數字化焊接系統集成與應用

■ 陳昊 于越華 陳成 鄧海鵬 陳川 / 中國航發黎陽

作為特種工藝的焊接工藝，其質量將直接影響著航空發動機的性能。通過應用數字化、智能化焊接技術，提升焊接質量、提高焊接效率、降低焊接成本，是傳統焊接工藝實現創新變革的重要途徑。

高效率、高質量、低成本的數字化、智能化制造將是中國制造業未來提升自身競爭力、實現轉型升級的最佳方式。焊接技術作為工業中應用最廣的工藝之一，目前面臨著焊接參數選擇依靠經驗，焊接過程管控難，焊接質量與工藝參數的匹配性難以追溯等困難。作為一種重要的工業生產工藝，將先進的信息技術植入到焊接自動化領域，使自動化焊接設備內部、設備之間以及設備與管理系統之間形成有效信息交互網路就顯得十分重要。

總體目標

創新團隊通過前期研究制定了項目的總體目標：將車間全部焊接設備實現互聯互通，在焊接過程中主要焊接工藝參數全部可提取，焊接過程穩定性、焊接質量能夠智能評價；焊接工藝自動設計，能自動批處理輸出焊接工藝卡、工藝指導書、工藝評定報告等，具有維護方便、界面友好等特點；通過掃碼槍掃描工藝卡片、工藝參數表二維碼，分別獲取加工零件信息、焊接參數信息，并將工藝參數自動下達到焊接設備，實現焊接過程參數可控化管理；采用數字和波形顯示實時傳感電流、弧壓、焊速等工藝參數，實現全程可追溯，能提取和存儲任意時段工藝參數平均值、有效值、均方根、短路時間和次數、斷路時間和次數、燃弧時間、工時、材料消耗等數據，并能提供相關報表；所有焊縫質量可全程追溯，依據實時傳感的工藝參數、結合已有的數據庫，離線進行焊接過程穩定性、焊接工藝吻合度等質量的評價；機械手自動焊焊機熔池視覺系統，實現焊接過程熔池變化的實時監控。

關鍵技術及實現過程

根據上述總體思路和目標，創新團隊經過研究，梳理出需要掌握的關鍵技術包括以下幾項。

焊接物聯網絡與工藝傳感

焊接監控評價軟件模塊應實現對聯網焊機的實時監控，記錄的內容包括：焊接電流、弧壓、焊機工作狀態、預置焊接工藝參數、送絲速度、使用氣體、焊絲材質、焊絲直徑、開關時間、焊接時間、焊工姓名、焊機型號、實時波形圖等參數。

質量評價與管理

軟件通過數據處理，提取焊接電流、弧壓的瞬態波形和動態特征參數，對焊接質量進行初步預判與分析。結合焊接工藝計算機輔助設計（WCAPP），給出焊接工藝參數與要求的工藝的吻合程度評價；依據提取的動態和瞬態特征參數，評價過程穩定性、缺陷產生概率等質量要素；依據同步傳感的信息定位可能存在的焊縫、質量欠缺（或可能存在缺陷）的具體位置以及焊接該焊縫的焊機，給出焊接電流超規范比例、超規范累計時間、波動系數等數據以及其他質量特征分析評價數據，可離線輸出評價報告。

圖2 焊接成本管理界面

焊接工藝任務自動下達

焊接工藝任務自動下達模塊能夠實現軟件對焊接設備工藝參數進行設定并下傳，焊接設備遵循下傳的工藝規范進行焊接作業。焊接設備根據限流參數動態調節電流電壓輸出，保證焊接設備嚴格按照工藝規范約定來執行。

數字化焊接車間生產管理

數字化焊接車間生產管理具體包括生產管理、成本管理和焊機管理等方面。

圖3 焊機設備管理界面

生產管理模塊應實現對焊工信息、焊縫信息的采集與焊接設備的使能控制，采集方式包括插拔式I C卡、條碼掃描、感應式刷卡終端機等。系統會自動記錄下工件編號并調用相應的焊接工藝參數。通過查詢功能，可以查詢到什么時間、哪個焊工使用哪臺焊機焊接了什么工件，把焊工、電焊機、工件統一管理起來，使生產管理具有可追溯性。

焊接成本管理模塊可查詢指定焊工在某個時間段內的工作時間、使用效率、焊絲消耗、電能消耗、氣體消耗等數據，查詢條件可以按天查詢，也可以設定開始日期與結束日期進行查詢，并以數據表及柱狀圖的形式體現，方便管理部門對工時、焊材消耗的及時把握，如圖2所示。

焊機管理模塊對設備運行狀態進行采集和監測，采集基于時間域的設備利用狀態、設備生產活動時間，對設備利用效率進行統計、分析、測評，設備運行信息包括：設備開關機時間、設備加工起始/終止時間、設備待機時間、設備報警時間、報警序號及報警內容、焊接設備輸出電流/電壓曲線及其他關鍵點狀態。設備出現故障報警時，焊接管理系統彈出報警提示并將報警信息保存到數據庫中，對設備的報警日志可進行查詢統計，軟件同時彈出故障提示信息，如圖3所示。所有的焊機參數以及焊接過程的宏觀、微觀圖像，均可通過總監控室大屏幕進行檢測。

焊接工藝管理

通過多種應用軟件集成，實現各類焊接文檔管理規范化，以及焊接工藝設計、焊接任務規劃和焊接制造過程參數的采集自動化等目標。由不同部門開發相應的應用軟件，其中，工藝部門開發焊接工藝設計軟件，生產車間設計焊接任務規劃軟件，焊接工位開發焊接使能及焊接過程的參數采集軟件。3個軟件以企業局域網為支撐，以共享數據庫方式實現軟件之間的數據集成及應用軟件間的互聯互通，整個數字化車間軟件邏輯功能劃分和布局如圖4所示。

項目應用效果

本項目基于數據分析，通過對焊機及其他硬件設施進行改造，并植入操作和記憶程序，實現了焊接參數數據優化與記錄、焊接質量評估與質量追溯、焊接材料消耗統計與預測、焊接任務排產等方面的有效管理與優化，具體體現在以下幾個方面。

一是實現設備生產可視化管理。所有焊工工作狀態可通過大屏幕實時觀察； 焊接設備狀態可通過軟件界面實施監測； 焊接機器人加裝熔池視覺系統后，可以在顯示屏上觀察熔池狀態。

二是焊接工藝參數標準化管理。建立智能化焊接參數設計系統，實現焊接工藝參數設計標準化管理，促進焊接參數數據庫的建立及數據管理，為后期優化焊接參數提供數據支承，避免了由于工藝人員經驗不足造成的焊接工藝質量參差不齊。

三是現場焊機焊接參數準確管理。建立焊接參數自動下達系統，實現焊接參數通過掃描二維碼自動下達，避免人為錯誤調整參數的風險。

四是實現焊接質量可溯化管理。建立焊接質量評價系統，實現焊接質量的預評估。建立焊接參數采集系統、實現焊接參數實時采集及焊接過程參數的顯示，若后期出現質量問題可以從數據庫中調取加工記錄，并對加工時的操作人員、焊接參數等因素進行追溯。

五是促進焊接設備、排產合理化管理。建立焊機使用記錄數據庫，分析數據為焊接設備購買、排產計劃提供支持，做到提高設備利用率、促進排產合理化。

六是實現焊材消耗可量化管理。系統可以記錄焊材與保護氣體消耗量數據庫，以全年或單臺消耗數據為焊材、保護氣體購買與領取提供依據，減少庫存浪費。

圖4 數字化焊接軟件架構及布局

結束語

創新團隊將傳統焊接技術與數字化、智能化技術相結合，開辟了一條傳統工藝與數字化結合的創新之路，達到了降低焊接成本、提升焊接質量的目標。目前已完成了對焊機控制及傳感系統改造，并將所有焊機集成焊接系統物聯網；建立了智能化焊接參數設計系統，并將其與產品數據管理（PDM）系統集成，可直接向規程編制人員推薦參數，實現焊接工藝參數設計標準化管理。后期將繼續開展智能化焊接技術研究，實現對焊接前、焊接中、焊接后的各項工作的有效管理。