1. 引言

隨著先進制造技術的發展，實現焊接產品制造的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨勢[1-8]。目前，采用機器人焊接已成為焊接自動化技術現代化的主要標志。焊接機器人由于具有通用性強、工作可靠的優點，受到人們越來越多的重視。在焊接生產中采用機器人技術，可以提高生產率、改善勞動條件、穩定和保證焊接質量、實現小批量產品的焊接自動化[9]。

從60年代誕生和發展到現在，焊接機器人的研究經歷了三個階段，即示教再現階段、離線編程階段和自主編程階段。隨著計算機控制技術的不斷進步，使焊接機器人由單一的單機示教再現型向多傳感、智能化的柔性加工單元（系統）方向發展，實現由第二代向第三代的過渡將成為焊接機器人追求的目標[9,10]。

目前，國內外大量應用弧焊機器人系統從整體上看基本都屬于第一代或準二代的焊接由于焊接路徑和焊接參數是根據實際作業條件預先設置的，在焊接時缺少外部信息傳感和實時調整控制功能，這類弧焊機器人對焊接作業條件的穩定性要求嚴格，焊接時缺乏“柔性”，表現出明顯的缺點。在實際弧焊過程中，焊接條件是經常變化的，如加工和裝配上的誤差會造成焊縫位置和尺寸的變化，焊接過程中工件受熱及散熱條件改變會造成焊道變形和熔透不均[9,12]。為了克服機器人焊接過程中各種不確定性因素對焊接質量的影響，提高機器人作業的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊機器人系統不僅能實現空間焊縫的自動實時跟蹤，而且還能實現焊接參數的在線調整和焊縫質量的實時控制。

2. 機器人焊接智能化技術的主要構成

現代焊接技術具有典型的多學科交叉融合特點[5,11]，采用機器人焊接則是相關學科技術成果的集中體現。將智能化技術引入焊接機器人所涉及的主要技術構成可見圖1 所示。其中包括：

1）焊接機器人對于焊接任務的自主規劃技術；

2）焊接機器人的運動軌跡控制技術；

3）焊接動態過程的信息傳感、建模與智能控制技術；

4）機器人焊接系統的集成與控制，將上述焊接任務規劃、軌跡跟蹤控制、傳感系統、過程模型、智能控制等子系統的軟硬件集成設計、統一優化調度與控制，涉及焊接柔性制造系統的物料流、信息流的管理與控制，多機器人與傳感器、控制器的多智能單元與復雜系統的控制等。

下面對以上相關方面的主要技術研究與發展現狀分別作簡要敘述。

3. 機器人焊接任務自主規劃技術[13-16]

如前所述，國內外弧焊機器人多屬示教--再現型，它無法滿足焊接生產日益復雜的需要，還存在許多問題有待研究。有關弧焊機器人的研究逐步向自主化過渡，出現了弧焊機器人的離線編程技術，一個較為完整的弧焊機器人離線編程系統應包括焊接作業任務描述(語言編程或圖形仿真)、操作手級路徑規劃、運動學和動力學算法及優化、針對焊接作業任務的關節級規劃、規劃結果動畫仿真、規劃結果離線修正、與機器人的通訊接口(downloading)、利用傳感器自主規劃路徑及進行在線路徑修正等幾大部分組成。其關鍵技術通常包括視覺傳感器的設計以及焊縫信息的獲取問題、規劃控制器的設計問題。

在1987年的自動化及機器人焊接國際會議上，專家對離線編程的發展進行了總結，其中最有代表性的工作是WRAPS系統。K.H.Goh等人在一個焊接工作站FANUC/WESTWOOD上建立了基于專家系統的焊接機器人自適應離線編程和控制系統—WRAPS，它包括焊接數據庫、離線編程、計算機仿真和焊接專家系統。它還配有視覺傳感器進行焊前接頭檢測和焊后缺陷檢測，從而構成了一個完整的專家焊接機器人系統。

國內哈工大研究人員對焊接機器人的無碰路徑規劃、具有冗余度弧焊機器人自主規劃以及焊接工藝參數聯合規劃問題的研究工作[14-16]，設計開發了離線規劃與仿真系統模塊結構如圖2所示。

圖2 離線規劃及仿真系統的結構
弧焊機器人規劃系統都包含了CAD輸入系統、焊接專家系統、自主規劃系統以及模擬仿真系統等。從更廣泛的意義上講，一個更完善的弧焊機器人規劃系統應該還包括反饋控制系統、焊前傳感系統以及焊后檢測系統。

4．機器人焊接的焊縫跟蹤與導引技術

就機器人焊接作業而言，焊接機器人的運動軌跡控制主要指初始焊位導引與焊縫跟蹤控制技術。在弧焊機器人的各種應用領域，適應能力都是影響焊接質量和焊接效率的最重要因素。弧焊機器人的適應能力即采用從焊接工件檢測到的傳感器的輸入信號實時控制和修正機器人的操作，以適應變化了的焊接條件和環境。

瑞典和美國公司曾先后研制出激光掃描和結構光視覺傳感器用于焊縫跟蹤系統。國內哈工大的呂偉新、張炯博士研制了基于激光掃描和高性能線陣CCD敏感器的視覺系統，見圖4，實現實時視覺控制[13]。

在初始焊位機器人視覺導引技術研究方面，呂偉新博士基于激光掃描視覺系統，設計了局部搜索算法，實現了對一定工件焊縫特征在一定范圍的自主導引[13]。郭振民和李金泉分別采用視覺伺服和圖象識別技術探討了機器人焊接初始焊位導引和焊縫識別與實時跟蹤問題。

5．焊接熔池動態過程的視覺傳感、建模與智能控制技術

機器人焊接的高質量關鍵在于實現對于焊接動態過程的有效精確的控制。由于焊接過程的復雜性，實踐表明經典的控制方法有效性受到較大的限制。受熟練焊工操作技藝的啟發，近年來，模擬焊工操作的智能控制方法已被引入焊接動態過程，主要涉及熔池動態視過程的視覺傳感、建模與智能控制。

5．1 焊接過程的傳感技術

焊接過程的傳感，是實現焊接過程質量控制的關鍵環節。未來焊接發展的趨勢是焊接自動化、機器人化及智能化，而傳感技術是這一發展中最重要的部分。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。

聲學傳感器主要用于GMAW過程熔滴過渡的檢測、等離子穿孔焊等。力學傳感主要指近年來發展起來的熔池振蕩法。電弧傳感器由于直接檢測電弧自身的特性(電流，弧壓)，不需要外加傳感器以及外加傳感器所需的保護和去噪裝置，使應用變得簡單。目前的應用領域主要是焊縫跟蹤和熔敷控制。與其它傳感方法相比，光學傳感器不與焊接回路接觸，信號的檢測不影響正常焊接過程，是將來最有發展前景的傳感技術之一。利用焊接區的紅外熱輻射傳感焊接過程信息是光學傳感中一種自成體系的方法，這方面的研究成果也較多[16]。