基于信息物理系統的智能焊接系統設計

李暉 龔浩杰 朱驥

摘要：基于信息物理系統的智能裝備、智能工廠等智能制造正在引領制造方式變革，要圍繞控制系統、工業軟件、工業網絡、工業云服務和工業大數據平臺等，加強信息物理系統的研發與應用。焊接系統如何適應智能制造需求是焊接裝備行業面臨的重要課題，鑒于此，探索了新型智能焊接系統的設計思路，提出了焊接機器人和焊接專用設備的智能化設計模式。

關鍵詞：信息物理系統（CPS）;智能制造;焊接機器人

0? ? 引言

“中國制造2025”戰略的基本思路主要有兩個方面：第一，計劃在2020年著力形成15家左右制造業創新中心，力爭到2025年形成40家左右制造業創新中心;第二，著力發展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平[1]。

隨著先進制造技術的發展，實現焊接系統的自動化、柔性化與智能化已成為必然趨勢。現代焊接技術，具有多學科交叉融合的特點，采用機器人焊接，是相關學科技術成果的集中體現。

智能化焊接系統的主要技術包括：焊接環境識別及焊接動態過程監控技術，焊接機器人對焊接任務的自主規劃技術，焊接機器人的引導跟蹤、運動軌跡控制技術，信息處理與智能控制技術。智能焊接系統實現了上述焊接任務規劃、軌跡跟蹤控制、傳感系統、智能控制等子系統的軟硬件集成設計、統一優化調度與控制，涉及焊接制造系統的物料流、信息流的管理與控制，機器人與傳感器、控制器的多智能單元協調以及基于網絡通信的遠程控制技術等。

智能裝備的設計和開發首先要了解信息物理系統（CPS）。信息物理系統通過集成先進的感知、計算、通信、控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化[2]。

其本質就是構建一套賽博（Cyber）空間與物理（Physical）空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行的閉環賦能體系，解決生產制造、應用服務過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源優化。CPS系統包括四大技術要素：“一硬”（感知和執行部件）、“一軟”（工業軟件）、“一網”（工業網絡）、“一平臺”（工業云和智能服務平臺）。

1? ? 焊接系統分析

傳統的焊接裝備的操作方式為：工人領取工作任務→工人領料→工人查詢圖紙→工人調整工藝參數→設備加工。

智能焊接系統的工作流程為：MES自動排產→信息發送至終端→流水線自動送料→設備識別物料→工藝參數自動選擇、傳輸→機器人自動執行→設備自動記錄生產數據。

傳統的維修方式過程如下：設備報警或故障→工人打電話找維修人員→維修人員前往分析→逐點排查確定故障→找相關工具、配件維修→解決問題。

智能焊接系統的診斷方式為：設備故障后報警→故障代碼發送到服務器云端→故障專家庫分析代碼→找到解決方案→短信或微信發到責任人→維修責任人攜帶相關工具和元件前往處理→維修責任人直接找到問題元件維修或更換→解決問題。

傳統焊接系統的主要缺點是工人參與較多，出錯率較高，效率較低，且沒有信息反饋。智能焊接裝備設計成功的關鍵在于如何滿足CPS系統的要求，通過對傳統焊接裝備的分析，從傳統設備升級到智能裝備，主要從以下幾個方面考慮：

（1）使用基于數字通信電氣元件的硬件系統，具備物料識別和生產狀態識別的傳感系統設計;

（2）使用具備推理和決策功能的可編程邏輯控制器（PLC）和工業計算機（IPC）構建設備軟件體系;

（3）利用現場總線和工業以太網技術搭建信息高速公路。

基于以上觀點，本文提出了智能焊接系統初步的設計思路，主要從硬件維度、軟件維度、網絡維度、平臺維度分析智能焊接系統的設計。

圖1所示為智能焊接系統的功能分析。

2? ? 智能焊接系統設計

2.1? ? 硬件設計

智能焊接系統的硬件設計主要從以下幾個方面來進行：

（1）由于勞動力短缺和用工成本上漲，工業機器人在焊接系統中的應用越來越廣泛，機器人的高精度操作，能提高焊件品質和作業安全。工業機器人作為高端制造裝備的重要組成部分，技術附加值高，應用范圍廣，是我國先進制造業的重要生產裝備。目前廣泛用于焊接系統的機器人主要有ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA等國際知名品牌，國內自主品牌正在蓬勃發展中。

（2）傳統焊接系統使用的數字化電氣元件較少，并不具備數據共享功能。智能焊接系統采用數字化元件，關鍵元件具備數字通信接口。焊機、機器人、工業相機都具有工業網絡接口，并能通過協議實現實時通信功能，收集關鍵數據，如工藝參數、報警數據、實時狀態數據等，為后期分析決策提供數據源。

（3）傳統焊接設備不具備物料自動識別功能，一般工藝為人工進行物料識別，手工調整設備然后進行焊接。當物料種類較多或焊接工藝較為復雜時，容易出現識別出錯、焊接精度較低的問題。智能焊接系統配置具有自動識別功能的傳感器，能進行動態工藝特征識別，如焊接位置識別、焊縫跟蹤、焊縫檢測等，提高了焊接的精度和質量。目前廣泛用于自動化行業的工業相機，具備CCD定位、焦距自動校正等功能，尋址定位精度可達0.01 mm。通過以太網供電進行數據通信，可滿足多種不同的機器視覺需求。當前應用于焊接系統的工業相機體積尺寸最小為30 mm×30 mm×60 mm，能滿足集成至較小空間的需求。通過對關鍵特征的識別，結合工藝庫和專家系統共同組建識別決策系統。

（4）傳統設備一般采用單片機+觸屏結構，隨著智能化的推進，簡單的單片機和觸屏功能已經滿足不了大規模計算和通信的要求，取而代之的是PLC+IPC結構，其具備較高的通信能力和計算能力。智能焊接系統采用IPC，使用C++語言編程，通過工業以太網與PLC進行連接，實現設備的數字化通信，并將相關信息上傳至云端系統存儲。

2.2? ? 軟件設計

智能焊接系統軟件設計主要聚焦以下功能：

（1）物料識別比對功能。

識別物料，與排產系統比對并判斷是否是正確的物料，提示出現的錯誤并終止生產。

（2）元器件信息采集功能。

實時采集每個元件的執行數據、狀態數據、故障報警代碼等基礎數據，并對數據進行處理。

（3）加工過程優化功能。

通過采集每個焊接動作及時間節拍分析是否是最高效率狀態，優化機器人動作，提高生產效率。

（4）通過軟件實現設備故障自動報警功能并提供解決方案，在維修工程中減少維修時間90%以上，提高了生產效率。

2.3? ? 網絡設計和工業云

物聯網主要用于支撐工業數據的采集交換、集成處理、建模分析和反饋執行，是實現單個機器、生產線、車間到工廠的工業全系統互聯互通的重要基礎工具，是支撐數據流動的通道[3]。智能裝備實現的關鍵是打通信息孤島，實現信息共享，傳統設備PLC與關鍵元件間多采用模擬量+數字量+脈沖的控制方式，除了能夠實現基本功能外，其他功能如故障報警診斷、物料加工狀態信息讀取等功能基本實現不了;而智能焊接系統在設計上實現了關鍵元件的信息貫通，PLC與工業相機、機器人、焊機、流水線等通過工業現場總線、工業以太網、工業無線網絡等進行高速通信，不僅可以執行動作信息，而且可以實時采集生產信息、故障報警等基礎數據信息，為設備預警分析和快速故障診斷打通信息高速公路。

工業云和智能服務平臺是高度集成的數據服務平臺，是跨系統、跨平臺、跨領域的數據存儲、數據分析和數據共享中心。工業云和智能服務平臺通過實時、精準、高效的數據采集，建立工業大數據存儲、集成、共享、分析和管理的開發環境，實現工業技術、經驗、知識的模型化、標準化、軟件化和復用化，不斷地優化研發設計、生產制造和運營管理等資源配置效率[4]。當前的智能焊接系統已經實現了通過對多種不同物料信息的存儲分析自動計算焊接軌跡的功能，隨著工業云和算法的發展，智能焊接系統的功能必定會持續升級。

3? ? 基于CPS的智能焊接系統的實現與發展方向

智能焊接系統的功能實現，需要依賴于CPS，具體包含以下功能：

（1）工藝設計和優化功能。

為保證設備端實時顯示工件工藝卡和其他信息，實行工藝卡遠程推送功能，第一次焊接工件時，工藝數據由遠程數據庫推送至客戶端，實現不同工件的工藝卡實時顯示，智能焊接系統同時具備工藝遠程設計和更新能力。

（2）遠程診斷功能。

智能焊接設備出現報警和故障時發出故障代碼，代碼通過智能焊接設備終端發送至CPS服務器云端。云端的故障診斷專家庫通過對設備元件的故障代碼和各項參數的分析，診斷出故障原因，通過短信或微信通知維修責任人，維修人員根據指導解決故障。

（3）產能分析及排產功能。

針對設備的產能分配，傳統解決的辦法是人工進行任務評估。而隨著智能終端的實現，建立每種工件的加工節拍數據庫成為可能，基于實際生產情況的數據庫能夠提供準確的產能分析數據，為實現智能排產打下基礎。

（4）設備生產監控調節功能。

智能焊接系統通過實時的生產信息上傳，可以實時監控生產數據，掌握每個工件的焊接情況，生產異常時會預警，保證了智能焊接系統的穩定運行。

（5）柔性制造功能。

柔性制造是智能裝備的關鍵功能之一，是適應多品種小批量生產的關鍵所在。本系統采用視覺識別系統、伺服多點定位、機器人多程序運行、焊接程序自動調用模式，實現柔性生產。

智能焊接系統發展的主要方向有：中厚板的高效焊接和薄板高速焊接;高強鋼、特種材料的復合焊接;數量多的微小型工件焊接;數量小的大型構件自動焊接;更加穩定的焊接質量及焊接監控、檢測，焊接參數的記錄和分析;多加工工序聯動的生產線，使得工業制造更加自動化、智能化、信息化。

智能焊接系統的發展方向對相關技術提出了具體要求：焊機的工藝性能進一步提高，適應性更廣;機器人本體更加智能化;視覺、力覺等信息采集的智能傳感技術的開發利用;更強大的自適應軟件支持系統;焊接系統與上下游加工工序的融合和總線控制;焊接信息化及智能化。

4? ? 結語

近年來，制造業在開放中迎來巨變，在轉型中跨過一道道關卡，智能制造必將引領制造業的新方向。通過智能焊接系統的設計，初步實現了智能裝備的基本功能，但在焊接領域還有很多路要走，比如有些焊接電源的可通信信息開放得比較少，功能無法滿足智能裝備的要求。

隨著核心技術的發展，智能制造系統以其柔性化生產、設備自診斷、智能識別等特點，將越來越受到重視，也會實現飛躍發展。

[參考文獻]

[1] 國務院關于印發《中國制造2015》的通知：國發〔2015〕28號[A].

[2] 中國信息物理系統發展論壇.信息物理系統白皮書（2017）[M].北京：中國電子技術標準化研究院，2017.

[3] LEE E A.信息物理融合系統（CPS）設計、建模與仿真：基于Ptolemy Ⅱ平臺[M].吳迪，李仁發，譯.北京：機械工業出版社，2017.

[4] 謝浪熊，楊東裕.信息物理系統核心技術的應用實施研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2018，36（5）：6-10.

收稿日期：2020-08-10

作者簡介：李暉（1990—），女，湖北仙桃人，助理工程師，研究方向：機電設備設計。