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                焊接智能化技術現狀與發展

                2020-02-20 20:34:00 aipaae
                上海交通大學焊接工程研究所          陳善本  教授(博導)

                上海交通大學焊接工程研究所          陳善本  教授(博導)
                哈爾濱工業大學焊接國家重點實驗室    吳  林  教授(博導)

                 

                    由于焊接技術是基于多學科交叉融合的產物,隨著現代科學技術成果的不斷涌現,必將推動焊接技術更新發展。除了物理、化學、材料、力學、冶金、機械、電子學等學科的新發展將會推動焊接新材料、新工藝的不斷出現外,計算機、控制理論、人工智能等信息科學領域的新進展將進一步將焊接工藝實現的手段推進到自動化、機器人化和智能化的新階段,進而實現幾代焊接人的夢想-用機器來代替人焊接。

                 

                1 焊接智能化技術的學科范疇

                 

                    本文關于焊接智能化技術的提法含義如下:利用機器模擬和實現人的智能行為實施焊接工藝制造的技術。 就實現技術而言,焊接智能化技術包括采用智能化途徑進行焊接工藝知識、焊接設備、傳感與檢測、信息處理、過程建模、過程控制器、機器人機構、復雜系統集成設計的實施,可見焊接智能化技術是綜合的系統集成技術。

                 

                2 焊接過程的傳感技術

                 

                    要實現焊接自動化、機器人化及智能化,傳感技術是關鍵環節之一。焊接過程的傳感,是實現焊接過程質量控制的。焊接傳感器按其使用目的可分為測量和檢測操作環境、檢測和監控焊接過程兩大類。在傳感原理方面,主要分為聲學、力學、電弧、光學傳感等。
                2.1  焊接區直接視覺信息傳感
                    直接視覺傳感在焊接中的應用包括離線確定被焊工件的位置;在線補償由于固定精度、機器人各部分的容差、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時傳感;熔滴過渡形式的監測等。
                    (1)利用輔助光源的主動式視覺檢測方法。
                    (2)無輔助光源的被動式直接視覺傳感。
                2.2  脈沖GTAW焊熔池正反面視覺圖象同時同幅傳感系統
                    對熔池正反兩面視覺圖象進行同時同幅傳感,經過圖象處理提取出熔池正反兩面的特征信息。實現對焊縫的熔透狀態和反面焊道穩定成形質量控制的目的。
                    (1)堆焊熔池正反面同時同幅成像。
                    (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下的圖象。
                    (3)由熔池圖象恢復熔池表面高度。
                    在填絲脈沖GTAW過程中,為實現熔池形狀動態控制,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。根據獲得的焊接熔池圖象,通常只能獲得關于熔池的二維形狀信息。由單目圖象恢復物體表面高度算法-由陰影恢復形狀算法獲取熔池表面高度的方法是最新研究方向。

                 

                3 焊接動態過程的建模
                    本文以脈沖GTAW熔池動態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的提取。
                    (2)脈沖GTAW熔池正面尺寸神經網絡動態模型。
                    (3)脈沖GTAW熔池反面尺寸神經網絡動態模型。

                 

                4 焊接動態過程的智能控制技術

                 

                4.1  模糊推理與控制在焊接過程中的應用
                    (1)脈沖GTAW對接過程模糊控制規則的提取。
                    (2)脈沖GTAW平板堆焊模糊邏輯控制系統與實驗。
                4.2  脈沖GTAW 平板堆焊神經元自學習PSD控制
                    (1)脈沖GTAW單神經元自學習PSD控制系統。
                    (2)脈沖GTAW平板堆焊神經元自學習PSD控制實驗(略)。
                4.3  脈沖GTAW對接過程單變量自學習模糊神經網絡控制
                    (1)脈沖GTAW對接過程自學習模糊神經網絡控制器(FNNC)。
                    (2)脈沖GTAW對接FNNC閉環控制實驗(略)。
                4.4  脈沖GTAW對接過程雙變量智能控制
                    (1)脈沖GTAW對接過程雙變量智能控制器設計。
                    在單變量模糊神經網絡控制器的基礎上,加入一個成形閉環反饋專家控制系統,用來調節焊接速度,組成了脈沖GTAW對接過程模糊神經網絡和專家系統相結合的雙變量智能控制系統。實現焊縫成形的閉環智能控制。
                    (2)脈沖GTAW對接過程雙變量智能控制實驗。
                    圓弧形試件脈沖GTAW雙變量智能控制實驗結果表明熔池形狀和大小均得到很好的控制,與單變量控制系統相比焊縫成形質量明顯提高。
                4.5  填絲脈沖GTAW對接熔池的雙變量自適應模糊控制

                 

                5 焊接工藝專家系統與質量檢測的智能化手段
                5.1  專家系統及其在焊接中的應用狀況
                    焊接領域ES的開發研究始于80年代中期,美、英、日等國都開展了這方面的研究工作。國外開發的焊接ES主要涉及工藝設計或工藝選擇(包括單因素的焊接材料選擇或焊接方法選擇),焊接缺陷或設備故障診斷,焊接成本估算,實時監控,焊接CAD(疲勞設計,符號繪制),焊工考試等,幾乎包括了焊接生產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,世界各國焊接領域中,專家系統的應用已開始從研究階段和試用階段向商品化階段邁進。
                    國內焊接ES研究始于1988年,最早見于報道的是南昌航空工業學院的焊接方法選擇ES。哈爾濱工業大學、清華大學、天津大學、甘肅工業大學、天津焊接研究所等單位都先后進行了焊接ES的開發。在焊接專家系統方面研究已逐步走向成熟,部分系統已經商品化。
                5.2 質量檢測與分析的智能系統
                    (1)人工智能的點焊質量多參量綜合監測系統(略)。
                    (2)基于神經元網絡的智能化超聲缺陷模式識別與診斷系統(略)。

                 

                6  機器人焊接智能化技術與系統

                 

                    (1)機器人焊接智能化系統技術組成。
                    (2)視覺焊縫跟蹤傳感系統(略)。
                    (3)機器人焊接智能化復雜系統控制與優化技術。
                    (4)焊接柔性加工單元/系統(WFMC/S)及其優化設計。
                    根據WFMC中各子系統作業的特點,我們將其分為兩級:工作站級和執行級。中央監控計算機屬于前者,其余子系統屬于后者。整個系統具有如下功能:弧焊機器人柔性加工單元各組成部分之間能實現信息的實時交互;中央控制計算機在不同子系統的計算機間形成通訊鏈路,實現網絡信息的管理與監控。
                    研究弧焊機器人柔性制造系統的集成建模技術,基于離散事件的焊接柔性制造系統(單元)應用設計,建立相應的Petri網模型,在此基礎上研究系統的調度和優化管理技術,是實現焊接過程柔性化和敏捷化的重要發展方向?;『笝C器人柔性加工系統由于在物料流及信息流上都具有離散的特性,使基于Petri網的建模與控制研究具有良好的前景。
                應用Petri網理論設計WFMC集成系統有如下的特點:
                    (1)以網形方式描述焊接柔性制造系統,使復雜系統形象化,利于理解;
                    (2)可以分層建立Petri網圖,適用于描述WFMS的分布式遞階結構;
                    (3)具有一套較嚴密的數學解析理論,可以十分方便地分析WFMS  的各個運行特征;
                    (4)不僅可以描述WFMS的靜態,而且可以描述WFMS的動態運行情況;
                    (5)既描述了系統內部的數據信息流,又描述了系統內部的物流(如被焊工件的流動狀況);
                    (6)采用遷移發射的形式,可以描述焊接柔性制造系統內部的并發性、競爭性等性質;
                    (7)Petri網模型可以較方便地與人工智能技術相結合,開發相應的焊接柔性制造專家系統。

                 

                7  遙控焊接技術

                 

                    (1)主從遙控焊接系統。
                    (2)基于共享控制和分布控制方法的遙控焊接系統。
                    遙控焊接系統以工業機器人作為操作器,以六維力、力矩傳感器和二維操縱桿為控制輸入設備,以個人計算機配合相應硬件作為控制主體。
                    在該系統上進行了全自主控制、全手工控制、共享跟蹤、共享避障、共享調整焊槍姿態、共享調整焊接速度、分布式跟蹤控制、分布式避障控制等廣泛的研究,而且完成了實際焊接實驗。

                 

                8  21世紀焊接技術展望:可持續發展的智能化焊接制造技術

                 

                    (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; 機器人焊接的智能化; 智能化的焊接機器人。
                    (2)焊接智能制造的系統技術以智能焊接機器人為單元構成的多機協調的焊接柔性智能制造生產線、網絡系統、敏捷制造工廠。             


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