陳善本，呂 娜

（上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，機(jī)器人焊接智能化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 前言

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化、柔性化和智能化的發(fā)展已成必然趨勢[1-7]。眾所周知，借助于材料、信息、控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科交叉技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代焊接技術(shù)正在經(jīng)歷從傳統(tǒng)的“手工技藝”作業(yè)發(fā)展為現(xiàn)代的“科學(xué)制造”。模擬焊工的焊接操作過程中智能行為進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人焊接技術(shù)是智能化焊接科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點(diǎn)[8-11]。主要分為三方面研究問題：第一需要準(zhǔn)確地采集和獲取焊接動(dòng)態(tài)過程的信息[12-23]，類似于人類的感官器官感受外部的焊接條件；第二是模擬焊工經(jīng)驗(yàn)，解析并提取焊接動(dòng)態(tài)過程的機(jī)理特征，進(jìn)而建立對焊接過程與質(zhì)量關(guān)系的模型[24-29]；第三模擬焊工的決策與操作，設(shè)計(jì)焊接動(dòng)態(tài)過程智能控制策略并運(yùn)用機(jī)器代替人去實(shí)現(xiàn)焊接過程及其質(zhì)量的自主與智能控制[30-36]。利用智能化機(jī)器模擬并實(shí)現(xiàn)焊工的智能行為是現(xiàn)代先進(jìn)焊接制造追求的目標(biāo)。

由于焊接過程中環(huán)境、裝配條件變化以及不確定性因素干擾的存在[37-40]，使得目前在實(shí)際生產(chǎn)中使用的示教在線型焊接機(jī)器人一般無法滿足焊接生產(chǎn)質(zhì)量及多樣性的要求。為此，發(fā)展智能化機(jī)器人焊接技術(shù)，諸如機(jī)器人焊接過程的視覺等多信息傳感技術(shù)，識(shí)別焊接環(huán)境、自主導(dǎo)引焊縫跟蹤糾偏、實(shí)時(shí)質(zhì)量智能控制、以及智能化焊接機(jī)器人及其柔性系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)等，已是非常必要而迫切[41-48]。

為了解決諸如此類的智能化機(jī)器人焊接過程控制中的瓶頸問題，上海交通大學(xué)智能化機(jī)器人焊接技術(shù)實(shí)驗(yàn)室十幾年來主要開展了電弧焊動(dòng)態(tài)過程的視覺信息獲取，知識(shí)建模、智能控制方法，以及智能化機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化途徑的研究工作。文獻(xiàn)[9，37]發(fā)展了一個(gè)智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)，稱為局部自主智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一些基本的焊接機(jī)器人系統(tǒng)的智能化功能。在此主要展示機(jī)器人焊接智能化技術(shù)研究工作的近期研究結(jié)果[19-24]：弧焊過程的多信息獲取，如熔池圖像信息、電壓、電流、聲音以及光譜特征信息的采集；基于多信息融合算法的焊接熔透預(yù)測[17-24]；機(jī)器人焊接過程的智能與知識(shí)建模[26-29]；機(jī)器人焊接動(dòng)態(tài)過程及其系統(tǒng)智能化控制[9，35-38，42]；基于電弧傳感器和視覺傳感器的機(jī)器人焊接過程導(dǎo)引和焊縫跟蹤[39-41]；以及進(jìn)行全位置焊接的越障輪組機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)等[44-45]。

由于電弧焊工藝的復(fù)雜性與應(yīng)用的廣泛性，本研究關(guān)于基于電弧焊的智能化焊接制造技術(shù)和智能化焊接制造工程中的主要問題研究，對其他的焊接工藝方法的智能化研究也具有一定的借鑒。

1 智能化焊接制造技術(shù)

根據(jù)對焊接智能化領(lǐng)域研究科學(xué)問題及其技術(shù)問題初步研究與理解，梳理提出“智能化焊接制造技術(shù)”(IWMT)的概念如圖1所示，用以展示智能化焊接制造技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)構(gòu)成框架，其中包含焊接柔性制造技術(shù)、智能化機(jī)器人焊接技術(shù)、焊接敏捷制造技術(shù)[8-11]。

圖1 智能化焊接制造技術(shù)框架（IWMT）

智能化焊接制造（IWMT）包含以下主要技術(shù)元素：模擬焊工的感官器官的焊接過程傳感技術(shù)，模擬焊工的經(jīng)驗(yàn)積累的知識(shí)提取及模型建立技術(shù)，模擬焊工的決策判斷的焊接過程的智能化控制技術(shù)。圖2展示了部分智能化焊接制造技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，針對不同行業(yè)產(chǎn)品制造的智能化焊接技術(shù)系統(tǒng)化應(yīng)用將構(gòu)成“智能化焊接制造工程—WIME”研究領(lǐng)域[7-11]。

圖2 智能化焊接制造技術(shù)的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題（IWMT）

2 電弧焊接動(dòng)態(tài)過程的多信息傳感技術(shù)

電弧焊動(dòng)態(tài)過程包含了大量復(fù)雜、隨機(jī)和不確定的信息。實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過程的狀態(tài)及動(dòng)態(tài)焊接過程對焊接過程的實(shí)時(shí)控制至關(guān)重要。鑒于焊接過程中的煙塵、高溫、振動(dòng)、電磁干擾等因素的影響，目前單一的傳感方法用于焊接過程的信息獲取及特征提取過程的總是難以獲得理想的準(zhǔn)確性和實(shí)用性[12-16]。為此需要研究弧焊過程多信息獲取及其智能化的融合處理技術(shù)，提取有效特征，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。圖3為關(guān)于弧焊動(dòng)態(tài)過程的多信息融合思想，包括電弧電壓、電流、熔池信息、聲音、視覺、光譜、熱能以及光學(xué)和運(yùn)動(dòng)信息的融合處理等[8，17-24]。

圖3 弧焊動(dòng)態(tài)過程的多信息融合框架

2.1 焊接熔池動(dòng)態(tài)過程視覺傳感和特征提取

文獻(xiàn)[17-18]針對鋁合金焊接過程中的電弧光譜特性，開發(fā)了一套基于復(fù)合濾光系統(tǒng)的鋁合金脈沖鎢極氬弧焊的視覺采集系統(tǒng)。文獻(xiàn)[18]開發(fā)了一套鋁合金脈沖鎢極氬弧焊的三光路視覺傳感系統(tǒng)（見圖4），獲得了典型的鋁合金脈沖鎢極氬弧焊的同時(shí)同幅圖像，如圖5所示，以及對于不同熔透狀態(tài)的熔池圖像，如圖6所示。

圖4 三光路視覺傳感系統(tǒng)

圖5 鋁合金熔池典型圖像信息

圖6 不同熔透狀態(tài)的圖像信息

鑒于準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在文獻(xiàn)[18]開發(fā)了一套針對鋁合金脈沖鎢極氬弧焊熔池圖像的小波變換邊緣檢測處理算法，完成焊接動(dòng)態(tài)過程的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。

熔池表面高度在實(shí)時(shí)的焊接過程控制中占據(jù)非常重要的地位，然而由于熔池本身的特征使得其表面高度很難測量與計(jì)算。文獻(xiàn)[7-19]提出了基于由陰影恢復(fù)形狀法的焊接熔池表面高度獲取方法，建立了鋁合金脈沖鎢極氬弧焊熔池圖像的反射圖模型，通過這種陰影恢復(fù)形狀法提取熔池的高度信息，研究證明通過反射圖方程來求解鋁合金脈沖鎢極氬弧焊熔池信息是可行的。

2.2 聲音傳感和電弧聲信號(hào)特征提取

已有研究表明電弧聲信號(hào)對于實(shí)現(xiàn)焊接動(dòng)態(tài)過程及質(zhì)量監(jiān)控是非常重要的信號(hào)特征[15，21，22]。文獻(xiàn)[20-21]研究顯示了通過聲音信號(hào)強(qiáng)度特征信息反映不同的熔透狀態(tài)。文獻(xiàn)[21]研究了基于電弧聲信號(hào)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測不同熔透狀態(tài)，如圖7所示，采用電弧聲信號(hào)的時(shí)域以及頻域特征被用來建立焊接質(zhì)量控制模型，對于部分熔透、全熔透和過熔透三種狀態(tài)的電弧聲信號(hào)特征預(yù)測取得良好效果。

圖7 基于電弧聲信號(hào)的熔透預(yù)測模型預(yù)測效果

2.3 焊接動(dòng)態(tài)過程與焊接缺陷的光譜特征提取

電弧等離子體將能量從電源傳輸?shù)焦ぜ喜⒉糠帜芰抗庾V排放到周圍的空間中。電弧光譜中包含大量的信息，可以反映焊接動(dòng)態(tài)過程特征及焊接質(zhì)量。文獻(xiàn)[22-23]研究了AlMg合金脈沖鎢極氬弧焊的光譜特征，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚硭惴ㄌ崛〕鲭娀」庾V信號(hào)的特征信息，并研究這些特征值與焊接缺陷之間的對應(yīng)關(guān)系。通過不同的干擾，如工件表面涂抹油污或者人為制造不熔性氧化膜在鋁合金試板上來制造缺陷，以研究不同缺陷與光譜特征之間的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 光譜信號(hào)的特征提取

2.4 弧焊過程的多信息采集和特征融合

文獻(xiàn)[24]研發(fā)了一個(gè)焊接動(dòng)態(tài)過程及質(zhì)量監(jiān)控的多傳感器采集及多信息獲取的試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖9所示。主要包括電信號(hào)采集模塊、聲音信號(hào)采集系統(tǒng)和視覺信息采集模塊。

圖9 試驗(yàn)系統(tǒng)框架圖

圖10為同時(shí)同幅采集到的焊接熔池的電流、電壓以及聲音信號(hào)[24]。

圖10 焊接熔池圖像、電流、電壓和聲音信號(hào)同步顯示

文獻(xiàn)[24]建立了一個(gè)多傳感器信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合模型。D-S證據(jù)理論被用于獲得融合基本概率值并最終得到預(yù)測結(jié)果。試驗(yàn)和分析結(jié)果表示多傳感器獲得比單一傳感器更好的預(yù)測效果。三種傳感器的融合模型的預(yù)測效果要優(yōu)于兩種傳感器的融合模型。這說明多傳感器信息融合方法可以獲得更多的焊接過程信息，并更全面和精確的表述焊接過程[24]。

3 焊接過程知識(shí)提取和建模方法

智能化焊接要求將焊工的經(jīng)驗(yàn)描述為知識(shí)模型。通過提取焊工經(jīng)驗(yàn)來建立焊接過程的知識(shí)模型從而使得機(jī)器人與電腦可以再現(xiàn)焊工的經(jīng)驗(yàn)操作與智能決策是智能化技術(shù)的關(guān)鍵之一。文獻(xiàn)[25-29]提出了一種直接利用焊接過程的測量數(shù)據(jù)基于模糊規(guī)則、粗糙集理論算法建立了相應(yīng)的知識(shí)模型。

3.1 基于粗糙集理論的鋁合金鎢極脈沖氬弧焊知識(shí)模型

基于之前的粗糙集理論的焊接過程知識(shí)建模研究工作[26]，文獻(xiàn)[9，27]開發(fā)了基于可變精度的模糊集理論，建立了鋁合金脈沖鎢極氬弧焊動(dòng)態(tài)焊接過程知識(shí)模型。

3.2 基于支持向量機(jī)理論的弧焊動(dòng)態(tài)過程的知識(shí)模型

文獻(xiàn)[28]研究了基于支持向量機(jī)模糊規(guī)則的采集系統(tǒng)的弧焊過程的建模（SVM-FRAS）。利用支持向量機(jī)提取支持向量的特點(diǎn)，結(jié)合模糊理論從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中提取模糊IF-THEN規(guī)則，具體的建模運(yùn)算流程如圖11所示，并建立表1的鋁合金脈沖鎢極氬弧焊焊接過程的規(guī)則模型。

圖11 基于支持向量機(jī)模糊規(guī)則的采集系統(tǒng)的流程框圖

表1 鋁合金脈沖焊過程建模的部分規(guī)則展示

3.3 基于混雜邏輯動(dòng)態(tài)建模方法（MLD）的機(jī)器人脈沖弧焊過程建模

混雜邏輯動(dòng)態(tài)建模方法被用于混合的動(dòng)力系統(tǒng)的建模過程，它包含有交互式物理法則、邏輯規(guī)則以及操作約束。文獻(xiàn)[29]中提出了一種新穎的針對機(jī)器人焊接系統(tǒng)的混雜邏輯模型的建模方法。該模型顯現(xiàn)出了良好的預(yù)測效果，在機(jī)器人脈沖氬弧焊的糾偏過程中能夠準(zhǔn)確預(yù)測出焊縫背面的寬度。

4 焊接過程與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)智能化控制方法

4.1 基于支持向量機(jī)模糊規(guī)則（SVM-FRDS）的自適應(yīng)逆控制

基于3.2節(jié)建立的支持向量機(jī)模糊規(guī)則的知識(shí)模型，文獻(xiàn)[33]設(shè)計(jì)了一種針對鋁合金脈沖鎢極氬弧焊的自適應(yīng)逆控制器，以實(shí)現(xiàn)對焊接過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，如圖12所示，閉環(huán)控制焊接實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的控制器有效。

圖12 基于支持向量機(jī)模糊規(guī)則模型的自適應(yīng)逆控制系統(tǒng)

4.2 基于粗糙集理論的閉環(huán)控制

基于已獲得的鋁合金脈沖鎢極氬弧焊動(dòng)態(tài)熔池粗糙集理論的知識(shí)規(guī)則模型，文獻(xiàn)[35]開發(fā)了如下兩種焊接熔透及間隙補(bǔ)償焊縫成形閉環(huán)控制器算法。

（1）基于RS規(guī)則的脈沖氬弧焊閉環(huán)控制系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[35]設(shè)計(jì)了基于粗糙集理論的控制器以實(shí)現(xiàn)對脈沖鎢極氬弧焊焊縫熔池背面熔寬的智能控制。

（2）基于RS和MS-PSD復(fù)合控制器的鋁合金脈沖焊熔透及余高的控制系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)鋁合金脈沖氬弧焊的熔透及表面余高控制，文獻(xiàn)[35]設(shè)計(jì)了基于RS規(guī)則和MS-PSD復(fù)合控制器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，圖13實(shí)驗(yàn)表明了控制算法的有效性。

圖13 基于RS和MS-PSD復(fù)合控制器的鋁合金脈沖鎢極氬弧焊閉環(huán)控制系統(tǒng)流程框圖

4.3 脈沖鎢極氬弧焊的無模型自適應(yīng)控制

弧焊具有恒變量、非線性、時(shí)變和參數(shù)耦合等特點(diǎn)，由于焊接條件的變化導(dǎo)致了焊接動(dòng)態(tài)過程的不確定性。想要通過傳統(tǒng)的建模與控制方法來實(shí)現(xiàn)對弧焊過程的實(shí)時(shí)控制比較困難。在文獻(xiàn)[36]中開發(fā)了一種無模型自適應(yīng)控制算法以實(shí)現(xiàn)對弧焊過程的實(shí)時(shí)控制。它僅需要觀察輸入輸出數(shù)據(jù)的變化，而不需要具體的控制器模型。因此，在脈沖鎢極氬弧焊質(zhì)量控制過程中，無模型自適應(yīng)控制技術(shù)是一種非常有價(jià)值的研究結(jié)果。

5 機(jī)器人焊接智能化技術(shù)

基于焊接過程中采集到的特征信號(hào)，可用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接動(dòng)態(tài)過程的焊縫跟蹤以及焊接質(zhì)量監(jiān)控[37-43]。進(jìn)而研發(fā)具有一定感知和決策功能的智能化機(jī)器人焊接系統(tǒng)，如圖14所示。它包含了焊接環(huán)境視覺識(shí)別、焊接工件及焊縫類型的識(shí)別、焊前導(dǎo)引、焊縫跟蹤、焊道和參數(shù)的任務(wù)規(guī)劃及虛擬仿真，焊接熔池動(dòng)態(tài)特征控制、焊縫成形及質(zhì)量控制、故障診斷等功能[46]。

基于智能化機(jī)器人焊接柔性加工單元和焊接過程多智能體的協(xié)調(diào)控制，建成具有多機(jī)器人智能化焊接柔性制造系統(tǒng)，將是焊接智能制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

圖14 智能化機(jī)器人焊接技術(shù)的技術(shù)組成

5.1 基于電弧傳感器和視覺傳感器的三維焊縫跟蹤系統(tǒng)

文獻(xiàn)[43]針對機(jī)器人脈沖鎢極氬弧焊開發(fā)了一套基于電弧傳感器和視覺傳感器的三維曲線焊縫的導(dǎo)引和跟蹤技術(shù)。圖15為焊縫跟蹤過程熔池圖像的處理和對焊縫及工件間隙的識(shí)別過程。具體的跟蹤控制算法和試驗(yàn)驗(yàn)證過程詳見文獻(xiàn)[43]。

除此之外，還針對脈沖熔化極焊接過程設(shè)計(jì)了機(jī)器人焊縫導(dǎo)引及焊縫跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對直線及曲線焊縫的焊縫跟蹤及控制。

5.2 基于電弧傳感器及視覺傳感器的機(jī)器人焊接系統(tǒng)實(shí)時(shí)熔透狀態(tài)控制

對于智能化焊接實(shí)時(shí)控制來說，能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)焊接熔透狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控是非常重要的。文獻(xiàn)[7，48]結(jié)合視覺傳感器和電弧傳感器各自的優(yōu)勢，將其運(yùn)用于機(jī)器人脈沖GTAW焊接的實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中。圖16展示了在不同熔透階段的熔池圖像特征信息，并實(shí)現(xiàn)了基于視覺傳感的熔透及焊縫成形閉環(huán)控制。

圖16 機(jī)器人焊接不同熔透狀態(tài)下的熔池圖像

6 自主研發(fā)特殊環(huán)境焊接機(jī)器人系統(tǒng)

在許多實(shí)際的焊接制造環(huán)境條件下，如大型船舶結(jié)構(gòu)件的焊接過程中，需要一種針對長距離復(fù)雜空間曲線的自主移動(dòng)焊接機(jī)器人，需要具有攀爬及吸附等功能以適用于全位置焊接，對不同的焊接接頭形式如角焊縫、大間隙焊縫、垂直焊縫和斜焊縫等，它需要具有靈活的姿態(tài)變化功能。文獻(xiàn)[44，45]介紹了一個(gè)自主研發(fā)的輪足組式越障全位置移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)，如圖17所示，包含視覺和超聲傳感、自主焊接路徑和焊接參數(shù)規(guī)劃、焊接過程平穩(wěn)越障、初始視覺識(shí)別導(dǎo)引與焊縫跟蹤功能。

圖17 自主研發(fā)爬壁焊接機(jī)器人

7 結(jié)論

介紹了上海交通大學(xué)智能化機(jī)器人焊接技術(shù)實(shí)驗(yàn)室近年來關(guān)于弧焊動(dòng)態(tài)過程的信息傳感技術(shù)、動(dòng)態(tài)建模技術(shù)及焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制技術(shù)等的研究工作進(jìn)展?；谥悄芑附酉嚓P(guān)的科學(xué)和技術(shù)相關(guān)研究內(nèi)容，提出了“智能化焊接制造技術(shù)——IWMT”和“智能化焊接制造工程——WIME”的概念，并初步系統(tǒng)化構(gòu)建了關(guān)于焊接智能制造發(fā)展的科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)于智能化機(jī)器人焊接技術(shù)在船舶、海洋工程、汽車與航天制造等應(yīng)用研究業(yè)已取得初步結(jié)果。

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