張安樂(lè)

（中國(guó)鐵建高新裝備股份有限公司，昆明 650215）

作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度衡量指標(biāo)之一的機(jī)械行業(yè)，在信息技術(shù)的推動(dòng)下取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，產(chǎn)業(yè)附加值進(jìn)一步提高，更好地適應(yīng)了發(fā)展現(xiàn)代化的需求，助力著工業(yè)4.0 的實(shí)現(xiàn)。焊接是重型機(jī)械制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和安全性起著重要作用?！懊鎸?duì)新型的競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境，重型機(jī)械行業(yè)逐步向?qū)I(yè)化、裝備化、智能化和自動(dòng)化發(fā)展，來(lái)應(yīng)對(duì)產(chǎn)品升級(jí)的需求。[1]”

傳統(tǒng)機(jī)械企業(yè)的發(fā)展道路一直是勞動(dòng)密集型，勞動(dòng)力成本低、工作環(huán)境差、對(duì)人力技術(shù)依賴(lài)性強(qiáng)。但隨著社會(huì)和新技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)發(fā)展的性質(zhì)已由勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型。機(jī)械產(chǎn)品需要現(xiàn)代化，并轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)技術(shù)。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，在機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)中有必要融入智能化焊接技術(shù)，逐步取代現(xiàn)有的低級(jí)階段技術(shù)，持續(xù)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提升生產(chǎn)效率。

1 智能焊接技術(shù)的概念和功能層次

智能焊接是指焊接過(guò)程中設(shè)備和相關(guān)零件的智能化和信息化更新。智能焊接的核心是應(yīng)用“傳感—決策—執(zhí)行”來(lái)控制焊接過(guò)程參數(shù)。同時(shí)，多個(gè)傳感器在工作中被應(yīng)用，能夠全面掌控復(fù)雜和準(zhǔn)確的流程信息并及時(shí)做出改善。焊接系統(tǒng)和操作員系統(tǒng)之間的智能人機(jī)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)，其具體流程和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)如圖1、圖2 所示。

圖1 智能焊接技術(shù)基本框架

圖2 智能焊接技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

在智能焊接技術(shù)的操作中，主要涉及以下幾個(gè)層次的功能。

1.1 連接層

獲得準(zhǔn)確有效的焊接過(guò)程信息是在CPSS 中創(chuàng)建智能焊接系統(tǒng)的關(guān)鍵。在焊接現(xiàn)場(chǎng)檢查焊接參數(shù)（電流、電壓等）、焊接質(zhì)量（溫度場(chǎng)、電壓等）和焊接尺寸。

因此，有必要?jiǎng)?chuàng)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并在焊接系統(tǒng)中使用虛擬傳感器（焊接電壓、焊接電流和焊接網(wǎng)絡(luò)通信流等）來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)識(shí)別。一個(gè)位置傳感器網(wǎng)絡(luò)可以與另一個(gè)位置實(shí)現(xiàn)即時(shí)的信息交流，傳感器和所在網(wǎng)絡(luò)之間的即時(shí)交流實(shí)現(xiàn)了多個(gè)工作環(huán)節(jié)之間的控制與交互，為收集結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)提供良好的基礎(chǔ)。例如，如果更多的機(jī)器人調(diào)整大型薄壁零件的焊接曲線(xiàn)和焊接過(guò)程，則需要調(diào)整每個(gè)臂上傳感器之間的連接，以獲得有關(guān)加工零件的更準(zhǔn)確信息。

1.2 數(shù)據(jù)解釋層

在數(shù)據(jù)解釋層可以將工作流程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息層，大大提升了數(shù)據(jù)收集和運(yùn)用能力。多傳感器數(shù)據(jù)分析和多源數(shù)據(jù)集成可以有效防止信息過(guò)多和不足，提高測(cè)試信息的可靠性。該系統(tǒng)可以直接從收集的信息中獲得信息，包括但不限于數(shù)據(jù)分類(lèi)、趨勢(shì)預(yù)測(cè)和意見(jiàn)反饋等工作。同時(shí)，智能焊接系統(tǒng)能夠從收集到的信息分析子系統(tǒng)的狀態(tài)和存在的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程信息的獨(dú)立感知。

1.3 信息層

在信息層能夠高效理解物理過(guò)程的狀態(tài)，設(shè)計(jì)相關(guān)工作模型，使智能系統(tǒng)能夠更好地識(shí)別部件性能和工作狀態(tài)。例如，可以準(zhǔn)確評(píng)估獲取信息的準(zhǔn)確性，并根據(jù)信息和分析結(jié)果做出決定。根據(jù)所建立的模型進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測(cè)和評(píng)估，進(jìn)而做出改進(jìn)方案設(shè)計(jì)。例如，焊接尺寸測(cè)量網(wǎng)絡(luò)可以使用預(yù)測(cè)算法提高焊接尺寸控制器的性能。此外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享、云計(jì)算等信息技術(shù)，可以獲得不同施工條件下的信息處理和處理參數(shù)。例如，通過(guò)外部系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)焊接過(guò)程參數(shù)的云數(shù)據(jù)庫(kù)，不僅可以提高系統(tǒng)的智能化水平，還可以遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控焊接過(guò)程。

1.4 認(rèn)知層

實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程智能化的有效途徑是基于焊接過(guò)程知識(shí)實(shí)現(xiàn)、表達(dá)和做出獨(dú)立決策。由于機(jī)器的智能化水平不高，大多數(shù)焊接工藝問(wèn)題仍然需要由合格的操作員決定。在這方面，運(yùn)用分段焊接系統(tǒng)能夠提升機(jī)器運(yùn)作水平，獨(dú)立完成相對(duì)簡(jiǎn)單的決策過(guò)程，并監(jiān)督相關(guān)工作的完成效率。為了高效處理系統(tǒng)運(yùn)作問(wèn)題，機(jī)器需要獲取信息，運(yùn)用容易理解的語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)人機(jī)溝通，運(yùn)用計(jì)算機(jī)來(lái)解決復(fù)雜流程問(wèn)題。在實(shí)踐中要提高機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力，自主模擬相關(guān)工作過(guò)程，逐漸積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1.5 自主調(diào)節(jié)層

根據(jù)認(rèn)知層中提供的信息，自主調(diào)節(jié)層需要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的實(shí)踐行動(dòng)。要求智能焊接及其具備自主監(jiān)測(cè)和改變參數(shù)信息的能力。針對(duì)焊接過(guò)程中干擾因素多、不確定因素強(qiáng)的問(wèn)題，控制器要能夠滿(mǎn)足自主調(diào)試、抗干擾等功能。可以通過(guò)監(jiān)督控制、回彈控制等方式來(lái)演繹決策信息，深度融合物理世界和虛擬世界的工作?！坝捎谥悄芎附舆^(guò)程各焊接參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，焊接參數(shù)變化受人為的影響因素少，焊縫成型美觀，因此焊接質(zhì)量較手工焊接要高且穩(wěn)定。[2]”

2 自動(dòng)化焊接技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用策略

2.1 自動(dòng)化焊接專(zhuān)機(jī)

焊機(jī)主要包括焊接系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。組裝和拆卸需要手動(dòng)或機(jī)械操作。待加工工件通過(guò)焊接裝置放置，并自動(dòng)起拱。手動(dòng)或自動(dòng)驅(qū)動(dòng)、移動(dòng)、扭轉(zhuǎn)和拆卸零件。焊接系統(tǒng)主要包括電源、焊槍?zhuān)瑱C(jī)械系統(tǒng)包括主機(jī)構(gòu)、緊固件和輔助件等。電氣系統(tǒng)主要控制燈具位置部件移動(dòng)。在大規(guī)模生產(chǎn)過(guò)程中，公司通常使用自動(dòng)設(shè)備工作。自動(dòng)焊接技術(shù)主要是焊接控制在焊接過(guò)程中的最佳應(yīng)用。在工作過(guò)程中，可以在自動(dòng)焊機(jī)上安裝傳感器和電子電路，控制生產(chǎn)過(guò)程。此外，自動(dòng)焊機(jī)可以根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的具體需要進(jìn)行定制。生產(chǎn)過(guò)程中通常采用雙層焊接工藝。圖3、圖4 是現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中常用的智能焊接系統(tǒng)和專(zhuān)機(jī)示意圖。

從圖3、圖4 可以看出，焊接專(zhuān)機(jī)不僅提高了工作效率，而且有效地改善了焊接材料的斷裂問(wèn)題，這與焊接材料的機(jī)械性能密切相關(guān)。雙面焊接技術(shù)也可用于各種焊接條件，如直線(xiàn)和曲線(xiàn)，以提高焊接性能。在實(shí)際應(yīng)用中，焊接工藝引起的焊接變形越小，大面積生產(chǎn)工藝的質(zhì)量越高。例如，它可以用來(lái)制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料發(fā)動(dòng)機(jī)之間有明顯的區(qū)別。這些都是汽車(chē)的主要部件，但發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量直接影響到汽車(chē)的節(jié)能和環(huán)保。好的電機(jī)可以更好地控制扭矩和旋轉(zhuǎn)方向。因此，將自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)中，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體質(zhì)量。同時(shí)，自動(dòng)焊機(jī)采用智能技術(shù)，其基本工作模式體現(xiàn)在傳感器的應(yīng)用中。智能化的焊接專(zhuān)機(jī)在滿(mǎn)足以上功能的同時(shí)，還能夠運(yùn)用高等級(jí)的傳感器，如視覺(jué)、觸覺(jué)和光敏等，來(lái)配合計(jì)算機(jī)、軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化的參數(shù)調(diào)整。與焊接機(jī)器人相比，焊接專(zhuān)機(jī)的性?xún)r(jià)比更高，對(duì)焊件的直線(xiàn)和曲線(xiàn)有更強(qiáng)的適應(yīng)性，適合批量生產(chǎn)和運(yùn)用。在實(shí)踐中具備效率高、變形小和質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，且操作簡(jiǎn)便、成本低廉、過(guò)程安全，在實(shí)際工程中的運(yùn)用范圍很廣。

圖3 智能焊接工作站樣貌

圖4 智能焊接專(zhuān)機(jī)基本結(jié)構(gòu)

2.2 工件監(jiān)測(cè)

隨著中國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平逐漸提高，傳統(tǒng)的產(chǎn)品識(shí)別技術(shù)已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的需要。主要原因是現(xiàn)有的加工件檢測(cè)技術(shù)是手動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)水平參差不齊。此外，手動(dòng)測(cè)試還涉及大量人力資源投資和不必要的成本。另一方面，由于相關(guān)工人缺乏專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，在測(cè)試過(guò)程中存在一些差異，最終產(chǎn)品的質(zhì)量不在同一水平。此外，該測(cè)試是一項(xiàng)長(zhǎng)期操作，許多員工在監(jiān)測(cè)期間重返工作崗位，注意力下降，這在一定程度上影響了最終質(zhì)量。在這種情況下，工業(yè)過(guò)程需要改進(jìn)性能測(cè)試?！肮I(yè)焊接技術(shù)是自動(dòng)控制和人工智能技術(shù)相結(jié)合的一種新的工作模式，是一系列進(jìn)入新時(shí)代的自動(dòng)化產(chǎn)品，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)、制造和加工的工作水平和效率，加強(qiáng)了一系列產(chǎn)品的缺陷檢測(cè)和質(zhì)量檢驗(yàn)管理。[3]”例如，集成圖像處理技術(shù)可以提高工作效率，降低勞動(dòng)力成本，支持企業(yè)發(fā)展。

2.3 焊接機(jī)器人

中國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了信息時(shí)代。將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入焊接自動(dòng)化，可以通過(guò)數(shù)字化和智能化，特別是通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有效地提高焊接自動(dòng)化的效率。“機(jī)器人智能裝備焊接設(shè)備的研制，已是焊接設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，柔性集成、智能制造已是工業(yè)制造技術(shù)的趨勢(shì)，現(xiàn)代機(jī)器人智能裝備焊接制造，是自動(dòng)化焊接的重要發(fā)展環(huán)節(jié)及工業(yè)制造技術(shù)前進(jìn)的動(dòng)力。[4]”

自動(dòng)焊接的有效應(yīng)用必須依靠聲學(xué)設(shè)備。這是連接智能和數(shù)字技術(shù)的唯一途徑。在實(shí)際應(yīng)用中，焊接規(guī)范應(yīng)符合實(shí)際要求，使焊接產(chǎn)品在焊接過(guò)程中不變形。我國(guó)的焊機(jī)生產(chǎn)技術(shù)雖小，但品種十分豐富。為了提高焊接技術(shù)水平，促進(jìn)中國(guó)工程行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，需要及時(shí)優(yōu)化和升級(jí)焊接技術(shù)，以適應(yīng)不同的條件。機(jī)器人焊接在一定程度上提高了中國(guó)工程行業(yè)的發(fā)展質(zhì)量。焊接機(jī)器人具有靈活性、智能性和高精度的特點(diǎn)。為了提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和社會(huì)影響，有必要在機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域引入焊接機(jī)器人（圖5）。

圖5 智能焊接機(jī)器人的工作流程

此外，焊接機(jī)器人的應(yīng)用成本高，因此我國(guó)尚未廣泛采用。在機(jī)械生產(chǎn)過(guò)程中，這種自動(dòng)化生產(chǎn)模式可以有效提高工作效率和焊接速度。但是，我們不能過(guò)分追求效率而忽視質(zhì)量，其對(duì)社會(huì)的發(fā)展有著不可磨滅的影響。為確保自動(dòng)焊接的質(zhì)量，焊接設(shè)備必須符合標(biāo)準(zhǔn)，并嚴(yán)格檢查所有環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮技術(shù)賦能優(yōu)勢(shì)?！皩?duì)于變形較大的焊縫，后續(xù)需要繼續(xù)研究焊接工藝自適應(yīng)，通過(guò)實(shí)時(shí)改變焊接電流、電壓和送絲速度等工藝參數(shù)，確保焊縫可較好填充。[5]”

3 智能焊接技術(shù)的未來(lái)發(fā)展展望

過(guò)去，重型機(jī)械行業(yè)的焊接是手動(dòng)進(jìn)行的，焊接質(zhì)量取決于實(shí)際技術(shù)水平和焊工自身的素質(zhì)。焊接質(zhì)量控制技術(shù)是利用視覺(jué)控制方法監(jiān)測(cè)焊接熔池的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)器人的位置，以便呈現(xiàn)更好的焊接形狀。焊接質(zhì)量控制技術(shù)主要包括焊接管更換、建模和焊接過(guò)程控制。電解槽的交換控制是焊接模具質(zhì)量控制的1個(gè)重要組成部分。從視覺(jué)傳感器對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可直接反映焊接過(guò)程的焊接行為。此外，還確定了焊接參數(shù)、焊接成形規(guī)則及焊接模型，從而為控制器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。焊接質(zhì)量控制技術(shù)是利用現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊組件和原始組件的智能模擬技術(shù)開(kāi)發(fā)的。加深對(duì)焊接過(guò)程的理解，建立一個(gè)更加精確的焊接過(guò)程。模型焊接過(guò)程質(zhì)量控制技術(shù)將在未來(lái)的基礎(chǔ)建設(shè)中得到進(jìn)一步發(fā)展。

工業(yè)4.0 是智能焊接技術(shù)發(fā)展的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。介紹了基于產(chǎn)業(yè)鏈的4.0 系統(tǒng)和基于CPSS 的5C 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，分析了各階段智能焊接的基本技術(shù)。最后，將討論智能焊接技術(shù)的演變。在工業(yè)系統(tǒng)4.0 中，智能焊接的發(fā)展不僅限于智能解決方案和焊接過(guò)程控制。學(xué)習(xí)靈活和個(gè)性化的焊接系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展下保持行業(yè)活力。隨著中國(guó)制造業(yè)向更高水平發(fā)展，主導(dǎo)信息技術(shù)革命的智能和數(shù)字應(yīng)用支持焊接機(jī)器人和重型機(jī)械的智能和自動(dòng)控制系統(tǒng)在新時(shí)代的互聯(lián)。開(kāi)發(fā)新的智能焊接技術(shù)，智能焊接技術(shù)的廣泛運(yùn)用能夠取代部分人力工作，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率，幫助產(chǎn)業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益。有效支持中國(guó)重型機(jī)械行業(yè)的技術(shù)改造和附加值，并向智能化方向發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，隨著中國(guó)的發(fā)展，建筑業(yè)的發(fā)展水平也在不斷提高。同時(shí)，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求，智能焊接技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。自動(dòng)焊接技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此，智能焊接代表著技術(shù)進(jìn)步，可以在更大程度上支持機(jī)械工程的發(fā)展。