1. 引言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動化、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，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、改善勞動條件、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量、實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化[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)實際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置的，在焊接時缺少外部信息傳感和實時調(diào)整控制功能，這類弧焊機(jī)器人對焊接作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，焊接時缺乏“柔性”，表現(xiàn)出明顯的缺點。在實際弧焊過程中，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)不僅能實現(xiàn)空間焊縫的自動實時跟蹤，而且還能實現(xiàn)焊接參數(shù)的在線調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實時控制。

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[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)器人對于焊接任務(wù)的自主規(guī)劃技術(shù)；

2）焊接機(jī)器人的運動軌跡控制技術(shù)；

3）焊接動態(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、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)、操作手級路徑規(guī)劃、運動學(xué)和動力學(xué)算法及優(yōu)化、針對焊接作業(yè)任務(wù)的關(guān)節(jié)級規(guī)劃、規(guī)劃結(jié)果動畫仿真、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)計以及焊縫信息的獲取問題、規(guī)劃控制器的設(shè)計問題。

在1987年的自動化及機(jī)器人焊接國際會議上，專家對離線編程的發(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)器人的運動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實時控制和修正機(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，實現(xiàn)實時視覺控制[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)計了局部搜索算法，實現(xiàn)了對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別技術(shù)探討了機(jī)器人焊接初始焊位導(dǎo)引和焊縫識別與實時跟蹤問題。

5．焊接熔池動態(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)鍵在于實現(xiàn)對于焊接動態(tài)過程的有效精確的控制。由于焊接過程的復(fù)雜性，實踐表明經(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態(tài)過程，主要涉及熔池動態(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]。