焊接智能化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

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)，勢必推動焊接技術(shù)更新發(fā)展。除了物

理、化學(xué)、材料、力學(xué)、冶金、機械、電子學(xué)等學(xué)科的新發(fā)展將

會推動焊接新材料、新工藝的不斷浮現(xiàn)外，計算機、控制理論、

人工智能等信息科學(xué)領(lǐng)域的新發(fā)展將進一步將焊接工藝實現(xiàn)的

手段推進到自動化、機器人化和智能化的新階段，進而實現(xiàn)幾代

焊接人的夢想■用機器來代替人焊接。

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：利用機器

摹擬和實現(xiàn)人的智能行為實施焊接工藝創(chuàng)造的技術(shù)。就

實現(xiàn)技術(shù)而言，焊接智能化技術(shù)包括采用智能化途徑進

行焊接工藝知識、焊接設(shè)備、傳感與檢測、信息處理、

過程建模、過程控制器、機器人機構(gòu)、復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)

計的實施，可見焊接智能化技術(shù)是綜合的系統(tǒng)集成技術(shù)。

2焊接過程的傳感技術(shù)

要實現(xiàn)焊接自動化、機器人化及智能化，傳感技術(shù)是

關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一c焊接過程的傳感，是實現(xiàn)焊接過程質(zhì)量

控制的。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。

2.1焊接區(qū)直接視覺信息傳感

直接視覺傳感在焊接中的應(yīng)用包括離線確定被焊工

件的位置；在線補償由于固定精度、機器人各部份的容

差、焊接過程中的焊件變形引起的焊接路徑偏差；焊接

過程控制中的焊接接頭和熔池幾何形狀的實時傳感；熔

滴過渡形式的監(jiān)測等。

(1)利用輔助光源的主動式視覺檢測方法。

(2)無輔助光源的被動式直接視覺傳感。

2.2脈沖GTAW焊熔池正反面視覺圖象同時同幅傳感

系統(tǒng)

對熔池正反兩面視覺圖象進行同時同幅傳感，經(jīng)過圖

象處理提取出熔池正反兩面的特征信息。實現(xiàn)對焊縫的

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同幅成像。

(2)填絲脈沖GTAW熔池圖象焊接過程中填充焊絲

熔池表面凸出和下塌，部份熔透和全熔透狀態(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過程中，為實現(xiàn)熔池形狀動態(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焊接動態(tài)過程的建模

本文以脈沖GTAW熔池動態(tài)過程為例探討焊接過程

的建模問題。

(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)動態(tài)模型。

(3)脈沖GTAW熔池反面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型。

4焊接動態(tài)過程的智能控制技術(shù)

4.1含糊推理與控制在焊接過程中的應(yīng)用

(1)脈沖GTAW對接過程含糊控制規(guī)則的提取。

(2)脈沖GTAW平板堆焊含糊邏輯控制系統(tǒng)與實驗。

4.2脈沖GTAW平板堆焊神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制

⑴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

驗(略)o

4.3脈沖GTAW對接過程單變量自學(xué)習(xí)含糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

控制

(1)脈沖GTAW對接過程自學(xué)習(xí)含糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

器(FNNC)。

(2)脈沖GTAW對接FNNC閉環(huán)控制實驗(略)。

4.4脈沖GTAW對接過程雙變量智能控制

(1)脈沖GTAW對接過程雙變量智能控制器設(shè)計。

在單變量含糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的基礎(chǔ)上，加入一個成

形閉環(huán)反饋專家控制系統(tǒng)，用來調(diào)節(jié)焊接速度，組成為

了脈沖GTAW對接過程含糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)相

結(jié)合的雙變量智能控制系統(tǒng)。實現(xiàn)焊縫成形的閉環(huán)智能

控制。

(2)脈沖GTAW對接過程雙變量智能控制實驗。

圓弧形試件脈沖GTAW雙變量智能控制實驗結(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。

4.5填絲脈沖GTAW對接熔池的雙變量自適應(yīng)含糊控

制

5焊接工藝專家系統(tǒng)與質(zhì)量檢測的智能化手段

5.1專家系統(tǒng)及其在焊接中的應(yīng)用狀況

焊接領(lǐng)域ES的開辟研究始于80年代中期，美、英、

日等國都開展了這方面的研究工作。國外開辟的焊接ES

主要涉及工藝設(shè)計或者工藝選擇（包括單因素的焊接材

料選擇或者焊接方法選擇），焊接決陷或者設(shè)備故障診斷,

焊接成本估算，實時監(jiān)控，焊接CAD（疲勞設(shè)計，符號

繪$必焊工考試等，幾乎包括了焊接生產(chǎn)的所有主要

階段及主要方面。英、美已有不少商品化的ESo目前

就總體水平來看，世界各國焊接領(lǐng)域中，專家系統(tǒng)的

應(yīng)用已開始從研究階段和試用階段向商品化階段邁進。

國內(nèi)焊接ES研究始于1988年，最早見于報導(dǎo)的是南

昌航空工業(yè)學(xué)院的焊接方法選擇ESo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

等單位都先后進行了焊接ES的開辟。在焊接專家系統(tǒng)

方面研究已逐步走向成熟，部份系統(tǒng)已經(jīng)商品化。

5.2質(zhì)量檢測與分析的智能系統(tǒng)

（1）人工智能的點焊質(zhì)量多參量綜合監(jiān)測系統(tǒng)（略）。

（2）基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的智能化超聲缺陷模式識別與

診斷系統(tǒng)（略）。

6機器人焊接智能化技術(shù)與系統(tǒng)

(1)機器人焊接智能化系統(tǒng)技術(shù)組成。

(2)視覺焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)(略)。

(3)機器人焊接智能化復(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。

根據(jù)WFMC中各子系統(tǒng)作業(yè)的特點，我們將其分為

兩級：工作站級和執(zhí)行級。中央監(jiān)控計算機屬于前者，

其余子系統(tǒng)屬于后者。整個系統(tǒng)具有如下功能：弧焊機

器人柔性加工單元各組成部份之間能實現(xiàn)信息的實時交

互；中央控制計算機在不同子系統(tǒng)的計算機間形成通訊

鏈路，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的管理與監(jiān)控。

研究弧焊機器人柔性創(chuàng)造系統(tǒng)的集成建模技術(shù)，基于

離散事件的焊接柔性創(chuàng)造系統(tǒng)(單元)應(yīng)用設(shè)計，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)，是實現(xiàn)焊接過程柔性化和敏捷化的重要發(fā)展

方向?；『笝C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WFMC集成系統(tǒng)有如下的特點：

(1)以網(wǎng)形方式描述焊接柔性創(chuàng)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，合用于描述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的各個運行特征；

(4)不僅可以描述WFMS的靜態(tài)，而且可以描述

WFMS的動態(tài)運行情況；

(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(如被焊工件的流動狀況)；

(6)采用遷移發(fā)射的形式，可以描述焊接柔性創(chuàng)造

系統(tǒng)內(nèi)部的并發(fā)性、競爭性等性質(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，開辟相應(yīng)的焊接柔性創(chuàng)造專家系統(tǒng)。

7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)機器人作為操作器，以六維力、

力矩傳感器和二維控制桿為控制輸入設(shè)備，以個人計算

機配合相應(yīng)硬件作為控制主體。

在該系統(tǒng)上進行了全自主控制、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