2013/4/9 0:00:00
弧焊机器人的焊接质量决定其实用化程度。焊接质量控制的对象主要有引弧稳定性、燃弧电流电压、送丝速度、弧长、干伸长、熔滴过渡、飞溅、气体流量、焊缝起点与终点、熔宽、熔深、熔透、余高、热影响区等[1]。
但是焊接过程是—种受多参数制约，多随机干扰影响的复杂的工艺过程，实际的焊接条件不断改变，这对焊接质量造成很大的影响。它是一个典型的多输入多输出的非线性时变的系统，是控制领域难点之一。弧焊机器人的应用提高了焊接质量检测与控制的效率、精确度和自动化程度。近20年来，国内外围绕弧焊机器人焊接质量进行了广泛的研究。
1 弧焊机器人焊接质量控制系统结构
弧焊机器人良好的焊接质量是复杂的空间位移、相适应的焊枪姿态、优选的焊接工艺参数的协调。系统对焊接环境观察和识别，运用知识库的推理和判断，实时给出机器人运动轨迹、姿态、焊接方法、工艺参数的最适当的可执行方案，并能够在焊接过程中利用传感信息实时修正规划的执行，它还包括反馈控制系统、焊前传感系统和焊后检测系统等[2]。
提高弧焊机器人的焊接质量，需要研制具有对焊接环境感知的视觉传感、熔池的监控、焊缝跟踪、工艺专家系统指导、自主规划与轨迹修正、焊缝成形及质量智能控制功能的智能化焊接机器人，具备模拟焊工智能行为的基本机器人单元。实现这些功能的相关技术有：数字化焊接电源及控制、专家系统、焊接规划、焊缝跟踪、焊接动态过程建模与控制，以及遥控技术、离线编程、虚拟现实、多智能体协调、先进焊接技术等智能化焊接机器人技术。
焊接质量是系统的控制目标，实时检测的焊接动态过程信息作为反馈信号，主控制器结合焊接工艺参数规划系统对各部分协调控制，机器人运动控制系统、视觉伺服系统、弧焊电源控制系统分别控制机器人运动、焊缝跟踪、焊接动态过程。
2 数字化弧焊电源及控制技术
弧焊电源是机器人焊接质量的基础，为了得到良好的焊接质量，弧焊机器人系统应具备引弧收弧性能良好、空间复杂焊缝光滑过渡、焊缝自动识别和均匀填充、低飞溅高质量焊接等功能，因此弧焊电源在焊接规范参数和动态响应速度上要精确配合。由于模拟式弧焊电源电路设计效率低，调试周期长，控制精度低、可靠性差，而数字化弧焊电源稳定性和一致性好、控制精度高、和机器人接口兼容、能够实现柔性化控制和多功能集成、便于功能升级，因此机器人用弧焊电源大多为单片微机控制的MOSFET、IGBT式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制、专家系统等智能控制技术[3]。数字化焊接电源是目前研究热点，包括功率电路数字化和控制电路数字化。
弧焊逆变器使功率电路由模拟状态变为开关状态，实现了数字化。功率开关元件经历了晶闸管（SCR）、晶体管（GTR）、场效应管（MOS-FET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）的发展历程, 其特性比较如表 1。从电路型式看，现在应用较多的是硬开关型弧焊电源，功率器件工作在强迫关断（电流不为0）或导通（电压不为0）状态下, 开关损耗大，存在电压尖峰和浪涌电流。软开关型弧焊电源采用谐振变流技术, 功率器件在零电压或零电流自然开关，接近零损耗，消除高频产生的电压尖峰和浪涌电流，减少电磁干扰和射频干扰，提高可靠性。以IGBT作为功率器件的软开关式弧焊电源成为目前功率电路的发展趋势。
高性能单片机、DSP使弧焊电源的控制电路实现了数字化。通过电流、电压负反馈的不同组合获得恒流、恒压、不同斜率、恒功率等外特性的任意控制，满足弧焊机器人不同焊接方法和场合的需要；运用电子电抗器控制短路电流变化率；通过检测电流、电压信号判断电弧动态行为，采用诸如PID等的动态控制算法实现良好的动特性控制；采用电流波形控制，获得各种适合焊接的电流波形，实现焊接电流任意精度控制，减少飞溅，得到良好的焊缝成形。
Fronius、Kemppi、EWM、OTC、松下等国外知名公司都进行了数字化弧焊电源的研究，推出一系列数字化焊机产品，以DSP和高频率的逆变器的应用为其主要特征。Fronius公司生产的TPS系列焊机是全数字化焊机的代表[3]，采用了MCU+DSP相结合的双机控制的场效应管式逆变器, 输出外特性可任意调节，具有焊接工艺规范化、适用性强、焊接参数离线处理等众多优点。
弧焊电源的控制主要是实现焊接电流、电压、送丝速度等工艺参数的定值或跟踪控制。文献[4]提出了自适应滑模控制实现SMAW焊的自动控制，通过控制送丝速度，达到恒流控制。应用ARX模型辨识焊接电源系统的数学模型，焊接电流误差信号作为滑模控制器的输入，自适应率估计扰动，采用函数切换控制，达到良好的焊接效果。文献[5]对GMAW焊设计了分散控制器, 分别建立电源系统和送丝系统的数学模型，对电源系统设计了比例控制器，被控对象是焊接电压, 对送丝系统设计了滑模控制器，被控对象是焊接电流，通过焊接电流及其变化率设计滑动面。控制系统的响应速度快，控制精度高。
3 焊接专家系统
专家系统（Expert System）是采用基于知识的程序设计方法建立起来的，运用大量的专门知识解决问题的计算机程序系统。
焊接专家系统主要涉及焊接工艺设计或工艺选择（包括单因素的焊接材料选择或焊接方法选择）、焊接缺陷或设备故障诊断、焊接成本估算、实时监控、焊接 CAD（疲劳设计、符号绘制）和焊工考试等。一些国家单独或联合制定了专门的开发计划：美国焊接研究所的焊接信息网（WIN）计划、欧洲尤里卡计划EU259 （EU-ROWELD）、日本大阪大学焊接研究所的焊接专家系统开发计划（WELSYS）、德国焊接研究所的信息联合焊接技术计划（IS）等[6]。
在焊接工艺专家系统方面，美国焊接研究所开发的Weldselector有150条规则，适用于100 多种母材，能为用户对焊接方法和焊接材料做出选择。文献[7]采用VC作为开发环境，Access 作为数据库开发工具，实现了焊接工艺参数在线调整, 并可解释推理出的规范参数，数据库技术实现了对大量数据和知识的存储及管理。
在焊接缺陷或设备故障诊断专家系统中，曼苏尔大学设计的AutoWDI系统是一个自动监测气体管道焊接缺陷的专家视觉系统[8]，通过X光照片捕获图像信息识别缺陷，根据专家、国际标准的知识产生决策信息，可监测11种主要的焊接缺陷。文献[9]设计了模糊专家系统用于焊接缺陷分类，模糊规则是从经验数据估计和比较中得到的。该系统与模糊K最近邻算法和基于bootstrap方法的多层感知神经网络方法相比较，具有更好的分类精度。
这些焊接专家系统只涉及到知识表达和智能推理两部分，没有从根本上突破知识获取瓶颈，制约专家系统发展，现行的专家系统通用性低。由于专家系统能实现时变非线性系统的控制，克服焊接过程多参数目标难以协调的缺点，是目前研究的重点。
4 焊接动态过程建模与控制
焊接动态过程的研究主要集中在焊接熔池的动态过程的研究，包括熔池形成、熔深、熔宽、熔透和焊缝成形的变化过程。机器人本身对焊接动态过程的变化和随机因素的干扰如焊接形变、散热突变、焊材厚度、电源波动及参数的漂移与波动缺乏自适应能力。因此焊接动态过程建模与控制是决定弧焊机器人焊接质量的关键技术之一。
4.1 焊接动态过程的建模与优化
焊接是一个复杂的过程，电弧是一个多输入多输出、强耦合、非线性时变的受控对象，电源-电弧系统具有时变、非线性及干扰因素多等特点，经典的基于机理分析与数值模拟的建模方法具有较大的局限性。通过提取焊接过程数据中隐含的知识模型，建立反映熔深、焊缝宽度、焊缝面积、焊缝余高等直接焊接参数与焊接电压、电流、焊接速度、送丝速度、电极角等间接焊接参数之间的数学映射或知识模型, 有利于进一步分析焊接过程和设计控制器。
4.1.1 回归分析法
回归分析（Regression Analysis）是利用试验数据估计因变量关于自变量的回归模型，是研究随机不确定数据关系的有效方法。Kim等[10]通过因子方法研究机器人CO2焊参数与熔滴熔透的关系，预测期望熔深，由实验数据线性回归建立的数学模型，用于对焊接过程变量的控制，达到理想的熔池几何尺寸。文献[11]进行CO2短路过渡焊接飞溅预测的研究，从电信号中提取燃弧时间、短路时间、电流峰值、过渡频率、起弧作用功、熄弧作用功作为自变量矩阵，以焊接飞溅率作为因变量矩阵，通过偏最小二乘回归方法（PLSR）分析，建立飞溅模型，评估焊接过程稳定性。
4.1.2 响应曲面法
响应曲面法（Response Surface M