數(shù)字化焊接系統(tǒng)集成與應(yīng)用

■ 陳昊 于越華 陳成 鄧海鵬 陳川 / 中國航發(fā)黎陽

作為特種工藝的焊接工藝，其質(zhì)量將直接影響著航空發(fā)動機(jī)的性能。通過應(yīng)用數(shù)字化、智能化焊接技術(shù)，提升焊接質(zhì)量、提高焊接效率、降低焊接成本，是傳統(tǒng)焊接工藝實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新變革的重要途徑。

高效率、高質(zhì)量、低成本的數(shù)字化、智能化制造將是中國制造業(yè)未來提升自身競爭力、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的最佳方式。焊接技術(shù)作為工業(yè)中應(yīng)用最廣的工藝之一，目前面臨著焊接參數(shù)選擇依靠經(jīng)驗(yàn)，焊接過程管控難，焊接質(zhì)量與工藝參數(shù)的匹配性難以追溯等困難。作為一種重要的工業(yè)生產(chǎn)工藝，將先進(jìn)的信息技術(shù)植入到焊接自動化領(lǐng)域，使自動化焊接設(shè)備內(nèi)部、設(shè)備之間以及設(shè)備與管理系統(tǒng)之間形成有效信息交互網(wǎng)路就顯得十分重要。

總體目標(biāo)

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)通過前期研究制定了項(xiàng)目的總體目標(biāo)：將車間全部焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，在焊接過程中主要焊接工藝參數(shù)全部可提取，焊接過程穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量能夠智能評價；焊接工藝自動設(shè)計，能自動批處理輸出焊接工藝卡、工藝指導(dǎo)書、工藝評定報告等，具有維護(hù)方便、界面友好等特點(diǎn)；通過掃碼槍掃描工藝卡片、工藝參數(shù)表二維碼，分別獲取加工零件信息、焊接參數(shù)信息，并將工藝參數(shù)自動下達(dá)到焊接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)焊接過程參數(shù)可控化管理；采用數(shù)字和波形顯示實(shí)時傳感電流、弧壓、焊速等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全程可追溯，能提取和存儲任意時段工藝參數(shù)平均值、有效值、均方根、短路時間和次數(shù)、斷路時間和次數(shù)、燃弧時間、工時、材料消耗等數(shù)據(jù)，并能提供相關(guān)報表；所有焊縫質(zhì)量可全程追溯，依據(jù)實(shí)時傳感的工藝參數(shù)、結(jié)合已有的數(shù)據(jù)庫，離線進(jìn)行焊接過程穩(wěn)定性、焊接工藝吻合度等質(zhì)量的評價；機(jī)械手自動焊焊機(jī)熔池視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接過程熔池變化的實(shí)時監(jiān)控。

關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)上述總體思路和目標(biāo)，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)經(jīng)過研究，梳理出需要掌握的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾項(xiàng)。

焊接物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)與工藝傳感

焊接監(jiān)控評價軟件模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)對聯(lián)網(wǎng)焊機(jī)的實(shí)時監(jiān)控，記錄的內(nèi)容包括：焊接電流、弧壓、焊機(jī)工作狀態(tài)、預(yù)置焊接工藝參數(shù)、送絲速度、使用氣體、焊絲材質(zhì)、焊絲直徑、開關(guān)時間、焊接時間、焊工姓名、焊機(jī)型號、實(shí)時波形圖等參數(shù)。

質(zhì)量評價與管理

軟件通過數(shù)據(jù)處理，提取焊接電流、弧壓的瞬態(tài)波形和動態(tài)特征參數(shù)，對焊接質(zhì)量進(jìn)行初步預(yù)判與分析。結(jié)合焊接工藝計算機(jī)輔助設(shè)計（WCAPP），給出焊接工藝參數(shù)與要求的工藝的吻合程度評價；依據(jù)提取的動態(tài)和瞬態(tài)特征參數(shù)，評價過程穩(wěn)定性、缺陷產(chǎn)生概率等質(zhì)量要素；依據(jù)同步傳感的信息定位可能存在的焊縫、質(zhì)量欠缺（或可能存在缺陷）的具體位置以及焊接該焊縫的焊機(jī)，給出焊接電流超規(guī)范比例、超規(guī)范累計時間、波動系數(shù)等數(shù)據(jù)以及其他質(zhì)量特征分析評價數(shù)據(jù)，可離線輸出評價報告。

圖2 焊接成本管理界面

焊接工藝任務(wù)自動下達(dá)

焊接工藝任務(wù)自動下達(dá)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)軟件對焊接設(shè)備工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)定并下傳，焊接設(shè)備遵循下傳的工藝規(guī)范進(jìn)行焊接作業(yè)。焊接設(shè)備根據(jù)限流參數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)電流電壓輸出，保證焊接設(shè)備嚴(yán)格按照工藝規(guī)范約定來執(zhí)行。

數(shù)字化焊接車間生產(chǎn)管理

數(shù)字化焊接車間生產(chǎn)管理具體包括生產(chǎn)管理、成本管理和焊機(jī)管理等方面。

圖3 焊機(jī)設(shè)備管理界面

生產(chǎn)管理模塊應(yīng)實(shí)現(xiàn)對焊工信息、焊縫信息的采集與焊接設(shè)備的使能控制，采集方式包括插拔式I C卡、條碼掃描、感應(yīng)式刷卡終端機(jī)等。系統(tǒng)會自動記錄下工件編號并調(diào)用相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)。通過查詢功能，可以查詢到什么時間、哪個焊工使用哪臺焊機(jī)焊接了什么工件，把焊工、電焊機(jī)、工件統(tǒng)一管理起來，使生產(chǎn)管理具有可追溯性。

焊接成本管理模塊可查詢指定焊工在某個時間段內(nèi)的工作時間、使用效率、焊絲消耗、電能消耗、氣體消耗等數(shù)據(jù)，查詢條件可以按天查詢，也可以設(shè)定開始日期與結(jié)束日期進(jìn)行查詢，并以數(shù)據(jù)表及柱狀圖的形式體現(xiàn)，方便管理部門對工時、焊材消耗的及時把握，如圖2所示。

焊機(jī)管理模塊對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集和監(jiān)測，采集基于時間域的設(shè)備利用狀態(tài)、設(shè)備生產(chǎn)活動時間，對設(shè)備利用效率進(jìn)行統(tǒng)計、分析、測評，設(shè)備運(yùn)行信息包括：設(shè)備開關(guān)機(jī)時間、設(shè)備加工起始/終止時間、設(shè)備待機(jī)時間、設(shè)備報警時間、報警序號及報警內(nèi)容、焊接設(shè)備輸出電流/電壓曲線及其他關(guān)鍵點(diǎn)狀態(tài)。設(shè)備出現(xiàn)故障報警時，焊接管理系統(tǒng)彈出報警提示并將報警信息保存到數(shù)據(jù)庫中，對設(shè)備的報警日志可進(jìn)行查詢統(tǒng)計，軟件同時彈出故障提示信息，如圖3所示。所有的焊機(jī)參數(shù)以及焊接過程的宏觀、微觀圖像，均可通過總監(jiān)控室大屏幕進(jìn)行檢測。

焊接工藝管理

通過多種應(yīng)用軟件集成，實(shí)現(xiàn)各類焊接文檔管理規(guī)范化，以及焊接工藝設(shè)計、焊接任務(wù)規(guī)劃和焊接制造過程參數(shù)的采集自動化等目標(biāo)。由不同部門開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用軟件，其中，工藝部門開發(fā)焊接工藝設(shè)計軟件，生產(chǎn)車間設(shè)計焊接任務(wù)規(guī)劃軟件，焊接工位開發(fā)焊接使能及焊接過程的參數(shù)采集軟件。3個軟件以企業(yè)局域網(wǎng)為支撐，以共享數(shù)據(jù)庫方式實(shí)現(xiàn)軟件之間的數(shù)據(jù)集成及應(yīng)用軟件間的互聯(lián)互通，整個數(shù)字化車間軟件邏輯功能劃分和布局如圖4所示。

項(xiàng)目應(yīng)用效果

本項(xiàng)目基于數(shù)據(jù)分析，通過對焊機(jī)及其他硬件設(shè)施進(jìn)行改造，并植入操作和記憶程序，實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)數(shù)據(jù)優(yōu)化與記錄、焊接質(zhì)量評估與質(zhì)量追溯、焊接材料消耗統(tǒng)計與預(yù)測、焊接任務(wù)排產(chǎn)等方面的有效管理與優(yōu)化，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

一是實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)可視化管理。所有焊工工作狀態(tài)可通過大屏幕實(shí)時觀察； 焊接設(shè)備狀態(tài)可通過軟件界面實(shí)施監(jiān)測； 焊接機(jī)器人加裝熔池視覺系統(tǒng)后，可以在顯示屏上觀察熔池狀態(tài)。

二是焊接工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化管理。建立智能化焊接參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化管理，促進(jìn)焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立及數(shù)據(jù)管理，為后期優(yōu)化焊接參數(shù)提供數(shù)據(jù)支承，避免了由于工藝人員經(jīng)驗(yàn)不足造成的焊接工藝質(zhì)量參差不齊。

三是現(xiàn)場焊機(jī)焊接參數(shù)準(zhǔn)確管理。建立焊接參數(shù)自動下達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)通過掃描二維碼自動下達(dá)，避免人為錯誤調(diào)整參數(shù)的風(fēng)險。

四是實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量可溯化管理。建立焊接質(zhì)量評價系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的預(yù)評估。建立焊接參數(shù)采集系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)實(shí)時采集及焊接過程參數(shù)的顯示，若后期出現(xiàn)質(zhì)量問題可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取加工記錄，并對加工時的操作人員、焊接參數(shù)等因素進(jìn)行追溯。

五是促進(jìn)焊接設(shè)備、排產(chǎn)合理化管理。建立焊機(jī)使用記錄數(shù)據(jù)庫，分析數(shù)據(jù)為焊接設(shè)備購買、排產(chǎn)計劃提供支持，做到提高設(shè)備利用率、促進(jìn)排產(chǎn)合理化。

六是實(shí)現(xiàn)焊材消耗可量化管理。系統(tǒng)可以記錄焊材與保護(hù)氣體消耗量數(shù)據(jù)庫，以全年或單臺消耗數(shù)據(jù)為焊材、保護(hù)氣體購買與領(lǐng)取提供依據(jù)，減少庫存浪費(fèi)。

圖4 數(shù)字化焊接軟件架構(gòu)及布局

結(jié)束語

創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)將傳統(tǒng)焊接技術(shù)與數(shù)字化、智能化技術(shù)相結(jié)合，開辟了一條傳統(tǒng)工藝與數(shù)字化結(jié)合的創(chuàng)新之路，達(dá)到了降低焊接成本、提升焊接質(zhì)量的目標(biāo)。目前已完成了對焊機(jī)控制及傳感系統(tǒng)改造，并將所有焊機(jī)集成焊接系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)；建立了智能化焊接參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)，并將其與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）系統(tǒng)集成，可直接向規(guī)程編制人員推薦參數(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化管理。后期將繼續(xù)開展智能化焊接技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)對焊接前、焊接中、焊接后的各項(xiàng)工作的有效管理。