焊接工艺具有低成本、短周期等特点，在我国制造业企业中已得到广泛的应用，众多企业已研制出多种类型的焊接产品和焊接方法。随着工业制造技术的不断发展和市场需求的日益增长，机械制造行业正面临着更高效、更精密、更高可靠性的生产需求。在当前背景下，焊接产品设计模式由二维图纸设计升级为三维模型设计，焊接方法也从传统的手动焊接向自动化、智能化焊接发展。随着焊接技术不断提高、工艺知识的积累以及生产方式的变革，推动了整个焊接工艺的快速发展。因此发展和应用智能三维焊接工艺技术是机械结构件产品焊接工艺设计的迫切需求。

1 机械结构件产品对三维焊接工艺技术的需求

       1.1 焊接工艺国内外发展现状及主要存在问题

       随着全球范围内大型装备制造企业的数字化技术迅速发展，基于模型定义（Model-Based Definition, MBD）的数字化设计与制造技术已经成为制造业信息化的发展趋势。美国是最早应用三维数字化技术的国家，其机械工程师协会及波音公司等经过10多年的基础研究，并在波音787飞机上正式全面推行的新一代产品定义方法。在基于MBD技术的产品设计中，通过一个集成的三维数字化实体模型完整地表达产品信息，即将制造信息和设计信息（包括三维尺寸标注及各种制造信息和产品结构信息）共同定义到产品的三维数字化模型中。随着三维数字化设计软件技术和计算机技术的不断进步，特别是产品采用MBD设计后，为制造工艺系统全面采用三维数字化工艺设计提供了数据和技术支持。国内部分企业逐步应用三维数字化工艺技术，如枭龙飞机和ARJ21飞机机头的制造过程中，结合数字化制造技术的发展方向进行了部分三维工艺规划的试点应用。

       在焊接工艺方面的三维数字化工艺设计技术仍然发展相对缓慢，主要在于缺乏专业的三维数字化焊接工艺设计工具，其次是未基于已积累的焊接工艺知识和经验进行辅助的工艺设计与规划，导致焊接工艺设计效率低下以及标准化程度不高。

       1.2 机械结构件焊接工艺需求挑战

       1）在传统的二维工艺设计中，二维焊接图纸的解读往往存在困难，特别是在需要多次焊接与换位的情况下，焊接工艺的编制过程尤为困难，效率低下且容易出出现错误；

       2）焊接工艺中的各参数设置过程复杂，需要多学科、多层次的知识进行判断与设置。缺乏经验的设计人员对焊接工艺不熟悉，即使掌握了一定的工艺知识，但在多学科结合、焊接技术不断提高的情况下，由于对企业的工艺特点、现场的制造环境等不了解，可能会影响焊接工艺的可行性，导致设计与工艺的反复迭代，严重影响产品研制周期；

       3）对于焊接工艺，传统的二维工艺卡片指导性差，尤其对于复杂的焊接产品，焊接过程中的焊接顺序及焊缝表达不清晰，容易造成漏焊、错焊，严重影响产品交付周期；

       4）焊接工艺专业性要求极高，依赖于个人能力和经验，编制出的焊接工艺文件质量参差不齐，焊接产品质量也难以实现标准化；

       5）焊接过程不仅涉及焊接部件，对焊接所需的设备、焊接工艺参数、焊枪路径等进行规划，在三维环境下难以同时进行多项调整，尤其是对于焊接过程中的焊缝状态与焊枪姿态，难以进行有效可视化的规划；

       6）在三维设计越发完善的情况下，焊接程序与三维模型数据的关联性问题逐渐凸显，数据传输存在壁垒，系统间存在信息孤岛，一旦模型有变更时，需重新编制焊接程序，导致编制效率低下。

2 机械结构件三维智能焊接工艺研究

       2.1 机械结构件三维智能焊接工艺设计流程

       基于MBD的三维焊接工艺设计流程，首先需要实现对三维模型的自动读取与分析，包括模型的基本信息、建模特征信息、边界表示（Boundary Representation,  Brep）结构信息、标注信息等。采用自主研发的焊缝识别算法，自动对装配零件中的需焊接部位进行识别与标识，快速将设计意图转化为焊接工艺要求。基于焊接工艺知识库，智能推荐焊接工艺参数，生成结构化的焊接工艺信息。在三维交互式的环境下，利用计算机图形学、知识推理、虚拟仿真等先进技术，辅助工艺人员完成焊接过程的规划与仿真，并通过可视化的方式，直接对焊枪姿态进行调整与规划。通过与离线编程软件无缝集成，将结构化的焊接工艺数据传递给离线编程软件，实现焊接程序的快速生成，减少生产准备时间，为机器人编程和调试提供灵活高效的环境，从而提高工艺设计与制造的协同效率，减少出错概率，并缩短产品研发与制造周期。三维智能焊接工艺技术路线如图1所示。
 
       2.2 焊缝识别技术

       通过焊缝特征识别技术，可以对机械结构件的MBD模型进行特征识别分析，智能提取所有潜在的焊缝。焊缝识别分为两个阶段：第一阶段是零件类型识别，常规焊接结构件分为板材、型材、管材三类。此阶段依据零件三维模型的几何信息以及几何拓扑关系来分析对应的类型；第二阶段是焊缝识别，按照焊接零件的接头形式进行分类，常规的接头形式包括对接、角接、搭接、T形接等类型。此阶段可以根据零件之间的位置关系，将所有可能存在的焊缝进行自动识别。

       基于三维模型的自动焊缝识别技术能够对所有焊缝进行智能识别，并能够提取焊缝关联零组件、接头类型、长度、坡口等参数，为后续的焊缝工艺参数的推理提供数据支持。焊缝识别结果如图2所示。
 
       2.3 基于知识的焊接工艺推理技术

       针对机械结构件，定义一套焊接工艺知识库，依据识别所得的焊缝信息进行焊接工艺参数推理，从而确定焊缝的工艺方法、过渡形式、保护气体、焊道电流与电压、焊丝直径、送丝速度等参数。如某焊缝经过知识库的推理得出的焊接工艺方法为“熔化极气体保护焊”，其余参数也可自动推理出来，如图3所示。
 
       2.4 焊缝排序

       焊缝的焊接顺序是焊接工艺设计中的重点，由于复杂机械结构件焊缝数量众多，人工进行每条焊缝的顺序规划需要耗费大量的时间，并且容易出错，因此智能的焊缝排序显得尤为重要。通常焊缝排序可分为两个步骤：一是焊接工序划分；二是每道工序中的焊缝顺序定义。

       针对焊接工序划分，可以通过三维模型预选基础件，然后由计算机自动分配基础件关联的配合焊接件，实现该工序物料的快速分配。每道工序中焊缝顺序的定义，可基于焊缝位置与零件结构的方向进行自动推荐，从而提高焊缝顺序规划的效率。如图4所示，通过“自动按方向选择所有焊缝”功能实现智能排序。
 
       2.5 焊枪划线

       焊枪划线也叫焊枪姿态规划，在焊接工艺设计中，焊枪姿态需要逐一定义。在一条焊缝中焊枪需要自动规避障碍物和保持较好送丝角度，需要定义多个姿态，导致焊枪姿态规划需要花费大量的时间。从本质上讲，焊枪姿态规划是通过增减控制线的方式来对焊枪角度进行优化设计，即在控制线设计中，通过调整倾斜角、偏转角、旋转角等角度参数调整焊枪姿态，使控制线自动规避障碍物，避免与实体零件进行干涉，对最优焊枪姿态的求解操作。智能焊接工艺设计系统需要自动对每条焊缝的起点、终点以及中间控制点的姿态进行自动调整，并对每个焊枪姿态控制点的方向进行规划，以满足焊枪与焊缝的角度、焊枪与焊接件的角度等众多要求。如图5所示，某焊缝自动规划焊枪姿态并可视化显示。
 
       2.6 焊接离线编程

       随着焊接机器人的广泛应用，企业逐渐使用离线编程软件进行编程。传统的离线编程软件需要大量的焊缝工艺定义操作，编程效率低。基于三维智能焊接工艺系统与离线编程软件进行集成，将焊接顺序和焊缝轨迹参数等信息传递至离线编程软件，可以提升编程效率60%以上。如图6所示，三维智能焊接工艺系统导出xml数据，然后再传递至离线编程软件中。
 
3 结束语

       以典型的机械结构件产品为例，应用了三维智能焊接工艺设计技术实现焊接工艺设计。整个工艺设计过程以自动焊缝识别技术为基础，调用焊接工艺知识库进行焊接工艺推理，结合智能焊缝规划与焊枪姿态规划，最终与离线编程软件实现集成。通过该产品的应用验证，工艺设计效率较传统的二维工艺卡片设计模式可提升60%以上。

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