弧焊技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

引言
    弧焊技術(shù)是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有的焊接生產(chǎn)領(lǐng)域。近年來隨著市場競爭的日趨激烈，提高焊接生產(chǎn)的生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動化、智能化越來越得到焊接生產(chǎn)企業(yè)的重視。而人工智能技術(shù)、計算機視覺技術(shù)、數(shù)字化信息處理技術(shù)、機器人技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)的溶入，也促使弧焊技術(shù)正向著焊接工藝高效化、焊接電源控制數(shù)字化、焊接質(zhì)量控制智能化、焊接生產(chǎn)過程機器人化的方向發(fā)展。
1 焊接工藝高速高效化
    以實現(xiàn)高速度、熔敷率、高質(zhì)量的焊接工藝為目標(biāo)，國內(nèi)外在多絲多弧焊接工藝、多元氣體保護焊接工藝、活性化焊接新工藝等方面開展了廣泛而深入的研究。
1.1 多絲多弧焊接新工藝
    傳統(tǒng)的弧焊工藝（如TIG焊、CO2焊）一般采用單電源供電或單焊絲的方式，近年來日本、瑞士、德國等公司在多根焊絲配以單個或多個電源方面進行焊接開展了大量的研究工作，在提高焊接生產(chǎn)速度和金屬熔敷率方面取得了一些實用化的成果。
    日本的藤村告史開發(fā)的多絲焊接系統(tǒng)采用電流相位控制的脈沖焊接焊絲，電弧在三條焊絲上輪流燃燒，在保證電弧挺度的同時，通過調(diào)節(jié)各焊絲之間的位置關(guān)系及其焊接方向的夾角，來改變能量分布，使焊接過程穩(wěn)定，從而減少咬邊及駝峰等成形缺陷。該方法可用于角焊縫的高速焊接，焊速可以達(dá)到1.8 m/min。
    為了避免一個電弧時熱量過于集中，電流太大時發(fā)生燒穿，日本IHH發(fā)明了雙弧TIG焊法，其原理如圖1所示。兩個電極是四方形的，中間用絕緣材料絕緣，另外外加熱絲補充；三者都采用脈沖電流，兩個電極的脈沖和基值電流時間由同步器協(xié)調(diào)至正好互補，但電流值不同。在橫焊時兩個電極一上一下，上電極電流小，下電極電流大，可以進行窄間隙焊接。
    日本在54屆IIW年會上發(fā)表的雙絲MAG焊工藝，其原理是用熔池過熱多余的熱量來熔化填充焊絲，增加熔敷率，同時用大電流提高焊接速度。在焊接電流大，焊接速度快的施焊條件下，由于填充絲吸收了熱量，母材熱影響區(qū)熱輸入大為減少，減少了性能惡化和變形，也改善了焊縫成形。如圖2所示，前面的焊絲產(chǎn)生電弧，后面的填充絲直接插入熔池，流入熔池的電流有一小部分倒過來通過填充絲流入地線。由于兩根焊絲的電流相反，熔滴在反向電流產(chǎn)生的磁場排斥作用下向前傾斜，而使填充絲能順利送入熔池，填充絲下部導(dǎo)管用陶瓷保溫，增加熔化率。
    德國CLOOS公司開發(fā)的適用于中厚板焊接的TANDEM高速雙絲焊絲設(shè)備，將兩根焊絲按一定的角度放在一個特別設(shè)計的焊槍里，兩根焊絲分別由各自的電源供電，除送絲速度可以不同外，其它所有的參數(shù)（如焊絲的材質(zhì)、直徑，是否加脈沖等）都可以彼此獨立設(shè)定，從而保證電弧工作在最佳狀態(tài)。與其它雙絲焊技術(shù)相比，不僅可以提高熔敷速度，大大提高焊接效率，而且由于兩根焊絲處于同一熔池，降低了氣孔敏感性，改善了焊縫質(zhì)量。正常條件下，TANDEM雙絲焊工藝的焊接速度可達(dá)2~6 m/min，熔敷率約20 kg/h，配用電源60％暫載率，電流2×550 A，最高脈沖電流可達(dá)150 0 A。
    1998年，美國Kentucky大學(xué)發(fā)明了一種能顯著增加熔深的而且成本低廉的雙面雙弧焊接工藝（DSAW）。DSAW焊接方法有效地提高了電弧穿透力，增加了熔深；減小了熱影響區(qū)的尺寸；降低了試件厚度方向的溫度梯度，從而有利于減小熱變形。其不足之處在于：該工藝需要同時在工件的正反面進行焊接，在實際應(yīng)用中有很大的局限性；由于其背面不能加墊板等，因而無法應(yīng)用于薄板焊接，而只能用于中等厚度板的直接對接焊接。
    激光的高能量密度可用來提高焊接效率，但焊接工藝中遇到的問題主要是由于光束直徑很細(xì)，要求坡口裝配間隙小于0.5 mm，跟蹤精度要求高，同時在尚未形成熔池時熱效率很低。這些問題可以通過激光－MIG復(fù)合焊解決。由于 MIG焊的復(fù)合，熔池寬度增加使得裝配要求降低，焊縫跟蹤容易，由MIG電弧可以解決初始熔化問題，從而可以減少使用的激光器的功率。同時MIG焊的氣流也可以解決激光焊金屬蒸汽的屏蔽問題，MIG焊便于加入填充焊絲，從而可以避免表面凹陷形成的咬邊。而激光焊的深熔、快速、高效、低熱輸人特點仍保持。
    三菱重工最近開發(fā)了一種可快速實現(xiàn)坡口焊接和鋁合金焊接的復(fù)合 YAG激光焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)將激光光束和電弧電極同軸合成在一個焊接電極頭中，充分發(fā)揮了激光焊接和電弧焊接的各自優(yōu)點，降低了激光焊對坡口定位精度的要求，可以焊接的間隙達(dá)到0.8 mm的坡口；同時由于電弧減緩了激光照射部分的急劇冷卻，可防止焊接鋁合金是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋及氣孔等。
    奧地利Fronius公司開發(fā)的最新的高速GMA焊接系統(tǒng)，采用兩套電源兩套送絲系統(tǒng)，送絲速度、焊接電流、焊接電壓及兩條焊絲燃弧與短路的相對時序關(guān)系均可以分別控制。采用該系統(tǒng)，用1.2mm焊絲焊接2.3mm厚鋁板時的焊接速度可以達(dá)到2m/min。
1.2 活性化TIG焊接技術(shù)
    普通TIG電弧進行不銹鋼、鈦合金、鋁合金等材料焊接時，由于電弧熱量分散及電弧力數(shù)值低等原因，通常單層焊接只能夠獲得較小的熔深。對于厚度較大的板材或管材焊接，需背面完全熔透時，就要進行坡口加工并采用多層焊接。多年來國外一些機構(gòu)（如英國TWI、美國EWI、烏克蘭PATON）就如何提高TIG焊效率問題進行了研究，并逐步提出了“活性化TIG焊（A-TIG焊）”的概念。近來國內(nèi)有關(guān)單位在此領(lǐng)域也開展了一些研究工作。對A-TIG焊中的“電弧收縮”現(xiàn)象和“熔池表面張力變化”現(xiàn)象的內(nèi)在機理進行了詳細(xì)分析。實驗表明，把某種物質(zhì)成分的活性劑涂敷在被焊件母材焊接區(qū)，正常規(guī)范下焊接熔深大幅度提高，比如不銹鋼材料的焊接，其單層熔深可以增加一倍以上，6mm厚度試板不開坡口可以一次焊透�；�于其在提高焊接生產(chǎn)效率方面的顯著效果，活性化焊接技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。
1.3 改變保護氣體成分提高焊接速度
    瑞典的AGA公司通過改變保護氣體成分來提高焊接速度，采用高速送絲、大干伸長和低氧化性氣體MISON8（該公司專利產(chǎn)品），焊速可達(dá)1~2 m/min。
    奧地利的Fronius公司代理的專利技術(shù)T.I.M.E焊接工藝，采用大干伸長來增加熔化焊絲的電阻熱，采用O2、CO2、He、Ar四元保護氣體，在連續(xù)大電流區(qū)間獲得了穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)射流過渡形式，使其焊絲熔敷率較傳統(tǒng)MAG焊工藝提高2~3倍，達(dá)到430 g/min。
1.4 小結(jié)
    焊接過程中為形成熔池并保持熔池的穩(wěn)定性，需要電弧提供足夠的瞬時功率和熱輸入。這一瞬時功率值應(yīng)該保持在一個范圍，過低則無法形成連續(xù)焊道，過高則會造成駝峰、咬邊等缺陷。傳統(tǒng)的單絲電弧焊很難通過加大電流的方式來提高焊速，要實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量的高速高效化焊接，必須在增加對母材和焊絲的總能量輸入的同時，合理配置用于形成熔池和熔化焊絲的瞬時功率，即應(yīng)該在保持足夠的對熔池的瞬時輸入功率的前提下，盡可能多的增加用于熔化焊絲的瞬時功率，以提高熔敷效率。
    上面所述的多絲多弧焊接工藝，實質(zhì)是改變了焊接過程中的瞬時功率分配。多元氣體提高焊接速度的工藝，也是在保證良好的焊縫保護的前提下，增加焊絲熔焊率來實現(xiàn)的�；钚曰�焊接技術(shù)是通過改變表面張力分布來影響熔池金屬的流動方式、改變電弧氣氛來影響電弧形態(tài)，從而以增加焊縫熔深、改善焊縫成形的途徑來提高焊接效率。
2 焊接電源控制數(shù)字化
2.1 CO2焊接電源控制
    早期的CO2短路過渡焊接電源采用一般采用恒壓外特性。為實現(xiàn)其一元化控制，首先要通過大量的焊接工藝試驗，以獲得最高的短路過渡頻率為目標(biāo)確定電弧電壓與焊接電流之間的線性匹配關(guān)系。使用中，采用單個旋鈕在調(diào)節(jié)焊接電流的同時按照匹配關(guān)系確定電弧電壓，從而降低飛濺，保證焊縫成形良好。
    但是影響CO2短路過渡過程的因素很多，以焊接電流和電弧電壓的最優(yōu)匹配關(guān)系為基礎(chǔ)的一元化調(diào)節(jié)很難克服短路過渡過程的隨機性及干伸長、電網(wǎng)電壓波動等因素的影響，為此研究了一種基于單片機的電弧電壓自尋優(yōu)模糊控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以操作者所選擇的焊接電流為唯一的設(shè)定參數(shù)，自動對電弧電壓進行以實現(xiàn)最高短路過渡頻率為目標(biāo)的自尋優(yōu)，使得此類焊機實現(xiàn)了以真正的單旋鈕調(diào)節(jié)為特征的一元化控制。
    20世紀(jì)80年代以來人們逐漸認(rèn)識到CO2短路過渡中的短路電流和瞬時短路是造成飛濺的兩個主要因素，通過對短路過渡過程各階段電流波形的快速而精確的控制可以有效地降低飛濺、改善焊縫成形。具體的控制思想為：在燃弧末期和短路初期減小電流以減少瞬時短路，在短路末期將其電流降低以減少短路液橋爆斷引起的飛濺，燃弧初期減小電流以減少引弧沖擊引起的飛濺，燃弧中期施加電流脈沖以增加熔深、改善焊縫成形。基于上述思想，分別從外特性控制、波形參數(shù)優(yōu)化控制、表面張力過渡控制技術(shù)等方面開展了相應(yīng)的研究工作，獲得了良好的工藝效果。
    在波形控制的基礎(chǔ)上，研究了一種智能化的CO2焊接電源自尋優(yōu)控制器，其基本功能是：以電流為唯一的設(shè)定參數(shù)，通過在線檢測、計算短路過渡特征參數(shù)以及一元化自適應(yīng)微調(diào)，使特征參數(shù)和焊接規(guī)范調(diào)整到合適的范圍內(nèi)，使焊接電源處于和諧穩(wěn)定、綜合性能較好的工作狀態(tài)，同時對短路過渡初期和末期的電流波形及燃弧初始階段的電流波形進行控制，以進一步的減少飛濺、改善焊接電源性能。
2.2 脈沖MIG焊接電源控制
    脈沖MIG焊接電源輸出的電流波形，它包括基值電流、峰值電流、基值電流時間、峰值電流時間、峰值電流上升斜率、峰值電流下降斜率等參數(shù)，因而參數(shù)設(shè)置與匹配比較復(fù)雜。Amin等最早提出了Synergic控制法，根據(jù)送絲速度的變化自動匹配電流脈沖參數(shù)，從而使熔化速度和送絲速度相適應(yīng)，其不足之處在于系統(tǒng)對弧長擾動無能為力。為此，QH-ARC 103控制法采用多折線外特性，成功實現(xiàn)了弧長的閉環(huán)控制。由于上述兩種方法并沒有實現(xiàn)對熔滴過渡的精確控制，一個脈沖周期內(nèi)可能過渡一個熔滴，也可能過渡多個熔滴，無法保證熔滴過渡的均勻一致性。于是，出現(xiàn)了在保持單元電流脈沖能量恒定的前提下，對弧壓和送絲速度均進行反饋控制的綜合控制法，從而實現(xiàn)了一脈一滴控制。更進一步，還通過調(diào)節(jié)峰值電流和基值電流的時間來克服干伸長對熔化速度和熔滴體積的影響，在保證一脈一滴過渡的同時還保證每個熔滴的體積基本不變，從而使得熔滴過渡過程更加均勻、穩(wěn)定。
2.3 數(shù)字化焊接電源
    1994年公司的Lahnsteiner. Robert指出現(xiàn)代GMAW焊接電源應(yīng)滿足多方面的不同需求，如：適合于短路過渡焊接、脈沖焊接、射流過渡焊接和高熔敷率焊接等焊接工藝的合理的焊接電源外特性可以通過原邊工作于開關(guān)狀態(tài)的逆變電源實現(xiàn)；大量的焊接規(guī)范參數(shù)的設(shè)計必須實現(xiàn)Synergic控制（一元化控制）以使焊接電源便于操作；為滿足新的質(zhì)量控制要求，焊接電源必須實時記錄焊接規(guī)范參數(shù)、識別偏差量等。
    基于上述思想，伴隨著新型的功能強大的數(shù)字信息處理器DSP的出現(xiàn)，F(xiàn)ronius公司推出了全數(shù)字化焊接電源，隨后Panosonic等公司也推出了各自的數(shù)字化焊接電源產(chǎn)品，并相繼進入中國市場。數(shù)字化焊接電源實現(xiàn)了柔性化控制和多功能集成，具有控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好、產(chǎn)品一致性好、功能升級方便等優(yōu)點。如Fronius公司的Transplus synergic 2700/4000/5000>系列產(chǎn)品在一臺焊接上實現(xiàn)了MIG/MAG、TIG和手工電弧焊等多種焊接方法，可存儲近80個焊接程序，實時顯示焊接規(guī)范參數(shù)，通過單旋鈕給定焊接規(guī)范參數(shù)和電流波形參數(shù)，可以實現(xiàn)熔滴過渡和弧長變化的精確控制。同時，此類焊接電源還可以通過網(wǎng)絡(luò)進行工藝管理和控制軟件升級。
    就控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，數(shù)字化焊接電源的控制部分由單片機和DSP共同構(gòu)成。單片機負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體管理及給定參數(shù)的輸出，而逆變器的PWM信號產(chǎn)生和電流、電壓的PI控制則由DSP完成。與傳統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成的PWM信號發(fā)生器和PI控制器相比，基于軟件方式實現(xiàn)的控制器具有更大的靈活性。 
2.4 小結(jié)
    焊接電源的發(fā)展與電力電子技術(shù)、信號處理技術(shù)及計算機控制技術(shù)的發(fā)展密不可分。從硬件電路角度看，數(shù)字化電源借助DSP技術(shù)實現(xiàn)了PID控制器和PWM信號發(fā)生電路的數(shù)字化。隨著實現(xiàn)了模擬電路和數(shù)字電路有機結(jié)合的混模電路的出現(xiàn)，預(yù)計不久的將來分立式的模擬電路將逐步為高度集成的數(shù)字化混模電路所取代。而焊接電源和功率模塊的設(shè)計制造也可根據(jù)需要以數(shù)字化的方式完成。焊接電源的能量控制由電流、電壓、時間的協(xié)同方式來完成，具體表現(xiàn)為輸出波形的數(shù)字化。另一個重要的發(fā)展方向是焊接制造數(shù)字化，即用噴墨打印機的方式，根據(jù)用戶需求以細(xì)小熔滴的方式直接堆積為三維零件。
3 焊接質(zhì)量控制智能化
3.1 焊縫自動跟蹤
    在焊縫自動跟蹤方面，傳感器提供著系統(tǒng)賴以進行處理和控制所必須的有關(guān)焊縫的信息，電弧傳感具有其它方法所不可比擬的技術(shù)優(yōu)、成本低的特點。電弧傳感器的基本原理是從弧長變化所引起的電弧參數(shù)的變化中獲取電弧掃描時焊矩高度的變化，并根據(jù)焊矩與焊縫的幾何關(guān)系導(dǎo)出焊矩與焊縫的相對位置等被傳感量。開發(fā)的旋轉(zhuǎn)電弧傳感器采用特制的空心電動機旋轉(zhuǎn)掃描焊矩小巧靈活，調(diào)節(jié)方便，機械振動小，焊矩可達(dá)性好，具有較強的適用性和較高性價比。該傳感器已成功地檢測焊縫焊矩橫向與高低方向偏差及焊縫坡口表面輪廓線。
    一種基于結(jié)構(gòu)光的視覺傳感系統(tǒng)被開發(fā)。激光器產(chǎn)生的線結(jié)構(gòu)光投射到工件表面，經(jīng)反射后由線陣CCD接收。焊縫坡口附近的特征點A-B-C-D-E在線陣CCD上的對應(yīng)成像為a-b-c-d-e點。經(jīng)過計算可以描述出焊縫坡口的截面形式和具體尺寸。目前此類系統(tǒng)已在焊縫跟蹤、坡口形狀與接頭形式檢測、多道焊排道等方面得到應(yīng)用。
    采用CCD攝像機實時獲取焊接區(qū)域的視覺圖像，通過計算機對視覺圖像進行分析和處理，同時從視覺圖像信號中提取出焊縫偏差和弧長信息，從而建立了一種精密脈沖TIG焊焊接系統(tǒng)。通過選用合適波長的濾光片和合理的攝像機拍攝時刻，系統(tǒng)可以獲得清晰的焊縫視覺圖像。視覺圖像中同時反映了熔池、焊道、電弧及鎢極的成像等焊接信息。經(jīng)過圖像處理后，對三者的空間相對位置進行解耦運算，可以分別得到熔池中心（弧斑）與焊縫中心的偏差及弧長信息。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于由厚度為0.33mm的3mm×4mm矩形管螺旋盤繞而成的液體火箭發(fā)動機尾噴管縮比件的精密焊接，取得了較好的工藝效果。
3.2 熔滴過渡控制
    GMAW焊接時在熔滴的電弧根部形成能夠發(fā)射弧光的金屬蒸汽源，當(dāng)縮頸破裂之后，覆蓋整個熔滴根部的弧光立即熄滅，跳到焊絲的新頂端，這大大減小了電弧發(fā)射光通量。熔滴過渡后，弧光通量增加。基于這一現(xiàn)象，檢測脈沖GMAW焊接過程中電弧光通量的改變，來檢測熔滴過渡，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)了“一脈一滴”控制。
    ZhangY.M.研究了MIG焊熔滴受激過渡的控制方法。通過峰值電流向基值電流的快速切換來激勵熔滴的分離，隨即監(jiān)測熔滴的運動，在檢測到熔滴下端具有快速與熔池接近的趨勢時，迅速將焊接電流由基值切換至峰值，使熔滴在下向動量及強電磁收縮力的作用下脫離焊絲端部，由于利用了熔滴向下運動的動量，因而無需傳統(tǒng)脈沖MIG焊接方法中迫使熔滴脫離焊絲的大電流，避免了焊接過程中熔滴隨機過渡現(xiàn)象的出現(xiàn)。
    短路CO2焊接熔滴形狀及尺寸是影響焊接工藝性能和焊縫質(zhì)量的重要因素。為了分析影響熔滴尺寸的因素和規(guī)律，了解熔滴控制效果，建立了以He-Ne激光器為背光照明的熔滴高速攝像研究系統(tǒng)。高速攝像機以每秒955幀的速度，每次連續(xù)拍攝8000幀熔滴圖像。通過對熔滴尺寸與電弧信號相關(guān)參數(shù)的動態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)短路前熔滴體積及燃弧能量的隨機性分布是造成熔滴尺寸不均勻分布的重要原因，而熔滴尺寸與其對應(yīng)的再燃弧電壓有著良好的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，確定了將再燃弧能量作為逐個熔滴尺寸控制的反饋量，通過控制燃弧能量，來實現(xiàn)熔滴尺寸閉環(huán)控制的方案，取得了較好的控制效果。
3.3 焊縫成形控制
    山東大學(xué)建立了基于CCD攝像機的脈沖TIG焊接熔池幾何參數(shù)計算機視覺信息檢測系統(tǒng)，從試件正面采集到比較清晰的熔池區(qū)圖像信號，從而檢測出熔池的熔寬、熔池半長、熔池后部面積、熔池后拖角等幾何參數(shù)。
    R.Kovacevic等開發(fā)了一個基于視覺傳感與控制的TIG全熔透焊焊縫熔合狀態(tài)閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CCD攝像機從焊縫正面獲取熔池圖像，借助圖像信號處理算法和模糊神經(jīng)模型測量、預(yù)測正面及背面熔寬信息，從而控制焊縫熔合狀態(tài)。
    英國的J.S.Smith和J.Lucas等采用計算機視覺傳感技術(shù)在脈沖TIG焊的焊道面積跟蹤、焊道輪廓檢測、多道焊排道、窄間隙焊等方面開展了大量的研究工作。1991年開發(fā)成功正面焊道面積控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CCD攝像機在電弧電流的在基值的3 ms的間隔期間獲取焊道視覺圖像，經(jīng)計算機處理得出實際焊道面積與目標(biāo)焊道面積達(dá)偏差信息，通過調(diào)節(jié)脈沖電流時間來控制正面焊道面積。
    通過周期性的減少MIG焊的焊接電流，在小電流期間攝取熔池圖像，排除了弧光干擾，獲得了清晰的熔池圖像。從圖像中可以直接提取熔池寬度，實時的調(diào)節(jié)焊接電流，從而控制焊接熔深。
    與TIG、MIG焊的視覺圖像檢測相比，CO2焊熔池信息的視覺檢測相對困難一些，必須解決攝像機的固定工作時序與短路發(fā)生的隨機性之間的矛盾，避開電弧閃爍和飛濺、煙塵的干擾問題。在熔滴短路階段弧光及飛濺的干擾較小，是獲取熔池圖像的最佳時期，為此研制了CO2焊短路熔池視覺圖像傳感系統(tǒng)，并設(shè)了專門的攝像機開始及結(jié)束時刻的同步邏輯控制電路。經(jīng)過圖像處理可以提取出熔池面積、熔池長度、熔池寬度及熔池輪廓曲線等焊接過程信息，建立了熔池幾何參數(shù)與焊接規(guī)范參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，為實現(xiàn)CO2焊視覺傳感與質(zhì)量控制奠定了基礎(chǔ)。
3.4 小結(jié)
    通過上面的例子可以發(fā)現(xiàn)，視覺傳感以其靈敏度和測量精度高、動態(tài)響應(yīng)特性好、信息豐富、抗電場和強磁場干擾能力強、與工件無接觸等優(yōu)點，逐步取代傳統(tǒng)的電弧式、機械式等傳感方式，在焊接質(zhì)量控制中發(fā)揮越來越重要的作用。事實上，熟練的焊工在焊接過程中也主要通過視覺信息來完成相關(guān)的焊接操作與控制。因而，借助于視覺圖像和人工智能處理技術(shù)的焊接過程的自動控制或智能控制是未來發(fā)展的必然趨勢。與此同時降低視覺系統(tǒng)的成本、提高大容量視覺信息的處理速度、實現(xiàn)多信息融合與高精度的算法是急需解決的技術(shù)關(guān)鍵。
4．焊接生產(chǎn)機器人化
    目前應(yīng)用廣泛的焊接機器人大多屬于示教再現(xiàn)型機器人，操作者通過示教盒在直角坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系中移動機器人各關(guān)節(jié)，使焊矩沿焊接軌跡運動，在焊矩路徑上記錄示教的位置、焊矩姿態(tài)、運動參數(shù)和工藝參數(shù)，并生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的示教程序。此類機器人不適合在太空、深海、放射性環(huán)境等特殊環(huán)境下自主作業(yè)，不具備對工件裝配誤差、焊接過程中的熱變形等環(huán)境和對工作對象變化自適應(yīng)能力。新一代的具有視覺傳感功能的，能夠自動制訂運動軌跡、焊矩姿態(tài)和焊矩參數(shù)的智能機器人成為未來的發(fā)展方向。
    一套基于雙目立體視覺的機器人路徑規(guī)劃系統(tǒng)被開發(fā)，該系統(tǒng)將雙目攝像機安裝在機器人的末端執(zhí)行器上，使其能跟隨焊槍沿焊縫走向一起移動，采用自然光作為視覺系統(tǒng)的光源。經(jīng)典的計算機三維視覺重構(gòu)采用兩個圖像平面上特征點匹配法確定對象的三維坐標(biāo)，對于焊縫來說，坡口邊緣內(nèi)外不存在明確的特征點，所以無法使用特征點匹配法。針對在局部圖像窗口中，焊縫可以近似為直線段的特點，作者設(shè)計了一種簡化的特征匹配算法來計算焊縫三維坐標(biāo)，并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高了精度和速度。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對直線和曲線焊縫的路徑規(guī)劃。
    焊縫空間位置的檢測與焊矩姿態(tài)的規(guī)劃是影響機器人全位置自動焊接質(zhì)量的重要因素。在研制開發(fā)成功的焊矩位置和焊矩姿態(tài)自動識別調(diào)整系統(tǒng)中，利用分形理論有效地排除了飛濺、銹斑等因素的干擾，結(jié)合數(shù)學(xué)物理模型，較經(jīng)典的邊緣檢測算法在速度和精度上都有了很大的提高，實現(xiàn)了對任意焊縫的三維空間描述。同時，借助于大量實驗得出不同焊矩姿態(tài)對應(yīng)的焊接規(guī)范數(shù)據(jù)庫，使得機器人在任意空間位置焊接時，保持最優(yōu)的焊矩姿態(tài)及焊矩規(guī)范參數(shù)，保證全位置焊接中焊縫成形的穩(wěn)定、美觀。
    對于諸如馬鞍型焊縫的復(fù)雜工件的機器人焊接，焊縫形狀、焊接位置和各示教點的過渡情況對焊接質(zhì)量有很大的影響，必須保證運動軌跡、焊槍姿態(tài)和各點焊接參數(shù)的合理匹配。傳統(tǒng)的在線示教編程和機器人語言編程技術(shù)以無法很好的滿足實際需要，因而離線編程技術(shù)的研究對弧焊機器人的推廣應(yīng)用具有更重要的意義。所謂的機器人離線編程就是通過建立機器人及其環(huán)境物的幾何模型，以機器人編程語言描述機器人任務(wù)，通過推理獲取機器人作業(yè)所需的各種參數(shù)，然后對編程的結(jié)果進行三維圖形動畫仿真，離線調(diào)試機器人程序的正確性，最后生成機器人控制所需的各種實際控制參數(shù)。文獻(xiàn)針對弧焊機器人，在CAD和MARC-WORLD的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，對工件特征提取及幾何建模、空間焊縫姿態(tài)規(guī)劃、焊接參數(shù)規(guī)劃、機器人程序自動生產(chǎn)、機器人圖形仿真和通訊進行了初步研究。設(shè)計的弧焊機器人離線編程系統(tǒng)，采用視覺方法進行實時焊縫跟蹤，既保證了離線編程結(jié)果的可用性，同時可用多邊形逼近的方法來簡化工件的模型，從而降低了對工件坡口和裝配精度的要求，改善了弧焊機器人的易用性和實用性。建立了一種由建模器、任務(wù)編輯器、任務(wù)規(guī)劃器和機器人運動仿真等基本模塊組成的弧焊機器人任務(wù)級離線編程系統(tǒng)，提高了離線編程的工作效率。建立了一個具有特征建模和無碰撞路徑規(guī)劃功能的機器人弧焊CAD/CAM系統(tǒng)，可以實現(xiàn)幾何造型、焊接參數(shù)規(guī)劃、焊接路徑規(guī)劃、圖形仿真、約束檢查、程序編輯和傳感修正等功能，顯著的提高了編程效率和編程質(zhì)量。
    以Deneb、Rotisy 等商業(yè)化的機器人仿真軟件為基礎(chǔ)，通過對機器人工作單元、工件、工裝夾具、車間環(huán)境的三維建模，可以很方便的進行虛擬環(huán)境下的焊接機器人運動學(xué)、動力學(xué)、運動軌跡、路徑規(guī)劃、焊槍姿態(tài)、環(huán)境約束等問題的仿真研究，有效地提高了以焊接機器人為核心的生產(chǎn)線的規(guī)劃、設(shè)計和試驗的效率。清華大學(xué)為用戶建立的“轎車車身機器人裝焊生產(chǎn)線”、“高速、輕軌列車鋼結(jié)構(gòu)機器人裝焊生產(chǎn)線”及“球底焊接機器人系統(tǒng)”三維實體模型。
    當(dāng)前焊接機器人的應(yīng)用多局限于結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，而在一些非結(jié)構(gòu)化環(huán)境如大型球罐制造、長輸油管道焊接及水電站水輪機葉片修復(fù)等野外作業(yè)中，傳統(tǒng)的固定式機器人已無法滿足要求，開發(fā)適合于特殊非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境的特種機器人成為機器人工業(yè)應(yīng)用研究的重要發(fā)展方向。清華大學(xué)和北京石油化工學(xué)院合作研制成功一種新型智能全位置球罐焊接機器人。該機器人主要由磁吸式全位置行走機構(gòu)、CCD光電軌跡跟蹤系統(tǒng)與接觸式高度跟蹤系統(tǒng)、焊槍擺動機構(gòu)、微機智能控制系統(tǒng)等組成。機器人自重20kg，載重50~70kg；有四個自由度，可以在球罐表面的各種空間位置完成前進、后退、拐彎等運行方式；視覺系統(tǒng)檢測精度可達(dá)±0.5mm；機器人焊縫跟蹤精度可達(dá)±0.5mm，運行速度為0.5~5m/min。清華大學(xué)與中石油管道局合作開發(fā)的長輸管線環(huán)縫全位置自動焊接機器人，該機器人通過定位軌道沿環(huán)縫運動，除完成一般的焊接作業(yè)外，還具有焊接規(guī)劃參數(shù)及其相關(guān)控制參數(shù)的離線編程和焊接過程監(jiān)測等功能。
    與普通的搬運、點焊、裝配等定點操作的機器人相比，弧焊機器人對末端執(zhí)行器（焊槍）的運動軌跡要求有嚴(yán)格的精度，空間位置焊接時的焊槍姿態(tài)及焊接規(guī)范在整個軌跡上都需要連續(xù)調(diào)整。為此，焊接機器人應(yīng)該有配套的視覺系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等控制單元，來克服因裝配、變形等因素引起的位置和精度誤差，以實現(xiàn)真正的高質(zhì)量的自動化焊接生產(chǎn)。在焊接自動化的發(fā)展過程中，還應(yīng)該清醒地認(rèn)識到：實現(xiàn)焊接機器人化的前提條件是下料、工裝等配套工序的作業(yè)精度必須嚴(yán)格控制在允許的范圍內(nèi)，至少目前機器人作業(yè)還難以達(dá)到或超過高級焊工的水平，各種研究和開發(fā)工作的開展正是為了努力實現(xiàn)這一目標(biāo)。
5 結(jié)束語
    社會的進步對制造加工技術(shù)不斷提出新的要求，計算機視覺、人工智能、機器人等新興學(xué)科的飛速發(fā)展為傳統(tǒng)制造業(yè)的技術(shù)進步提供了很好的基礎(chǔ)。隨著與現(xiàn)代高科技相互交叉滲透，生產(chǎn)過程自動化中的主要發(fā)展趨勢體現(xiàn)在高效化、智能化、數(shù)字化和機器人化等方面，弧焊工藝及設(shè)備也不例外。本文綜述的內(nèi)容只是其中很少一部分，希望能夠起到促進交流，共同提高的作用。