智能焊接系統技術：當前發展現狀與未來的展望

江蘇雷射聯盟導讀：焊接系統正在被當今最先進的技術所武裝，如物聯網、大數據、人工智慧、雲計算和智能製造等。智能焊接系統（IWS）正在充分發揮以上技術的效用，吸引著工業界和學術界的人們的廣泛關注。智能焊接就是計算機來模仿、強化和/或取代人的感知、學習、決策、監控等。這是一個將人的先進性和物理系統整合在一起而形成智能化的信息系統。而智能焊接系統在工業界中得到試點應用，對它的組件、應用和將來的發展方向進行系統的分析，有助於對智能焊接系統作一個準確的定義。本文則主要報導了用於智能焊接系統的基本組件和必須的技術組成，包括探測和信號處理、特徵提取和選擇、模擬、決策和學習等。新出現的技術同IWS相關的技術及其應用也給予了介紹，如工業4.0、信息物理系統（CPS）、數字孿生（DT）等。IWS的典型的應用也給予了介紹，如任務設計、任務序列、機器人的路徑規劃、機器人編程、監控和診斷等、最後給出結論以及今後的發展趨勢。本綜述的目的是為了尋求引入智能焊接的當前研究現狀為參考，並有助於將智能焊接系統作為武裝傳統焊接工作站、系統和工廠的工具。

一種可以在線監測的雷射焊接裝置

1、引言

焊接工藝及其系統在現代工業中扮演著舉足輕重的地位。經過幾十年的發展進化，許多採用手動焊接的作業系統已經變為採用機器人進行自動焊接的操作。而焊接過程中採用機器人進行焊接已經有幾十年的歷史了，這些機器人是在事先編好程序的前提下進行工作的，有時也具有智能的特徵。當今的焊接工藝變得更加複雜，伴隨著大量的參數和及其有限的對工藝機理的理解。與此同時，對用戶和客戶來說，需要掌握一定的必要的技能和動力方面的工作環境的要求。因此，焊接正朝著更加個性化的製造方向發展，使得下一代焊接系統可以智能的調整焊接任務而同時保證高質量不變。在大數據時代，採用一種智能的方式來收集和分享焊接信息也是非常重要的，這可以提高操作的內部運營效率和對整個工業供應鏈的綜合生命周期循環的評估。例如，焊接參數的追蹤和焊接後的質量評估，可以進一步的提高焊接工藝、部件的性能和隨後的服務。

儘管存在很多焊接手段，將傳統的手持焊接操作被發展的信息科學與技術所逐漸的來取代是必然的趨勢。隨著計算機科學、控制理論、機器人、人工智慧的發展，使得替換人工操作的焊接技術變得更加智能。這些概念及其相應地技術在製造技術的研究過程中被不斷地開發，如工業4.0、智能製造、物聯網（IOT）、工業網際網路、大數據、人工智慧、新一代智能製造和人類信息物理系統等正在組建未來工業的發展模式。這些倡議是革新焊接系統進行更高階段地智能化水平所需要的先驅者、賦能者和平臺。

早期的綜述已經介紹了智能焊接系統的 諸多方面。然而，據作者所知，綜合系統的探索智能的定義、說明同IWS的相關關係、提出連接的架構、規劃出賦能技術、提出未來IWS的發展趨勢的綜述，目前還沒有。為了彌補這一缺憾和更好的促進IWS的發展，本文則綜述和分析了在焊接系統中的智能技術的演化和應用。特別是關於同IWS的融合，包括系統的架構及其關鍵技術。

整個論文的架構見圖1所示。第二部分為文獻回顧。第三部分總結了智能焊接的定義和演化。第四部分則聚焦於可以賦能智能焊接系統的關鍵技術。第五部分則介紹了智能焊接系統融合先進技術和概念的現狀，如工業4.0、信息物理系統等。第六部分則回顧了主要應用情況，如控制、監測和監控、人機互動協同等。第七部分則討論了智能焊接系統工業供應商和集成商的情況。第八部分則給出了結論和未來的發展方向。

本綜述的範圍和結構

2.文獻回顧

目前已經有大量的研究是關於智能焊接的。但為了權宜之計，目前的研究局限於焊接技術本身。檢索資料庫時，使用關鍵詞「Intelligent」和「weld」，使用的資料庫為scopus 和WOS。該文獻分析主要聚焦於兩個問題：（1）誰在這個領域進行工作？（2）這個領域主要關注些什麼？

經過文獻計量學的分析研究，目前有5個作者和4個研究機構同IWS密切相關。他們分別是上海交通大學的S.B.Chen，University of Kentucky(USA)大學的Y.M.Zhang 和Y.K.Liu、哈工大的L.Wu以及南韓的Mokpo National University的I.S.Kim。以上學者針對IWS的研究主要集中在探測、模擬、控制監控、優化和人工智慧等技術手段在弧焊、雷射焊接、攪拌摩擦焊上的應用。

3.智能化焊接的回顧

很難從眾多的文獻中給出智能焊接一個準確的定義，這是因為在文獻回顧中發現，智能焊接有著太多的不同的表述。相應地，在本節中，我們需要簡要的回顧一下焊接系統的發展史，並檢查發現在製造中又是如何逐漸地增加智能的相關元素的。在過去的幾十即年裡，基本的技術又是如何將智能化引入到焊接系統的，從而形成智能焊接系統的。

3.1焊接系統的演化

第一代焊接系統是在19世紀得以應用並且需要採用手持操作來完成控制。在這一傳統的焊接作業系統中，人來完成幾乎所有的信息處理任務。包括傳感、分析、決策、操作、控制、識別和學習等。這一過程是勞動強度相當高的一個過程，需要人高度集中來控制工藝的效率、一致性、質量等。此時人們要完成如此複雜的工作任務還是非常受限的。於是，在過去，為了減輕人力的負擔，半自動和全自動的焊接機器人開始廣泛的應用於製造部門以代替人力的不足。

焊接技術的發展，總的來說經歷了四個階段。在第一個階段，焊接效率非常低，焊接的 一致性也非常差。在第二個階段，自動規劃開始進入應用，如機器人的引入，但該工藝過程難以進行模擬和控制。在第三個階段，焊接自動化變得比較容易，焊接機器人具備教學和反饋的功能，但是通過離線的方式來實現的，且對環境的幹擾和變化的應變處理能力較弱。在第四個階段，智能化開始應用於焊接系統，從而可以精確的監控和控制焊接過程和保證焊接質量。焊接系統從人力操作演變到智能化焊接的過程見圖2。可見已經從消耗人力轉變到人力-信息-物理的系統中。

焊接系統的演化

3.2智能焊接的基礎

智能焊接的重要意義在於使用智能技術和/或機器人智能來模仿、強化和/或代替人的智能。通過整合人的先進性和物理系統的先進性而形成智能化的信息系統，從而使得焊接系統得到極大的改善與提高，尤其是在計算機分析、精確控制、傳感等方面，從而顯著地提高了人類知識管理的效率、轉化和應用。於是，焊接系統的工作效率、質量和穩定性等從依靠人的經驗轉變成依靠信息物理系統的知識，即通過軟體和資料庫。

工作站層面的智能焊接的框架：a工藝監測和控制的工藝流程；b典型的系統配置

3.2.1智能的基本特徵

現代計算機能力的強大使得許多機器智能技術的發展在20世紀後半期得到了迅猛地發展。機器智能技術包括先進搜索、整合優化、形狀的合理性以及先進人工智慧技術來模擬認知功能，諸如學習功能。然而，通用的機器智能化（如完成人的認知能力的全過程的能力）還需要很長的一段路要走。因此，目前的人工智慧只能是在智能焊接系統中代替一部分人的工作。如下的人工智慧主要指將人的智能複製和轉移給機器，這對IWS是非常有意義的。

3.2.1.1動力感知

製造資源的狀態（設備、計算機以及智能資源等）在整個製造周期和產品的生命周期中是連續不斷的變化的。區分哪些是重要的和需要注意自動系統如何強有力的支撐服務平臺來實現製造資源和工藝過程的管理。探測裝置包括二維的條形碼、射頻識別讀卡器、傳感器、視覺捕捉器、GPS等。這些系統信號裝置或知識的代表有可能不兼容，有可能需要物理或者軟體界面來適應轉換，以適應通訊、信息存儲或者翻譯。

智能焊接系統（IWS）的應用層次結構

3.2.1.2識別

智能是需要區分不同的狀態、狀況、部件、組件等，是自動製造過程中非常重要的一個活動。在普通人眼中，這一術語比較簡單，就是拿、拋棄、對待或者識別同一物件或者相同的態或者不能的製造環境。然而，在這一領域的機器智能還是比較先進的。

離線機器人編程的關鍵步驟

3.2.1.3分類

一旦目標或者標識獲得認知，經常就需要基於相應地特徵對其進行分類。智能地分類是非常有用地，尤其是在當系統有新地輸入或變化發生時。分類在學習、預測、幹涉、決策、語言和產品環境地很多方面都有用。

3.2.1.4目標設置和優化

當一個目標需要自動完成時，組織或產品地目標可能會並不清洗或者可能會發生衝突。於是，智能就顯得非常重要，它提供了自動系統中常規決策地方向。在這一能力範圍內，活動或任務需要決定每一步驟的優先級以完成目標任務。

3.2.1.5決策

當一個自動化系統面臨著多個可能的選擇時，如需要分類或者選擇動作以滿足目標，此時需要作出決定。最好的決策同組織目標一致，同時需要平衡為了獲得目標所需要面對的正反兩個方面的結果。這是並不僅僅依靠理性的分析，還需要依靠信仰、經驗和價值等方面的考慮。此時面對的是不完整的信息。

文章來源：Intelligent welding system technologies: State-of-the-art review and perspectives，Journal of Manufacturing Systems

Volume 56, July 2020, Pages 373-391，https://doi.org/10.1016/j.jmsy.2020.06.020

參考文獻：1.Online Monitoring of Welding Status Based on a DBN Model During Laser Welding。Engineering

Volume 5, Issue 4, August 2019, Pages 671-678，https://doi.org/10.1016/j.eng.2019.01.016