焊接生產(chǎn)與研究中的信息化 (一)

1. 前言 

    信息自古以來就以語言、文字、圖畫等形式存在，自從計算機出現(xiàn)以后人們發(fā)現(xiàn)信息可以用數(shù)字的形式來表示，從而得以大量地存儲、方便地處理、利用，因此計算機技術的飛速發(fā)展推動了各行各業(yè)的信息化。 

    網(wǎng)絡技術的發(fā)展更加促進了信息化過程。企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術在國內(nèi)發(fā)展很快，網(wǎng)絡使得信息得以集中管理、高速傳輸、方便共享。 

    各種用途的應用軟件經(jīng)過20多年的發(fā)展可以說是應有盡有：文字處理、數(shù)據(jù)處理、多媒體處理、CAX（CAD/CAE/CAM/CAPP……）、企業(yè)管理。許多軟件還具有智能功能。 

    以上種種都為各行各業(yè)信息化提供了良好的條件。國家從“863”和 “九五”計劃推進計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）示范工程和CAD應用示范工程十多年來，我國在制造業(yè)信息化方面已經(jīng)取得了相當進展。在此基礎上國家在“十五”期間提出了以“信息化推動工業(yè)化”的目標，加快制造業(yè)信息化的進程�！笆�五”期間科技部準備投入8億元人民幣組織實施制造業(yè)信息化關鍵技術研究以及應用示范工程，另外加上地方政府與企業(yè)的投資，總投資將達到100億人民幣。中國機械工業(yè)聯(lián)合會定于2002年9月在北京召開“機械工業(yè)企業(yè)信息化會議”，以進一步推進機械行業(yè)企業(yè)信息化工作方面的工作。 

    信息時代有如一場風暴，企業(yè)信息化勢在必行，因此我們要抓住這個歷史的機遇分步驟、分層次、分領域地在焊接信息化的研究與應用方面開展工作。 

    2. 焊接生產(chǎn)與研究信息化國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 

    2．1 國外現(xiàn)狀 

    英國焊接研究所（TWI）在1986年召開了“計算機技術在焊接中應用”（Computer Technology in Welding）國際會議，此后至2000年已召開了第10次會議。與此同時，美國焊接研究所（AWI）也組織類似的會議，自1986年以來，2001年在俄亥俄召開了第11次會議。這些會議一般都包括；傳感系統(tǒng)、模擬與仿真、制造過程自動化、管理和教育軟件等內(nèi)容，近兩年又增加了網(wǎng)絡應用和集成制造等方面的內(nèi)容。國際焊接學會（IIW）1988年在維也納召開的第41屆年會大會的主題就是“Computer in Welding Technology”。1994年在北京召開的IIW第47屆年會大會的主題報告的題目為“信息時代的焊接”。同時，在IIW第Ⅻ專業(yè)委員會會議上幾乎每年都有世界各國計算機在焊接領域的應用以及焊接軟件發(fā)展情況的報道。另外，在IIW第Ⅸ專業(yè)委員會中建立了“焊接數(shù)值分析”(Numerical Analysis of Welding)工作組。在第Ⅸ專業(yè)委員會支持下自1991年開始，每兩年在奧地利Graz大學召開一次題為“Numerical Analysis of Welding”的國際研討會，到2001年一共已開了6次。這個會議不僅限于“焊接性”的數(shù)值分析，還包括了焊接應力與變形等各方面的數(shù)值計算與模擬。近幾年我國清華大學、山東大學、華南理工大學已有教師參加過上面提到的這些會議，并發(fā)表了論文介紹自己的工作。在國內(nèi)我們可以查閱到這些會議的部分論文集，從中可以看出在焊接領域中計算機應用的新進展，其中許多論文反映了這些技術已經(jīng)得到了實際應用。 

    有的國家為了進一步研究焊接計算機應用和信息化技術制定了專門計劃。例如；日本在2001年溶接學會志和溶接技術雜志上先后報道了國家攻關課題“高效與高可靠性焊接技術的開發(fā)”的情況。日本通商產(chǎn)業(yè)省準備投入經(jīng)費20億日元（約1600萬美元），啟動這個國家攻關課題。課題的研究總目的是“通過模擬改進電弧焊接技術” 。該項目包括；焊接工藝過程、焊接冶金組織和焊接變形領域的數(shù)值模擬模型的開發(fā)和研究，以及它們最終的集成。這是一個由政府組織的有產(chǎn)、學、研參加的大型項目。參加這一項目的有大阪大學、神戶制鋼、川崎重工等單位。 

    德國制定了一個科技攻關項目SFB-370“材料的集成模虛擬（Integrated Modeling of Materials）”計劃，亞琛工業(yè)大學焊接研究所承擔了研究電弧焊接過程中材料行為的模擬部分，期望最終能夠預測焊接接頭的力學性能和使用性能。他們已經(jīng)研究的電子束焊、氣體保護焊和點焊模擬系統(tǒng)（EBSIM、MAGSIM、SPOTSIM）可以方便地通過計算得到在指定的焊接參數(shù)下的焊縫形狀。這些軟件有很高的實用價值。 

    2．2 國內(nèi)現(xiàn)狀 

    1986年在焊接學會中建立了“數(shù)值模擬和CAD/CAM研究組”，這個研究組后改為“計算機應用技術專業(yè)委員會”。這個專委會在1987、1988年就召開過學術討論會，1989年又召開了“焊接專家系統(tǒng)”學術會議，1992年、1996年、2000年先后三次承辦了焊接協(xié)會和焊接學會聯(lián)合召開的全國性的“計算機在焊接中的應用技術交流會”，2001年在第十次全國焊接學術會議上組織了“焊接與IT”專題討論會。在這些會議上反映了歷年來國內(nèi)許多學術單位和生產(chǎn)企業(yè)在焊接計算機應用和信息化方面的大量工作。 

    我國在焊接應用軟件研制方面，清華大學在上世紀80年代末就為中國石化總公司開發(fā)了“弧焊工藝專家系統(tǒng)”，哈爾濱工業(yè)大學為哈爾濱鍋爐廠等單位開發(fā)了“焊接工藝專家系統(tǒng)”，現(xiàn)在他們對各自的軟件系統(tǒng)不斷地進行改版升級。太原重型機械廠作為原機械部焊接示范單位，曾經(jīng)在廠內(nèi)焊接處中建立了計算機應用科，開發(fā)了“數(shù)控切割自動編程套料系統(tǒng)”等軟件，現(xiàn)在正和清華大學合作開發(fā)“焊接零件下料工藝、材料和工時定額制定軟件系統(tǒng)”。清華大學還為徐州工程機械廠等單位開發(fā)了“焊接工藝CAPP系統(tǒng)”。上海港機廠、武漢鍋爐廠等企業(yè)都曾開發(fā)過適合自己需要的焊接應用軟件。 

    在應用計算機對焊接工藝過程、焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量等領域的檢測與控制方面，我國開展了許多工作，其中有的工作達到了國際水平、得到了國家級的獎勵。 

    在數(shù)值分析方面，國內(nèi)在上世紀八十年代初西安交通大學和上海交通大學等就開始了關于焊接熱彈塑性理論的研究工作。上海交通大學在薄板、厚板和管子等焊接應力分析方面得到成功的應用，他們在九十年代又與日本大阪大學合作對三維焊接應力和變形問題進行了研究，發(fā)展了有關的三維分析程序并有不少成功的應用實例。哈爾濱工業(yè)大學、山東大學等單位在TIG焊、MIG焊時熔池形成的模擬方面開展了許多工作。 

    另外，清華大學潘際鑾院士的“現(xiàn)代弧焊控制”、哈爾濱工業(yè)大學吳林等的“智能化焊接技術”、上海交通大學陳楚等的“數(shù)據(jù)分析在焊接中的應用”等專著，焊接學會計算機應用技術專業(yè)委員會組織出版的“計算機輔助焊接技術”一書，都對我國焊接控制、模擬與仿真研究以及焊接計算機應用和信息化方面的工作起了很大的推動作用。 

    根據(jù)以上簡單介紹，可以看出，焊接界所關心的信息化問題可以大體包括以下幾個方面:焊接過程的信息檢測與控制，焊接過程的模擬與仿真，焊接生產(chǎn)過程的組織與管理等。 

    3. 焊接過程控制、模擬與仿真 

    3.1 焊接過程信息的檢測與控制 

    焊接過程信息的檢測與控制的內(nèi)容包括：焊接設備的控制、焊接工藝過程和焊接參數(shù)的控制、焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量的檢測與控制等許多方面。這些歸結(jié)起來就是利用傳感技術獲取信息，然后用計算機對信息加以處理和利用。 

    現(xiàn)在由于單片機性能的提高，尤其是近年來DSP（數(shù)字信號處理器）芯片的商品化，焊接設備、焊接工藝過程和焊接參數(shù)都已經(jīng)能做到數(shù)字化快速控制，并做到及時反饋。通過單片機不僅可以控制焊接電源的外特性、動特性，還可以對焊接時脈沖電流的各種特性進行精確控制，甚至可以在MIG/MAG脈沖焊時實現(xiàn)在線控制,在一個脈沖中過渡一個熔滴。日本、奧地利等國已經(jīng)使“數(shù)字化”焊機商品化。 

    由于焊接過程十分復雜，在手工焊接時熟練焊工需要用到視覺、觸覺甚至聽覺，因此人們探索了采用電場、磁場、可見光、激光、聲波、超聲、熱像、圖像等信息制成了專門用于焊接的傳感器，還有直接利用焊接電弧本身來提取焊接過程的信息，用以控制焊接過程。當然，對于較為復雜的信息處理單片機就無能為力了，往往要求PC機才能進行。 

    3.2 焊接過程的模擬 

    焊接工作者非常希望能夠利用基礎理論對焊接過程中的物理或化學現(xiàn)象的本質(zhì)進行分析，進而通過模擬和計算得到定量的結(jié)果，最終達到在焊接過程中使接頭不出現(xiàn)缺陷，而且能夠滿足規(guī)定性能的目的。但是，焊接過程的模擬十分復雜，例如，對弧焊過程全面模擬就要求能夠模擬焊接時的熱過程、熔滴過渡時的物理化學過程、熔池行為、焊縫凝固過程、熱裂紋的形成、焊縫金屬固態(tài)相變、晶粒長大和偏析、焊縫和熱影響區(qū)的顯微組織、焊縫中的氫擴散、冷裂紋的形成、焊接殘余應力和變形等。 

    幾十年來科學家和焊接專家針對這些問題已經(jīng)建立了許多數(shù)學模型，在現(xiàn)代計算機硬軟件高度發(fā)展條件下已經(jīng)能夠通過有限元法、有限差分法等方法對這些數(shù)學模型做到定量求解。在有限元計算方面，現(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)化的大型通用有限元工具軟件NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，還有專門用于分析焊接現(xiàn)象的軟件，如SYSWELD（法）、HEARTS（日）以及QUICK WELDER（日）等。MATLAB等軟件包為進行各種數(shù)值計算提供了有力工具。各國在焊接過程模擬方面已經(jīng)做了大量工作，在生產(chǎn)中得到了許多應用成果。 

    現(xiàn)在需要進一步研究的問題是； 

   （1）建立的模型能否全面地反映焊接過程的物理或化學反應的本質(zhì)？如何考慮各模型間的相互影響？ 

   （2）能否得到模型計算時需要的各種參數(shù)和相關信息？ 

   （3）得到的定量結(jié)果能否達到要求的精度？如何才能簡化這些模型，做到既節(jié)省時間和費用，而又不影響精度？ 

   （4）通過哪些方法才能驗證模擬結(jié)果的正確性？ 

    正因為這樣才吸引了越來越多的學者和工程技術人員對這些問題不斷地進行深入的研究。 

   3.3 焊接機器人和生產(chǎn)自動化集成系統(tǒng) 

    據(jù)不完全統(tǒng)計全球工業(yè)用機器人已有100萬臺，其中焊接機器人占30％－50％。對機器人焊接過程控制的內(nèi)容很多，就弧焊來說，包括；焊接參數(shù)的穩(wěn)定、焊槍位置和姿態(tài)的確定、焊縫實時跟蹤等方面，對控制的精度要求也越來越高。對于一臺焊接機器人往往配有多種形式的傳感器，需要同時處理大量的數(shù)據(jù)，如遇到離線編程等復雜情況PC機則是必須的工具，有時還需要工作站才能完成任務。這方面許多成果已用于生產(chǎn)，已經(jīng)見到公開報道的如：日本用于核反應堆修復的焊接機器人、法國西雅基公司開發(fā)的12個自由度的雙機器人協(xié)同控制焊接系統(tǒng)是引人注目的例子。 

    日本在汽車工業(yè)、船舶制造、重型機械制造、建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中已大量的裝備了焊接機器人。近年日本已經(jīng)報道施工現(xiàn)場焊接時應用了機器人。在一些大的工廠焊接生產(chǎn)已經(jīng)組成了以焊接機器人為核心的自動化集成系統(tǒng)。例如；NKK 在上世紀90年代初就在橋梁箱梁腹板、翼緣、隔板的生產(chǎn)線上配置了機器人26臺，在造船生產(chǎn)線上配置了機器人10臺，從而取得了巨大的經(jīng)濟效益。 

    近幾年，由于焊接動態(tài)過程實時控制能力的提高，三維CAD設計系統(tǒng)的實施，離線編程軟件的應用，加上引入了一些智能控制方法，如；模糊邏輯、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡等，這樣可以預期遠程控制的智能化焊接機器人集成系統(tǒng)在不遠的將來就能實現(xiàn)。