基于離散制造業(yè)的焊接過程數(shù)據(jù)分析研究

張向文 華 霖 蔣新標(biāo) 周 冬

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084）

離散制造業(yè)的產(chǎn)品零部件通常由一系列不連續(xù)的工序加工而成，加工過程中存在很多變化和不確定因素，例如，飛機(jī)、船舶和汽車等行業(yè)都屬于典型的離散制造業(yè)，這些離散制造業(yè)的產(chǎn)品涉及大量的焊接過程。

焊接制造過程是一個(gè)復(fù)雜且非平衡的冶金過程，焊接接頭的質(zhì)量與焊接特征工藝參數(shù)息息相關(guān)，與焊接設(shè)備、焊接工裝和焊接操作人員等各方面都有很大的關(guān)系。目前，焊接制造過程（如造船、核電、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)）尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，仍為半自動(dòng)焊接，需焊工手工操作。離散制造業(yè)的焊接過程更為復(fù)雜，許多大型非標(biāo)件的焊接工藝繁瑣，焊接質(zhì)量難以保證。為了解決焊接過程中數(shù)據(jù)采集困難的問題，許多科研工作者對(duì)此開展了相關(guān)研究，其中包括基于Labview平臺(tái)的群組化焊接過程參數(shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)，基于CAN總線技術(shù)的焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及基于離散制造型企業(yè)的焊接管控系統(tǒng)研究等。為了保證離散制造業(yè)結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量，需對(duì)焊接過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集，因此，建設(shè)適合于離散制造業(yè)的焊接管控系統(tǒng)勢(shì)在必行，在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)離散制造業(yè)的焊接過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

1 智能化焊接系統(tǒng)

1.1 焊接管控系統(tǒng)功能架構(gòu)

結(jié)合離散制造業(yè)的焊接生產(chǎn)特點(diǎn)，本文建立了一套滿足離散制造業(yè)焊接生產(chǎn)管控要求的焊接管控系統(tǒng)。焊接管控系統(tǒng)由管理端和客戶端組成，管理端主要由系統(tǒng)管理、生產(chǎn)基礎(chǔ)信息、工藝基礎(chǔ)信息、焊接生產(chǎn)管理、焊接生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、焊接過程記錄表管理、生產(chǎn)工單管理和質(zhì)量管理等8個(gè)模塊組成，每個(gè)模塊劃分為相應(yīng)的子模塊，整個(gè)焊接管控系統(tǒng)管理端的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 焊接管控系統(tǒng)管理端的功能架構(gòu)圖

其中，生產(chǎn)基礎(chǔ)信息是焊接任務(wù)執(zhí)行的基礎(chǔ)，該模塊主要包括焊工班組信息和焊機(jī)資源信息。工藝基礎(chǔ)信息是焊縫條碼生產(chǎn)的基礎(chǔ)，且為焊工資質(zhì)驗(yàn)證提供支持，該模塊主要包括焊工等級(jí)覆蓋關(guān)系、母材覆蓋關(guān)系、焊接工藝程序（Welding Procedure Specifi cati on，WPS）信息、焊縫信息和焊工資質(zhì)信息等。焊接生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)模塊主要包括設(shè)備生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)、人員生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，分別從3個(gè)維度對(duì)焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為優(yōu)化焊接工藝和提升生產(chǎn)管理水平提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 焊接管控系統(tǒng)客戶端操作流程

焊接管控系統(tǒng)將焊工—焊機(jī)—焊縫—工藝—產(chǎn)品關(guān)聯(lián)起來，有效地規(guī)范了焊接生產(chǎn)過程，同時(shí)將焊接生產(chǎn)過程可視化，達(dá)到有效提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量和降低產(chǎn)品焊接成本的目的。焊接管控系統(tǒng)客戶端主要由焊機(jī)綁定、焊機(jī)解綁、掃碼資質(zhì)驗(yàn)證、參數(shù)下發(fā)、自檢、專檢和異常反饋等功能組成。

焊接作業(yè)開始前，工件和焊縫條碼需準(zhǔn)備到位，每條焊縫對(duì)應(yīng)一個(gè)條碼，焊縫條碼包含焊縫工藝基礎(chǔ)信息、焊接資質(zhì)要求等，然后根據(jù)焊縫編號(hào)圖將焊縫條碼貼在相應(yīng)的位置，所貼位置盡量不要影響焊接。焊工先刷卡登錄焊接管控系統(tǒng)客戶端，然后選擇空閑的焊機(jī)進(jìn)行綁定，綁定后用條碼槍掃描焊縫條碼，等待系統(tǒng)進(jìn)行焊工資質(zhì)驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后將焊接工藝參數(shù)下發(fā)至數(shù)字化焊機(jī)，此時(shí)焊工可以在焊機(jī)面板上對(duì)電流和電壓參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)值在WPS要求的工藝參數(shù)范圍內(nèi)。微調(diào)后進(jìn)行焊接，當(dāng)焊接完成并要更換不同類型的焊縫焊接時(shí)，焊工需重新掃描焊縫條碼，并進(jìn)行資質(zhì)驗(yàn)證。當(dāng)焊接任務(wù)完成后，焊工需在客戶端解綁焊機(jī)，以避免后續(xù)其他操作人員無法選擇該焊機(jī)進(jìn)行作業(yè)。

2 焊接過程數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

結(jié)構(gòu)件焊接過程中通常涉及大量數(shù)據(jù)，主要有：（1）工藝參數(shù)信息，包括焊接電流、焊接電壓、送絲速度、保護(hù)氣種類和流量等；（2） 焊縫信息，包括焊縫高度、編號(hào)、接頭形式、焊接位置、母材規(guī)格與牌號(hào)、焊材規(guī)格與牌號(hào)、焊接資質(zhì)要求等；（3）焊材信息；（4）作業(yè)人員信息，包括焊工編號(hào)、班組信息、人員持證信息等。上述數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著巨大價(jià)值，為焊接質(zhì)量的提升和焊接管理優(yōu)化提供支撐。本文以船舶配套產(chǎn)品錨絞機(jī)的錨鏈輪為應(yīng)用對(duì)象，結(jié)合焊接管控系統(tǒng)采集的焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從設(shè)備、人員和產(chǎn)品3個(gè)維度去統(tǒng)計(jì)和分析，得出以下分析情況。

2.1 設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

2.1.1 設(shè)備焊接時(shí)長及資源消耗

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時(shí)間段內(nèi)的有效焊接時(shí)間和資源消耗情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在此時(shí)間段，焊接管控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)約為63740條，正常焊接的數(shù)據(jù)約為17530條。焊機(jī)HJ016的有效焊接時(shí)長為4.87h，錨鏈輪焊絲的消耗為21.79kg，如圖2所示。工藝預(yù)估的錨鏈輪焊絲消耗量約為22kg，說明實(shí)際消耗焊絲量與工藝預(yù)估消耗焊絲量基本吻合，錨鏈輪焊接過程正常。

圖2 設(shè)備焊接時(shí)長及資源消耗情況

2.1.2 設(shè)備歷史焊接參數(shù)

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時(shí)間段內(nèi)的焊接電流和電壓參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，在此時(shí)間段內(nèi)，設(shè)備的焊接工藝參數(shù)曲線如圖3所示，從圖3可知，該焊縫的平均焊接電流為212.98A，平均電壓為29.29V，此數(shù)據(jù)可用于后期對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

2.1.3 設(shè)備綁定人員

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時(shí)間段內(nèi)使用設(shè)備的人員情況，包含焊工信息、焊機(jī)綁定時(shí)間和焊機(jī)解綁時(shí)間，如圖4所示，該數(shù)據(jù)可用于后期對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

2.1.4 設(shè)備故障

圖3 設(shè)備歷史焊接參數(shù)情況

圖4 設(shè)備綁定人員情況

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時(shí)間段內(nèi)的故障情況，包含焊機(jī)編號(hào)、異常信息和產(chǎn)生時(shí)間等情況，如圖5所示，此統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可用于設(shè)備管理員對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行及時(shí)處理，從而為焊接生產(chǎn)任務(wù)的順利進(jìn)行提供保障，同時(shí)也可以統(tǒng)計(jì)設(shè)備的故障率，為后期設(shè)備的優(yōu)化選型提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 人員生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 焊工焊接時(shí)長及資源消耗情況

該指標(biāo)是輸出焊工在一定時(shí)間段內(nèi)的有效焊接時(shí)間和資源消耗情況的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在此時(shí)間段，焊工（人員編號(hào)為76701）的有效焊接時(shí)長為4.84h，如圖6所示，與按設(shè)備統(tǒng)計(jì)的有效焊接時(shí)長4.87h基本吻合，錨鏈輪的焊絲消耗為21.62kg，與按設(shè)備統(tǒng)計(jì)的焊絲消耗量21.79kg基本相同，說明該焊工一直在使用同一臺(tái)焊機(jī)進(jìn)行工作。

2.2.2 焊工歷史焊接參數(shù)情況

該指標(biāo)是輸出焊工在一定時(shí)間段內(nèi)的焊接電流和電壓參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，在一定時(shí)間段內(nèi)，焊工的焊接工藝參數(shù)曲線如圖7所示，從圖7可知該焊工的平均焊接電流為203.71A，平均電壓為29.18V，此數(shù)據(jù)可用于后期對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

2.2.3 焊工焊接產(chǎn)品情況

該指標(biāo)是輸出焊工（編號(hào)76701）在一定時(shí)間段內(nèi)焊接的產(chǎn)品信息情況，如圖8所示。從圖8可以看出，該產(chǎn)品錨鏈輪的2～7號(hào)焊縫均為該焊工焊接。該數(shù)據(jù)可用于管理人員評(píng)估焊工的工作量及工作效率，便于后期對(duì)焊接人員資源進(jìn)行優(yōu)化配置。

圖5 設(shè)備故障情況

圖6 某焊工焊接時(shí)長及資源消耗情況

圖7 某焊工歷史焊接參數(shù)情況

圖8 某焊工焊接產(chǎn)品情況

2.3 產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 產(chǎn)品焊接時(shí)長、資源消耗和歷史焊接參數(shù)情況

產(chǎn)品焊接時(shí)長及資源消耗是輸出錨鏈輪每條焊縫的焊接時(shí)長及焊絲消耗信息，如圖9所示，2號(hào)焊縫的焊接時(shí)長為需0.25h，焊絲消耗為0.38kg，該指標(biāo)可以為后續(xù)產(chǎn)品的焊接總時(shí)長提供有力的數(shù)據(jù)支撐，有利于后期優(yōu)化產(chǎn)品焊接工時(shí)和降低產(chǎn)品制造成本。

產(chǎn)品歷史焊接參數(shù)是輸出錨鏈輪每條焊縫的焊接參數(shù)隨時(shí)間變化的曲線，如圖10所示，2號(hào)焊縫的平均焊接電流為213.6A，平均電壓為29.28V，WPS對(duì)焊接參數(shù)的要求為電流(230±20)A、電壓(30±2)V，2號(hào)焊縫的平均焊接電流和電壓均滿足WPS要求。

2.3.2 產(chǎn)品焊接人員情況

該指標(biāo)是輸出產(chǎn)品的焊接人員信息，主要包括工程編號(hào)、部套名稱、圖號(hào)、件次號(hào)、焊縫編號(hào)、焊接人員、焊機(jī)編號(hào)、開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，如圖11所示，圖中顯示出錨鏈輪所有焊縫的焊接人員信息、設(shè)備信息和焊接時(shí)間，此數(shù)據(jù)可用于后期對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

3 結(jié)束語

本文建立了面向離散制造業(yè)的焊接管控系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品焊接過程進(jìn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集，從3個(gè)維度輸出了產(chǎn)品焊接過程的相關(guān)數(shù)據(jù)分析。其中，產(chǎn)品焊縫歷史焊接參數(shù)數(shù)據(jù)可以為優(yōu)化焊接參數(shù)提供參考，是后續(xù)焊接過程進(jìn)行質(zhì)量控制和提升的保障；產(chǎn)品焊接時(shí)長及焊絲消耗數(shù)據(jù)可以為優(yōu)化產(chǎn)品焊接工時(shí)和降低生產(chǎn)制造成本提供參考；產(chǎn)品焊接人員數(shù)據(jù)可以為優(yōu)化焊接資源配置提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也可以在后期對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追溯。本文通過分析產(chǎn)品焊接過程數(shù)據(jù)，希望達(dá)到提升離散制造業(yè)產(chǎn)品焊接質(zhì)量，以及提高焊接效率的目的。

圖9 產(chǎn)品焊縫焊接時(shí)長及資源消耗情況

圖10 產(chǎn)品焊縫歷史焊接參數(shù)情況

圖11 產(chǎn)品焊接人員情況