孫鶴沖 漢俊梅 張釗楷 金鑫 劉久月 陳壬申

摘要：開發(fā)數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)是一個具有廣闊應用前景的技術發(fā)展方向，所開發(fā)的數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)是打破傳統(tǒng)焊鉗的模式，在傳統(tǒng)焊鉗基礎上加裝各類智能傳感器和和數(shù)據(jù)采集器，使其具備關鍵的大數(shù)據(jù)采集能力。開發(fā)的SCADA系統(tǒng)具備智能焊鉗數(shù)據(jù)、焊接控制器數(shù)據(jù)以及工件數(shù)據(jù)的分析能力，實現(xiàn)智能焊鉗工況監(jiān)控、預測性維護、焊點在線質量監(jiān)控與追朔預警以及工件質量報表推送功能，達到了傳統(tǒng)焊鉗在焊裝生產(chǎn)線上的數(shù)智化轉型升級發(fā)展需求。

關鍵詞：數(shù)字化 智能 數(shù)據(jù)采集 SCADA系統(tǒng) 質量

中圖分類號：TP23? ?文獻標識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220212

Abstract： The development of digital intelligent welding tong system is a technological development direction with broad application prospects. The developed digital intelligent welding tong system is a mode breakthrough of the traditional welding tong that is fitted with various intelligent sensors and data collectors on the basis of traditional welding tong， so that they have key big data collection capabilities. Through the development of SCADA system with intelligent welding tong data， welding controller data and workpiece data analysis， to achieve intelligent welding tong condition monitoring， predictive maintenance， solder joint online quality monitoring and trace warning and workpiece quality report push function， the upgrading demand of digital and intelligent transformation of the traditional welding tong is realized on the welding line.

Key words： Digital， Intelligent， Data acquisition， SCADA system， Quality

1 前言

現(xiàn)代大規(guī)模汽車制造業(yè)普遍應用機器人電阻點焊技術完成白車身拼裝連接，然而，隨著電阻點焊技術的發(fā)展，對焊鉗的要求越來越高，不僅要求其具有良好的可操作性，還對其自動化、可視化、透明化、可預測性及自適應性提出了更高要求。

但目前焊鉗作為一種末端執(zhí)行機構，僅能依據(jù)自動化及焊接控制柜的指令執(zhí)行相應的動作，其本身無法自檢運轉情況，判斷健康情況。同時目前的焊接控制柜著重對于焊接參數(shù)的檢測和比對，如電流值、電壓值，同樣無法判斷焊鉗健康狀況。因此在目前的模式下，焊鉗系統(tǒng)在故障診斷及維修方面仍屬于對質量的被動管理，需停機查找故障的原因并解決，數(shù)字化與智能化程度低，人為干預比較多，設備的自主性低。本文通過開發(fā)數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)，對相關的參數(shù)及過程進行實時監(jiān)測并分析，能快速定位出問題所在，也可以提前預防故障發(fā)生，規(guī)避了大的故障發(fā)生風險，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)焊鉗的數(shù)智化轉型升級。

2 傳統(tǒng)焊鉗弱點和常見故障分析

2.1 傳統(tǒng)焊鉗弊端分析

在現(xiàn)行焊裝車間的應用中，使用集機械、電、水、氣等物理特性為一身的傳統(tǒng)電阻焊鉗，焊鉗長期高速運行中，不可避免地會出現(xiàn)磨損甚至損壞，焊鉗故障不僅會造成焊點質量問題，嚴重時會造成生產(chǎn)線停機。同時，傳統(tǒng)焊鉗作為實現(xiàn)白車身機器人焊接的關鍵執(zhí)行機構，在進行焊接工作時存在對執(zhí)行過程缺少感知且沒有記憶的問題和沒有絲毫成果與經(jīng)驗積累的缺點。

2.2 傳統(tǒng)焊鉗常見故障

傳統(tǒng)焊鉗常見故障和造成的影響分為以下6類：第一，由驅動裝置故障引發(fā)的壓力衰減，導致焊點質量下降；第二，由軸承及軌道磨損引發(fā)的壓力衰減，導致焊點質量下降；第三，由電極及焊鉗臂磨損引發(fā)的壓力衰減導致能耗增加、焊點質量下降；第四，由于冷卻回路故障引起的能耗增加，壓力衰減，導致焊點質量下降；第五，由次級軟連接磨損引起的能耗增加；第六，由變壓器故障引發(fā)的停機，見圖1。

3 數(shù)字化智能焊鉗概念

數(shù)字化智能焊鉗是在傳統(tǒng)機器人焊鉗結構上加裝特種精密傳感器件和電子數(shù)據(jù)處理單元，讓機器人焊鉗能夠以毫秒級時間采集焊接過程中的關鍵物理參數(shù)，感知電阻點焊鉗在高速焊接過程中的工況變化。通過有或無線、端對端、直至通過5G組網(wǎng)方式實現(xiàn)機器人焊鉗物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，完成焊接過程數(shù)據(jù)采集和通訊。

結合專有的監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition System，SCADA）數(shù)據(jù)處理和存儲軟件，將焊接過程中產(chǎn)生的異構數(shù)據(jù)全時在線篩選、融合、記錄，由此而產(chǎn)生的過程大數(shù)據(jù)能力為汽車焊裝車間的數(shù)字化管理應用建立了不可或缺的基礎。為汽車工業(yè)對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分析及利用創(chuàng)造了前提條件。將數(shù)字化概念嵌入傳統(tǒng)機器人焊鉗后，焊鉗就擁有了數(shù)字及數(shù)據(jù)處理能力、與物聯(lián)網(wǎng)鏈接能力。在數(shù)據(jù)支持下，可以避免傳統(tǒng)焊鉗無記憶性的缺點，能夠進行預測性維護、在線質量檢測等工作。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）的概念和應用來自于生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)分布距離遠、生產(chǎn)單位分散的行業(yè)，如電力輸送、變電站、天然氣管線、油田、自來水管網(wǎng)等生產(chǎn)系統(tǒng)，SCADA系統(tǒng)可以實現(xiàn)對設備遠程監(jiān)控。

SCADA在車身焊裝線上的應用解決了設備種類和數(shù)量繁多、故障頻繁、故障排查困難、人員培訓復雜、維修人員多、維修成本高、生產(chǎn)過程不透明、質量檢驗低效、停臺損失大的問題。

4 數(shù)字化智能焊鉗網(wǎng)絡架構

數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構使用千兆等級的以太網(wǎng)交換機，并使用玻璃光纖介質進行傳輸，使用星型網(wǎng)絡拓撲結構。

數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構見圖2。

5 數(shù)字化智能焊鉗上的硬件構成

數(shù)字化智能焊鉗上的硬件構成包括壓力傳感器、溫度傳感器、水流量傳感器、次級電流傳感器、次級測壓線傳感器、數(shù)字焊鉗電子數(shù)據(jù)采集處理器、數(shù)字化智能焊鉗采集器與各傳感器之間通訊和供電線纜、數(shù)字化智能焊鉗采集器與管線包和快換盤相連接的，安裝在采集器上的單側插座。各傳感器用途說明詳見表1。

壓力傳感器用于采集焊接過程中的焊接壓力數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理器上傳SCADA系統(tǒng)，可在SCADA系統(tǒng)中設置壓力預警和報警觸發(fā)值，當焊鉗工作過程中壓力出現(xiàn)較大偏差時，SCADA系統(tǒng)可通過可視化功能發(fā)出預警和報警。

另外，SCADA系統(tǒng)通過在PLC端獲取工件信息，并將工件信息發(fā)送給數(shù)字化智能焊鉗，數(shù)字化智能焊鉗將工件信息與焊點壓力數(shù)據(jù)進行綁定，可實現(xiàn)工件上每個焊點的壓力過程數(shù)據(jù)的追溯并輔助評判對應焊點質量。

溫度傳感器用于采集焊鉗工作過程中變壓器內二極管的工作溫度，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理器上傳SCADA系統(tǒng)，可在SCADA系統(tǒng)中設置此溫度預警和報警觸發(fā)值，當焊鉗工作過程中二極管溫度過高時，SCADA系統(tǒng)可通過可視化功能發(fā)出預警或報警。

另外，可通過追溯二極管工作環(huán)境溫度，進一步保障變壓器的正常工作，當變壓器長期處在75 ℃環(huán)境工作時，二極管壽命可能會受影響，若出現(xiàn)此類預警或報警信息，可以通過增加焊鉗冷卻水流量或者改善焊接工藝來進一步保障二極管壽命。

水流量傳感器用于采集焊鉗實時水流量數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理器上傳SCADA系統(tǒng)，可在SCADA系統(tǒng)中設置壓力預警和報警觸發(fā)值，當焊鉗工作過程中水流量出現(xiàn)較大偏差時，SCADA系統(tǒng)可通過可視化功能提出預警或報警，此時若某回路水流量過低，可能導致電極或者變壓器冷卻不足。

次級電流傳感器用于采集焊接過程中的次級電流數(shù)據(jù)，并經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理器上傳SCADA系統(tǒng)，可在SCADA系統(tǒng)中設置壓力預警和報警觸發(fā)值，當焊鉗工作過程中次級電流出現(xiàn)較大偏差時，SCADA系統(tǒng)可通過可視化功能發(fā)出預警或報警。

另外，SCADA系統(tǒng)通過在PLC端獲取工件信息，并將工件信息發(fā)送給數(shù)字化智能焊鉗，數(shù)字化智能焊鉗將工件信息與焊點次級電流數(shù)據(jù)進行綁定，可實現(xiàn)工件上每個焊點的次級電流過程數(shù)據(jù)追溯并輔助評判對應焊點質量。

次級測壓線傳感器用于采集焊接過程中的次級電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理器上傳SCADA系統(tǒng)，可在SCADA系統(tǒng)中設置壓力預警和報警觸發(fā)值，當焊鉗工作過程中次級電壓出現(xiàn)較大偏差時，SCADA系統(tǒng)可通過可視化功能發(fā)出預警或報警，此時說明焊鉗次級回路電阻較大，若出現(xiàn)此類預警或報警信息，則需要關注電極帽、電極握桿或者匯流排狀態(tài)是否滿足繼續(xù)使用的要求。具體的硬件構成示意可見圖3。

6 數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能

SCADA系統(tǒng)通過與生產(chǎn)線進行信息交互。對應設計數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)的相關內容，SCADA系統(tǒng)與生產(chǎn)線信息交互內容見圖4。

SCADA系統(tǒng)由信息處理功能、設備監(jiān)控功能、數(shù)據(jù)融合功能、統(tǒng)計報表功能、預測性維護功能及數(shù)字焊鉗傳感器校準功能6個部分組成。

其中，信息處理系統(tǒng)為整個SCADA系統(tǒng)提供信息來源及信息管理方法。

設備監(jiān)控功能用于數(shù)字化智能焊鉗的工作狀態(tài)監(jiān)控、焊接控制柜的工作狀態(tài)監(jiān)控及修磨器的工作狀態(tài)監(jiān)控。

數(shù)據(jù)融合功能提供一種數(shù)據(jù)融合方法，對工件信息、設備工況信息以及焊接過程穩(wěn)定性信息進行整合。

統(tǒng)計報表功能利用信息處理系統(tǒng)中有用的信息，對其中的客戶數(shù)據(jù)提供一種聚合和展示的方式，使數(shù)據(jù)產(chǎn)生更高的實用價值。

預測性維護功能，利用SCADA可采集到的焊鉗數(shù)據(jù)進行預測性維護應用。

數(shù)字化智能焊鉗傳感器校準功能用于數(shù)字化智能焊鉗各個傳感器初始化、使用過程中的定期標定及工作狀態(tài)檢查。

6.1 信息處理功能

主要具備系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)管理、用戶管理、各種查詢、統(tǒng)計等，其中系統(tǒng)接口規(guī)范包括TCP接口規(guī)范（用于SCADA系統(tǒng)獲取PLC中工件信息）及西門子WinCC接口規(guī)范（用于SCADA系統(tǒng)獲取PLC中設備狀態(tài)信息），另外，數(shù)字化智能焊鉗及焊接控制柜主要采集數(shù)據(jù)可詳見表2和圖5，為當前SCADA系統(tǒng)可采集數(shù)據(jù)。

6.2 設備監(jiān)控功能

設備監(jiān)控運行系統(tǒng)由SCADA應用服務器及客戶端工作站組成。展示界面由設備導航欄、狀態(tài)可視化頁面、消息管理頁面及功能選項組成，包含設備的運行狀態(tài)（包括焊鉗的主進水流量狀態(tài)監(jiān)控，兩路分回水路流量狀態(tài)監(jiān)控，二極管工作溫度監(jiān)控，焊接電流監(jiān)控，焊接電壓監(jiān)控，焊接壓力監(jiān)控）的監(jiān)控。

可進行設備數(shù)據(jù)可視化展示、設備監(jiān)控相關參數(shù)配置、設備故障報警信息展示等工作見圖6。

6.3 數(shù)據(jù)融合功能

提供的數(shù)據(jù)融合功能用于實現(xiàn)工件信息、數(shù)字焊鉗信息及焊接控制柜信息的數(shù)據(jù)融合，選取現(xiàn)場集成PLC、數(shù)字焊鉗以及焊接控制柜中有用的并且具備關聯(lián)性的信息相互關聯(lián)，用于實現(xiàn)焊接過程穩(wěn)定性評判與追溯，數(shù)據(jù)融合對話框如圖7所示。

6.4 統(tǒng)計報表功能

報表用于每一個工件上所有焊接過程穩(wěn)定性不合格數(shù)量及合格率的統(tǒng)計，對焊接過程實時調整、焊后工件超聲波、破拆檢驗都具有指導性意義。此報表至少應包含工件就位時間、工件標識、每個工件對應的焊點數(shù)量、每個工件焊接完成后的焊點合格率、焊點編號、每個焊點的焊接時間、每個焊點的焊接過程穩(wěn)定性。

6.5 預測性維護功能

數(shù)字化智能焊鉗壓力傳感器用于監(jiān)控焊鉗壓力傳遞結構工作狀況。當壓力傳感器反饋的焊接壓力過程數(shù)據(jù)與正常工作壓力值偏差較大時可能出現(xiàn)有七軸電機輸出扭矩不穩(wěn)定或者焊鉗運動部件磨損等問題，并通過預警消息提醒，需要及時檢查并排除問題，或提前準備相關備件，防止因某部分零件損壞導致停機問題。并通過易損件管理計數(shù)，實現(xiàn)預測性維護功能。

6.6 數(shù)字化智能焊鉗傳感器校準功能

主要監(jiān)控對象為數(shù)字化智能焊鉗及焊接控制柜，其中數(shù)字化智能焊鉗壓力傳感器及水流量傳感器需要定期標定與檢查，需提供相應的標定軟件及標定方法，數(shù)字化智能焊鉗傳感器校準系統(tǒng)對話框如圖8所示。

7 實際應用與問題解決

通過在焊鉗上增加相應的傳感器等檢測元件，對數(shù)據(jù)進行收集，并在開發(fā)應用上進行顯示。

可以在界面中看到在工位上焊鉗的布置情況，顯示數(shù)量、位置、名稱，如圖9所示。

對焊鉗的實時狀態(tài)進行監(jiān)控，通過對焊鉗電壓、電流、壓力、變壓器狀態(tài)、冷卻水流量、冷卻水溫度的檢測進行數(shù)據(jù)分析。焊鉗工況數(shù)字化如圖10所示。

通過對故障的頻次和發(fā)生的位置及原因進行統(tǒng)計并生成報表。報警統(tǒng)計表如圖11、圖12所示。

通過數(shù)據(jù)收集和報表分析即可以及時提示錯誤和故障，可以通過數(shù)據(jù)分析進行預測性維護。同時，車身相關質量信息也可進行追溯，如圖13所示。

8 結束語

數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)在技術方面的價值在于通過將焊鉗加裝特種精密傳感器件和電子數(shù)據(jù)處理單元對相關信息數(shù)據(jù)進行采集，通過有線或無線、端對端直至5G組網(wǎng)方式實現(xiàn)機器人焊鉗物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)，完成焊接過程數(shù)據(jù)的采集和通訊并建立SCADA系統(tǒng)，對相關數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理，很好地解決了傳統(tǒng)焊鉗在故障分析、數(shù)據(jù)處理上的弊端。數(shù)字化智能焊鉗系統(tǒng)展示了一個具備發(fā)展?jié)摿Φ氖袌銮熬?，代表著汽車白車身焊裝領域的最前沿方向，未來在整個行業(yè)中會發(fā)揮不可或缺的作用。