戴建明 韓沛文 蔣林

摘要：弧焊智能化是對(duì)電弧焊接各環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化，傳統(tǒng)的示教加再現(xiàn)的焊接機(jī)器人已無(wú)法滿(mǎn)足要求，必須構(gòu)建智能化弧焊機(jī)器人系統(tǒng)。對(duì)工業(yè)機(jī)器人控制、機(jī)器人視覺(jué)、六維力矩傳感、激光2D/3D焊縫傳感、高頻逆變弧焊電源、機(jī)器人弧壓調(diào)高技術(shù)、機(jī)器人弧焊工藝技術(shù)方面進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：弧焊智能化;焊接機(jī)器人;焊縫跟蹤;弧壓調(diào)高

0? ? 前言

弧焊智能化是對(duì)電弧焊接各環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化，包括：焊接前期的工藝準(zhǔn)備、工件導(dǎo)入、夾具動(dòng)作的智能化;焊接過(guò)程的焊縫尋位、焊縫實(shí)時(shí)跟蹤、工藝參數(shù)及焊接姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整、焊接質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)智能化;焊接后期的自動(dòng)焊接質(zhì)量檢測(cè)智能化等。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的弧焊智能化系統(tǒng)主要是由焊接機(jī)器人、機(jī)器人視覺(jué)及焊縫跟蹤、機(jī)器人焊接電源、智能控制系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)構(gòu)成，并具有焊縫自主尋位、路徑自主規(guī)劃、焊接工藝參數(shù)自行優(yōu)化及過(guò)程自適應(yīng)控制、焊接質(zhì)量在線檢測(cè)以及生產(chǎn)自動(dòng)安排的智能化功能。

目前市場(chǎng)應(yīng)用中的焊接機(jī)器人仍然是示教加再現(xiàn)，其焊接路徑和工藝參數(shù)都是預(yù)先設(shè)置的，對(duì)作業(yè)的一致性要求非常嚴(yán)格，在焊接過(guò)程中缺少對(duì)外部信息變化的實(shí)時(shí)反饋和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)功能。然而焊接過(guò)程中的環(huán)境和條件的變化是不可避免的，如焊接工件加工和裝配誤差造成接頭位置、焊縫間隙和尺寸的分散性，示教軌跡與實(shí)際焊縫的差異、焊接過(guò)程中熱變形、熔透及焊縫成型不穩(wěn)定等因素都會(huì)引起焊接質(zhì)量的波動(dòng)，并導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)激光的2D/3D成像技術(shù)構(gòu)成機(jī)器人的實(shí)時(shí)視覺(jué)，通過(guò)2D成像檢測(cè)焊縫的實(shí)時(shí)軌跡，通過(guò)3D成像檢測(cè)焊縫的寬度和深度，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接工藝，使之能實(shí)現(xiàn)初始焊接位置識(shí)別與自主導(dǎo)引、實(shí)時(shí)焊縫糾偏與跟蹤，獲取焊接熔池動(dòng)態(tài)特征信息，通過(guò)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)和焊縫成形的實(shí)時(shí)控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人焊接過(guò)程的自主智能控制。這種將智能化焊接技術(shù)集成于機(jī)器人控制，通過(guò)具有對(duì)焊接環(huán)境感知的視覺(jué)傳感、熔池的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)初始焊位導(dǎo)引、焊縫跟蹤、焊縫成形及質(zhì)量控制功能，就構(gòu)成智能化弧焊機(jī)器人系統(tǒng)。

文中以深圳鴻柏科技研制的弧焊智能化設(shè)備為例，對(duì)弧焊智能化進(jìn)行探討。

1 弧焊智能化的探索

1.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)探索

為研究電弧焊接智能化，首先必須研究適合運(yùn)用于電弧焊接的機(jī)器人。采用多核ARM+DSP+FPGA架構(gòu)（上層信息管理ARM，運(yùn)動(dòng)控制算法DSP，實(shí)時(shí)控制FPGA）并構(gòu)建機(jī)器人編程語(yǔ)言、語(yǔ)言解釋器，開(kāi)發(fā)機(jī)器人控制用的TP、PC調(diào)試控制軟件等。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器達(dá)到一定技術(shù)條件時(shí)，通過(guò)匹配多軸一體化伺服驅(qū)動(dòng)控制軟件代碼的使用開(kāi)發(fā)權(quán)，將交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制核心技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人的伺服驅(qū)動(dòng)控制，并與運(yùn)行控制結(jié)合構(gòu)建整個(gè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)控一體化。在機(jī)器人控制系統(tǒng)技術(shù)基本成熟以后，結(jié)合弧焊智能化技術(shù)的基本要素，構(gòu)建新一代弧焊機(jī)器人軟硬件控制系統(tǒng)，如圖1所示。

為滿(mǎn)足高效高質(zhì)量弧焊需要，采用了驅(qū)控一體的機(jī)器人控制技術(shù)，包括：面向應(yīng)用的機(jī)器人編程語(yǔ)言、自動(dòng)規(guī)避奇異點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)算法、高階樣條加加速度平滑插補(bǔ)算法、自適應(yīng)位置/姿態(tài)速度規(guī)劃算法、動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償算法、負(fù)載慣量識(shí)別及PID參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)算法、手把手求教技術(shù)、振動(dòng)抑制技術(shù)等，如圖2所示。

1.2 機(jī)器人視覺(jué)及相關(guān)傳感技術(shù)

1.2.1 激光2D/3D焊縫跟蹤器

機(jī)器人焊縫跟蹤器采用激光掃描成像，為成像目標(biāo)構(gòu)建位姿坐標(biāo)信息系統(tǒng)，一般與弧焊槍一起安裝在機(jī)器人的前端法蘭上。視覺(jué)控制系統(tǒng)主要由ARM事件處理模塊、DSP運(yùn)動(dòng)控制模塊、FPGA伺服驅(qū)動(dòng)模塊、逆變放大電路模塊、激光視覺(jué)傳感器（激光2D/3D焊縫跟蹤器）模塊、弧焊控制主機(jī)以及目標(biāo)控制對(duì)象弧焊焊槍組成，其工作原理如圖3所示。由圖3可知，由于焊縫跟蹤器具備檢測(cè)焊縫寬度和深度等焊縫特征參數(shù)，能實(shí)時(shí)給出位姿信息，加上焊縫跟蹤器與焊槍的安裝位置相對(duì)位置為固定值，因此，通過(guò)跟蹤器對(duì)實(shí)際焊縫的位置檢測(cè)，可得到實(shí)際焊縫在機(jī)器人基坐標(biāo)系中的相對(duì)位置。這樣通過(guò)對(duì)實(shí)際焊縫的位置檢測(cè)就可實(shí)現(xiàn)軌跡位置的閉環(huán)控制，從而達(dá)到實(shí)時(shí)焊縫跟蹤的目的。機(jī)器人焊縫跟蹤器實(shí)物如圖4所示。

1.2.2 六維力傳感器

基于機(jī)器人末端的六維力傳感器示教（見(jiàn)圖5），其原理是通過(guò)感知末端力傳感器的6個(gè)參數(shù)值，進(jìn)行力的合成與分解到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)上，機(jī)器人通過(guò)自身的運(yùn)動(dòng)來(lái)使末端的力傳感器的6個(gè)參數(shù)都趨近于“ 零 ”，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中記錄機(jī)器人的中間軌跡，達(dá)到拖動(dòng)示教的目的。對(duì)于沒(méi)有焊縫跟蹤條件的簡(jiǎn)單焊縫，可以通過(guò)拖動(dòng)示教來(lái)代替編程，如圖6所示。

1.2.3 機(jī)器人弧焊弧壓調(diào)高

在機(jī)器人焊條電弧焊接、TIG恒流焊接中，為了保證焊接電弧電壓穩(wěn)定在一定值上，保證焊接工件與規(guī)劃軌跡存在偏差時(shí)的焊接質(zhì)量，機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)定的期望電弧電壓值和實(shí)際值，通過(guò)一定的算法調(diào)整機(jī)器人的位姿，保證實(shí)際焊接弧壓穩(wěn)定在設(shè)定值。

為了讓弧焊機(jī)器人控制系統(tǒng)的調(diào)高控制能與不同品牌型號(hào)的焊接電源構(gòu)成調(diào)高控制，研發(fā)了焊接電源信號(hào)采集控制器（見(jiàn)圖7），直接采集焊接電源輸出的電流及電壓值，通過(guò)邏輯判斷引弧成功，根據(jù)焊接調(diào)高要求的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的控制。

1.3 機(jī)器人弧焊電源系統(tǒng)

隨著新材料焊接、高速高熔覆的高效焊接、焊縫的控形控性等需求推動(dòng)了先進(jìn)MIG、多電極多電弧焊、激光復(fù)合焊等焊接新方法的出現(xiàn)，促進(jìn)了數(shù)字化焊接電源、智能化自動(dòng)焊接技術(shù)的進(jìn)步，采用機(jī)器人替代焊工已成為高效焊接的必然趨勢(shì)。為了滿(mǎn)足高速、高熔覆率焊接的需求，在傳統(tǒng)脈沖焊的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了機(jī)器人高速脈沖弧焊系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)針對(duì)高速高熔覆的高效焊接。

機(jī)器人高速脈沖弧焊系統(tǒng)主要包括全數(shù)字化的高速脈沖弧焊電源、送絲機(jī)、機(jī)器人控制系統(tǒng)等，它們之間進(jìn)行高速全數(shù)字化通信。其中焊接電源通過(guò)光纖控制器與機(jī)器人控制器連接，根據(jù)自定義的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)高速脈沖弧焊電源狀態(tài)及運(yùn)行過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。為了達(dá)到高速高精度控制，弧焊電源采用高頻逆變系統(tǒng)，主回路的IGBT逆變頻率從20 kHz升級(jí)到30 kHz，考慮到焊接電源的負(fù)載率及控制性能，主電路從全橋全波硬開(kāi)關(guān)升級(jí)到雙管正激全波并，從專(zhuān)用芯片的移相PWM軟開(kāi)關(guān)到FPGA智能型移相PWM軟開(kāi)關(guān)，控制上采用高速DSP+FPGA及ARM+DSP+FPGA兩種架構(gòu)。整流后的焊接電流脈動(dòng)最大在120K，其控制框圖如圖8所示。通過(guò)上述手段，大大提高了弧焊電源的控制精度和響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了熔深大、速度快、熔覆率高、飛濺小的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 攻堅(jiān)克難，努力實(shí)現(xiàn)弧焊智能化

2.1 機(jī)器人焊條智能化焊接

焊條焊接智能系統(tǒng)是模擬人工進(jìn)行焊條電弧焊，在各個(gè)焊接工況下保證焊接質(zhì)量，焊接系統(tǒng)使用機(jī)器人工作站方式進(jìn)行。從焊接階段開(kāi)始，引燃焊條是第一步，因焊條上有藥皮，機(jī)器人的動(dòng)作很難像人一樣進(jìn)行劃擦引燃電弧，這就要事先對(duì)焊條的端部進(jìn)行處理，如加碳粉、打磨焊條端部，機(jī)器人做相應(yīng)引弧姿態(tài)測(cè)試引弧成功率，找到磨尖焊條端部及機(jī)器人讓焊條端部在引弧工件上轉(zhuǎn)動(dòng)引燃電弧。第二步是保證焊接電弧穩(wěn)定，這是關(guān)鍵的一步。機(jī)器人端部的運(yùn)行軌跡是通過(guò)工件的焊縫示教產(chǎn)生的，機(jī)器人在焊接時(shí)焊條燃燒變短，機(jī)器人也要像人一樣在保證電弧穩(wěn)定的同時(shí)讓焊條向熔池推進(jìn)，而這個(gè)動(dòng)作機(jī)器人必須是自動(dòng)完成的，因此引入了電弧調(diào)高功能參與機(jī)器人的動(dòng)作。另外，在焊接過(guò)程中還有些焊條長(zhǎng)度不等的處理、再次焊條端部打磨、再次焊條引弧的處理等，這些工作使焊條焊接更具智能化。除了焊接之外，工件的上下料、焊接工件工裝夾具都可以進(jìn)行智能化處理。對(duì)于工件相同的焊接，物料的自動(dòng)上、下料采用專(zhuān)用夾具是可以完成，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不同的焊接件可以采用機(jī)器視覺(jué)找位、復(fù)合夾具定位，或是采用多機(jī)器人協(xié)同夾持工件及搬運(yùn)工件。

機(jī)器人焊條自動(dòng)化焊接系統(tǒng)主要由焊條箱、焊條端部處理器、焊條排列器、焊條殘余收集盒、焊件夾具臺(tái)、機(jī)器人、焊接電源及電弧信號(hào)處理器等組成。焊條端部處理器主要是進(jìn)行焊條前端磨尖和檢測(cè)二次焊條長(zhǎng)度，方便焊條引弧和二次引弧位置。電弧信號(hào)處理器把電弧信息反饋到機(jī)器人控制系統(tǒng)，進(jìn)行焊接電弧弧壓PID調(diào)高控制，保證焊條焊接質(zhì)量。當(dāng)然，為了提高整個(gè)機(jī)器人焊條焊接系統(tǒng)的智能化，還可以增加機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量的檢測(cè)或是焊接工件的自動(dòng)上下載等。

2.2 機(jī)器人管道相貫線MAG智能焊接

機(jī)器人管道MAG智能焊接系統(tǒng)主要用于建筑水管主支管路的相貫線焊接，應(yīng)用線激光機(jī)器視覺(jué)在線檢測(cè)焊縫及變位機(jī)，實(shí)時(shí)引導(dǎo)機(jī)器人跟蹤并實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)焊接。因建筑水管各構(gòu)件存在實(shí)際尺寸偏差，單純使用機(jī)器人的示教軌跡是不能滿(mǎn)足焊接工況要求，應(yīng)用激光視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量焊縫，通過(guò)機(jī)器人的焊縫跟蹤技術(shù)補(bǔ)償軌跡的偏差。管道的主支管相貫線上焊縫的寬度也是存在較大的偏差，采用機(jī)器人擺動(dòng)焊接是必須的，以使焊道能充分焊透飽滿(mǎn)，形成質(zhì)量有保證的焊縫。除了上述焊接方面的智能處理，機(jī)器人與工裝夾具通過(guò)采用PLC實(shí)現(xiàn)各過(guò)程的智能控制。

機(jī)器人MAG焊接工作站還可進(jìn)行多種焊接智能化實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充，如：工裝夾具智能動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，工件焊縫與機(jī)器人端部焊槍位姿的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)，焊接過(guò)程焊絲的自動(dòng)修剪實(shí)現(xiàn)，環(huán)境焊接煙霧的自動(dòng)排除，焊接工件焊接質(zhì)量的檢測(cè)等。完成一個(gè)弧焊智能化處理牽聯(lián)多方面的智能控制的實(shí)現(xiàn)，是多維技術(shù)綜合的體現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)弧焊項(xiàng)目整個(gè)過(guò)程高水平的智能化處理，可以考慮各個(gè)細(xì)節(jié)步驟是否存在智能性提高。

2.3 機(jī)器人多工位TIG智能焊接

應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行TIG多工位電弧焊接時(shí)，因工件尺寸相對(duì)一致性好，只是焊縫存在較小偏差，故系統(tǒng)未采用機(jī)器視覺(jué);焊接電源在TIG焊接下為恒電流模式，應(yīng)用機(jī)器人控制系統(tǒng)的電弧電壓調(diào)高技術(shù)對(duì)焊接電弧進(jìn)行焊接能量控制，盡量在穩(wěn)定送絲速度下保證焊縫成型一致，整個(gè)焊接時(shí)期由機(jī)器人智能自動(dòng)完成。焊接工裝方面，采用工件雙工位上料，自動(dòng)裝夾，機(jī)器人本體軌道平移進(jìn)行焊接，專(zhuān)機(jī)采用PLC協(xié)調(diào)控制。

3 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)弧焊智能化工作是電弧焊接領(lǐng)域長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。隨著焊接電源、焊接過(guò)程實(shí)時(shí)檢測(cè)及傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，焊接機(jī)器人技術(shù)的不斷提高，實(shí)現(xiàn)電弧焊接自動(dòng)化和智能化越來(lái)越成為可能。但就目前的現(xiàn)狀來(lái)看，存在的問(wèn)題還很多。尤其在對(duì)焊縫進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的焊縫寬窄深淺變化，如何讓機(jī)器人、焊接電源、送絲機(jī)構(gòu)都能適應(yīng)這種變化，使焊接質(zhì)量最終得到保證，這還是目前沒(méi)有從根本上解決的大問(wèn)題，總之，弧焊智能化工作需要持續(xù)不斷的探索與實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

陳善本，吳林.焊接智能化技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[C].第十次全國(guó)焊接會(huì)議論文集，2001.

Mark W Spong，Seth Hutchinson，M Vidyasagar.機(jī)器人建模與控制[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

劉豹，唐萬(wàn)生.現(xiàn)代控制理論（第3版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

張光先. 逆變焊機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

王成元，夏加寬，孫宜標(biāo)，等. 現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

劉亞靜. 多軸電機(jī)控制的集成技術(shù)研究—BLDC電機(jī)[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

周兆勇.面向軍事用途的片上型伺服系統(tǒng)研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

胡華.柔性伺服系統(tǒng)振蕩抑制算法研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.