焊接是目前机械行业最主要的连接方式和制造工艺,常见的焊接工艺有手工氩弧焊、自动氩弧焊、真空钎焊、等离子弧焊、电阻点焊等,焊接接头形式主要有对接焊、角接焊、插接焊等^[1-3]。焊接过程质量可靠性直接影响产品质量,为保证焊接质量,焊接参数的制定和执行是最重要的内容。但通过分析发现在实际的焊接过程中,即使预设了相同的焊接参数,焊接质量仍有可能有较大的差异^[3-4]。通过分析发现在常规的焊接设备上,主要的焊接参数如焊接电流、电弧电压、送丝速度和焊接速度等的设置和监测是通过焊接设备上的指示仪表显示,但焊接是一个复杂的动态过程,仪表指示并不能真实地反映焊接过程的全部信息,此外由于焊机上的仪表不方便拆卸,不能经常检定,造成一段时间后焊机上表显的数据存在偏移的情况^[5]。

随着焊接技术的发展,目前国内外均对焊接参数进行实时在线监测、采集,以达到将对焊接质量直接的评价作为焊接过程质量控制的重要手段。哈尔滨工业大学利用Lab View 开发软件管理系统,基于单片机核心开发了焊装车间生产过程信息监控系统,对焊接过程进行实时监控,实现生产过程信息的集中管理^[6]。华中科技大学构建了基于 WEB 的焊接过程远程监控系统,用来对点焊过程进行远程监控^[3]。利物浦约翰摩尔大学运用电流、电压、红外、超声波等传感器,提取电阻点焊各种特征信号,然后运用无线网络把数据传给主机进行分析^[7-9]。Impact Engineering公司利用焊接过程监测系统,同时检测和分析焊接过程的电弧电压、焊接电流、送丝速度和保护气体流量^[10]。

以上系统从不同的角度研究了焊接过程监控与数据管理,但都是针对自动化程度高的自动化焊接设备,通过集成焊接设备自带的OPC、Modbus等接口采集数据,对于无接口的非自动化焊接的焊接参数的监控采集相关研究还较少。本文以手工氩弧焊为研究对象,针对氩弧焊的主要焊接参数设计焊接参数采集盒,并通过以太网将焊接设备联网集中管控,实现焊接参数的在线监控与数据采集。

氩弧焊焊接技术的原理是在普通电弧焊的基础上,用惰性气体(氩气)对被焊接的焊材进行保护,焊接时利用高电流使焊丝在基材上融化形成液态熔池,即可使基材和焊材结合,在焊接过程中由于高温熔池中持续不断地送上惰性气体,使焊材和空气中的氧气隔离,从而防止了焊材的氧化,所以可以焊接不锈钢、铁类金属^[3,11-13]。手动氩弧焊主要的焊接参数有焊接电流、电弧电压、氩气流量^[3]。

焊接参数在线监控与采集系统网络拓扑如图1所示。各手工焊接电源通过统一的以太网实现联网集中管控,通过设计专用的数据采集盒,采集焊接电源的参数(电压、电流、气流量等),然后通过以太网将数据上传至网络交换设备,交换设备将数据上传至服务器。技术人员在现场PC终端和大屏,在浏览器中输入数据服务器的IP地址来实现对软件管理系统服务器的访问,从而实现对焊接作业现场的远程监控,可以实时查看目前所有焊接设备的运行情况和实时焊接参数,并可在焊接完成后追溯之前的焊接过程记录。

图1 焊接参数在线监控与采集系统网络拓扑
Fig.1 Network topology of online monitoring and acquisition system for welding parameters

焊接参数的在线监控与采集系统实现对焊接设备的联网监控,同时为满足生产管理的需要,将采集系统与MES(manufacturing execution system,制造执行系统)^[14-15]集成,实现焊接任务下发、焊接过程监控、焊接数据采集、焊接过程数据事后追溯和查看等全过程的管控,焊接参数在线监控与采集整体业务流程如图7所示。

系统的主要功能模块为焊接工艺设计模块、生产过程管理模块、焊接过程监控模块、系统管理模块、MES数据交互模块,各模块主要功能如下。

1)焊接工艺设计模块。工艺管理员可通过系统对焊接工艺基础数据进行管理,主要包括接收来自MES的焊接工艺、自建焊接工艺和焊接工艺查看、修改。

2)生产过程管理模块。接收来自MES生产任务信息,形成生产任务台账,供焊工在手持终端领取并进行作业。

3)焊接过程监控模块。在焊工进行焊接任务时,能够实时监控到设备的工作情况,并且在任务结束后能够进行回溯查看,对于报警等异常情况能够及时进行提醒并对数据进行记录。

4)系统管理模块。系统管理员可进行系统人员角色、权限菜单、焊接设备、接口配置等基本信息的管理。

5)MES数据交互模块。系统与MES进行数据交互,将MES的焊接工艺、电子跟踪卡信息等数据通过Webservice接口^[16-18]以XML格式发送系统^[19],解析XML文件并存储至系统数据库中。任务完成后,将焊接过程中采集的焊接参数、焊接设备、焊接时间等数据通过Webservice接口以XML格式上传至MES,完成数据交互。

图7 焊接参数在线监控与采集整体业务流程
Fig.7 Overall business process of online monitoring and acquisition for welding parameters

本文针对手工氩弧焊主要参数焊接电流、电弧电压、氩气流量的过程控制问题,通过焊接技术、信息技术、通信控制和管理等新理念结合,实现焊接工艺、焊接任务执行、焊接过程监控、焊接参数采集等统一管理。针对性地设计手工焊接电源数据采集盒,通过采集盒的联网,实现焊接设备的联网集控、焊接过程的有效管控、焊接事后的全数据追溯,保障焊接质量和数据追溯能力,并为焊接制造的信息化提供解决方案,为企业管理提供大数据支持。