戴建明 韓沛文 蔣林

摘要：弧焊智能化是對電弧焊接各環(huán)節(jié)進行智能化，傳統(tǒng)的示教加再現(xiàn)的焊接機器人已無法滿足要求，必須構(gòu)建智能化弧焊機器人系統(tǒng)。對工業(yè)機器人控制、機器人視覺、六維力矩傳感、激光2D/3D焊縫傳感、高頻逆變弧焊電源、機器人弧壓調(diào)高技術(shù)、機器人弧焊工藝技術(shù)方面進行了研究。

關(guān)鍵詞：弧焊智能化;焊接機器人;焊縫跟蹤;弧壓調(diào)高

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弧焊智能化是對電弧焊接各環(huán)節(jié)進行智能化，包括：焊接前期的工藝準備、工件導(dǎo)入、夾具動作的智能化;焊接過程的焊縫尋位、焊縫實時跟蹤、工藝參數(shù)及焊接姿態(tài)實時調(diào)整、焊接質(zhì)量實時檢測智能化;焊接后期的自動焊接質(zhì)量檢測智能化等。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的弧焊智能化系統(tǒng)主要是由焊接機器人、機器人視覺及焊縫跟蹤、機器人焊接電源、智能控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)構(gòu)成，并具有焊縫自主尋位、路徑自主規(guī)劃、焊接工藝參數(shù)自行優(yōu)化及過程自適應(yīng)控制、焊接質(zhì)量在線檢測以及生產(chǎn)自動安排的智能化功能。

目前市場應(yīng)用中的焊接機器人仍然是示教加再現(xiàn)，其焊接路徑和工藝參數(shù)都是預(yù)先設(shè)置的，對作業(yè)的一致性要求非常嚴格，在焊接過程中缺少對外部信息變化的實時反饋和實時調(diào)節(jié)功能。然而焊接過程中的環(huán)境和條件的變化是不可避免的，如焊接工件加工和裝配誤差造成接頭位置、焊縫間隙和尺寸的分散性，示教軌跡與實際焊縫的差異、焊接過程中熱變形、熔透及焊縫成型不穩(wěn)定等因素都會引起焊接質(zhì)量的波動，并導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。為了解決這一問題，通過激光的2D/3D成像技術(shù)構(gòu)成機器人的實時視覺，通過2D成像檢測焊縫的實時軌跡，通過3D成像檢測焊縫的寬度和深度，實時調(diào)整焊接工藝，使之能實現(xiàn)初始焊接位置識別與自主導(dǎo)引、實時焊縫糾偏與跟蹤，獲取焊接熔池動態(tài)特征信息，通過工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫自適應(yīng)調(diào)節(jié)和焊縫成形的實時控制，來實現(xiàn)機器人焊接過程的自主智能控制。這種將智能化焊接技術(shù)集成于機器人控制，通過具有對焊接環(huán)境感知的視覺傳感、熔池的監(jiān)控，實現(xiàn)初始焊位導(dǎo)引、焊縫跟蹤、焊縫成形及質(zhì)量控制功能，就構(gòu)成智能化弧焊機器人系統(tǒng)。

文中以深圳鴻柏科技研制的弧焊智能化設(shè)備為例，對弧焊智能化進行探討。

1 弧焊智能化的探索

1.1 機器人控制系統(tǒng)探索

為研究電弧焊接智能化，首先必須研究適合運用于電弧焊接的機器人。采用多核ARM+DSP+FPGA架構(gòu)（上層信息管理ARM，運動控制算法DSP，實時控制FPGA）并構(gòu)建機器人編程語言、語言解釋器，開發(fā)機器人控制用的TP、PC調(diào)試控制軟件等。在機器人運動控制器達到一定技術(shù)條件時，通過匹配多軸一體化伺服驅(qū)動控制軟件代碼的使用開發(fā)權(quán)，將交流伺服電機驅(qū)動控制核心技術(shù)應(yīng)用于機器人的伺服驅(qū)動控制，并與運行控制結(jié)合構(gòu)建整個機器人的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)運控一體化。在機器人控制系統(tǒng)技術(shù)基本成熟以后，結(jié)合弧焊智能化技術(shù)的基本要素，構(gòu)建新一代弧焊機器人軟硬件控制系統(tǒng)，如圖1所示。

為滿足高效高質(zhì)量弧焊需要，采用了驅(qū)控一體的機器人控制技術(shù)，包括：面向應(yīng)用的機器人編程語言、自動規(guī)避奇異點運動學算法、高階樣條加加速度平滑插補算法、自適應(yīng)位置/姿態(tài)速度規(guī)劃算法、動力學補償算法、負載慣量識別及PID參數(shù)自動調(diào)節(jié)算法、手把手求教技術(shù)、振動抑制技術(shù)等，如圖2所示。

1.2 機器人視覺及相關(guān)傳感技術(shù)

1.2.1 激光2D/3D焊縫跟蹤器

機器人焊縫跟蹤器采用激光掃描成像，為成像目標構(gòu)建位姿坐標信息系統(tǒng)，一般與弧焊槍一起安裝在機器人的前端法蘭上。視覺控制系統(tǒng)主要由ARM事件處理模塊、DSP運動控制模塊、FPGA伺服驅(qū)動模塊、逆變放大電路模塊、激光視覺傳感器（激光2D/3D焊縫跟蹤器）模塊、弧焊控制主機以及目標控制對象弧焊焊槍組成，其工作原理如圖3所示。由圖3可知，由于焊縫跟蹤器具備檢測焊縫寬度和深度等焊縫特征參數(shù)，能實時給出位姿信息，加上焊縫跟蹤器與焊槍的安裝位置相對位置為固定值，因此，通過跟蹤器對實際焊縫的位置檢測，可得到實際焊縫在機器人基坐標系中的相對位置。這樣通過對實際焊縫的位置檢測就可實現(xiàn)軌跡位置的閉環(huán)控制，從而達到實時焊縫跟蹤的目的。機器人焊縫跟蹤器實物如圖4所示。

1.2.2 六維力傳感器

基于機器人末端的六維力傳感器示教（見圖5），其原理是通過感知末端力傳感器的6個參數(shù)值，進行力的合成與分解到機器人運動上，機器人通過自身的運動來使末端的力傳感器的6個參數(shù)都趨近于“ 零 ”，機器人在運動過程中記錄機器人的中間軌跡，達到拖動示教的目的。對于沒有焊縫跟蹤條件的簡單焊縫，可以通過拖動示教來代替編程，如圖6所示。

1.2.3 機器人弧焊弧壓調(diào)高

在機器人焊條電弧焊接、TIG恒流焊接中，為了保證焊接電弧電壓穩(wěn)定在一定值上，保證焊接工件與規(guī)劃軌跡存在偏差時的焊接質(zhì)量，機器人根據(jù)預(yù)設(shè)定的期望電弧電壓值和實際值，通過一定的算法調(diào)整機器人的位姿，保證實際焊接弧壓穩(wěn)定在設(shè)定值。

為了讓弧焊機器人控制系統(tǒng)的調(diào)高控制能與不同品牌型號的焊接電源構(gòu)成調(diào)高控制，研發(fā)了焊接電源信號采集控制器（見圖7），直接采集焊接電源輸出的電流及電壓值，通過邏輯判斷引弧成功，根據(jù)焊接調(diào)高要求的參數(shù)進行相應(yīng)的控制。

1.3 機器人弧焊電源系統(tǒng)

隨著新材料焊接、高速高熔覆的高效焊接、焊縫的控形控性等需求推動了先進MIG、多電極多電弧焊、激光復(fù)合焊等焊接新方法的出現(xiàn)，促進了數(shù)字化焊接電源、智能化自動焊接技術(shù)的進步，采用機器人替代焊工已成為高效焊接的必然趨勢。為了滿足高速、高熔覆率焊接的需求，在傳統(tǒng)脈沖焊的基礎(chǔ)上開發(fā)了機器人高速脈沖弧焊系統(tǒng)，專門針對高速高熔覆的高效焊接。

機器人高速脈沖弧焊系統(tǒng)主要包括全數(shù)字化的高速脈沖弧焊電源、送絲機、機器人控制系統(tǒng)等，它們之間進行高速全數(shù)字化通信。其中焊接電源通過光纖控制器與機器人控制器連接，根據(jù)自定義的通信協(xié)議實現(xiàn)對高速脈沖弧焊電源狀態(tài)及運行過程的遠程監(jiān)測與控制。為了達到高速高精度控制，弧焊電源采用高頻逆變系統(tǒng)，主回路的IGBT逆變頻率從20 kHz升級到30 kHz，考慮到焊接電源的負載率及控制性能，主電路從全橋全波硬開關(guān)升級到雙管正激全波并，從專用芯片的移相PWM軟開關(guān)到FPGA智能型移相PWM軟開關(guān)，控制上采用高速DSP+FPGA及ARM+DSP+FPGA兩種架構(gòu)。整流后的焊接電流脈動最大在120K，其控制框圖如圖8所示。通過上述手段，大大提高了弧焊電源的控制精度和響應(yīng)速度，實現(xiàn)了熔深大、速度快、熔覆率高、飛濺小的設(shè)計目標。

2 攻堅克難，努力實現(xiàn)弧焊智能化

2.1 機器人焊條智能化焊接

焊條焊接智能系統(tǒng)是模擬人工進行焊條電弧焊，在各個焊接工況下保證焊接質(zhì)量，焊接系統(tǒng)使用機器人工作站方式進行。從焊接階段開始，引燃焊條是第一步，因焊條上有藥皮，機器人的動作很難像人一樣進行劃擦引燃電弧，這就要事先對焊條的端部進行處理，如加碳粉、打磨焊條端部，機器人做相應(yīng)引弧姿態(tài)測試引弧成功率，找到磨尖焊條端部及機器人讓焊條端部在引弧工件上轉(zhuǎn)動引燃電弧。第二步是保證焊接電弧穩(wěn)定，這是關(guān)鍵的一步。機器人端部的運行軌跡是通過工件的焊縫示教產(chǎn)生的，機器人在焊接時焊條燃燒變短，機器人也要像人一樣在保證電弧穩(wěn)定的同時讓焊條向熔池推進，而這個動作機器人必須是自動完成的，因此引入了電弧調(diào)高功能參與機器人的動作。另外，在焊接過程中還有些焊條長度不等的處理、再次焊條端部打磨、再次焊條引弧的處理等，這些工作使焊條焊接更具智能化。除了焊接之外，工件的上下料、焊接工件工裝夾具都可以進行智能化處理。對于工件相同的焊接，物料的自動上、下料采用專用夾具是可以完成，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不同的焊接件可以采用機器視覺找位、復(fù)合夾具定位，或是采用多機器人協(xié)同夾持工件及搬運工件。

機器人焊條自動化焊接系統(tǒng)主要由焊條箱、焊條端部處理器、焊條排列器、焊條殘余收集盒、焊件夾具臺、機器人、焊接電源及電弧信號處理器等組成。焊條端部處理器主要是進行焊條前端磨尖和檢測二次焊條長度，方便焊條引弧和二次引弧位置。電弧信號處理器把電弧信息反饋到機器人控制系統(tǒng)，進行焊接電弧弧壓PID調(diào)高控制，保證焊條焊接質(zhì)量。當然，為了提高整個機器人焊條焊接系統(tǒng)的智能化，還可以增加機器視覺進行焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量的檢測或是焊接工件的自動上下載等。

2.2 機器人管道相貫線MAG智能焊接

機器人管道MAG智能焊接系統(tǒng)主要用于建筑水管主支管路的相貫線焊接，應(yīng)用線激光機器視覺在線檢測焊縫及變位機，實時引導(dǎo)機器人跟蹤并實現(xiàn)擺動焊接。因建筑水管各構(gòu)件存在實際尺寸偏差，單純使用機器人的示教軌跡是不能滿足焊接工況要求，應(yīng)用激光視覺傳感器實時測量焊縫，通過機器人的焊縫跟蹤技術(shù)補償軌跡的偏差。管道的主支管相貫線上焊縫的寬度也是存在較大的偏差，采用機器人擺動焊接是必須的，以使焊道能充分焊透飽滿，形成質(zhì)量有保證的焊縫。除了上述焊接方面的智能處理，機器人與工裝夾具通過采用PLC實現(xiàn)各過程的智能控制。

機器人MAG焊接工作站還可進行多種焊接智能化實現(xiàn)擴充，如：工裝夾具智能動作實現(xiàn)，工件焊縫與機器人端部焊槍位姿的協(xié)調(diào)實現(xiàn)，焊接過程焊絲的自動修剪實現(xiàn)，環(huán)境焊接煙霧的自動排除，焊接工件焊接質(zhì)量的檢測等。完成一個弧焊智能化處理牽聯(lián)多方面的智能控制的實現(xiàn)，是多維技術(shù)綜合的體現(xiàn)。要實現(xiàn)弧焊項目整個過程高水平的智能化處理，可以考慮各個細節(jié)步驟是否存在智能性提高。

2.3 機器人多工位TIG智能焊接

應(yīng)用機器人進行TIG多工位電弧焊接時，因工件尺寸相對一致性好，只是焊縫存在較小偏差，故系統(tǒng)未采用機器視覺;焊接電源在TIG焊接下為恒電流模式，應(yīng)用機器人控制系統(tǒng)的電弧電壓調(diào)高技術(shù)對焊接電弧進行焊接能量控制，盡量在穩(wěn)定送絲速度下保證焊縫成型一致，整個焊接時期由機器人智能自動完成。焊接工裝方面，采用工件雙工位上料，自動裝夾，機器人本體軌道平移進行焊接，專機采用PLC協(xié)調(diào)控制。

3 結(jié)論

實現(xiàn)弧焊智能化工作是電弧焊接領(lǐng)域長期追求的目標。隨著焊接電源、焊接過程實時檢測及傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接機器人技術(shù)的不斷提高，實現(xiàn)電弧焊接自動化和智能化越來越成為可能。但就目前的現(xiàn)狀來看，存在的問題還很多。尤其在對焊縫進行實時跟蹤過程中發(fā)現(xiàn)的焊縫寬窄深淺變化，如何讓機器人、焊接電源、送絲機構(gòu)都能適應(yīng)這種變化，使焊接質(zhì)量最終得到保證，這還是目前沒有從根本上解決的大問題，總之，弧焊智能化工作需要持續(xù)不斷的探索與實踐。

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