關(guān)于數(shù)字化焊接技術(shù)的相關(guān)分析

高光

伊犁技師培訓(xùn)學(xué)院，中國·新疆 伊寧 835000

1 引言

在現(xiàn)代化技術(shù)飛速發(fā)展的進程中，數(shù)字化的概念逐步深入人心，所謂數(shù)字化技術(shù)，重點是指計算機和互聯(lián)網(wǎng)等作為基礎(chǔ)，將信息的離散化表述和傳感等科學(xué)理論作為支撐，通過科學(xué)整合和發(fā)展而成的技術(shù)手段[1]。數(shù)字化焊接技術(shù)屬于一種新的產(chǎn)物，其將數(shù)字化技術(shù)和焊接工藝相互結(jié)合到一起，如焊接模擬仿真數(shù)字化和車間焊接數(shù)字化技術(shù)等等，都是富有代表性的技術(shù)手段。

2 焊接裝備單元級數(shù)字化焊接技術(shù)

2.1 設(shè)備

逆變焊機在逐步的轉(zhuǎn)化為數(shù)字化焊機時，需要經(jīng)歷漫長的過程，重點是將數(shù)字控制技術(shù)作為重要的條件，借助科學(xué)合理的數(shù)字信號處理器，實現(xiàn)對相關(guān)信息的獲取和利用。數(shù)字化焊機讓電源、機器人和焊槍等實現(xiàn)了便捷的交互，通過合理使用數(shù)字化控制系統(tǒng)，使焊機內(nèi)置更加的嚴謹，達到了理想化的便捷操作的目的，確保了焊接的品質(zhì)。全數(shù)字化焊機還具備著遠程診斷和修復(fù)等功能，可以讓焊接過程變得可控、可操作，其具備的理想控制精度和優(yōu)質(zhì)的接口兼容性，使數(shù)字化焊接技術(shù)得以穩(wěn)步發(fā)展。

2.2 跟蹤技術(shù)

在具體的生產(chǎn)實踐中，焊接跟蹤技術(shù)體現(xiàn)出智能化特征，其屬于一種智能化單元技術(shù)，在具體使用的過程中，接縫跟蹤可以適當(dāng)?shù)貏澐殖鲭娀∽詡鞲懈櫼约凹す?CCD 跟蹤，因傳統(tǒng)跟蹤技術(shù)不具備的便捷性，所以這一實踐可以保證良好的跟蹤效果[2]。電弧自傳感跟蹤重點是適用于熔化極氣保焊的環(huán)節(jié)，焊槍擺動的過程中，能讓弧長呈現(xiàn)出規(guī)律的運動狀態(tài)，由此使焊接電流發(fā)生了較為顯著的變化，同步感知電流的變化情況，獲取到焊槍以及坡口橫向、高低方向的偏差，便于展開科學(xué)化的調(diào)整。在實際運用相關(guān)方法的過程中，無需在焊槍上設(shè)置外部裝置，這在一定程度上控制了相應(yīng)的誤差，也讓盲區(qū)和滯后誤差問題得以規(guī)避，體現(xiàn)出實時性和成本低廉等優(yōu)勢。激光-CCD 傳感器的基本工作原理是三角測量，若是激光條紋投射在坡口表面，則會呈現(xiàn)出截面幾何條紋，由此分析出坡口幾何以及位置信息。

2.3 熔池視覺技術(shù)

經(jīng)驗相對豐富的焊工們，可以借助觀察熔池形貌的方式，將手中焊槍的姿態(tài)合理地進行調(diào)整，以此保證獲取到的焊縫更加優(yōu)質(zhì)。針對相關(guān)的課題，中國和國際上的學(xué)者展開了深入調(diào)查和研究，開展了雙目立體視覺法以及結(jié)構(gòu)光三維視覺法等多種實踐活動，美國的肯塔基大學(xué)張裕明教授便提出了結(jié)構(gòu)光三維視覺法，主張運用此方式檢測熔池信息，使用波長是337 納米、瞬時功率達到50kW 的脈沖激光照射熔池，整個過程需要進行同步的拍攝，獲取到相對清晰的圖像，運用基本的處理方案，使扎格輪廓得以有效的提取，計算出熔池表面的具體維度，通過科學(xué)地使用點陣結(jié)構(gòu)激光檢測熔池表面的三維形貌，確保實際的精度。

3 焊接工藝中的數(shù)字化技術(shù)

3.1 自動化設(shè)計系統(tǒng)

歐美等國家開始積極地投入焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究實踐中，涵蓋著母材、焊接方式以及焊接材料等多種內(nèi)容。中國研究開始于20世紀90年代，著重在材料定額、工藝自動化設(shè)計等不同的方面。南京理工大學(xué)王克鴻對于重型車輛開發(fā)出了焊接工藝計算機輔助設(shè)計和相關(guān)的評價體系，體現(xiàn)出焊接工藝的自動化特征，彰顯出焊接接頭信息輸入等多種功能，實現(xiàn)了推理階段多種參數(shù)和規(guī)則約束的自動工藝求解?，F(xiàn)階段，焊接數(shù)據(jù)庫以及工藝自動設(shè)計研發(fā)趨向成熟，在網(wǎng)絡(luò)化程度日益明顯的現(xiàn)代社會，相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫還將融入新的特征。

3.2 機器人焊接智能規(guī)劃技術(shù)

焊接機器人離線編程技術(shù)往往是建立在圖形屏幕示教的基礎(chǔ)上，逐步向智能編程的方向穩(wěn)步的前進，離線編程的核心與關(guān)鍵就是焊接任務(wù)和基本的路徑。路徑規(guī)劃一般可以適當(dāng)?shù)赝ㄟ^建模以及視覺系統(tǒng)加以落實，保證推進無碰撞校正工作[3]。焊槍的具體姿態(tài)規(guī)劃可以結(jié)合焊接的位置和工件情況加以分析，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整焊槍位置和姿態(tài)，使焊縫的質(zhì)量得以保障。焊接工藝規(guī)劃通常是根據(jù)焊接CAPP 系統(tǒng)加以落實，重點屬于CAD 和離線編程系統(tǒng)的優(yōu)化組合。如圖1所示，部分專家學(xué)者對機器人焊接參數(shù)的規(guī)劃問題展開了細致的分析，運用前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將機器人的焊接參數(shù)規(guī)劃器設(shè)置出來，實際的收斂效果明顯的優(yōu)于BP 算法。還有學(xué)者將焊接工件特征建模、綜合特征識別等技術(shù)研究工作開展起來，借助Solid Works 開發(fā)出焊接特征建模器。

圖1 機器人焊接智能規(guī)劃結(jié)構(gòu)圖

4 焊接模擬仿真技術(shù)

焊接數(shù)值模擬技術(shù)通常是運用描述焊接物理過程的偏微分方程和定解條件模擬焊接的過程，整個階段會運用到數(shù)值方法分析出焊接過程的定量認識。經(jīng)過科學(xué)的數(shù)值模擬和仿真人工智能技術(shù)結(jié)合等，使工藝參數(shù)加以確定到位，將基本的工藝方案逐步的優(yōu)化，分析出加工階段可能出現(xiàn)的缺陷和問題，采取科學(xué)化的應(yīng)對方案，使加工工件的具體品質(zhì)得以保護，同時還可適當(dāng)?shù)奶幚砩形唇鉀Q的復(fù)雜問題?，F(xiàn)階段，數(shù)值模擬技術(shù)逐步的滲透至多個方面，如焊接熱傳導(dǎo)模型以及焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)力與變形預(yù)測等，尤其是焊接熱傳導(dǎo)模擬逐步的由熔焊過程擴展至高能束焊，從單一溫度場計算發(fā)展至流場和熱場耦合計算，焊接結(jié)構(gòu)件的實際應(yīng)力和變形能進行計算的構(gòu)件日漸復(fù)雜，能讓焊接工序得以優(yōu)化。焊接接頭組織以及力學(xué)性能模擬與預(yù)測也呈現(xiàn)出穩(wěn)步發(fā)展的態(tài)勢，尤其是組織模擬上，部分新型技術(shù)的運用，使組織模擬研究更加的活躍。

5 車間級焊接數(shù)字化技術(shù)

5.1 在線傳感系統(tǒng)

車間級焊接數(shù)字化主要是指裝焊車間的焊接設(shè)備呈現(xiàn)出智能化和數(shù)字化發(fā)展狀態(tài)，有專家學(xué)者對于相關(guān)的內(nèi)容展開了細致地分析。如圖2所示，關(guān)于焊機群組化管理，有學(xué)者將有線和無線網(wǎng)絡(luò)建立了密切的聯(lián)系，打造出數(shù)字化焊機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，使焊機數(shù)據(jù)、品質(zhì)和維護等方面的管理有條不紊地展開，能對電流、電壓以及時間等進行科學(xué)的監(jiān)管[4]。王克鴻開發(fā)實時傳感采集焊接過程參數(shù)，將波形特征參數(shù)加以分析并計算，判斷具體焊接過程的穩(wěn)定程度以及工藝的科學(xué)合理性，利用局域網(wǎng)，完成遠程在線監(jiān)視的目標。

圖2 焊接工藝信息采集及質(zhì)量評價體系的結(jié)構(gòu)模型

5.2 焊接階段數(shù)字評價技術(shù)

焊接階段屬于相對復(fù)雜的理化變化過程，穩(wěn)定性以及實際的品質(zhì)往往會通過電流、電壓等反映出來。借助傳感采集電流和電壓等，使特征參數(shù)加以提取，使焊接過程的穩(wěn)定性和缺陷、品質(zhì)等得以在線判斷。有學(xué)者將模糊邏輯系統(tǒng)設(shè)計出來，運用電壓概率分布以及短路時間等判斷實際的統(tǒng)計指標，探索出具體的焊接質(zhì)量。還有學(xué)者借助對脈沖焊接中電壓和電流信號的分析，構(gòu)建了對應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，確保接頭強度預(yù)測更加到位。

6 結(jié)語

通過將數(shù)字化焊接技術(shù)合理地運用起來，使產(chǎn)品本身的焊接質(zhì)量明顯地提升，基本的穩(wěn)定性和可靠性得到了有效提高，同時還能降低生產(chǎn)成本，確保基本的效能達到理想的目標。