智能機(jī)器人的焊接技術(shù)

1. 引言

　　隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為必然趨勢(shì)[1-8]。目前，采用機(jī)器人焊接已成為焊接自動(dòng)化技術(shù)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。焊接機(jī)器人由于具有通用性強(qiáng)、工作可靠的優(yōu)點(diǎn)，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。在焊接生產(chǎn)中采用機(jī)器人技術(shù)，可以提高生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、穩(wěn)定和保證焊接質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化[9]。

　　從60年代誕生和發(fā)展到現(xiàn)在，焊接機(jī)器人的研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，即示教再現(xiàn)階段、離線編程階段和自主編程階段。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使焊接機(jī)器人由單一的單機(jī)示教再現(xiàn)型向多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由第二代向第三代的過(guò)渡將成為焊接機(jī)器人追求的目標(biāo)[9,10]。

　　目前，國(guó)內(nèi)外大量應(yīng)用弧焊機(jī)器人系統(tǒng)從整體上看基本都屬于第一代或準(zhǔn)二代的焊接由于焊接路徑和焊接參數(shù)是根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置的，在焊接時(shí)缺少外部信息傳感和實(shí)時(shí)調(diào)整控制功能，這類弧焊機(jī)器人對(duì)焊接作業(yè)條件的穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，焊接時(shí)缺乏“柔性”，表現(xiàn)出明顯的缺點(diǎn)。在實(shí)際弧焊過(guò)程中，焊接條件是經(jīng)常變化的，如加工和裝配上的誤差會(huì)造成焊縫位置和尺寸的變化，焊接過(guò)程中工件受熱及散熱條件改變會(huì)造成焊道變形和熔透不均[9,12]。為了克服機(jī)器人焊接過(guò)程中各種不確定性因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，提高機(jī)器人作業(yè)的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊機(jī)器人系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)空間焊縫的自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤，而且還能實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的在線調(diào)整和焊縫質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制。

2. 機(jī)器人焊接智能化技術(shù)的主要構(gòu)成

　　現(xiàn)代焊接技術(shù)具有典型的多學(xué)科交叉融合特點(diǎn)[5,11]，采用機(jī)器人焊接則是相關(guān)學(xué)科技術(shù)成果的集中體現(xiàn)。將智能化技術(shù)引入焊接機(jī)器人所涉及的主要技術(shù)構(gòu)成可見圖1 所示。其中包括：

1）焊接機(jī)器人對(duì)于焊接任務(wù)的自主規(guī)劃技術(shù)；

2）焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制技術(shù)；

3）焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的信息傳感、建模與智能控制技術(shù)；

4）機(jī)器人焊接系統(tǒng)的集成與控制，將上述焊接任務(wù)規(guī)劃、軌跡跟蹤控制、傳感系統(tǒng)、過(guò)程模型、智能控制等子系統(tǒng)的軟硬件集成設(shè)計(jì)、統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度與控制，涉及焊接柔性制造系統(tǒng)的物料流、信息流的管理與控制，多機(jī)器人與傳感器、控制器的多智能單元與復(fù)雜系統(tǒng)的控制等。

下面對(duì)以上相關(guān)方面的主要技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀分別作簡(jiǎn)要敘述。

3. 機(jī)器人焊接任務(wù)自主規(guī)劃技術(shù)[13-16]

　　如前所述，國(guó)內(nèi)外弧焊機(jī)器人多屬示教--再現(xiàn)型，它無(wú)法滿足焊接生產(chǎn)日益復(fù)雜的需要，還存在許多問(wèn)題有待研究。有關(guān)弧焊機(jī)器人的研究逐步向自主化過(guò)渡，出現(xiàn)了弧焊機(jī)器人的離線編程技術(shù)，一個(gè)較為完整的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)應(yīng)包括焊接作業(yè)任務(wù)描述(語(yǔ)言編程或圖形仿真)、操作手級(jí)路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)算法及優(yōu)化、針對(duì)焊接作業(yè)任務(wù)的關(guān)節(jié)級(jí)規(guī)劃、規(guī)劃結(jié)果動(dòng)畫仿真、規(guī)劃結(jié)果離線修正、與機(jī)器人的通訊接口(downloading)、利用傳感器自主規(guī)劃路徑及進(jìn)行在線路徑修正等幾大部分組成。其關(guān)鍵技術(shù)通常包括視覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)以及焊縫信息的獲取問(wèn)題、規(guī)劃控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

　　在1987年的自動(dòng)化及機(jī)器人焊接國(guó)際會(huì)議上，專家對(duì)離線編程的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，其中最有代表性的工作是WRAPS系統(tǒng)。K.H.Goh等人在一個(gè)焊接工作站FANUC/WESTWOOD上建立了基于專家系統(tǒng)的焊接機(jī)器人自適應(yīng)離線編程和控制系統(tǒng)—WRAPS，它包括焊接數(shù)據(jù)庫(kù)、離線編程、計(jì)算機(jī)仿真和焊接專家系統(tǒng)。它還配有視覺(jué)傳感器進(jìn)行焊前接頭檢測(cè)和焊后缺陷檢測(cè)，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的專家焊接機(jī)器人系統(tǒng)。

　　國(guó)內(nèi)哈工大研究人員對(duì)焊接機(jī)器人的無(wú)碰路徑規(guī)劃、具有冗余度弧焊機(jī)器人自主規(guī)劃以及焊接工藝參數(shù)聯(lián)合規(guī)劃問(wèn)題的研究工作[14-16]，設(shè)計(jì)開發(fā)了離線規(guī)劃與仿真系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 離線規(guī)劃及仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　弧焊機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)都包含了CAD輸入系統(tǒng)、焊接專家系統(tǒng)、自主規(guī)劃系統(tǒng)以及模擬仿真系統(tǒng)等。從更廣泛的意義上講，一個(gè)更完善的弧焊機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)該還包括反饋控制系統(tǒng)、焊前傳感系統(tǒng)以及焊后檢測(cè)系統(tǒng)。

4．機(jī)器人焊接的焊縫跟蹤與導(dǎo)引技術(shù)

　　就機(jī)器人焊接作業(yè)而言，焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制主要指初始焊位導(dǎo)引與焊縫跟蹤控制技術(shù)。在弧焊機(jī)器人的各種應(yīng)用領(lǐng)域，適應(yīng)能力都是影響焊接質(zhì)量和焊接效率的最重要因素�；『笝C(jī)器人的適應(yīng)能力即采用從焊接工件檢測(cè)到的傳感器的輸入信號(hào)實(shí)時(shí)控制和修正機(jī)器人的操作，以適應(yīng)變化了的焊接條件和環(huán)境。

　　瑞典和美國(guó)公司曾先后研制出激光掃描和結(jié)構(gòu)光視覺(jué)傳感器用于焊縫跟蹤系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)哈工大的呂偉新、張炯博士研制了基于激光掃描和高性能線陣CCD敏感器的視覺(jué)系統(tǒng)，見圖4，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)視覺(jué)控制[13]。

　　在初始焊位機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)引技術(shù)研究方面，呂偉新博士基于激光掃描視覺(jué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了局部搜索算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一定工件焊縫特征在一定范圍的自主導(dǎo)引[13]。郭振民和李金泉分別采用視覺(jué)伺服和圖象識(shí)別技術(shù)探討了機(jī)器人焊接初始焊位導(dǎo)引和焊縫識(shí)別與實(shí)時(shí)跟蹤問(wèn)題。

5．焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的視覺(jué)傳感、建模與智能控制技術(shù)

　　機(jī)器人焊接的高質(zhì)量關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)對(duì)于焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的有效精確的控制。由于焊接過(guò)程的復(fù)雜性，實(shí)踐表明經(jīng)典的控制方法有效性受到較大的限制。受熟練焊工操作技藝的啟發(fā)，近年來(lái)，模擬焊工操作的智能控制方法已被引入焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程，主要涉及熔池動(dòng)態(tài)視過(guò)程的視覺(jué)傳感、建模與智能控制。

5．1 焊接過(guò)程的傳感技術(shù)

　　焊接過(guò)程的傳感，是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。未來(lái)焊接發(fā)展的趨勢(shì)是焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化及智能化，而傳感技術(shù)是這一發(fā)展中最重要的部分。焊接傳感器按其使用目的可分為測(cè)量和檢測(cè)操作環(huán)境、檢測(cè)和監(jiān)控焊接過(guò)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。

　　聲學(xué)傳感器主要用于GMAW過(guò)程熔滴過(guò)渡的檢測(cè)、等離子穿孔焊等。力學(xué)傳感主要指近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的熔池振蕩法。電弧傳感器由于直接檢測(cè)電弧自身的特性(電流，弧壓)，不需要外加傳感器以及外加傳感器所需的保護(hù)和去噪裝置，使應(yīng)用變得簡(jiǎn)單。目前的應(yīng)用領(lǐng)域主要是焊縫跟蹤和熔敷控制。與其它傳感方法相比，光學(xué)傳感器不與焊接回路接觸，信號(hào)的檢測(cè)不影響正常焊接過(guò)程，是將來(lái)最有發(fā)展前景的傳感技術(shù)之一。利用焊接區(qū)的紅外熱輻射傳感焊接過(guò)程信息是光學(xué)傳感中一種自成體系的方法，這方面的研究成果也較多[16]。

5．2焊接熔池的視覺(jué)傳感

　　對(duì)于焊接過(guò)程，直接視覺(jué)是一種最好的非接觸式傳感形式。直接視覺(jué)傳感技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是不接觸工件，不干擾正常的焊接過(guò)程，獲取的信息量大，通用性強(qiáng)。并且由于它可以得到焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)熔池的二維或三維信息，與其它焊接過(guò)程信息檢測(cè)方法相比，這種方法檢測(cè)到的熔池信息直接反映焊接過(guò)程熔化金屬的動(dòng)態(tài)行為，更適合焊接過(guò)程的質(zhì)量控制。

　　直接視覺(jué)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(bǔ)償由于固定精度、機(jī)器人各部分的容差、焊接過(guò)程中的焊件變形引起的焊接路徑偏差；焊接過(guò)程控制中的焊接接頭和熔池幾何形狀的實(shí)時(shí)傳感；熔滴過(guò)渡形式的監(jiān)測(cè)等。

　　近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，利用機(jī)器視覺(jué)正面直接觀察焊接熔池，通過(guò)圖象處理獲取熔池的幾何形狀信息對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行閉環(huán)控制，已成為重要的研究方向[17-21]。根據(jù)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中成像光源是輔助光源還是焊接區(qū)自身產(chǎn)生的光源，直接視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。

（1）主動(dòng)式直接視覺(jué)傳感

　　為了減小弧光對(duì)圖象質(zhì)量的影響，主動(dòng)式直接視覺(jué)檢測(cè)方法采用激光等輔助光源對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行人工照明，以提高圖象的質(zhì)量。由于激光具有單波長(zhǎng)，方向性好，相干性好等特點(diǎn)，所以采用激光作為輔助光源可以獲得較清晰的圖象。主動(dòng)視覺(jué)由于其所需設(shè)備較為昂貴，系統(tǒng)較為復(fù)雜，常常限制了其應(yīng)用推廣。這里不作詳細(xì)介紹�？梢娢腫14，15]的參考文獻(xiàn)。

（2）被動(dòng)式直接視覺(jué)傳感

　　目前作為焊接過(guò)程視覺(jué)圖象傳感的一種實(shí)用技術(shù)，研究較多的是不另加輔助光源，而是利用弧光本身照明焊接區(qū)，即被動(dòng)式直接視覺(jué)檢測(cè)方法。

　　對(duì)被動(dòng)式直接視覺(jué)傳感較為深入的研究起步于八十年代中期，國(guó)內(nèi)外研究工作者曾直接利用電弧光照射熔池前方的工件間隙獲取焊接區(qū)焊縫信息，根據(jù)熔池前方不同遠(yuǎn)近處電弧光強(qiáng)度的閃爍來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中的焊縫跟蹤；利用帶有CCD攝像機(jī)的微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)脈沖MIG/MAG焊熔池行為進(jìn)行了觀察和控制的研究；美國(guó)Ohio大學(xué)開發(fā)了一套放置在焊炬內(nèi)部與電極同軸觀測(cè)焊接熔池的集成化視覺(jué)傳感系統(tǒng)，在TIG焊熔池觀察和MIG焊焊縫跟蹤等方面進(jìn)行了初步的研究。

　　文獻(xiàn)[19]設(shè)計(jì)了熔池正反兩面視覺(jué)圖象同時(shí)同幅傳感系統(tǒng)圖3，獲得了脈沖GTAW熔池正反兩面的清晰圖象圖4，并對(duì)圖象二維特征尺寸提取進(jìn)行了較深入的研究。

　　文獻(xiàn)[21]在上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，獲取了脈沖GTAW填絲熔池圖象圖5。并對(duì)圖象進(jìn)行了三維形狀特征恢復(fù)的處理算法研究。文獻(xiàn)[19-21]的結(jié)果可以認(rèn)為是近期計(jì)算機(jī)視覺(jué)傳感技術(shù)在焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程中的較為系統(tǒng)和成功應(yīng)用研究工作。

5.3 焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的建模

　　由于焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的非線性、不確定性、時(shí)變性和強(qiáng)耦合性，采用傳統(tǒng)的過(guò)程建模方法建立的數(shù)學(xué)模型不可能作為有效的可控模型，這也是長(zhǎng)期以來(lái)焊接過(guò)程控制成為困擾著焊接界和控制界的一大難題的主要原因。

目前認(rèn)為， 對(duì)焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的建模方法一般有如下幾種：

(1)基于對(duì)焊接熔池金屬熱傳導(dǎo)理論推導(dǎo)的解析數(shù)學(xué)模型，這種模型一般是由若干偏微分方程組描述，與實(shí)際過(guò)程偏差較大，最主要的問(wèn)題是難以用于焊接過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一般只用于焊接熱過(guò)程的數(shù)值模擬與分析；

(2)采用經(jīng)典或現(xiàn)代控制理論的系統(tǒng)辨識(shí)方法獲得的數(shù)學(xué)模型，如傳遞函數(shù)、差分方程等形式。一般可用于限定范圍的焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制；

(3)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近理論的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法獲得焊接過(guò)程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這種建模方法對(duì)過(guò)程的知識(shí)要求較少，通常只根據(jù)過(guò)程的輸入輸出數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)，得到的模型便于系統(tǒng)的在線學(xué)習(xí)與控制；

(4)基于模糊集合、粗糙集合理論的知識(shí)建模方法，這種方法可以借助于焊工經(jīng)驗(yàn)，也可以直接基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的處理提取知識(shí)規(guī)律，給出以人類知識(shí)形式描述的模型，有助于對(duì)焊接過(guò)程變化規(guī)律的理解和智能系統(tǒng)的應(yīng)用。

文獻(xiàn)[22]對(duì)脈沖GTAW熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了辨識(shí)與分析。文獻(xiàn)[20]對(duì)脈沖GTAW熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法研究，給出了相應(yīng)的模型如圖 所示，并驗(yàn)證了模型用于過(guò)程實(shí)時(shí)控制的有效性。

1）脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程模糊控制規(guī)則的提取[20]： 模糊控制規(guī)則是模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ).控制對(duì)象模糊控制規(guī)則的提取屬于模糊系統(tǒng)辨識(shí)問(wèn)題，文[20]采用C-均值動(dòng)態(tài)聚類算法來(lái)提取脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程模糊控制規(guī)則。選取脈沖GTAW對(duì)接過(guò)程的被控變量為熔池反面最大熔寬 ，控制量為脈沖占空比 ，根據(jù)過(guò)程動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[20]，采用C-均值動(dòng)態(tài)聚類方法提取模糊控制規(guī)則如表1：

2）脈沖GTAW熔池背面熔寬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型BNNM[19]，其輸入向量包括當(dāng)前時(shí)刻熔池正面最大熔寬Wfmax(t)和最大半長(zhǎng)Lfmax(t)以及工藝參數(shù)等17個(gè)輸入?yún)��?shù)，模型的輸出為熔池反面最大寬度Wbmax(t)。確定BNNM模型的隱含層處理單元個(gè)數(shù)為24。所得的BNNM模型結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖7是訓(xùn)練樣本的期望輸出值與BNNM模型輸出值的對(duì)比曲線，模型輸出的 的平均相對(duì)誤差為4.25%，均方誤差為3.04%，模型滿足精度要求。

 
圖7 BNNM模型檢驗(yàn)結(jié)果

5．4 焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的智能控制

　　由于焊接過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)相互耦合的時(shí)變的非線性系統(tǒng)，影響焊縫成形質(zhì)量的因素眾多，并帶有顯著的隨機(jī)性，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，這使得已往的一些線性控制方法，在不同程度上存在適應(yīng)性差、對(duì)經(jīng)驗(yàn)依賴性大等缺點(diǎn)。因此，在焊接過(guò)程控制中引入了智能控制方法是非常適合的途徑。已有采用專家系統(tǒng)、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法。

　　專家系統(tǒng)利用被控對(duì)象領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，采用人工智能專家系統(tǒng)的知識(shí)表示及推理技術(shù)得出控制動(dòng)作。

　　模糊控制是智能控制的較早形式，它吸取了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具得出控制動(dòng)作。

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是研究和利用人腦的某些結(jié)構(gòu)和機(jī)理以及人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)控制。它是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為人工智能的一種途徑在控制領(lǐng)域的滲透。隨著模式識(shí)別的自組織能力和映射以及決策能力的日益增強(qiáng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于智能控制設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)出巨大的潛在優(yōu)勢(shì)。

　　從80年代中期國(guó)外開始研究模糊控制在焊接中的應(yīng)用，曾有研究人員應(yīng)用自組織模糊控制的方法進(jìn)行了MIG焊焊縫跟蹤的研究；利用視覺(jué)傳感器傳感熔池信息，采用Fuzzy控制方法控制脈沖MIG焊的熔寬；利用模糊控制進(jìn)行了弧焊機(jī)器人的參數(shù)規(guī)劃工作；對(duì)脈沖熔化極氣體保護(hù)焊焊接過(guò)程中的電弧電壓參數(shù)進(jìn)行模糊控制以及對(duì)CO2焊接工藝參數(shù)的模糊控制過(guò)程進(jìn)行的研究等。

　　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)控制是研究和利用人腦的某些結(jié)構(gòu)和機(jī)理以及人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。由于用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)適應(yīng)性、魯棒性均較好，能處理象焊接這樣的高維數(shù)、非線性、強(qiáng)干擾、不確定、難建模的復(fù)雜過(guò)程的控制問(wèn)題，所以在焊接質(zhì)量控制中采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立焊接過(guò)程模型可以解決線性控制方法所不能克服的問(wèn)題。這樣建立的模型不同于已往固定結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，不對(duì)焊接過(guò)程作任何假設(shè)，因此所建模型能較真實(shí)的反映系統(tǒng)特性。

　　ANN應(yīng)用于焊接領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些成果，曾有對(duì)低碳鋼進(jìn)行GTAW工藝實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)值與期望值達(dá)到良好吻合；采用ANN建立了TIG焊熔池尺寸估測(cè)系統(tǒng)，在其設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估測(cè)器中導(dǎo)出了焊接區(qū)表面溫度與焊接熔池尺寸之間的關(guān)系，可對(duì)焊接過(guò)程中的正面熔寬、背面熔寬、熔深進(jìn)行同步預(yù)測(cè)的研究；另外神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在焊縫跟蹤和焊接區(qū)圖象處理等方面也得到了應(yīng)用。進(jìn)入九十年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)焊接界這方面的研究也逐步興起，已有對(duì)基于ANN技術(shù)的焊接質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，針對(duì)GTAW工藝建立的焊接過(guò)程的靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)GTAW焊接過(guò)程散熱條件急劇變化情況下對(duì)正面熔寬的智能控制。

　　文獻(xiàn)[19-20]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)適應(yīng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了單個(gè)神經(jīng)元自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于脈沖GTAW堆焊熔池動(dòng)態(tài)特征的有效控制；設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)和專家系統(tǒng)相結(jié)合的多變量智能控制系統(tǒng)圖8，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于脈沖GTAW對(duì)接熔池正反面熔寬動(dòng)態(tài)變化的有效控制；文獻(xiàn)[21]設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)圖9，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于脈沖GTAW對(duì)接填絲熔池正反面熔寬以及正面焊縫余高的有效控制；設(shè)計(jì)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于脈沖GTAW對(duì)接填絲熔池正反面熔寬以及正面焊縫余高的有效控制；

6．智能化機(jī)器人焊接柔性制造單元/系統(tǒng)

　　弧焊機(jī)器人柔性加工單元系統(tǒng)集成及優(yōu)化技術(shù)研究主要目的是將焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)控制與機(jī)器人技術(shù)結(jié)合起來(lái)，研究實(shí)現(xiàn)具有冗余自由度的弧焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及相應(yīng)的船形焊位姿協(xié)調(diào)控制技術(shù)；同時(shí)將高精度激光掃描焊縫跟蹤、熔透及焊縫成形智能控制、機(jī)器人焊接電源等子系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集成為具有實(shí)時(shí)傳感、通訊、調(diào)度功能的弧焊機(jī)器人柔性加工單元，研究在中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)控制下的多品種小批量柔性焊接加工系統(tǒng)的優(yōu)化模型及控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間曲線焊縫機(jī)器人焊接的質(zhì)量智能控制。

　　根據(jù)焊接環(huán)境與過(guò)程傳感器信息獲取、特征提取、決策控制、工藝過(guò)程實(shí)施的特點(diǎn)，可將機(jī)器人焊接智能化技術(shù)系統(tǒng)的三級(jí)交互式分層結(jié)構(gòu)——即組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)：

　　在對(duì)柔性制造系統(tǒng)中基于實(shí)時(shí)專家系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行的程序控制和通訊進(jìn)行了研究的基礎(chǔ)上，對(duì)弧焊機(jī)器人系統(tǒng)基于知識(shí)的控制進(jìn)行了研究，提出了建模、焊接規(guī)劃、程序生成及通訊四個(gè)模塊。

　　一般地，按照生產(chǎn)過(guò)程中物質(zhì)流（或能量流）連續(xù)或離散的不同形態(tài)，可將制造系統(tǒng)分為三類：連續(xù)型、離散型、混雜型。焊接柔性制造單元/系統(tǒng)（Welding Flexible Manufacturing Cell / System）在宏觀上具有離散性，在微觀上具有連續(xù)性。由于微觀連續(xù)焊接過(guò)程的控制已取得較多的成果，因而從適應(yīng)小批量、多品種的焊接產(chǎn)品出發(fā)，研究大系統(tǒng)的離散生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)于提高焊接柔性制造系統(tǒng)的利用率及提高焊接產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

　　離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)與Petri網(wǎng)（PN）理論建模與控制已成為現(xiàn)代制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論的重要的研究方向[25]。

　　文獻(xiàn)[23-24]結(jié)合柔性制造系統(tǒng)離散控制理論，對(duì)具有多傳感信息的焊接柔性加工單元的組建、集成及實(shí)時(shí)調(diào)度控制技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)化研究。設(shè)計(jì)開發(fā)了一套完整的九自由度弧焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，在開放結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)了空間焊縫協(xié)調(diào)控制和焊接柔性加工單元（WFMC）的集成調(diào)度。將工件初始定位空間導(dǎo)引技術(shù)、激光掃描焊縫實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)、熔透及焊縫成形智能控制技術(shù)、九自由度弧焊機(jī)器人系統(tǒng)控制技術(shù)及焊接機(jī)器人專用電源技術(shù)結(jié)合起來(lái)，研究了焊接柔性加工系統(tǒng)集成方法及通訊控制的實(shí)現(xiàn)，建立了一套完整的、具有多傳感控制功能的焊接柔性加工單元系統(tǒng)及相應(yīng)中央監(jiān)控軟件平臺(tái)圖10。
 
圖10 智能化弧焊機(jī)器人WFMC信息系統(tǒng)分級(jí)遞階結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)焊接柔性加工單元具有控制過(guò)程的實(shí)時(shí)性、突發(fā)性、同步性及離散性等特點(diǎn)，文獻(xiàn)[23-24]采用離散事件動(dòng)態(tài)理論對(duì)其進(jìn)行分析研究，結(jié)合WFMC傳感及控制信息流的特點(diǎn)，將Petri網(wǎng)理論引入到焊接加工過(guò)程中，系統(tǒng)地探討了單元信息流建模及控制方法，同時(shí)對(duì)Petri網(wǎng)模型的理論特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上研究了焊接柔性加工單元中央監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的實(shí)現(xiàn)。

7．結(jié)束語(yǔ)

　　焊接柔性制造系統(tǒng)包括各種機(jī)器人（焊接機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等）、各種工裝設(shè)備和各種生產(chǎn)資源，它們是分布式人工智能（DAI）中的多智能體系統(tǒng)（MAS）典型代表。在焊接柔性制造系統(tǒng)中，不同功能結(jié)點(diǎn)上的局部推理和決策非常重要，所以，在這些結(jié)點(diǎn)上引入Agent的概念，利用多個(gè)Agent間的相互協(xié)調(diào)來(lái)達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)任務(wù)間的協(xié)調(diào)是很有意義的。在焊接柔性制造系統(tǒng)中，將機(jī)器人、變位機(jī)、傳感器、協(xié)調(diào)器等單元視為系統(tǒng)中協(xié)調(diào)工作的多智能體，研究在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分散的、松散耦合的，在地理上或邏輯上分散的并且具有相對(duì)獨(dú)立性的智能子系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)彼此互連，共享資源，相互協(xié)作，共同完成一個(gè)或多個(gè)控制作業(yè)任務(wù)的技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)焊接柔性制造系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)控制是有意義的發(fā)展方向[26]。