在现代制造业中，焊接作为一项关键的连接技术，其质量和效率对产品的性能和生产成本有着深远影响。随着科技的飞速发展，机器人智能化焊接技术应运而生，成为推动焊接领域变革的重要力量。电子展小编觉得，它不仅提高了焊接的精度和稳定性，还很大地提升了生产效率，降低了人工成本，成为制造业升级的关键技术之一。

1、能源化工、船舶海工、特种车辆等领域的制造技术体现了我国装备制造水平，其工艺管道、压力容器、大型筒体及钢结构等中厚板主体结构承受巨大载荷，焊缝接头是很薄弱的环节，直接影响装备功能、性能和安全可靠性，而上述构件均具有大尺度、大厚度、高强度、焊道数量多及结构分布复杂等特征，导致加工成形和组装尺寸变化大，焊缝坡口尺寸误差大、轨迹重复性差、构件拘束应力严重，容易发生焊偏、焊漏、裂纹及未熔合等缺陷，使得行业内长期面临经验要求高、劳动强度大、质量控制难等现实问题，迫切需要实现机器人智能化焊接。

国内外学者从焊前、焊中等关键环节出发，分别围绕焊缝感知与检测、路径与工艺规划、过程控制等技术开展了大量研究，包括基于中值滤波、Canny边缘检测、阈值分割及模板匹配等传统图像处理方法进行焊缝识别以及特征提取；采用基于规则或几何模型的经典路径规划方法（A搜索算法、快速扩展随机树等）进行焊接路径规划；采用田口法、线性回归法、响应曲面法等试验与数据拟合方法进行焊接参数规划；在过程控制层面，则主要依托模糊控制理论构建实时控制系统。然而上述成果在实际应用中仍然面临扫描精度低、工艺规划模型泛化能力不足、动态控制响应延迟等关键问题。

2、焊接智能规划技术传统机器人“示教-在线”模式在焊前路径及工艺参数规划方面广泛存在规划效率低、环境适应性不足的问题，特别是针对中厚壁多层道、复杂结构件劣势更为明显，因此提高机器人焊接路径及工艺参数规划智能化程度，对于提高焊接生产效率和质量意义重大。

2.1 焊接路径智能规划机器人焊前路径规划首先需要获取焊缝局部或全局坡口特征，当前主要通过工件CAD平面或三维模型以及激光视觉扫描等方式获得。工件CAD模型可直接用于离线编程软件进行路径规划，具有编程效率高、路径一致性好的优势，但由于缺乏实时环境感知能力，其适应性受到局限。相比之下，基于视觉扫描的焊缝识别技术能够实时获取工件三维形貌及焊缝特征数据，显著提升了系统对装配误差、热变形等工况变化的适应能力。研究通常采用多目标智能优化算法进行焊接路径规划，以便于同时考虑避障、路径长度、焊接变形及能耗等多个约束，包括进化算法（EA）、粒子群优化算法（PSO）、免疫优化算法（IOA）等。

2.2 焊接参数智能规划由于工艺参数规划涉及工件属性、焊接位置、力学性能要求等多个因素，且不同参数间呈现非线性，因此国内外主要借助专家系统或者机器学习模型（ML）来实现焊接工艺规划。

3、焊接过程智能感知调控技术由于焊接坡口组对间隙/错边量、焊枪/坡口位置动态变化、钨极烧损等多种变化因素，容易出现烧穿、未熔透、侧壁未熔合等成形缺陷。采用焊接过程电信号、熔池视觉、光谱等传感手段，并实时分析焊接过程质量，是提高焊接质量的重要手段之一。

3.1 焊接过程动态感知分析技术焊接过程传感方式主要有电信号、视觉、电弧声及多种信号协同的多模态传感等方式。视觉传感凭借其多维时空分辨率优势，在焊接过程智能监测领域展现出独特应用价值。主动视觉通过光场调制策略构建熔池反射图样与表面形貌的映射模型，实现亚毫米级三维形貌重构及动态特征解析。被动视觉则聚焦于先进图像处理算法开发。

3.2 焊接过程自适应调控技术由于焊接过程中母材不可避免地发生热变形，出现坡口尺寸动态变化，同时叠加焊前工艺参数、路径规划误差等加剧了质量失稳风险，因此准确全面感知焊接过程，建立动态补偿模型实现复杂场景下自适应调整，是提高焊接质量的重要方法。近年来，相关研究中多借助模糊控制、神经网络等智能控制方法来实现焊接过程在线调整。

4、数字孪生与虚拟现实技术数字孪生技术通过物理层感知并集成的车间各类数据，建立高精度虚拟仿真模型，通过在模型层分析物理层划分合理性，并将分析结果通过信息融合层反馈到物理层，反复迭代，进而改进车间划分方案。基于虚拟现实（VR）技术建立虚拟车间和真实物理车间高精度实时同步，可以在仿真车间完成人员培训及生产过程的动态实时监控。此外，还可借助各类传感装置、人机交互设备收集生产过程数据，通过数字孪生建模来实现生产线能力评估与调度优化。通过实时数据模拟物理实体在实际生产线上的行为而进行焊接路径及工艺优化。

5、人机协同与仿生智能技术

5.1 人机协同技术近年来，部分机器人厂家相继研制出了可应用于工业环境的协作焊接机器人。这些协作焊接机器人具有简易部署、操作简便、安全高效等显著特征，但由于焊接路径及工艺参数规划等问题的复杂性，决策过程几乎完全依赖人类专家。未来智能算法辅助决策将成为突破协作机器人技术瓶颈的关键技术。

5.2 仿生智能机器人技术仿生智能机器人通常根据应用场景选择合适的仿生学对象。目前，使用类人机器人进行焊接任务尚未见诸直接报道，但构成智能焊接类人机器人范式的基础技术已经被人们广泛研究。

6、实际应用

6.1 钢结构机器人焊接系统

钢结构机器人焊接系统针对建筑钢构件结构特点，提出采用视觉全景扫描识别技术搭配激光寻位技术的复合传感方式，实现快速精确测量焊缝位置与焊缝特征，同时搭建智能软件系统，借助内置的焊接参数数据库及智能路径规划算法，快速实现箱形、加劲板等不同钢结构的免示教智能化焊接。该系统适用工件规格12000mm×1600mm×1000mm，视觉扫描及焊接程序生成时间＜180s，可完成T形接头横角焊及立角焊焊接，一次扫描可生成整个工件所有焊缝机器人焊接轨迹，解决了大型非标钢结构机器人快速批量焊接难题，与人工相比整体焊接效率提升约60%。

6.2 石化工艺管道机器人智能焊接系统针对石化工艺管道/管件焊接依靠人工打底或机器人示教打底焊存在生产效率低、经验要求高、劳动强度大等不足，提出了结构光-知识库协同驱动的分段式工艺规划方法，突破了机器人人工示教仅依据管道单一周向坡口几何特征工艺规划带来的工艺适应性难题。采用了基于电信号（LSTM网络）驱动的熔池视觉（CNN网络）熔透性在线智能监控等方法，实现了焊接过程烧穿缺陷实时动态监控，可满足坡口组对间隙0～3mm、错边量0～2.5mm的自适应焊接。

7、结语

近年来，焊接智能化技术进展迅速，特别是“免示教编程”概念日趋热门，但当前在中厚壁结构、焊缝分布复杂等条件下的机器人焊接仍存在很大挑战。

1）坡口几何尺寸感知与检测精度还有待进一步提高，以适应复杂场景及高精密装配焊接需求。

2）焊接工艺规划仍依赖于大量工艺试验数据，而焊接过程自适应控制模型对于焊接动态扰动（熔池流动、热变形等）的调控能力还有待进一步提升。

3）数字孪生方面需进一步提升建模保真水平，深度融合实时数据，逐步从“虚拟映射”向“预测-优化-控制”一体化演进。

4）仿生机器人方面需要充分借助人工智能及生产大数据挖掘技术，提高机器人对生产环境、工件、人员、材料及质量等维度的融合感知分析能力，使机器人焊接技术向智能化、柔性化方向发展。

电子展小编认为，能化焊接机器人技术的发展为现代制造业带来了巨大的变革。它不仅提高了焊接的精度和效率，还推动了整个生产过程的自动化和智能化。虽然目前仍面临一些挑战，但随着技术的不断进步，智能化焊接机器人将在更多领域发挥更大的作用，为制造业的高质量发展提供有力支持。

文章来源：工业机器人