焊接機器人焊縫跟蹤技術(shù)的發(fā)展狀況及趨勢

 焊縫跟蹤作為一門(mén)綜合性應用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，包括電子技術(shù)、計算機、焊接、結構、材料、流體、光學(xué)、電磁等學(xué)科，國內外眾多研究工作者投入到這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，從示教型焊接機器人到程序控制焊接系統，再到移動(dòng)式自動(dòng)焊縫跟蹤技術(shù)，焊接自動(dòng)化的每一次進(jìn)步都顯著(zhù)提高了生產(chǎn)效率。焊接技術(shù)的自動(dòng)化、柔性化與智能化是未來(lái)焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

1  焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展狀況

傳感器是焊縫自動(dòng)跟蹤系統的關(guān)鍵部分。其作用是檢測出焊縫的位置和形狀信息并轉化為電信號?？刂葡到y才能對信號進(jìn)行處理，并根據檢測結果控制自動(dòng)調節機構調整焊槍位置，從而實(shí)現焊縫自動(dòng)跟蹤。

弧焊用傳感器一般可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式三大類(lèi)。按工作原理可分為機械、機電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺(jué)、電弧、光譜及光纖式等。以下是幾種常見(jiàn)的焊縫跟蹤傳感器：

接觸式傳感器是zui早使用的傳感器，其特點(diǎn)為不受電弧干擾、工作可靠、成本低，曾在生產(chǎn)中得到廣泛應用，但由于跟蹤精度不高、磨損大、易變形，不適用于高速焊接，目前正在被其他傳感方法取代。

聲學(xué)傳感器尤其是超聲波傳感器結構簡(jiǎn)單、精度高、價(jià)格便宜。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生及接收裝置組成。超聲波傳感器的測量精度主要取決于超聲波的頻率，頻率越高，誤差越小，一般超聲波的頻率在1.25-2.5 MHz。超聲波傳感器不怕焊接中的電磁、光、煙塵干擾，但容易受到噪聲干擾，對噪聲比較敏感，如在CO₂氣體保護焊等焊接方法的應用中有一定的限制。

電弧傳感器的工作原理是在焊接過(guò)程中，當焊槍與工件之間的相對位置發(fā)生變化時(shí)，會(huì )引起電弧電壓和電流的變化，這些變化都可以作為特征信號被提取出來(lái)實(shí)現焊槍高低和左右兩個(gè)方向的跟蹤控制。

電弧傳感器以電弧本身為傳感器, 結構簡(jiǎn)單，方便靈活，不受弧光、磁場(chǎng)、飛濺、煙塵等干擾，具有響應快、精度高、抗干擾強等特點(diǎn)。但焊槍的擺動(dòng)或旋轉機構比較復雜，電弧各參數間耦合性很強，實(shí)際得到的波形未達到預期的效果，故需要對所得的數據進(jìn)行濾波，并根據大量的經(jīng)驗來(lái)確定控制量。對于無(wú)對稱(chēng)側壁或根本無(wú)側壁的接頭形式，現有的傳感器則不能識別。

光電傳感器精度高、再現性好，可以實(shí)現對坡口形狀、寬度和截面的檢測和焊縫跟蹤，為焊接參數的自適應控制提供依據。光電傳感器又可以分為基于分立光電元件的單點(diǎn)式光電傳感器和能夠獲得坡口圖像信息的視覺(jué)傳感器。

視覺(jué)傳感器采用的光電轉換器件zui簡(jiǎn)單的是單元感光器件，如光電二極管等；其次是一維的感光單元線(xiàn)陣, 如線(xiàn)陣CCD（電荷耦合器件）；應用zui多的是結構zui復雜的二維感光單元面陣，如線(xiàn)陣CCD是二維圖像的常規感光器件，代表著(zhù)目前傳感器發(fā)展的階段，因而應用日益廣泛。在焊接機器人各種視覺(jué)傳感器中，CCD傳感器因其性能可靠、體積小、價(jià)格低、圖像清晰直觀(guān)而受到了普遍重視。根據焊接機器人視覺(jué)焊接系統的工作方式不同，可將用于焊接機器人視覺(jué)焊縫跟蹤系統的視覺(jué)傳感器分為3種：結構光式、激光掃描式和直接拍攝電弧式。其中，結構光式和激光掃描式屬于主動(dòng)視覺(jué)方法，直接拍攝電弧式則屬于被動(dòng)視覺(jué)方法。

2  智能控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應用狀況

現代智能控制就是主要利用人的操作經(jīng)驗、知識和推理規則，同時(shí)利用控制系統所提供的某些信息得出相應的控制動(dòng)作，以達到預期控制目的的一種控制方法。在焊縫跟蹤系統中, 發(fā)展應用狀況如下：

2.1  模糊控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應用狀況

模糊控制是吸收了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，使用模糊數學(xué)中的隸屬函數、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具得出控制動(dòng)作。模糊控制zui突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需建立控制系統的數學(xué)模型，其控制決策表和控制規則是根據經(jīng)驗預先總結出來(lái)的。根據控制規則，誤差及誤差變換率的模糊子集產(chǎn)生控制決策表，通過(guò)決策表的直接查詢(xún)，可得到每一時(shí)刻應施于控制系統的控制動(dòng)作，從而達到實(shí)時(shí)控制的目的。在模糊控制中，需要建立模糊控制規則表，一般通過(guò)總結實(shí)際控制經(jīng)驗并經(jīng)過(guò)模糊推理得到。

早在1985年，保加利亞的D.Lakov 提出用模糊模型描述弧焊過(guò)程的不確定性，借助于配置的非接觸式激光傳感器，它能按示教內容對焊縫進(jìn)行跟蹤，實(shí)驗結果表明，采用模糊集概念可以進(jìn)行在線(xiàn)評估、預測和控制。

日本的S.Murakami等人研制了基于模糊控制的焊縫跟蹤系統，該控制系統根據焊槍的振幅位置同焊絲與工件的距離關(guān)系判別焊點(diǎn)的水平和垂直位移，根據語(yǔ)言規則設計了模糊濾波器和模糊控制器，控制效果很好。

國內北京聯(lián)合大學(xué)的曹麗婷設計的系統中應用新一代激光焊縫傳感器測量焊縫的位置，并采用Fuzzy-P雙模分段控制進(jìn)行焊縫的糾偏，獲得較好的實(shí)驗效果。

2.2  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應用狀況

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制是在研究人腦結構和功能的基礎上，通過(guò)簡(jiǎn)化、抽象和模擬，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，再通過(guò)相應的計算機系統，實(shí)現反映人腦結構和功能來(lái)處理問(wèn)題的過(guò)程控制。目前，應用zui廣、基本思想zui直觀(guān)的是誤差傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )及BP網(wǎng)絡(luò )，BP網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)是進(jìn)行誤差逆傳播，即根據網(wǎng)絡(luò )的希望輸出與網(wǎng)絡(luò )實(shí)際輸出之差的誤差信號，由輸出層經(jīng)中間層向輸入層逐層修正連接權及各單元的輸出閾值，BP算法再求誤差函數的極小值, 通過(guò)樣本的反復訓練并朝減少偏差的方向修改權值，直到達到滿(mǎn)意的精度為止。

日本的Y.Suga等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )運用到焊縫跟蹤中，在該系統中采用了視覺(jué)傳感器并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行圖像處理以獲得焊縫的形狀數據，實(shí)驗結果表明此系統具有較強的魯棒性，能有效地進(jìn)行焊縫跟蹤。