基于信息物理系統(tǒng)的智能焊接系統(tǒng)設(shè)計

李暉 龔浩杰 朱驥

摘要：基于信息物理系統(tǒng)的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領(lǐng)制造方式變革，要圍繞控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)云服務(wù)和工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺等，加強(qiáng)信息物理系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。焊接系統(tǒng)如何適應(yīng)智能制造需求是焊接裝備行業(yè)面臨的重要課題，鑒于此，探索了新型智能焊接系統(tǒng)的設(shè)計思路，提出了焊接機(jī)器人和焊接專用設(shè)備的智能化設(shè)計模式。

關(guān)鍵詞：信息物理系統(tǒng)（CPS）;智能制造;焊接機(jī)器人

0? ? 引言

“中國制造2025”戰(zhàn)略的基本思路主要有兩個方面：第一，計劃在2020年著力形成15家左右制造業(yè)創(chuàng)新中心，力爭到2025年形成40家左右制造業(yè)創(chuàng)新中心;第二，著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平[1]。

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)焊接系統(tǒng)的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨勢。現(xiàn)代焊接技術(shù)，具有多學(xué)科交叉融合的特點，采用機(jī)器人焊接，是相關(guān)學(xué)科技術(shù)成果的集中體現(xiàn)。

智能化焊接系統(tǒng)的主要技術(shù)包括：焊接環(huán)境識別及焊接動態(tài)過程監(jiān)控技術(shù)，焊接機(jī)器人對焊接任務(wù)的自主規(guī)劃技術(shù)，焊接機(jī)器人的引導(dǎo)跟蹤、運(yùn)動軌跡控制技術(shù)，信息處理與智能控制技術(shù)。智能焊接系統(tǒng)實現(xiàn)了上述焊接任務(wù)規(guī)劃、軌跡跟蹤控制、傳感系統(tǒng)、智能控制等子系統(tǒng)的軟硬件集成設(shè)計、統(tǒng)一優(yōu)化調(diào)度與控制，涉及焊接制造系統(tǒng)的物料流、信息流的管理與控制，機(jī)器人與傳感器、控制器的多智能單元協(xié)調(diào)以及基于網(wǎng)絡(luò)通信的遠(yuǎn)程控制技術(shù)等。

智能裝備的設(shè)計和開發(fā)首先要了解信息物理系統(tǒng)（CPS）。信息物理系統(tǒng)通過集成先進(jìn)的感知、計算、通信、控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機(jī)、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運(yùn)行的按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化[2]。

其本質(zhì)就是構(gòu)建一套賽博（Cyber）空間與物理（Physical）空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化。CPS系統(tǒng)包括四大技術(shù)要素：“一硬”（感知和執(zhí)行部件）、“一軟”（工業(yè)軟件）、“一網(wǎng)”（工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、“一平臺”（工業(yè)云和智能服務(wù)平臺）。

1? ? 焊接系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)的焊接裝備的操作方式為：工人領(lǐng)取工作任務(wù)→工人領(lǐng)料→工人查詢圖紙→工人調(diào)整工藝參數(shù)→設(shè)備加工。

智能焊接系統(tǒng)的工作流程為：MES自動排產(chǎn)→信息發(fā)送至終端→流水線自動送料→設(shè)備識別物料→工藝參數(shù)自動選擇、傳輸→機(jī)器人自動執(zhí)行→設(shè)備自動記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的維修方式過程如下：設(shè)備報警或故障→工人打電話找維修人員→維修人員前往分析→逐點排查確定故障→找相關(guān)工具、配件維修→解決問題。

智能焊接系統(tǒng)的診斷方式為：設(shè)備故障后報警→故障代碼發(fā)送到服務(wù)器云端→故障專家?guī)旆治龃a→找到解決方案→短信或微信發(fā)到責(zé)任人→維修責(zé)任人攜帶相關(guān)工具和元件前往處理→維修責(zé)任人直接找到問題元件維修或更換→解決問題。

傳統(tǒng)焊接系統(tǒng)的主要缺點是工人參與較多，出錯率較高，效率較低，且沒有信息反饋。智能焊接裝備設(shè)計成功的關(guān)鍵在于如何滿足CPS系統(tǒng)的要求，通過對傳統(tǒng)焊接裝備的分析，從傳統(tǒng)設(shè)備升級到智能裝備，主要從以下幾個方面考慮：

（1）使用基于數(shù)字通信電氣元件的硬件系統(tǒng)，具備物料識別和生產(chǎn)狀態(tài)識別的傳感系統(tǒng)設(shè)計;

（2）使用具備推理和決策功能的可編程邏輯控制器（PLC）和工業(yè)計算機(jī)（IPC）構(gòu)建設(shè)備軟件體系;

（3）利用現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)搭建信息高速公路。

基于以上觀點，本文提出了智能焊接系統(tǒng)初步的設(shè)計思路，主要從硬件維度、軟件維度、網(wǎng)絡(luò)維度、平臺維度分析智能焊接系統(tǒng)的設(shè)計。

圖1所示為智能焊接系統(tǒng)的功能分析。

2? ? 智能焊接系統(tǒng)設(shè)計

2.1? ? 硬件設(shè)計

智能焊接系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要從以下幾個方面來進(jìn)行：

（1）由于勞動力短缺和用工成本上漲，工業(yè)機(jī)器人在焊接系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，機(jī)器人的高精度操作，能提高焊件品質(zhì)和作業(yè)安全。工業(yè)機(jī)器人作為高端制造裝備的重要組成部分，技術(shù)附加值高，應(yīng)用范圍廣，是我國先進(jìn)制造業(yè)的重要生產(chǎn)裝備。目前廣泛用于焊接系統(tǒng)的機(jī)器人主要有ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA等國際知名品牌，國內(nèi)自主品牌正在蓬勃發(fā)展中。

（2）傳統(tǒng)焊接系統(tǒng)使用的數(shù)字化電氣元件較少，并不具備數(shù)據(jù)共享功能。智能焊接系統(tǒng)采用數(shù)字化元件，關(guān)鍵元件具備數(shù)字通信接口。焊機(jī)、機(jī)器人、工業(yè)相機(jī)都具有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接口，并能通過協(xié)議實現(xiàn)實時通信功能，收集關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如工藝參數(shù)、報警數(shù)據(jù)、實時狀態(tài)數(shù)據(jù)等，為后期分析決策提供數(shù)據(jù)源。

（3）傳統(tǒng)焊接設(shè)備不具備物料自動識別功能，一般工藝為人工進(jìn)行物料識別，手工調(diào)整設(shè)備然后進(jìn)行焊接。當(dāng)物料種類較多或焊接工藝較為復(fù)雜時，容易出現(xiàn)識別出錯、焊接精度較低的問題。智能焊接系統(tǒng)配置具有自動識別功能的傳感器，能進(jìn)行動態(tài)工藝特征識別，如焊接位置識別、焊縫跟蹤、焊縫檢測等，提高了焊接的精度和質(zhì)量。目前廣泛用于自動化行業(yè)的工業(yè)相機(jī)，具備CCD定位、焦距自動校正等功能，尋址定位精度可達(dá)0.01 mm。通過以太網(wǎng)供電進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可滿足多種不同的機(jī)器視覺需求。當(dāng)前應(yīng)用于焊接系統(tǒng)的工業(yè)相機(jī)體積尺寸最小為30 mm×30 mm×60 mm，能滿足集成至較小空間的需求。通過對關(guān)鍵特征的識別，結(jié)合工藝庫和專家系統(tǒng)共同組建識別決策系統(tǒng)。

（4）傳統(tǒng)設(shè)備一般采用單片機(jī)+觸屏結(jié)構(gòu)，隨著智能化的推進(jìn)，簡單的單片機(jī)和觸屏功能已經(jīng)滿足不了大規(guī)模計算和通信的要求，取而代之的是PLC+IPC結(jié)構(gòu)，其具備較高的通信能力和計算能力。智能焊接系統(tǒng)采用IPC，使用C++語言編程，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC進(jìn)行連接，實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字化通信，并將相關(guān)信息上傳至云端系統(tǒng)存儲。

2.2? ? 軟件設(shè)計

智能焊接系統(tǒng)軟件設(shè)計主要聚焦以下功能：

（1）物料識別比對功能。

識別物料，與排產(chǎn)系統(tǒng)比對并判斷是否是正確的物料，提示出現(xiàn)的錯誤并終止生產(chǎn)。

（2）元器件信息采集功能。

實時采集每個元件的執(zhí)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障報警代碼等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

（3）加工過程優(yōu)化功能。

通過采集每個焊接動作及時間節(jié)拍分析是否是最高效率狀態(tài)，優(yōu)化機(jī)器人動作，提高生產(chǎn)效率。

（4）通過軟件實現(xiàn)設(shè)備故障自動報警功能并提供解決方案，在維修工程中減少維修時間90%以上，提高了生產(chǎn)效率。

2.3? ? 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和工業(yè)云

物聯(lián)網(wǎng)主要用于支撐工業(yè)數(shù)據(jù)的采集交換、集成處理、建模分析和反饋執(zhí)行，是實現(xiàn)單個機(jī)器、生產(chǎn)線、車間到工廠的工業(yè)全系統(tǒng)互聯(lián)互通的重要基礎(chǔ)工具，是支撐數(shù)據(jù)流動的通道[3]。智能裝備實現(xiàn)的關(guān)鍵是打通信息孤島，實現(xiàn)信息共享，傳統(tǒng)設(shè)備PLC與關(guān)鍵元件間多采用模擬量+數(shù)字量+脈沖的控制方式，除了能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能外，其他功能如故障報警診斷、物料加工狀態(tài)信息讀取等功能基本實現(xiàn)不了;而智能焊接系統(tǒng)在設(shè)計上實現(xiàn)了關(guān)鍵元件的信息貫通，PLC與工業(yè)相機(jī)、機(jī)器人、焊機(jī)、流水線等通過工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行高速通信，不僅可以執(zhí)行動作信息，而且可以實時采集生產(chǎn)信息、故障報警等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，為設(shè)備預(yù)警分析和快速故障診斷打通信息高速公路。

工業(yè)云和智能服務(wù)平臺是高度集成的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，是跨系統(tǒng)、跨平臺、跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)共享中心。工業(yè)云和智能服務(wù)平臺通過實時、精準(zhǔn)、高效的數(shù)據(jù)采集，建立工業(yè)大數(shù)據(jù)存儲、集成、共享、分析和管理的開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)工業(yè)技術(shù)、經(jīng)驗、知識的模型化、標(biāo)準(zhǔn)化、軟件化和復(fù)用化，不斷地優(yōu)化研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造和運(yùn)營管理等資源配置效率[4]。當(dāng)前的智能焊接系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了通過對多種不同物料信息的存儲分析自動計算焊接軌跡的功能，隨著工業(yè)云和算法的發(fā)展，智能焊接系統(tǒng)的功能必定會持續(xù)升級。

3? ? 基于CPS的智能焊接系統(tǒng)的實現(xiàn)與發(fā)展方向

智能焊接系統(tǒng)的功能實現(xiàn)，需要依賴于CPS，具體包含以下功能：

（1）工藝設(shè)計和優(yōu)化功能。

為保證設(shè)備端實時顯示工件工藝卡和其他信息，實行工藝卡遠(yuǎn)程推送功能，第一次焊接工件時，工藝數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫推送至客戶端，實現(xiàn)不同工件的工藝卡實時顯示，智能焊接系統(tǒng)同時具備工藝遠(yuǎn)程設(shè)計和更新能力。

（2）遠(yuǎn)程診斷功能。

智能焊接設(shè)備出現(xiàn)報警和故障時發(fā)出故障代碼，代碼通過智能焊接設(shè)備終端發(fā)送至CPS服務(wù)器云端。云端的故障診斷專家?guī)焱ㄟ^對設(shè)備元件的故障代碼和各項參數(shù)的分析，診斷出故障原因，通過短信或微信通知維修責(zé)任人，維修人員根據(jù)指導(dǎo)解決故障。

（3）產(chǎn)能分析及排產(chǎn)功能。

針對設(shè)備的產(chǎn)能分配，傳統(tǒng)解決的辦法是人工進(jìn)行任務(wù)評估。而隨著智能終端的實現(xiàn)，建立每種工件的加工節(jié)拍數(shù)據(jù)庫成為可能，基于實際生產(chǎn)情況的數(shù)據(jù)庫能夠提供準(zhǔn)確的產(chǎn)能分析數(shù)據(jù)，為實現(xiàn)智能排產(chǎn)打下基礎(chǔ)。

（4）設(shè)備生產(chǎn)監(jiān)控調(diào)節(jié)功能。

智能焊接系統(tǒng)通過實時的生產(chǎn)信息上傳，可以實時監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù)，掌握每個工件的焊接情況，生產(chǎn)異常時會預(yù)警，保證了智能焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）柔性制造功能。

柔性制造是智能裝備的關(guān)鍵功能之一，是適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)采用視覺識別系統(tǒng)、伺服多點定位、機(jī)器人多程序運(yùn)行、焊接程序自動調(diào)用模式，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

智能焊接系統(tǒng)發(fā)展的主要方向有：中厚板的高效焊接和薄板高速焊接;高強(qiáng)鋼、特種材料的復(fù)合焊接;數(shù)量多的微小型工件焊接;數(shù)量小的大型構(gòu)件自動焊接;更加穩(wěn)定的焊接質(zhì)量及焊接監(jiān)控、檢測，焊接參數(shù)的記錄和分析;多加工工序聯(lián)動的生產(chǎn)線，使得工業(yè)制造更加自動化、智能化、信息化。

智能焊接系統(tǒng)的發(fā)展方向?qū)ο嚓P(guān)技術(shù)提出了具體要求：焊機(jī)的工藝性能進(jìn)一步提高，適應(yīng)性更廣;機(jī)器人本體更加智能化;視覺、力覺等信息采集的智能傳感技術(shù)的開發(fā)利用;更強(qiáng)大的自適應(yīng)軟件支持系統(tǒng);焊接系統(tǒng)與上下游加工工序的融合和總線控制;焊接信息化及智能化。

4? ? 結(jié)語

近年來，制造業(yè)在開放中迎來巨變，在轉(zhuǎn)型中跨過一道道關(guān)卡，智能制造必將引領(lǐng)制造業(yè)的新方向。通過智能焊接系統(tǒng)的設(shè)計，初步實現(xiàn)了智能裝備的基本功能，但在焊接領(lǐng)域還有很多路要走，比如有些焊接電源的可通信信息開放得比較少，功能無法滿足智能裝備的要求。

隨著核心技術(shù)的發(fā)展，智能制造系統(tǒng)以其柔性化生產(chǎn)、設(shè)備自診斷、智能識別等特點，將越來越受到重視，也會實現(xiàn)飛躍發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 國務(wù)院關(guān)于印發(fā)《中國制造2015》的通知：國發(fā)〔2015〕28號[A].

[2] 中國信息物理系統(tǒng)發(fā)展論壇.信息物理系統(tǒng)白皮書（2017）[M].北京：中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2017.

[3] LEE E A.信息物理融合系統(tǒng)（CPS）設(shè)計、建模與仿真：基于Ptolemy Ⅱ平臺[M].吳迪，李仁發(fā)，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[4] 謝浪熊，楊東裕.信息物理系統(tǒng)核心技術(shù)的應(yīng)用實施研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2018，36（5）：6-10.

收稿日期：2020-08-10

作者簡介：李暉（1990—），女，湖北仙桃人，助理工程師，研究方向：機(jī)電設(shè)備設(shè)計。