數(shù)字化焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

隨著汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量的要求不斷提高，以工業(yè)機(jī)器人為主體的自動(dòng)化設(shè)備被迅速推廣應(yīng)用到焊接生產(chǎn)線中，不僅能夠更好地適應(yīng)三維空間焊點(diǎn)的可達(dá)及焊縫軌跡的變化，保證了焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性，從而保證了焊接結(jié)構(gòu)件的安全性和可靠性，同時(shí)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)孤光、高溫及粉塵等作業(yè)環(huán)境也能更好適應(yīng)。因此，機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備的投入使用對(duì)車間生產(chǎn)的高度柔性生產(chǎn)亦有極大提升，增強(qiáng)了生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)新產(chǎn)品的適應(yīng)能力。

而數(shù)字化技術(shù)的融入，必將進(jìn)一步提升汽車制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。所謂數(shù)字化技術(shù)，即以計(jì)算機(jī)軟硬件為主體技術(shù)手段，以信息的離散化表達(dá)、傳遞、處理、存儲(chǔ)以及執(zhí)行等信息科學(xué)理論方法為基礎(chǔ)的集成技術(shù)。數(shù)字化焊接技術(shù)在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來，將數(shù)值計(jì)算、數(shù)值分析和實(shí)時(shí)控制等數(shù)字處理及微機(jī)控制的基本功能融入焊接過程及焊接工藝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化焊接。數(shù)字化焊接技術(shù)的應(yīng)用推廣，將有利于提升焊接過程和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，有效控制飛濺等產(chǎn)生。而隨著視覺技術(shù)、人工智能技術(shù)等新興學(xué)科與機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步融合，必將促使焊接技術(shù)向著實(shí)現(xiàn)焊接過程的數(shù)據(jù)化、焊接質(zhì)量智能化的方向發(fā)展，以達(dá)到較好的柔性和監(jiān)控效果。

1 焊接數(shù)據(jù)庫

目前，數(shù)據(jù)庫技術(shù)在裝備制造領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，如熱處理加工數(shù)據(jù)庫、壓力成型數(shù)據(jù)庫等，通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，可以對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)的分類管理并提供高效的查詢。早在20世紀(jì)，日歐等國(guó)就已經(jīng)開始注意收集匯總焊接數(shù)據(jù)并建立焊接數(shù)據(jù)庫。與其他數(shù)據(jù)庫類似，焊接數(shù)據(jù)庫也具有數(shù)據(jù)庫本身的一些特征，從組成上可以分成前臺(tái)人機(jī)界面、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫、后臺(tái)管理系統(tǒng)三大組成部分；從涵蓋數(shù)據(jù)種類上又可以大致分為焊接工藝、焊接平臺(tái)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫、焊接材料數(shù)據(jù)庫，個(gè)別公司甚至建立焊接設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫、焊接生產(chǎn)技術(shù)數(shù)據(jù)庫以及焊接操作工檔案管理數(shù)據(jù)庫等?？偟膩碚f，現(xiàn)有通用的焊接數(shù)據(jù)庫可以分為焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和焊接CAPP系統(tǒng)。焊接基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包含焊接過程的基本數(shù)據(jù)及焊接的通用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如焊接母材、焊接設(shè)備、焊接工藝參數(shù)等；而焊接CAPP系統(tǒng)主要管理焊前工藝文件。通過焊接數(shù)據(jù)庫，方便使用者快速地查閱焊接相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)而對(duì)焊接工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠極大地提升工作效率和焊接質(zhì)量，為焊接專家系統(tǒng)提供基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理。圖1為焊接數(shù)據(jù)庫構(gòu)成圖。

圖1 焊接數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

2 焊接專家系統(tǒng)

所謂專家系統(tǒng)通過匯總某一領(lǐng)域內(nèi)眾多專家的經(jīng)驗(yàn)和理論，進(jìn)而模仿專家的推理判斷方法，針對(duì)該領(lǐng)域的復(fù)雜問題進(jìn)行分析解決的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。專家系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠有效減少?zèng)Q策時(shí)間，同時(shí)提高決策的準(zhǔn)確性。焊接專家系統(tǒng)在焊接數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，收集眾多焊接規(guī)范及實(shí)踐成功經(jīng)驗(yàn)，如焊接方法、焊接參數(shù)（電流、電壓及板厚）、坡口形狀、送絲速度等。通過焊接專家系統(tǒng)，普通操作者只需要輸入其中幾項(xiàng)參數(shù)就能獲取到最佳的焊接參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而將參數(shù)自動(dòng)下達(dá)到焊接控制器進(jìn)行焊接操作。

目前，汽車制造行業(yè)常用的幾種焊接專家系統(tǒng)主要如下：（1）焊接工藝專家系統(tǒng)。能夠根據(jù)輸入的焊接條件（如被焊接材料類型、焊接工藝方法、焊接接頭形式等）進(jìn)行焊接工藝設(shè)計(jì)及焊接參數(shù)優(yōu)化。（2）焊接缺陷診斷專家系統(tǒng)。能夠通過焊接的缺陷特征或者針對(duì)已經(jīng)檢測(cè)出的焊接缺陷，快速判斷缺陷類型和成因分析。（3）焊接過程控制專家系統(tǒng)。主要根據(jù)焊接過程檢測(cè)裝置，對(duì)焊接位置偏差的檢測(cè)、對(duì)焊接熔透情況的檢測(cè)、對(duì)焊接變形的檢測(cè)等，進(jìn)行實(shí)時(shí)焊接工藝和焊接裝置調(diào)整的專用系統(tǒng)。（4）焊接機(jī)器人專家系統(tǒng)。主要根據(jù)焊接機(jī)器人的特點(diǎn)，與焊接檢測(cè)裝置和焊接專家系統(tǒng)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)專家系統(tǒng)對(duì)焊接機(jī)器人的智能控制。

3 數(shù)字化焊接仿真

數(shù)字化工廠技術(shù)即通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及信息化技術(shù)等，以實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)中對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，進(jìn)而評(píng)估和優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)過程。數(shù)字化焊接仿真是數(shù)字化工廠技術(shù)的重要一環(huán)，一方面，通過對(duì)基本物理特征量的描述，依據(jù)數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬和求解，包括熔池形態(tài)、傳熱特性、變形預(yù)測(cè)等，從而可以對(duì)焊接過程（焊接接頭的組織性能、力學(xué)性能等）進(jìn)行全面的定量分析處理，預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的成產(chǎn)缺陷并最終優(yōu)化工藝方案和和焊接過程，保障工件品質(zhì)；另一方面，通過仿真分析，可以離線進(jìn)行焊接生產(chǎn)過程可行性分析，完成生產(chǎn)線布局規(guī)劃動(dòng)態(tài)仿真，優(yōu)化焊接路徑并消除干涉，縮短在線調(diào)試時(shí)間，進(jìn)而加速汽車開發(fā)周期。圖2為焊接過程仿真圖。

圖2 焊接過程仿真

4 結(jié)語

數(shù)字化焊接技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與焊接技術(shù)相互融合的產(chǎn)物，其發(fā)展必然以服務(wù)于焊接生產(chǎn)為目的。目前，數(shù)字化焊接技術(shù)已經(jīng)取得了一系列發(fā)展和成果，但是更多的是以相對(duì)獨(dú)立的焊接設(shè)備系統(tǒng)存在，需要更多的智能化、數(shù)字化技術(shù)的融入結(jié)合，以使數(shù)字化焊接技術(shù)為數(shù)字化汽車制造乃至汽車制造全生命周期服務(wù)?？梢灶A(yù)見，未來數(shù)字化焊接的發(fā)展趨勢(shì)：（1）網(wǎng)絡(luò)化。將獨(dú)立的數(shù)字化焊接設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工藝調(diào)試、質(zhì)量監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化。（2）智能化。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制以及專家系統(tǒng)等人工智能技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用，人工智能已經(jīng)越來越為人熟知，如將模糊控制應(yīng)用于焊縫跟蹤，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于焊接質(zhì)量監(jiān)控等，人工智能的應(yīng)用必將有利于焊接工藝的優(yōu)化及焊接缺陷的預(yù)測(cè)。（3）柔性化。數(shù)字化焊接技術(shù)需要將多種工藝集于一身，以其為基礎(chǔ)組成的焊接加工系統(tǒng)具備一定的柔性，可以一定程度上滿足不同材質(zhì)、不同工件對(duì)焊接工藝的不同需要。