基于數(shù)字孿生的機器人焊接自動編程關(guān)鍵技術(shù)

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序言機器人焊接因其質(zhì)量穩(wěn)定、效率高、重復(fù)性好和柔性強的優(yōu)勢而越來越多地被應(yīng)用在智能制造領(lǐng)域，例如，汽車行業(yè)中機器人焊接應(yīng)用占比約40%。然而在海工裝備制造中，傳統(tǒng)的示教-再現(xiàn)型機器人卻很難大規(guī)模直接應(yīng)用于實際焊接生產(chǎn)中，其應(yīng)用不足2%。主要是因為在船舶海工焊接制造中存在著大量定制化非標(biāo)件，加上多品種、小批量的特點（見圖1），導(dǎo)致機器人不能應(yīng)用或者不適用，效率低下，迫切需要機器人焊接具有更高的適應(yīng)性和柔性。因此，要實現(xiàn)機器人智能化焊接在船舶、海工、鋼結(jié)構(gòu)和工程機械中的大規(guī)模應(yīng)用推廣，還有很多亟需解決的重要問題，其中機器人焊接自動編程技術(shù)是關(guān)鍵。

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關(guān)鍵技術(shù)

要在多品種、小批量、定制化非標(biāo)件的船舶海工裝備制造中實現(xiàn)大規(guī)模使用機器人焊接，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示，包括焊接自動編程技術(shù)、機器人焊接控形與控性技術(shù)和視覺傳感系統(tǒng)等。

機器人智能化焊接解決方案如圖3所示，其中機器人焊接自動編程是關(guān)鍵，主要包括焊接數(shù)字孿生、離線編程、3D視覺等關(guān)鍵技術(shù)。利用數(shù)字孿生系統(tǒng)快速自動編程，再利用3D視覺自動修正焊接軌跡，可提高焊接效率，實現(xiàn)多品種、小批量、定制化非標(biāo)件的機器人焊接，解決機器人智能化焊接在船舶海工裝備應(yīng)用中的一些痛點和難點問題，逐步實現(xiàn)智能焊接替代人工，讓機器人焊接在這些領(lǐng)域能用、好用。

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機器人焊接自動編程目前，市場上關(guān)于焊接的自動編程軟件有很多，如以色列的SmartTCP、ABB機器人的RobotStudio、KUKA機器人的Simpro編程軟件、發(fā)那科機器人的Roboguide、荷蘭的RinasWeld、澳大利亞臥龍崗大學(xué)的Verbotics及荷蘭的Delfoi機器人離線編程軟件等。機器人焊接自動編程流程如圖4所示，其實現(xiàn)主要包括以下4步。

第一步，模型導(dǎo)入與焊縫編輯。從三維設(shè)計軟件里導(dǎo)出焊接工件三維模型，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)對焊接工件模型進行編輯，設(shè)置焊縫，生成坡口并設(shè)置焊道焊接順序。

第二步，運動仿真與焊接仿真。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中編輯機器人焊接動作，進行運動仿真，確認(rèn)加工路徑正確、沒有碰撞，并生成機器人焊接路徑。

第三步，3D焊接軌跡校正。修正機器人實際焊接路徑，利用3D視覺掃描整個工件，對工件進行識別和空間定位，并校正三維零件模型和實際工件焊縫位置，獲得實際焊縫位置數(shù)據(jù)。第四步，焊接過程控制。機器人根據(jù)焊接指令運動到焊縫起始位置開始焊接，并利用激光視覺傳感對焊接過程進行實時焊縫跟蹤控制，利用被動視覺傳感系統(tǒng)對熔池進行實時監(jiān)控，最終完成工件的整個焊接。4

焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)“數(shù)字孿生”作為一種“改變游戲規(guī)則”的顛覆性技術(shù)，是傳統(tǒng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要驅(qū)動力量，可以實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間實時雙向同步映射及虛實交互，在虛擬信息空間構(gòu)建一個機器人焊接動態(tài)過程的虛擬系統(tǒng)，基于多傳感技術(shù)在虛擬空間中完成實物的精準(zhǔn)映射，實現(xiàn)對機器人焊接成形過程進行動態(tài)協(xié)同優(yōu)化控制，是實現(xiàn)機器人智能化焊接技術(shù)新的突破點。研究基于工業(yè)數(shù)字孿生驅(qū)動的機器人智能化焊接技術(shù)對機器人智能再制造技術(shù)的推廣具有重大意義。機器人焊接數(shù)字孿生的數(shù)字系統(tǒng)與實物系統(tǒng)如圖5所示。數(shù)字孿生是數(shù)字世界和物理世界深度融合的共生體，是智能制造應(yīng)用落地的一個重要手段，具備開放和動態(tài)制造場景的識別與適應(yīng)能力，對制造過程的實時感知與控制能力，以及實現(xiàn)系統(tǒng)的虛實交互與控制優(yōu)化，是下一代智能制造的關(guān)鍵。

焊接發(fā)展歷史悠久，焊接過程復(fù)雜多變，尤其是船舶海工裝備焊接件品種多、批量小、定制化非標(biāo)件多，裝配間隙不一致，以及工藝優(yōu)化滯后等，阻礙了機器人智能化焊接的發(fā)展?；跀?shù)字孿生系統(tǒng)的機器人智能化焊接采用離線編程方法，允許終端用戶以直觀、快速的方式對機器人進行編程，工人能夠自動配置焊接參數(shù)和編程機器人，生成機器人軌跡并將其自動發(fā)送到機器人系統(tǒng)，而無需使用機器人示教器，通過實時控制命令主動將機器人焊接過程保持在界限內(nèi)?；跀?shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)虛實數(shù)據(jù)交互融合，使焊接生產(chǎn)線物理實體與其數(shù)字孿生體實時聯(lián)動并相互映射，對機器人焊接生產(chǎn)過程進行實時反饋、迭代優(yōu)化、監(jiān)督報警等，為焊接過程提供決策建議，從而保證機器人焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

目前，基于數(shù)字孿生技術(shù)的建模和仿真與以往大不相同，不再是處于離線、獨立和特定階段存在的狀態(tài)，而是已經(jīng)實現(xiàn)了與真實的物理世界建立持久、實時、可交互的連接。在焊接中，數(shù)字孿生模型和機器人焊接裝備實物是相互影響的，是機器人智能化焊接的關(guān)鍵技術(shù)。上海柏楚電子科技股份有限公司開發(fā)的焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)建模及仿真軟件如圖6所示。5

視覺傳感技術(shù)視覺傳感器以非接觸特性、信息豐富、精度高、檢測速度快及適應(yīng)性強等優(yōu)點[6]，在數(shù)字孿生系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，是修正焊接軌跡、實現(xiàn)焊接自動編程的關(guān)鍵，被廣泛用于機器人焊接定位、焊接導(dǎo)引、焊縫跟蹤和焊接過程監(jiān)控中?；?D視覺的機器人智能化焊接數(shù)字孿生系統(tǒng)如圖7所示。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)字世界和物理世界的準(zhǔn)確協(xié)調(diào)聯(lián)動是關(guān)鍵，利用3D宏觀視覺技術(shù)，對工件整體形貌進行掃描，與工件模型進行比對后，可自動調(diào)節(jié)工件在數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)的位置，并且由系統(tǒng)再次計算修正焊接軌跡及空移軌跡，以及通過點云配準(zhǔn)對工件進行初定位（見圖8），實現(xiàn)機器人的自動編程焊接。6

結(jié)束語在船舶、海工、鋼結(jié)構(gòu)和工程機械等焊接制造中存在著大量定制化非標(biāo)件，傳統(tǒng)的示教-再現(xiàn)型機器人很難直接應(yīng)用于這些領(lǐng)域的實際焊接生產(chǎn)中?；跀?shù)字孿生及視覺傳感技術(shù)的機器人焊接自動編程是實現(xiàn)智能化焊接在多品種、