基于无线局域网的点焊质量监测系统

袁海堃，谷晓鹏

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

基于无线局域网的点焊质量监测系统

袁海堃，谷晓鹏

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062）

设计了基于ZigBee网络的电阻点焊无线监测系统，重点介绍系统的软、硬件构成、无线网络的拓扑结构以及系统的工作流程。无线监测系统主要由下位机监测模块、ZigBee无线通信模块以及监测中心三部分构成，无线局域网采用网状拓扑结构。系统通过多参数监测焊接车间每台焊机的焊接过程，充分利用各参数所包含的质量信息，建立能够反映焊接质量的数学评估模型，实现了电阻点焊焊接质量的在线评估，并通过动态电阻特性曲线来表示评估结果。系统运行结果表明，ZigBee无线网络抗干扰能力强，信号传输稳定，系统整体响应速度快，完全可以达到电阻点焊过程网络化实时监测的目的。

ZigBee；点焊；质量监测

0 前言

电阻点焊作为一种生产效率高、辅助工序少的焊接工艺，现已广泛应用于汽车、轨道客车车体的生产[1]。然而，点焊是一个高度非线性、多变量耦合作用的动态热过程，且伴随有大量的随机因素，如何保证焊接质量成为电阻点焊技术研究中的重要问题。目前，大多采用破坏性检验方法，成本高、效率低，且不能完全反映整个生产线的焊接品质。因此，在线监测点焊过程参数是实现高质量焊接的重要保障，同时也是数字化焊接技术的关键研究内容[2-3]。

随着计算机及通信技术的快速发展，工业网络已经越来越多地应用于数字化制造领域[4]。工业现场空间较大、设备种类繁多，布线较为困难，对无线数据通信的需求越来越强烈[5-6]。ZigBee作为一种新兴的近距离、低功耗、低成本的无线网络技术，具有很高的通信效率和安全性，主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，十分适合焊接现场设备的无线通信。因此，本研究开发了基于ZigBee协议的点焊质量监测系统，对焊接电流、电压以及电极间压力进行远程监测，并计算每个接头的动态电阻曲线，以达到焊接质量在线评价的目的。

1 系统总体设计

1.1 系统框架

系统的主体框架如图1所示，主要由下位机监测模块、ZigBee无线通信模块以及监测中心三部分构成。

图1 系统框架

下位机监测模块由传感器、信号处理电路和单片机构成。通过电流、电压和压力传感器将点焊过程参数转化为可测量的电信号，然后由单片机转换为数字量，并计算出焊接电流有效值、焊接时间以及动态电阻曲线。

由ZigBee模块组成的无线通信网络负责数据传输，将下位机得到的焊接信息发送至监测中心，同时将监测中心发出的报警干预指令传输至下位机监测模块。本研究采用的ZigBee模块型号为JN5148-001-M04，它是一款超低功耗、高性能的无线网络应用模块，其内部集成了大容量内存、高性能的CPU及具有强劲无线性能的射频元件，在-40℃～85℃工业环境中都能正常工作。

监测中心采用PC服务器，运行上位机监测软件，可实时监测各个联网焊机的工作状态，对异常的焊接过程发出报警指令。服务器内建有大容量数据库，可存储和管理所有的焊接数据行，以实现单次焊接或整个生产线的质量分析。

1.2 无线网络组网方式

ZigBee支持星形网、树形网和网状网三种网络拓扑结构，如图2所示。ZigBee网络中定义了三种设备类型，分别是控制器、中继器和终端。控制器负责网络的创建和资源的分配。中继器负责采集和转发数据，延伸网络规模，实现创建和修复信息包的路由路径。终端作为网络的最终节点，只能收发自身数据，不负责数据的转发，可通过休眠和唤醒功能达到更低的功耗。

图2 网络拓扑

焊接生产现场设备数量众多、分布距离远，且存在大量的电磁干扰。针对以上特点，本系统采用网状拓扑结构如图3所示。在每个焊接设备上设置有一套下位机监测模块，每一套监测模块与一个ZigBee终端相连接。焊接车间的四周和中央设置若干个ZigBee中继器，监测中心设在车间的一角，PC服务器通过RS232串口与ZigBee控制器相连接。

图3 焊接车间组网方式

ZigBee工作频率为2.4GHz，分为16个信道，每隔5MHz为一个信道。控制器自动选择一个最为空闲的信道创建网络，并为所有处于当前信道的设备分配网络地址及其他资源。中继器和终端加入网络后，按照各自的设备类型开始工作。终端将监测模块发出的数据包直接发送给控制器，然后传输至监测中心，或通过中继器转发给控制器。中继器重新发送或转发数据信号来扩大网络传输的距离。当焊接设备如龙门式点焊机进行移动时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

2 系统软件设计

2.1 下位机程序设计

下位机程序使用C语言开发，编译完成后下载至单片机的程序存储器中。其主要功能是采集和处理焊接电流、电压及电极压力信号，将处理后的数据发送到与之相连的ZigBee终端，工作流程如图4所示。

图4 SCM程序流程

首先，下位机进行初始化，主要为系统I/O端口初始化，A/D转换器初始化，系统时钟、寄存器、存储器初始化及无线模块接口初始化等。然后，下位机开始实时监测焊接信号，根据内置算法自动判断焊接过程的开始与结束，对传感器输出的信号进行模数转换，计算焊接电流有效值、焊接时间以及动态电阻曲线。最后，将得到的焊接数据发送至ZigBee终端进行无线传输。下位机在收到监测中心的回执后开始等待，直至下一次焊接过程开始。

2.2 ZigBee模块程序设计

根据自身设备类型的定义，控制器、中继器和终端模块的程序略有差异，但其主要功能都是联网以及数据的收发或转发。作为无线网络的核心节点，控制器模块的程序极为关键，工作流程如图5所示。

首先，控制器在完成初始化后创建无线网络，选定一个唯一的PAN ID作为此网络的标识符，然后对该频段内所有信道进行能量扫描，判断每个信道无线信号的活跃程度并选择其中一个信道。在网络配置完成后，中继器和终端节点会向控制器发送入网请求，得到控制器的应答后完成入网。当无线网络完全建立后，终端节点便会按一定的路由向控制器节点传送下位机处理后的数据，从而实现无线传输。

图5 ZigBee模块程序流程

2.3 上位机程序设计

上位机程序软件是整个监测系统的控制中枢，能够设置监测系统的参数，并对下位机传送来的数据进行处理、显示及存储管理，实时监测焊接电流、焊接时间、电极压力及动态电阻曲线。当监测到的焊接参数超过报警限时，则通过无线网络向下位机发出报警指令。

上位机程序使用Microsoft Visual C++进行编写，主界面如图6所示。主界面根据功能分为系统控制区、焊接参数波形显示区及焊机状态区。系统控制区包括启动、网络设置、数据查询、参数设置和报警设置焊机远程管理功能。焊接波形显示区主要为监测过程中焊接电流、电极间压力或动态电阻的波形显示，可以根据需要选择显示的参数波形。焊机状态区主要显示当前下位机焊接过程的实时状态。

监测结果数据都存储于大容量数据库内，管理人员可通过访问历史记录来查看每个焊接过程的详细信息。上位机程序还内置有生产线统计管理模块，可以分析整个焊接生产线的生产状况，从而实现焊接设备及生产过程的数字化网络管理。

图6 上位机程序主界面

3 系统应用分析

系统通过对每台焊机的焊接过程进行多参数监测，充分利用各参数所包含的质量信息，建立合理的数学模型，实现了电阻点焊焊接质量的在线评估，并通过动态电阻来表示评估结果。

图7为不锈钢车体点焊生产线的监测结果。焊接规范采用双脉冲，其中预热电流5 kA，焊接电流10 kA。正常焊接过程的动态电阻曲线如图7a所示，图中前段曲线为预热脉冲电流下的预热动态电阻曲线，后段曲线为焊接脉冲电流下的熔核成长动态电阻曲线。由图可见，在未产生焊接飞溅情况下，预热及焊接脉冲电流下的动态电阻曲线都是平稳下降，焊接过程稳定。飞溅焊点的动态电阻曲线如图7b所示，可以看出，发生飞溅时，熔核成长动态电阻曲线中部电阻值发生骤降，其可识别特征较为明显。

以上应用结果表明，研发的监测系统能够实时监测和判断不同焊接质量的点焊过程，从而实现焊接生产的数字化、智能化评估和管理。

由于研制的系统采用无线网络，因此，整个网络的通信性能对于系统的稳定应用尤为重要。不同ZigBee节点通信性能的测试结果如表1所示。由表1可知，无线模块的发射功率和模块间距对网络的丢包率影响较为明显。随着发射功率的增加，平均丢包率显著降低，而无线模块间距增大时，平均丢包率则随之升高。当无线模块的发射功率设置为16 dBm且无线模块的最大间距不大于80 m时，无线网络的平均丢包率仅为0.03%，整个网络具有较高的稳定性。

图7 不锈钢车体点焊生产线监测结果

表1 通信性能测试结果

响应时间作为无线监测系统的另一个重要指标，其好坏直接影响系统的运行状态。由于电阻点焊生产节奏较快，过大的响应时间将导致下位机监测模块不能及时收到监测中心的回执，影响下一次焊接过程的监测。测试结果表明，本系统各监测模块的最大响应时间不超过1 s，实时性能良好。

4 结论

（1）ZigBee无线网络具有低功耗、低成本、低复杂度的特点，能够适应焊接生产现场的恶劣环境，具有可靠、稳定的通信性能。

（2）采用网状拓扑结构的ZigBee网络组网灵活，具有自组织和自愈特点，其动态路由性能尤其适合电阻点焊无线监测系统的通信要求。

（3）合理设置网络中各无线模块的发射功率和最大间距，可显著降低网络的丢包率，提高网络通信的稳定性。

（4）ZigBee无线监测系统响应速度快，可以达到电阻点焊过程网络化实时监测的目的。

[1]许君，李永兵，陈关龙.轿车车身电阻点焊质量实时监测系统[J].焊接学报，2006，27（4）：41-44.

[2]王博，张勇，滕辉，等.电阻点焊电极压力在线监测[J].电焊机，2015，45（9）：25-28.

[3]王嘉，蔡洪峰，白志范，等.焊装车间点焊设备网络化监测系统[J].计算机应用，2014，34（S1）：323-326.

[4]张宇锋，李云峰，田雨阔.基于虚拟仪器的交流电阻点焊工艺参数实时监测系统[J].焊接技术，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

本文参考文献引用格式：堃袁海 ，谷晓鹏.基于无线局域网的点焊质量监测系统[J].电焊机，2017，47（10）：20-23+28.

2017-07-20；

2017-09-07

堃袁海 （1983—），男，高级工程师，硕士，主要从事轨道车辆焊接工艺方面的研究工作。E-mail：yuanhaikun@cccar.com.cn。