基于数字孪生的机器人焊接自动编程关键技术

在焊接制造中，存在着大量非标准化、定制化焊接件，需要机器人在焊接过程中具有较高的适应性和柔性，传统的示教-再现型机器人很难直接应用于这样的实际焊接生产中，因此要实现机器人智能化焊接应用还有很多亟需解决的关键问题，其中机器人的自动编程焊接是关键。介绍了基于数字孪生及视觉传感技术的机器人焊接自动编程技术，主要包括焊接数字孪生、离线编程、3D视觉焊接目标匹配和焊接寻位等关键技术。

1 序言

机器人焊接因其质量稳定、效率高、重复性好和柔性强的优势而越来越多地被应用在智能制造领域，例如，汽车行业中机器人焊接应用占比约40%。然而在海工装备制造中，传统的示教-再现型机器人却很难大规模直接应用于实际焊接生产中，其应用不足2%。主要是因为在船舶海工焊接制造中存在着大量定制化非标件，加上多品种、小批量的特点（见图1），导致机器人不能应用或者不适用，效率低下，迫切需要机器人焊接具有更高的适应性和柔性。因此，要实现机器人智能化焊接在船舶、海工、钢结构和工程机械中的大规模应用推广，还有很多亟需解决的重要问题[1，2]，其中机器人焊接自动编程技术是关键[3，4]。

要在多品种、小批量、定制化非标件的船舶海工装备制造中实现大规模使用机器人焊接，需要突破的关键技术如图2所示，包括焊接自动编程技术、机器人焊接控形与控性技术和视觉传感系统等。

目前，市场上关于焊接的自动编程软件有很多，如以色列的SmartTCP、ABB机器人的RobotStudio、KUKA机器人的Simpro编程软件、发那科机器人的Roboguide、荷兰的RinasWeld、澳大利亚卧龙岗大学的Verbotics及荷兰的Delfoi 机器人离线编程软件等。机器人焊接自动编程流程如图4所示，其实现主要包括以下4步。

焊接发展历史悠久，焊接过程复杂多变，尤其是船舶海工装备焊接件品种多、批量小、定制化非标件多，装配间隙不一致，以及工艺优化滞后等，阻碍了机器人智能化焊接的发展。基于数字孪生系统的机器人智能化焊接采用离线编程方法，允许终端用户以直观、快速的方式对机器人进行编程，工人能够自动配置焊接参数和编程机器人，生成机器人轨迹并将其自动发送到机器人系统，而无需使用机器人示教器，通过实时控制命令主动将机器人焊接过程保持在界限内。基于数字孪生系统，实现虚实数据交互融合，使焊接生产线物理实体与其数字孪生体实时联动并相互映射，对机器人焊接生产过程进行实时反馈、迭代优化、监督 警等，为焊接过程提供决策建议，从而保证机器人焊接质量的稳定性。

目前，基于数字孪生技术的建模和仿真与以往大不相同，不再是处于离线、独立和特定阶段存在的状态，而是已经实现了与真实的物理世界建立持久、实时、可交互的连接。在焊接中，数字孪生模型和机器人焊接装备实物是相互影响的，是机器人智能化焊接的关键技术。上海柏楚电子科技股份有限公司开发的焊接数字孪生系统建模及仿真软件如图6所示。

在船舶、海工、钢结构和工程机械等焊接制造中存在着大量定制化非标件，传统的示教-再现型机器人很难直接应用于这些领域的实际焊接生产中。基于数字孪生及视觉传感技术的机器人焊接自动编程是实现智能化焊接在多品种、小批量、定制化非标件领域应用的关键所在。因此，开展焊接数字孪生、离线编程、3D视觉焊接路径修正和焊接定位等关键技术的研究，对于提升我国装备制造焊接水平、提高船舶海工制造工程的自主配套能力，以及满足国家新型船舶战略安全需求均具有重要意义。

参考文献：

[1] 许燕玲，张本顺，侯震.海工装备机器人智能化焊接关键问题及技术研究[J].金属加工（热加工），2021（6）：1-10.

[2] 肖润泉，许燕玲，陈善本，等.焊接机器人关键技术及应用发展现状[J].金属加工（热加工），2020（10）：24-31.

[3] 侯润石，蒋启祥，王胜华，等.大型复杂构件的无模型工业机器人自动编程系统[J].电焊机，2020，50（7）：134-140，153.

[4] 邢继生.工业机器人自动编程软件平台的设计与实现[D].广州：东南大学，2017.

[5] 中国电子技术标准化研究院.数字孪生技术应用白皮书（2021版）[R].https://baijiahao.baidu.com/sd=1718873120565254520.

[6] 陈华斌，孔萌，吕娜，等.视觉传感技术在机器人智能化焊接中的研究现状[J].电焊机，2017，47（3）：1-16.

[7] MELLADO N，AIGER D，MITRA N J. Super4PCS:fast global pointcloud registration via smartindexing[J].Computer Graphics Forum，2015，33（5）205-215.

参考文献：[1]张本顺,孙凯,许燕玲,张华军.基于数字孪生的机器人焊接自动编程关键技术研究[J].金属加工(热加工),2022(06):10-13.