基于離散制造業(yè)的焊接過程數(shù)據(jù)分析研究

張向文 華 霖 蔣新標(biāo) 周 冬

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084）

離散制造業(yè)的產(chǎn)品零部件通常由一系列不連續(xù)的工序加工而成，加工過程中存在很多變化和不確定因素，例如，飛機(jī)、船舶和汽車等行業(yè)都屬于典型的離散制造業(yè)，這些離散制造業(yè)的產(chǎn)品涉及大量的焊接過程。

焊接制造過程是一個復(fù)雜且非平衡的冶金過程，焊接接頭的質(zhì)量與焊接特征工藝參數(shù)息息相關(guān)，與焊接設(shè)備、焊接工裝和焊接操作人員等各方面都有很大的關(guān)系。目前，焊接制造過程（如造船、核電、鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)）尚未實現(xiàn)自動化作業(yè)，仍為半自動焊接，需焊工手工操作。離散制造業(yè)的焊接過程更為復(fù)雜，許多大型非標(biāo)件的焊接工藝繁瑣，焊接質(zhì)量難以保證。為了解決焊接過程中數(shù)據(jù)采集困難的問題，許多科研工作者對此開展了相關(guān)研究，其中包括基于Labview平臺的群組化焊接過程參數(shù)在線檢測系統(tǒng)，基于CAN總線技術(shù)的焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，以及基于離散制造型企業(yè)的焊接管控系統(tǒng)研究等。為了保證離散制造業(yè)結(jié)構(gòu)件的焊接質(zhì)量，需對焊接過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控與采集，因此，建設(shè)適合于離散制造業(yè)的焊接管控系統(tǒng)勢在必行，在此基礎(chǔ)上，本文對離散制造業(yè)的焊接過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

1 智能化焊接系統(tǒng)

1.1 焊接管控系統(tǒng)功能架構(gòu)

結(jié)合離散制造業(yè)的焊接生產(chǎn)特點，本文建立了一套滿足離散制造業(yè)焊接生產(chǎn)管控要求的焊接管控系統(tǒng)。焊接管控系統(tǒng)由管理端和客戶端組成，管理端主要由系統(tǒng)管理、生產(chǎn)基礎(chǔ)信息、工藝基礎(chǔ)信息、焊接生產(chǎn)管理、焊接生產(chǎn)統(tǒng)計、焊接過程記錄表管理、生產(chǎn)工單管理和質(zhì)量管理等8個模塊組成，每個模塊劃分為相應(yīng)的子模塊，整個焊接管控系統(tǒng)管理端的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 焊接管控系統(tǒng)管理端的功能架構(gòu)圖

其中，生產(chǎn)基礎(chǔ)信息是焊接任務(wù)執(zhí)行的基礎(chǔ)，該模塊主要包括焊工班組信息和焊機(jī)資源信息。工藝基礎(chǔ)信息是焊縫條碼生產(chǎn)的基礎(chǔ)，且為焊工資質(zhì)驗證提供支持，該模塊主要包括焊工等級覆蓋關(guān)系、母材覆蓋關(guān)系、焊接工藝程序（Welding Procedure Specifi cati on，WPS）信息、焊縫信息和焊工資質(zhì)信息等。焊接生產(chǎn)統(tǒng)計模塊主要包括設(shè)備生產(chǎn)統(tǒng)計、人員生產(chǎn)統(tǒng)計和產(chǎn)品生產(chǎn)統(tǒng)計，分別從3個維度對焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為優(yōu)化焊接工藝和提升生產(chǎn)管理水平提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2 焊接管控系統(tǒng)客戶端操作流程

焊接管控系統(tǒng)將焊工—焊機(jī)—焊縫—工藝—產(chǎn)品關(guān)聯(lián)起來，有效地規(guī)范了焊接生產(chǎn)過程，同時將焊接生產(chǎn)過程可視化，達(dá)到有效提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量和降低產(chǎn)品焊接成本的目的。焊接管控系統(tǒng)客戶端主要由焊機(jī)綁定、焊機(jī)解綁、掃碼資質(zhì)驗證、參數(shù)下發(fā)、自檢、專檢和異常反饋等功能組成。

焊接作業(yè)開始前，工件和焊縫條碼需準(zhǔn)備到位，每條焊縫對應(yīng)一個條碼，焊縫條碼包含焊縫工藝基礎(chǔ)信息、焊接資質(zhì)要求等，然后根據(jù)焊縫編號圖將焊縫條碼貼在相應(yīng)的位置，所貼位置盡量不要影響焊接。焊工先刷卡登錄焊接管控系統(tǒng)客戶端，然后選擇空閑的焊機(jī)進(jìn)行綁定，綁定后用條碼槍掃描焊縫條碼，等待系統(tǒng)進(jìn)行焊工資質(zhì)驗證，驗證通過后將焊接工藝參數(shù)下發(fā)至數(shù)字化焊機(jī)，此時焊工可以在焊機(jī)面板上對電流和電壓參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，微調(diào)值在WPS要求的工藝參數(shù)范圍內(nèi)。微調(diào)后進(jìn)行焊接，當(dāng)焊接完成并要更換不同類型的焊縫焊接時，焊工需重新掃描焊縫條碼，并進(jìn)行資質(zhì)驗證。當(dāng)焊接任務(wù)完成后，焊工需在客戶端解綁焊機(jī)，以避免后續(xù)其他操作人員無法選擇該焊機(jī)進(jìn)行作業(yè)。

2 焊接過程數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

結(jié)構(gòu)件焊接過程中通常涉及大量數(shù)據(jù)，主要有：（1）工藝參數(shù)信息，包括焊接電流、焊接電壓、送絲速度、保護(hù)氣種類和流量等；（2） 焊縫信息，包括焊縫高度、編號、接頭形式、焊接位置、母材規(guī)格與牌號、焊材規(guī)格與牌號、焊接資質(zhì)要求等；（3）焊材信息；（4）作業(yè)人員信息，包括焊工編號、班組信息、人員持證信息等。上述數(shù)據(jù)蘊(yùn)含著巨大價值，為焊接質(zhì)量的提升和焊接管理優(yōu)化提供支撐。本文以船舶配套產(chǎn)品錨絞機(jī)的錨鏈輪為應(yīng)用對象，結(jié)合焊接管控系統(tǒng)采集的焊接生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從設(shè)備、人員和產(chǎn)品3個維度去統(tǒng)計和分析，得出以下分析情況。

2.1 設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

2.1.1 設(shè)備焊接時長及資源消耗

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時間段內(nèi)的有效焊接時間和資源消耗情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在此時間段，焊接管控系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)約為63740條，正常焊接的數(shù)據(jù)約為17530條。焊機(jī)HJ016的有效焊接時長為4.87h，錨鏈輪焊絲的消耗為21.79kg，如圖2所示。工藝預(yù)估的錨鏈輪焊絲消耗量約為22kg，說明實際消耗焊絲量與工藝預(yù)估消耗焊絲量基本吻合，錨鏈輪焊接過程正常。

圖2 設(shè)備焊接時長及資源消耗情況

2.1.2 設(shè)備歷史焊接參數(shù)

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時間段內(nèi)的焊接電流和電壓參數(shù)隨時間變化的曲線，在此時間段內(nèi)，設(shè)備的焊接工藝參數(shù)曲線如圖3所示，從圖3可知，該焊縫的平均焊接電流為212.98A，平均電壓為29.29V，此數(shù)據(jù)可用于后期對產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

2.1.3 設(shè)備綁定人員

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時間段內(nèi)使用設(shè)備的人員情況，包含焊工信息、焊機(jī)綁定時間和焊機(jī)解綁時間，如圖4所示，該數(shù)據(jù)可用于后期對產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

2.1.4 設(shè)備故障

圖3 設(shè)備歷史焊接參數(shù)情況

圖4 設(shè)備綁定人員情況

該指標(biāo)是輸出數(shù)字化焊機(jī)在一定時間段內(nèi)的故障情況，包含焊機(jī)編號、異常信息和產(chǎn)生時間等情況，如圖5所示，此統(tǒng)計數(shù)據(jù)可用于設(shè)備管理員對設(shè)備故障進(jìn)行及時處理，從而為焊接生產(chǎn)任務(wù)的順利進(jìn)行提供保障，同時也可以統(tǒng)計設(shè)備的故障率，為后期設(shè)備的優(yōu)化選型提供數(shù)據(jù)支持。

2.2 人員生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

2.2.1 焊工焊接時長及資源消耗情況

該指標(biāo)是輸出焊工在一定時間段內(nèi)的有效焊接時間和資源消耗情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在此時間段，焊工（人員編號為76701）的有效焊接時長為4.84h，如圖6所示，與按設(shè)備統(tǒng)計的有效焊接時長4.87h基本吻合，錨鏈輪的焊絲消耗為21.62kg，與按設(shè)備統(tǒng)計的焊絲消耗量21.79kg基本相同，說明該焊工一直在使用同一臺焊機(jī)進(jìn)行工作。

2.2.2 焊工歷史焊接參數(shù)情況

該指標(biāo)是輸出焊工在一定時間段內(nèi)的焊接電流和電壓參數(shù)隨時間變化的曲線，在一定時間段內(nèi)，焊工的焊接工藝參數(shù)曲線如圖7所示，從圖7可知該焊工的平均焊接電流為203.71A，平均電壓為29.18V，此數(shù)據(jù)可用于后期對產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

2.2.3 焊工焊接產(chǎn)品情況

該指標(biāo)是輸出焊工（編號76701）在一定時間段內(nèi)焊接的產(chǎn)品信息情況，如圖8所示。從圖8可以看出，該產(chǎn)品錨鏈輪的2～7號焊縫均為該焊工焊接。該數(shù)據(jù)可用于管理人員評估焊工的工作量及工作效率，便于后期對焊接人員資源進(jìn)行優(yōu)化配置。

圖5 設(shè)備故障情況

圖6 某焊工焊接時長及資源消耗情況

圖7 某焊工歷史焊接參數(shù)情況

圖8 某焊工焊接產(chǎn)品情況

2.3 產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1 產(chǎn)品焊接時長、資源消耗和歷史焊接參數(shù)情況

產(chǎn)品焊接時長及資源消耗是輸出錨鏈輪每條焊縫的焊接時長及焊絲消耗信息，如圖9所示，2號焊縫的焊接時長為需0.25h，焊絲消耗為0.38kg，該指標(biāo)可以為后續(xù)產(chǎn)品的焊接總時長提供有力的數(shù)據(jù)支撐，有利于后期優(yōu)化產(chǎn)品焊接工時和降低產(chǎn)品制造成本。

產(chǎn)品歷史焊接參數(shù)是輸出錨鏈輪每條焊縫的焊接參數(shù)隨時間變化的曲線，如圖10所示，2號焊縫的平均焊接電流為213.6A，平均電壓為29.28V，WPS對焊接參數(shù)的要求為電流(230±20)A、電壓(30±2)V，2號焊縫的平均焊接電流和電壓均滿足WPS要求。

2.3.2 產(chǎn)品焊接人員情況

該指標(biāo)是輸出產(chǎn)品的焊接人員信息，主要包括工程編號、部套名稱、圖號、件次號、焊縫編號、焊接人員、焊機(jī)編號、開始時間和結(jié)束時間，如圖11所示，圖中顯示出錨鏈輪所有焊縫的焊接人員信息、設(shè)備信息和焊接時間，此數(shù)據(jù)可用于后期對產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追蹤。

3 結(jié)束語

本文建立了面向離散制造業(yè)的焊接管控系統(tǒng)，對產(chǎn)品焊接過程進(jìn)行監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集，從3個維度輸出了產(chǎn)品焊接過程的相關(guān)數(shù)據(jù)分析。其中，產(chǎn)品焊縫歷史焊接參數(shù)數(shù)據(jù)可以為優(yōu)化焊接參數(shù)提供參考，是后續(xù)焊接過程進(jìn)行質(zhì)量控制和提升的保障；產(chǎn)品焊接時長及焊絲消耗數(shù)據(jù)可以為優(yōu)化產(chǎn)品焊接工時和降低生產(chǎn)制造成本提供參考；產(chǎn)品焊接人員數(shù)據(jù)可以為優(yōu)化焊接資源配置提供數(shù)據(jù)支持，同時也可以在后期對產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行追溯。本文通過分析產(chǎn)品焊接過程數(shù)據(jù)，希望達(dá)到提升離散制造業(yè)產(chǎn)品焊接質(zhì)量，以及提高焊接效率的目的。

圖9 產(chǎn)品焊縫焊接時長及資源消耗情況

圖10 產(chǎn)品焊縫歷史焊接參數(shù)情況

圖11 產(chǎn)品焊接人員情況