無(wú)線智能焊接在線監(jiān)測(cè)裝置預(yù)研.doc

1、無(wú)線智能焊接在線監(jiān)測(cè)裝置摘要目前，先進(jìn)制造業(yè)中（如鍋爐、汽輪機(jī)制造；造船業(yè)；汽車制造業(yè)等）大量使用焊接技術(shù)來(lái)完成工件的制造，但目前在國(guó)內(nèi)大多數(shù)的焊接質(zhì)量管理都是依靠人工在現(xiàn)場(chǎng)眼看手記來(lái)實(shí)現(xiàn)，并沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)工藝流程的全程實(shí)時(shí)的數(shù)字化自動(dòng)監(jiān)控，并記錄和保存加工數(shù)據(jù)。這樣，生產(chǎn)者根本無(wú)法對(duì)加工過程中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便可以對(duì)現(xiàn)有的焊接質(zhì)量管理帶來(lái)很大的改進(jìn)和給生產(chǎn)者提供很多便利。我們?cè)O(shè)計(jì)一種無(wú)線智能焊接在線監(jiān)測(cè)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程中各個(gè)工藝點(diǎn)的全面監(jiān)測(cè)，以方便生產(chǎn)者既可以實(shí)時(shí)掌握和分析焊接質(zhì)量，又可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯。無(wú)線智能焊接在線監(jiān)測(cè)分析裝置是基

2、于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在諸多方面優(yōu)于有線網(wǎng)絡(luò)，它提供了更低的成本和更加方便的網(wǎng)絡(luò)組織形式，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。通過基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線智能焊接在線監(jiān)測(cè)裝置，采集數(shù)據(jù)，并通過專業(yè)的焊接質(zhì)量分析軟件對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而分析焊接過程質(zhì)量，預(yù)報(bào)可能產(chǎn)生的焊接問題，也可對(duì)事故進(jìn)行追溯，并提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫(kù)接口，與焊接omp系統(tǒng)無(wú)縫鏈接。目 錄第一章 研究預(yù)研21.1研究背景21.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀41.3國(guó)外現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀41.3.1德國(guó)hks公司51.3.2美國(guó)ig公司81.3.3美國(guó)impact公司91.3.4美國(guó)cwt公司9第二章 總體設(shè)計(jì)

3、規(guī)劃方案132.1系統(tǒng)功能13第一章 研究預(yù)研1.1研究背景焊接技術(shù)是19世紀(jì)末期、20世紀(jì)初期發(fā)展起來(lái)的一種重要的金屬加工工藝。由于它具有一系列技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，目前已發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，廣泛應(yīng)用于航空、航天、原子能、化工、造船、電子技術(shù)、建筑、交通、電力、機(jī)械制造等工業(yè)部門。按照在焊接過程中金屬所處的狀態(tài)不同，可以把焊接方法分為三大類：熔焊、壓焊和釬焊。熔焊是利用局部加熱，使連接處的金屬熔化，并加入（或不加入）填充金屬而使其結(jié)合的焊接方法。它是最有利于金屬原子間結(jié)合的方法。工業(yè)中常用的氣焊、電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、電渣焊等都屬于熔焊。1、焊條電弧焊：原理用手工操作焊條進(jìn)行焊接

4、的電弧焊方法。利用焊條與焊件之間建立起來(lái)的穩(wěn)定燃燒的電弧，使焊條和焊件熔化，從而獲得牢固的焊接接頭。屬氣渣聯(lián)合保護(hù)。主要特點(diǎn)操作靈活；待焊接頭裝配要求低；可焊金屬材料廣；焊接生產(chǎn)率低；焊縫質(zhì)量依賴性強(qiáng)（依賴于焊工的操作技能及現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮）。應(yīng)用廣泛用于造船、鍋爐及壓力容器、機(jī)械制造、建筑結(jié)構(gòu)、化工設(shè)備等制造維修行業(yè)中。適用于（上述行業(yè)中）各種金屬材料、各種厚度、各種結(jié)構(gòu)形狀的焊接。2、埋弧焊（自動(dòng)焊）：原理電弧在焊劑層下燃燒。利用焊絲和焊件之間燃燒的電弧產(chǎn)生的熱量，熔化焊絲、焊劑和母材（焊件）而形成焊縫。屬渣保護(hù)。主要特點(diǎn)焊接生產(chǎn)率高；焊縫質(zhì)量好；焊接成本低；勞動(dòng)條件好；難以在空間位置施焊；對(duì)焊件

5、裝配質(zhì)量要求高；不適合焊接薄板（焊接電流小于100a時(shí)，電弧穩(wěn)定性不好）和短焊縫。應(yīng)用廣泛用于造船、鍋爐、橋梁、起重機(jī)械及冶金機(jī)械制造業(yè)中。凡是焊縫可以保持在水平位置或傾斜角不大的焊件，均可用埋弧焊。板厚需大于5毫米（防燒穿）。焊接碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、復(fù)合鋼材等。 3、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（自動(dòng)或半自動(dòng)焊）：原理：利用二氧化碳作為保護(hù)氣體的熔化極電弧焊方法。屬氣保護(hù)。主要特點(diǎn)焊接生產(chǎn)率高；焊接成本低；焊接變形?。娀〖訜峒校缓附淤|(zhì)量高；操作簡(jiǎn)單；飛濺率大；很難用交流電源焊接；抗風(fēng)能力差；不能焊接易氧化的有色金色。應(yīng)用主要焊接低碳鋼及低合金鋼。適于各種厚度。廣泛用于汽車制

6、造、機(jī)車和車輛制造、化工機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、礦山機(jī)械等部門。4、mig/mag焊（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）：原理采用惰性氣體作為保護(hù)氣，使用焊絲作為熔化電極的一種電弧焊方法。保護(hù)氣通常是氬氣或氦氣或它們的混合氣。mig用惰性氣體，mag在惰性氣體中加入少量活性氣體，如氧氣、二氧化碳?xì)獾取Ｖ饕攸c(diǎn)焊接質(zhì)量好；焊接生產(chǎn)率高；無(wú)脫氧去氫反應(yīng)（易形成焊接缺陷，對(duì)焊接材料表面清理要求特別嚴(yán)格）；抗風(fēng)能力差；焊接設(shè)備復(fù)雜。應(yīng)用幾乎能焊所有的金屬材料，主要用于有色金屬及其合金，不銹鋼及某些合金鋼（太貴）的焊接。最薄厚度約為1毫米，大厚度基本不受限制。5、tig焊（鎢極惰性氣體保護(hù)焊）原理在惰性氣體保護(hù)下，利用鎢極

7、與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可不加填充焊絲），形成焊縫的焊接方法。主要特點(diǎn)適應(yīng)能力強(qiáng)（電弧穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生飛濺）；焊接生產(chǎn)率低（鎢極承載電流能力較差（防鎢極熔化和蒸發(fā)，防焊縫夾鎢）；生產(chǎn)成本較高。應(yīng)用幾乎可焊所有金屬材料，常用于不銹鋼，高溫合金，鋁、鎂、鈦及其合金，難熔活潑金屬（鋯、鉭、鉬、鈮等）和異鐘金屬的焊接。焊接厚度一般在6毫米以下的焊件，或厚件的打底焊。6、等離子弧焊 原理借助水冷噴嘴對(duì)電弧的拘束作用，獲得高能量密度的 等離子弧進(jìn)行焊接的方法。主要特點(diǎn)（與氬弧焊比）（1）能量集中、溫度高，對(duì)大多數(shù)金屬在一定厚度范圍內(nèi)都能獲得小孔效應(yīng)，可以得到充分熔透、反面成形均勻的焊縫。（

8、2）電弧挺度好，等離子弧基本是圓柱形，弧長(zhǎng)變化對(duì)焊件上的加熱面積和電流密度影響比較小。所以，等離子弧焊的弧長(zhǎng)變化對(duì)焊縫成形的影響不明顯。（3）焊接速度比氬弧焊快。（4）能夠焊接更細(xì)、更薄加工件。（4）設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用較高。應(yīng)用 （1）穿透型（小孔型）等離子弧焊：利用等離子弧直徑小、溫度高、能量密度大、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)條件下（較大的焊接電流100a500a），將焊件完全熔透，并在等離子流力作用下，形成一個(gè)穿透焊件的小孔，并從焊件的背面噴出部分等離子弧的等離子弧焊接方法。可單面焊雙面成形，最適于焊接38毫米不銹鋼，12毫米以下鈦合金，26毫米低碳鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼以及銅、黃銅、鎳及鎳合

9、金的對(duì)接焊。（板太厚，受等離子弧能量密度的限制，形成小孔困難；板太薄，小孔不能被液態(tài)金屬完全封閉，固不能實(shí)現(xiàn)小孔焊接法。）（2）熔透型（溶入型）等離子弧焊：采用較小的焊接電流（30a100a）和較低的等離子氣體流量，采用混合型等離子弧焊接的方法。不形成小孔效應(yīng)。主要用于薄板（0.52.5毫米以下）的焊接、多層焊封底焊道以后各層的焊接及角焊縫的焊接。（3）微束等離子?。汉附与娏髟?0a以下的等離子弧焊。噴嘴直徑很?。?.51.5毫米），得到針狀細(xì)小的等離子弧。主要用于焊接1毫米以下的超薄、超小、精密的焊件。壓焊是對(duì)焊接接頭施加足夠的壓力，使接觸處的金屬相結(jié)合的焊接方法。這類焊接有兩種形式，一是將

10、被焊金屬局部加熱至塑性狀態(tài)或半熔化狀態(tài)，再施加一定的壓力，使金屬原子間相互結(jié)合，形成牢固的接頭。如鍛焊、接觸焊、摩擦焊就屬于這種類型的壓焊方法。另一種是不進(jìn)行加熱，僅在被焊金屬的接觸面施加足夠大的壓力，借助于壓力所引起的塑性變形，使原子間相互接近而獲得牢固的擠壓接頭，這種壓焊的方法有冷壓焊、爆炸焊等，這種方法只適用于塑性變形相當(dāng)好的金屬材料。釬焊是把熔點(diǎn)低于被焊金屬的釬料金屬加熱熔化，使共滲透到被焊金屬接縫的間隙中而達(dá)到結(jié)合的方法。焊接時(shí)，被焊金屬處于固態(tài)，只適當(dāng)?shù)募訜幔ɑ虿患訜幔揽恳后w金屬與固體金屬間的原子擴(kuò)散作用，形成牢固的焊接接頭。釬焊是一種古老的焊接方法，但由于在焊接時(shí)被焊金屬不變

11、形，以及一些特殊的性能，所以在現(xiàn)代焊接技術(shù)中仍占有一定的地位。常見的有火焰釬焊、烙鐵釬焊等。目前，在先進(jìn)制造業(yè)中（如鍋爐、汽輪機(jī)制造；造船業(yè)；海洋平臺(tái)；汽車制造業(yè)等）主要使用的是熔焊類型，對(duì)于我們已有的應(yīng)用中，大量使用的是弧焊，如鍋爐廠使用的有：脈沖mig焊、中頻焊、多頭埋弧焊，脈沖等離子弧焊，環(huán)縫埋弧自動(dòng)焊、縱縫電渣焊，集箱管接頭內(nèi)孔氬弧焊等，因而根據(jù)各種弧焊的特點(diǎn)，和需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)來(lái)指導(dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)一款符合基本要求的無(wú)線智能焊接在線監(jiān)測(cè)分析裝置。1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀對(duì)于焊接這樣一個(gè)傳統(tǒng)的工業(yè)技術(shù)，就其技術(shù)本身來(lái)講國(guó)內(nèi)外都比較成熟，但對(duì)于焊接參數(shù)的采集和分析國(guó)內(nèi)相對(duì)比較落后，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目

12、前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上存在大量的電阻焊的監(jiān)測(cè)設(shè)備（包括便攜的，機(jī)側(cè)的等等）監(jiān)測(cè)的參數(shù)也比較單一，但對(duì)于電弧焊的監(jiān)測(cè)設(shè)備基本沒有國(guó)產(chǎn)的成熟產(chǎn)品。目前，國(guó)內(nèi)研究焊接監(jiān)測(cè)技術(shù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)比較多，據(jù)稱有專用的焊接焊接參數(shù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),而且在網(wǎng)上也有其系統(tǒng)信息的發(fā)布，但無(wú)具體樣機(jī)及示范：其主要技術(shù)指標(biāo)：8路模擬信號(hào)輸入：焊接電流、焊接電壓、送絲速度、焊接速度、備用4路（用戶可自定義）。分辨率16bit，4路輸入最高采樣頻率40k通道。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入硬盤，連續(xù)數(shù)據(jù)采集量?jī)H取決于硬盤的大小。手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式觸發(fā)方式，自動(dòng)觸發(fā)具有延時(shí)功能，因此被采集數(shù)據(jù)即可以覆蓋整個(gè)焊接過程（用于焊接生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)），也可以準(zhǔn)確地截取

13、焊接過程中的任意局部（用于實(shí)驗(yàn)研究）。1.3國(guó)外現(xiàn)有產(chǎn)品現(xiàn)狀由于國(guó)外焊接的自動(dòng)化程度較高，特別是在汽車制造和造船業(yè)中大量使用自動(dòng)焊機(jī)，由于對(duì)焊接質(zhì)量的控制要求也較高，因而很多專用的公司推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。1.3.1德國(guó)hks公司德國(guó)hks公司（hks-prozesstechnik gmbh）是世界上最先進(jìn)的對(duì)自動(dòng)化焊接生產(chǎn)監(jiān)測(cè)及分析系統(tǒng)的專業(yè)研究與生產(chǎn)公司。在焊接監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，無(wú)論對(duì)生產(chǎn)加工過程、質(zhì)量評(píng)定還是科學(xué)研究，hks都能量身定做地提供最適合的設(shè)備及系統(tǒng)來(lái)滿足不同的特殊用途及特殊的焊接技術(shù)。hks hks產(chǎn)品的主要功能 產(chǎn)品的主要功能焊接過程質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè) 焊接過程質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)焊接過程參數(shù)的

14、記錄 焊接過程參數(shù)的記錄對(duì)焊接記錄進(jìn)行篩選、統(tǒng)計(jì) 對(duì)焊接記錄進(jìn)行篩選、統(tǒng)計(jì)焊接缺陷的在線探測(cè) 焊接缺陷的在線探測(cè)焊接質(zhì)量的評(píng)定 焊接質(zhì)量的評(píng)定焊接設(shè)備的校準(zhǔn) 焊接設(shè)備的校準(zhǔn)焊接過程的分析 焊接過程的分析通過分析，優(yōu)化焊接工藝 通過分析，優(yōu)化焊接工藝hks hks產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域（ 產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域）mag/mig mag/mig焊接 焊接tig tig焊接 焊接埋弧焊 埋弧焊等離子焊接 等離子焊接提供的過程焊接傳感器：通過不同傳感器與現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)鏈接，主機(jī)獲取數(shù)據(jù)后實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控和分析，從而完成功能。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例：其價(jià)格非常昂貴，一個(gè)站需要大概20萬(wàn)人民幣。1.3.2美國(guó)ig公司ig公司成立于1997年，主

15、要提供一些自動(dòng)化產(chǎn)品，同時(shí)它提供焊接監(jiān)控裝置和智能人機(jī)界面。焊接監(jiān)控裝置：該裝置可以監(jiān)測(cè)焊接電流，電壓，進(jìn)絲速度以及保護(hù)氣體的流量監(jiān)測(cè)，并提供人機(jī)界面的接口。焊接監(jiān)控hmi：通過hmi預(yù)裝的焊接分析軟件來(lái)完成通過焊接裝置數(shù)據(jù)采集并分析。1.3.3美國(guó)impact公司美國(guó)impact是一家專業(yè)的為手工焊，自動(dòng)焊以及機(jī)器人焊接提供全面解決方案的公司。其產(chǎn)品線可以通過下圖看出：其中1000、2000、3000系列是為焊接過程提供信號(hào)采集的并就地分析的產(chǎn)品。同時(shí)還提供強(qiáng)大的分析軟件，以及基于sql數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，可以對(duì)焊機(jī)過程進(jìn)行記錄并分析，以及報(bào)表系統(tǒng)。1.3.4美國(guó)cwt公司cwt公司是一家專業(yè)焊接設(shè)

16、備的提供商，提供包括焊接監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等設(shè)備的公司，該公司的焊接監(jiān)控系統(tǒng)是比較完善的。對(duì)于其焊接監(jiān)控系統(tǒng)比較有借鑒意義的兩個(gè)裝置： intelli-dart智能小型焊接數(shù)字模擬信號(hào)遠(yuǎn)傳裝置該裝置可以監(jiān)測(cè)焊機(jī)過程中電流、電壓、走絲速度、保護(hù)氣體壓力等信號(hào)，它通過傳感器的接口電纜提供24vdc電源，并通過該電纜可以與其它系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。它的傳感器參數(shù)表如下：adm iv.弧焊數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置 這是一款功能比較全的監(jiān)控裝置，通過傳感器接口界面，可以監(jiān)測(cè)焊接保護(hù)氣體流量、焊接時(shí)間、焊接電流、焊接電壓、走絲速度、預(yù)熱溫度、焊接脈沖量等，并將數(shù)據(jù)保存，通過提供的網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)上傳至上位數(shù)據(jù)分析軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)中。第二章 總體設(shè)計(jì)規(guī)劃方案2.1系統(tǒng)功能根據(jù)我們所針對(duì)的應(yīng)用行業(yè)和已有的產(chǎn)品雛形，可以以wct公司的產(chǎn)品為模型來(lái)開發(fā)我們的無(wú)線智能焊接在線監(jiān)測(cè)裝置。由于我們使用的是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，有別于國(guó)外產(chǎn)品，因而，對(duì)于我們無(wú)線焊接監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)講應(yīng)該包含這樣一些裝置和部分：無(wú)線智能數(shù)據(jù)終端、無(wú)線路由器、多功能網(wǎng)關(guān)以及一套焊接分析軟件。對(duì)于無(wú)線路由器、多功能網(wǎng)關(guān)我們已有一定產(chǎn)品，因而在功能完善的基礎(chǔ)上，需要對(duì)外形進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。但對(duì)于無(wú)線智能數(shù)據(jù)終端我們可以參考cwt公司的產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)規(guī)劃，因而也可以分成兩種裝置