一、科研簡(jiǎn)介

上海交通大學(xué)機(jī)器人焊接智能化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室成立于2000年3月，由教育部長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授陳善本博士領(lǐng)銜，多年來(lái)一直致力于智能化焊接機(jī)器人技術(shù)和焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程信息獲取與智能控制研究工作：運(yùn)用人工智能技術(shù)模擬實(shí)現(xiàn)焊工觀察、判斷與操作行為，研究在局部環(huán)境基于視覺(jué)信息對(duì)焊接環(huán)境自動(dòng)識(shí)別、導(dǎo)引跟蹤焊縫、焊接熔池動(dòng)態(tài)特征智能控制等關(guān)鍵技術(shù)，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)、聲音、電弧及其光譜等多信息傳感與融合處理、知識(shí)建模、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能控制等智能化技術(shù)成功地用于解決各種典型工藝條件下脈沖TIG焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程控制這一焊接界的難題，形成了系列性的研究成果。研究了基于單目圖像視覺(jué)信息的焊接環(huán)境識(shí)別、熔池動(dòng)態(tài)形狀與二維、三維特征的視覺(jué)計(jì)算、焊接過(guò)程聲音與電弧特征提取與處理、運(yùn)用模糊辨識(shí)與粗糙集理論對(duì)焊接過(guò)程的知識(shí)建模、焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)、對(duì)具有時(shí)滯的不確定對(duì)象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償與自學(xué)習(xí)控制；研究了局部自主智能焊接機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)并集成研制了具有對(duì)焊接環(huán)境感知的初始焊為位自主識(shí)別與導(dǎo)引、焊縫識(shí)別與自主規(guī)劃、軌跡修正和跟蹤、焊接熔池視覺(jué)傳感與特征提取、工藝專(zhuān)家系統(tǒng)指導(dǎo)、熔透與焊縫成形智能控制功能的局部自主智能化焊接機(jī)器人（LAIWR）系統(tǒng)，并在局部作業(yè)空間模擬焊工基本智能行為的自主焊接機(jī)器人單元，以及研制了基于視覺(jué)和電弧傳感的輪足組合越障全位置移動(dòng)焊接機(jī)器人系統(tǒng)。在基于視覺(jué)信息的焊接機(jī)器人自主與智能化關(guān)鍵技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等方向的研究中取得多項(xiàng)創(chuàng)新性結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)室在相應(yīng)機(jī)器人焊接智能化技術(shù)研究成果在海洋工程、航空航天、造船、汽車(chē)、家電等行業(yè)擁有多項(xiàng)成功的應(yīng)用。

上海交通大學(xué)機(jī)器人焊接智能化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在上述領(lǐng)域研究曾獲國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、國(guó)際合作交流項(xiàng)目，863計(jì)劃以及國(guó)防預(yù)研、國(guó)防基金、教育部和上海市重點(diǎn)項(xiàng)目等30余項(xiàng)資助。所研究的“局部環(huán)境自主智能焊接機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)”曾在航天飛行器、船舶與汽車(chē)焊接制造中獲得了有效的應(yīng)用，推動(dòng)了我國(guó)航天、船舶重工等焊接制造自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。主要成員曾獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一、二等獎(jiǎng)、中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國(guó)高?？茖W(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)以及上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)、專(zhuān)利發(fā)明獎(jiǎng)等多項(xiàng)；申請(qǐng)/授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)和軟件著作10余項(xiàng)；出版中英文著作8部；在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇。

◆焊接智能化關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)研究

針對(duì)GTAW開(kāi)展了基于電弧光譜、聲音、電弧電壓和熔池視覺(jué)等多元特征信息融合的焊縫成形及質(zhì)量控制策略研究，見(jiàn)圖1。

針對(duì)示教再現(xiàn)型焊接機(jī)器人不具備對(duì)于焊接環(huán)境識(shí)別、焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程信息獲取、反饋以及實(shí)時(shí)閉環(huán)控制功能，難以滿(mǎn)足高新技術(shù)裝備對(duì)焊接制造高質(zhì)量、高效率的要求，研制了局部自主智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

◆研制輪足組合越障全位置自主焊接機(jī)器人系統(tǒng)

在國(guó)家863計(jì)劃支持下，自主研制了“越障全位置自主焊接機(jī)器人系統(tǒng)”，涉及了主要關(guān)鍵技術(shù)包括：非接觸永磁吸附裝置研究及優(yōu)化、越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制、機(jī)器人焊接過(guò)程中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制以及基于視覺(jué)傳感的智能化焊接技術(shù)等，見(jiàn)圖3。

◆機(jī)器人焊接系統(tǒng)工程應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合上海船舶工藝研究所共同開(kāi)發(fā)了船舶管系（中徑管）管子-法蘭自動(dòng)焊接系統(tǒng)，解決了大中型船廠(chǎng)管徑（Ф：114～273 mm）范圍內(nèi)管—法蘭機(jī)器人自動(dòng)焊。目前已在新時(shí)代造船、江南管業(yè)和廣州文沖船廠(chǎng)推廣應(yīng)用，見(jiàn)圖4。

針對(duì)船體分段“＃字”形結(jié)構(gòu)、曲面艕板機(jī)器人自動(dòng)焊，聯(lián)合上海船舶工藝研究所、江南造船廠(chǎng)開(kāi)發(fā)了一套基于離線(xiàn)編程技術(shù)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)，見(jiàn)圖5。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖6

結(jié)合上海振華重工（股份）集團(tuán)公司“海上鉆井平臺(tái)裝備制造智能化焊接車(chē)間”（發(fā)改辦高技[2012]2144號(hào)）項(xiàng)目平臺(tái)建設(shè)，針對(duì)海洋能源裝備自升式鉆井平臺(tái)樁腿焊接智能化制造需求，開(kāi)展了Q690高強(qiáng)鋼雙機(jī)器人雙弧立焊新工藝及智能化焊接系統(tǒng)的研究，見(jiàn)圖6。

針對(duì)航天鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)件，聯(lián)合上海航天精密機(jī)械研究所開(kāi)展了航天器新型鋁合金結(jié)構(gòu)件機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。研制的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)初始焊接位置導(dǎo)引、焊縫跟蹤以及熔透控制，見(jiàn)圖7。

針對(duì)傳統(tǒng)接觸傳感器在機(jī)器人初始尋位中的應(yīng)用局限性，基于實(shí)驗(yàn)室多款機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)了視覺(jué)尋位傳感系統(tǒng)，自主開(kāi)發(fā)了能夠自適應(yīng)環(huán)境變化的焊縫起始點(diǎn)尋找快速、精確和魯棒性好的圖像處理算法，見(jiàn)圖8。

圖7

圖8

二、團(tuán)隊(duì)組成

實(shí)驗(yàn)室以教育部長(zhǎng)江學(xué)者陳善本教授領(lǐng)銜，包括“第九批千人計(jì)劃”——新西蘭坎特伯雷大學(xué)的陳小奇教授加盟的“機(jī)器人焊接智能化技術(shù)”研究團(tuán)隊(duì)共有30余人。其中全職教師5人，國(guó)外客座研究員1人，兼職教師3人、博士后2名，博士生15名，碩士生10余名。

三、研發(fā)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室擁有9自由度KUKA機(jī)器人柔性制造系統(tǒng)、ABB機(jī)器人系統(tǒng)、KEMPPI、OTC、LINCOLN以及BINZEL焊槍等先進(jìn)設(shè)備、日本FANUC機(jī)器人及其視覺(jué)系統(tǒng)、日本安川MOTMAN焊接機(jī)器人及其變位機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)、自行研制開(kāi)發(fā)的7自由度局部自主智能化焊接機(jī)器人系統(tǒng)、863項(xiàng)目支持的“輪足組合越障全位置自主焊接智能機(jī)器人系統(tǒng)”，以及Deneb機(jī)器人仿真系統(tǒng)軟件。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有多套自行研制的焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程視覺(jué)傳感和圖像處理算法軟硬件設(shè)備、焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程聲音傳感、電弧傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)以及智能控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及其他焊接過(guò)程模擬計(jì)算軟件，可以方便開(kāi)展焊接熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程的視覺(jué)、聲音、電弧溫度、光譜等特征信息獲取、知識(shí)建模與智能控制方法研究系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)圖9。

圖9

實(shí)驗(yàn)室在焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程信息采集與處理的傳感系統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)與研發(fā)方面，曾研制了可用于碳鋼和鋁合金的兩光路、三光路多款脈沖TIG焊熔池區(qū)視覺(jué)傳感器，可用于智能化焊接機(jī)器人及專(zhuān)機(jī)并針對(duì)TIG、MIG焊接工藝的多款單目、雙目視覺(jué)傳感器，并已獲得了多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利且有部分轉(zhuǎn)讓?xiě)?yīng)用。

四、合作機(jī)構(gòu)

上海交通大學(xué)機(jī)器人焊接智能化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室分別與KUKA、ABB、FANUC和KEMPPI等國(guó)際知名企業(yè)建有焊接機(jī)器人智能化技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室；與KUAK公司建有“KUKA-上海交大機(jī)器人培訓(xùn)中心”，面向各類(lèi)交大學(xué)生培訓(xùn)工業(yè)機(jī)器人編程技術(shù)；與中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)機(jī)器人與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)委員會(huì)共建“CWS-RAC焊接機(jī)器人技術(shù)培訓(xùn)中心”面向全國(guó)焊接行業(yè)從業(yè)人員培訓(xùn)機(jī)器人焊接操作技術(shù)。實(shí)驗(yàn)室的組織機(jī)構(gòu)圖示：

聯(lián)系方式：

聯(lián)系人：陳華斌副教授、博士

地址：上海市東川路800號(hào)材料F樓（郵編：200240）

上海交通大學(xué)機(jī)器人焊接智能化技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

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