在焊接制造中，有大量的非标准化、定制的焊接部件，机器人在焊接过程中具有较高的适应性和灵活性，传统的教学再现机器人难以直接应用于实际焊接生产，因此实现机器人智能焊接应用有许多关键问题需要解决，其中机器人自动编程焊接是关键。介绍了基于数字双胞胎和视觉传感技术的机器人焊接自动编程技术，主要包括焊接数字双胞胎、离线编程、3D视觉焊接目标匹配和焊接寻位等关键技术。
机器人焊接因其质量稳定、效率高、重复性好、灵活性强而越来越多地应用于智能制造领域。例如，机器人焊接在汽车工业中的应用约占40%。但在海工装备制造中，传统的示教-再现机器人难以大规模直接应用于实际焊接生产，其应用不到2%。主要原因是船舶海工焊接制造中有大量定制的非标件，加上多品种、小批量的特点（见图1），导致机器人无法应用或不适用，效率低下，迫切需要机器人焊接具有更高的适应性和灵活性。因此，为了实现机器人智能焊接在船舶、海洋工程、钢结构和工程机械中的大规模应用和推广，有许多重要问题需要解决[1、2]，其中机器人焊接自动编程技术是关键[3、4]。 
为了实现多品种、小批量、定制的非标准船舶海洋设备制造中机器人焊接的大规模使用，需要突破的关键技术如图2所示，包括焊接自动编程技术、机器人焊接控制技术和视觉传感系统。 如图3所示，机器人智能焊接解决方案主要包括焊接数字孪生、离线编程、3D视觉等关键技术。使用数字孪生系统快速自动编程，然后使用3D视觉自动修正焊接轨迹，可提高焊接效率，实现多品种、小批量、定制非标机器人焊接，解决机器人智能焊接在船舶设备应用中的一些痛点和难点，逐步实现智能焊接替代劳动力，使机器人焊接在这些领域可以使用，易于使用。
目前，市场上有许多自动编程软件，如以色列SmartTCP、ABB机器人的RobotStudio、KUKA机器人的Simpro编程软件，发那科机器人Roboguide、荷兰的RinasWeld、澳大利亚卧龙岗大学Verbotics及荷兰的Delfoi 机器人离线编程软件等。如图4所示，机器人焊接自动编程过程主要包括以下四个步骤。
第一步是模型导入和焊缝编辑。从三维设计软件中导出焊接工件的三维模型，编辑焊接工件模型，设置焊缝，生成坡口，设置焊接顺序。
第二步是运动模拟和焊接模拟。编辑机器人焊接动作，在数字双胞胎系统中进行运动模拟，确认加工路径正确，无碰撞，生成机器人焊接路径。
第三步，3D校正焊接轨迹。修正机器人的实际焊接路径，使用3D对整个工件进行视觉扫描，识别和定位工件，校正三维零件模型和实际工件焊缝位置，获取实际焊缝位置数据。
第四步是控制焊接过程。机器人根据焊接指令移动到焊缝的起始位置，并利用激光视觉传感实时跟踪和控制焊接过程，使用被动视觉传感系统实时监控熔池，最终完成工件的整个焊接。
数字双胞胎作为一种改变游戏规则的颠覆性技术，是传统产业数字转型的重要驱动力，可以实现物理空间和数字空间的实时双向同步映射和虚拟现实交互，在虚拟信息空间构建机器人焊接动态过程的虚拟系统，基于虚拟空间中的多传感技术，实现机器人焊接成型过程的动态协同优化控制，是机器人智能焊接技术的新突破点。研究基于工业数字孪生驱动的机器人智能化焊接技术对机器人智能再制造技术的推广具有重大意义。基于工业数字双胞胎驱动的机器人智能焊接技术对机器人智能再制造技术的推广具有重要意义。数字系统和物理系统如图5所示。 数字双胞胎是数字世界与物理世界深度融合的共生体，是智能制造应用的重要手段，具有开放和动态制造场景识别和适应性、制造过程实时感知和控制能力，实现虚拟现实交互控制优化，是下一代智能制造的关键[5]。
焊接发展历史悠久，焊接工艺复杂多变，特别是船舶海洋设备焊接件品种多、批量小、定制非标件多、装配间隙不一致、工艺优化滞后，阻碍了机器人智能焊接的发展。基于数字双胞胎系统机器人智能焊接采用离线编程方法，允许终端用户直观、快速地编程机器人，工人可以自动配置焊接参数和编程机器人，生成机器人轨迹，自动发送到机器人系统，无需使用机器人教学，通过实时控制命令主动保持机器人焊接过程在边界内。基于数字双胞胎系统，实现虚拟数据交互集成，使焊接生产线物理实体及其数字双胞胎实时连接和映射，实时反馈、迭代优化、监督报警等，为焊接过程提供决策建议，确保机器人焊接质量的稳定性。
目前，基于数字双胞胎技术的建模和模拟与以往大不相同。它不再处于离线、独立和特定阶段，而是与真实的物理世界建立了持久、实时和互动的联系。在焊接中，数字双胞胎模型和机器人焊接设备相互影响，是机器人智能焊接的关键技术。上海柏楚电子科技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。
视觉传感器以非接触特性、信息丰富、精度高、检测速度快及适应性强等优点[6]，在数字孪生系统中发挥着重要作用，是修正焊接轨迹、实现焊接自动编程的关键，被广泛用于机器人焊接定位、焊接导引、焊缝跟踪和焊接过程监控中。基于3D视觉机器人智能焊接数字孪生系统如图7所示。其中常用的3D视觉制造商包括西安志祥光电技术有限公司、中国科合感知智能研究院有限公司、浙江汉振智能技术有限公司等。 在数字孪生系统中，数字世界与物理世界的准确协调是关键，使用3D宏观视觉技术，扫描工件的整体外观，与工件模型进行比较，可自动调整数字双胞胎系统中工件的位置，系统再次计算和修正焊接轨迹和空移轨迹，通过点云配置[7]（见图8），实现机器人的自动编程焊接。
在船舶、海洋工程、钢结构和工程机械的焊接制造中，有大量的定制非标准零件。传统的教学再现机器人很难直接应用于这些领域的实际焊接生产。基于数字双胞胎和视觉传感技术的机器人焊接自动编程是实现多品种、小批量、定制非标件智能焊接应用的关键。因此，焊接数字孪生、离线编程、3D视觉焊接路径修正、焊接定位等关键技术的研究对提高我国设备制造焊接水平、船舶海洋制造项目的独立配套能力和满足国家新船舶战略安全需求具有重要意义。
参考文献：
[1] 许燕玲、张本顺、侯震.海工装备机器人智能焊接的关键问题及技术研究[J].2021(6)金属加工(热加工):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].2020(10)金属加工(热加工).
[3] 侯润石、蒋启祥、王胜华等.无模型工业机器人自动编程系统的大型复杂部件[J].2020年020，50(7):134-140.
[4] 邢继生.设计和实现工业机器人自动编程软件平台[D].广州：2017年东南大学.
[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/s?id=1718873120565254520.
[6] 陈华斌、孔萌、吕娜等.机器人智能焊接中视觉传感技术的研究现状[J].2017年47日电焊机：1-16日.
[7] MELLADO N，AIGER D，MITRA N J. Super4PCS:fast global pointcloud registration via smartindexing[J].Computer Graphics Forum，2015，33（5）205-215.
本文于2022年第属加工(热加工)第10期发表本文~13页，作者：哈尔滨工程大学、江苏自动化研究所张本顺、江苏自动化研究所孙凯、上海交通大学材料学院上海激光制造材料改造重点实验室徐燕玲、张华军，原标题：基于数字双机器人焊接自动编程关键技术研究。
参考文献：[1]张本顺、孙凯、徐燕玲、张华军.研究基于数字孪生机器人焊接自动编程的关键技术[J].2022(06)金属加工:10-13.