信息技術在焊接自動化中的應用

楊旭東

（艾美特焊接自動化技術（北京）有限公司，北京 102202）

0 前言

隨著工業(yè)技術的不斷進步，焊接技術作為一個重要的工業(yè)生產(chǎn)工藝也在不斷地被提出新的要求，主要體現(xiàn)在以下方面：首先，焊接質量受到越來越多的重視和關注，在很多場合焊接一直被認為是影響產(chǎn)品整體質量的薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品整體質量，突破焊接質量瓶頸成為一個重要的環(huán)節(jié)；其次，改善工況環(huán)境、降低勞動強度，最大限度地讓人的工作被機器設備取代；第三，提高焊接設備的自動化和智能化水平，使人機交互更友好，設備的安全性能更高；第四，需要將焊接生產(chǎn)管理納入整個工廠的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，讓生產(chǎn)流程更加順暢、高效；第五，讓產(chǎn)品質量具備可追溯性，一旦出現(xiàn)產(chǎn)品質量問題，能夠準確的定位到出現(xiàn)問題的點，為故障原因排查提供依據(jù)。所有這些要求最終全部都落實到對焊接生產(chǎn)過程信息的控制與應用上，從而將先進的信息技術植入到焊接自動化領域，使自動焊接設備內部、設備之間、設備與管理系統(tǒng)之間形成有效的信息交互網(wǎng)路就顯得十分重要。

艾美特公司是一家為用戶提供焊接自動化成套解決方案而著稱的焊接技術工程公司，率先將數(shù)字信號處理技術、分布式控制技術和多處理器協(xié)同控制的理念引入焊接自動化領域，不但能實現(xiàn)每個焊接參數(shù)閉環(huán)反饋控制，整套系統(tǒng)接受遠程監(jiān)控，還在多套系統(tǒng)網(wǎng)絡化管理方面進行了成功嘗試。在典型的艾美特自動焊接系統(tǒng)單機中，每個功能外設均被指派一個專屬DSP控制單元，該DSP負責對外設發(fā)布控制指令，收集外設運行狀態(tài)信息；同時DSP單元還要同步的將收集的信息反饋給系統(tǒng)中心控制器；系統(tǒng)中心控制器匯總系統(tǒng)內部所有DSP反饋的信息，并根據(jù)這些信息協(xié)調系統(tǒng)內所有對外設的工作。這樣DSP單元與中心可控制器之間的信息交互，就在一套自動焊接設備內部搭建了最基本的信息網(wǎng)絡。系統(tǒng)控制器可以通過網(wǎng)絡接口接收來自遠程網(wǎng)絡的控制信息，并且通過生產(chǎn)管理網(wǎng)絡平臺，控制器可以向上位機傳遞焊接工位的設備運行狀態(tài)、工作參數(shù)、生產(chǎn)進度、場地視頻等信息。這樣多個系統(tǒng)中心控制器與上位機之間的信息傳遞就形成了最初級的數(shù)字車間網(wǎng)絡。目前，艾美特可以實現(xiàn)所有弧焊系統(tǒng)的數(shù)字化控制，并且以數(shù)字化焊接系統(tǒng)為基礎可以搭建焊接車間的網(wǎng)絡生產(chǎn)控制和管理系統(tǒng)，實踐證明這是一種十分有效的數(shù)字化車間建設方案。

1 焊接自動化中的信息技術

信息技術是一個非常寬泛的技術領域，在此，從應用角度介紹焊接焊機自動化相關的概念，主要涉及焊接自動化中信息采集、信息傳輸、信息存儲、信息的統(tǒng)計與分析等。焊接自動化中提到信息可分為兩大類，第一類是需要收集到之后就馬上分析處理然后立即反饋給受控執(zhí)行端的即時信息，這類信息主要是焊接系統(tǒng)的起停指令信息、焊接電流、電壓等焊接參數(shù)的執(zhí)行閉環(huán)控制信息、各個伺服電機的運動控制信息、系統(tǒng)的各種報警信息等。這類信息直接影響自動焊系統(tǒng)的工作狀態(tài)，采取有效的手段正確應用這類信息，就能獲得一套優(yōu)秀的自動焊接系統(tǒng)。另一類信息是收集到之后可以暫時儲存在特定的存儲器內，焊接工作完成之后采用專用的數(shù)據(jù)庫軟件或其他數(shù)據(jù)處理技術，來展示一段時間之內焊接系統(tǒng)的運行狀況、焊接工藝參數(shù)的執(zhí)行狀況，利用這些分析結果可以指導后續(xù)的生產(chǎn)活動。

信息采集按照焊接生產(chǎn)的流程主要包括焊前準備工序的信息采集、焊接工序的數(shù)據(jù)采集、焊后處理及后續(xù)工序的信息采集。焊接前后工序的信息采集的意義在于將產(chǎn)品焊接之外的輔助工序信息有效的記錄，能夠起到對焊接輔助工作加以規(guī)范的作用，為自動焊接穩(wěn)定、高質量的執(zhí)行提供可靠保證，一旦出現(xiàn)焊接質量問題，可以有效的為故障分析提供幫助。焊接過程中的信息采集主要是對焊接工藝參數(shù)的采集、焊接系統(tǒng)控制反饋信息的采集、系統(tǒng)警報信息的采集。這些信息是自動焊系統(tǒng)運行的基礎，沒有對這些信息的采集和應用的焊接設備，根本就談不上是自動焊系統(tǒng)。

自動化焊接系統(tǒng)中的信息量很大，信息種類也很多，通過各種觸感器、計量儀器等獲得的信息需要高速、準確地傳送到指定的處理器或存儲空間。同樣，從控制系統(tǒng)發(fā)布的控制信息也需要準確、快速的傳輸?shù)街付ǖ氖芸亟K端。焊接生產(chǎn)的工況都非常復雜，一般伴隨有強烈光、聲、電磁雜波、高頻等發(fā)射源，這些干擾對信息的傳輸提出嚴峻的挑戰(zhàn)。

采集、傳輸焊接生產(chǎn)的各項數(shù)據(jù)的目的是對采集到的信息、數(shù)據(jù)進行分析、處理、應用。對于一套自動焊接系統(tǒng)，可以利用這些信息更加準確的控制系統(tǒng)中的每一個動作，提高焊接系統(tǒng)的自動化程度，減少人在焊接過程的工作量；對于焊接生產(chǎn)管理層面而言，就是要利用從生產(chǎn)一線獲取來的信息，提高生產(chǎn)管理的質量和效率。

2 信息技術在自動焊設備中的應用

艾美特是較早將信息技術應用到焊接自動化領域的制造商，從而提出了自動焊系統(tǒng)的分布式控制結構，率先將這種系統(tǒng)集成技術應用于艾美特焊接自動化系統(tǒng)的生產(chǎn)之中，并取得了巨大的成功。一套真正的智能化自動化焊接系統(tǒng)，其最基本的品質就是每一步動作的準確性和長時間工作的穩(wěn)定性，合理利用系統(tǒng)內部信息是實現(xiàn)焊接系統(tǒng)工作穩(wěn)定、精確的唯一途徑。

圖1是艾美特公司生產(chǎn)的一套數(shù)字化雙絲窄間隙埋弧焊接系統(tǒng)的控制結構，該系統(tǒng)是艾美特眾多自動化焊接系統(tǒng)中的一個典型代表。系統(tǒng)的功能和組態(tài)結構分解如下：

圖1 雙絲窄間隙埋弧焊接系統(tǒng)集成及控制邏輯

（1）系統(tǒng)采用分布式控制模式，系統(tǒng)控制器下級布置多個DSP處理單元，分別控制電源、跟蹤系統(tǒng)、焊接運動系統(tǒng)，保證每一個外設受控的高效性和準確性，大大降低了系統(tǒng)控制器的運算負擔。

（2）每套自動焊系統(tǒng)都配置有由控制器、DSP、現(xiàn)場總線、傳感器組成的信息采集、傳輸和處理網(wǎng)絡系統(tǒng)。通過適當傳感器將信息可靠的采集，通過現(xiàn)場總線完成信息的高速、可靠傳遞，通過DSP和系統(tǒng)控制器對信息進行高速、精確的處理。

（3）系統(tǒng)可以對所有外部設備進行編程控制、閉環(huán)反饋控制，系統(tǒng)不僅僅是按照收到的控制命令進行每一步動作，還將每部動作的執(zhí)行狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精確的閉環(huán)控制。

（4）系統(tǒng)控制器配置網(wǎng)絡接口，可以上傳系統(tǒng)內部的信息，并可接受來自外部的控制信息。

（5）焊接系統(tǒng)接受遠程編程和離線編程，用戶可以將編寫好的焊接程序通過網(wǎng)絡寫入系統(tǒng)控制器，并命令系統(tǒng)按要求執(zhí)行。

（6）系統(tǒng)具備故障診斷和報警功能。系統(tǒng)開機后進入自檢狀態(tài)，檢查正常后系統(tǒng)方可運行，如果發(fā)現(xiàn)異常系統(tǒng)控制器便會報警，并將報警信息上傳，系統(tǒng)工作過程中仍可通過傳感器對系統(tǒng)的水、電、氣、運動等進行實時檢測，發(fā)現(xiàn)超標項就會報警或停機。

（7）系統(tǒng)控制器具備999個焊接程序的存儲能力，用戶可以將生產(chǎn)用的焊接程序根據(jù)產(chǎn)品命名并存儲在控制器內，根據(jù)生產(chǎn)任務進行調用；也可以將焊接程序存儲在數(shù)字化車間系統(tǒng)內，根據(jù)生產(chǎn)任務通過網(wǎng)絡將對應的焊接程序傳給對應的系統(tǒng)執(zhí)行生產(chǎn)。

（8）分布式的控制模式使得系統(tǒng)升級十分方便，同時不會破壞原有的控制結構。當用戶認為某套系統(tǒng)需要增加特定功能時，只需在原系統(tǒng)中增加一個相應的DSP模塊即可，控制文件會隨DSP的插入而在系統(tǒng)控制器上自動生成。

（9）系統(tǒng)控制器設計有三級權限管理系統(tǒng)，分別是操作者權限、焊接工程師權限、系統(tǒng)維護工程師權限。在操作者權限界面下，操作者只能調用焊接程序和給定范圍內的焊接參數(shù)微調，從而保證每套焊接參數(shù)都可以被穩(wěn)定的執(zhí)行，對保證產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性意義重大；在焊接工程師權限下，允許用戶對焊接程序進行編寫，并為操作者設計焊接參數(shù)微調容許空間；在系統(tǒng)維護工程師操作權限下，用戶可以進入系統(tǒng)控制器的系統(tǒng)設定界面，允許用戶對系統(tǒng)參數(shù)進行更改。焊接系統(tǒng)的權限管理功能能夠有效的保證生產(chǎn)紀律。只有生產(chǎn)紀律保證了，自動化生產(chǎn)、遠程監(jiān)控才有實際意義。

（10）配置適當?shù)挠布蛙浖到y(tǒng)控制器可以自動識別操作人員的級別和授權的操作范圍，并自動鎖閉非授權部分的操作界面和通道。

（11）焊前坡口狀態(tài)、焊接過程的所有實施參數(shù)都能以焊接動作軸和時間為坐標被同步記錄，方便質量管理和問題追溯。

（12）在智能化焊接角度也做了較為成功的嘗試，通過激光傳感器實時收集到的坡口尺寸信息，焊接系統(tǒng)能夠準確地確定當前焊接位置坡口的尺寸，根據(jù)坡口尺寸的大小波動變化，系統(tǒng)能夠自適應調節(jié)焊接工藝參數(shù)，如增減焊接電流、焊接速度等來改變當前位置的填充效率。避免出現(xiàn)同一條焊縫由于坡口加工不均勻而造成的某些位置填充過量而有些位置填充不足的缺陷，減少焊縫返修。

3 信息技術在數(shù)字焊接車間中的應用

3.1 數(shù)字化焊接車間的基本組成

一套完成的數(shù)字化焊接車間由監(jiān)控服務器、自動化焊接設備、監(jiān)控客戶端、網(wǎng)絡攝像機、視頻服務器、焊接攝像頭、網(wǎng)絡交換機、路由器、網(wǎng)絡防火墻等組成。數(shù)字化車間系統(tǒng)的各種功能服務器和客戶端都作為網(wǎng)絡節(jié)點接入到車間的工業(yè)以太網(wǎng)中。

（1）監(jiān)控服務器。監(jiān)控服務器是系統(tǒng)的核心。負責配置和管理系統(tǒng)中所有的自動化設備節(jié)點，采集、整理和系統(tǒng)信息和數(shù)據(jù)，并對監(jiān)控帳戶進行管理。監(jiān)控服務器按照功能可以分為數(shù)據(jù)庫服務、視頻服務、焊接設備監(jiān)控代理、監(jiān)控服務四個部分。

（2）自動化焊接設備。自動化焊接設備是數(shù)字車間生產(chǎn)執(zhí)行單元。任何具備網(wǎng)絡監(jiān)控接口的自動化焊接設備都可以作為網(wǎng)絡節(jié)點接入系統(tǒng)。艾美特的控制器已經(jīng)具備了這個能力，能夠提供焊接程序文件和數(shù)據(jù)采集文件的上傳和下載，控制器及各個模塊狀態(tài)的監(jiān)控等。

（3）監(jiān)控客戶端。監(jiān)控客戶端是管理人員與系統(tǒng)的窗口。通過監(jiān)控客戶端提供的人機界面，管理人員可以查看自動化焊接設備的實時運行狀態(tài)。

（4）監(jiān)視設備。監(jiān)視設備是管理人員的眼睛。可以是各種攝像頭或數(shù)據(jù)采集設備。

（5）焊接攝像頭。焊接攝像頭在焊接過程中直接采集熔池附近的微觀圖像。

（6）焊接過程信息整合處理?？梢詫⒑附舆^程的所有信息，如宏觀視頻、微觀視頻、坡口形貌、實際執(zhí)行的焊接參數(shù)等以時間或坐標軸，或者組合畫面的形式記憶并儲存，方便對焊接過程進行全面、同步地追溯。而且，類似的組合畫面可以被授權進行終端實時訪問和記錄，甚至實現(xiàn)遠程診斷和操作，圖2是數(shù)字化焊接車間網(wǎng)絡監(jiān)控終端的監(jiān)控界面。

（7）網(wǎng)絡交換機。網(wǎng)絡交換機負責網(wǎng)絡上所有節(jié)點的數(shù)據(jù)交換，是各個節(jié)點進行可靠數(shù)據(jù)通訊的基礎。

（8）路由器。路由器是可選節(jié)點，在需要連接其他網(wǎng)絡時負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉發(fā)，如果不連接其他網(wǎng)絡則不需要。

圖2 數(shù)字車間控制終端監(jiān)控界面

（9）網(wǎng)絡防火墻。網(wǎng)絡防火墻也是可選節(jié)點，為系統(tǒng)的網(wǎng)絡節(jié)點提供對外的網(wǎng)絡安全保障，只有在需要連接其他網(wǎng)絡并且對所連接網(wǎng)絡不信任時才需要。

3.2 信息化焊接車間的管理和應用

3.2.1 生產(chǎn)管理

生產(chǎn)管理主要涉及對焊接程序的應用和管理，圖3是數(shù)字化焊接車間的網(wǎng)絡結構圖。管理人員登錄到監(jiān)控服務器后可以對選定焊接設備上的焊接程序遠程管理，通過監(jiān)控客戶端的人機交互界面，對焊接設備上的焊接程序進行查看、改名、刪除、上傳和下載等操作。使用焊接設備的離線編程工具，管理人員在辦公室就能編輯焊接程序，設置焊接程序相關的各種參數(shù)，并通過監(jiān)控客戶端把焊接程序上傳到焊接設備，操作人員直接調用新的焊接程序進行焊接，管理人員實現(xiàn)了焊接工藝參數(shù)的遠程管理和修改。管理人員通過監(jiān)控客戶端，可下載焊接設備上的焊接程序、配置參數(shù)等各種關鍵數(shù)據(jù)，并且能夠快速地布置到其他焊接設備，結合企業(yè)的ERP系統(tǒng)，輕松便捷地布置生產(chǎn)任務。

通過監(jiān)控客戶端人機交互界面，管理人員能夠遠程設置操作人員能夠使用的焊接程序及其參數(shù)調整范圍，既能達到生產(chǎn)任務管理的目的，還能給現(xiàn)場操作人員提供根據(jù)工件的實際情況調整和補償焊接參數(shù)的能力，同時焊接參數(shù)調整和補償?shù)姆秶强梢杂晒芾砣藛T事先限定的，不但能保證焊接程序在復雜現(xiàn)場條件下焊接工藝參數(shù)調整的靈活性，又能通過限制調整和補償?shù)南薅缺ＷC焊接工藝的安全性。

圖3 數(shù)字化焊接車間網(wǎng)絡結構框圖

3.2.2 數(shù)據(jù)采集文件管理

管理人員可以對選定焊接設備上的數(shù)據(jù)采集文件遠程管理，通過監(jiān)控客戶端的人機交互界面，對焊接設備上的數(shù)據(jù)采集文件進行查看、刪除和下載等操作。

數(shù)據(jù)采集文件會占用大量焊接設備的存儲空間，管理人員通過監(jiān)控客戶端定期巡視焊接設備上的數(shù)據(jù)采集文件，清理掉無用的數(shù)據(jù)文件，保證焊接設備的正常運行。

管理人員下載數(shù)據(jù)采集文件，使用特定軟件進行數(shù)據(jù)分析，能提前預知焊接過程中可能存在的問題，并且預見性的遠程調整焊接工藝參數(shù)，防患于未然，在保證生產(chǎn)質量的同時，也保證了生產(chǎn)效率。

管理人員通過下載分析數(shù)據(jù)采集文件，可方便地比較多臺焊接設備焊接工藝特性，有針對性的對不同的焊接設備差異化的設定焊接工藝參數(shù)，同時通過比較也能發(fā)現(xiàn)焊接設備上可能存在的隱患，為焊接設備的維護和維修提供參考。

3.2.3 焊接設備監(jiān)控和管理

焊接設備監(jiān)控分為焊接設備實時監(jiān)控、焊接設備歷史運行數(shù)據(jù)查看和焊接設備歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。焊接設備的監(jiān)控事件包括焊接設備啟動、焊接設備關閉、焊接設備模塊上線、焊接設備模塊下線、焊接程序開始運行、焊接程序停止運行、焊接程序段切換、焊接關鍵參數(shù)變化、焊接過程中的報警、焊接過程中的出錯、焊接設備的急停事件等焊接機床的各種參數(shù)和狀態(tài)。

焊接設備實時監(jiān)控時，監(jiān)控客戶端通過監(jiān)控服務器內的監(jiān)控服務連接焊接設備監(jiān)控代理，焊接設備監(jiān)控代理根據(jù)自動化焊接設備標識連接到焊接設備，得到焊接設備當時的監(jiān)控狀態(tài)，并將狀態(tài)數(shù)據(jù)實時發(fā)送回監(jiān)控客戶端。

查看和統(tǒng)計分析焊接設備歷史運行數(shù)據(jù)時，監(jiān)控客戶端通過監(jiān)控服務器的監(jiān)控服務連接數(shù)據(jù)庫服務，取出存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中的焊接設備監(jiān)控數(shù)據(jù)，返回給監(jiān)控客戶端查看或者用于統(tǒng)計分析。

通過焊接設備實時監(jiān)控和歷史運行數(shù)據(jù)分析，管理人員可以精確掌握每臺設備的負荷，為生產(chǎn)任務的管理和安排提供重要參考；管理人員通過分析和比較同一臺焊接設備上不同操作人員、不同時段、不同工況、不同生產(chǎn)任務中的監(jiān)控數(shù)據(jù)，能夠分析出操作人員的操作習慣對焊接工藝、生產(chǎn)效率、焊接質量等方面的影響，為操作人員的管理和培訓提供有效的幫助。

3.2.4 設備圖像采集

設備圖像采集系統(tǒng)通過網(wǎng)絡攝像機采集自動化焊接設備的宏觀畫面，監(jiān)控自動化設備整體的運行和操作狀況。

當監(jiān)控客戶端沒有實時查看設備圖像時，監(jiān)控服務器的視頻服務只是將網(wǎng)絡攝像機發(fā)送的設備圖像保存起來，并且在數(shù)據(jù)庫中建立索引；如果此時有監(jiān)控客戶端在實時查看設備圖像，監(jiān)控服務器的視頻服務除了保存設備圖像外，同時把設備圖像的數(shù)據(jù)流轉發(fā)到監(jiān)控客戶端進行實時播放。

監(jiān)控客戶端查看歷史設備圖像時，監(jiān)控服務器的數(shù)據(jù)庫服務根據(jù)監(jiān)控客戶端的檢索條件，從數(shù)據(jù)庫中檢索出有效的設備圖像歷史記錄，并且通知視頻服務從磁盤中讀取匹配的視頻流，發(fā)送到監(jiān)控客戶端播放。

4 結論

隨著技術的不斷進步以及現(xiàn)代生產(chǎn)對高質量、高效率生產(chǎn)的迫切需求，將信息技術應用于焊接自動化必然會成為推進焊接生產(chǎn)進步的有效手段?；ヂ?lián)網(wǎng)、工廠內GPS系統(tǒng)和云計算技術的成熟與普及，使焊接生產(chǎn)信息完全可以與物流控制、網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)共享等技術結合起來，為全面的信息化焊接生產(chǎn)管理和質量控制提供更高的標準和更全面的手段。艾美特公司作為數(shù)字化高效自動焊接設備制造的領跑者，已經(jīng)充分認識到這個發(fā)展趨勢，并且已經(jīng)著手在焊接系統(tǒng)的設計時預留了信息化焊接車間建設可能用到的各種接口，時刻準備為信息化焊接的發(fā)展貢獻自己的力量。