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自动化焊接与智能化焊接技术

目前国内外在焊接自动化技术与智能化焊接的基础研究热点集中在以下几个方面:焊缝自动跟踪技术,特别是视觉传感与跟踪技术;焊接过程熔滴过渡控制;焊接热输入控制技术;焊缝成形技术,包括焊接熔深熔透控制等。综合利用机械、电弧、光等物理信息对焊接过程进行控制和检测,是实现自动化焊接的基础,同时又促使焊接过程向智能化发展。

传感器是焊缝自动跟踪系统中最关键的组成部分,目前的研究比较集中于基于电弧的传感器和基于光学的视觉传感器两大类。电弧传感器原理以电或机械方法使电弧摆动或者旋转,通过弧长变化引起的电弧参数变化导出电弧中心与焊缝相对位置等传感量。它最大优势是成本低,结构简单。电弧传感器的应用,尤其是在国内的应用还仅限于某些特殊场合的焊缝跟踪,现有工业应用中成功的例子都是在 V 形坡口和角焊缝上完成的。此外,对电弧传感器信号处理也是难点之一,如何去除弧焊过程中如短路电流、熔池液态金属波动或流动带来的信号干扰还未有好的解决方案。

相比较而言,基于机器视觉的焊接自动跟踪技术方法和系统具有很好的应用前景。视觉传感器通常采用红外光、可见光、弧光为光源,以点、线、面、体的方式传感焊接区域图像信息,具有精度高、再现性好的优点,使用时不易受到磁偏吹或者焊丝影响,近年来得到了非常快的发展。目前常见的商业化焊缝跟踪系统主要采用激光结构光的方法,包括点式和条纹式激光光源,以适应不同的应用需要。该方法用激光光源照射在焊接接头上,由于接头的几何形状而使光斑条纹发生相应的形变,通过图像上条纹的形状特征就可以确定焊接接头的位置。焊缝跟踪视觉系统在航空航天、汽车制造、建筑材料、工程机械、交通运输等多个行业中都有广泛的应用。

根据视觉传感特点,焊缝跟踪方法又主要分为主动视觉和被动视觉两大类。主动视觉采用一些特殊的照明光源投射到工件表面待焊区域上,电荷耦合元件(Charge-coupled device, CCD)摄像机接收到从工件上漫反射的反映不同焊缝坡口形式的条形光,被动视觉的焊缝跟踪主要通过对从 CCD 摄像机获得的图像进行处理。图像处理是焊接视觉跟踪技术的重要基础和核心,直接决定着焊缝跟踪的准确性、实时性和适应性。用于焊缝跟踪的图像处理技术,首先涉及滤波、降噪等改善图像质量的低级处理技术,对图像提取特征(如边缘检测、图像分割、纹理或色彩特征)是识别焊缝边缘、或者分割出焊缝区域的重要手段,在焊缝跟踪技术中占主要地位。高级图像处理涉及对图像内容的理解,为焊接智能化的研究提供了人工智能领域的可能发展方向。

局部环境下自主焊接系统的研究中就初始焊接位置的识别、基于边缘检测和边缘细化的被动视觉焊缝识别、熔池三维形状的模型建立等几个关键技术开展了工作,取得了较好成果。在待焊区自主识别和焊缝自动跟踪领域,现有的视觉技术方法及系统装备已经并仍然发挥着重要作用。例如,研制的具有高抗干扰能力的线结构光自动跟踪系统已应用于管道电弧焊接,基于圆斑结构光的自动跟踪系统已可应用于板材的激光高速焊接。

自动化焊接技术在实际的工业生产中也得到了一定的发展,近年来,在我国制造业中,采用专机自动焊和机器人焊接已成为焊接行业接受的可行技术,从焊接自动化到智能化技术研究和开发层次也在逐步提高。

同时,从焊接机器人模拟实现由焊条电弧焊到自动焊的智能化焊接技术需求出发,研究了各种焊接动态过程(如各种电弧焊,等离子、高能束、激光焊、电阻焊、搅拌摩擦焊等工艺)及其焊接质量的有效控制以及机器人焊接智能系统集成技术。采用焊接机器人进行焊接在汽车整车及零部件、工程机械、铁路、船舶、航天、一般制造业等行业的应用有了明显增长。如近 5 年汽车制造业的超高速发展,工业机器人的应用数量急剧上升,平均年增长率超过25%。

在工程机械制造过程中,由于工件为厚板且尺寸较大,备料精度较低,间隙不均匀,而焊接质量要求较高,已有机器人采用了具有焊缝宽度检测功能的电弧传感器或激光扫描传感器检测到焊缝宽度变化,进而在一定范围和条件下实现了机器人焊缝跟踪与焊缝变间隙的自适应控制焊接。

在造船领域已有径管—凸缘焊接生产中采用机器人工作站,不但提高了产品质量和生产效率,而且基本不需要焊缝后续处理工作(焊缝打磨等),大大减少了工作量。该管子—凸缘的机器人焊接生产是焊接机器人在国内船厂的首次成功应用,并已经在 3 家造船厂推广应用。在航天装备精密焊接制造中,也有基于视觉传感的智能化机器人焊接技术及其系统成功应用范例。