杜文平，梁 棟，雷鵬瑋

(西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

焊接是目前機(jī)械行業(yè)最主要的連接方式和制造工藝，常見的焊接工藝有手工氬弧焊、自動(dòng)氬弧焊、真空釬焊、等離子弧焊、電阻點(diǎn)焊等，焊接接頭形式主要有對接焊、角接焊、插接焊等。焊接過程質(zhì)量可靠性直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，為保證焊接質(zhì)量，焊接參數(shù)的制定和執(zhí)行是最重要的內(nèi)容。但通過分析發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的焊接過程中，即使預(yù)設(shè)了相同的焊接參數(shù)，焊接質(zhì)量仍有可能有較大的差異。通過分析發(fā)現(xiàn)在常規(guī)的焊接設(shè)備上，主要的焊接參數(shù)如焊接電流、電弧電壓、送絲速度和焊接速度等的設(shè)置和監(jiān)測是通過焊接設(shè)備上的指示儀表顯示，但焊接是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，儀表指示并不能真實(shí)地反映焊接過程的全部信息，此外由于焊機(jī)上的儀表不方便拆卸，不能經(jīng)常檢定，造成一段時(shí)間后焊機(jī)上表顯的數(shù)據(jù)存在偏移的情況。

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外均對焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、采集，以達(dá)到將對焊接質(zhì)量直接的評價(jià)作為焊接過程質(zhì)量控制的重要手段。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用Lab View 開發(fā)軟件管理系統(tǒng)，基于單片機(jī)核心開發(fā)了焊裝車間生產(chǎn)過程信息監(jiān)控系統(tǒng)，對焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息的集中管理。華中科技大學(xué)構(gòu)建了基于 WEB 的焊接過程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用來對點(diǎn)焊過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。利物浦約翰摩爾大學(xué)運(yùn)用電流、電壓、紅外、超聲波等傳感器，提取電阻點(diǎn)焊各種特征信號，然后運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳給主機(jī)進(jìn)行分析。Impact Engineering公司利用焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)，同時(shí)檢測和分析焊接過程的電弧電壓、焊接電流、送絲速度和保護(hù)氣體流量。

以上系統(tǒng)從不同的角度研究了焊接過程監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理，但都是針對自動(dòng)化程度高的自動(dòng)化焊接設(shè)備，通過集成焊接設(shè)備自帶的OPC、Modbus等接口采集數(shù)據(jù)，對于無接口的非自動(dòng)化焊接的焊接參數(shù)的監(jiān)控采集相關(guān)研究還較少。本文以手工氬弧焊為研究對象，針對氬弧焊的主要焊接參數(shù)設(shè)計(jì)焊接參數(shù)采集盒，并通過以太網(wǎng)將焊接設(shè)備聯(lián)網(wǎng)集中管控，實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的在線監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集。

1 焊接過程監(jiān)控采集總體設(shè)計(jì)

氬弧焊焊接技術(shù)的原理是在普通電弧焊的基礎(chǔ)上，用惰性氣體(氬氣)對被焊接的焊材進(jìn)行保護(hù)，焊接時(shí)利用高電流使焊絲在基材上融化形成液態(tài)熔池，即可使基材和焊材結(jié)合，在焊接過程中由于高溫熔池中持續(xù)不斷地送上惰性氣體，使焊材和空氣中的氧氣隔離，從而防止了焊材的氧化,所以可以焊接不銹鋼、鐵類金屬。手動(dòng)氬弧焊主要的焊接參數(shù)有焊接電流、電弧電壓、氬氣流量。

焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。各手工焊接電源通過統(tǒng)一的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)集中管控，通過設(shè)計(jì)專用的數(shù)據(jù)采集盒，采集焊接電源的參數(shù)(電壓、電流、氣流量等)，然后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，交換設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。技術(shù)人員在現(xiàn)場PC終端和大屏，在瀏覽器中輸入數(shù)據(jù)服務(wù)器的IP地址來實(shí)現(xiàn)對軟件管理系統(tǒng)服務(wù)器的訪問，從而實(shí)現(xiàn)對焊接作業(yè)現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以實(shí)時(shí)查看目前所有焊接設(shè)備的運(yùn)行情況和實(shí)時(shí)焊接參數(shù)，并可在焊接完成后追溯之前的焊接過程記錄。

圖1 焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.1 Network topology of online monitoring and acquisition system for welding parameters

2 數(shù)據(jù)采集盒設(shè)計(jì)

2.1 采集盒主要模塊設(shè)計(jì)

為滿足手工氬弧焊參數(shù)采集需要設(shè)計(jì)專門的參數(shù)采集盒，采集盒需要實(shí)現(xiàn)焊接電流、電弧電壓、氬氣流量3個(gè)參數(shù)的采集，需要增加電流、電壓、氣體流量傳感器，此外焊接電流、電弧電壓、氬氣流量需要統(tǒng)一進(jìn)行信號處理顯示，采集盒還需要微處理器。

1)焊接電流。氬弧焊焊接時(shí)焊槍接焊接電源的正極，地線接負(fù)極，形成焊接回路。需要采集焊機(jī)輸出的電流就需要在焊接回路上增加電流表，但是由于焊接電流從幾十安培到上百安培，焊接電流過大，無法直接采集。電流傳感器通過電流互感器，將大電流通過互感線圈轉(zhuǎn)換成小電流進(jìn)行采集，電流互感基本電路圖如圖2所示。

圖2 電流互感基本電路圖Fig.2 Basic circuit diagram of current transformer

電流傳感器的引腳如圖3所示，將傳感器的輸出的電信號經(jīng)過信號處理傳遞至采集盒的微處理器，在采集盒的顯示屏上顯示。

圖3 電流傳感器引腳圖Fig.3 Pin diagram of current sensor

2)電弧電壓。電弧電壓需要在焊機(jī)的正負(fù)極并聯(lián)采集回路，由于手工氬弧焊槍內(nèi)部一般采用水冷，無法直接在焊槍和電源進(jìn)行并聯(lián)采集，需要在電源正極引出一根信號線，負(fù)極與焊接電流接線形式一致，形成并聯(lián)回路，在并聯(lián)回路上增加電壓傳感器，電壓傳感器引腳如圖4所示，電壓傳感器輸出的信號再傳遞至采集盒微處理器，在采集盒的顯示屏上顯示。

圖4 電壓傳感器引腳圖Fig.4 Pin diagram of voltage sensor

3)氬氣流量。手工焊接電源的氬氣一般采用廠房集中供氣或氬氣瓶供氣，電源上有氬氣的輸入接口。氬氣流量采集可在氬氣輸入口增加氣體流量傳感器，氣體流量傳感器將氣流量轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號，通過采集模塊將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號傳給采集盒處理器，顯示在采集盒的顯示屏上。

4)采集盒微處理器。焊接電流、電弧電壓、氬氣流量需通過信號處理集中轉(zhuǎn)化并顯示，采集盒的控制器采用單片機(jī)控制。單片機(jī)程序主要分3個(gè)線程：線程1負(fù)責(zé)液晶屏顯示和按鍵處理；線程2負(fù)責(zé)電流、電壓、氣流量等數(shù)據(jù)采集；線程3負(fù)責(zé)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

2.2 采集盒內(nèi)部模塊和線路設(shè)計(jì)

通過以上主要模塊的設(shè)計(jì)，為滿足采集盒焊接參數(shù)采集、顯示、以太網(wǎng)傳輸，采集盒的主要模塊由電源模塊、氬氣流量信號采集模塊、焊接電流采集模塊、電弧電壓采集模塊、顯示模塊、處理器模塊和基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)輸出模塊組成，圖5所示為采集盒內(nèi)部功能框圖。

圖5 采集盒內(nèi)部原理圖Fig.5 Internal schematic diagram of acquisition box

1)電源模塊。由整流、濾波、穩(wěn)壓電路組成，將變壓器輸入的±26 V AC電源穩(wěn)壓至±15 V DC、24 V DC、3.3 V DC。其中±15 V DC給電流互感器和電壓互感器供電，24 V DC給氣流量傳感器供電，3.3 V DC給處理器、顯示屏、以太網(wǎng)等模塊供電。

2)焊接電流采集模塊。主要為電流傳感器，電流傳感器選用JXNB—600A/C，霍爾電流傳感器的初、次級之間是絕緣的，用于控制、測量直流、交流和脈沖電流。

3)焊接電壓采集模塊。主要為電壓傳感器，電壓傳感器選用YNV—25P，該傳感器系列閉環(huán)型霍爾電壓傳感器，初、次級之間絕緣。

4)氣流量采集模塊。主要為氣體流量傳感器，氣體流量傳感器選用PFM750，測量范圍1～50 L/min，供電電壓24 V DC，輸出信號4～20 mA。

5)顯示模塊。選用2.4寸LCD彩屏，可顯示當(dāng)前焊接參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)配置信息。

6)處理器模塊。主要負(fù)責(zé)將接收采集模塊采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳至以太網(wǎng)模塊。主控制器采用STM32F103RGT6微控制器，STM32F103RGT6單片機(jī)為增強(qiáng)型系列單片機(jī)，使用高性能的ARM Cortex—M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，供電電壓2.0～3.6 V。

7)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊。主要負(fù)責(zé)將處理器傳出的信號通過RJ45網(wǎng)口傳遞至上游網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，進(jìn)而傳遞至服務(wù)器。

2.3 采集盒實(shí)物外接接口設(shè)計(jì)

按照以上采集盒內(nèi)部模塊和線路設(shè)計(jì)出如圖6所示的采集盒實(shí)物圖，采集盒的尺寸(mm)：166×153×67.5，采集盒設(shè)計(jì)11個(gè)對外接口，各接口的說明如表1所示，采集盒的功能參數(shù)如表2所示。

表1 采集盒對外接口說明Tab.1 Description of external interface in acquisition box

表2 采集盒功能參數(shù)Tab.2 Function parameters of acquisition box

圖6 采集盒實(shí)物圖Fig.6 Physical picture of acquisition box

3 焊接設(shè)備集中控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

焊接參數(shù)的在線監(jiān)控與采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對焊接設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，同時(shí)為滿足生產(chǎn)管理的需要，將采集系統(tǒng)與MES(manufacturing execution system，制造執(zhí)行系統(tǒng))集成，實(shí)現(xiàn)焊接任務(wù)下發(fā)、焊接過程監(jiān)控、焊接數(shù)據(jù)采集、焊接過程數(shù)據(jù)事后追溯和查看等全過程的管控，焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集整體業(yè)務(wù)流程如圖7所示。

圖7 焊接參數(shù)在線監(jiān)控與采集整體業(yè)務(wù)流程Fig.7 Overall business process of online monitoring and acquisition for welding parameters

系統(tǒng)的主要功能模塊為焊接工藝設(shè)計(jì)模塊、生產(chǎn)過程管理模塊、焊接過程監(jiān)控模塊、系統(tǒng)管理模塊、MES數(shù)據(jù)交互模塊，各模塊主要功能如下。

1)焊接工藝設(shè)計(jì)模塊。工藝管理員可通過系統(tǒng)對焊接工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，主要包括接收來自MES的焊接工藝、自建焊接工藝和焊接工藝查看、修改。

2)生產(chǎn)過程管理模塊。接收來自MES生產(chǎn)任務(wù)信息，形成生產(chǎn)任務(wù)臺(tái)賬，供焊工在手持終端領(lǐng)取并進(jìn)行作業(yè)。

3)焊接過程監(jiān)控模塊。在焊工進(jìn)行焊接任務(wù)時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控到設(shè)備的工作情況，并且在任務(wù)結(jié)束后能夠進(jìn)行回溯查看，對于報(bào)警等異常情況能夠及時(shí)進(jìn)行提醒并對數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

4)系統(tǒng)管理模塊。系統(tǒng)管理員可進(jìn)行系統(tǒng)人員角色、權(quán)限菜單、焊接設(shè)備、接口配置等基本信息的管理。

5)MES數(shù)據(jù)交互模塊。系統(tǒng)與MES進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將MES的焊接工藝、電子跟蹤卡信息等數(shù)據(jù)通過Webservice接口以XML格式發(fā)送系統(tǒng)，解析XML文件并存儲(chǔ)至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。任務(wù)完成后，將焊接過程中采集的焊接參數(shù)、焊接設(shè)備、焊接時(shí)間等數(shù)據(jù)通過Webservice接口以XML格式上傳至MES，完成數(shù)據(jù)交互。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

4.1 硬件功能驗(yàn)證

采集盒安裝在不影響焊工使用焊接設(shè)備的一側(cè)，對應(yīng)采集盒4個(gè)角打孔固定。此外，為方便工人操作使用，每臺(tái)手工焊配置手持操作終端一臺(tái)，工人在手持操作終端上進(jìn)行生產(chǎn)任務(wù)的選擇并可查看實(shí)時(shí)采集的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)。手持終端通過以太網(wǎng)與系統(tǒng)服務(wù)器連接獲取數(shù)據(jù)，為簡化網(wǎng)絡(luò)部署工作，每臺(tái)焊接設(shè)備配置小路由器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分線，分出來的網(wǎng)口分別連接采集盒和手持操作終端。圖8為采集盒和路由器安裝示例，圖9為手持操作終端安裝示例。

圖8 采集盒與路由器安裝示例Fig.8 Sample installation of acquisition box and router

圖9 手持操作終端安裝示例Fig.9 Installation example of handheld operation terminal

4.2 軟件功能驗(yàn)證

軟件功能主要包含焊接工藝管理、焊接任務(wù)管理、焊接過程監(jiān)控管理、焊接設(shè)備總覽等，其中焊接過程監(jiān)控分為PC終端過程監(jiān)控和手持終端過程監(jiān)控。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)任務(wù)信息的展示和增刪改查等功能，同時(shí)對于同一圖號及同一類型的規(guī)程進(jìn)行分版本管理。

系統(tǒng)支持登錄用戶所在的車間、班組，顯示該車間下的車間布置圖及其焊機(jī)狀態(tài)包括開機(jī)、待機(jī)、正在作業(yè)等信息。點(diǎn)擊相應(yīng)的焊機(jī)可查看圖10所示焊機(jī)詳細(xì)實(shí)時(shí)信息，如焊機(jī)正在作業(yè)可查看采集盒采集的當(dāng)前焊接電流、電弧電壓、氬氣流量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖10 焊機(jī)詳細(xì)的實(shí)時(shí)信息Fig.10 Detailed real-time information of welding machine

5 結(jié)語

本文針對手工氬弧焊主要參數(shù)焊接電流、電弧電壓、氬氣流量的過程控制問題，通過焊接技術(shù)、信息技術(shù)、通信控制和管理等新理念結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊接工藝、焊接任務(wù)執(zhí)行、焊接過程監(jiān)控、焊接參數(shù)采集等統(tǒng)一管理。針對性地設(shè)計(jì)手工焊接電源數(shù)據(jù)采集盒，通過采集盒的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)焊接設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)集控、焊接過程的有效管控、焊接事后的全數(shù)據(jù)追溯，保障焊接質(zhì)量和數(shù)據(jù)追溯能力，并為焊接制造的信息化提供解決方案，為企業(yè)管理提供大數(shù)據(jù)支持。