我国焊接自动化技术的发展的现状及趋势、工业机器人技术与应用

1、摘要学术周讲座为我们介绍了五个课题，分别为现代焊接设备与控制技术、工业机器人技术及应用、铁路工务检测技术、智能制造、炼铁高炉数字化技术与应用。在这份报告里着重介绍我国焊接自动化技术的发展的现状及趋势、工业机器人技术与应用和智能制造方面的内容。1 我国焊接自动化技术的发展的现状及趋势我国的焊接自动化技术的发展与应用起步较晚。50 年代初期 , 国家建设了一批大型现代化骨干企业 , 首先从研制自动焊接装备开始发展焊接自动化技术。随着科学技术的进步和我国工业化的发展, 我国的焊接自动化技术水平不断发展与提高, 50年来已取得了很大的成就。现代自动化技术主要依靠计算机控制技术来实现。焊接生产自动化是焊

2、接结构生产技术发展的方向。 现代焊接自动化技术将在高性能的微机波控焊接电源基础上发展智能化焊接设备, 在现有的焊接机器人基础上发展柔性焊接工作站和焊接生产线, 最终实现焊接计算机集成制造系统 cims 。在焊接设备中发展应用微机自动化控制技术, 如数控焊接电源、智能焊机、全自动专用焊机和柔性焊接机器人工作站。微机控制系统在各种自动焊接与切割设备中的作用不仅是控制各项焊接参数, 而且必须能够自动协调成套焊接设备各组成部分的动作 , 实现无人操作 , 即实现焊接生产数控化、自动化与智能化。微机控制焊接电源已成为自动化专用焊机的主体和智能焊接设备的基础。如微机控制的晶闸管弧焊电源、晶体管弧焊电源、逆

3、变弧焊电源、多功能弧焊电源、脉冲弧焊电源等。微机控制的 igbt 式逆变焊接电源, 是实现智能化控制的理想设备 , 目前我国正大力发展和推广应用。在焊接生产中经常需要根据焊件特点设计与制造自动化的焊接工艺装备, 如焊接机床、焊接中心、焊接生产线等自制的成套焊接设备 , 大多可采用通用的焊接电源、自动焊机头、送丝机构、焊车等设备组合 , 并由一个可编程的微机控制系统将其统一协调成一个整体。发展成套焊接设备的微机控制自动化技术, 优化选择目前已较成熟的微机控制焊机研究成果 , 在制造工艺上加以改进 , 使之便于批量生产, 形成规模 , 产生效益 , 可以收到事半功倍的效果。微机控制晶闸管焊接电源

4、, 具有制造容易、成本低廉、过载能力强、维修方便等传统优点, 其数控功能中除波控功能差一些外, 可实现静、动特性优化控制, 焊接参数编程记忆控制与自适应控制, 还可实现一机多能。 这种焊机在今后仍将是埋弧焊、tig 焊等通用或专用焊接设备的基本组成部分。如能通过批量生产来提高其性能与可靠性的话, 微机控制晶闸管焊接电源将以其制造及调试容易、系列化、 多功能化、 程控化方便等突出优点受到广大焊接工作者的欢迎。igbt 逆变焊机 , 国内的研究水平已相当高 , 这种焊机加上微机波形控制后是较理想的智能化焊接电源。目前要形成规模生产的关键问题之一是器件参数分散对电路可靠性的影响 , 其解决途径之一可

5、能就是利用微机的自适应控制功能。另外 , 也应借鉴国外的先进技术来发展有前途的高档焊接电源 , 以促我国的 co2 、mig 焊、mag 焊等高效节能焊接方法与设备的全面发展。工业发达国家现在已大量使用焊接机器人来进行自动化焊接生产。现代焊接机器人大多为柔性自动化工作站或焊接生产线。是由焊接机器人焊接、电源、焊接工艺装备、上下料机械手等的不同组合 , 以及离线 cad 仿真编程构成的, 用微机对其系统进行控制。柔性机器人工作站提高了焊接机器人的利用率, 避免了过去刚性机器人很难适应焊接产品变更的缺点 , 可适用于各种批量的生产线 , 因而是非常受欢迎的一种焊接自动化途径。柔性焊接机器人工作站随

6、着其价格的不断降低将在我国逐步推广应用, 代表了成套焊接设备的微机自动化控制技术的一个发展方向。焊接设备如焊接变压器、硅弧焊整流器、 晶闸管式弧焊整流器、脉冲弧焊电源、逆变焊电源等。将微机控制焊接电源与焊接过程的传感技术结合起来, 发展了视觉跟踪、熔深控制等智能焊接设备。近年来 , 我国正在努力发展各种气体保护设备的计算机智能控制技术 , 如波控技术、脉冲焊 synergic 控制技术、 电弧参数模糊控制技术、一元化控制技术等。应用微机控制系统将一组焊设备有机结合起来 , 就可以实现低成本的自动化焊接生产。若采用可编程序控制器就容易将现有的焊接设备或焊接生产线改造成逻辑顺序控制的自动化成套焊接

7、设备。此时 , 如结合应用微机控制焊接电源等技术就可以进一步达到实时控制焊接过程的智能化功能。焊接过程控制系统的智能化是焊接生产自动化的核心问题之一。把人工智能技术引入焊接设备形成了焊接设备的智能控制系统, 这一领域具有代表性的是焊接过程的模糊控制系统、神径网络控制系统和焊接专家系统。其显著特点是控制过程涉及领域专家的知识经验建立知识库及推理实现相应, 的决策 , 进行控制。在高性能波控焊接电源基础上发展智能化的焊接设备 , 是今后焊接设备的发展方向。焊接工程中专家系统的建立成为智能化焊接设备的研究基础。目前应加强适用的高性能的焊接专家系统的基础研究。以焊接机器人为核心的柔性智能焊接自动化技术

8、的广泛应用, 焊接专家系统的普及已是国际国内公认的发展方向。目前 , 我国的焊接软件研究与应用已取得可喜的成果, 且有广阔的发展与应用前景。但与国外相比还有很大差距, 真正形成商品化的软件很少 , 产品数量远不能满足实际需要, 质量上也不可避免的存在一些问题。由于我国执行的焊接标准与国外有所不同, 自主开发适应国情厂情的焊接应用软件是唯一可行的道路。为此应着手从以下几个方面开展工作: 在研究方面应有更多的人投入到焊接软件研究中来 , 进一步研究开发模块化的微机控制系统硬件与软件产品 , 开发出一些适合特殊要求的专用软件 ; 加强焊接设备智能化控制的实用性研究 , 开发出更多的具有良好通用性、适

9、用性的产品 , 如自动模糊控制、自校正 pid 参数等先进的控制方法来提高控制气体保护熔滴过渡性能 , 采用ccd 等较成熟的视觉传感技术来控制熔深及跟踪焊缝等。焊接工程技术人员需要尽快地熟悉计算机和网络, 以便适应新技术的发展。在开发方式方面可采取 2 种途径 : 一是以企业自身的技术力量为主进行开发 , 如太原重型机器厂、 富拉尔基第一重型机器厂、大连造船厂、上海港机厂等都开发了一些适用于本企业的焊接应用软件; 二是企业和高等学校或科研院所合作进行开发 , 如清华大学与中国石油化工总公司、徐州工程机械厂等单位的合作, 哈尔滨工业大学与哈尔滨锅炉厂的合作等。在与企业的紧密合作下完成的专家系统

10、 , 一般都能保证软件的质量和实用性。如清华大学研制的“实用型弧焊工艺制订与咨询专家系统”和“通用型弧焊工艺专家系统”、哈尔滨工业大学与哈尔滨锅炉厂联合研制的 “焊接工艺数据库及专家系统”等都有较好的适用性和再开发能力。把焊接专家系统运用人工智能的思想移植到焊接设备的控制中 , 作为智能化焊接设备的开发基础。这些设备可以是整机结构的专用焊机, 也可以是积木式的组合结构, 如选用微机控制的自动焊头、跟踪器、 视觉控制器、 焊接参数编程器等产品灵活组合成实用的智能化焊机, 因而可能更切合焊接生产实际。计算机集成制造系统 cims(computer interqraied manufacturing

11、 system) 是目前正处在发展阶段的高科技产品。焊接生产所用的 cims 系统是以焊接机器人为中心, 在数控焊机及相应的工艺装备等技术保障的基础上, 集信息流、 物资流于一体的集成制造系统。在焊接结构生产中的 cims 是集下料、装配、焊接等为一体的机器人生产中心 , 实现焊接生产真正的高精度、全自动化的现代化革命 , 是未来焊接生产的发展方向。将焊接机器人与机械手、多自由度转胎和变位器等组合 , 并用微机对其进行综合控制 , 构成柔性工作站或生产线, 是解决小批量焊接生产自动化的一个路子。焊接生产柔性化的发展是能识别环境并随时精确跟踪焊缝轨迹及调整焊接参数的智能机器人 , 并研究其传感技

12、术及控制技术。通常 , 焊接机器人焊枪运动的轨迹是由操作人员将焊枪先沿焊缝行走一次的示教方法来实现的。随着计算机软硬件能力的提高 , 现在计算机根据 cad 图库中焊缝空间位置进行预先的离线编程 , 再将控制焊接参数的传感器所获得的数值经计算机处理后, 用以调节焊接电源、送丝机构和焊枪的空间位置。开展焊接 cims 技术应是分步实施、逐步取得效益的过程。加强系统中、底层设备智能化和自由性方面的研究以简化计算机控制和管理系统以及工程设计系统的上层系统 ; 注重系统中信息流和物资流的结合以大大降低信息量和降低适时控制的要求 , 注重发挥人在系统中的作用 , 使人与自动系统和谐统一, 以发挥人在识别

13、和情况发生变化时的响应和判断能力 ; 最终要发展将焊接生产集成到全厂的生产系统中, 成为整个企业集成制造系统的一个有机部分。 90 年代以来 , 我国已在造船、桥梁、建筑、汽车、工程机械等行业中发展应用了 cims 系统的子项目。焊接结构生产的 cims 系统可以实现焊接过程的无人操作 , 并大大提高劳动生产效率, 但不等于无人化的自动工厂, 而是体现了人类专家和计算机、机器人等新技术更密切的结合。这是当前市场千变万化 , 企业面临极大竞争, 产品需要更多品种、小批量而又缺乏有丰富经验的技术人员和熟练工人的情况下焊接生产的一个方面。建立一个完整的焊接 cims 系统需要巨额投资以及相应的技术力

14、量 , 对一个企业来说 , 可能是一个分步实施、 逐步取得效益的过程。2 工业机器人技术与应用机器人技术是高科技的重要组成部分，融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多领域的前沿技术。机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、 能在三维空间完成各种作业的机电一体化生产设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产， 对稳定、 提高产品质量，提高生产效率， 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。一个机器人系统一般由操作机（机械本体）、驱动单元、控制器和为机器人进行作业而连接的外部设备组成。操作机是机器人完成作业的实体，它具有与人手臂相似的动作功能；驱动

15、单元是用来为操作机及各部件提供动力和运动的装置；控制器是对机器人的起动、停止等进行操作的装置， 它指挥机器人按规定的要求动作；人工智能系统是智能机器人所具有的，它包括了感觉系统和决策、规划智能系统。机器人技术应用非常广泛，不同的机器人的应用领域不同，尤其是工业机器人，在制造业和其他行业中广泛应用。点焊、弧焊机器人: 应用在汽车、摩托车、工程机械、锅炉等领域，如点焊汽车底盘、车体等其他部件，弧焊也可用于装配。喷涂机器人 : 应用于汽车、建材、家电、机械行业。如汽车整车自动喷漆，汽车发动机、保险杠、弹簧、板簧、驾驶室等自动喷漆，卫生陶瓷等自动喷釉，玻璃纤维加强水泥预制板的喷涂，电视机、电冰箱、洗衣

16、机、电脑、手机等外壳自动喷漆，减速器等自动喷漆，汽车灯、车门防水帘、车身底板、塑料件等自动涂胶等。搬运机器人 : 应用于机械、汽车制造业，用以完成产品和物料的自动输送。网络机器人 : 应用在通信和远距离控制，承担环境观测等工作，如几个机器人连到网络上，通过网架实现动作等。其他机器人如军用机器人，爆炸物处理机器人，检测航路和障碍物机器人，加汽油机器人、定量加注汽油、柴油、润滑油、清洁液、防冻液等，水下机器人、探月车等。国外机器人领域发展近些年有如下趋势：工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高功能性，便于操作和维修），而单机价格不断下降。机械结构向模块化、可重构化发展。控制系统向基于pc机的开

17、放性控制器方向发展，其成本低，具有标准网络功能，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。有视觉、声觉、 力觉、 触觉等传感器的隔合技术的传感器数量呈上升趋势，多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟现实技术在机器人中的作用，从仿真预演发展到用于过程控制。机器人遥控技术，多机器人与人之间协调控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。机器人化机械开始兴起。从1994 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，各国纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从上世纪80 年代开始开发，至今也有了很大的发展，已基本上掌握了机器人操作的设计制造技

18、术，控制系统硬件和软件设计运动学与轨迹规划，也开发出了一些机器人。3 智能制造智能制造源于人工智能的研究。一般认为智能是知识和智力的总和，前者是智能的基础，后者是指获取和运用知识求解的能力。智能制造应当包含智能制造技术和智能制造系统，智能制造系统不仅能够在实践中不断地充实知识库，具有自学习功能， 还有搜集与理解环境信息和自身的信息，并进行分析判断和规划自身行为的能力。智能制造（ intelligent manufacturing，im）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。 通过人与智能机器的合作共事，去扩大、

19、 延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。英飞凌一直致力于智能制造领域的发展，此次和西安交通大学签署战略合作协议，成立“西安交通大学- 英飞凌智能制造管理联合实验室”，双方将建立长期、全面的战略合作伙伴关系，充分利用各自的经验、技术和资源致力于智能制造领域。谈起智能制造，首先应介绍日本在1990 年 4 月所倡导的“智能制造系统ims”国际合作研究计划。许多发达国家如美国、欧洲共同体、加拿大、澳大利亚等参加了该项计划。该计划共计划投资10 亿美元，对100 个项目实施前期科研计划。毫无疑问， 智能化是制造自动化的发展方向。在制

20、造过程的各个环节几乎都广泛应用人工智能技术。专家系统技术可以用于工程设计，工艺过程设计，生产调度，故障诊断等。也可以将神经网络和模糊控制技术等先进的计算机智能方法应用于产品配方，生产调度等， 实现制造过程智能化。而人工智能技术尤其适合于解决特别复杂和不确定的问题。但同样显然的是， 要在企业制造的全过程中全部实现智能化，如果不是完全做不到的事情，至少也是在遥远的将来。 有人甚至提出这样的问题，下个世纪会实现智能自动化吗？而如果只是在企业的某个局部环节实现智能化，而又无法保证全局的优化，则这种智能化的意义是有限的。dnc早期只是作为解决数控设备通讯的网络平台，随着客户的不断发展和成长，仅仅解决设备

21、联网已远远不能满足现代制造企业的需求。早在 90 年代初， 美国 predator software inc 就赋予 dnc更广阔的内涵生产设备和工位智能化联网管理系统，这也是全球范围内最早且使用最成熟的“物联网”技术车间内“物联网”，这也使得dnc成为离散制造业mes 系统必备的底层平台。dnc必须能够承载更多的信息。同时dnc 系统必须能有效的结合先进的数字化的数据录入或读出技术，如条码技术、射频技术、触屏技术等，帮助企业实现生产工位数字化。predator dnc系统的基本功能既是使用1 台服务器，对企业生产现场所有数控设备进行集中智能化联网管理（目前已能在64 位机上实现对4096 台

22、设备集中联网管理）。所有程序编程人员可以在自己的pc上进行编程，并上传至dnc服务器指定的目录下，而后现场设备操作者即可通过设备cnc控制器发送 “下载 （load ）”指令， 从服务器中下载所需的程序，待程序加工完毕后再通过dnc 网络回传至服务器中，由程序管理员或工艺人员进行比较或归档。这种方式首先大大减少了数控程序的准备时间，消除了人员在工艺室与设备端的奔波，并且可完全确保程序的完整性和可靠性，消除了很多人为导致的“失误”，最重要的是通过这套成熟的系统，将企业生产过程中所使用的所有nc程序都能合理有效的集中管理起来。从广义概念上来理解，cims （计算机集成制造系统），敏捷制造等都可以看

23、作是智能自动化的例子。的确，除了制造过程本身可以实现智能化外，还可以逐步实现智能设计，智能管理等， 再加上信息集成， 全局优化， 逐步提高系统的智能化水平，最终建立智能制造系统。这可能是实现智能制造的一种可行途径。从智能制造系统的本质特征出发，在分布式制造网络环境中，根据分布式集成的基本思想，应用分布式人工智能中多agent 系统的理论与方法，实现制造单元的柔性智能化与基于网络的制造系统柔性智能化集成。根据分布系统的同构特征，在智能制造系统的一种局域实现形式基础上，实际也反映了基于internet的全球制造网络环境下智能制造系统的实现模式。智能制造系统的本质特征是个体制造单元的“自主性”与系统整体的“自组织能力”，其基本格局是分布式多自主体智能系统。基于这一思想，同时考虑基于internet的全球制造网络环境，可以提出适用于中小企业单位的分布式网络化ims 的基本构架。一方面通过agent 赋予各制造单元以自主权，使其自治独立、功能完善；另一方面，通过agent 之间的协同与合作，赋予系统自组织能力。基于以上构架，结合数控加工系统，开发分布式网络化原型系统相应的可由系统经理、任务规划、设计和生产者等四个结点组