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Technology conter智能化焊接機(jī)器人
2015-06-04 02:15:37
一、前言
焊接機(jī)器人是應(yīng)用最廣泛的一類工業(yè)機(jī)器人，在各國(guó)機(jī)器人應(yīng)用比例中大約占總數(shù)的40％～60％。采用機(jī)器人焊接是焊接自動(dòng)化的革命性進(jìn)步，它突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化方式，開(kāi)拓了一種柔性自動(dòng)化新方式。剛性自動(dòng)化焊接設(shè)備一般都是專用的，通常用于中、大批量焊接產(chǎn)品的自動(dòng)化生產(chǎn)，因而在中、小批量產(chǎn)品焊接生產(chǎn)中，焊條電弧焊仍是主要焊接方式，焊接機(jī)器人使小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化焊接生產(chǎn)成為可能。
焊接機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
1)易于實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提高，保證其均一性；
2)提高生產(chǎn)率，一天可24h連續(xù)生產(chǎn)；
3)改善工人勞動(dòng)條件，可在有害環(huán)境下長(zhǎng)期工作：
4)降低對(duì)工人操作技術(shù)難度的要求；
5)縮短產(chǎn)品改型換代的準(zhǔn)備周期，減少相應(yīng)的設(shè)備投資；
6)可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品焊接自動(dòng)化；
7)為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。
二、機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)技術(shù)組成
機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)是建立在智能反饋控制理論基礎(chǔ)之上，涉及眾多學(xué)科綜合技術(shù)交叉的先進(jìn)制造系統(tǒng)。除了不同的焊接工藝要求不同的焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)技術(shù)與相關(guān)設(shè)備之外，現(xiàn)行機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)可從宏觀上劃分為如圖1所示的組成部分：
1)機(jī)器人焊接任務(wù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；
2)焊接環(huán)境、焊縫位置及走向以及焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的智能傳感技術(shù)；
3)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)；
4)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)智能控制器設(shè)計(jì)；
5)機(jī)器人焊接智能化復(fù)雜系統(tǒng)的控制與優(yōu)化管理技術(shù)。
三、機(jī)器人焊接任務(wù)規(guī)劃技術(shù)
機(jī)器人焊接任務(wù)職能規(guī)劃系統(tǒng)的基本任務(wù)是在一定的焊接工作區(qū)內(nèi)自動(dòng)生成從初始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的機(jī)器人動(dòng)作序列、可達(dá)的焊槍運(yùn)動(dòng)軌跡和最佳的焊槍姿態(tài)、以及與之相匹配的焊接參數(shù)和控制程序，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接規(guī)劃過(guò)程的自動(dòng)仿真與優(yōu)化。
機(jī)器人焊接任務(wù)規(guī)劃可歸結(jié)為人工智能領(lǐng)域的問(wèn)題求解技術(shù)，其包含焊接路徑規(guī)劃和焊接參數(shù)規(guī)劃兩部分。由于焊接工藝及任務(wù)的多樣性與復(fù)雜性，在實(shí)際施焊前對(duì)機(jī)器人焊接的路徑和焊接參數(shù)方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)軟件規(guī)劃(即CAD仿真設(shè)計(jì)研究)是十分必要的。這一方面可以大幅度節(jié)省實(shí)際示教對(duì)生產(chǎn)線的占用時(shí)間，提高焊接機(jī)器人的利用率，另一方面還可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程的焊前模擬，保證生產(chǎn)過(guò)程的有效性和安全性。
機(jī)器人焊接參數(shù)規(guī)劃主要是指對(duì)焊接工藝過(guò)程中各種質(zhì)量控制參數(shù)的設(shè)計(jì)與確定。焊接參數(shù)規(guī)劃的基礎(chǔ)是參數(shù)規(guī)劃模型的建立，由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性和不確定性，目前應(yīng)用和研究較多的模型結(jié)構(gòu)主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、模糊推理理論以及專家系統(tǒng)理論等。根據(jù)該模型的結(jié)構(gòu)和輸入輸出關(guān)系，由預(yù)先獲取的焊縫特征點(diǎn)數(shù)據(jù)可以生成參數(shù)規(guī)劃模型所要求的輸入?yún)?shù)和目標(biāo)參數(shù)，通過(guò)規(guī)劃器后即可得到施焊時(shí)相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)。
機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃不同于一般移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃。它的特點(diǎn)在于對(duì)焊縫空間連續(xù)曲線軌跡、焊槍運(yùn)動(dòng)的無(wú)碰，路徑以及焊上槍姿態(tài)的綜合設(shè)計(jì)與優(yōu)化。由于焊接參數(shù)規(guī)劃通常需要根據(jù)不同的工藝要求、不同的焊縫空間位置以及相異的工件材質(zhì)和形狀作相應(yīng)的調(diào)整，而焊接路徑規(guī)劃和參數(shù)規(guī)劃又具有一定的相互聯(lián)系，因此對(duì)它們進(jìn)行聯(lián)合規(guī)劃研究具有實(shí)際的意義。對(duì)焊接質(zhì)量來(lái)講，焊槍的姿態(tài)路徑和．焊接參數(shù)是一個(gè)緊密耦合的統(tǒng)一整體。一方面在機(jī)器人路徑規(guī)劃中的焊槍姿態(tài)決定了施焊時(shí)的行走角和工作角，機(jī)器人末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)速度也決定了焊接速度，而行走角、工作角、焊接速度等都是焊接參數(shù)的重要內(nèi)容；另一方面，從焊接工藝和焊接質(zhì)量控制角度講，焊接速度、焊槍行走角等參數(shù)的調(diào)整由必須在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃中得以實(shí)現(xiàn)。而從焊縫成形的規(guī)劃模型來(lái)看，焊接電流、電弧電壓、焊槍運(yùn)動(dòng)速度、焊接行走角4個(gè)量又必須有機(jī)地配合才能較好。地實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫成形的控制。因此焊接路徑和焊接參數(shù)是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一整體，必須進(jìn)行焊接路徑和焊接參數(shù)的聯(lián)合規(guī)劃。
四、機(jī)器人焊接傳感技術(shù)
人的智能標(biāo)志之一是能夠感知外部世界并依據(jù)感知信息而采取適應(yīng)性行為。要使機(jī)器人焊接系統(tǒng)具有一定的智能，研究機(jī)器人對(duì)焊接環(huán)境、焊縫位置及走向以及焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的智能傳感技術(shù)是十分必要的。機(jī)器人具備對(duì)焊接環(huán)境的感知功能可利用計(jì)算技術(shù)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，將對(duì)焊接工件整體或局部環(huán)境的視覺(jué)模型作為規(guī)劃焊接任務(wù)、無(wú)碰路徑及焊接參數(shù)的依據(jù)，這里需要建立三維視覺(jué)硬件系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)圖像理解、物體分割、識(shí)別算法軟件等技術(shù)。
視覺(jué)焊縫跟蹤傳感器是焊接機(jī)器人傳感系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)之一。為了獲取焊縫接頭的三維輪廓并克服焊接過(guò)程中弧光的干擾，機(jī)器人焊縫跟蹤識(shí)別技術(shù)一般是采用激光、結(jié)構(gòu)光等主動(dòng)視覺(jué)的方法，從而正確導(dǎo)引機(jī)器人焊槍終端沿實(shí)際焊縫完成期望的軌跡運(yùn)動(dòng)。由于采用的主動(dòng)光源的能量大都比電弧光的能量小，一般將這種傳感器放在焊槍的前端以避開(kāi)弧光直射的干擾。主動(dòng)光源一般為單光面或多光面的激光域掃描的激光束水山工業(yè)os且肅缺的瞄姑扭價(jià)曙檀辱餾健權(quán)層處理穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、實(shí)用性好。
結(jié)構(gòu)光視覺(jué)是主動(dòng)視覺(jué)焊縫跟蹤的另一種形式，相應(yīng)的傳感器主要有兩部分組成：一個(gè)是投影器，用它的輻射能量形成一個(gè)投影光面；一個(gè)是光電位置探測(cè)器件，常采用面陣CCD攝像機(jī)。它們以一定的位置關(guān)系裝配后，并配以一定的算法，便構(gòu)成了結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器，它能感知投影面上所有可視點(diǎn)的三維信息。一條空間焊縫的軌跡可看成是由一系列離散點(diǎn)構(gòu)成的，其密集程度根據(jù)控制的需要而定，焊縫坐標(biāo)系的原點(diǎn)便建立在這些點(diǎn)上，傳感器每次測(cè)得一個(gè)焊縫點(diǎn)位姿并可獲得未知焊縫點(diǎn)的位姿啟發(fā)信息。導(dǎo)引機(jī)器人焊槍完成整個(gè)光滑連續(xù)焊縫的跟蹤。
焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)主要指在焊接過(guò)程中對(duì)熔池尺寸、熔透、成形以及屯弧行為等參數(shù)的在線檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。由于焊接過(guò)程的：弧光干擾復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)、強(qiáng)非線性以及大量的不確定性因素的作用，使得對(duì)焊接過(guò)程可靠而實(shí)用的檢測(cè)成為矚目的難題。長(zhǎng)期以來(lái)；已有眾多學(xué)者探索過(guò)用多種途徑及技術(shù)手段檢測(cè)嘗試，在一定條件下取得了成功，各種不同的檢測(cè)手段、信息處理方法以及不同的傳感原理、技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，實(shí)質(zhì)上是要求綜合技術(shù)的提高。從熔池動(dòng)態(tài)變化和熔透特征檢測(cè)來(lái)看，目前認(rèn)為計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、溫度場(chǎng)測(cè)量、熔池激勵(lì)振蕩、電弧傳感等方法用于實(shí)時(shí)控制的效果較好。
五、焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程智能控制技術(shù)
焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程是一個(gè)多因素影響的復(fù)雜過(guò)程，尤其是在弧焊動(dòng)態(tài)過(guò)程中對(duì)焊接熔池尺寸(即熔寬、熔深、熔透及成形等焊接質(zhì)量)的實(shí)時(shí)控制問(wèn)題，由于被控對(duì)象的強(qiáng)非線性、多變量耦合、材料的物理化學(xué)變化的復(fù)雜性，以及大量隨機(jī)干擾和不確定因素的存在，使得有效地實(shí)時(shí)控制焊接質(zhì)量成為焊接界多年來(lái)矚目的攤題。也是實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人智能化系統(tǒng)不可逾越的關(guān)鍵問(wèn)題。
由于經(jīng)典及現(xiàn)代控制理論所能提供的控制器設(shè)計(jì)方法是基于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型建模的，而焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程不可能給出這種可控的數(shù)學(xué)模型，因此對(duì)焊接過(guò)程也難于應(yīng)用這些理論方法設(shè)計(jì)有效的控制器。
近年來(lái)隨著模擬人類智能行為的模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能控制理論方法的出現(xiàn)，使得我們有可能采用新思路來(lái)設(shè)計(jì)模擬焊工操作行為的智能控制器，以期解決焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)控制的難題。目前已有一些學(xué)者將模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家推理等人工智能技術(shù)綜合運(yùn)用于機(jī)器人系統(tǒng)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程控制問(wèn)題。
針對(duì)實(shí)際的焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程控制對(duì)象，智能控制器的設(shè)計(jì)需要許多技巧性的工作，尤其在控制器的實(shí)時(shí)白適應(yīng)與自學(xué)習(xí)算法研究及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)尚有許多問(wèn)題，而且對(duì)不同的焊接工藝、不同的檢測(cè)手段都將導(dǎo)致不同的智能控制器設(shè)計(jì)方法。焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程智能控制器與焊接機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，將使機(jī)器人焊接智能化技術(shù)有實(shí)質(zhì)性的提高。
六、機(jī)器人焊接智能化集成系統(tǒng)
對(duì)于以焊接機(jī)器人為主體的包括焊接任務(wù)規(guī)劃、各種傳感系統(tǒng)、機(jī)器人軌跡控制以及焊接質(zhì)量智能控制器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，要求有相應(yīng)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)管理技術(shù)。從系統(tǒng)控制領(lǐng)域的發(fā)展分類來(lái)看，可將機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)歸結(jié)為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題。這一問(wèn)題在近年的系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展研究中已有確定的學(xué)術(shù)地位，已有相當(dāng)?shù)膶W(xué)者進(jìn)行這一方向的研究。目前對(duì)這種復(fù)雜系統(tǒng)的分析研究主要集中在系統(tǒng)中存在的各種不同性質(zhì)的信息流的共同作用，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及整個(gè)系統(tǒng)的管理技術(shù)方面。隨著機(jī)器人焊接智能化控制系統(tǒng)向?qū)嵱没l(fā)展，對(duì)其系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)、優(yōu)化管理也將有更高的要求，這方面研究工作的重要性將進(jìn)一步明確。
七、小結(jié)
綜上所述，在焊接機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)階段，發(fā)展與焊接工藝相關(guān)設(shè)備的智能化系統(tǒng)是適宜的。這種系統(tǒng)可以作為一個(gè)焊接產(chǎn)品柔性加工單元(WFMC)相對(duì)獨(dú)立，也可以作為復(fù)合柔性制造系統(tǒng)(FMS)的子單元存在，技術(shù)上具有靈活的適應(yīng)性。另外，研究這種機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)作為向更高目標(biāo)——制造具有高度自主能力的智能焊接機(jī)器人的一個(gè)技術(shù)過(guò)渡也是不可缺少的。
