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(jì)算機(jī)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(chǔ)、方便地處理、利用，因此計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了各行各業(yè)的信息化。 

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

    各種用途的應(yīng)用軟件經(jīng)過20多年的發(fā)展可以說是應(yīng)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(jì)劃推進(jìn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）示范工程和CAD應(yīng)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(dāng)進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上國家在“十五”期間提出了以“信息化推動(dòng)工業(yè)化”的目標(biāo)，加快制造業(yè)信息化的進(jìn)程�！笆�五”期間科技部準(zhǔn)備投入8億元人民幣組織實(shí)施制造業(yè)信息化關(guān)鍵技術(shù)研究以及應(yīng)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(dá)到100億人民幣。中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì)定于2002年9月在北京召開“機(jī)械工業(yè)企業(yè)信息化會(huì)議”，以進(jìn)一步推進(jìn)機(jī)械行業(yè)企業(yè)信息化工作方面的工作。 

    信息時(shí)代有如一場風(fēng)暴，企業(yè)信息化勢在必行，因此我們要抓住這個(gè)歷史的機(jī)遇分步驟、分層次、分領(lǐng)域地在焊接信息化的研究與應(yīng)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(jì)算機(jī)技術(shù)在焊接中應(yīng)用”（Computer Technology in Welding）國際會(huì)議，此后至2000年已召開了第10次會(huì)議。與此同時(shí)，美國焊接研究所（AWI）也組織類似的會(huì)議，自1986年以來，2001年在俄亥俄召開了第11次會(huì)議。這些會(huì)議一般都包括；傳感系統(tǒng)、模擬與仿真、制造過程自動(dòng)化、管理和教育軟件等內(nèi)容，近兩年又增加了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和集成制造等方面的內(nèi)容。國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）1988年在維也納召開的第41屆年會(huì)大會(huì)的主題就是“Computer in Welding Technology”。1994年在北京召開的IIW第47屆年會(huì)大會(huì)的主題報(bào)告的題目為“信息時(shí)代的焊接”。同時(shí)，在IIW第Ⅻ專業(yè)委員會(huì)會(huì)議上幾乎每年都有世界各國計(jì)算機(jī)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用以及焊接軟件發(fā)展情況的報(bào)道。另外，在IIW第Ⅸ專業(yè)委員會(huì)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(huì)支持下自1991年開始，每兩年在奧地利Graz大學(xué)召開一次題為“Numerical Analysis of Welding”的國際研討會(huì)，到2001年一共已開了6次。這個(gè)會(huì)議不僅限于“焊接性”的數(shù)值分析，還包括了焊接應(yīng)力與變形等各方面的數(shù)值計(jì)算與模擬。近幾年我國清華大學(xué)、山東大學(xué)、華南理工大學(xué)已有教師參加過上面提到的這些會(huì)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(huì)議的部分論文集，從中可以看出在焊接領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)應(yīng)用的新進(jìn)展，其中許多論文反映了這些技術(shù)已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。 

    有的國家為了進(jìn)一步研究焊接計(jì)算機(jī)應(yīng)用和信息化技術(shù)制定了專門計(jì)劃。例如；日本在2001年溶接學(xué)會(huì)志和溶接技術(shù)雜志上先后報(bào)道了國家攻關(guān)課題“高效與高可靠性焊接技術(shù)的開發(fā)”的情況。日本通商產(chǎn)業(yè)省準(zhǔn)備投入經(jīng)費(fèi)20億日元（約1600萬美元），啟動(dòng)這個(gè)國家攻關(guān)課題。課題的研究總目的是“通過模擬改進(jìn)電弧焊接技術(shù)” 。該項(xiàng)目包括；焊接工藝過程、焊接冶金組織和焊接變形領(lǐng)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(gè)由政府組織的有產(chǎn)、學(xué)、研參加的大型項(xiàng)目。參加這一項(xiàng)目的有大阪大學(xué)、神戶制鋼、川崎重工等單位。 

    德國制定了一個(gè)科技攻關(guān)項(xiàng)目SFB-370“材料的集成模虛擬（Integrated Modeling of Materials）”計(jì)劃，亞琛工業(yè)大學(xué)焊接研究所承擔(dān)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(yù)測焊接接頭的力學(xué)性能和使用性能。他們已經(jīng)研究的電子束焊、氣體保護(hù)焊和點(diǎn)焊模擬系統(tǒng)（EBSIM、MAGSIM、SPOTSIM）可以方便地通過計(jì)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(shí)用價(jià)值。 

    2．2 國內(nèi)現(xiàn)狀 

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

    我國在焊接應(yīng)用軟件研制方面，清華大學(xué)在上世紀(jì)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(xué)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(jìn)行改版升級。太原重型機(jī)械廠作為原機(jī)械部焊接示范單位，曾經(jīng)在廠內(nèi)焊接處中建立了計(jì)算機(jī)應(yīng)用科，開發(fā)了“數(shù)控切割自動(dòng)編程套料系統(tǒng)”等軟件，現(xiàn)在正和清華大學(xué)合作開發(fā)“焊接零件下料工藝、材料和工時(shí)定額制定軟件系統(tǒng)”。清華大學(xué)還為徐州工程機(jī)械廠等單位開發(fā)了“焊接工藝CAPP系統(tǒng)”。上海港機(jī)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(yīng)用軟件。 

    在應(yīng)用計(jì)算機(jī)對焊接工藝過程、焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量等領(lǐng)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(dá)到了國際水平、得到了國家級的獎(jiǎng)勵(lì)。 

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

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

    根據(jù)以上簡單介紹，可以看出，焊接界所關(guān)心的信息化問題可以大體包括以下幾個(gè)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(shè)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(shù)獲取信息，然后用計(jì)算機(jī)對信息加以處理和利用。 

    現(xiàn)在由于單片機(jī)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(shè)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(shí)反饋。通過單片機(jī)不僅可以控制焊接電源的外特性、動(dòng)特性，還可以對焊接時(shí)脈沖電流的各種特性進(jìn)行精確控制，甚至可以在MIG/MAG脈沖焊時(shí)實(shí)現(xiàn)在線控制,在一個(gè)脈沖中過渡一個(gè)熔滴。日本、奧地利等國已經(jīng)使“數(shù)字化”焊機(jī)商品化。 

    由于焊接過程十分復(fù)雜，在手工焊接時(shí)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(dāng)然，對于較為復(fù)雜的信息處理單片機(jī)就無能為力了，往往要求PC機(jī)才能進(jìn)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(chǔ)理論對焊接過程中的物理或化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)進(jìn)行分析，進(jìn)而通過模擬和計(jì)算得到定量的結(jié)果，最終達(dá)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(fù)雜，例如，對弧焊過程全面模擬就要求能夠模擬焊接時(shí)的熱過程、熔滴過渡時(shí)的物理化學(xué)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(kuò)散、冷裂紋的形成、焊接殘余應(yīng)力和變形等。 

    幾十年來科學(xué)家和焊接專家針對這些問題已經(jīng)建立了許多數(shù)學(xué)模型，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)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(xué)模型做到定量求解。在有限元計(jì)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(jìn)行各種數(shù)值計(jì)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(yīng)用成果。 

    現(xiàn)在需要進(jìn)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(xué)反應(yīng)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(jì)算時(shí)需要的各種參數(shù)和相關(guān)信息？ 

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

   （4）通過哪些方法才能驗(yàn)證模擬結(jié)果的正確性？ 

    正因?yàn)檫@樣才吸引了越來越多的學(xué)者和工程技術(shù)人員對這些問題不斷地進(jìn)行深入的研究。 

   3.3 焊接機(jī)器人和生產(chǎn)自動(dòng)化集成系統(tǒng) 

    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全球工業(yè)用機(jī)器人已有100萬臺(tái)，其中焊接機(jī)器人占30％－50％。對機(jī)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(shí)時(shí)跟蹤等方面，對控制的精度要求也越來越高。對于一臺(tái)焊接機(jī)器人往往配有多種形式的傳感器，需要同時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)，如遇到離線編程等復(fù)雜情況PC機(jī)則是必須的工具，有時(shí)還需要工作站才能完成任務(wù)。這方面許多成果已用于生產(chǎn)，已經(jīng)見到公開報(bào)道的如：日本用于核反應(yīng)堆修復(fù)的焊接機(jī)器人、法國西雅基公司開發(fā)的12個(gè)自由度的雙機(jī)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(jī)械制造、建筑鋼結(jié)構(gòu)制造中已大量的裝備了焊接機(jī)器人。近年日本已經(jīng)報(bào)道施工現(xiàn)場焊接時(shí)應(yīng)用了機(jī)器人。在一些大的工廠焊接生產(chǎn)已經(jīng)組成了以焊接機(jī)器人為核心的自動(dòng)化集成系統(tǒng)。例如；NKK 在上世紀(jì)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(jī)器人26臺(tái)，在造船生產(chǎn)線上配置了機(jī)器人10臺(tái)，從而取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 

    近幾年，由于焊接動(dòng)態(tài)過程實(shí)時(shí)控制能力的提高，三維CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)施，離線編程軟件的應(yīng)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(luò)等，這樣可以預(yù)期遠(yuǎn)程控制的智能化焊接機(jī)器人集成系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來就能實(shí)現(xiàn)。