焊接机器人毕业设计的说明书 - 副本.docVIP

焊接机器人的智能化发展 林祥礼 摘要：本文简要介绍了焊接机器人的发展过程，在此基础上主要介绍基于焊接环境和过程视觉信息获取而展开的焊接机器人智能化技术发展及应用现状。 关键字：焊接机器人；视觉；智能化 0 引言 自从1959年第一台工业机器人U N I M A T E在美国诞生以来到现在，工业机器人经历了三个阶段，即示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半以上用于各种形式的焊接加工领域。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。目前，国内外大量应用的焊接机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的[1]。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制功能,这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格， 焊接时缺乏柔性，表现出明显的缺点。在实际弧焊过程中，焊接条件是经常变化的。如加工和装配上的误差会造成焊缝位置和尺寸的变化，焊接过程中工件受热及散热条件改变会造成焊道变形和熔透不均等诸多问题。 为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平是焊接机器人发展的必然趋势。从模拟焊工观察、判断与施焊操作的功能研究智能型焊接机器人关键技术，焊接环境的视觉信息获取与利用是智能化机器人的关键技术和主要标志之一。 1 机器人焊接智能化技术的主要构成 机器人智能化焊接技术集成了多门学科，具有典型的学科融合特点。将智能化技术引入焊接机器人所涉及的主要技术构成如图1所示。焊接机器人的智能化技术包括：焊接机器人对于焊接任务的自主规划技术；焊接机器人的导引跟踪运动轨迹控制技术；焊接环境识别以及焊接动态过程的信息传感、建模与智能控制技术；机器人焊接系统的集成与控制，将上述焊接任务规划、轨迹跟踪控制、传感系统、过程模型、智能控制等子系统的软硬件集成设计、统一优化调度与控制，涉及焊接柔性制造系统的物料流、信息流的管理与控制，多机器人与传感器、控制器的多智能单元协调以及基于网络通讯的远程控制技术等。 图 1 机器人智能化的技术构成 2 基于直接视觉信息的机器人焊接任务自主规划技术 弧焊机器人自主化技术之一是离线编程技术, 一个较为完整的弧焊机器人离线编程系统应包括焊接作业任务描述(语言编程或图形仿真)、操作手级路径规划、运动学和动力学算法及优化、针对焊接作业任务的关节级规划、规划结果动画仿真、规划结果离线修正、与机器人的通讯接口、利用传感器自主规划路径及进行在线路径修正等几大部分组成。其关键技术通常包括视觉传感器的设计以及焊缝信息的获取问题、规划控制器的设计问题[2]。弧焊机器人规划系统都包含了CAD输入系统、焊接专家系统、自主规划系统以及模拟仿真系统等。从更广泛的意义上讲，一个更完善的弧焊机器人规划系统应该还包括焊前传感系统、反馈控制系统以及焊后检 测系统。 3 焊接机器人初始焊位视觉识别与焊缝跟踪 实施机器人焊接的首要技术之一是如何寻找并引导机器人焊枪接近初始点，识别焊缝特征形式与走向实时控制机器人对中和跟踪焊缝[3]。从模拟焊工观察的功能来看，采用视觉传感器来识别焊缝特征是可行的。目前视觉传感器在焊接机器人中的应用已经成为机器人焊接传感器方面研究的热点，它在焊接机器人领域中的应用方向概括为三个方面：基于视觉信息的初始焊接位置识别与引导、焊缝跟踪和焊接成型传感[4]。 根据焊接机器人视觉系统的工作方式不同，可将用于焊接机器人视觉焊缝跟踪系统的视觉传感器分为：结构光式、激光扫描式和直接拍摄电弧式。其中结构光式和激光扫描式都属于主动视觉的方法，而直接拍摄电弧式是被动视觉方式。直接拍摄电弧式是通过CCD摄像机采集焊缝熔池区域的图像信息，然后用一系列的图像处理算法识别焊缝的中心位置，同时，通过主控计算机控制焊枪运动，实现对焊缝的精确控制。根据对被焊工件感知、焊接任务规划和焊缝信息的传感，机器人焊接智能化系统应能实现对各种复杂空间曲线焊缝的实时跟踪。机器人焊接操作是复杂的空间位移、相适应的焊枪姿态和优选的工艺参数的协调合成，机器人系统一方面要以较高的位置和姿态精度沿着焊缝移动焊枪，另一方面在运动过程中要不断协调焊接工艺参数，其相对一般的机器人系统对运动轨迹控制提出了更高的要求。 4 机器人焊接熔池动态过程的视觉传感、建模与智能控制技术 机器人能够完成高质量的焊接主要实现对焊接动态过程的精确控制。今年来，模拟焊工操作的智能控制方法已经引用到焊接动态过程，主要有熔池动态过程的视觉传感、建模与智能控制。 4.1 熔池视觉传感 对焊接过程而言，直接视觉是最好的非接触式传感形式。它的优点是不用接触工件，不会干扰正常的焊接过程，获取的信息量大。由于它可以直接得到熔池的二维或三维信息，与其他焊接过程检测方法相比，这