宾浩宇 袁南翔 范连凯 李泽国 王志才
中国航发南方航空工业有限公司 湖南株洲 412000
摘要: 在现代智能制造业中，焊接是一项重要的技术。随着现代焊接技术的发展，在焊后再进行质量检测等传统的方法已不再适应现代制造工业的需要，实时地智能监测控制焊接质量变得越来越重要。同时，在智能监测控制焊接过程中，通过实时人机交互，可以清楚地观察到实时焊接状态。文中分析归纳了目前工业机器人中的关键焊接技术。
关键词：工业机器人；焊接；关键技术；分析及应用
引言
机器人作为智能制造的前沿装备，应用日趋广泛。国内机器人的应用从之初的数万台在短短几年内突涨到20万台，且还会继续有大增的空间，增长速度之快令人瞠目。工业机器作为近代工业前沿的先行者，在传统焊接制造基础上的改型应用已经深入工业领域的方方面面，成为现代制造技术无可替代的重要角色。
1.工业机器人焊接技术的现状
随着自动化的不断发展，工业机器人在全球工业市场的占有率也逐年递增。现已成为焊接自动化的主要设备。随着工业机器人的工作环境越来越恶劣，对机器人在极端条件下完成更复杂的工作任务时的稳定工作性能要求不断提高，直接推动各领域对机器人展开深入研究的相关工作。焊接技术是现代工业机器人发展最重要的方向之一，美、日、德等发达国家早已把机器人焊接技术的创新和发展作为工业智能制造的核心战略[1]。传统的教学和回馈工作模式早已不能满足精密的焊接工件在强弧光、高温等恶劣条件下对于焊接的实时性、高精度等严苛要求，因此开展深入研究自动焊缝跟踪技术，已成为工业机器人智能化发展的关键一步。由于技术的不断迭代发展，对焊件进行一些质量评定或在焊接过程中增加监测装置等传统提高焊接质量的方法早已不再适用，通过利用敏感度高的先进传感器等工具，实现辅助工业机器人追踪焊缝，实时获取焊缝信息，完成高难度焊接动作，实现高精度焊接。例如结合了激光视觉和相关目标追踪算法等优点的激光视觉焊缝跟踪技术，相较于传统方法更加灵活方便。它具有捕捉焊接信息、抗外部干扰能力强等优点。因此，未来将会有越来越多的工业机器人通过采用先进焊缝跟踪技术实现焊接质量和精度的飞跃式提升。
2.机器人焊接的关键技术
2.1激光视觉系统的应用
由于传统模式下，工件在焊接过程中发生热变形以及夹紧误差等诸多问题，已经不能满足现代焊接高精度的要求。因此，拥有视觉激光系统的工业机器人随之诞生。基于机器视觉的激光焊接系统包含激光传感器、摄像机、工业计算机等。相较于传统焊接系统，视觉激光焊接系统增加了图像检测模块，通过该模块可以对在焊接过程中获取的焊缝图像进行检测工作，与工业机器人构成伺服控制系统，从而控制工业机器人对工件进行精准焊接。配有视觉激光系统的工业机器人将机器视觉与激光视觉相结合，拥有丰富的信息获取能力和抗干扰能力等优点，可以提取实时的焊接特征点，并根据已提取的特征点的坐标值来引导工业机器人沿着相应的轨迹移动[2]。
2.2焊缝跟踪技术
工业机器人在焊接时，为保证焊缝轨迹的准确性，需要进行焊接缝隙实时跟踪，机器人焊接时要能够及时改变调整机器人焊接姿态情形，向着缩小焊接热变形、减小轨迹偏差的方向补偿，这样能够确保焊接质量，该技术目前已经普遍用于机器人焊接的生产环节。（1）被动式为主的视觉传感器，能够及时提取焊接缝隙边缘区域和金液熔池区域的图像信息，从而使机器人焊接过程中的轨迹能够随着关节移动而纠偏。（2）主动式视觉传感器处理后的激光条纹图像，机器人焊接视觉传感器所采集的图像信息都是关于焊缝特征的变化情况，通过观测和分析可以得到焊接空间坐标的焊缝轨迹路径。
2.3熔池监控技术
在机器人焊接时所产生熔池的形态，能够反映出机器人焊接过程中重要信息数据，这些重要参数是机器人焊接质量得以保证的前提。对机器人焊接过程所形成的熔池形态进行监控，从而为机器人焊接提供重要的技术参数。结合之前的分析，我们对焊接缝隙形成情况、金液熔池的熔宽、金液熔池深度等特征，在监控装置监视下，注意到机器人焊接过程中的金液熔池动态波动情况，依次对焊接机器人焊接姿态进行调整，从而大大减少了机器人焊接过程的缺陷，促进了机器人焊接质量的提高。本文以被动式视觉传感系统作为研究对象，详实地采集焊接缝隙边缘区域和金液熔池区域图像信息，在机器人焊接金液熔池状态监控检测方面优势明显。
2.4传感技术
（1）以电弧焊接过程的声音作为参照进行传感，此类型传感器传感正是利用了焊接过程中电弧电流电压大小的变化情况，从而感知到熔池瞬时状态的变化情况及焊接质量随之变化情况，此方法可用于监控焊接过程中电弧的波动情况、较准确预测和判断高温熔滴形成的类型。机器人焊接时，通过前沿传感系统，连续采集机器人焊接的过程电流和过程电压，实时监控机器人焊质量及焊缝变化情况，因此该传感系统主要应用于机器人焊接熔透情况的预测、机器人焊接过程中缺陷形成原因分析等，寻找机器人电弧电流电压与焊接弧长的规律，从而进行有效的机器人焊接焊缝跟踪感知。（2）以温度变化作为参照，传感焊接过程中温度分布情况，可以获得高温金液熔池变化数据，不会轻易受弧光影响，对熔透状态进行预测，使焊接质量有较大的提升。电弧光谱特点是信息比较丰富、与电弧不接触，该方法是对焊缝缺陷进行分析的佳选择。（3）在几个主要焊接传感系统中，以视觉为物理量的传感系统，在检测焊接状态过程中，始终没有和检测对象接触，采用的非接触传感，检测的信息量大、检测的精度较高，并且能够快速做出响应，常常被用于焊接过程的导入和导出、焊接缝隙的随机跟踪、机器人焊接过程的实时监控[3]。以视觉为物理量的传感器，按照辅助光源的有无，分为主动式为主的视觉传感器和被动式为主的视觉传感器。常常把被动式视觉传感系统应用在对焊接环境的识别、熔池状况的监控。而主动式视觉传感器一般用在机器人焊接过程中位置确认和焊接缝隙的跟踪和控制。
3.工业机器人焊接技术实际应用
3.1工业机器人焊接技术在汽车制造业的应用
汽车是一个高精度、高强度、高安全性的动态设备，焊接作业占到制造工作量的三分之一，焊接效率的提高、焊接质量的优化是汽车制造业的不老话题，机器人焊接技术在汽车行业的渗透，大大加速了制造周期的前移，在保证制造质量的前提下，生产成本明显降低，赢得了更多市场。尤其采用机器人施焊的铆焊、氩弧焊、激光埋弧焊等已广泛得以应用并且取得了较明显的经济效益。
3.2工业机器人焊接技术在船舶制造业的应用
典型的劳动密集型产业如船舶制造业，目前自动化焊接程度还是较低，焊接的工作主要还是依赖人工实施，焊接的工作环境差，有烟尘气毒等的污染，焊接质量主要依赖人工技能熟练程度，劳动强度大，迫切需要机器人焊接替代人工焊接。
4.结束语
综上所述，工业机器人在全球多个国家得到普及。在今后的工业机器人焊接作业中，有望传感技术、传感跟踪技术、实时性和鲁棒性技术能够充分融入到智能焊接过程，通过技术更新和软件技术开发使得机器人焊接质量更稳定、生产率更高、制作成本降低，成为支撑焊接工业的先行技术。
参考文献
[1]邹焱飚，周卫林，王研博．基于概率连续模型的激光视觉焊缝自动跟踪［J］．机械工程学报，2017，53(10) : 70－78．
[2]谭民，王硕．机器人技术研究进展［J］．自动化学报，2013，39( 7) : 963－972．
[3]李晓延，武传松，李午申．中国焊接制造领域学科发展研究［J］．机械工程学报，2012，48( 6) : 19－31．