基于無線局域網的點焊質量監測系統

袁海堃，谷曉鵬

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

基于無線局域網的點焊質量監測系統

袁海堃，谷曉鵬

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

設計了基于ZigBee網絡的電阻點焊無線監測系統，重點介紹系統的軟、硬件構成、無線網絡的拓撲結構以及系統的工作流程。無線監測系統主要由下位機監測模塊、ZigBee無線通信模塊以及監測中心三部分構成，無線局域網采用網狀拓撲結構。系統通過多參數監測焊接車間每臺焊機的焊接過程，充分利用各參數所包含的質量信息，建立能夠反映焊接質量的數學評估模型，實現了電阻點焊焊接質量的在線評估，并通過動態電阻特性曲線來表示評估結果。系統運行結果表明，ZigBee無線網絡抗干擾能力強，信號傳輸穩定，系統整體響應速度快，完全可以達到電阻點焊過程網絡化實時監測的目的。

ZigBee；點焊；質量監測

0 前言

電阻點焊作為一種生產效率高、輔助工序少的焊接工藝，現已廣泛應用于汽車、軌道客車車體的生產[1]。然而，點焊是一個高度非線性、多變量耦合作用的動態熱過程，且伴隨有大量的隨機因素，如何保證焊接質量成為電阻點焊技術研究中的重要問題。目前，大多采用破壞性檢驗方法，成本高、效率低，且不能完全反映整個生產線的焊接品質。因此，在線監測點焊過程參數是實現高質量焊接的重要保障，同時也是數字化焊接技術的關鍵研究內容[2-3]。

隨著計算機及通信技術的快速發展，工業網絡已經越來越多地應用于數字化制造領域[4]。工業現場空間較大、設備種類繁多，布線較為困難，對無線數據通信的需求越來越強烈[5-6]。ZigBee作為一種新興的近距離、低功耗、低成本的無線網絡技術，具有很高的通信效率和安全性，主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立，十分適合焊接現場設備的無線通信。因此，本研究開發了基于ZigBee協議的點焊質量監測系統，對焊接電流、電壓以及電極間壓力進行遠程監測，并計算每個接頭的動態電阻曲線，以達到焊接質量在線評價的目的。

1 系統總體設計

1.1 系統框架

系統的主體框架如圖1所示，主要由下位機監測模塊、ZigBee無線通信模塊以及監測中心三部分構成。

圖1 系統框架

下位機監測模塊由傳感器、信號處理電路和單片機構成。通過電流、電壓和壓力傳感器將點焊過程參數轉化為可測量的電信號，然后由單片機轉換為數字量，并計算出焊接電流有效值、焊接時間以及動態電阻曲線。

由ZigBee模塊組成的無線通信網絡負責數據傳輸，將下位機得到的焊接信息發送至監測中心，同時將監測中心發出的報警干預指令傳輸至下位機監測模塊。本研究采用的ZigBee模塊型號為JN5148-001-M04，它是一款超低功耗、高性能的無線網絡應用模塊，其內部集成了大容量內存、高性能的CPU及具有強勁無線性能的射頻元件，在-40℃～85℃工業環境中都能正常工作。

監測中心采用PC服務器，運行上位機監測軟件，可實時監測各個聯網焊機的工作狀態，對異常的焊接過程發出報警指令。服務器內建有大容量數據庫，可存儲和管理所有的焊接數據行，以實現單次焊接或整個生產線的質量分析。

1.2 無線網絡組網方式

ZigBee支持星形網、樹形網和網狀網三種網絡拓撲結構，如圖2所示。ZigBee網絡中定義了三種設備類型，分別是控制器、中繼器和終端。控制器負責網絡的創建和資源的分配。中繼器負責采集和轉發數據，延伸網絡規模，實現創建和修復信息包的路由路徑。終端作為網絡的最終節點，只能收發自身數據，不負責數據的轉發，可通過休眠和喚醒功能達到更低的功耗。

圖2 網絡拓撲

焊接生產現場設備數量眾多、分布距離遠，且存在大量的電磁干擾。針對以上特點，本系統采用網狀拓撲結構如圖3所示。在每個焊接設備上設置有一套下位機監測模塊，每一套監測模塊與一個ZigBee終端相連接。焊接車間的四周和中央設置若干個ZigBee中繼器，監測中心設在車間的一角，PC服務器通過RS232串口與ZigBee控制器相連接。

圖3 焊接車間組網方式

ZigBee工作頻率為2.4GHz，分為16個信道，每隔5MHz為一個信道。控制器自動選擇一個最為空閑的信道創建網絡，并為所有處于當前信道的設備分配網絡地址及其他資源。中繼器和終端加入網絡后，按照各自的設備類型開始工作。終端將監測模塊發出的數據包直接發送給控制器，然后傳輸至監測中心，或通過中繼器轉發給控制器。中繼器重新發送或轉發數據信號來擴大網絡傳輸的距離。當焊接設備如龍門式點焊機進行移動時，網絡能夠自動發現拓撲變化，并自動調整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。

2 系統軟件設計

2.1 下位機程序設計

下位機程序使用C語言開發，編譯完成后下載至單片機的程序存儲器中。其主要功能是采集和處理焊接電流、電壓及電極壓力信號，將處理后的數據發送到與之相連的ZigBee終端，工作流程如圖4所示。

圖4 SCM程序流程

首先，下位機進行初始化，主要為系統I/O端口初始化，A/D轉換器初始化，系統時鐘、寄存器、存儲器初始化及無線模塊接口初始化等。然后，下位機開始實時監測焊接信號，根據內置算法自動判斷焊接過程的開始與結束，對傳感器輸出的信號進行模數轉換，計算焊接電流有效值、焊接時間以及動態電阻曲線。最后，將得到的焊接數據發送至ZigBee終端進行無線傳輸。下位機在收到監測中心的回執后開始等待，直至下一次焊接過程開始。

2.2 ZigBee模塊程序設計

根據自身設備類型的定義，控制器、中繼器和終端模塊的程序略有差異，但其主要功能都是聯網以及數據的收發或轉發。作為無線網絡的核心節點，控制器模塊的程序極為關鍵，工作流程如圖5所示。

首先，控制器在完成初始化后創建無線網絡，選定一個唯一的PAN ID作為此網絡的標識符，然后對該頻段內所有信道進行能量掃描，判斷每個信道無線信號的活躍程度并選擇其中一個信道。在網絡配置完成后，中繼器和終端節點會向控制器發送入網請求，得到控制器的應答后完成入網。當無線網絡完全建立后，終端節點便會按一定的路由向控制器節點傳送下位機處理后的數據，從而實現無線傳輸。

圖5 ZigBee模塊程序流程

2.3 上位機程序設計

上位機程序軟件是整個監測系統的控制中樞，能夠設置監測系統的參數，并對下位機傳送來的數據進行處理、顯示及存儲管理，實時監測焊接電流、焊接時間、電極壓力及動態電阻曲線。當監測到的焊接參數超過報警限時，則通過無線網絡向下位機發出報警指令。

上位機程序使用Microsoft Visual C++進行編寫，主界面如圖6所示。主界面根據功能分為系統控制區、焊接參數波形顯示區及焊機狀態區。系統控制區包括啟動、網絡設置、數據查詢、參數設置和報警設置焊機遠程管理功能。焊接波形顯示區主要為監測過程中焊接電流、電極間壓力或動態電阻的波形顯示，可以根據需要選擇顯示的參數波形。焊機狀態區主要顯示當前下位機焊接過程的實時狀態。

監測結果數據都存儲于大容量數據庫內，管理人員可通過訪問歷史記錄來查看每個焊接過程的詳細信息。上位機程序還內置有生產線統計管理模塊，可以分析整個焊接生產線的生產狀況，從而實現焊接設備及生產過程的數字化網絡管理。

圖6 上位機程序主界面

3 系統應用分析

系統通過對每臺焊機的焊接過程進行多參數監測，充分利用各參數所包含的質量信息，建立合理的數學模型，實現了電阻點焊焊接質量的在線評估，并通過動態電阻來表示評估結果。

圖7為不銹鋼車體點焊生產線的監測結果。焊接規范采用雙脈沖，其中預熱電流5 kA，焊接電流10 kA。正常焊接過程的動態電阻曲線如圖7a所示，圖中前段曲線為預熱脈沖電流下的預熱動態電阻曲線，后段曲線為焊接脈沖電流下的熔核成長動態電阻曲線。由圖可見，在未產生焊接飛濺情況下，預熱及焊接脈沖電流下的動態電阻曲線都是平穩下降，焊接過程穩定。飛濺焊點的動態電阻曲線如圖7b所示，可以看出，發生飛濺時，熔核成長動態電阻曲線中部電阻值發生驟降，其可識別特征較為明顯。

以上應用結果表明，研發的監測系統能夠實時監測和判斷不同焊接質量的點焊過程，從而實現焊接生產的數字化、智能化評估和管理。

由于研制的系統采用無線網絡，因此，整個網絡的通信性能對于系統的穩定應用尤為重要。不同ZigBee節點通信性能的測試結果如表1所示。由表1可知，無線模塊的發射功率和模塊間距對網絡的丟包率影響較為明顯。隨著發射功率的增加，平均丟包率顯著降低，而無線模塊間距增大時，平均丟包率則隨之升高。當無線模塊的發射功率設置為16 dBm且無線模塊的最大間距不大于80 m時，無線網絡的平均丟包率僅為0.03%，整個網絡具有較高的穩定性。

圖7 不銹鋼車體點焊生產線監測結果

表1 通信性能測試結果

響應時間作為無線監測系統的另一個重要指標，其好壞直接影響系統的運行狀態。由于電阻點焊生產節奏較快，過大的響應時間將導致下位機監測模塊不能及時收到監測中心的回執，影響下一次焊接過程的監測。測試結果表明，本系統各監測模塊的最大響應時間不超過1 s，實時性能良好。

4 結論

（1）ZigBee無線網絡具有低功耗、低成本、低復雜度的特點，能夠適應焊接生產現場的惡劣環境，具有可靠、穩定的通信性能。

（2）采用網狀拓撲結構的ZigBee網絡組網靈活，具有自組織和自愈特點，其動態路由性能尤其適合電阻點焊無線監測系統的通信要求。

（3）合理設置網絡中各無線模塊的發射功率和最大間距，可顯著降低網絡的丟包率，提高網絡通信的穩定性。

（4）ZigBee無線監測系統響應速度快，可以達到電阻點焊過程網絡化實時監測的目的。

[1]許君，李永兵，陳關龍.轎車車身電阻點焊質量實時監測系統[J].焊接學報，2006，27（4）：41-44.

[2]王博，張勇，滕輝，等.電阻點焊電極壓力在線監測[J].電焊機，2015，45（9）：25-28.

[3]王嘉，蔡洪峰，白志范，等.焊裝車間點焊設備網絡化監測系統[J].計算機應用，2014，34（S1）：323-326.

[4]張宇鋒，李云峰，田雨闊.基于虛擬儀器的交流電阻點焊工藝參數實時監測系統[J].焊接技術，2013，42（1）：34-38.

[5]Chen X，Chen J.Remote control of wireless intelligent home network based on S3C2440 in manufacturing engineering[J].Applied Mechanics and Materials，2013（312）：723-727.

[6]Akyildiz I，Su W，Sankarasubramaniam Y.Wireless sensor networks：asurvey[J].ComputerNetworks，2002，38（4）：393-422.

Quality monitoring system of spot welding based on WLAN

YUAN Haikun，GU Xiaopeng
（CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China）

A wireless monitoring system of resistance spot welding is designed based on ZigBee network.The software and hardware structures and workflow of this system and the topological structure of the wireless network are mainly introduced.The main system frame is mainly composed by lower computer monitoring module，Zigbee wireless communication module and monitoring center.This system monitors the welding process of each welding machine through the multiple parameters，and makes full use of the quality information contained in each parameter to establish a reasonable mathematical model.Finally the on-line evaluation of resistance spot welding quality is realized and the assessment results are indicated by dynamic resistance characteristic curve.The results of the system operation show that ZigBee wireless network has strong anti-interference ability，stabile signal transmission，and fast response speed of the system.It can fully achieve the purposes of network real-time monitoring for resistance spot welding process.

ZigBee；spot welding；quality monitor

TG409

A

1001-2303（2017）10-0020-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.04

本文參考文獻引用格式：堃袁海 ，谷曉鵬.基于無線局域網的點焊質量監測系統[J].電焊機，2017，47（10）：20-23+28.

2017-07-20；

2017-09-07

堃袁海 （1983—），男，高級工程師，碩士，主要從事軌道車輛焊接工藝方面的研究工作。E-mail：yuanhaikun@cccar.com.cn。