數(shù)字化焊接技術(shù)發(fā)展趨勢分析

方志堅(jiān) 張棟 胥文彪 李峰

中核工程咨詢有限公司 北京 100071

隨著汽車市場的快速發(fā)展，對生產(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)對車間現(xiàn)場孤光、高溫及粉塵等作業(yè)環(huán)境也能更好適應(yīng)。因此，機(jī)器人等自動化設(shè)備的投入使用對車間生產(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 數(shù)字化焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢

所謂數(shù)字化技術(shù)，一般是指以計(jì)算機(jī)硬件及軟件、接口設(shè)備、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)為技術(shù)手段，以信息的離散化表述、傳感、傳遞、處理、存儲、執(zhí)行和集成等信息科學(xué)理論及方法為基礎(chǔ)的集成技術(shù)。數(shù)字化作為信息化的核心，主要包括設(shè)計(jì)數(shù)字化、仿真試驗(yàn)數(shù)字化、制造技術(shù)和制造裝備數(shù)字化、生產(chǎn)過程數(shù)字化、管理數(shù)字化、企業(yè)數(shù)字化等;數(shù)字化技術(shù)是以計(jì)算機(jī)軟硬件、周邊設(shè)備、協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的信息離散化表述、感知、傳遞、存貯、處理和聯(lián)網(wǎng)的集成技術(shù)。其具體應(yīng)用包括數(shù)字化制造與數(shù)字化產(chǎn)品兩方面，即將數(shù)字化技術(shù)用于支持產(chǎn)品生命周期的制造活動和企業(yè)的全局優(yōu)化運(yùn)作就是數(shù)字化制造技術(shù);將數(shù)字化技術(shù)注人工業(yè)產(chǎn)品就形成了數(shù)字化產(chǎn)品。數(shù)字化制造技術(shù)是在制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)的交叉、融和的背景下，在虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、快速原型、數(shù)據(jù)庫和多媒體等技術(shù)的支持下根據(jù)用戶的需求，迅速對產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的仿真以及原型制造，進(jìn)而快速生產(chǎn)出用戶所需要產(chǎn)品的整個(gè)過程[1]。

2 數(shù)字化焊接技術(shù)研究

2.1 焊接模擬仿真技術(shù)

焊接數(shù)值模擬技術(shù)主要是借助基本物理特征量的描述來機(jī)械能焊接過程的模擬和求解，數(shù)值方法計(jì)算后可對焊接過程進(jìn)行全面的定量分析處理。數(shù)值模擬、仿真處理、人工智能的結(jié)合對工藝參數(shù)的制定和優(yōu)化起到了保障性功效，對工藝方案的制定、加工過程的預(yù)測、缺陷問題的防止等起到了積極影響，對保障工件品質(zhì)起到了促進(jìn)作用。借助該技術(shù)還可進(jìn)行當(dāng)下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無法解決問題的分析和研究。新時(shí)期，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)逐漸滲透到各個(gè)方面，包括熔池形態(tài)、傳熱特性、變形預(yù)測等。同時(shí)焊接接頭的組織性能、力學(xué)性能等也有了較大進(jìn)步，尤其是組織模擬方面逐步引入了新技術(shù)，包括蒙特卡洛法，模擬效果良好[2]。

2.2 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，能夠有效減少決策時(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已經(jīng)檢測出的焊接缺陷，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)焊接過程檢測裝置，對焊接位置偏差的檢測、對焊接熔透情況的檢測、對焊接變形的檢測等，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)對焊接機(jī)器人的智能控制[3]。

2.3 數(shù)字化的焊接設(shè)備

21世紀(jì)制造業(yè)趨于全球化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、虛擬化、異地化、數(shù)字化，計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)的快速發(fā)展將促進(jìn)制造領(lǐng)域逐漸與其融合，焊接作為制造領(lǐng)域中重要的材料加工和結(jié)構(gòu)生產(chǎn)力，也正在與信息技術(shù)緊密結(jié)合，由于焊接過程的多變性和復(fù)雜性，利用數(shù)字化技術(shù)，使焊接設(shè)備從簡單的機(jī)電產(chǎn)品變成一種精密加工儀器，將是焊接設(shè)備發(fā)展方向。數(shù)字化焊接設(shè)備有兩個(gè)概念：一是指采用數(shù)字量控制的焊接電源;二是指帶有智能控制系統(tǒng)的焊接設(shè)備，如焊接機(jī)器人等(其電源不一定是數(shù)字電源)。建立數(shù)字化焊接生產(chǎn)線，既需要數(shù)字化焊接電源，又需要智能化控制系統(tǒng)。隨著信息化技術(shù)的進(jìn)步及廣泛應(yīng)用，“數(shù)字化”的概念越來越清晰地呈現(xiàn)在人們面前。

3 結(jié)語

數(shù)字化焊接技術(shù)包括焊接工藝、質(zhì)量控制、生產(chǎn)管理等幾大方面，主要應(yīng)用技術(shù)包括傳感技術(shù)、建模技術(shù)、控制技術(shù)等；可實(shí)現(xiàn)裝配單元的智能化、仿真化、模擬化控制，對焊接工藝自動化處理、車間焊接網(wǎng)絡(luò)化、工藝信息數(shù)字化、焊接管理無紙化等起到了積極影響，是未來焊接數(shù)字化發(fā)展的主要模式。