上海交通大學(xué)焊接工程研究所          陳善本  教授（博導(dǎo)）
哈爾濱工業(yè)大學(xué)焊接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室    吳  林  教授（博導(dǎo)）

    由于焊接技術(shù)是基于多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果的不斷涌現(xiàn)，必將推動(dòng)焊接技術(shù)更新發(fā)展。除了物理、化學(xué)、材料、力學(xué)、冶金、機(jī)械、電子學(xué)等學(xué)科的新發(fā)展將會(huì)推動(dòng)焊接新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)外，計(jì)算機(jī)、控制理論、人工智能等信息科學(xué)領(lǐng)域的新進(jìn)展將進(jìn)一步將焊接工藝實(shí)現(xiàn)的手段推進(jìn)到自動(dòng)化、機(jī)器人化和智能化的新階段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)幾代焊接人的夢(mèng)想-用機(jī)器來代替人焊接。

1 焊接智能化技術(shù)的學(xué)科范疇

    本文關(guān)于焊接智能化技術(shù)的提法含義如下：利用機(jī)器模擬和實(shí)現(xiàn)人的智能行為實(shí)施焊接工藝制造的技術(shù)。 就實(shí)現(xiàn)技術(shù)而言，焊接智能化技術(shù)包括采用智能化途徑進(jìn)行焊接工藝知識(shí)、焊接設(shè)備、傳感與檢測(cè)、信息處理、過程建模、過程控制器、機(jī)器人機(jī)構(gòu)、復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)的實(shí)施，可見焊接智能化技術(shù)是綜合的系統(tǒng)集成技術(shù)。

2 焊接過程的傳感技術(shù)

    要實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化及智能化，傳感技術(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。焊接過程的傳感，是實(shí)現(xiàn)焊接過程質(zhì)量控制的。焊接傳感器按其使用目的可分為測(cè)量和檢測(cè)操作環(huán)境、檢測(cè)和監(jiān)控焊接過程兩大類。在傳感原理方面，主要分為聲學(xué)、力學(xué)、電弧、光學(xué)傳感等。
2.1  焊接區(qū)直接視覺信息傳感
    直接視覺傳感在焊接中的應(yīng)用包括離線確定被焊工件的位置；在線補(bǔ)償由于固定精度、機(jī)器人各部分的容差、焊接過程中的焊件變形引起的焊接路徑偏差；焊接過程控制中的焊接接頭和熔池幾何形狀的實(shí)時(shí)傳感；熔滴過渡形式的監(jiān)測(cè)等。
    （1）利用輔助光源的主動(dòng)式視覺檢測(cè)方法。
    （2）無輔助光源的被動(dòng)式直接視覺傳感。
2.2  脈沖GTAW焊熔池正反面視覺圖象同時(shí)同幅傳感系統(tǒng)
    對(duì)熔池正反兩面視覺圖象進(jìn)行同時(shí)同幅傳感，經(jīng)過圖象處理提取出熔池正反兩面的特征信息。實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的熔透狀態(tài)和反面焊道穩(wěn)定成形質(zhì)量控制的目的。
    （1）堆焊熔池正反面同時(shí)同幅成像。
    （2）填絲脈沖GTAW熔池圖象:焊接過程中填充焊絲熔池表面凸出和下塌，部分熔透和全熔透狀態(tài)下的圖象。
    （3）由熔池圖象恢復(fù)熔池表面高度。
    在填絲脈沖GTAW過程中，為實(shí)現(xiàn)熔池形狀動(dòng)態(tài)控制，如熔池反面寬度和正面高度的控制，需要提取出熔池正面高度參數(shù)。根據(jù)獲得的焊接熔池圖象，通常只能獲得關(guān)于熔池的二維形狀信息。由單目圖象恢復(fù)物體表面高度算法-由陰影恢復(fù)形狀算法獲取熔池表面高度的方法是最新研究方向。

3 焊接動(dòng)態(tài)過程的建模
    本文以脈沖GTAW熔池動(dòng)態(tài)過程為例探討焊接過程的建模問題。
    （1）脈沖GTAW熔池幾何特征尺寸參數(shù)的提取。
    （2）脈沖GTAW熔池正面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型。
    （3）脈沖GTAW熔池反面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型。

4 焊接動(dòng)態(tài)過程的智能控制技術(shù)

4.1  模糊推理與控制在焊接過程中的應(yīng)用
    （1）脈沖GTAW對(duì)接過程模糊控制規(guī)則的提取。
    （2）脈沖GTAW平板堆焊模糊邏輯控制系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)。
4.2  脈沖GTAW 平板堆焊神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制
    （1）脈沖GTAW單神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制系統(tǒng)。
    （2）脈沖GTAW平板堆焊神經(jīng)元自學(xué)習(xí)PSD控制實(shí)驗(yàn)（略）。
4.3  脈沖GTAW對(duì)接過程單變量自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
    （1）脈沖GTAW對(duì)接過程自學(xué)習(xí)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器（FNNC）。
    （2）脈沖GTAW對(duì)接FNNC閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn)（略）。
4.4  脈沖GTAW對(duì)接過程雙變量智能控制
    （1）脈沖GTAW對(duì)接過程雙變量智能控制器設(shè)計(jì)。
    在單變量模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)成形閉環(huán)反饋專家控制系統(tǒng)，用來調(diào)節(jié)焊接速度，組成了脈沖GTAW對(duì)接過程模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)相結(jié)合的雙變量智能控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)焊縫成形的閉環(huán)智能控制。
    （2）脈沖GTAW對(duì)接過程雙變量智能控制實(shí)驗(yàn)。
    圓弧形試件脈沖GTAW雙變量智能控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熔池形狀和大小均得到很好的控制，與單變量控制系統(tǒng)相比焊縫成形質(zhì)量明顯提高。
4.5  填絲脈沖GTAW對(duì)接熔池的雙變量自適應(yīng)模糊控制

5 焊接工藝專家系統(tǒng)與質(zhì)量檢測(cè)的智能化手段
5.1  專家系統(tǒng)及其在焊接中的應(yīng)用狀況
    焊接領(lǐng)域ES的開發(fā)研究始于80年代中期，美、英、日等國都開展了這方面的研究工作。國外開發(fā)的焊接ES主要涉及工藝設(shè)計(jì)或工藝選擇（包括單因素的焊接材料選擇或焊接方法選擇），焊接缺陷或設(shè)備故障診斷，焊接成本估算，實(shí)時(shí)監(jiān)控，焊接CAD（疲勞設(shè)計(jì)，符號(hào)繪制），焊工考試等，幾乎包括了焊接生產(chǎn)的所有主要階段及主要方面。英、美已有很多商品化的ES。目前就總體水平來看，世界各國焊接領(lǐng)域中，專家系統(tǒng)的應(yīng)用已開始從研究階段和試用階段向商品化階段邁進(jìn)。
    國內(nèi)焊接ES研究始于1988年，最早見于報(bào)道的是南昌航空工業(yè)學(xué)院的焊接方法選擇ES。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、甘肅工業(yè)大學(xué)、天津焊接研究所等單位都先后進(jìn)行了焊接ES的開發(fā)。在焊接專家系統(tǒng)方面研究已逐步走向成熟，部分系統(tǒng)已經(jīng)商品化。
5.2 質(zhì)量檢測(cè)與分析的智能系統(tǒng)
    （1）人工智能的點(diǎn)焊質(zhì)量多參量綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（略）。
    （2）基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的智能化超聲缺陷模式識(shí)別與診斷系統(tǒng)（略）。

6  機(jī)器人焊接智能化技術(shù)與系統(tǒng)

    （1）機(jī)器人焊接智能化系統(tǒng)技術(shù)組成。
    （2）視覺焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)（略）。
    （3）機(jī)器人焊接智能化復(fù)雜系統(tǒng)控制與優(yōu)化技術(shù)。
    （4）焊接柔性加工單元/系統(tǒng)（WFMC/S）及其優(yōu)化設(shè)計(jì)。
    根據(jù)WFMC中各子系統(tǒng)作業(yè)的特點(diǎn)，我們將其分為兩級(jí)：工作站級(jí)和執(zhí)行級(jí)。中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)屬于前者，其余子系統(tǒng)屬于后者。整個(gè)系統(tǒng)具有如下功能：弧焊機(jī)器人柔性加工單元各組成部分之間能實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互；中央控制計(jì)算機(jī)在不同子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)間形成通訊鏈路，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的管理與監(jiān)控。
    研究弧焊機(jī)器人柔性制造系統(tǒng)的集成建模技術(shù)，基于離散事件的焊接柔性制造系統(tǒng)（單元）應(yīng)用設(shè)計(jì)，建立相應(yīng)的Petri網(wǎng)模型，在此基礎(chǔ)上研究系統(tǒng)的調(diào)度和優(yōu)化管理技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)焊接過程柔性化和敏捷化的重要發(fā)展方向?；『笝C(jī)器人柔性加工系統(tǒng)由于在物料流及信息流上都具有離散的特性，使基于Petri網(wǎng)的建模與控制研究具有良好的前景。
應(yīng)用Petri網(wǎng)理論設(shè)計(jì)WFMC集成系統(tǒng)有如下的特點(diǎn)：
    （1）以網(wǎng)形方式描述焊接柔性制造系統(tǒng)，使復(fù)雜系統(tǒng)形象化，利于理解；
    （2）可以分層建立Petri網(wǎng)圖，適用于描述WFMS的分布式遞階結(jié)構(gòu)；
    （3）具有一套較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)解析理論，可以十分方便地分析WFMS  的各個(gè)運(yùn)行特征；
    （4）不僅可以描述WFMS的靜態(tài)，而且可以描述WFMS的動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況；
    （5）既描述了系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息流，又描述了系統(tǒng)內(nèi)部的物流（如被焊工件的流動(dòng)狀況）；
    （6）采用遷移發(fā)射的形式，可以描述焊接柔性制造系統(tǒng)內(nèi)部的并發(fā)性、競爭性等性質(zhì)；
    （7）Petri網(wǎng)模型可以較方便地與人工智能技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)相應(yīng)的焊接柔性制造專家系統(tǒng)。

7  遙控焊接技術(shù)

    （1）主從遙控焊接系統(tǒng)。
    （2）基于共享控制和分布控制方法的遙控焊接系統(tǒng)。
    遙控焊接系統(tǒng)以工業(yè)機(jī)器人作為操作器，以六維力、力矩傳感器和二維操縱桿為控制輸入設(shè)備，以個(gè)人計(jì)算機(jī)配合相應(yīng)硬件作為控制主體。
    在該系統(tǒng)上進(jìn)行了全自主控制、全手工控制、共享跟蹤、共享避障、共享調(diào)整焊槍姿態(tài)、共享調(diào)整焊接速度、分布式跟蹤控制、分布式避障控制等廣泛的研究，而且完成了實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)。

8  21世紀(jì)焊接技術(shù)展望：可持續(xù)發(fā)展的智能化焊接制造技術(shù)

    （1）焊接柔性化與智能化的單元集成：焊接工藝與過程的智能化； 機(jī)器人焊接的智能化； 智能化的焊接機(jī)器人。
    （2）焊接智能制造的系統(tǒng)技術(shù)以智能焊接機(jī)器人為單元構(gòu)成的多機(jī)協(xié)調(diào)的焊接柔性智能制造生產(chǎn)線、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、敏捷制造工廠。