最新刊期
      2023 年 第 9 期

        人机协作 智能焊接

      • 蔡玉华,熊俊,陈辉
        2023, 53(9): 1-13. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.01
        摘要：激光增材制造（Laser additive manufacturing， LAM）以激光为载能束逐层熔化堆积金属材料的方式成形构件，因其兼顾制造效率与成形精度，在国防工程、航空航天领域受到广泛关注。提高制造过程稳定性、改善成形精度、消除内部缺陷是推进LAM高效、高质量发展与应用必须解决的关键科学与技术难题，对LAM过程实施在线监测与控制是解决这些难题的必经之路。分析了LAM成形缺陷的产生机制及相应的抑制措施，阐述了LAM过程信号的监测方法与研究现状，讨论了LAM成形质量的闭环控制策略，指出了未来LAM过程监测与控制的主要研究方向。  
        关键词：激光增材制造;在线监测;过程控制;成形质量;缺陷   
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      • 盖胜男,王玉,王凯,肖珺
        2023, 53(9): 14-21. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.02
        摘要：在自动焊接应用中，离线编程焊接机器人通常具有一定的控制局限性。结合虚拟现实技术搭建了一套焊接机器人工作站，通过开发离线编程系统，简化机器人控制方式、灵活调整视角和自动规划焊接轨迹等，提升了焊接机器人离线编程效率。开发了同点异线焊缝识别算法，实现了单机器人的轨迹规划功能。基于焊枪基准姿态，分析横焊、平焊、立向上焊和立向下焊的焊接姿态，实现全位置焊接姿态规划。增加KBR-2Z500双轴变位机，实现多轴联动的复杂轨迹规划功能，研究了机器人运动与变位机运动的耦合与解耦问题，达成焊接机器人工作站协同运动规划。通过现实空间完全复现虚拟环境下的空间曲线焊接轨迹规划实验，验证了工作站离线编程系统的交互性、可行性和可靠性。  
        关键词：虚拟现实;离线编程;焊接机器人;焊缝识别;双机协同   
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      • 朱珍文,张刚,朱明,李春凯,石玗
        2023, 53(9): 22-28. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.03
        摘要：随着我国能源结构的不断调整，LNG储罐的大型化、精细化、规模化已成为推动我国液化天然气工业发展的主流趋势，储罐内罐立缝打底及填充盖面过程的焊接质量、焊接效率及智能化程度直接关系到焊接接头服役的可靠性、结构设计的灵活性及LNG储罐的建设成本。目前已开发出的LNG储罐立缝焊接半自动焊接专机在内罐立缝焊接过程中存在智能化水平不高，过分依赖人工及焊接环境恶劣的问题。通过对目前半自动焊接专机存在的问题进行分析并提出相应的改进方案，在现有半自动焊接专机的基础上加入打底焊熔透控制及填充盖面自适应智能传感系统，进一步提升其智能化水平及焊接效率，并为LNG储罐内罐立缝智能化焊接的发展提供参考思路。  
        关键词：LNG储罐;立缝;TT焊;智能化焊接;熔透控制;智能传感系统   
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      • 王军,邵超祥,张亮,李超
        2023, 53(9): 29-36. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.04
        摘要：为了提高焊接机器人的编程效率并保证焊接质量，对机器人运动学仿真和控制系统进行了研发。首先采用D-H参数法建模并对焊接机器人进行了正逆运动学求解，然后通过构建焊缝坐标系的方法对相贯线的自动路径规划进行了研究，并利用PC SDK与机器人控制器进行通信。基于Visual Studio C#平台结合OpenGL实现了机器人的运动学仿真、自动路径规划和远程弧焊控制功能。最后通过RobotStudio对该系统的基本功能进行了验证，结果表明系统准确可靠且满足焊接机器人的工作要求，较大地提高了作业效率，为机器人仿真和远程控制系统的开发提供了解决方案。  
        关键词：工业机器人;机器人仿真;弧焊系统;机器人运动学;路径规划   
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      • 韩峰,张建军,郭朝辉,李春阳,郭力玮,黄继强
        2023, 53(9): 37-46. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.05
        摘要：奥氏体不锈钢管道因为具有较好的耐腐蚀性能、较高的高温强度、易于加工硬化以及在固溶状态下无磁性等优点而被广泛应用于高性能服役设备中。但奥氏体不锈钢的热膨胀系数较大，焊接过程中产生的应力容易导致焊缝变形，并且其热导率较低，导致熔池流动性差，焊接过程中容易产生气孔、夹杂物等缺陷。因此以奥氏体不锈钢管道窄间隙激光全位置焊接为研究对象，采用Fluent仿真软件对激光焊进行了数值模拟，研究了不同激光功率和焊接速度情况下的焊接接头温度场分布和焊缝形状特征；开展了机器人焊接过程各种典型空间位置窄间隙激光焊接试验研究，得到了激光功率、焊接速度和离焦量等焊接参数对焊缝成形的影响规律，为不锈钢管道全位置机器人焊接提供基础数据。  
        关键词：不锈钢管道;焊接机器人;窄间隙激光焊;焊缝成形   
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      • 李柳熠,陈浩宇,董荧,王振民
        2023, 53(9): 47-54. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.06
        摘要：焊缝熔透的识别与控制对提高快频脉冲TIG焊（Fast-frequency Pulsed Tungsten Inert Gas welding，FFP-TIG welding）的焊接质量和自动化水平具有重要意义。熔池图像可以作为卷积神经网络（Convolution Neural Network，CNN）的输入来识别熔透状态，但模型往往较为复杂，难以部署于工业边缘设备中，同时缺乏基于识别结果的熔透状态控制方法。针对该问题，搭建视觉传感系统来构建304不锈钢FFP-TIG焊熔池图像数据集，包括未熔透、适度熔透和过度熔透三种标签；开发基于知识蒸馏（Knowledge Distillation，KD）的熔透识别模型，利用MobileNetV2作为教师模型，用于训练自定义的学生模型ResNet-KD；基于ResNet-KD的softmax层输出向量设计模糊控制器，实时调整快频基值电流，实现熔透状态的闭环控制。结果表明，ResNet-KD在验证集上的准确率达到了97.60%，在预设电流、变散热及热量积累的工况下，模糊控制器均有良好的性能。  
        关键词：快频脉冲TIG焊;熔池图像;熔透识别;知识蒸馏;模糊控制   
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      • 王文楷,石玗,张刚,李春凯,朱明,徐睦忠,代锋先,许有伟
        2023, 53(9): 55-60. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.07
        摘要：在实际焊接过程中，由于电弧弧光、飞溅等强烈的干扰，导致激光视觉检测特征点发生漂移，信息提取失败。为避免大电流CO2气体保护焊接过程中强弧光和飞溅的干扰，采用了离线视觉测量方法对待焊工件进行检测，将得到的图片进行形态学组合滤波和欧式距离场变换处理，利用差分法提取出坡口位置信息，最后采用分组求平均和插值法得到完整的焊接轨迹数据，将焊接轨迹数据传输至下位机实施自动焊接，最终得到了成形均匀，无气孔、咬边等缺陷的焊缝。  
        关键词：激光视觉;焊缝跟踪;图像处理;焊缝轨迹;离线规划   
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      • 程进,徐乃涛,郁伟俊
        2023, 53(9): 61-69. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.08
        摘要：视觉传感技术可以赋能焊接自动化技术，检测焊缝的形状、尺寸、位置和焊接质量，帮助焊接机器人更准确地完成焊接任务。焊接机器人工作站可有效地改善工人劳动强度，提高企业生产效率。因此，阐述了智能焊接机器人工作站系统的构造、视觉传感的搭载方式及各类视觉传感技术在焊缝寻位、焊缝跟踪、焊接质量检测等方面的工作原理。对当前主流的线结构光法、点结构光扫描法、多线结构光法和面结构光法进行了详细的描述与总结，这些技术的特点各有不同，实际应用时需结合应用场景做出匹配。焊接视觉技术可以提高焊接质量的稳定性和可靠性，减少缺陷和修复成本，进一步提高生产效率、降低生产成本，为焊接行业的发展提供更多的可能性。  
        关键词：焊接机器人;视觉传感;结构光;三维视觉   
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      • 王杰,张志芬,秦锐,温广瑞
        2023, 53(9): 70-77. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.09
        摘要：随着焊接工艺在工业环境中的广泛应用，对焊接缺陷的研究受到越来越多的关注，焊穿缺陷作为焊接过程中最严重的缺陷之一，必须采取相应的措施对其进行监测以及控制。提出了一种采用被动视觉传感技术，利用工业CCD相机结合减光、滤光系统消除焊接过程中强弧光干扰，获得MIG焊熔池图像的方法。设计正交试验并从图像的多维特征出发，提取熔池图像4个种类对应的10个维度特征作为机器学习的输入。在进行焊穿缺陷的标签标定时，基于所提出的特征提取对正交试验中获得的熔池图像数据进行预处理，通过反向搜索实现对无效数据的剔除和有效数据的正确归类，同时发现了数据在空间分布的规律。最后探究了不同维度输入特征下三种分类器的识别效果，结果表明：所选择的特征在三种分类器上均获得了不低于97%的分类精度，为后续开发基于视觉在线焊穿缺陷检测系统提供了技术支撑和理论依据。  
        关键词：MIG焊;视觉传感;熔池图像处理;机器学习;缺陷识别   
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      • 李秉聪,夏卫生,许晓群,吕卫文
        2023, 53(9): 78-83. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.10
        摘要：为实现中厚板多层多道自动化焊接的需求，提出一种基于点云数据驱动的机器人焊接路径自适应规划算法。以V形焊缝为例，首先通过线结构光扫描焊缝表面采集点云数据，对点云数据进行滤波预处理，在精简数据量的同时也去除噪声点，据此采用点云分割和边缘提取算法成功提取焊缝特征点。最终通过焊接实验验证算法的准确性和可行性，结果表明，提出的算法处理得到的焊缝特征点坐标与人工示教得到的实际坐标偏差小于0.17 mm，能够满足实际应用需求。  
        关键词：机器人焊接;点云数据驱动;多层多道焊接;路径规划;线结构光   
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      • 苟星禄,吴頔,董金枋,杨方毅,曾达,黄宏星,张培磊,叶欣,史海川
        2023, 53(9): 84-90. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.11
        摘要：铝合金脉冲激光焊接能够精准调节激光能量输入，广泛应用于动力电池与新能源汽车等精密加工领域。然而，铝合金自身高导热率和高反射率等固有属性，以及与高能量激光剧烈的相互耦合作用，对工艺参数优化和焊接质量控制带来挑战。以2 mm厚1060铝合金作为研究对象，主要分析了不同脉冲激光工艺参数（峰值功率、脉冲频率和焊接速度）对焊缝成形的影响规律；以工艺参数为多维输入变量，进一步构建了基于BP神经网络的熔池尺寸预测模型。结果表明：不同工艺参数均对焊缝熔深和熔宽有直接影响，需要确定一个合适的工艺窗口；同时构建模型的平均预测误差在10%以内，具有较高的预测精度。为铝合金脉冲激光焊接质量预测及工艺优化提供了可靠的实验和指导依据。  
        关键词：脉冲激光焊接;1060铝合金;焊缝尺寸;神经网络;质量预测   
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      • 杨帅,韦乃琨,骆晓萌
        2023, 53(9): 91-98. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.12
        摘要：船用柴油机气缸盖在运行中时，部分表面长期处于高温高压环境下，母体材料极易损坏，所以在制造时会在该表面堆焊一层镍基合金材料，以提高其耐高温高压能力，从而提高整体产品使用寿命。目前，对该位置进行堆焊，主要采用手工焊条电弧焊和专机半自动焊两种方法，主要存在效率低下，灵活性较差，人工参与量大的问题。针对这些问题，开发出一种基于激光寻位的柴油机气缸盖焊接系统，为智能化全自动机器人焊接系统，采用机器人替代人工，利用激光传感器寻找焊接位置，然后根据偏转关系，将焊接程序整体偏移，使机器人能够自动寻位，其间无须人工介入，且单个气缸盖仅需寻位一次，节省了大量人工定位焊缝的时间，提高了生产效率，缩短生产周期，较专机半自动焊提升效率20%以上。  
        关键词：激光寻位;气缸盖;焊接;机器人;智能化;全自动   
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        发布时间：2023-09-28
      • 周晓晓,徐佳琛,朱大伟,黄勇
        2023, 53(9): 99-107. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.13
        摘要：随着科技的发展，现代制造业对焊接自动化与智能化的要求越来越高，而焊接过程质量监测是实现焊接自动化与智能化的重要保证。焊接过程质量监测主要包括焊接过程信息采集与分析两方面内容。针对焊接加工方式中应用最广泛的电弧焊方法，从焊接过程监测信息源和数据分析方法两个方面综述了国内外焊接过程质量监测领域的研究现状。前者包括焊接过程工艺信息、电弧声信息、熔池视觉图像信息及多源信息融合等；后者包括统计学分析方法和机器学习方法。最后，提出了现存研究的不足与将来的研究方向。  
        关键词：电弧焊;质量监测;信息传感;统计分析;机器学习   
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      • 佘昆,李冬辉,元育学,黄一鸣,杨立军,伍倍乐
        2023, 53(9): 108-115. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.14
        摘要：为阐明活性剂对铝合金激光焊熔池作用机理，建立了三维瞬态移动热源作用下的激光焊接熔池数学模型，研究表面张力梯度及激光吸收率对温度场以及流场的影响规律，揭示活性剂作用下激光焊熔深的增强机制。结果表明，在无活性剂时模拟得到的焊缝形貌与实际试验结果吻合。在低功率铝合金活性激光焊接中，活性剂的加入虽然可以改变表面张力梯度，但表面张力梯度的改变对熔深增加效果不明显。分析认为，活性剂的加入使铝合金对激光吸收率的提高才是熔深增加的主要原因。  
        关键词：活性剂;激光焊;铝合金;熔池动态行为;作用机理   
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      • 闫梦喆,席鑫,李霄,路永新,林丹阳,宋晓国
        2023, 53(9): 116-123. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.09.15
        摘要：采用选区激光熔化技术（selective laser melting，SLM）制备了GH3230镍基高温合金，研究了工艺参数对GH3230镍基高温合金成形缺陷的影响。结果表明，在扫描速度为900 mm/s、激光功率210 W、扫描间距0.09 mm、铺粉层厚度0.04 mm的工艺条件下，成形试样的孔隙率达到最小值（0.010 8%）。随后对最佳参数试样进行了固溶处理，研究固溶处理对试样微观组织和力学性能的影响。结果表明，进行固溶处理后的试样表面会析出大量连成线状的碳化物颗粒，随着保温时间的延长，碳化物颗粒尺寸及数量呈现先增长后降低的趋势，合金内部发生再结晶现象，与此同时，试样屈服强度由421.8 MPa降低至347.8 MPa，抗拉强度由763.4 MPa降低至678.9 MPa，而延伸率由17.19%增长至21.2%，合金强度降低而塑性升高。固溶处理不能消除打印缺陷。  
        关键词：选区激光熔化;GH3230合金;孔隙率;固溶处理   
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