智能焊接技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用

張安樂

（中國鐵建高新裝備股份有限公司，昆明 650215）

作為國民經(jīng)濟發(fā)展程度衡量指標之一的機械行業(yè)，在信息技術(shù)的推動下取得了長足進步，產(chǎn)業(yè)附加值進一步提高，更好地適應(yīng)了發(fā)展現(xiàn)代化的需求，助力著工業(yè)4.0 的實現(xiàn)。焊接是重型機械制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，對產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和安全性起著重要作用。“面對新型的競爭激烈的市場環(huán)境，重型機械行業(yè)逐步向?qū)I(yè)化、裝備化、智能化和自動化發(fā)展，來應(yīng)對產(chǎn)品升級的需求。[1]”

傳統(tǒng)機械企業(yè)的發(fā)展道路一直是勞動密集型，勞動力成本低、工作環(huán)境差、對人力技術(shù)依賴性強。但隨著社會和新技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)發(fā)展的性質(zhì)已由勞動密集型轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型。機械產(chǎn)品需要現(xiàn)代化，并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)技術(shù)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，在機械設(shè)備生產(chǎn)中有必要融入智能化焊接技術(shù)，逐步取代現(xiàn)有的低級階段技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)場環(huán)境，提升生產(chǎn)效率。

1 智能焊接技術(shù)的概念和功能層次

智能焊接是指焊接過程中設(shè)備和相關(guān)零件的智能化和信息化更新。智能焊接的核心是應(yīng)用“傳感—決策—執(zhí)行”來控制焊接過程參數(shù)。同時，多個傳感器在工作中被應(yīng)用，能夠全面掌控復(fù)雜和準確的流程信息并及時做出改善。焊接系統(tǒng)和操作員系統(tǒng)之間的智能人機交互來實現(xiàn)，其具體流程和關(guān)鍵技術(shù)點如圖1、圖2 所示。

圖1 智能焊接技術(shù)基本框架

圖2 智能焊接技術(shù)關(guān)鍵點

在智能焊接技術(shù)的操作中，主要涉及以下幾個層次的功能。

1.1 連接層

獲得準確有效的焊接過程信息是在CPSS 中創(chuàng)建智能焊接系統(tǒng)的關(guān)鍵。在焊接現(xiàn)場檢查焊接參數(shù)（電流、電壓等）、焊接質(zhì)量（溫度場、電壓等）和焊接尺寸。

因此，有必要創(chuàng)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并在焊接系統(tǒng)中使用虛擬傳感器（焊接電壓、焊接電流和焊接網(wǎng)絡(luò)通信流等）來實現(xiàn)工藝參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)識別。一個位置傳感器網(wǎng)絡(luò)可以與另一個位置實現(xiàn)即時的信息交流，傳感器和所在網(wǎng)絡(luò)之間的即時交流實現(xiàn)了多個工作環(huán)節(jié)之間的控制與交互，為收集結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提供良好的基礎(chǔ)。例如，如果更多的機器人調(diào)整大型薄壁零件的焊接曲線和焊接過程，則需要調(diào)整每個臂上傳感器之間的連接，以獲得有關(guān)加工零件的更準確信息。

1.2 數(shù)據(jù)解釋層

在數(shù)據(jù)解釋層可以將工作流程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息層，大大提升了數(shù)據(jù)收集和運用能力。多傳感器數(shù)據(jù)分析和多源數(shù)據(jù)集成可以有效防止信息過多和不足，提高測試信息的可靠性。該系統(tǒng)可以直接從收集的信息中獲得信息，包括但不限于數(shù)據(jù)分類、趨勢預(yù)測和意見反饋等工作。同時，智能焊接系統(tǒng)能夠從收集到的信息分析子系統(tǒng)的狀態(tài)和存在的問題，以實現(xiàn)對焊接過程信息的獨立感知。

1.3 信息層

在信息層能夠高效理解物理過程的狀態(tài)，設(shè)計相關(guān)工作模型，使智能系統(tǒng)能夠更好地識別部件性能和工作狀態(tài)。例如，可以準確評估獲取信息的準確性，并根據(jù)信息和分析結(jié)果做出決定。根據(jù)所建立的模型進行系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測和評估，進而做出改進方案設(shè)計。例如，焊接尺寸測量網(wǎng)絡(luò)可以使用預(yù)測算法提高焊接尺寸控制器的性能。此外，通過網(wǎng)絡(luò)共享、云計算等信息技術(shù)，可以獲得不同施工條件下的信息處理和處理參數(shù)。例如，通過外部系統(tǒng)訪問焊接過程參數(shù)的云數(shù)據(jù)庫，不僅可以提高系統(tǒng)的智能化水平，還可以遠程自動監(jiān)控焊接過程。

1.4 認知層

實現(xiàn)焊接過程智能化的有效途徑是基于焊接過程知識實現(xiàn)、表達和做出獨立決策。由于機器的智能化水平不高，大多數(shù)焊接工藝問題仍然需要由合格的操作員決定。在這方面，運用分段焊接系統(tǒng)能夠提升機器運作水平，獨立完成相對簡單的決策過程，并監(jiān)督相關(guān)工作的完成效率。為了高效處理系統(tǒng)運作問題，機器需要獲取信息，運用容易理解的語言實現(xiàn)人機溝通，運用計算機來解決復(fù)雜流程問題。在實踐中要提高機器人的學習能力，自主模擬相關(guān)工作過程，逐漸積累實踐經(jīng)驗。

1.5 自主調(diào)節(jié)層

根據(jù)認知層中提供的信息，自主調(diào)節(jié)層需要控制執(zhí)行機構(gòu)來實現(xiàn)相應(yīng)的實踐行動。要求智能焊接及其具備自主監(jiān)測和改變參數(shù)信息的能力。針對焊接過程中干擾因素多、不確定因素強的問題，控制器要能夠滿足自主調(diào)試、抗干擾等功能。可以通過監(jiān)督控制、回彈控制等方式來演繹決策信息，深度融合物理世界和虛擬世界的工作。“由于智能焊接過程各焊接參數(shù)相對穩(wěn)定，焊接參數(shù)變化受人為的影響因素少，焊縫成型美觀，因此焊接質(zhì)量較手工焊接要高且穩(wěn)定。[2]”

2 自動化焊接技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用策略

2.1 自動化焊接專機

焊機主要包括焊接系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。組裝和拆卸需要手動或機械操作。待加工工件通過焊接裝置放置，并自動起拱。手動或自動驅(qū)動、移動、扭轉(zhuǎn)和拆卸零件。焊接系統(tǒng)主要包括電源、焊槍，機械系統(tǒng)包括主機構(gòu)、緊固件和輔助件等。電氣系統(tǒng)主要控制燈具位置部件移動。在大規(guī)模生產(chǎn)過程中，公司通常使用自動設(shè)備工作。自動焊接技術(shù)主要是焊接控制在焊接過程中的最佳應(yīng)用。在工作過程中，可以在自動焊機上安裝傳感器和電子電路，控制生產(chǎn)過程。此外，自動焊機可以根據(jù)生產(chǎn)過程的具體需要進行定制。生產(chǎn)過程中通常采用雙層焊接工藝。圖3、圖4 是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常用的智能焊接系統(tǒng)和專機示意圖。

從圖3、圖4 可以看出，焊接專機不僅提高了工作效率，而且有效地改善了焊接材料的斷裂問題，這與焊接材料的機械性能密切相關(guān)。雙面焊接技術(shù)也可用于各種焊接條件，如直線和曲線，以提高焊接性能。在實際應(yīng)用中，焊接工藝引起的焊接變形越小，大面積生產(chǎn)工藝的質(zhì)量越高。例如，它可以用來制造汽車發(fā)動機。汽車發(fā)動機和燃料發(fā)動機之間有明顯的區(qū)別。這些都是汽車的主要部件，但發(fā)動機的質(zhì)量直接影響到汽車的節(jié)能和環(huán)保。好的電機可以更好地控制扭矩和旋轉(zhuǎn)方向。因此，將自動焊接技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動機的生產(chǎn)中，以提高發(fā)動機的整體質(zhì)量。同時，自動焊機采用智能技術(shù)，其基本工作模式體現(xiàn)在傳感器的應(yīng)用中。智能化的焊接專機在滿足以上功能的同時，還能夠運用高等級的傳感器，如視覺、觸覺和光敏等，來配合計算機、軟件和數(shù)據(jù)庫，進一步實現(xiàn)智能化的參數(shù)調(diào)整。與焊接機器人相比，焊接專機的性價比更高，對焊件的直線和曲線有更強的適應(yīng)性，適合批量生產(chǎn)和運用。在實踐中具備效率高、變形小和質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢，且操作簡便、成本低廉、過程安全，在實際工程中的運用范圍很廣。

圖3 智能焊接工作站樣貌

圖4 智能焊接專機基本結(jié)構(gòu)

2.2 工件監(jiān)測

隨著中國的經(jīng)濟水平逐漸提高，傳統(tǒng)的產(chǎn)品識別技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的需要。主要原因是現(xiàn)有的加工件檢測技術(shù)是手動檢測，檢測水平參差不齊。此外，手動測試還涉及大量人力資源投資和不必要的成本。另一方面，由于相關(guān)工人缺乏專業(yè)培訓(xùn)，在測試過程中存在一些差異，最終產(chǎn)品的質(zhì)量不在同一水平。此外，該測試是一項長期操作，許多員工在監(jiān)測期間重返工作崗位，注意力下降，這在一定程度上影響了最終質(zhì)量。在這種情況下，工業(yè)過程需要改進性能測試?！肮I(yè)焊接技術(shù)是自動控制和人工智能技術(shù)相結(jié)合的一種新的工作模式，是一系列進入新時代的自動化產(chǎn)品，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)、制造和加工的工作水平和效率，加強了一系列產(chǎn)品的缺陷檢測和質(zhì)量檢驗管理。[3]”例如，集成圖像處理技術(shù)可以提高工作效率，降低勞動力成本，支持企業(yè)發(fā)展。

2.3 焊接機器人

中國已經(jīng)進入了信息時代。將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入焊接自動化，可以通過數(shù)字化和智能化，特別是通過計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有效地提高焊接自動化的效率?！皺C器人智能裝備焊接設(shè)備的研制，已是焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢，柔性集成、智能制造已是工業(yè)制造技術(shù)的趨勢，現(xiàn)代機器人智能裝備焊接制造，是自動化焊接的重要發(fā)展環(huán)節(jié)及工業(yè)制造技術(shù)前進的動力。[4]”

自動焊接的有效應(yīng)用必須依靠聲學設(shè)備。這是連接智能和數(shù)字技術(shù)的唯一途徑。在實際應(yīng)用中，焊接規(guī)范應(yīng)符合實際要求，使焊接產(chǎn)品在焊接過程中不變形。我國的焊機生產(chǎn)技術(shù)雖小，但品種十分豐富。為了提高焊接技術(shù)水平，促進中國工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要及時優(yōu)化和升級焊接技術(shù)，以適應(yīng)不同的條件。機器人焊接在一定程度上提高了中國工程行業(yè)的發(fā)展質(zhì)量。焊接機器人具有靈活性、智能性和高精度的特點。為了提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和社會影響，有必要在機械生產(chǎn)領(lǐng)域引入焊接機器人（圖5）。

圖5 智能焊接機器人的工作流程

此外，焊接機器人的應(yīng)用成本高，因此我國尚未廣泛采用。在機械生產(chǎn)過程中，這種自動化生產(chǎn)模式可以有效提高工作效率和焊接速度。但是，我們不能過分追求效率而忽視質(zhì)量，其對社會的發(fā)展有著不可磨滅的影響。為確保自動焊接的質(zhì)量，焊接設(shè)備必須符合標準，并嚴格檢查所有環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮技術(shù)賦能優(yōu)勢?！皩τ谧冃屋^大的焊縫，后續(xù)需要繼續(xù)研究焊接工藝自適應(yīng)，通過實時改變焊接電流、電壓和送絲速度等工藝參數(shù)，確保焊縫可較好填充。[5]”

3 智能焊接技術(shù)的未來發(fā)展展望

過去，重型機械行業(yè)的焊接是手動進行的，焊接質(zhì)量取決于實際技術(shù)水平和焊工自身的素質(zhì)。焊接質(zhì)量控制技術(shù)是利用視覺控制方法監(jiān)測焊接熔池的變化，實時調(diào)整機器人的位置，以便呈現(xiàn)更好的焊接形狀。焊接質(zhì)量控制技術(shù)主要包括焊接管更換、建模和焊接過程控制。電解槽的交換控制是焊接模具質(zhì)量控制的1個重要組成部分。從視覺傳感器對焊接過程進行實時監(jiān)測，可直接反映焊接過程的焊接行為。此外，還確定了焊接參數(shù)、焊接成形規(guī)則及焊接模型，從而為控制器的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。焊接質(zhì)量控制技術(shù)是利用現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊組件和原始組件的智能模擬技術(shù)開發(fā)的。加深對焊接過程的理解，建立一個更加精確的焊接過程。模型焊接過程質(zhì)量控制技術(shù)將在未來的基礎(chǔ)建設(shè)中得到進一步發(fā)展。

工業(yè)4.0 是智能焊接技術(shù)發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。介紹了基于產(chǎn)業(yè)鏈的4.0 系統(tǒng)和基于CPSS 的5C 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，分析了各階段智能焊接的基本技術(shù)。最后，將討論智能焊接技術(shù)的演變。在工業(yè)系統(tǒng)4.0 中，智能焊接的發(fā)展不僅限于智能解決方案和焊接過程控制。學習靈活和個性化的焊接系統(tǒng)，在計算機和信息技術(shù)的發(fā)展下保持行業(yè)活力。隨著中國制造業(yè)向更高水平發(fā)展，主導(dǎo)信息技術(shù)革命的智能和數(shù)字應(yīng)用支持焊接機器人和重型機械的智能和自動控制系統(tǒng)在新時代的互聯(lián)。開發(fā)新的智能焊接技術(shù)，智能焊接技術(shù)的廣泛運用能夠取代部分人力工作，進一步提升生產(chǎn)效率，幫助產(chǎn)業(yè)提高經(jīng)濟效益。有效支持中國重型機械行業(yè)的技術(shù)改造和附加值，并向智能化方向發(fā)展。

4 結(jié)束語

總的來說，隨著中國的發(fā)展，建筑業(yè)的發(fā)展水平也在不斷提高。同時，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，智能焊接技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。自動焊接技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此，智能焊接代表著技術(shù)進步，可以在更大程度上支持機械工程的發(fā)展。