机器人焊接智能化技术与研究现状

摘要：

自动化焊接和智能化焊接是实现高效焊接制造的重要手段。系统阐述初始焊位视觉导引与识别、

焊缝跟踪、熔池视觉计算及焊接成形质量控制策略等焊接智能化领域的关键技术，特别是以视觉技术 为先导的焊接路径导引与规划、视觉 － 电弧复合传感的空间曲线焊缝跟踪以及基于知识模型的焊接过 程建模与控制策略等方面的基础研究，拓展了机器人焊接智能化技术的研究方向和应用领域。融合智 能化焊接技术的最新研究成果，研制了轮足组合越障智能焊接机器人，同时还在航天、船舶和海洋重 工装备等领域开展了系统集成方面的工程应用。。

关键词：

焊接自动化；弧焊机器人；智能控制

中图分类号：

TG409

文献标识码：

C

文章编号：

1001－2303(2013)04－0008-08

DOI：

10.7512/j.issn.1001-2303.2013.04.02

收稿日期：2012－05－22

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51005153，51075268）；

上海市科委科技创新行动计划科技专项（11111100300）；

国家 863 项目（2009AAA042221）

作 者 简 介：陈华斌（1976—），男，安徽池州人，讲师，博士，主要 从事焊接智能化、焊接缺陷智能检测和焊接机器人 系统应用工程的教学科研工作。

陈华斌

¹

，黄红雨

²

，林 涛

¹

，张华军

²

，陈善本

¹

(1.上海交通大学 材料科学与工程学院， 上海 200240； 2.上海振华重工(集团)股份有限公 司， 上海 200125)

Situation and development of interlligentized techonology for arc welding robot

CHEN Hua-bin¹，HUANG Hong-yu²，LIN Tao¹，ZHANG Hua-jun²，CHEN Shan-ben¹

(1.School of Material Science and Engineering，Shanghai Jiaotong Univ.，Shanghai 200240，China；2.Shanghai Zhenhua Heavy Industry Co.，Ltd.，Shanghai 200125，China)

Abstract

：Automatic welding and intelligent welding have been an important means of high productivity and quality welding manufacturing.In this paper，the fundamental research of the intelligent technologies was described comprehensively as follows.It includes visual guide and recognition of the initial weld position, the method of three dimensional seam tracking with vision -arc compound sensor，knowledge modeling and intelligent control strategies and so on.The achievements in these fields expand the research and application area of the robotic arc welding.Integration of the latest research achievements，a climbing obstacle with wheel foot combined all position arc welding robot was developed.At the same time，the system integration of welding robot station was carried out in the field of aerospace，shipbuilding and marine heavy industry.

Key words

：welding automation；robot；intelligent control

0 前言

近年来，随着我国劳动力成本的逐渐提升，以廉 价劳动力为支撑的“中国制造”经济模式难以为继，

越来越多的加工制造企业关注以焊接机器人为代

表的焊接自动化技术。机器人不再是工业界的奢侈 品，如何用机器人代替人的焊接也是几代焊接人的 梦。以信息技术为牵引的智能化焊接技术，是一类融 合人的感官信息（焊接过程视觉、听觉、触觉）、经验 知识（熔池行为、电弧声音、焊缝外观）、推理判断

（焊接经验知识学习、推理与决策）、焊接过程控制 以及工艺优化各方面专门知识的交叉学科。突破机 器人焊接智能化关键技术，在未来不仅是发展方向，

已成为一种现实、迫切的需要^[1]。

据国际机器人联盟（IFR）估计，到 2011 年底全

机器人焊接智能化技术与研究现状

型”，其焊接路径和工艺参数是预先设置的，对作业 条件的一致性要求非常严格，并且在焊接过程中缺 少对外部信息传感反馈和实时调节的功能。然而，

实际焊接过程中的环境和条件的变化无法避免，如 焊接工件加工和装配误差造成接头位置、焊缝间隙 和尺寸分散，示教轨迹与实际焊缝的差异、焊接过 程中热变形、熔透及焊缝成形不稳定等因素都会引 起焊接质量的波动，并导致焊接缺陷的产生。为了 克服焊接过程中各种不确定性因素对精密焊接质 量的影响，迫切需要采用信息反馈、智能控制等技 术提高现行焊接机器人的适应性或智能化水平，使 之能实现初始焊位识别与自主导引、焊缝实时纠偏 与跟踪，以及焊接熔池动态特征信息获取、工艺参 数自适应调节和焊缝成形的实时控制，即实现机器 人焊接过程的自主智能控制^[3]。

本研究将智能化焊接技术集成于机器人平台 载体，从初始焊位导引与路径规划、焊缝跟踪、焊缝 成形及质量智能控制等方面，并在航天、船舶以及 海洋重工装备等领域开展了智能化焊接技术的推 广和应用。

1 弧焊机器人智能化关键技术 1.1

焊缝初始位置识别与导引

利用视觉 CCD 传感获取初始焊位信息并自主 导引焊枪准确移动到初始焊接位置，是局部自主智 能焊接机器人的关键技术之一。图 1 为基于视觉传 感的焊缝初始位置识别与导引流程。首先利用 CCD 宏观识别整体焊缝；其次分离出实际焊缝视觉信息，

通过数据拟合出焊缝曲线方程，计算初始焊位的初 值；以初值坐标为基准，建立搜索窗口，精确计算初 始焊接位置坐标值（x、y），图像处理算法见文献[4]。

图 2 为一个空间曲线焊缝初始焊位定位导引 和路径规划实例^[5]。通过图像处理计算空间焊缝特 征点的位姿值并转换到机器人世界坐标系，并给出 了其焊缝坐标值重建的误差图，由图 2 可知，最大 平面距离误差和最大高度误差分别为 1.2mm 和 1.6mm。

1.2

基于被动视觉的焊缝跟踪

局部环境焊缝路径自主规划是在自然光或辅

助光源条件下进行计算，考虑到焊接过程热变形、

工艺等因素的影响，还需进一步在焊接过程中实时 纠偏先前规划的焊缝路径。利用复合滤光系统实时 获取 MAG 电弧及焊缝前端的图像信息如图 3 所 示，通过图像处理算法获得焊缝和电弧轮廓信息，

并据此计算偏差量，修改机器人的运动路径，从而 实现焊缝跟踪。图 3a 图像处理流程为均值滤波，边 缘检测，膨胀，腐蚀，面积滤波，类焊缝边缘寻找，焊 缝定位；图 3b 处理流程为自适应阈值分割，轮廓最 宽处自适应搜索。焊缝偏差定义为电弧轮廓中心到 焊缝的距离。采用上述算法进行平板对接焊缝跟踪 结果及误差曲线如图 4 所示。

结合机器人氩弧焊自动焊接需求，开发了一套 基于被动视觉和弧压复合传感系统。通过被动视觉 传感部分完成左右方向的跟踪、电弧弧压实现高度 方向偏差信息的实时调整，图 5 为该系统自动获取 的视觉和电弧高度原始信息，各部分传感信息的处 理流程及算法见文献[6]。

1.3

摆动电弧焊缝跟踪

电弧传感器作为一种实时传感器件与其他类

图1 初始焊接位置识别流程

型传感器相比，具有结构简单、成本低和响应快等 特点，也是目前弧焊机器人传感器的一个重要发展

方向。自主研发的一套能与 ABB、KUKA 和 FANUC 等机器人协调通讯的焊缝跟踪系统，可实现在一定

图2 空间曲线焊缝图像坐标值及误差结果

图3 焊缝及电弧轮廓图像处理结果

图4 曲线焊缝跟踪结果及误差曲线

焊接工艺装配条件下的精度跟踪。基于摆动电弧传 感的弧焊机器人跟踪系统示意如图 6 所示，其核心

功能模块主要包括：弧焊机器人、传感器及信号采 集、DSP 控制器、通讯和仿真调试。

图5 TIG焊缝图像及电弧电压信号

该系统分别进行了水平焊缝、角接焊缝、搭接 焊缝及多层多道自适应摆幅跟踪试验。信号采集频 率 128 Hz，摆频 2 Hz。图 7a 高度方向跟踪的总纠偏 量为 9.28 mm，误差±0.7 2mm，完全可以保证焊接过 程中焊枪在正常焊接范围内；图 7b 为示教偏差和跟 踪误差值的变化曲线，平均误差±0.27 mm。另外针对 多层多道焊接过程，设计了焊缝起弧点、收弧点宽 度分别为 9 mm、18 mm，初始摆宽设置为 10 mm，图 7c为摆幅自适应调整曲线。

1.4

焊接动态过程建模和控制 1.4.1 焊接熔池动态特征视觉计算^[6-7]

以铝合金 TIG 焊接熔池动态特征视觉计算为 例，开发了一套自适应的图像处理算法，通过该算 法获取了熔池几何形状参数。铝合金熔池二维、三 维动态特征视觉计算实例如图 8 所示。

其中，图 8b 采用阴影恢复形状方法从单幅熔 池图像计算熔池表面的高度，并提出了脉冲 TIG 熔 池表面通用反射图模型

R=g（d

f ）（v^{2 T}nz）⁴L+b （1）

L=βdLd+βsLs+βinterLinter （2）

通过焊缝熔池视觉特征计算，可进一步进行焊

图6 摆动电弧传感的弧焊机器人焊缝跟踪系统示意

c摆幅跟踪 a高度跟踪

b搭接焊缝跟踪

图7 焊缝跟踪试验结果

接动态过程建模，实现铝合金焊缝成形质量鲁棒控 制。

1.4.2 焊接动态过程建模^[8]

智能化焊接机器人系统实现对焊接质量的有 效控制需要对焊接动态过程的规律或模型进行描 述。由于电弧焊接动态过程是涉及大量不确定因素 的复杂过程，获取精确的数学模型极为困难。考虑从 焊接过程传感器测量的直接和间接实验数据，运用 粗糙集知识获取算法，建立焊接过程的知识模型，并 作为机器人焊接过程智能控制器设计的重要依据。

以知识模型 M 为核心构成的焊接过程粗糙集 知识处理系统结构如图 9 所示，包括：系统的知识 模型 M、数据扩展方法、离散化方法、模型输出形式 的转换方法、知识推理方法等部分，主要用于根据 系统输入预测系统输出。

为了验证焊接过程粗糙集知识建模方法有效 性，用Visual C++ 6.0 开发了焊接过程粗糙集建模 软件系统，该软件集成了如下功能：随机决策表生成、

模型复杂程度计算、模型检验、模型精度计算等。

1.4.3 焊接动态过程智能控制器设计

焊接过程是一个瞬时动态非平衡过程，焊缝成 形质量受焊接过程的热、机、电等因素影响，使得焊 接动态过程控制变得极为复杂。以焊接过程视觉信 息反馈为切入点，实现铝合金 TIG 焊背面熔宽和正 面余高的控制。图 10 为针对铝合金 TIG 自动焊而 设计的模糊监督与自适应复合智能控制器示意图，

包括焊接电流自适应控制回路和基于模糊监督补 偿的送丝速度控制回路两部分，相关焊缝成形结果 见文献[6]。

图10 模糊监督与自适应复合智能控制系统

针对传统方法是对铝合金焊接过程模型的线 性理想假设，提出了非线性 Hammerstein 模型描述 焊接热过程，并设计了参数预置前馈的复合智能控 制器，如图 11 所示。通过模糊监督加间隙前馈补偿 的方式联合调节焊接电流和送丝速度，并将人工经 验结合熔池特征对焊接规范进行在线调整，有效缓 解了由于铝合金大型结构件焊接过程装配、热变形 间隙等因素对焊缝成形造成的不利影响，相关实验 结果见文献[7]。

2 工程应用

船用管系双机器人工作站系统如图 12 所示，

该系统能够实现管径规格 φ114~268 mm，壁厚

δ

= 5～13 mm管系-法兰的自动焊，采用头尾架双机器人 结构、自动上下料、定位和夹紧、同步焊接的自动化 施焊方式。考虑到焊接现场装配偏差，通过配备始端 检出、电弧跟踪等传感器，确保焊缝成形良好、接头 a二维焊缝计算

b三维焊缝计算 图8 焊接熔池视觉计算

图9 焊接过程粗糙集知识处理系统结构

质量稳定可靠。

图 13 为基于视觉传感及过程控制等关键技术 应用在铝合金复杂结构件的焊装领域，通过视觉传 感能够实现初始焊位识别、路径规划、焊缝实时纠 偏以及焊缝成形智能控制。该系统特别适合于铝合 金大型结构件的机器人 TIG 智能焊领域。

图 14 为针对船体分段的曲面艕板设计的弧焊 机器人工作站，涉及的关键技术有：始端检出、电弧 传感跟踪及机器人离线编程等。具体流程：通过人 机对话软件获取艕板分段结构件加工数据 CAD 信

弧焊机器人工作站，该系统采用激光传感器进行初 始焊位识别、焊缝跟踪。系统采用了远程监控系统，

可通过视觉 CCD 传感模块远程监控机器人连接状 态、伺服状态、工作站报警记录代码、运行模式等。

图 16 为一套面向大范围作业的非接触式磁吸 附轮足组合式行走越障全位置自主焊接机器人系 统实用样机。该机器人系统具有轮式移动和升降式 越障机构、非接触磁吸附装置、5 自由度机械臂、传 感系统和焊接系统。机器人能实现爬壁越障等全位 置移动，能完成复杂焊缝的焊接作业，通过宏观视 觉和障碍传感系统实现对焊接环境和障碍物的检 测，通过 CCD 双目视觉传感器实现焊缝跟踪等自 主焊接功能。

针对海洋重工领域，开发了 Q690 高强钢厚板

图11 基于参数预置前馈的复合智能控制器

图12 船用管系双机器人工作站系统

图13 铝合金结构件弧焊机器人焊接工作站

图14 船体分段曲面艕板弧焊机器人工作站

图15 高效节能炊事车不锈钢薄壁结构件弧焊机器人工作站

图16 轮足组合式行走越障全位置自主焊接机器人系统样机

（最大厚度 150 mm）的双机器人双弧立焊机器人工 作站，如图 17 所示。该系统能有效解决大厚板焊接 过程生产效率低、焊接质量不稳定以及焊接热变形 等技术难题。

3 ^结论

随着现代制造对性能、可靠性、效率、成本等方

面要求愈来愈高，以信息和计算机技术为先导的智 能化焊接制造，不仅是未来弧焊机器人发展方向，也 是一种现实、迫切的需要。

参考文献：

[1] 林尚扬，陈善本，李成桐，焊接机器人及其应用[M].北京：机 械工业出版社，２０００：１－ １１．

［２］ 唐新华．焊接机器人的现状及发展趋势（一）［Ｊ］．电焊机，

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［５］ Ｃｈｅｎ Ｘ Ｚ，Ｃｈｅｎ Ｓ Ｂ，Ｌｉｎ Ｔ．．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｌｏｃａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｗｅｌｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｖｉｓｕａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，３０（７）：

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［６］ 王建军．铝合金脉冲 ＴＩＧ 焊熔池动态特征的视觉信息获 取与自适应控制［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００３：５４－ ７８．

［７］ 杜全营．填丝脉冲 ＧＴＡＷ 熔池三维特征实时提取与智能 控制［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００６：３０－ ４３．

［８］ 王 兵．基于粗糙集理论的知识建模方法与焊接动态过 程知识模型的研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００３：１１５－ １４０．

图17 齿条组对与双机器人弧焊工作站

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《电焊机》杂志社 2013年 1 月 1 日

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