焊接智能化技术现状与发展

由于焊接技术是基于多学科交叉融合的产物，随着现代科学技术成果的不断涌现，必将推动焊接技术更新发展。除了物理、化学、材料、力学、冶金、机械、电子学等学科的新发展将会推动焊接新材料、新工艺的不断出现外，计算机、控制理论、人工智能等信息科学领域的新进展将进一步将焊接工艺实现的手段推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段，进而实现几代焊接人的梦想-用机器来代替人焊接。

1、焊接智能化技术的学科范畴

本文关于焊接智能化技术的提法含义如下：利用机器模拟和实现人的智能行为实施焊接工艺制造的技术。就实现技术而言，焊接智能化技术包括采用智能化途径进行焊接工艺知识、焊接设备、传感与检测、信息处理、过程建模、过程控制器、机器人机构、复杂系统集成设计的实施，可见焊接智能化技术是综合的系统集成技术。

2、焊接过程的传感技术

要实现焊接自动化、机器人化及智能化，传感技术是关键环节之一。焊接过程的传感，是实现焊接过程质量控制的。焊接传感器按其使用目的可分为测量和检测操作环境、检测和监控焊接过程两大类。在传感原理方面，主要分为声学、力学、电弧、光学传感等。

2.1 焊接区直接视觉信息传感

直接视觉传感在焊接中的应用包括离线确定被焊工件的位置；在线补偿由于固定精度、机器人各部分的容差、焊接过程中的焊件变形引起的焊接路径偏差；焊接过程控制中的焊接接头和熔池几何形状的实时传感；熔滴过渡形式的监测等。

(1) 利用辅助光源的主动式视觉检测方法。
(2) 无辅助光源的被动式直接视觉传感。

2.2 脉冲GTAW焊熔池正反面视觉图象同时同幅传感系统

对熔池正反两面视觉图象进行同时同幅传感，经过图象处理提取出熔池正反两面的特征信息。实现对焊缝的熔透状态和反面焊道稳定成形质量控制的目的。

(1) 堆焊熔池正反面同时同幅成像。
(2) 填丝脉冲GTAW熔池图象:焊接过程中填充焊丝熔池表面凸出和下塌，部分熔透和全熔透状态下的图象。
(3) 由熔池图象恢复熔池表面高度。

在填丝脉冲GTAW过程中，为实现熔池形状动态控制，如熔池反面宽度和正面高度的控制，需要提取出熔池正面高度参数。根据获得的焊接熔池图象，通常只能获得关于熔池的二维形状信息。由单目图象恢复物体表面高度算法-由阴影恢复形状算法获取熔池表面高度的方法是最新研究方向。

3、焊接动态过程的建模

本文以脉冲GTAW熔池动态过程为例探讨焊接过程的建模问题。

(1) 脉冲GTAW熔池几何特征尺寸参数的提取。
(2) 脉冲GTAW熔池正面尺寸神经网络动态模型。
(3) 脉冲GTAW熔池反面尺寸神经网络动态模型。

4、焊接动态过程的智能控制技术

4.1 模糊推理与控制在焊接过程中的应用

(1) 脉冲GTAW对接过程模糊控制规则的提取。
(2) 脉冲GTAW平板堆焊模糊逻辑控制系统与实验。

4.2 脉冲GTAW 平板堆焊神经元自学习PSD控制

(1) 脉冲GTAW单神经元自学习PSD控制系统。
(2) 脉冲GTAW平板堆焊神经元自学习PSD控制实验(略) 。

4.3 脉冲GTAW对接过程单变量自学习模糊神经网络控制

(1) 脉冲GTAW对接过程自学习模糊神经网络控制器(FNNC) 。
(2) 脉冲GTAW对接FNNC闭环控制实验(略) 。

4.4 脉冲GTAW对接过程双变量智能控制

(1) 脉冲GTAW对接过程双变量智能控制器设计。
在单变量模糊神经网络控制器的基础上，加入一个成形闭环反馈专家控制系统，用来调节焊接速度，组成了脉冲GTAW对接过程模糊神经网络和专家系统相结合的双变量智能控制系统。实现焊缝成形的闭环智能控制。
(2) 脉冲GTAW对接过程双变量智能控制实验。
圆弧形试件脉冲GTAW双变量智能控制实验结果表明熔池形状和大小均得到很好的控制，与单变量控制系统相比焊缝成形质量明显提高。

5、焊接工艺专家系统与质量检测的智能化手段

5.1 专家系统及其在焊接中的应用状况

焊接领域ES的开发研究始于80年代中期，美、英、日等国都开展了这方面的研究工作。国外开发的焊接ES主要涉及工艺设计或工艺选择(包括单因素的焊接材料选择或焊接方法选择) ，焊接缺陷或设备故障诊断，焊接成本估算，实时监控，焊接CAD(疲劳设计，符号绘制) ，焊工考试等，几乎包括了焊接生产的所有主要阶段及主要方面。英、美已有很多商品化的ES。目前就总体水平来看，世界各国焊接领域中，专家系统的应用已开始从研究阶段和试用阶段向商品化阶段迈进。

国内焊接ES研究始于1988年，最早见于报道的是南昌航空工业学院的焊接方法选择ES。哈尔滨工业大学、清华大学、天津大学、甘肃工业大学、天津焊接研究所等单位都先后进行了焊接ES的开发。在焊接专家系统方面研究已逐步走向成熟，部分系统已经商品化。

5.2 质量检测与分析的智能系统

(1) 人工智能的点焊质量多参量综合监测系统(略) 。
(2) 基于神经元网络的智能化超声缺陷模式识别与诊断系统(略) 。

6、机器人焊接智能化技术与系统

(1) 机器人焊接智能化系统技术组成。
(2) 视觉焊缝跟踪传感系统(略) 。
(3) 机器人焊接智能化复杂系统控制与优化技术。
(4) 焊接柔性加工单元/系统(WFMC/S) 及其优化设计。

根据WFMC中各子系统作业的特点，我们将其分为两级：工作站级和执行级。中央监控计算机属于前者，其余子系统属于后者。整个系统具有如下功能：弧焊机器人柔性加工单元各组成部分之间能实现信息的实时交互；中央控制计算机在不同子系统的计算机间形成通讯链路，实现网络信息的管理与监控。

研究弧焊机器人柔性制造系统的集成建模技术，基于离散事件的焊接柔性制造系统(单元) 应用设计，建立相应的Petri网模型，在此基础上研究系统的调度和优化管理技术，是实现焊接过程柔性化和敏捷化的重要发展方向。弧焊机器人柔性加工系统由于在物料流及信息流上都具有离散的特性，使基于Petri网的建模与控制研究具有良好的前景。

应用Petri网理论设计WFMC集成系统有如下的特点：

(1) 以网形方式描述焊接柔性制造系统，使复杂系统形象化，利于理解；
(2) 可以分层建立Petri网图，适用于描述WFMS的分布式递阶结构；
(3) 具有一套较严密的数学解析理论，可以十分方便地分析WFMS 的各个运行特征；
(4) 不仅可以描述WFMS的静态，而且可以描述WFMS的动态运行情况；
(5) 既描述了系统内部的数据信息流，又描述了系统内部的物流(如被焊工件的流动状况) ；
(6) 采用迁移发射的形式，可以描述焊接柔性制造系统内部的并发性、竞争性等性质；
(7) Petri网模型可以较方便地与人工智能技术相结合，开发相应的焊接柔性制造专家系统。

7、遥控焊接技术

(1) 主从遥控焊接系统。
(2) 基于共享控制和分布控制方法的遥控焊接系统。

遥控焊接系统以工业机器人作为操作器，以六维力、力矩传感器和二维操纵杆为控制输入设备，以个人计算机配合相应硬件作为控制主体。

在该系统上进行了全自主控制、全手工控制、共享跟踪、共享避障、共享调整焊枪姿态、共享调整焊接速度、分布式跟踪控制、分布式避障控制等广泛的研究，而且完成了实际焊接实验。

8、21世纪焊接技术展望：可持续发展的智能化焊接制造技术

(1) 焊接柔性化与智能化的单元集成：焊接工艺与过程的智能化；机器人焊接的智能化；智能化的焊接机器人。
(2) 焊接智能制造的系统技术以智能焊接机器人为单元构成的多机协调的焊接柔性智能制造生产线、网络系统、敏捷制造工厂。

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