智慧型焊接路徑生成技術

摘要：從青銅時代到現代，焊接技術經歷了革命性的變革，智慧視覺整合手臂焊接成為當今的先進方法。這項技術結合了機器視覺和自動化機械手臂的能力，實現了高精度、高效率的焊接作業。。本研究開發目標為如何快速整合智慧視覺系統、並搭配原有模擬路徑的規劃，同時也具備深度資訊的感測，來達到快速且有效的智慧型焊接機器人。

Abstract：From the Bronze Age to the present day, welding technology has undergone revolutionary transformations, and intelligent vision-integrated robotic arm welding has emerged as an advanced method. This technology combines the capabilities of machine vision and automated robotic arms to achieve high precision and efficiency in welding operations. The goal of this research is to develop a rapid integration of intelligent vision systems with existing path planning, while also incorporating depth information sensing, to achieve a fast and effective intelligent welding robot.

關鍵詞：焊接、智慧相機、深度量測

Keywords：Welding、SmartCam、Z axis displacement measuring

前言 

1.焊接技術的發展:

金屬連接的歷史可以追溯到數千年前，最早的焊接技術見於青銅時代和鐵器時代的歐洲和中東[1]。在中世紀的鐵匠通過不斷鍛打紅熱狀態的金屬使其連接被稱為鍛焊，並在過往的資料中也發現工匠非常熟悉操作。然而，在19世紀時，焊接技術的發展突飛猛進，1800年，漢弗里·戴維爵士發現了電弧，俄國科學家尼庫萊·斯拉夫耶諾夫與美國科學家C·L·哥芬發明的金屬電極推動了電弧焊技術的開端，而且電弧焊與後來開發出採用碳質電極的碳弧焊，在工業生產上得到廣泛應用。1900年左右，A·P·斯特羅加諾夫在英國開發出可以提供更穩定電弧的金屬包敷層碳電極；1919年，C·J·霍爾斯拉格（C. J. Holslag）首次將交流電用於焊接，但這一技術直到十年後才得到廣泛應用[2]。電阻焊接在19世紀的最後十年間被開發出來，第一份關於電阻焊的專利是伊萊休·湯姆森於1885年申請的，他在接下來的15年中不斷地改進這一技術。鋁熱焊接和可燃氣焊接發明於1893年。埃德蒙·戴維於1836年發現了乙炔，到1900年左右，由於一種新型氣炬的出現，可燃氣焊接開始得到廣泛的應用[3]。由於廉價和良好的移動性，可燃氣焊接在一開始就成為最受歡迎的焊接技術之一。但是隨著20世紀之中，工程師們對電極表面金屬覆蓋技術的持續改進（即助焊劑的發展），新型電極可以提供更加穩定的電弧，並能夠有效地隔離基底金屬與雜質，電弧焊因此能夠逐漸取代可燃氣焊接，成為使用最廣泛的工業焊接技術[4]。第一次世界大戰使得對焊接的需求激增，各國都在積極研究新型的焊接技術。英國主要採用弧焊，他們製造了第一艘全焊接船體的船舶弗拉戈號。大戰期間，弧焊亦首次應用在飛機製造上，如許多德國飛機的機體就是通過這種方式製造的[5]。另外值得注意的是，世界上第一座全焊接公路橋於1929年在波蘭沃夫其附近的Słudwia Maurzyce河上建成，該大橋是由華沙工業學院的斯特藩·布萊林（Stefan Bryła）於1927年設計的[6] 。1920年代，焊接技術獲得重大突破。1920年出現了自動焊接，通過自動送線裝置來保證電弧的連貫性。保護氣體在這一時期得到了廣泛的重視。因為在焊接過程中，處於高溫狀態下的金屬會與大氣中的氧氣和氮氣發生化學反應，因此產生的空泡和化合物將影響接頭的強度。解決方法是，使用氫氣、氬氣、氦氣來隔絕熔池和大氣[7]。接下來的10年中，焊接技術的進一步發展使得諸如鋁和鎂這樣的活性金屬也能焊接。1930年代至第二次世界大戰期間，自動焊、交流電和活性劑的引入大大促進了弧焊的發展[8]。20世紀中葉，科學家及工程師們發明了多種新型焊接技術。1930年發明的螺柱焊接（植釘焊），很快就在造船業和建築業中廣泛使用。同年發明的埋弧焊，直到今天還很流行。鎢極氣體保護電弧焊在經過幾十年的發展後，終於在1941年得以最終完善。隨後在1948年，熔化極氣體保護電弧焊使得有色金屬的快速焊接成為可能，但這一技術需要消耗大量昂貴的保護氣體。採用消耗性焊條作為電極的手工電弧焊是在1950年代發展起來的，並迅速成為最流行的金屬弧焊技術。1957年，藥芯焊絲電弧焊首次出現，它採用的自保護焊絲電極可用於自動化焊接，大大提高了焊接速度。同一年，電漿弧焊發明。電渣焊發明於1958年，氣電焊則於1961年發明[9]。焊接技術在近年來的發展包括：1958年的電子束焊接能夠加熱面積很小的區域，使得深處和狹長形工件的焊接成為可能。其後雷射焊接於1960年發明，在其後的幾十年歲月中，它被證明是最有效的高速自動焊接技術。不過，電子束焊與雷射焊兩種技術由於其所需配備價格高昂，其應用範圍受到限制。

2.自動化焊接的需要

焊接的經濟成本是其工業應用的重要影響因素。影響焊接成本的因素很多，如設備、人力、原材料和能量成本等。焊接設備的成本對不同工藝來說變化很大，手工電弧焊和可燃氣焊接相對成本低廉，雷射焊接和電子束焊接則成本較高。由於某些焊接工藝的成本高昂，一般只用於製造重要的部件。自動焊接設備和焊接機器人的設備成本也很高，因此它們的使用也受到相應的限制。人力成本取決於焊接的速度、每小時工資和總工作時間（包括焊接和後續處理）。原材料成本包括購置母材、焊縫填充材料、保護氣體的費用。能量成本則取決於電弧工作時間和焊接的能量需求。對於手工焊接來說，人力成本往往占總成本的很大一部分。因此，手工焊接成本的降低往往著眼於減少焊接操作的時間，有效的方法包括提高焊接速度、優化焊接參數等。焊接之後的除渣也是一件費時費力的工作。因此，減少焊渣能夠提高安全性、環保性，並降低成本，提高焊接品質[10]。機械化和自動化作業也能有效地降低人力成本，但另一方面增加了設備成本，還需要額外的設備安裝和調試時間。當產品有特殊需求時，原材料成本往往隨之水漲船高。而能量成本通常是不重要的，因為它一般只占總成本的幾個百分點[11]。近年來為了減少高端產品中焊接的人力成本，工業生產中的電阻點焊和弧焊大量採用自動焊接設備（尤其是汽車工業）。焊接機器人能夠有效地完成焊接，尤其是點焊。隨著技術的進步，焊接機器人也開始用於弧焊。

焊接機器人技術

焊接機器人是現代工業中一項重要的技術創新，它的發展可以追溯到過去幾十年。焊接機器人利用自動化技術和機器人技術來執行焊接任務，大大提高了生產效率和產品質量。焊接機器人的發展始於20世紀60年代，最早是在汽車工業中應用。當時，焊接是一項重要的製造工藝，但傳統的手工焊接存在著效率低、質量不穩定和勞動強度大的問題。因此，研發焊接機器人成為一個迫切的需求。隨著科技的發展和自動化技術的成熟，焊接機器人的功能和性能不斷提升。早期的焊接機器人主要是單臂機器人，能夠在預先設置的路徑上進行焊接操作。然而，這些機器人的靈活性和多功能性有限。隨著時間的推移，多關節機器人的出現使得焊接機器人的操作更加靈活。多關節機器人具有更多的自由度，可以在複雜的焊接任務中進行精確的操作。這些機器人還搭配了高精度的感測器和視覺系統，能夠實時感知和調整焊接位置和參數，確保焊接質量。除了操作靈活性的提升，焊接機器人的智慧化程度也不斷提高。現代焊接機器人搭載了先進的控制系統和人工智能技術，能夠進行自主的學習和優化，如圖1所示。這使得機器人能夠根據實際情況做出智能決策，提高焊接效率和質量。另一個重要的發展方向是協作式焊接機器人的應用。協作式機器人是指能夠與人類工作者共同工作的機器人，具有安全性高、操作靈活等特點。協作式焊接機器人可以和人類工作者共享工作空間，並且能夠感知和適應人類的動作，實現更高效的協作。此外，焊接機器人的應用領域也在不斷擴大。除了汽車工業，焊接機器人還廣泛應用於航空航天、船舶、橋梁建設、電力工業等領域。這些應用領域對於高質量的焊接和大規模生產提出了更高的要求，焊接機器人能夠滿足這些需求。總的來說，焊接機器人的發展經歷了從單臂機器人到多關節機器人的轉變，從操作靈活性到智能化的提升，從單獨操作到協作操作的發展。隨著科技的進步和需求的增加，焊接機器人的應用將會更加廣泛，為現代工業的發展提供強大的支持。

                                                           (a)                                                   (b)

                                                  圖1 視覺辨識焊接範例(a) 手臂焊接成果(b)

導入視覺應用於焊接機器人

(1)視覺辨識的應用:
智慧視覺在焊接領域中的應用正日益普及，它結合了機器視覺、深度學習和圖像處理等技術，為焊接過程提供了更高的自動化、精確性和效率。以下是對智慧視覺在焊接上的應用和導入方式的描述：

視覺引導定位：智慧視覺系統可以使用攝像頭或3D視覺感測器來捕捉焊接工件的圖像或深度資訊。通過對焊接位置的實時分析和比對，系統可以準確引導焊接工具的定位，確保焊接點的準確性和一致性。

焊接缺陷檢測：智慧視覺系統可以分析焊接過程中產生的圖像或熱圖，以檢測焊接缺陷，例如焊道不足、溢出和裂紋等。這些缺陷可以通過視覺算法和模式識別來自動檢測和分類，從而提高焊接的質量和一致性。

參數優化和監控：智慧視覺系統可以實時監測焊接過程中的參數，例如電弧長度、電流和溫度等。通過對這些參數的實時監測和分析，系統可以優化焊接參數的設定，以提高焊接質量、節省能源和材料。