焊接智能化技術(shù)現狀與發(fā)展
- 2018-04-18 10:33:00
- 陳善本 吳林 轉貼
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1、焊接智能化技術(shù)的學(xué)科范疇
本文關(guān)于焊接智能化技術(shù)的提法含義如下：利用機器模擬和實(shí)現人的智能行為實(shí)施焊接工藝制造的技術(shù)。 就實(shí)現技術(shù)而言，焊接智能化技術(shù)包括采用智能化途徑進(jìn)行焊接工藝知識、焊接設備、傳感與檢測、信息處理、過(guò)程建模、過(guò)程控制器、機器人機構、復雜系統集成設計的實(shí)施，可見(jiàn)焊接智能化技術(shù)是綜合的系統集成技術(shù)。
2、焊接過(guò)程的傳感技術(shù)
要實(shí)現焊接自動(dòng)化、機器人化及智能化，傳感技術(shù)是關(guān)鍵環(huán)節之一。焊接過(guò)程的傳感，是實(shí)現焊接過(guò)程質(zhì)量控制的。焊接傳感器按其使用目的可分為測量和檢測操作環(huán)境、檢測和監控焊接過(guò)程兩大類(lèi)。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。
2.1 焊接區直接視覺(jué)信息傳感
直接視覺(jué)傳感在焊接中的應用包括離線(xiàn)確定被焊工件的位置；在線(xiàn)補償由于固定精度、機器人各部分的容差、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)渡形式的監測等。
(1) 利用輔助光源的主動(dòng)式視覺(jué)檢測方法。
(2) 無(wú)輔助光源的被動(dòng)式直接視覺(jué)傳感。
2.2 脈沖GTAW焊熔池正反面視覺(jué)圖象同時(shí)同幅傳感系統
對熔池正反兩面視覺(jué)圖象進(jìn)行同時(shí)同幅傳感，經(jīng)過(guò)圖象處理提取出熔池正反兩面的特征信息。實(shí)現對焊縫的熔透狀態(tài)和反面焊道穩定成形質(zhì)量控制的目的。
(1) 堆焊熔池正反面同時(shí)同幅成像。
(2) 填絲脈沖GTAW熔池圖象:焊接過(guò)程中填充焊絲熔池表面凸出和下塌，部分熔透和全熔透狀態(tài)下的圖象。
(3) 由熔池圖象恢復熔池表面高度。
在填絲脈沖GTAW過(guò)程中，為實(shí)現熔池形狀動(dòng)態(tài)控制，如熔池反面寬度和正面高度的控制，需要提取出熔池正面高度參數。根據獲得的焊接熔池圖象，通常只能獲得關(guān)于熔池的二維形狀信息。由單目圖象恢復物體表面高度算法-由陰影恢復形狀算法獲取熔池表面高度的方法是最新研究方向。
3、焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的建模
本文以脈沖GTAW熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程為例探討焊接過(guò)程的建模問(wèn)題。
(1) 脈沖GTAW熔池幾何特征尺寸參數的提取。
(2) 脈沖GTAW熔池正面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)模型。
(3) 脈沖GTAW熔池反面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)模型。
4、焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的智能控制技術(shù)
4.1 模糊推理與控制在焊接過(guò)程中的應用
(1) 脈沖GTAW對接過(guò)程模糊控制規則的提取。
(2) 脈沖GTAW平板堆焊模糊邏輯控制系統與實(shí)驗。
4.2 脈沖GTAW 平板堆焊神經(jīng)元自學(xué)習PSD控制
(1) 脈沖GTAW單神經(jīng)元自學(xué)習PSD控制系統。
(2) 脈沖GTAW平板堆焊神經(jīng)元自學(xué)習PSD控制實(shí)驗(略) 。
4.3 脈沖GTAW對接過(guò)程單變量自學(xué)習模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制
(1) 脈沖GTAW對接過(guò)程自學(xué)習模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制器(FNNC) 。
(2) 脈沖GTAW對接FNNC閉環(huán)控制實(shí)驗(略) 。
4.4 脈沖GTAW對接過(guò)程雙變量智能控制
(1) 脈沖GTAW對接過(guò)程雙變量智能控制器設計。
在單變量模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制器的基礎上，加入一個(gè)成形閉環(huán)反饋專(zhuān)家控制系統，用來(lái)調節焊接速度，組成了脈沖GTAW對接過(guò)程模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和專(zhuān)家系統相結合的雙變量智能控制系統。實(shí)現焊縫成形的閉環(huán)智能控制。
(2) 脈沖GTAW對接過(guò)程雙變量智能控制實(shí)驗。
圓弧形試件脈沖GTAW雙變量智能控制實(shí)驗結果表明熔池形狀和大小均得到很好的控制，與單變量控制系統相比焊縫成形質(zhì)量明顯提高。
5、焊接工藝專(zhuān)家系統與質(zhì)量檢測的智能化手段
5.1 專(zhuān)家系統及其在焊接中的應用狀況
焊接領(lǐng)域ES的開(kāi)發(fā)研究始于80年代中期，美、英、日等國都開(kāi)展了這方面的研究工作。國外開(kāi)發(fā)的焊接ES主要涉及工藝設計或工藝選擇(包括單因素的焊接材料選擇或焊接方法選擇) ，焊接缺陷或設備故障診斷，焊接成本估算，實(shí)時(shí)監控，焊接CAD(疲勞設計，符號繪制) ，焊工考試等，幾乎包括了焊接生產(chǎn)的所有主要階段及主要方面。英、美已有很多商品化的ES。目前就總體水平來(lái)看，世界各國焊接領(lǐng)域中，專(zhuān)家系統的應用已開(kāi)始從研究階段和試用階段向商品化階段邁進(jìn)。
國內焊接ES研究始于1988年，最早見(jiàn)于報道的是南昌航空工業(yè)學(xué)院的焊接方法選擇ES。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、甘肅工業(yè)大學(xué)、天津焊接研究所等單位都先后進(jìn)行了焊接ES的開(kāi)發(fā)。在焊接專(zhuān)家系統方面研究已逐步走向成熟，部分系統已經(jīng)商品化。
5.2 質(zhì)量檢測與分析的智能系統
(1) 人工智能的點(diǎn)焊質(zhì)量多參量綜合監測系統(略) 。
(2) 基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )的智能化超聲缺陷模式識別與診斷系統(略) 。
6、機器人焊接智能化技術(shù)與系統
(1) 機器人焊接智能化系統技術(shù)組成。
(2) 視覺(jué)焊縫跟蹤傳感系統(略) 。
(3) 機器人焊接智能化復雜系統控制與優(yōu)化技術(shù)。
(4) 焊接柔性加工單元/系統(WFMC/S) 及其優(yōu)化設計。
根據WFMC中各子系統作業(yè)的特點(diǎn)，我們將其分為兩級：工作站級和執行級。中央監控計算機屬于前者，其余子系統屬于后者。整個(gè)系統具有如下功能：弧焊機器人柔性加工單元各組成部分之間能實(shí)現信息的實(shí)時(shí)交互；中央控制計算機在不同子系統的計算機間形成通訊鏈路，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )信息的管理與監控。
研究弧焊機器人柔性制造系統的集成建模技術(shù)，基于離散事件的焊接柔性制造系統(單元) 應用設計，建立相應的Petri網(wǎng)模型，在此基礎上研究系統的調度和優(yōu)化管理技術(shù)，是實(shí)現焊接過(guò)程柔性化和敏捷化的重要發(fā)展方向?；『笝C器人柔性加工系統由于在物料流及信息流上都具有離散的特性，使基于Petri網(wǎng)的建模與控制研究具有良好的前景。
應用Petri網(wǎng)理論設計WFMC集成系統有如下的特點(diǎn)：
(1) 以網(wǎng)形方式描述焊接柔性制造系統，使復雜系統形象化，利于理解；
(2) 可以分層建立Petri網(wǎng)圖，適用于描述WFMS的分布式遞階結構；
(3) 具有一套較嚴密的數學(xué)解析理論，可以十分方便地分析WFMS 的各個(gè)運行特征；
(4) 不僅可以描述WFMS的靜態(tài)，而且可以描述WFMS的動(dòng)態(tài)運行情況；
(5) 既描述了系統內部的數據信息流，又描述了系統內部的物流(如被焊工件的流動(dòng)狀況) ；
(6) 采用遷移發(fā)射的形式，可以描述焊接柔性制造系統內部的并發(fā)性、競爭性等性質(zhì)；
(7) Petri網(wǎng)模型可以較方便地與人工智能技術(shù)相結合，開(kāi)發(fā)相應的焊接柔性制造專(zhuān)家系統。
7、遙控焊接技術(shù)
(1) 主從遙控焊接系統。
(2) 基于共享控制和分布控制方法的遙控焊接系統。
遙控焊接系統以工業(yè)機器人作為操作器，以六維力、力矩傳感器和二維操縱桿為控制輸入設備，以個(gè)人計算機配合相應硬件作為控制主體。
在該系統上進(jìn)行了全自主控制、全手工控制、共享跟蹤、共享避障、共享調整焊槍姿態(tài)、共享調整焊接速度、分布式跟蹤控制、分布式避障控制等廣泛的研究，而且完成了實(shí)際焊接實(shí)驗。
8、21世紀焊接技術(shù)展望：可持續發(fā)展的智能化焊接制造技術(shù)
(1) 焊接柔性化與智能化的單元集成：焊接工藝與過(guò)程的智能化； 機器人焊接的智能化； 智能化的焊接機器人。
(2) 焊接智能制造的系統技術(shù)以智能焊接機器人為單元構成的多機協(xié)調的焊接柔性智能制造生產(chǎn)線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )系統、敏捷制造工廠(chǎng)。
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