焊縫跟蹤作為一門綜合性應(yīng)用技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)，包括電子技術(shù)、計算機(jī)、焊接、結(jié)構(gòu)、材料、流體、光學(xué)、電磁等學(xué)科，國內(nèi)外眾多研究工作者投入到這一領(lǐng)域進(jìn)行研究，從示教型焊接機(jī)器人到程序控制焊接系統(tǒng)，再到移動式自動焊縫跟蹤技術(shù)，焊接自動化的每一次進(jìn)步都顯著提高了生產(chǎn)效率。焊接技術(shù)的自動化、柔性化與智能化是未來焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
1 焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展?fàn)顩r
傳感器是焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其作用是檢測出焊縫的位置和形狀信息并轉(zhuǎn)化為電信號?？刂葡到y(tǒng)才能對信號進(jìn)行處理，并根據(jù)檢測結(jié)果控制自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍位置，從而實現(xiàn)焊縫自動跟蹤。
弧焊用傳感器一般可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式三大類。按工作原理可分為機(jī)械、機(jī)電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺、電弧、光譜及光纖式等。以下是幾種常見的焊縫跟蹤傳感器：
接觸式傳感器是最早使用的傳感器，其特點(diǎn)為不受電弧干擾、工作可靠、成本低，曾在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，但由于跟蹤精度不高、磨損大、易變形，不適用于高速焊接，目前正在被其他傳感方法取代。
聲學(xué)傳感器尤其是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、精度高、價格便宜。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生及接收裝置組成。超聲波傳感器的測量精度主要取決于超聲波的頻率，頻率越高，誤差越小，一般超聲波的頻率在1.25-2.5 MHz。超聲波傳感器不怕焊接中的電磁、光、煙塵干擾，但容易受到噪聲干擾，對噪聲比較敏感，如在CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法的應(yīng)用中有一定的限制。
電弧傳感器的工作原理是在焊接過程中，當(dāng)焊槍與工件之間的相對位置發(fā)生變化時，會引起電弧電壓和電流的變化，這些變化都可以作為特征信號被提取出來實現(xiàn)焊槍高低和左右兩個方向的跟蹤控制。
電弧傳感器以電弧本身為傳感器, 結(jié)構(gòu)簡單，方便靈活，不受弧光、磁場、飛濺、煙塵等干擾，具有響應(yīng)快、精度高、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。但焊槍的擺動或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，電弧各參數(shù)間耦合性很強(qiáng)，實際得到的波形未達(dá)到預(yù)期的效果，故需要對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并根據(jù)大量的經(jīng)驗來確定控制量。對于無對稱側(cè)壁或根本無側(cè)壁的接頭形式，現(xiàn)有的傳感器則不能識別。
光電傳感器精度高、再現(xiàn)性好，可以實現(xiàn)對坡口形狀、寬度和截面的檢測和焊縫跟蹤，為焊接參數(shù)的自適應(yīng)控制提供依據(jù)。光電傳感器又可以分為基于分立光電元件的單點(diǎn)式光電傳感器和能夠獲得坡口圖像信息的視覺傳感器。
視覺傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件最簡單的是單元感光器件，如光電二極管等；其次是一維的感光單元線陣, 如線陣CCD（電荷耦合器件）；應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的二維感光單元面陣，如線陣CCD是二維圖像的常規(guī)感光器件，代表著目前傳感器發(fā)展的較新階段，因而應(yīng)用日益廣泛。在焊接機(jī)器人各種視覺傳感器中，CCD傳感器因其性能可靠、體積小、價格低、圖像清晰直觀而受到了普遍重視。根據(jù)焊接機(jī)器人視覺焊接系統(tǒng)的工作方式不同，可將用于焊接機(jī)器人視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的視覺傳感器分為3種：結(jié)構(gòu)光式、激光掃描式和直接拍攝電弧式。其中，結(jié)構(gòu)光式和激光掃描式屬于主動視覺方法，直接拍攝電弧式則屬于被動視覺方法。
2 智能控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
現(xiàn)代智能控制就是主要利用人的操作經(jīng)驗、知識和推理規(guī)則，同時利用控制系統(tǒng)所提供的某些信息得出相應(yīng)的控制動作，以達(dá)到預(yù)期控制目的的一種控制方法。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中, 發(fā)展應(yīng)用狀況如下：
2.1 模糊控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
模糊控制是吸收了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具得出控制動作。模糊控制最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其控制決策表和控制規(guī)則是根據(jù)經(jīng)驗預(yù)先總結(jié)出來的。根據(jù)控制規(guī)則，誤差及誤差變換率的模糊子集產(chǎn)生控制決策表，通過決策表的直接查詢，可得到每一時刻應(yīng)施于控制系統(tǒng)的控制動作，從而達(dá)到實時控制的目的。在模糊控制中，需要建立模糊控制規(guī)則表，一般通過總結(jié)實際控制經(jīng)驗并經(jīng)過模糊推理得到。
早在1985年，保加利亞的D.Lakov 提出用模糊模型描述弧焊過程的不確定性，借助于配置的非接觸式激光傳感器，它能按示教內(nèi)容對焊縫進(jìn)行跟蹤，實驗結(jié)果表明，采用模糊集概念可以進(jìn)行在線評估、預(yù)測和控制。
日本的S.Murakami等人研制了基于模糊控制的焊縫跟蹤系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)根據(jù)焊槍的振幅位置同焊絲與工件的距離關(guān)系判別焊點(diǎn)的水平和垂直位移，根據(jù)語言規(guī)則設(shè)計了模糊濾波器和模糊控制器，控制效果很好。
國內(nèi)北京聯(lián)合大學(xué)的曹麗婷設(shè)計的系統(tǒng)中應(yīng)用新一代激光焊縫傳感器測量焊縫的位置，并采用Fuzzy-P雙模分段控制進(jìn)行焊縫的糾偏，獲得較好的實驗效果。
2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是在研究人腦結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，通過簡化、抽象和模擬，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再通過相應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)反映人腦結(jié)構(gòu)和功能來處理問題的過程控制。目前，應(yīng)用最廣、基本思想最直觀的是誤差傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及BP網(wǎng)絡(luò)，BP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是進(jìn)行誤差逆?zhèn)鞑?，即根?jù)網(wǎng)絡(luò)的希望輸出與網(wǎng)絡(luò)實際輸出之差的誤差信號，由輸出層經(jīng)中間層向輸入層逐層修正連接權(quán)及各單元的輸出閾值，BP算法再求誤差函數(shù)的極小值, 通過樣本的反復(fù)訓(xùn)練并朝減少偏差的方向修改權(quán)值，直到達(dá)到滿意的精度為止。
日本的Y.Suga等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到焊縫跟蹤中，在該系統(tǒng)中采用了視覺傳感器并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像處理以獲得焊縫的形狀數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果表明此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，能有效地進(jìn)行焊縫跟蹤。
1 焊縫跟蹤傳感器的發(fā)展?fàn)顩r
傳感器是焊縫自動跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其作用是檢測出焊縫的位置和形狀信息并轉(zhuǎn)化為電信號?？刂葡到y(tǒng)才能對信號進(jìn)行處理，并根據(jù)檢測結(jié)果控制自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍位置，從而實現(xiàn)焊縫自動跟蹤。
弧焊用傳感器一般可分為直接電弧式、接觸式和非接觸式三大類。按工作原理可分為機(jī)械、機(jī)電、電磁、電容、射流、超聲、紅外、光電、激光、視覺、電弧、光譜及光纖式等。以下是幾種常見的焊縫跟蹤傳感器：
接觸式傳感器是最早使用的傳感器，其特點(diǎn)為不受電弧干擾、工作可靠、成本低，曾在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，但由于跟蹤精度不高、磨損大、易變形，不適用于高速焊接，目前正在被其他傳感方法取代。
聲學(xué)傳感器尤其是超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、精度高、價格便宜。超聲波傳感器由超聲波發(fā)生及接收裝置組成。超聲波傳感器的測量精度主要取決于超聲波的頻率，頻率越高，誤差越小，一般超聲波的頻率在1.25-2.5 MHz。超聲波傳感器不怕焊接中的電磁、光、煙塵干擾，但容易受到噪聲干擾，對噪聲比較敏感，如在CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法的應(yīng)用中有一定的限制。
電弧傳感器的工作原理是在焊接過程中，當(dāng)焊槍與工件之間的相對位置發(fā)生變化時，會引起電弧電壓和電流的變化，這些變化都可以作為特征信號被提取出來實現(xiàn)焊槍高低和左右兩個方向的跟蹤控制。
電弧傳感器以電弧本身為傳感器, 結(jié)構(gòu)簡單，方便靈活，不受弧光、磁場、飛濺、煙塵等干擾，具有響應(yīng)快、精度高、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)。但焊槍的擺動或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，電弧各參數(shù)間耦合性很強(qiáng)，實際得到的波形未達(dá)到預(yù)期的效果，故需要對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，并根據(jù)大量的經(jīng)驗來確定控制量。對于無對稱側(cè)壁或根本無側(cè)壁的接頭形式，現(xiàn)有的傳感器則不能識別。
光電傳感器精度高、再現(xiàn)性好，可以實現(xiàn)對坡口形狀、寬度和截面的檢測和焊縫跟蹤，為焊接參數(shù)的自適應(yīng)控制提供依據(jù)。光電傳感器又可以分為基于分立光電元件的單點(diǎn)式光電傳感器和能夠獲得坡口圖像信息的視覺傳感器。
視覺傳感器采用的光電轉(zhuǎn)換器件最簡單的是單元感光器件，如光電二極管等；其次是一維的感光單元線陣, 如線陣CCD（電荷耦合器件）；應(yīng)用最多的是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的二維感光單元面陣，如線陣CCD是二維圖像的常規(guī)感光器件，代表著目前傳感器發(fā)展的較新階段，因而應(yīng)用日益廣泛。在焊接機(jī)器人各種視覺傳感器中，CCD傳感器因其性能可靠、體積小、價格低、圖像清晰直觀而受到了普遍重視。根據(jù)焊接機(jī)器人視覺焊接系統(tǒng)的工作方式不同，可將用于焊接機(jī)器人視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)的視覺傳感器分為3種：結(jié)構(gòu)光式、激光掃描式和直接拍攝電弧式。其中，結(jié)構(gòu)光式和激光掃描式屬于主動視覺方法，直接拍攝電弧式則屬于被動視覺方法。
2 智能控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
現(xiàn)代智能控制就是主要利用人的操作經(jīng)驗、知識和推理規(guī)則，同時利用控制系統(tǒng)所提供的某些信息得出相應(yīng)的控制動作，以達(dá)到預(yù)期控制目的的一種控制方法。在焊縫跟蹤系統(tǒng)中, 發(fā)展應(yīng)用狀況如下：
2.1 模糊控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
模糊控制是吸收了人的思維具有模糊性的特點(diǎn)，使用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)、模糊關(guān)系、模糊推理和決策等工具得出控制動作。模糊控制最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其控制決策表和控制規(guī)則是根據(jù)經(jīng)驗預(yù)先總結(jié)出來的。根據(jù)控制規(guī)則，誤差及誤差變換率的模糊子集產(chǎn)生控制決策表，通過決策表的直接查詢，可得到每一時刻應(yīng)施于控制系統(tǒng)的控制動作，從而達(dá)到實時控制的目的。在模糊控制中，需要建立模糊控制規(guī)則表，一般通過總結(jié)實際控制經(jīng)驗并經(jīng)過模糊推理得到。
早在1985年，保加利亞的D.Lakov 提出用模糊模型描述弧焊過程的不確定性，借助于配置的非接觸式激光傳感器，它能按示教內(nèi)容對焊縫進(jìn)行跟蹤，實驗結(jié)果表明，采用模糊集概念可以進(jìn)行在線評估、預(yù)測和控制。
日本的S.Murakami等人研制了基于模糊控制的焊縫跟蹤系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)根據(jù)焊槍的振幅位置同焊絲與工件的距離關(guān)系判別焊點(diǎn)的水平和垂直位移，根據(jù)語言規(guī)則設(shè)計了模糊濾波器和模糊控制器，控制效果很好。
國內(nèi)北京聯(lián)合大學(xué)的曹麗婷設(shè)計的系統(tǒng)中應(yīng)用新一代激光焊縫傳感器測量焊縫的位置，并采用Fuzzy-P雙模分段控制進(jìn)行焊縫的糾偏，獲得較好的實驗效果。
2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法在焊縫跟蹤中的發(fā)展應(yīng)用狀況
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是在研究人腦結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，通過簡化、抽象和模擬，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，再通過相應(yīng)的計算機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)反映人腦結(jié)構(gòu)和功能來處理問題的過程控制。目前，應(yīng)用最廣、基本思想最直觀的是誤差傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及BP網(wǎng)絡(luò)，BP網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是進(jìn)行誤差逆?zhèn)鞑?，即根?jù)網(wǎng)絡(luò)的希望輸出與網(wǎng)絡(luò)實際輸出之差的誤差信號，由輸出層經(jīng)中間層向輸入層逐層修正連接權(quán)及各單元的輸出閾值，BP算法再求誤差函數(shù)的極小值, 通過樣本的反復(fù)訓(xùn)練并朝減少偏差的方向修改權(quán)值，直到達(dá)到滿意的精度為止。
日本的Y.Suga等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到焊縫跟蹤中，在該系統(tǒng)中采用了視覺傳感器并用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像處理以獲得焊縫的形狀數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果表明此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，能有效地進(jìn)行焊縫跟蹤。