肖潤泉，許燕玲＊，陳善本，楊乘東

1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院機(jī)器人焊接智能化實(shí)驗(yàn)室 上海 200240

2.上海電氣核電集團(tuán)有限公司 上海 201306

1 序言

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，是衡量一個(gè)國家創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)競爭力的重要標(biāo)志，已經(jīng)成為全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命的重要切入點(diǎn)。針對中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國相繼出臺了工業(yè)4.0及《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》等政策，從宏觀、戰(zhàn)略角度構(gòu)建產(chǎn)業(yè)頂層設(shè)計(jì)，大力支持機(jī)器人產(chǎn)品智能化發(fā)展，并凸顯出機(jī)器人技術(shù)對產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的驅(qū)動作用，為機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用推廣帶來了新的機(jī)遇[1]。我國目前使用的機(jī)器人主要有日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系主要有安川、FANUC、OTC、松下、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品；歐系中主要有德國KUKA、CLOOS，瑞典ABB，意大利COMAU及奧地利IGM等公司的產(chǎn)品；國產(chǎn)機(jī)器人主要有新松、新時(shí)達(dá)、節(jié)卡、埃夫特、圖靈、埃斯頓及杰瑞機(jī)器人等公司的產(chǎn)品。

隨著中國制造產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的不斷推進(jìn)，機(jī)器人作為智能制造的關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛。目前，中國已成為全球最大工業(yè)機(jī)器人市場，機(jī)器人擁有量占全球三分之一以上份額。過去的10年，工業(yè)機(jī)器人迎來了爆發(fā)式的增長。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國工業(yè)機(jī)器人銷量由2012年的不到2.5萬臺增長到2019年的18萬臺，2020年更是預(yù)計(jì)將超過20萬臺，如圖1所示。其中焊接機(jī)器人占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的40%以上，焊接作為工業(yè)“裁縫”是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，是智能制造技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。由于焊接行業(yè)的特殊性，焊接過程存在大量煙塵、弧光、金屬飛濺，焊接環(huán)境非常惡劣，產(chǎn)能低、招工難、利潤低成為焊接領(lǐng)域發(fā)展的痛點(diǎn)，而將傳統(tǒng)的焊接與機(jī)器人結(jié)合起來，能夠更好地解決這些痛點(diǎn)，機(jī)器人智能化焊接將成為未來中國焊接制造發(fā)展的必然趨勢。

圖1 2012—2020E年中國新增機(jī)器人數(shù)量

焊接機(jī)器人分為三代[2]，如圖2所示。第一代示教-再現(xiàn)型機(jī)器人，焊接機(jī)器人根據(jù)編好的程序進(jìn)行指定的工作，焊縫一致性良好，但對多變的外部環(huán)境適應(yīng)性不足。第二代機(jī)器人依托傳感技術(shù)，獲得了一定的環(huán)境感知能力，可以根據(jù)既定規(guī)則對環(huán)境變化做出響應(yīng)。但對超出規(guī)則外的工況變化仍缺乏適應(yīng)性，因此被稱為低智能機(jī)器人。第三代智能機(jī)器人可以根據(jù)學(xué)習(xí)算法，主動感知周圍變化，并自主推理做出決策?？梢灶A(yù)見，第三代機(jī)器人可以完全脫離人獨(dú)立完成焊接作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)器換人。隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)器人智能化焊接技術(shù)的深入研究和應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，是未來焊接智造的必然趨勢。

圖2 焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程

2 焊接機(jī)器人智能化關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人智能化焊接是通過視覺傳感、電弧傳感、聲學(xué)傳感等多種傳感手段，使機(jī)器人能夠感知焊接過程變化，并進(jìn)行推理和決策，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的控制[3]。目前智能化焊接技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在焊接初始位置引導(dǎo)、焊縫跟蹤、熔池監(jiān)測、熔透控制及缺陷識別等各個(gè)環(huán)節(jié)，如圖3所示。

2.1 機(jī)器人焊接中的傳感技術(shù)

傳感技術(shù)在機(jī)器人智能化焊接中發(fā)揮著重要的作用，目前，視覺傳感、聲音傳感、電弧傳感、光譜傳感及溫度場傳感等傳感手段正被用于焊接過程實(shí)時(shí)監(jiān)控中，圖4為一個(gè)典型的多傳感器智能化焊接監(jiān)控系統(tǒng)。

在這些傳感器中，電弧聲音傳感器利用焊接電弧的能量變化，可以靈敏地感知熔池狀態(tài)和焊接質(zhì)量變化，常用于監(jiān)控電弧變化、預(yù)測熔滴過渡類型等[5]。由于電弧傳感器采集到的焊接電流與電壓電弧信號直接影響著焊縫成形質(zhì)量，因此這些電信號普遍用于預(yù)測焊接熔透，分析焊接缺陷等[6]；此外，機(jī)器人TIG焊中電弧電壓與弧長的對應(yīng)關(guān)系，可用于實(shí)時(shí)焊縫跟蹤控制[7]。溫度傳感器可以直接獲取焊接過程中的溫度分布狀態(tài)，獲取的熔池信息不易受弧光影響，在熔透狀態(tài)預(yù)測、焊接質(zhì)量監(jiān)控等方面都具有較大的應(yīng)用前景[8]。電弧光譜具有信息豐富、與電弧不接觸的優(yōu)良特性，是焊縫缺陷分析最具前景的新方法[9]。

圖3 基于傳感技術(shù)的機(jī)器人智能化焊接技術(shù)

圖4 典型多傳感器焊接系統(tǒng)[4]

視覺傳感器以非接觸特性、信息豐富、精度高、檢測速度快及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為最受重視的傳感技術(shù)，被廣泛用于焊接導(dǎo)引、焊縫跟蹤、焊接過程監(jiān)控中。根據(jù)是否使用輔助光源，可以將視覺傳感器分為主動視覺傳感和被動視覺傳感[2]。被動視覺直接使用電弧作為光源，具有圖像信息豐富，傳感器結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，主要在焊接環(huán)境識別、熔池監(jiān)控中應(yīng)用。而主動視覺是利用結(jié)構(gòu)光等作為輔助光源，其受焊接過程影響較小，具有圖像質(zhì)量穩(wěn)定、精度高、焊縫特征明顯等優(yōu)點(diǎn)，常用于焊接尋位和焊縫跟蹤控制中。

2.2 焊接導(dǎo)引與尋位

焊接導(dǎo)引技術(shù)是根據(jù)傳感器恢復(fù)的空間坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)器人到焊接初始點(diǎn)。楊雪君等人基于被動視覺傳感器，采用一目多位的方式恢復(fù)特征點(diǎn)空間坐標(biāo)[10]，如圖5a所示。 Liu等人[11]根據(jù)主動視覺傳感器的測量模型獲取特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖5b、圖5c所示。視覺導(dǎo)引技術(shù)為機(jī)器人提供了應(yīng)對加工、裝配誤差等導(dǎo)致的起弧點(diǎn)偏離的問題。

圖5 焊接導(dǎo)引

近年來，視覺導(dǎo)引技術(shù)也常用于解決焊接示教復(fù)雜的問題。Lei等人[12]利用主動視覺控制器獲取工件點(diǎn)云，并自動生成焊接路徑，實(shí)現(xiàn)了一定程度上的自主焊接，如圖6所示。

圖6 視覺導(dǎo)引技術(shù)

2.3 焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫跟蹤技術(shù)是在焊接過程中實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人軌跡，使機(jī)器人能適應(yīng)熱變形等導(dǎo)致的軌跡偏差，可以有效地保證焊接質(zhì)量，已逐漸用于各焊接生產(chǎn)線中。許燕玲等人[7]采用被動視覺傳感器提取焊縫邊緣及熔池區(qū)域圖像的特征，實(shí)現(xiàn)了過程中的焊接軌跡自動糾正，其焊接系統(tǒng)及典型圖像如圖7所示。張綸昭等人[13]通過處理主動視覺傳感器采集到的激光條紋圖像，獲得焊縫特征點(diǎn)三維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤，如圖8所示。這些傳感器在保持較高精度的同時(shí)，對焊接過程中的弧光、飛濺、煙塵等抗干擾性能強(qiáng)。

目前，市面上的焊縫跟蹤產(chǎn)品越來越多，如加拿大賽融、英國meta，國內(nèi)英萊、創(chuàng)想、睿牛等，另外一些高校也推出了自己的視覺傳感焊縫跟蹤系統(tǒng)，如圖9為上海交通大學(xué)陳善本教授團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的視覺傳感系統(tǒng)。

圖7 焊接系統(tǒng)及典型圖像

圖8 三坐標(biāo)焊縫跟蹤

圖9 上海交大自主開發(fā)的焊縫跟蹤系統(tǒng)

2.4 熔池監(jiān)控技術(shù)

焊接熔池是焊工焊接時(shí)最直接的信息來源，可以反應(yīng)焊接過程的重要信息。焊接熔池形貌特征直接反映了焊接工藝參數(shù)的優(yōu)劣，并與焊縫成形質(zhì)量，如熔寬、熔深等直接關(guān)聯(lián)。因此，通過監(jiān)控焊接過程中的熔池動態(tài)變化，可以實(shí)時(shí)調(diào)整焊接工藝，抑制焊接缺陷，以保證焊接質(zhì)量。

被動視覺傳感器擁有更豐富的圖像信息，在熔池狀態(tài)監(jiān)控方面具有天然的優(yōu)勢。吳頔等人[14]根據(jù)VPPAW中熔池圖像特征，建立了熔透狀態(tài)預(yù)測模型，如圖10a、圖10b所示；樊重建等人設(shè)計(jì)了三光路視覺傳感系統(tǒng)，同時(shí)了采集熔池正前方、斜后方、斜下方清晰的熔池圖像，如圖10c所示，用于分析 GTAW 焊接熔池動態(tài)變化及成形規(guī)律[15]。

2.5 缺陷檢測

基于視覺傳感器的焊后缺陷檢測近年也取得了一定成果。相較于傳統(tǒng)的人工檢測方式，采用機(jī)器視覺進(jìn)行缺陷檢測具有檢測效率高，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一致等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，隨著目標(biāo)識別算法的發(fā)展，焊縫缺陷檢測的準(zhǔn)確性和可靠性也逐步提升，促進(jìn)了視覺檢測在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。Sassi等人[16]開發(fā)了一套自動焊接缺陷自動檢測系統(tǒng)，已在生產(chǎn)線中投入使用，如圖11所示。孫志剛等人[17]采用Faster Rcnn算法實(shí)現(xiàn)了在管道機(jī)器人焊縫的缺陷檢測。

圖10 熔池監(jiān)控技術(shù)

圖11 焊接缺陷檢測系統(tǒng)

3 焊接機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用分析

隨著社會的發(fā)展，焊接的用工成本越來越高，加上社會對職業(yè)環(huán)境及健康狀況越來越關(guān)注，而傳統(tǒng)焊接生產(chǎn)方式中存在著大量粉塵污染，致使企業(yè)的勞動力不斷流失。企業(yè)迫切需要引進(jìn)先進(jìn)的自動化設(shè)備來取代人工操作，因此機(jī)器人智能化焊接成為未來發(fā)展主流。

3.1 汽車行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

由于汽車制造的批量化、高效率和對產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求，使機(jī)器人生產(chǎn)方式在汽車焊接中獲得了大量應(yīng)用。2018年汽車行業(yè)機(jī)器人占全球工業(yè)機(jī)器人總安裝量的30%[18]。而我國作為汽車制造大國，國內(nèi)約一半的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在了汽車制造業(yè)，汽車工業(yè)的機(jī)器人密度達(dá)到305臺/萬人，遠(yuǎn)高于國內(nèi)49臺/萬人的平均水平，已經(jīng)達(dá)到了發(fā)達(dá)國家制造業(yè)的自動化水平[1]。

汽車焊接流水線中，點(diǎn)焊機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、激光焊接機(jī)器人等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。機(jī)器人通過離線編程等方式相互協(xié)調(diào)配合，可在極短的時(shí)間內(nèi)完成車身焊接，顯著提高了生產(chǎn)效率。在焊縫跟蹤、焊接過程監(jiān)控、焊接缺陷檢測等技術(shù)的幫助下，德國、韓國等國家甚至出現(xiàn)了完全無人的汽車生產(chǎn)線，如圖12a所示。而在國內(nèi)，上汽通用金橋工廠車間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了100%焊接自動化，生產(chǎn)線上有380多臺機(jī)器人，而僅有幾十名工人，如圖12b所示，每小時(shí)可以完成40臺整車從焊接到裝配形成的一條龍流水線作業(yè)[19]。

但是，目前汽車行業(yè)所使用的機(jī)器人生產(chǎn)線幾乎所有的裝備都是從國外引進(jìn)，國產(chǎn)機(jī)器人幾乎找不到表演的舞臺。我們應(yīng)該承認(rèn)，國產(chǎn)機(jī)器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外機(jī)器人還存在一定的差距。國外機(jī)器人經(jīng)歷了30多年的高速發(fā)展已經(jīng)日趨完善，而國內(nèi)機(jī)器人生產(chǎn)廠家仍然處于幼兒期，尚處于小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。焊接機(jī)器人是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機(jī)器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展。

圖12 焊接機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.2 海工裝備行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

船舶制造業(yè)是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在中國，船舶制造業(yè)90%以上的設(shè)備制造以人工為主體，自動化率僅為日韓的30%。目前國內(nèi)船舶焊接中自動化程度較低，大部分焊接工作都是人工焊接完成，勞動環(huán)境惡劣，污染嚴(yán)重，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低，工人勞動強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高，如圖13所示。由于海工裝備行業(yè)中的焊接工件存在著非標(biāo)準(zhǔn)化和定制化特點(diǎn)，第一代示教-再現(xiàn)型機(jī)器人很難直接應(yīng)用于實(shí)際焊接生產(chǎn)中。

而隨著智能化機(jī)器人焊接技術(shù)研究的深入，焊接機(jī)器人開始擁有適應(yīng)不同工況的能力。以大型船舶制造中占很大比重的小組立和中組立焊縫為例，國內(nèi)外廠家做了大量的技術(shù)開發(fā)，但真正在我國船舶制造中實(shí)際應(yīng)用的自主焊接機(jī)器人系統(tǒng)并不多，大部分仍然是采用國外進(jìn)口系統(tǒng)裝備。例如丹麥Inrotech公司的船用焊接機(jī)器人系統(tǒng)，如圖14所示。該系統(tǒng)目前在國內(nèi)多家船廠使用，但形成了技術(shù)壟斷，設(shè)備非常昂貴，不開放系統(tǒng)接口，無法進(jìn)行技術(shù)升級和二次開發(fā)。

圖13 海工裝備焊接

圖14 丹麥Inrotech公司船用焊接機(jī)器人系統(tǒng)

中船重工716研究所在原有吊裝式艙室機(jī)器人焊接系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套優(yōu)化的導(dǎo)軌式艙室機(jī)器人焊接系統(tǒng)[20]，如圖15所示。采用該焊接系統(tǒng)可以高效地完成艙室多分段焊縫，尤其是對艙室眾多的典型T形焊縫的焊接。該成果雖然基本實(shí)現(xiàn)了艙室焊接的功能，達(dá)到了船舶焊接質(zhì)量要求，取得了階段性成果，但離廣泛普及仍有一段距離。

圖15 中船重工716研究導(dǎo)軌式艙室機(jī)器人焊接系統(tǒng)

4 未來焊接機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展趨勢

總體而言，一方面，我國制造業(yè)中焊接機(jī)器人正在逐漸普及，自2013年以來，雖然我國就成為了世界工業(yè)機(jī)器人第一大市場，但我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展的初級階段，國產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)量低、市場競爭力小，核心技術(shù)仍多靠引進(jìn)。另一方面，焊接機(jī)器人仍以示教-再現(xiàn)型機(jī)器人為主，由于傳感器價(jià)格及技術(shù)壟斷等原因的限制，第二代焊接機(jī)器人仍未廣泛普及，機(jī)器人操作仍嚴(yán)重依賴工人。因此，未來的焊接機(jī)器人在制造水平和智能化技術(shù)等方面具有廣闊的發(fā)展空間。

4.1 傳感技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展

由于焊接環(huán)境和空間的限制，現(xiàn)階段傳感器的功能單一，通信接口、格式等并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。多種傳感器的復(fù)合使用會使系統(tǒng)變得極為復(fù)雜，大量數(shù)據(jù)的同步處理也為控制器的性能帶來了極大考驗(yàn)。此外，高動態(tài)范圍的視覺傳感器和高速相機(jī)等高端產(chǎn)品由于其高昂的價(jià)格難在實(shí)際生產(chǎn)中普及。因此，未來焊接用的傳感器必將向小型化、低成本、高性能方向發(fā)展。

4.2 機(jī)器人核心關(guān)鍵部件開發(fā)

目前國產(chǎn)機(jī)器人廠商僅進(jìn)行機(jī)器人本體的加工，不涉及機(jī)器人上游核心部件，如減速器、伺服電動機(jī)、運(yùn)動控制器的研發(fā)。這些核心部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口，占據(jù)了機(jī)器人生產(chǎn)中70%以上的成本，使得國產(chǎn)機(jī)器人的價(jià)格也居高不下。對工業(yè)機(jī)器人核心部件的掌握程度，決定了機(jī)器人所能達(dá)到的高度。因此，核心部件的發(fā)展必須引起高度重視，只有提升了三大核心零部件的生產(chǎn)技術(shù)與質(zhì)量，才能提高國產(chǎn)機(jī)器人的研發(fā)與制造水平。

4.3 人工智能技術(shù)的應(yīng)用

近年來，人工智能技術(shù)的發(fā)展備受矚目，以深度學(xué)習(xí)為代表的多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法已經(jīng)被廣泛用于焊接生產(chǎn)中。例如，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）為代表的特征提取模型在圖像信號和時(shí)序信號的特征提取方面展現(xiàn)了強(qiáng)大的能力；以xgboost為代表的推理模型也正成為解耦復(fù)雜焊接過程的有效工具。這些模型相較于傳統(tǒng)算法具有更高的魯棒性和環(huán)境適應(yīng)能力，在智能化焊接發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.4 焊接協(xié)作機(jī)器人

目前，焊接機(jī)器人仍處在低智能階段，離完全自主型機(jī)器人尚有很長的發(fā)展歷程。IFR2019年度報(bào)告分析指出，重量輕、易操作的協(xié)作機(jī)器人雖然數(shù)量仍很低，但增長率達(dá)到了34%，開始成為一個(gè)重要的工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢。協(xié)作機(jī)器人具有占地小、靈活性高、易于編程等特點(diǎn)，使其非常適用于高效率、低密度的生產(chǎn)模式。通過人機(jī)配合的模式，一定程度上提高了機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)性，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)降低了操作員的技術(shù)門檻。

4.5 焊接智能工廠

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的逐漸成熟，基于智能云管理焊接系統(tǒng)的生產(chǎn)線也成為制造業(yè)中重要的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)所有焊接設(shè)備、傳感器間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，有助于促進(jìn)多機(jī)器人的協(xié)調(diào)配合，提高生產(chǎn)效率；而利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等信息技術(shù)，可以從焊接生產(chǎn)的海量數(shù)據(jù)中挖掘出潛藏的焊接規(guī)律，進(jìn)而使用這些規(guī)律控制焊接過程，使機(jī)器人智能化水平進(jìn)一步提升。生產(chǎn)過程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為未來加工制造過程的必然趨勢。

5 結(jié)束語

隨著智能化技術(shù)的發(fā)展和制造業(yè)用人成本的提高，機(jī)器換人已經(jīng)成為工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，我國已經(jīng)成為機(jī)器人使用量最多的國家，但國產(chǎn)機(jī)器人市場占比低，核心部件發(fā)展較慢。在實(shí)際生產(chǎn)中，焊接機(jī)器人在汽車和3C行業(yè)中已初具規(guī)模，而在海工裝備制造中仍有待發(fā)展，基于傳感技術(shù)的第二代機(jī)器人正逐步替代傳統(tǒng)示教-再現(xiàn)型機(jī)器人。同時(shí)，由于焊接對傳感系統(tǒng)的跟蹤精度、實(shí)時(shí)性和魯棒性高要求，以及價(jià)格等因素的限制，所以基于傳感信息技術(shù)的第二代機(jī)器人尚未普遍應(yīng)用。近年來，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人智能化水平逐步提升，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能焊接工廠將成為下一階段的發(fā)展重點(diǎn)。