机器人MAG弧焊参数在线监控及精确追溯系统

顾承扬，刘云泊，雷海蓉

（上汽大众汽车有限公司质量保证部，上海201805）

目前汽车行业零部件焊缝质量监控通常采用人工切片法，该方法处理周期长、成本高、且只能抽检局部焊缝的质量，一旦发现质量问题，企业将面临整批零件报废。焊接工艺规范的设定，是以首件疲劳试验合格为基础的，如果在批量生产过程中焊接参数超出设定规范或被误修改，会造成焊缝热影响区的变化，即使焊缝外观无缺陷，产品疲劳性能也会大打折扣，存在安全隐患[1]。随着信息、网络技术的飞速发展和机器人焊接技术的大规模普及，从过程中保证批量产品质量稳定，实时监控机器人焊接主要参数，将焊接的理化过程量化识别和分析，已被业内重点关注[2]。国际主流焊机品牌都在加紧开发研究，如奥地利Fronius焊机有监控模块Q-Master，美国Miller焊机有监控模块Insight Centerpoint，由于通讯接口的限制，这些监控系统只限于在品牌内使用，形成垄断价格高昂。J.D.Cullen[3]等研究的在线质量监控系统仅限于点焊。弧焊是一个复杂多变的过程，其中焊接参数（电流、电压、时间）的非预期变化对焊缝质量影响最大，因此是主要监控的焊接工艺参数。弧焊参数监控系统一般包括焊接工艺参数的数据采集与传输、数据处理、数据存储与追溯三个方面。有科研工作者尝试做过一些基础研究，如，刘芳、陈方岭等研究了焊接监测与控制系统，实现了工艺参数在线监控与查询，通过该系统可以积累大量的数据，为进一步优化焊接工艺及全过程焊接管理体系提供了有效平台[4-5]。王盛弢等研究的弧焊参数网络化监测系统，在监控焊接工艺的同时，通过数字图像处理实现了监控参数的可追溯性[6]；吕阳设计了一套基于Access数据库的机器人焊接过程监控系统，该系统可以根据专家经验实现对焊接参数及视频等多信息的智能监控[7]。

目前未发现已经在汽车行业成熟应用于焊接批量生产且具有通用性的监控系统。因此，本文基于产品焊接批量生产的实际需求，进一步研究了焊接参数的分段监控及可追溯性的实现方法，让监控系统能够更加可靠高效地服务于焊接生产线。

1　焊接参数监控系统组成

焊接参数监控系统主要包括数据采集装置、数据中继站、服务器、工控机、人机交互接口，如图1所示。采集装置为电流霍尔传感器和电压霍尔传感器，电流、电压信号采集终端分别与焊机电源的输出端连接。数据采集端通过CAN总线与所述数据中继站连接，再与服务器相连。本系统采用业内通用的VLIW（Very Long Instruction Word）架构服务器，使用多颗高性能CPU搭建中央处理单元计算架构，增强其并行处理能力；数据存储单元采用工业级磁盘阵列存储，保证客户数据存储的时效性、完整性和可靠性；网络传输单元采用双千兆网卡传输交换数据；显示单元采用工业级Matrox显示卡，并通过高清晰度多媒体接口HDMI传输信号，保证信号的完整性和及时性。数据传输下端传输采用CAN总线式网络结构，上端传输采用以太网方式，增强系统的可接入性及扩展性。焊接参数在线监控与精确追溯系统，物理连接简单无须复杂布线，采集装置挂于设备外，通用性强，适用于各种多变的现场应用环境。

图1　焊接参数监控系统硬件框图

2　系统功能及特点

本系统的功能特点在于在线监控与精确追溯两个方面，一方面通过数据采集及处理，在线监控重要焊接参数来判断焊接过程质量稳定性，从而指导操作者提前采取措施优化焊接过程。另一方面由于本系统实现了焊缝与参数的精确追溯，操作者可通过HMI（Human Machine Interface人机交互界面），查询缺陷件对应焊缝的历史焊接参数，能够更有针对性的分析问题。如图2所示。

图2　系统功能逻辑框图

2.1　焊接参数取样

焊接参数监控系统采样使用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器直接测量电流电压，无需对焊接电源进行任何改动，也没有焊机品牌限制。焊接过程不同熔滴阶段的瞬时电流电压差别大，通过比较不同采样频率F（1 Hz～100 Hz）的数据，选择合理的采样频率。本系统采样频率可依据不同产品需求在上述范围内调整，同时可设置电流和电压校正系数对采集数值进行补偿。本系统采用MySQL数据库，在提高数据传输效率的同时保证数据的完整性和稳定性，采集终端先将数据压缩存储在本地，按一定频率上传中继站，数据在服务器端解压还原，服务器剔除损坏的数据包。

为避免焊缝起收弧影响，将焊缝分段为起弧段、主焊缝和收弧段进行控制。同时需要设置取样边界条件，对取样数据做降噪处理，剔除起、收弧过程的短路电流及干扰电压。

如图3所示，假设机器人启动指令ARC ON信号后一段时间为t1，暂停指令ARC OFF信号前一段时间t2，为了剔除干扰数据，记录t1区间后的实时数据，记录t2区间前的数据，作为该条焊缝的有效取样区间。根据设备情况和生产经验，设定电压Umin＜U＜Umax，电流Imin＜I＜Imax为参数正常范围。

图3　焊接参数取样示意图

本系统通过批量实践验证，当t1=t2=0.7 s，Umax=40 V，Imin=50 A，F=10 Hz时，取样效果较好。

2.2　焊接参数在线监控及预警

焊接参数在线监控是为了从生产过程中监控焊缝质量状态，确保焊接参数在工艺许可范围内，如果出现问题，则生产者可第一时间做出反应，以免造成零件批量报废。

本系统采用Visual C++进行软件开发，对取样数据处理后，可沿时间轴在同一界面上同时记录每段焊缝实时电流、电压，并伴随曲线形式实时显示，如图4所示。

图4　电流电压实时在线监控界面

由于焊接过程受外界干挠因素多，为了降低焊接质量问题的误判率，提高批量生产的流畅性，本系统将实时电流和实时电压值与预先设定的极限范围进行比较。本系统可设定两种极限范围，定义零件每条焊缝的焊接生产质量控制计划要求公差为第二极限，当焊接参数超出第二极限时，焊缝质量应判为不合格，应停止生产。第一极限为根据批量生产数据统计及经验，在第二极限内的设定的预警公差。当实时焊接参数超过第一极限范围时，系统预警为黄色，当超过第二极限范围时显示为红色,颜色的示意区域如图5所示。如果超过第二极限的稳定时间高于阀值（本系统拟定Threshold time=2S），监控系统立即报警停机，操作工必须对该焊接工件进行质量检查，重新复位后生产线才能继续生产，设计的在线监控流程如图6所示。

图5　监控软件在线报警示界面

图6　在线监控系统控制流程图

为了满足操作的灵活性，系统的极限范围的上、下限数值既可以根据焊接工艺参数表手工设置，也可根据批量焊接统计结果按自定义规则生成。为了保证采样数据与原始品牌焊机的准确性，系统可通过设置校正系数对采样结果进行修正，如图7所示。

图7　系统控制参数设置界面

2.3　焊缝与存储的焊接参数精确追溯

在实际生产过程中，工件中的焊缝往往不止一条，采集和存储的工艺参数只有实现与焊缝精确追溯，这些数据才有效，否则后续就不具备可分析的条件。

在批量生产过程中，零件按照既定的焊接工艺生产，焊缝的焊接顺序是唯一的，因此本系统按照焊接时间锁定不同焊缝编号对应的焊接参数。在系统的历史记录页面，可以根据工件名（追溯码）查询历史电流及电压曲线，以及每条焊缝的平均电流、电压值及每条焊缝的焊接时间等信息，如图8所示。

图8　通过工件追溯码查询历史焊接工艺参数和曲线

焊缝的焊接过程须遵循焊接工艺指导书，焊接工艺参数须满足公差范围要求。以某车型后桥上横向导杆中的2条焊缝为例：为了更好的满足整车台架耐久试验性能要求，如图9所示，将工件焊缝1分割为3段，这3段焊缝分别对应焊缝工艺Job5、Job6和Job18，将焊缝2分割为5段，分别对应焊缝工艺Job7、Job8、Job9、Job10、Job19 进行精细化控制，不同的Job之间有不同的工艺参数（电流、电压、时间）要求区间。本系统可通过工件代码查询到零件每段焊缝及每个job的详细历史工艺参数，如平均电流、平均电压、焊接时间，为后续零件的焊缝质量评估提供了可靠的量化依据，如图10所示。

图9　某车型后桥上横向导杆焊缝示意图

图10　系统查询的焊缝分段的工艺参数与工艺要求对比

2.4　零件追溯码及整车精确追溯

焊接质量监控系统针对每个工件生成唯一的追溯码。该追溯码包括工件的产品代码、生产日期、生产班次、焊机转台、工位号和序列号。系统将状态数据存入到追溯码中，实现工件与生产时间、焊接参数之间的精确对应关系。焊接质量监控系统包含打印机，将追溯码打印在工件的表面上形成钢印。在机器人焊机开始焊接时，机器人焊机将追溯码传送给可编程逻辑控制器，然后由可编程逻辑控制器出送给服务器，服务器同时将焊接时的状态数据记录在相关焊接规范上。本系统已应用的零件追溯码共有14位，编码规则如表1所示，依次按照年、月、日、班次、工作站号、夹具号、工装号、序列号进行编码。

表1　零件编码规则

例如：16071811B07134表示16年7月18日第1班第1个工作站B面第7号工装焊接的第134件产品。

后续将追溯码转化为二维条码并粘贴在零件上，通过上级总成装配扫描，实现工件与整车VIN号精确对应。从正向追溯的角度来看，可以准确的查询到某一焊接工艺下的工件装配到了哪辆整车上，从逆向追溯的角度来看，可以准确查询到某一辆车上的某个工件生产时的实际焊接参数是否满足质量要求。假如售后市场发现一例客户抱怨该零部件焊缝有质量问题，那么可以读取工件上刻印的追溯码，通过本系统精确查询到当时生产过程的焊接参数，作为质量问题分析的有效依据，同时能够对比分析历史焊接过程工艺，判断是否涉及其他批产零件，从而可以快速、高效且有针对性的分析问题。

又如，当发现X年Y月Z日A班生产的这一批200个工件有焊接质量问题，只需从系统中调取这一批200个追溯码，通过工件的追溯码与上级总成装配的对应关系，精确追溯到每一台整车WIN码。那么即使涉及整车召回，也可以精确到200台，而不是漫无边际，其余生产日期及批次的工件都可以被有效排除在外，大大降低了召回范围和费用。

3　焊接质量保障实例

3.1　系统自动检测漏焊

本系统同时对每个工件的焊接时间进行统计，当工件的总焊接时间低于焊接时间区间时，或者某一条焊缝的焊接时间偏离时间区间时，即认为该工件可能存在漏焊，系统报警并筛选出疑似缺陷件，将工件的焊接质量问题控制在生产现场。

3.2　监控报警发现潜在质量问题

生产过程中连续出现多次电流及电压超标报警，但检查工件焊缝无任何外观缺陷，班组长进一步检查工作站发现，由于短路引起塑料导丝管软化粘结，造成焊接电流、电压超出第二设定极限。操作工当即对其更换维护，避免了一次严重质量事故，节约了质量成本，有力保障了批产产品质量，如图11所示。

图11　监控系统发现潜在质量问题案例

4　结束语

本文主要是针对汽车行业零部件机器人MAG弧焊过程开发了一套焊接参数监控系统，搭建了焊接参数监控系统硬件平台，利用Visual C++开发的软件系统完成了监控系统的功能设计，基于MySQL搭建焊接参数数据库，实现分段焊缝的数据存储与精确追溯，并将其成功应用于批量生产中。

实际应用证明该系统通用性强，对焊机的品牌及型号无特殊要求，具良好的推广性。对批量生产焊接工艺（电流、电压、时间）进行实时监控并存档，为了排除焊缝的起弧、收弧影响，可将焊缝分割为多段进行细化控制。若出现超出工艺范围的情况，系统自动报警并隔离疑似缺陷件，能够提前预防严重质量问题的发生。

系统能够通过零件上的追溯码查询到产品上所有焊缝的工艺参数记录，能够追溯到历史焊接时的夹具编号及焊接机器人编号，有力保证了批量焊缝质量，为后续零件的焊缝质量评估提供了可靠的量化依据，可避免大规模召回的风险，有良好的经济效益。

参考文献：

[1]许保磊.弧焊过程监测及分析系统[D].长春：吉林大学，2009.

[2]蒋 凡，李元锋，陈树君.焊接电弧监测技术研究现状及展望[J].机械工程学报，2018，54（2）：16-26.

[3]J.D.Cullun，N.Athi，M.AI-Jader，Multisensor fusion for on line monitoring of the quality of spot welding in automotive in dustry[J].Measurement，2007，41（4）：412-423.

[4]刘 芳，蔡春伟，孙清洁.焊接检测与控制系统[J].哈尔滨理工大学学报，2015，20（4）：93-97.

[5]陈方岭，孙成祥.焊接数据网络监控系统的开发与应用[J].轨道交通装备与技术，2013（9）：47-49.

[6]王 盛，顾 勇，蔡 艳，等.基于数据通信和图像处理的机器人弧焊参数网络化监测系统[J].热加工工艺，2016，45（9）：190-197.

[7]吕 阳.基于Access数据库的机器人焊接过程监控系统[D].上海：上海交通大学，2015.