信息技术在焊接自动化中的应用

杨旭东

（艾美特焊接自动化技术（北京）有限公司，北京 102202）

0 前言

随着工业技术的不断进步，焊接技术作为一个重要的工业生产工艺也在不断地被提出新的要求，主要体现在以下方面：首先，焊接质量受到越来越多的重视和关注，在很多场合焊接一直被认为是影响产品整体质量的薄弱环节，提高产品整体质量，突破焊接质量瓶颈成为一个重要的环节；其次，改善工况环境、降低劳动强度，最大限度地让人的工作被机器设备取代；第三，提高焊接设备的自动化和智能化水平，使人机交互更友好，设备的安全性能更高；第四，需要将焊接生产管理纳入整个工厂的生产管理系统，让生产流程更加顺畅、高效；第五，让产品质量具备可追溯性，一旦出现产品质量问题，能够准确的定位到出现问题的点，为故障原因排查提供依据。所有这些要求最终全部都落实到对焊接生产过程信息的控制与应用上，从而将先进的信息技术植入到焊接自动化领域，使自动焊接设备内部、设备之间、设备与管理系统之间形成有效的信息交互网路就显得十分重要。

艾美特公司是一家为用户提供焊接自动化成套解决方案而著称的焊接技术工程公司，率先将数字信号处理技术、分布式控制技术和多处理器协同控制的理念引入焊接自动化领域，不但能实现每个焊接参数闭环反馈控制，整套系统接受远程监控，还在多套系统网络化管理方面进行了成功尝试。在典型的艾美特自动焊接系统单机中，每个功能外设均被指派一个专属DSP控制单元，该DSP负责对外设发布控制指令，收集外设运行状态信息；同时DSP单元还要同步的将收集的信息反馈给系统中心控制器；系统中心控制器汇总系统内部所有DSP反馈的信息，并根据这些信息协调系统内所有对外设的工作。这样DSP单元与中心可控制器之间的信息交互，就在一套自动焊接设备内部搭建了最基本的信息网络。系统控制器可以通过网络接口接收来自远程网络的控制信息，并且通过生产管理网络平台，控制器可以向上位机传递焊接工位的设备运行状态、工作参数、生产进度、场地视频等信息。这样多个系统中心控制器与上位机之间的信息传递就形成了最初级的数字车间网络。目前，艾美特可以实现所有弧焊系统的数字化控制，并且以数字化焊接系统为基础可以搭建焊接车间的网络生产控制和管理系统，实践证明这是一种十分有效的数字化车间建设方案。

1 焊接自动化中的信息技术

信息技术是一个非常宽泛的技术领域，在此，从应用角度介绍焊接焊机自动化相关的概念，主要涉及焊接自动化中信息采集、信息传输、信息存储、信息的统计与分析等。焊接自动化中提到信息可分为两大类，第一类是需要收集到之后就马上分析处理然后立即反馈给受控执行端的即时信息，这类信息主要是焊接系统的起停指令信息、焊接电流、电压等焊接参数的执行闭环控制信息、各个伺服电机的运动控制信息、系统的各种报警信息等。这类信息直接影响自动焊系统的工作状态，采取有效的手段正确应用这类信息，就能获得一套优秀的自动焊接系统。另一类信息是收集到之后可以暂时储存在特定的存储器内，焊接工作完成之后采用专用的数据库软件或其他数据处理技术，来展示一段时间之内焊接系统的运行状况、焊接工艺参数的执行状况，利用这些分析结果可以指导后续的生产活动。

信息采集按照焊接生产的流程主要包括焊前准备工序的信息采集、焊接工序的数据采集、焊后处理及后续工序的信息采集。焊接前后工序的信息采集的意义在于将产品焊接之外的辅助工序信息有效的记录，能够起到对焊接辅助工作加以规范的作用，为自动焊接稳定、高质量的执行提供可靠保证，一旦出现焊接质量问题，可以有效的为故障分析提供帮助。焊接过程中的信息采集主要是对焊接工艺参数的采集、焊接系统控制反馈信息的采集、系统警报信息的采集。这些信息是自动焊系统运行的基础，没有对这些信息的采集和应用的焊接设备，根本就谈不上是自动焊系统。

自动化焊接系统中的信息量很大，信息种类也很多，通过各种触感器、计量仪器等获得的信息需要高速、准确地传送到指定的处理器或存储空间。同样，从控制系统发布的控制信息也需要准确、快速的传输到指定的受控终端。焊接生产的工况都非常复杂，一般伴随有强烈光、声、电磁杂波、高频等发射源，这些干扰对信息的传输提出严峻的挑战。

采集、传输焊接生产的各项数据的目的是对采集到的信息、数据进行分析、处理、应用。对于一套自动焊接系统，可以利用这些信息更加准确的控制系统中的每一个动作，提高焊接系统的自动化程度，减少人在焊接过程的工作量；对于焊接生产管理层面而言，就是要利用从生产一线获取来的信息，提高生产管理的质量和效率。

2 信息技术在自动焊设备中的应用

艾美特是较早将信息技术应用到焊接自动化领域的制造商，从而提出了自动焊系统的分布式控制结构，率先将这种系统集成技术应用于艾美特焊接自动化系统的生产之中，并取得了巨大的成功。一套真正的智能化自动化焊接系统，其最基本的品质就是每一步动作的准确性和长时间工作的稳定性，合理利用系统内部信息是实现焊接系统工作稳定、精确的唯一途径。

图1是艾美特公司生产的一套数字化双丝窄间隙埋弧焊接系统的控制结构，该系统是艾美特众多自动化焊接系统中的一个典型代表。系统的功能和组态结构分解如下：

图1 双丝窄间隙埋弧焊接系统集成及控制逻辑

（1）系统采用分布式控制模式，系统控制器下级布置多个DSP处理单元，分别控制电源、跟踪系统、焊接运动系统，保证每一个外设受控的高效性和准确性，大大降低了系统控制器的运算负担。

（2）每套自动焊系统都配置有由控制器、DSP、现场总线、传感器组成的信息采集、传输和处理网络系统。通过适当传感器将信息可靠的采集，通过现场总线完成信息的高速、可靠传递，通过DSP和系统控制器对信息进行高速、精确的处理。

（3）系统可以对所有外部设备进行编程控制、闭环反馈控制，系统不仅仅是按照收到的控制命令进行每一步动作，还将每部动作的执行状态反馈给控制系统，实现精确的闭环控制。

（4）系统控制器配置网络接口，可以上传系统内部的信息，并可接受来自外部的控制信息。

（5）焊接系统接受远程编程和离线编程，用户可以将编写好的焊接程序通过网络写入系统控制器，并命令系统按要求执行。

（6）系统具备故障诊断和报警功能。系统开机后进入自检状态，检查正常后系统方可运行，如果发现异常系统控制器便会报警，并将报警信息上传，系统工作过程中仍可通过传感器对系统的水、电、气、运动等进行实时检测，发现超标项就会报警或停机。

（7）系统控制器具备999个焊接程序的存储能力，用户可以将生产用的焊接程序根据产品命名并存储在控制器内，根据生产任务进行调用；也可以将焊接程序存储在数字化车间系统内，根据生产任务通过网络将对应的焊接程序传给对应的系统执行生产。

（8）分布式的控制模式使得系统升级十分方便，同时不会破坏原有的控制结构。当用户认为某套系统需要增加特定功能时，只需在原系统中增加一个相应的DSP模块即可，控制文件会随DSP的插入而在系统控制器上自动生成。

（9）系统控制器设计有三级权限管理系统，分别是操作者权限、焊接工程师权限、系统维护工程师权限。在操作者权限界面下，操作者只能调用焊接程序和给定范围内的焊接参数微调，从而保证每套焊接参数都可以被稳定的执行，对保证产品质量的稳定性意义重大；在焊接工程师权限下，允许用户对焊接程序进行编写，并为操作者设计焊接参数微调容许空间；在系统维护工程师操作权限下，用户可以进入系统控制器的系统设定界面，允许用户对系统参数进行更改。焊接系统的权限管理功能能够有效的保证生产纪律。只有生产纪律保证了，自动化生产、远程监控才有实际意义。

（10）配置适当的硬件和软件，系统控制器可以自动识别操作人员的级别和授权的操作范围，并自动锁闭非授权部分的操作界面和通道。

（11）焊前坡口状态、焊接过程的所有实施参数都能以焊接动作轴和时间为坐标被同步记录，方便质量管理和问题追溯。

（12）在智能化焊接角度也做了较为成功的尝试，通过激光传感器实时收集到的坡口尺寸信息，焊接系统能够准确地确定当前焊接位置坡口的尺寸，根据坡口尺寸的大小波动变化，系统能够自适应调节焊接工艺参数，如增减焊接电流、焊接速度等来改变当前位置的填充效率。避免出现同一条焊缝由于坡口加工不均匀而造成的某些位置填充过量而有些位置填充不足的缺陷，减少焊缝返修。

3 信息技术在数字焊接车间中的应用

3.1 数字化焊接车间的基本组成

一套完成的数字化焊接车间由监控服务器、自动化焊接设备、监控客户端、网络摄像机、视频服务器、焊接摄像头、网络交换机、路由器、网络防火墙等组成。数字化车间系统的各种功能服务器和客户端都作为网络节点接入到车间的工业以太网中。

（1）监控服务器。监控服务器是系统的核心。负责配置和管理系统中所有的自动化设备节点，采集、整理和系统信息和数据，并对监控帐户进行管理。监控服务器按照功能可以分为数据库服务、视频服务、焊接设备监控代理、监控服务四个部分。

（2）自动化焊接设备。自动化焊接设备是数字车间生产执行单元。任何具备网络监控接口的自动化焊接设备都可以作为网络节点接入系统。艾美特的控制器已经具备了这个能力，能够提供焊接程序文件和数据采集文件的上传和下载，控制器及各个模块状态的监控等。

（3）监控客户端。监控客户端是管理人员与系统的窗口。通过监控客户端提供的人机界面，管理人员可以查看自动化焊接设备的实时运行状态。

（4）监视设备。监视设备是管理人员的眼睛。可以是各种摄像头或数据采集设备。

（5）焊接摄像头。焊接摄像头在焊接过程中直接采集熔池附近的微观图像。

（6）焊接过程信息整合处理。可以将焊接过程的所有信息，如宏观视频、微观视频、坡口形貌、实际执行的焊接参数等以时间或坐标轴，或者组合画面的形式记忆并储存，方便对焊接过程进行全面、同步地追溯。而且，类似的组合画面可以被授权进行终端实时访问和记录，甚至实现远程诊断和操作，图2是数字化焊接车间网络监控终端的监控界面。

（7）网络交换机。网络交换机负责网络上所有节点的数据交换，是各个节点进行可靠数据通讯的基础。

（8）路由器。路由器是可选节点，在需要连接其他网络时负责网络数据转发，如果不连接其他网络则不需要。

图2 数字车间控制终端监控界面

（9）网络防火墙。网络防火墙也是可选节点，为系统的网络节点提供对外的网络安全保障，只有在需要连接其他网络并且对所连接网络不信任时才需要。

3.2 信息化焊接车间的管理和应用

3.2.1 生产管理

生产管理主要涉及对焊接程序的应用和管理，图3是数字化焊接车间的网络结构图。管理人员登录到监控服务器后可以对选定焊接设备上的焊接程序远程管理，通过监控客户端的人机交互界面，对焊接设备上的焊接程序进行查看、改名、删除、上传和下载等操作。使用焊接设备的离线编程工具，管理人员在办公室就能编辑焊接程序，设置焊接程序相关的各种参数，并通过监控客户端把焊接程序上传到焊接设备，操作人员直接调用新的焊接程序进行焊接，管理人员实现了焊接工艺参数的远程管理和修改。管理人员通过监控客户端，可下载焊接设备上的焊接程序、配置参数等各种关键数据，并且能够快速地布置到其他焊接设备，结合企业的ERP系统，轻松便捷地布置生产任务。

通过监控客户端人机交互界面，管理人员能够远程设置操作人员能够使用的焊接程序及其参数调整范围，既能达到生产任务管理的目的，还能给现场操作人员提供根据工件的实际情况调整和补偿焊接参数的能力，同时焊接参数调整和补偿的范围是可以由管理人员事先限定的，不但能保证焊接程序在复杂现场条件下焊接工艺参数调整的灵活性，又能通过限制调整和补偿的限度保证焊接工艺的安全性。

图3 数字化焊接车间网络结构框图

3.2.2 数据采集文件管理

管理人员可以对选定焊接设备上的数据采集文件远程管理，通过监控客户端的人机交互界面，对焊接设备上的数据采集文件进行查看、删除和下载等操作。

数据采集文件会占用大量焊接设备的存储空间，管理人员通过监控客户端定期巡视焊接设备上的数据采集文件，清理掉无用的数据文件，保证焊接设备的正常运行。

管理人员下载数据采集文件，使用特定软件进行数据分析，能提前预知焊接过程中可能存在的问题，并且预见性的远程调整焊接工艺参数，防患于未然，在保证生产质量的同时，也保证了生产效率。

管理人员通过下载分析数据采集文件，可方便地比较多台焊接设备焊接工艺特性，有针对性的对不同的焊接设备差异化的设定焊接工艺参数，同时通过比较也能发现焊接设备上可能存在的隐患，为焊接设备的维护和维修提供参考。

3.2.3 焊接设备监控和管理

焊接设备监控分为焊接设备实时监控、焊接设备历史运行数据查看和焊接设备历史数据的统计分析。焊接设备的监控事件包括焊接设备启动、焊接设备关闭、焊接设备模块上线、焊接设备模块下线、焊接程序开始运行、焊接程序停止运行、焊接程序段切换、焊接关键参数变化、焊接过程中的报警、焊接过程中的出错、焊接设备的急停事件等焊接机床的各种参数和状态。

焊接设备实时监控时，监控客户端通过监控服务器内的监控服务连接焊接设备监控代理，焊接设备监控代理根据自动化焊接设备标识连接到焊接设备，得到焊接设备当时的监控状态，并将状态数据实时发送回监控客户端。

查看和统计分析焊接设备历史运行数据时，监控客户端通过监控服务器的监控服务连接数据库服务，取出存储在数据库服务器中的焊接设备监控数据，返回给监控客户端查看或者用于统计分析。

通过焊接设备实时监控和历史运行数据分析，管理人员可以精确掌握每台设备的负荷，为生产任务的管理和安排提供重要参考；管理人员通过分析和比较同一台焊接设备上不同操作人员、不同时段、不同工况、不同生产任务中的监控数据，能够分析出操作人员的操作习惯对焊接工艺、生产效率、焊接质量等方面的影响，为操作人员的管理和培训提供有效的帮助。

3.2.4 设备图像采集

设备图像采集系统通过网络摄像机采集自动化焊接设备的宏观画面，监控自动化设备整体的运行和操作状况。

当监控客户端没有实时查看设备图像时，监控服务器的视频服务只是将网络摄像机发送的设备图像保存起来，并且在数据库中建立索引；如果此时有监控客户端在实时查看设备图像，监控服务器的视频服务除了保存设备图像外，同时把设备图像的数据流转发到监控客户端进行实时播放。

监控客户端查看历史设备图像时，监控服务器的数据库服务根据监控客户端的检索条件，从数据库中检索出有效的设备图像历史记录，并且通知视频服务从磁盘中读取匹配的视频流，发送到监控客户端播放。

4 结论

随着技术的不断进步以及现代生产对高质量、高效率生产的迫切需求，将信息技术应用于焊接自动化必然会成为推进焊接生产进步的有效手段。互联网、工厂内GPS系统和云计算技术的成熟与普及，使焊接生产信息完全可以与物流控制、网络间数据共享等技术结合起来，为全面的信息化焊接生产管理和质量控制提供更高的标准和更全面的手段。艾美特公司作为数字化高效自动焊接设备制造的领跑者，已经充分认识到这个发展趋势，并且已经着手在焊接系统的设计时预留了信息化焊接车间建设可能用到的各种接口，时刻准备为信息化焊接的发展贡献自己的力量。