李晖 龚浩杰 朱骥

摘要：基于信息物理系统的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革，要围绕控制系统、工业软件、工业网络、工业云服务和工业大数据平台等，加强信息物理系统的研发与应用。焊接系统如何适应智能制造需求是焊接装备行业面临的重要课题，鉴于此，探索了新型智能焊接系统的设计思路，提出了焊接机器人和焊接专用设备的智能化设计模式。

关键词：信息物理系统（CPS）;智能制造;焊接机器人

0    引言

“中國制造2025”战略的基本思路主要有两个方面：第一，计划在2020年着力形成15家左右制造业创新中心，力争到2025年形成40家左右制造业创新中心;第二，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平[1]。

随着先进制造技术的发展，实现焊接系统的自动化、柔性化与智能化已成为必然趋势。现代焊接技术，具有多学科交叉融合的特点，采用机器人焊接，是相关学科技术成果的集中体现。

智能化焊接系统的主要技术包括：焊接环境识别及焊接动态过程监控技术，焊接机器人对焊接任务的自主规划技术，焊接机器人的引导跟踪、运动轨迹控制技术，信息处理与智能控制技术。智能焊接系统实现了上述焊接任务规划、轨迹跟踪控制、传感系统、智能控制等子系统的软硬件集成设计、统一优化调度与控制，涉及焊接制造系统的物料流、信息流的管理与控制，机器人与传感器、控制器的多智能单元协调以及基于网络通信的远程控制技术等。

智能装备的设计和开发首先要了解信息物理系统（CPS）。信息物理系统通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化[2]。

其本质就是构建一套赛博（Cyber）空间与物理（Physical）空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。CPS系统包括四大技术要素：“一硬”（感知和执行部件）、“一软”（工业软件）、“一网”（工业网络）、“一平台”（工业云和智能服务平台）。

1    焊接系统分析

传统的焊接装备的操作方式为：工人领取工作任务→工人领料→工人查询图纸→工人调整工艺参数→设备加工。

智能焊接系统的工作流程为：MES自动排产→信息发送至终端→流水线自动送料→设备识别物料→工艺参数自动选择、传输→机器人自动执行→设备自动记录生产数据。

传统的维修方式过程如下：设备报警或故障→工人打电话找维修人员→维修人员前往分析→逐点排查确定故障→找相关工具、配件维修→解决问题。

智能焊接系统的诊断方式为：设备故障后报警→故障代码发送到服务器云端→故障专家库分析代码→找到解决方案→短信或微信发到责任人→维修责任人携带相关工具和元件前往处理→维修责任人直接找到问题元件维修或更换→解决问题。

传统焊接系统的主要缺点是工人参与较多，出错率较高，效率较低，且没有信息反馈。智能焊接装备设计成功的关键在于如何满足CPS系统的要求，通过对传统焊接装备的分析，从传统设备升级到智能装备，主要从以下几个方面考虑：

（1）使用基于数字通信电气元件的硬件系统，具备物料识别和生产状态识别的传感系统设计;

（2）使用具备推理和决策功能的可编程逻辑控制器（PLC）和工业计算机（IPC）构建设备软件体系;

（3）利用现场总线和工业以太网技术搭建信息高速公路。

基于以上观点，本文提出了智能焊接系统初步的设计思路，主要从硬件维度、软件维度、网络维度、平台维度分析智能焊接系统的设计。

图1所示为智能焊接系统的功能分析。

2    智能焊接系统设计

2.1    硬件设计

智能焊接系统的硬件设计主要从以下几个方面来进行：

（1）由于劳动力短缺和用工成本上涨，工业机器人在焊接系统中的应用越来越广泛，机器人的高精度操作，能提高焊件品质和作业安全。工业机器人作为高端制造装备的重要组成部分，技术附加值高，应用范围广，是我国先进制造业的重要生产装备。目前广泛用于焊接系统的机器人主要有ABB、KUKA、FANUC、YASKAWA等国际知名品牌，国内自主品牌正在蓬勃发展中。

（2）传统焊接系统使用的数字化电气元件较少，并不具备数据共享功能。智能焊接系统采用数字化元件，关键元件具备数字通信接口。焊机、机器人、工业相机都具有工业网络接口，并能通过协议实现实时通信功能，收集关键数据，如工艺参数、报警数据、实时状态数据等，为后期分析决策提供数据源。

（3）传统焊接设备不具备物料自动识别功能，一般工艺为人工进行物料识别，手工调整设备然后进行焊接。当物料种类较多或焊接工艺较为复杂时，容易出现识别出错、焊接精度较低的问题。智能焊接系统配置具有自动识别功能的传感器，能进行动态工艺特征识别，如焊接位置识别、焊缝跟踪、焊缝检测等，提高了焊接的精度和质量。目前广泛用于自动化行业的工业相机，具备CCD定位、焦距自动校正等功能，寻址定位精度可达0.01 mm。通过以太网供电进行数据通信，可满足多种不同的机器视觉需求。当前应用于焊接系统的工业相机体积尺寸最小为30 mm×30 mm×60 mm，能满足集成至较小空间的需求。通过对关键特征的识别，结合工艺库和专家系统共同组建识别决策系统。

（4）传统设备一般采用单片机+触屏结构，随着智能化的推进，简单的单片机和触屏功能已经满足不了大规模计算和通信的要求，取而代之的是PLC+IPC结构，其具备较高的通信能力和计算能力。智能焊接系统采用IPC，使用C++语言编程，通过工业以太网与PLC进行连接，实现设备的数字化通信，并将相关信息上传至云端系统存储。

2.2    软件设计

智能焊接系统软件设计主要聚焦以下功能：

（1）物料识别比对功能。

识别物料，与排产系统比对并判断是否是正确的物料，提示出现的错误并终止生产。

（2）元器件信息采集功能。

实时采集每个元件的执行数据、状态数据、故障报警代码等基础数据，并对数据进行处理。

（3）加工过程优化功能。

通过采集每个焊接动作及时间节拍分析是否是最高效率状态，优化机器人动作，提高生产效率。

（4）通过软件实现设备故障自动报警功能并提供解决方案，在维修工程中减少维修时间90%以上，提高了生产效率。

2.3    网络设计和工业云

物联网主要用于支撑工业数据的采集交换、集成处理、建模分析和反馈执行，是实现单个机器、生产线、车间到工厂的工业全系统互联互通的重要基础工具，是支撑数据流动的通道[3]。智能装备实现的关键是打通信息孤岛，实现信息共享，传统设备PLC与关键元件间多采用模拟量+数字量+脉冲的控制方式，除了能够实现基本功能外，其他功能如故障报警诊断、物料加工状态信息读取等功能基本实现不了;而智能焊接系统在设计上实现了关键元件的信息贯通，PLC与工业相机、机器人、焊机、流水线等通过工业现场总线、工业以太网、工业无线网络等进行高速通信，不仅可以执行动作信息，而且可以实时采集生产信息、故障报警等基础数据信息，为设备预警分析和快速故障诊断打通信息高速公路。

工业云和智能服务平台是高度集成的数据服务平台，是跨系统、跨平台、跨领域的数据存储、数据分析和数据共享中心。工业云和智能服务平台通过实时、精准、高效的数据采集，建立工业大数据存储、集成、共享、分析和管理的开发环境，实现工业技术、经验、知识的模型化、标准化、软件化和复用化，不断地优化研发设计、生产制造和运营管理等资源配置效率[4]。当前的智能焊接系统已经实现了通过对多种不同物料信息的存储分析自动计算焊接轨迹的功能，随着工业云和算法的发展，智能焊接系统的功能必定会持续升级。

3    基于CPS的智能焊接系统的实现与发展方向

智能焊接系统的功能实现，需要依赖于CPS，具体包含以下功能：

（1）工艺设计和优化功能。

为保证设备端实时显示工件工艺卡和其他信息，实行工艺卡远程推送功能，第一次焊接工件时，工艺数据由远程数据库推送至客户端，实现不同工件的工艺卡实时显示，智能焊接系统同时具备工艺远程设计和更新能力。

（2）远程诊断功能。

智能焊接设备出现报警和故障时发出故障代码，代码通过智能焊接设备终端发送至CPS服务器云端。云端的故障诊断专家库通过对设备元件的故障代码和各项参数的分析，诊断出故障原因，通过短信或微信通知维修责任人，维修人员根据指导解决故障。

（3）产能分析及排产功能。

针对设备的产能分配，传统解决的办法是人工进行任务评估。而随着智能终端的实现，建立每种工件的加工节拍数据库成为可能，基于实际生产情况的数据库能够提供准确的产能分析数据，为实现智能排产打下基础。

（4）设备生产监控调节功能。

智能焊接系统通过实时的生产信息上传，可以实时监控生产数据，掌握每个工件的焊接情况，生产异常时会预警，保证了智能焊接系统的稳定运行。

（5）柔性制造功能。

柔性制造是智能装备的关键功能之一，是适应多品种小批量生产的关键所在。本系统采用视觉识别系统、伺服多点定位、机器人多程序运行、焊接程序自动调用模式，实现柔性生产。

智能焊接系统发展的主要方向有：中厚板的高效焊接和薄板高速焊接;高强钢、特种材料的复合焊接;数量多的微小型工件焊接;数量小的大型构件自动焊接;更加稳定的焊接质量及焊接监控、检测，焊接参数的记录和分析;多加工工序联动的生产线，使得工业制造更加自动化、智能化、信息化。

智能焊接系统的发展方向对相关技术提出了具体要求：焊机的工艺性能进一步提高，適应性更广;机器人本体更加智能化;视觉、力觉等信息采集的智能传感技术的开发利用;更强大的自适应软件支持系统;焊接系统与上下游加工工序的融合和总线控制;焊接信息化及智能化。

4    结语

近年来，制造业在开放中迎来巨变，在转型中跨过一道道关卡，智能制造必将引领制造业的新方向。通过智能焊接系统的设计，初步实现了智能装备的基本功能，但在焊接领域还有很多路要走，比如有些焊接电源的可通信信息开放得比较少，功能无法满足智能装备的要求。

随着核心技术的发展，智能制造系统以其柔性化生产、设备自诊断、智能识别等特点，将越来越受到重视，也会实现飞跃发展。

[参考文献]

[1] 国务院关于印发《中国制造2015》的通知：国发〔2015〕28号[A].

[2] 中国信息物理系统发展论坛.信息物理系统白皮书（2017）[M].北京：中国电子技术标准化研究院，2017.

[3] LEE E A.信息物理融合系统（CPS）设计、建模与仿真：基于Ptolemy Ⅱ平台[M].吴迪，李仁发，译.北京：机械工业出版社，2017.

[4] 谢浪熊，杨东裕.信息物理系统核心技术的应用实施研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2018，36（5）：6-10.

收稿日期：2020-08-10

作者简介：李晖（1990—），女，湖北仙桃人，助理工程师，研究方向：机电设备设计。