袁海堃，谷曉鵬

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

基于無(wú)線局域網(wǎng)的點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

袁海堃，谷曉鵬

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062）

設(shè)計(jì)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的電阻點(diǎn)焊無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的軟、硬件構(gòu)成、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的工作流程。無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊以及監(jiān)測(cè)中心三部分構(gòu)成，無(wú)線局域網(wǎng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)通過(guò)多參數(shù)監(jiān)測(cè)焊接車間每臺(tái)焊機(jī)的焊接過(guò)程，充分利用各參數(shù)所包含的質(zhì)量信息，建立能夠反映焊接質(zhì)量的數(shù)學(xué)評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)了電阻點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的在線評(píng)估，并通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻特性曲線來(lái)表示評(píng)估結(jié)果。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，系統(tǒng)整體響應(yīng)速度快，完全可以達(dá)到電阻點(diǎn)焊過(guò)程網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

ZigBee；點(diǎn)焊；質(zhì)量監(jiān)測(cè)

0 前言

電阻點(diǎn)焊作為一種生產(chǎn)效率高、輔助工序少的焊接工藝，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車、軌道客車車體的生產(chǎn)[1]。然而，點(diǎn)焊是一個(gè)高度非線性、多變量耦合作用的動(dòng)態(tài)熱過(guò)程，且伴隨有大量的隨機(jī)因素，如何保證焊接質(zhì)量成為電阻點(diǎn)焊技術(shù)研究中的重要問(wèn)題。目前，大多采用破壞性檢驗(yàn)方法，成本高、效率低，且不能完全反映整個(gè)生產(chǎn)線的焊接品質(zhì)。因此，在線監(jiān)測(cè)點(diǎn)焊過(guò)程參數(shù)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量焊接的重要保障，同時(shí)也是數(shù)字化焊接技術(shù)的關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容[2-3]。

隨著計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字化制造領(lǐng)域[4]。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)空間較大、設(shè)備種類繁多，布線較為困難，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈[5-6]。ZigBee作為一種新興的近距離、低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有很高的通信效率和安全性，主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，十分適合焊接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的無(wú)線通信。因此，本研究開發(fā)了基于ZigBee協(xié)議的點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)焊接電流、電壓以及電極間壓力進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并計(jì)算每個(gè)接頭的動(dòng)態(tài)電阻曲線，以達(dá)到焊接質(zhì)量在線評(píng)價(jià)的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)的主體框架如圖1所示，主要由下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、ZigBee無(wú)線通信模塊以及監(jiān)測(cè)中心三部分構(gòu)成。

圖1 系統(tǒng)框架

下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊由傳感器、信號(hào)處理電路和單片機(jī)構(gòu)成。通過(guò)電流、電壓和壓力傳感器將點(diǎn)焊過(guò)程參數(shù)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)，然后由單片機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并計(jì)算出焊接電流有效值、焊接時(shí)間以及動(dòng)態(tài)電阻曲線。

由ZigBee模塊組成的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，將下位機(jī)得到的焊接信息發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心，同時(shí)將監(jiān)測(cè)中心發(fā)出的報(bào)警干預(yù)指令傳輸至下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊。本研究采用的ZigBee模塊型號(hào)為JN5148-001-M04，它是一款超低功耗、高性能的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模塊，其內(nèi)部集成了大容量?jī)?nèi)存、高性能的CPU及具有強(qiáng)勁無(wú)線性能的射頻元件，在-40℃～85℃工業(yè)環(huán)境中都能正常工作。

監(jiān)測(cè)中心采用PC服務(wù)器，運(yùn)行上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)聯(lián)網(wǎng)焊機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)異常的焊接過(guò)程發(fā)出報(bào)警指令。服務(wù)器內(nèi)建有大容量數(shù)據(jù)庫(kù)，可存儲(chǔ)和管理所有的焊接數(shù)據(jù)行，以實(shí)現(xiàn)單次焊接或整個(gè)生產(chǎn)線的質(zhì)量分析。

1.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

ZigBee支持星形網(wǎng)、樹形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了三種設(shè)備類型，分別是控制器、中繼器和終端。控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和資源的分配。中繼器負(fù)責(zé)采集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，延伸網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建和修復(fù)信息包的路由路徑。終端作為網(wǎng)絡(luò)的最終節(jié)點(diǎn)，只能收發(fā)自身數(shù)據(jù)，不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，可通過(guò)休眠和喚醒功能達(dá)到更低的功耗。

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

焊接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量眾多、分布距離遠(yuǎn)，且存在大量的電磁干擾。針對(duì)以上特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。在每個(gè)焊接設(shè)備上設(shè)置有一套下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊，每一套監(jiān)測(cè)模塊與一個(gè)ZigBee終端相連接。焊接車間的四周和中央設(shè)置若干個(gè)ZigBee中繼器，監(jiān)測(cè)中心設(shè)在車間的一角，PC服務(wù)器通過(guò)RS232串口與ZigBee控制器相連接。

圖3 焊接車間組網(wǎng)方式

ZigBee工作頻率為2.4GHz，分為16個(gè)信道，每隔5MHz為一個(gè)信道。控制器自動(dòng)選擇一個(gè)最為空閑的信道創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，并為所有處于當(dāng)前信道的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址及其他資源。中繼器和終端加入網(wǎng)絡(luò)后，按照各自的設(shè)備類型開始工作。終端將監(jiān)測(cè)模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)包直接發(fā)送給控制器，然后傳輸至監(jiān)測(cè)中心，或通過(guò)中繼器轉(zhuǎn)發(fā)給控制器。中繼器重新發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x。當(dāng)焊接設(shè)備如龍門式點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓?，并自?dòng)調(diào)整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序使用C語(yǔ)言開發(fā)，編譯完成后下載至單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中。其主要功能是采集和處理焊接電流、電壓及電極壓力信號(hào)，將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到與之相連的ZigBee終端，工作流程如圖4所示。

圖4 SCM程序流程

首先，下位機(jī)進(jìn)行初始化，主要為系統(tǒng)I/O端口初始化，A/D轉(zhuǎn)換器初始化，系統(tǒng)時(shí)鐘、寄存器、存儲(chǔ)器初始化及無(wú)線模塊接口初始化等。然后，下位機(jī)開始實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接信號(hào)，根據(jù)內(nèi)置算法自動(dòng)判斷焊接過(guò)程的開始與結(jié)束，對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算焊接電流有效值、焊接時(shí)間以及動(dòng)態(tài)電阻曲線。最后，將得到的焊接數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee終端進(jìn)行無(wú)線傳輸。下位機(jī)在收到監(jiān)測(cè)中心的回執(zhí)后開始等待，直至下一次焊接過(guò)程開始。

2.2 ZigBee模塊程序設(shè)計(jì)

根據(jù)自身設(shè)備類型的定義，控制器、中繼器和終端模塊的程序略有差異，但其主要功能都是聯(lián)網(wǎng)以及數(shù)據(jù)的收發(fā)或轉(zhuǎn)發(fā)。作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，控制器模塊的程序極為關(guān)鍵，工作流程如圖5所示。

首先，控制器在完成初始化后創(chuàng)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，選定一個(gè)唯一的PAN ID作為此網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)符，然后對(duì)該頻段內(nèi)所有信道進(jìn)行能量掃描，判斷每個(gè)信道無(wú)線信號(hào)的活躍程度并選擇其中一個(gè)信道。在網(wǎng)絡(luò)配置完成后，中繼器和終端節(jié)點(diǎn)會(huì)向控制器發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，得到控制器的應(yīng)答后完成入網(wǎng)。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全建立后，終端節(jié)點(diǎn)便會(huì)按一定的路由向控制器節(jié)點(diǎn)傳送下位機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸。

圖5 ZigBee模塊程序流程

2.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序軟件是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制中樞，能夠設(shè)置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)，并對(duì)下位機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示及存儲(chǔ)管理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力及動(dòng)態(tài)電阻曲線。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的焊接參數(shù)超過(guò)報(bào)警限時(shí)，則通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向下位機(jī)發(fā)出報(bào)警指令。

上位機(jī)程序使用Microsoft Visual C++進(jìn)行編寫，主界面如圖6所示。主界面根據(jù)功能分為系統(tǒng)控制區(qū)、焊接參數(shù)波形顯示區(qū)及焊機(jī)狀態(tài)區(qū)。系統(tǒng)控制區(qū)包括啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警設(shè)置焊機(jī)遠(yuǎn)程管理功能。焊接波形顯示區(qū)主要為監(jiān)測(cè)過(guò)程中焊接電流、電極間壓力或動(dòng)態(tài)電阻的波形顯示，可以根據(jù)需要選擇顯示的參數(shù)波形。焊機(jī)狀態(tài)區(qū)主要顯示當(dāng)前下位機(jī)焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)于大容量數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，管理人員可通過(guò)訪問(wèn)歷史記錄來(lái)查看每個(gè)焊接過(guò)程的詳細(xì)信息。上位機(jī)程序還內(nèi)置有生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)管理模塊，可以分析整個(gè)焊接生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況，從而實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備及生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)管理。

圖6 上位機(jī)程序主界面

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

系統(tǒng)通過(guò)對(duì)每臺(tái)焊機(jī)的焊接過(guò)程進(jìn)行多參數(shù)監(jiān)測(cè)，充分利用各參數(shù)所包含的質(zhì)量信息，建立合理的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了電阻點(diǎn)焊焊接質(zhì)量的在線評(píng)估，并通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻來(lái)表示評(píng)估結(jié)果。

圖7為不銹鋼車體點(diǎn)焊生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè)結(jié)果。焊接規(guī)范采用雙脈沖，其中預(yù)熱電流5 kA，焊接電流10 kA。正常焊接過(guò)程的動(dòng)態(tài)電阻曲線如圖7a所示，圖中前段曲線為預(yù)熱脈沖電流下的預(yù)熱動(dòng)態(tài)電阻曲線，后段曲線為焊接脈沖電流下的熔核成長(zhǎng)動(dòng)態(tài)電阻曲線。由圖可見，在未產(chǎn)生焊接飛濺情況下，預(yù)熱及焊接脈沖電流下的動(dòng)態(tài)電阻曲線都是平穩(wěn)下降，焊接過(guò)程穩(wěn)定。飛濺焊點(diǎn)的動(dòng)態(tài)電阻曲線如圖7b所示，可以看出，發(fā)生飛濺時(shí)，熔核成長(zhǎng)動(dòng)態(tài)電阻曲線中部電阻值發(fā)生驟降，其可識(shí)別特征較為明顯。

以上應(yīng)用結(jié)果表明，研發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和判斷不同焊接質(zhì)量的點(diǎn)焊過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的數(shù)字化、智能化評(píng)估和管理。

由于研制的系統(tǒng)采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，因此，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信性能對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定應(yīng)用尤為重要。不同ZigBee節(jié)點(diǎn)通信性能的測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知，無(wú)線模塊的發(fā)射功率和模塊間距對(duì)網(wǎng)絡(luò)的丟包率影響較為明顯。隨著發(fā)射功率的增加，平均丟包率顯著降低，而無(wú)線模塊間距增大時(shí)，平均丟包率則隨之升高。當(dāng)無(wú)線模塊的發(fā)射功率設(shè)置為16 dBm且無(wú)線模塊的最大間距不大于80 m時(shí)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率僅為0.03%，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有較高的穩(wěn)定性。

圖7 不銹鋼車體點(diǎn)焊生產(chǎn)線監(jiān)測(cè)結(jié)果

表1 通信性能測(cè)試結(jié)果

響應(yīng)時(shí)間作為無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)重要指標(biāo)，其好壞直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。由于電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)節(jié)奏較快，過(guò)大的響應(yīng)時(shí)間將導(dǎo)致下位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊不能及時(shí)收到監(jiān)測(cè)中心的回執(zhí)，影響下一次焊接過(guò)程的監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)模塊的最大響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1 s，實(shí)時(shí)性能良好。

4 結(jié)論

（1）ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)焊接生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境，具有可靠、穩(wěn)定的通信性能。

（2）采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活，具有自組織和自愈特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)路由性能尤其適合電阻點(diǎn)焊無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信要求。

（3）合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中各無(wú)線模塊的發(fā)射功率和最大間距，可顯著降低網(wǎng)絡(luò)的丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性。

（4）ZigBee無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可以達(dá)到電阻點(diǎn)焊過(guò)程網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

[1]許君，李永兵，陳關(guān)龍.轎車車身電阻點(diǎn)焊質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27（4）：41-44.

[2]王博，張勇，滕輝，等.電阻點(diǎn)焊電極壓力在線監(jiān)測(cè)[J].電焊機(jī)，2015，45（9）：25-28.

[3]王嘉，蔡洪峰，白志范，等.焊裝車間點(diǎn)焊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2014，34（S1）：323-326.

[4]張宇鋒，李云峰，田雨闊.基于虛擬儀器的交流電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].焊接技術(shù)，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

本文參考文獻(xiàn)引用格式：堃袁海 ，谷曉鵬.基于無(wú)線局域網(wǎng)的點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：20-23+28.

2017-07-20；

2017-09-07

堃袁海 （1983—），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事軌道車輛焊接工藝方面的研究工作。E-mail：yuanhaikun@cccar.com.cn。