在現(xiàn)代制造業(yè)中，焊接質(zhì)量和效率是影響產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵因素。然而，傳統(tǒng)焊接工藝依賴于焊工的技能和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)定，難以滿足高標(biāo)準(zhǔn)、精度要求高的焊接任務(wù)。焊接機(jī)器人普及后，通常采用“示教+再現(xiàn)”的模式來提高焊接的效率和精度。然而，盡管有了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的幫助，這些系統(tǒng)主要還是處理已知的環(huán)境模型，存在一定的定位誤差和其他風(fēng)險，并且對于非標(biāo)準(zhǔn)的小工件來講，由于編程成本高，還是依賴焊工進(jìn)行焊接。面對日益復(fù)雜的焊接需求和市場競爭，如何提升焊接質(zhì)量和效率，成為制造業(yè)亟待解決的難題。
隨著先進(jìn)感知技術(shù)的引入，機(jī)器人焊接開始邁向智能化。這些技術(shù)讓機(jī)器人能更精準(zhǔn)地識別焊接環(huán)境，實(shí)時監(jiān)控焊接過程，并有效檢測焊縫中的缺陷。因此，基于AI和感知能力的智能焊接機(jī)器人成為了研究和應(yīng)用的新焦點(diǎn)。
01
鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)難點(diǎn)
2023年，鋼結(jié)構(gòu)市場穩(wěn)步上升，同比增長率達(dá)5.2%。未來幾年，隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)、裝配式鋼結(jié)構(gòu)政策的促進(jìn)，在大型公共建筑、商業(yè)建筑以及學(xué)校、醫(yī)院等公共性建筑的應(yīng)用持續(xù)增多，行業(yè)將保持較穩(wěn)定增長趨勢。
2020-2026年中國鋼結(jié)構(gòu)市場規(guī)模推移（單位：萬噸）
鋼結(jié)構(gòu)按照分類大致分為建筑鋼結(jié)構(gòu)、橋梁船舶鋼結(jié)構(gòu)和工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)，其中建筑鋼結(jié)構(gòu)占比：約70%，包含廠房、商用建筑（商場、場館）、住宅（裝配化率大于60%基本都用鋼結(jié)構(gòu)），非標(biāo)程度低。預(yù)計(jì)隨著鋼材價格走勢的下滑，未來這部分市場將保持每年12%-16%的增速。
可以看出鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用場景是十分復(fù)雜、多變的，而且在一些特定場景下，除了標(biāo)準(zhǔn)鋼結(jié)構(gòu)元件之外，還存在非標(biāo)小件（非標(biāo)準(zhǔn)小型工件）占據(jù)著重要市場。市場量大，包含但不限于橋梁、船舶、工程機(jī)械，甚至電力機(jī)械設(shè)備等一般工業(yè)。這也造就了非標(biāo)小件焊接的難點(diǎn)之一，在鋼結(jié)構(gòu)非標(biāo)小件的生產(chǎn)過程中，由于其形狀、尺寸的多樣性及焊接精度的高要求，使得焊接作業(yè)的難度和復(fù)雜度大大增加。同時，非標(biāo)場景下對焊接機(jī)器人法的算法要求更高，研發(fā)周期也要長。
難點(diǎn)匯總：
非標(biāo)元器件焊接：鋼結(jié)構(gòu)尺寸小、規(guī)格多、技術(shù)要求復(fù)雜，非標(biāo)構(gòu)件焊接難度大。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接：需要精準(zhǔn)識別和定位焊縫，糾正位置偏差，保證焊接質(zhì)量。
大批量生產(chǎn)：標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)與復(fù)雜、大型構(gòu)件焊接的矛盾，離線編程技術(shù)需要不斷調(diào)整和驗(yàn)證，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)理想效果。
焊接變形控制：需要合理設(shè)計(jì)坡口形狀和焊縫布置，減少焊縫截面積，降低焊接變形和應(yīng)力集中。
針對非標(biāo)小件的這些難點(diǎn)，目前并不是毫無解決辦法。相比傳統(tǒng)焊接工業(yè)機(jī)器人，智能焊接機(jī)器人增加了感知技術(shù)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。簡單來說，可以將智能焊接的過程類比為一個焊工的工作：焊工的手代表機(jī)械臂，手中的焊槍就是執(zhí)行任務(wù)的工具，而他的眼睛和耳朵則代表感知系統(tǒng)。焊工的大腦類比過來就是智能機(jī)器人焊接系統(tǒng)的控制器，負(fù)責(zé)思考、判斷和決策。在傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，觀察、思考和執(zhí)行通常由三個獨(dú)立的控制器負(fù)責(zé)。而現(xiàn)在的技術(shù)使得這三個過程能夠集成在同一個控制器中，仿佛一個人同時進(jìn)行看、思考和執(zhí)行的動作，極大地提高了處理信息的速度和決策的效率，從而顯著提升了工作效率，尤其是在智能化決策方面。
目前，新一代智能焊接機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、AI感知系統(tǒng)和焊接工藝三部分組成。
首先要有過硬的本體技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)智能化的核心性能，絕對定位精度是智能機(jī)器人的核心指標(biāo)。其次是AI感知能力， AI加3D視覺模塊是完全獨(dú)立于機(jī)器人本體的一個要素。做本體的更多能力在于設(shè)計(jì)、電控、運(yùn)控、動力學(xué)，而AI更多的是深度學(xué)習(xí)、點(diǎn)云處理算法和感知決策。第三個能力是焊接工藝，除了解構(gòu)焊接過程，解耦繁雜的焊接參數(shù)之間的關(guān)系，還有在工況不穩(wěn)定以及熱積累影響下的工藝自適應(yīng)，這也是焊接電源廠商會更多聚焦的模塊。
但是目前在中國機(jī)器人市場，很少有企業(yè)既有有本體團(tuán)隊(duì)和AI視覺團(tuán)隊(duì)，又能在機(jī)器人本體、AI視覺和焊接工藝三部分同時發(fā)力。
2022年，主做3D視覺產(chǎn)品研發(fā)的昇視唯盛通過入股哈工現(xiàn)代不斷尋求突破和創(chuàng)新，成功實(shí)現(xiàn)企業(yè)戰(zhàn)略融合，如今已成為少數(shù)具備“三合一”技術(shù)的企業(yè)之一。
02
實(shí)際案例
IBWS：智能定制焊接系統(tǒng)
讓我們舉一個實(shí)際的案例，更清晰的看出“三合一”技術(shù)的優(yōu)越之處。
在制造業(yè)，特別是在焊接領(lǐng)域，傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)在非標(biāo)準(zhǔn)小件的批量生產(chǎn)中面臨諸多限制。傳統(tǒng)機(jī)器人焊接系統(tǒng)往往需要大量的手動編程，這不僅耗時耗力，而且在面對復(fù)雜或變化的生產(chǎn)需求時缺乏靈活性。為了解決這一問題，哈工現(xiàn)代推出了創(chuàng)新的智能定制焊接系統(tǒng)IBWS，旨在通過高度自動化和智能化改變焊接行業(yè)的現(xiàn)狀。
系統(tǒng)組成與創(chuàng)新
IBWS智能焊接系統(tǒng)由機(jī)器人、控制柜、焊接電源、焊槍及視覺系統(tǒng)組成。與傳統(tǒng)的機(jī)器人系統(tǒng)或智能焊接系統(tǒng)的一個主要區(qū)別在于，IBWS系統(tǒng)采用了三合一的控制系統(tǒng)，這包括了感知決策系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)以及焊接電源控制芯片，這些都集成在控制柜中。
解決方案與優(yōu)勢
免示教系統(tǒng)的獨(dú)特創(chuàng)新
哈工現(xiàn)代的免示教系統(tǒng)不僅僅是軌跡控制，更包括實(shí)時調(diào)整和優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。焊接工藝專家系統(tǒng)能根據(jù)焊縫結(jié)構(gòu)特征實(shí)時調(diào)整焊接參數(shù)，確保焊接過程的精確性。此外，三合一控制系統(tǒng)集成了機(jī)器控制、視覺系統(tǒng)和工藝系統(tǒng)，是現(xiàn)在進(jìn)程間微秒級通訊，顯著提高了操作效率和系統(tǒng)響應(yīng)速度。
AI應(yīng)用
由于焊接工程的復(fù)雜性和對經(jīng)驗(yàn)的依賴性，表明焊接不僅僅是一個技術(shù)問題，而且涉及到個體工藝師對問題解決方法的個人理解和經(jīng)驗(yàn)積累。為了標(biāo)準(zhǔn)化這一過程并提高效率和質(zhì)量，哈工現(xiàn)代采用了無監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的AI技術(shù)來自動匹配和優(yōu)化焊接工藝。這些AI技術(shù)能夠根據(jù)實(shí)際場景的需求定制適合的工藝策略。
此外，哈工現(xiàn)代在視覺系統(tǒng)中使用了RCNN（區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行目標(biāo)檢測、特征提取和點(diǎn)云質(zhì)量檢測，進(jìn)一步說明了AI的具體應(yīng)用技術(shù)和方法。這包括利用圖像處理技術(shù)來提取必要的特征，并通過RCNN和POINT-RCNN等算法來優(yōu)化點(diǎn)云處理過程。
首件與非首件處理
在處理首件時，IBWS系統(tǒng)通過感知系統(tǒng)和人工決策相結(jié)合，確保初次焊接的高精度。一旦首件參數(shù)驗(yàn)證通過，這些信息將用于后續(xù)非首件工件的自動化處理，大大提高了操作效率。
傳感器技術(shù)應(yīng)對反光和環(huán)境影響
通過二次采集、多角度補(bǔ)全、偏光濾光片和環(huán)境光校準(zhǔn)等技術(shù)，IBWS系統(tǒng)能夠有效應(yīng)對反光和環(huán)境干擾，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和完整性。
點(diǎn)云閉環(huán)檢測和高精度重建技術(shù)
IBWS系統(tǒng)通過點(diǎn)云分層消除獲取高質(zhì)量點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)精確的焊縫識別和工藝決策。這些技術(shù)不僅提升了焊接質(zhì)量和精度，還確保了整個焊接過程的穩(wěn)定性和可靠性。
節(jié)省成本和時間
IBWS減少了傳統(tǒng)焊接所需的工裝治具費(fèi)用及安裝時間，同時進(jìn)一步提高了焊接效率，使系統(tǒng)運(yùn)行效率接近示教編程的機(jī)器人效率。
經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)際應(yīng)用
哈工現(xiàn)代的IBWS系統(tǒng)已在多個生產(chǎn)線上得到應(yīng)用，實(shí)際操作顯示，首件模式下從啟動到開始焊接需1.5分鐘，而非首件模式僅需10秒。在非首件模式下，一個焊工最多可以同時負(fù)責(zé)和操作7-8臺設(shè)備。
此外，IBWS系統(tǒng)還具備點(diǎn)云的閉環(huán)檢測和視覺自適應(yīng)感知功能，可以讓機(jī)器人在面對結(jié)構(gòu)不完整的工件時，也能自動計(jì)算并補(bǔ)全所需數(shù)據(jù)，確保焊接質(zhì)量和精度。
03
國產(chǎn)智能焊接機(jī)器人市場未來可期
據(jù)MIR睿工業(yè)市場研究顯示，目前鋼結(jié)構(gòu)、海洋造船、能源電力、重工機(jī)械等行業(yè)中的代表企業(yè)開始批量釋放焊接機(jī)器人訂單，在智能制造政策的推動下，未來幾年將帶動弧焊機(jī)器人市場增長。
2023-2025E年中國弧焊機(jī)器人市場規(guī)模推移（臺）
在智能焊接機(jī)器人領(lǐng)域，隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和市場應(yīng)用的日益深入，國產(chǎn)智能焊接機(jī)器人市場的未來可謂是充滿希望。據(jù)MIR調(diào)研顯示，一直以來，外資機(jī)器人品牌安川、發(fā)那科、松下等在焊接領(lǐng)域占據(jù)著主要市場地位，但2023年，在大環(huán)境不景氣的情況下，內(nèi)資品牌仍有所增長，而外資品牌卻有較大幅度下滑。
如今，隨著國內(nèi)外合作的深入和技術(shù)的不斷迭代，國產(chǎn)智能焊接機(jī)器人在對標(biāo)國際品牌的過程中，已經(jīng)顯示出不容忽視的技術(shù)創(chuàng)新和市場應(yīng)用潛力。隨著國內(nèi)制造業(yè)的不斷升級和智能化需求的增加，預(yù)計(jì)國產(chǎn)機(jī)器人將在全球市場占據(jù)更加重要的地位，推動國內(nèi)外市場的進(jìn)一步競爭與合作。
隨著技術(shù)的進(jìn)步，如哈工已經(jīng)推出的4.0版本的智能焊接機(jī)器人所示，國內(nèi)品牌不僅在技術(shù)上逐漸追趕國際領(lǐng)先水平，還在應(yīng)用的靈活性和定制化服務(wù)上展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。國內(nèi)企業(yè)能夠根據(jù)具體行業(yè)和客戶需求，快速調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品，是許多大型外資公司難以匹敵的。
END
未來，智能焊接機(jī)器人將在船舶、工程機(jī)械、電力設(shè)備等領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，不僅提高生產(chǎn)效率，還能提升產(chǎn)品質(zhì)量。此外，市場對智能化、自動化的追求不斷增強(qiáng)，預(yù)計(jì)智能焊接機(jī)器人將逐漸取代傳統(tǒng)手工焊接方式，加速工業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。國產(chǎn)智能焊接機(jī)器人將在全球焊接市場中的競爭力將進(jìn)一步提升，為中國制造業(yè)的升級與轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)大動力。
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