高光

伊犁技師培訓(xùn)學(xué)院，中國(guó)·新疆 伊寧 835000

1 引言

在現(xiàn)代化技術(shù)飛速發(fā)展的進(jìn)程中，數(shù)字化的概念逐步深入人心，所謂數(shù)字化技術(shù)，重點(diǎn)是指計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)等作為基礎(chǔ)，將信息的離散化表述和傳感等科學(xué)理論作為支撐，通過(guò)科學(xué)整合和發(fā)展而成的技術(shù)手段[1]。數(shù)字化焊接技術(shù)屬于一種新的產(chǎn)物，其將數(shù)字化技術(shù)和焊接工藝相互結(jié)合到一起，如焊接模擬仿真數(shù)字化和車(chē)間焊接數(shù)字化技術(shù)等等，都是富有代表性的技術(shù)手段。

2 焊接裝備單元級(jí)數(shù)字化焊接技術(shù)

2.1 設(shè)備

逆變焊機(jī)在逐步的轉(zhuǎn)化為數(shù)字化焊機(jī)時(shí)，需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的過(guò)程，重點(diǎn)是將數(shù)字控制技術(shù)作為重要的條件，借助科學(xué)合理的數(shù)字信號(hào)處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信息的獲取和利用。數(shù)字化焊機(jī)讓電源、機(jī)器人和焊槍等實(shí)現(xiàn)了便捷的交互，通過(guò)合理使用數(shù)字化控制系統(tǒng)，使焊機(jī)內(nèi)置更加的嚴(yán)謹(jǐn)，達(dá)到了理想化的便捷操作的目的，確保了焊接的品質(zhì)。全數(shù)字化焊機(jī)還具備著遠(yuǎn)程診斷和修復(fù)等功能，可以讓焊接過(guò)程變得可控、可操作，其具備的理想控制精度和優(yōu)質(zhì)的接口兼容性，使數(shù)字化焊接技術(shù)得以穩(wěn)步發(fā)展。

2.2 跟蹤技術(shù)

在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中，焊接跟蹤技術(shù)體現(xiàn)出智能化特征，其屬于一種智能化單元技術(shù)，在具體使用的過(guò)程中，接縫跟蹤可以適當(dāng)?shù)貏澐殖鲭娀∽詡鞲懈櫼约凹す?CCD 跟蹤，因傳統(tǒng)跟蹤技術(shù)不具備的便捷性，所以這一實(shí)踐可以保證良好的跟蹤效果[2]。電弧自傳感跟蹤重點(diǎn)是適用于熔化極氣保焊的環(huán)節(jié)，焊槍擺動(dòng)的過(guò)程中，能讓弧長(zhǎng)呈現(xiàn)出規(guī)律的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由此使焊接電流發(fā)生了較為顯著的變化，同步感知電流的變化情況，獲取到焊槍以及坡口橫向、高低方向的偏差，便于展開(kāi)科學(xué)化的調(diào)整。在實(shí)際運(yùn)用相關(guān)方法的過(guò)程中，無(wú)需在焊槍上設(shè)置外部裝置，這在一定程度上控制了相應(yīng)的誤差，也讓盲區(qū)和滯后誤差問(wèn)題得以規(guī)避，體現(xiàn)出實(shí)時(shí)性和成本低廉等優(yōu)勢(shì)。激光-CCD 傳感器的基本工作原理是三角測(cè)量，若是激光條紋投射在坡口表面，則會(huì)呈現(xiàn)出截面幾何條紋，由此分析出坡口幾何以及位置信息。

2.3 熔池視覺(jué)技術(shù)

經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的焊工們，可以借助觀察熔池形貌的方式，將手中焊槍的姿態(tài)合理地進(jìn)行調(diào)整，以此保證獲取到的焊縫更加優(yōu)質(zhì)。針對(duì)相關(guān)的課題，中國(guó)和國(guó)際上的學(xué)者展開(kāi)了深入調(diào)查和研究，開(kāi)展了雙目立體視覺(jué)法以及結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)法等多種實(shí)踐活動(dòng)，美國(guó)的肯塔基大學(xué)張?jiān)Ｃ鹘淌诒闾岢隽私Y(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)法，主張運(yùn)用此方式檢測(cè)熔池信息，使用波長(zhǎng)是337 納米、瞬時(shí)功率達(dá)到50kW 的脈沖激光照射熔池，整個(gè)過(guò)程需要進(jìn)行同步的拍攝，獲取到相對(duì)清晰的圖像，運(yùn)用基本的處理方案，使扎格輪廓得以有效的提取，計(jì)算出熔池表面的具體維度，通過(guò)科學(xué)地使用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)激光檢測(cè)熔池表面的三維形貌，確保實(shí)際的精度。

3 焊接工藝中的數(shù)字化技術(shù)

3.1 自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

歐美等國(guó)家開(kāi)始積極地投入焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的研究實(shí)踐中，涵蓋著母材、焊接方式以及焊接材料等多種內(nèi)容。中國(guó)研究開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，著重在材料定額、工藝自動(dòng)化設(shè)計(jì)等不同的方面。南京理工大學(xué)王克鴻對(duì)于重型車(chē)輛開(kāi)發(fā)出了焊接工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和相關(guān)的評(píng)價(jià)體系，體現(xiàn)出焊接工藝的自動(dòng)化特征，彰顯出焊接接頭信息輸入等多種功能，實(shí)現(xiàn)了推理階段多種參數(shù)和規(guī)則約束的自動(dòng)工藝求解。現(xiàn)階段，焊接數(shù)據(jù)庫(kù)以及工藝自動(dòng)設(shè)計(jì)研發(fā)趨向成熟，在網(wǎng)絡(luò)化程度日益明顯的現(xiàn)代社會(huì)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)還將融入新的特征。

3.2 機(jī)器人焊接智能規(guī)劃技術(shù)

焊接機(jī)器人離線(xiàn)編程技術(shù)往往是建立在圖形屏幕示教的基礎(chǔ)上，逐步向智能編程的方向穩(wěn)步的前進(jìn)，離線(xiàn)編程的核心與關(guān)鍵就是焊接任務(wù)和基本的路徑。路徑規(guī)劃一般可以適當(dāng)?shù)赝ㄟ^(guò)建模以及視覺(jué)系統(tǒng)加以落實(shí)，保證推進(jìn)無(wú)碰撞校正工作[3]。焊槍的具體姿態(tài)規(guī)劃可以結(jié)合焊接的位置和工件情況加以分析，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整焊槍位置和姿態(tài)，使焊縫的質(zhì)量得以保障。焊接工藝規(guī)劃通常是根據(jù)焊接CAPP 系統(tǒng)加以落實(shí)，重點(diǎn)屬于CAD 和離線(xiàn)編程系統(tǒng)的優(yōu)化組合。如圖1所示，部分專(zhuān)家學(xué)者對(duì)機(jī)器人焊接參數(shù)的規(guī)劃問(wèn)題展開(kāi)了細(xì)致的分析，運(yùn)用前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將機(jī)器人的焊接參數(shù)規(guī)劃器設(shè)置出來(lái)，實(shí)際的收斂效果明顯的優(yōu)于BP 算法。還有學(xué)者將焊接工件特征建模、綜合特征識(shí)別等技術(shù)研究工作開(kāi)展起來(lái)，借助Solid Works 開(kāi)發(fā)出焊接特征建模器。

圖1 機(jī)器人焊接智能規(guī)劃結(jié)構(gòu)圖

4 焊接模擬仿真技術(shù)

焊接數(shù)值模擬技術(shù)通常是運(yùn)用描述焊接物理過(guò)程的偏微分方程和定解條件模擬焊接的過(guò)程，整個(gè)階段會(huì)運(yùn)用到數(shù)值方法分析出焊接過(guò)程的定量認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)科學(xué)的數(shù)值模擬和仿真人工智能技術(shù)結(jié)合等，使工藝參數(shù)加以確定到位，將基本的工藝方案逐步的優(yōu)化，分析出加工階段可能出現(xiàn)的缺陷和問(wèn)題，采取科學(xué)化的應(yīng)對(duì)方案，使加工工件的具體品質(zhì)得以保護(hù)，同時(shí)還可適當(dāng)?shù)奶幚砩形唇鉀Q的復(fù)雜問(wèn)題?，F(xiàn)階段，數(shù)值模擬技術(shù)逐步的滲透至多個(gè)方面，如焊接熱傳導(dǎo)模型以及焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)力與變形預(yù)測(cè)等，尤其是焊接熱傳導(dǎo)模擬逐步的由熔焊過(guò)程擴(kuò)展至高能束焊，從單一溫度場(chǎng)計(jì)算發(fā)展至流場(chǎng)和熱場(chǎng)耦合計(jì)算，焊接結(jié)構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力和變形能進(jìn)行計(jì)算的構(gòu)件日漸復(fù)雜，能讓焊接工序得以?xún)?yōu)化。焊接接頭組織以及力學(xué)性能模擬與預(yù)測(cè)也呈現(xiàn)出穩(wěn)步發(fā)展的態(tài)勢(shì)，尤其是組織模擬上，部分新型技術(shù)的運(yùn)用，使組織模擬研究更加的活躍。

5 車(chē)間級(jí)焊接數(shù)字化技術(shù)

5.1 在線(xiàn)傳感系統(tǒng)

車(chē)間級(jí)焊接數(shù)字化主要是指裝焊車(chē)間的焊接設(shè)備呈現(xiàn)出智能化和數(shù)字化發(fā)展?fàn)顟B(tài)，有專(zhuān)家學(xué)者對(duì)于相關(guān)的內(nèi)容展開(kāi)了細(xì)致地分析。如圖2所示，關(guān)于焊機(jī)群組化管理，有學(xué)者將有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立了密切的聯(lián)系，打造出數(shù)字化焊機(jī)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，使焊機(jī)數(shù)據(jù)、品質(zhì)和維護(hù)等方面的管理有條不紊地展開(kāi)，能對(duì)電流、電壓以及時(shí)間等進(jìn)行科學(xué)的監(jiān)管[4]。王克鴻開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)傳感采集焊接過(guò)程參數(shù)，將波形特征參數(shù)加以分析并計(jì)算，判斷具體焊接過(guò)程的穩(wěn)定程度以及工藝的科學(xué)合理性，利用局域網(wǎng)，完成遠(yuǎn)程在線(xiàn)監(jiān)視的目標(biāo)。

圖2 焊接工藝信息采集及質(zhì)量評(píng)價(jià)體系的結(jié)構(gòu)模型

5.2 焊接階段數(shù)字評(píng)價(jià)技術(shù)

焊接階段屬于相對(duì)復(fù)雜的理化變化過(guò)程，穩(wěn)定性以及實(shí)際的品質(zhì)往往會(huì)通過(guò)電流、電壓等反映出來(lái)。借助傳感采集電流和電壓等，使特征參數(shù)加以提取，使焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和缺陷、品質(zhì)等得以在線(xiàn)判斷。有學(xué)者將模糊邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)，運(yùn)用電壓概率分布以及短路時(shí)間等判斷實(shí)際的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，探索出具體的焊接質(zhì)量。還有學(xué)者借助對(duì)脈沖焊接中電壓和電流信號(hào)的分析，構(gòu)建了對(duì)應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，確保接頭強(qiáng)度預(yù)測(cè)更加到位。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將數(shù)字化焊接技術(shù)合理地運(yùn)用起來(lái)，使產(chǎn)品本身的焊接質(zhì)量明顯地提升，基本的穩(wěn)定性和可靠性得到了有效提高，同時(shí)還能降低生產(chǎn)成本，確?；镜男苓_(dá)到理想的目標(biāo)。