焊接智能化技術現(xiàn)狀與發(fā)展
- 2018-04-18 10:33:00
- 陳善本 吳林 轉貼
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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(xiàn)人的智能行為實施焊接工藝制造的技術。 就實現(xiàn)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(tǒng)集成設計的實施，可見焊接智能化技術是綜合的系統(tǒng)集成技術。
2、焊接過程的傳感技術
要實現(xiàn)焊接自動化、機器人化及智能化，傳感技術是關鍵環(huán)節(jié)之一。焊接過程的傳感，是實現(xiàn)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(huán)境、檢測和監(jiān)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(qū)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(jiān)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(tǒng)
對熔池正反兩面視覺圖象進行同時同幅傳感，經(jīng)過圖象處理提取出熔池正反兩面的特征信息。實現(xiàn)對焊縫的熔透狀態(tài)和反面焊道穩(wěn)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(tài)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(xiàn)熔池形狀動態(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(tài)過程的建模
本文以脈沖GTAW熔池動態(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)絡動態(tài)模型。
(3) 脈沖GTAW熔池反面尺寸神經(jīng)網(wǎng)絡動態(tài)模型。
4、焊接動態(tài)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(guī)則的提取。
(2) 脈沖GTAW平板堆焊模糊邏輯控制系統(tǒng)與實驗。
4.2 脈沖GTAW 平板堆焊神經(jīng)元自學習PSD控制
(1) 脈沖GTAW單神經(jīng)元自學習PSD控制系統(tǒng)。
(2) 脈沖GTAW平板堆焊神經(jīng)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(jīng)網(wǎng)絡控制
(1) 脈沖GTAW對接過程自學習模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制器(FNNC) 。
(2) 脈沖GTAW對接FNNC閉環(huán)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(jīng)網(wǎng)絡控制器的基礎上，加入一個成形閉環(huán)反饋專家控制系統(tǒng)，用來調節(jié)焊接速度，組成了脈沖GTAW對接過程模糊神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)相結合的雙變量智能控制系統(tǒng)。實現(xiàn)焊縫成形的閉環(huán)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(tǒng)相比焊縫成形質量明顯提高。
5、焊接工藝專家系統(tǒng)與質量檢測的智能化手段
5.1 專家系統(tǒng)及其在焊接中的應用狀況
焊接領域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(jiān)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(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，世界各國焊接領域中，專家系統(tǒng)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(yè)學院的焊接方法選擇ES。哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、天津大學、甘肅工業(yè)大學、天津焊接研究所等單位都先后進行了焊接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 質量檢測與分析的智能系統(tǒng)
(1) 人工智能的點焊質量多參量綜合監(jiān)測系統(tǒng)(略) 。
(2) 基于神經(jīng)元網(wǎng)絡的智能化超聲缺陷模式識別與診斷系統(tǒng)(略) 。
6、機器人焊接智能化技術與系統(tǒng)
(1) 機器人焊接智能化系統(tǒng)技術組成。
(2) 視覺焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)(略) 。
(3) 機器人焊接智能化復雜系統(tǒng)控制與優(yōu)化技術。
(4) 焊接柔性加工單元/系統(tǒng)(WFMC/S) 及其優(yōu)化設計。
根據(jù)WFMC中各子系統(tǒng)作業(yè)的特點，我們將其分為兩級：工作站級和執(zhí)行級。中央監(jiān)控計算機屬于前者，其余子系統(tǒng)屬于后者。整個系統(tǒng)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(xiàn)信息的實時交互；中央控制計算機在不同子系統(tǒng)的計算機間形成通訊鏈路，實現(xiàn)網(wǎng)絡信息的管理與監(jiān)控。
研究弧焊機器人柔性制造系統(tǒng)的集成建模技術，基于離散事件的焊接柔性制造系統(tǒng)(單元) 應用設計，建立相應的Petri網(wǎng)模型，在此基礎上研究系統(tǒng)的調度和優(yōu)化管理技術，是實現(xiàn)焊接過程柔性化和敏捷化的重要發(fā)展方向?；『笝C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。
應用Petri網(wǎng)理論設計WFMC集成系統(tǒng)有如下的特點：
(1) 以網(wǎng)形方式描述焊接柔性制造系統(tǒng)，使復雜系統(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的分布式遞階結構；
(3) 具有一套較嚴密的數(shù)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(tài)，而且可以描述WFMS的動態(tài)運行情況；
(5) 既描述了系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)信息流，又描述了系統(tǒng)內部的物流(如被焊工件的流動狀況) ；
(6) 采用遷移發(fā)射的形式，可以描述焊接柔性制造系統(tǒng)內部的并發(fā)性、競爭性等性質；
(7) Petri網(wǎng)模型可以較方便地與人工智能技術相結合，開發(fā)相應的焊接柔性制造專家系統(tǒng)。
7、遙控焊接技術
(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(tǒng)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(tài)、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(xù)發(fā)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(tǒng)技術以智能焊接機器人為單元構成的多機協(xié)調的焊接柔性智能制造生產(chǎn)線、網(wǎng)絡系統(tǒng)、敏捷制造工廠。
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