任务、无碰路径及焊接参数的依据,这里需要建立三维视觉硬件系统,以及实现图像理解、物体分割、识别算法软件等技术。
 
视觉焊缝跟踪传感器是焊接机器人传感系统的核心和基础之一。为了获取焊缝接头的三维轮廓并克服焊接过程中弧光的干扰,机器人焊缝跟踪识别技术一般是采用激光、结构光等主动视觉的方法,

从而正确导引机器人焊枪终端沿实际焊缝完成期望的轨迹运动。由于采用的主动光源的能量大都比电弧光的能量小,一般将这种传感器放在焊枪的前端以避开弧光直射的干扰。

主动光源一般为单光面或多光面的激光域扫描的激光束水山工业os且肃缺的瞄姑扭价曙檀辱馏健权层处理稳定、简单、实用性好。  结构光视觉是主动视觉焊缝跟踪的另一种形式,

相应的传感器主要有两部分组成:一个是投影器,用它的辐射能量形成一个投影光面;一个是光电位置探测器件,常采用面阵CCD摄像机。它们以一定的位置关系装配后,并配以一定的算法,

便构成了结构光视觉传感器,它能感知投影面上所有可视点的三维信息。一条空间焊缝的轨迹可看成是由一系列离散点构成的,其密集程度根据控制的需要而定,焊缝坐标系的原点便建立在这些点上,

传感器每次测得一个焊缝点位姿并可获得未知焊缝点的位姿启发信息。导引机器人焊枪完成整个光滑连续焊缝的跟踪。
 
焊接动态过程的实时检测技术主要指在焊接过程中对熔池尺寸、熔透、成形以及屯弧行为等参数的在线检测,从而实现焊接质量的实时控制。

由于焊接过程的:弧光干扰复杂的物理化学反应、强非线性以及大量的不确定性因素的作用,使得对焊接过程可靠而实用的检测成为瞩目的难题。

长期以来;已有众多学者探索过用多种途径及技术手段检测尝试,在一定条件下取得了成功,各种不同的检测手段、信息处理方法以及不同的传感原理、技术实现手段,

实质上是要求综合技术的提高。从熔池动态变化和熔透特征检测来看,目前认为计算机视觉技术、温度场测量、熔池激励振荡、电弧传感等方法用于实时控制的效果较好。

五、焊接动态过程智能控制技术  

焊接动态过程是一个多因素影响的复杂过程,尤其是在弧焊动态过程中对焊接熔池尺寸(即熔宽、熔深、熔透及成形等焊接质量)的实时控制问题,

由于被控对象的强非线性、多变量耦合、材料的物理化学变化的复杂性,以及大量随机干扰和不确定因素的存在,使得有效地实时控制焊接质量成为焊接界多年来瞩目的摊题。

也是实现焊接机器人智能化系统不可逾越的关键问题。  由于经典及现代控制理论所能提供的控制器设计方法是基于被控对象的精确数学模型建模的,

而焊接动态过程不可能给出这种可控的数学模型,因此对焊接过程也难于应用这些理论方法设计有效的控制器。  

近年来随着模拟人类智能行为的模糊逻辑、人工神经网络、专家系统等智能控制理论方法的出现,使得我们有可能采用新思路来设计模拟焊工操作行为的智能控制器,

以期解决焊接质量实时控制的难题。目前已有一些学者将模糊逻辑、人工神经网络、专家推理等人工智能技术综合运用于机器人系统焊接动态过程控制问题。  

针对实际的焊接动态过程控制对象,智能控制器的设计需要许多技巧性的工作,尤其在控制器的实时白适应与自学习算法研究及其系统实现尚有许多问题,

而且对不同的焊接工艺、不同的检测手段都将导致不同的智能控制器设计方法。焊接动态过程智能控制器与焊接机器人系统设计结合起来,将使机器人焊接智能化技术有实质性的提高。

六、机器人焊接智能化集成系统  

对于以焊接机器人为主体的包括焊接任务规划、各种传感系统、机器人轨迹控制以及焊接质量智能控制器组成的复杂系统,

要求有相应的系统优化设计结构与系统管理技术。从系统控制领域的发展分类来看,可将机器人焊接智能化系统归结为一个复杂系统的控制问题。

这一问题在近年的系统科学的发展研究中已有确定的学术地位,已有相当的学者进行这一方向的研究。目前对这种复杂系统的分析研究主要集中在系统中存在的各种不同性质的信息流的共同作用,

系统的结构设计优化及整个系统的管理技术方面。随着机器人焊接智能化控制系统向实用化发展,对其系统的整体设计、优化管理也将有更高的要求,这方面研究工作的重要性将进一步明确。

七、小结

综上所述,在焊接机器人技术的现阶段,发展与焊接工艺相关设备的智能化系统是适宜的。

这种系统可以作为一个焊接产品柔性加工单元(WFMC)相对独立,也可以作为复合柔性制造系统(FMS)的子单元存在,技术上具有灵活的适应性。

另外,研究这种机器人焊接智能化系统作为向更高目标——制造具有高度自主能力的智能焊接机器人的一个技术过渡也是不可缺少的。

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