馬磊

摘 要：隨著現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的需求變得日益多元化，為滿足生產(chǎn)和性能的需要，鋼結(jié)構(gòu)智能焊接已成為主要的發(fā)展方向。因此，本文以智能焊接機(jī)器人為載體，從剛性和柔性結(jié)構(gòu)智能機(jī)器人的概述入手，從初始焊位與引導(dǎo)、焊縫跟蹤處理、熔透實(shí)時(shí)控制三個(gè)方面進(jìn)行思考，以推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)智能焊接水平技術(shù)的不斷提升和優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);智能焊接;機(jī)器人

鋼結(jié)構(gòu)在國(guó)家建設(shè)中發(fā)揮了十分重要的作用，尤其是近年來(lái)隨著綠色建筑的不斷發(fā)展，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)方面的需求量也在不斷增加。而焊接作為鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)中的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，為了確保滿足實(shí)際需求，降低人工成本，提高工程質(zhì)量等，需要加強(qiáng)智能焊接技術(shù)的發(fā)展。

1.剛性與柔性鋼結(jié)構(gòu)智能焊接機(jī)器人的分析

1.1剛性鋼結(jié)構(gòu)智能焊接機(jī)器人

對(duì)于大型的鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)企業(yè)，在鋼結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)，不僅形狀復(fù)雜，而且工件壁較厚，加上焊縫形式較多，需要對(duì)其進(jìn)行全方位地焊接，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)度較大。因此，為滿足剛性鋼結(jié)構(gòu)智能焊接的需要，需要在實(shí)際需求中結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)針對(duì)性地設(shè)置焊接機(jī)器人。比如剛性鋼結(jié)構(gòu)具有厚度大、焊縫長(zhǎng)和焊位多的特點(diǎn)，需要滿足其自動(dòng)焊接的需要，就需要結(jié)合其實(shí)際特點(diǎn)，確保所選用的此類焊接機(jī)器人具有顯示焊縫軌跡、自動(dòng)記憶焊接參數(shù)、多種焊接擺動(dòng)控制方式，這樣才能在實(shí)際中結(jié)合需求對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。

1.2柔性鋼結(jié)構(gòu)智能焊接機(jī)器人

柔性鋼結(jié)構(gòu)往往是特殊鋼材制作而成，在選用智能焊接機(jī)器人時(shí)，需要利用磁座在工件外表面或者內(nèi)表面上將機(jī)器人吸附，并確保與工件表面曲率相同，具有良好的柔性和便于裝卸，同時(shí)還能將焊縫軌跡在線顯示和記憶跟蹤，能在線全方位地對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)離線焊接與參數(shù)設(shè)置等方面的智能化控制程序，從而達(dá)到內(nèi)外球面、直縫、漸變復(fù)雜曲面焊接的需要。

2.鋼結(jié)構(gòu)智能焊接的幾點(diǎn)思考

2.2鋼結(jié)構(gòu)智能化焊接中初始焊位和導(dǎo)引的思考

鋼結(jié)構(gòu)智能焊接機(jī)器人能在初始焊位于引導(dǎo)中發(fā)揮作用，才能滿足智能焊接的實(shí)際需要，也是智能焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為確保其焊接質(zhì)量的達(dá)標(biāo)，針對(duì)初始焊位的導(dǎo)引系統(tǒng)而言，其主要是利用機(jī)器人的視覺(jué)傳感功能，在工作空間中拍攝有關(guān)焊件的圖像，并通過(guò)圖像處理與立體匹配，基于三維空間的視角，提取焊縫初始點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并把結(jié)果向服務(wù)器傳送，而服務(wù)器則會(huì)對(duì)機(jī)器人的焊槍下達(dá)控制指令，達(dá)到初始焊位準(zhǔn)備焊接。在這一過(guò)程中，圖像卡發(fā)揮了十分重要的作用，也是決定導(dǎo)引的關(guān)鍵所在。因此，為確保機(jī)器人精準(zhǔn)操作，就必須加強(qiáng)視覺(jué)傳感器的應(yīng)用，切實(shí)提升機(jī)器人末端執(zhí)行器的工作精度，在研究物體位置時(shí)，主要是利用雙目立體視覺(jué)模型與圖像伺服控制算法來(lái)保證。這就需要我們?cè)趯?shí)際操作過(guò)程中，緊密結(jié)合視覺(jué)傳感器采集的有關(guān)工件的圖像數(shù)據(jù)，對(duì)焊縫地起始點(diǎn)進(jìn)行精確識(shí)別與確定，并利用雙目立體視覺(jué)模型、圖像伺服控制算法，對(duì)采集對(duì)象實(shí)施三維立體定位。具體而言，就是利用立體視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別后建立相應(yīng)的物理模型，并采取模板匹配法來(lái)識(shí)別焊縫區(qū)域，并利用動(dòng)態(tài)變區(qū)域模板來(lái)匹配，從而對(duì)焊接的出事位置進(jìn)行確定。而在初步定位的基礎(chǔ)上，在大范圍內(nèi)對(duì)場(chǎng)景圖像信息進(jìn)行分析后，對(duì)其大致位置進(jìn)行粗略計(jì)算，并控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)的上方，通過(guò)重復(fù)取像和處理以及匹配與計(jì)算等一系列的操作，得出目標(biāo)點(diǎn)上的精確三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)初始焊接位置的導(dǎo)引，具體過(guò)程詳見(jiàn)圖1。

2.2鋼結(jié)構(gòu)智能化焊接中焊縫跟蹤處理技術(shù)思考

為確保鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量，在鋼結(jié)構(gòu)智能化焊接中，只有緊缺跟蹤焊縫，才能確保焊接質(zhì)量，也是自動(dòng)化、智能化焊接的主要內(nèi)容。在焊縫跟蹤過(guò)程中，主要是在焊接全程對(duì)焊縫偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并對(duì)焊縫偏差進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)只要一有偏差，就能針對(duì)性地對(duì)焊接路徑與焊接參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而達(dá)到保證焊接質(zhì)量的目的。在這一過(guò)程中，主要是利用焊縫跟蹤傳感器的作用，常見(jiàn)的有電弧傳感器與視覺(jué)傳感器，但是視覺(jué)傳感器比電弧傳感器更具有優(yōu)勢(shì)和潛力，所以需要加強(qiáng)對(duì)其的應(yīng)用。視覺(jué)傳感器主要是采用光電轉(zhuǎn)換元件，比如光電二極管，還有CCD等，尤其是CCD，不僅具有較為可靠的性能，而且體積較小，加上價(jià)格低廉，有著十分清晰的圖像，因此得到了廣泛地應(yīng)用。

因此，需要切實(shí)加強(qiáng)視覺(jué)傳感系統(tǒng)的應(yīng)用。常見(jiàn)的視覺(jué)傳感系統(tǒng)有兩種，一種是激光掃描式，還有一種是被動(dòng)式。其中，激光掃描式為主動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，從圖2可以看出，主動(dòng)跟蹤系統(tǒng)從激光反射之后投射到焊縫的表面，再通過(guò)反射，此時(shí)CCD就能接收，并對(duì)反射光束與CCD主光軸之間的夾角進(jìn)行測(cè)量，再根據(jù)已經(jīng)得到的夾角和CCD與掃描鏡面間的距離數(shù)據(jù)，最終得到焊縫端的剖面圖。而被動(dòng)視覺(jué)法則是利用CCD的濾光片與減光片，對(duì)熔池邊的焊縫進(jìn)行觀測(cè)和分析，但是電弧經(jīng)常受到較為嚴(yán)重地干擾。

2.3鋼結(jié)構(gòu)智能化焊接中焊縫熔透實(shí)時(shí)控制思考

在鋼結(jié)構(gòu)智能化焊接過(guò)程中，焊縫熔透的實(shí)時(shí)控制也是確保智能化焊接質(zhì)量的關(guān)鍵所在。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要是借助熔透實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的CCD提供的視覺(jué)信息，以及中央控制機(jī)與有關(guān)工藝參數(shù)預(yù)先建立焊接熔池的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)整個(gè)熔深和熔透以及熔寬和余高等焊接質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性地調(diào)整和優(yōu)化，從而對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度和方向以及高度等進(jìn)行有效調(diào)控，動(dòng)態(tài)掌握焊接熔池的實(shí)際情況，對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)達(dá)到智能化控制焊縫質(zhì)量的目的。例如在國(guó)家“鳥巢”體育館建設(shè)中，為達(dá)到保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的目的，采用實(shí)芯焊絲二氧化銻氣體保護(hù)焊的方式來(lái)進(jìn)行焊接，不僅能進(jìn)行橫向、立向和仰向焊接，而且還能實(shí)現(xiàn)智能化控制，對(duì)于工程質(zhì)量提出提升有著較大的保障。但是需要注意的是，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，所以在智能化焊接中，需要我們切實(shí)加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝大數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，通過(guò)預(yù)設(shè)焊接條件，庫(kù)用數(shù)據(jù)庫(kù)命令、機(jī)器人自動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)設(shè)定。但是航結(jié)構(gòu)產(chǎn)品類型較多，焊縫也不同，所以在焊接工藝上也具有多元化的特點(diǎn)，因此鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)需要在機(jī)器人焊接技術(shù)方面不斷改進(jìn)和優(yōu)化，尤其是要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品特點(diǎn)，比如板厚、位置等設(shè)置工藝大數(shù)據(jù)庫(kù)，從而結(jié)合實(shí)際需求對(duì)其這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，強(qiáng)化對(duì)智能焊接技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化，最終達(dá)到提高焊接工藝質(zhì)量的目的。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雖然鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)目前得到了較為成熟，且發(fā)展速度較快，但是在發(fā)展過(guò)程中也出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，尤其是在智能制造方面的需求日益突出，需要在下料、組裝和焊接以及拼裝與涂裝最后到倉(cāng)儲(chǔ)和運(yùn)輸?shù)确矫鎸?shí)施智能一體化的設(shè)計(jì)，這樣才能更好地促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)的發(fā)展，尤其是在當(dāng)前的大數(shù)據(jù)時(shí)代下，需要切實(shí)利用大數(shù)據(jù)技術(shù)加強(qiáng)焊接工藝技術(shù)的分析和改進(jìn)，才能不斷確保焊接質(zhì)量，最終達(dá)到提高鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品品質(zhì)的目的。

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