摘要：随着智能制造技术不断进步,焊接技术的智能化逐渐成为钢结构行业的重要发展方向。本文设计并开发了一套钢结构智能焊接机器人上位机软件,具有硬件集成控制、免编程免示教、焊接工艺数据库及专家系统、生产数据采集以及远程生产管控等功能,不仅可以指挥下位执行机构合理、精确地完成自动化焊接任务,还能够作为工厂生产与企业管控的中间环节去对接数字化平台。应用结果表明,该软件可以在钢结构制造中发挥承上启下的作用,为推动钢结构工厂焊接智能化提供了技术支撑。

　　关键词：钢结构；智能焊接；机器人；上位机软件

　　0引言

　　工业自动化系统设备由众多机构和模块组成,协同完成一套自动化工作流程。系统中存在着两个层次的对象,即上位机和下位机。下位机是指负责运行和控制现场实际设备的控制器和执行单元。上位机与下位机建立连接,上位机软件控制和监测下位机的运行,并收集、存储、处理和分析下位机的数据,向下位机发送调度和控制指令,充当着整个系统的“大脑”[1]。机器人是工业自动化中不可或缺的关键设备。随着钢结构用钢量的持续增加和人工成本的不断攀升,机器人焊接技术的智能化研究与应用受到越来越多的关注[2-4]。机器人焊接技术的核心是信息技术,是融合人的感官信息（焊接过程视觉、听觉、触觉）、经验知识（熔池行为、电弧声音、焊缝外观）、推理判断（焊接经验知识学习、推理与决策）、焊接过程控制以及工艺各方面专门知识的交叉学科[5]。因此,需要开发出一套智能焊接上位机软件来实现上述功能,为推动钢结构工厂焊接智能化提供理论指导和技术支撑。

　　1智能焊接上位机软件设计

　　1.1软件架构

　　智能焊接上位控制软件的首要任务是向现场操作人员提供便捷友好的操作界面,指挥下位执行机构合理、精确地完成自动化焊接任务。ArcCtrl软件指挥自动化焊接的软件架构如图1所示,主要包含执行单元、人机交互、机器视觉和焊接工艺四大功能模块。下文详细介绍ArcCtrl软件的主要功能。

　　1.2功能设计

　　（1）ArcCrtrl软件具有硬件集成控制功能。该软件适配国内外多种机器人,并在设计上将焊机、机器人、清枪剪丝机构、PLC等多类型的下位执行机构抽象成单独模块,通过简单的设置就能实现对新增硬件的掌控,达到即装即用的效果。同时,该软件可以结合工厂的个性化需求迅速形成定制化的解决方案,有效解决了上位机和下位机由于通讯协议不同导致的不兼容问题,以及不同品牌机器人由于其独特的数据格式、接口参数和系统开放程度导致的不适配问题。

　　（2）ArcCtrl软件具有免编程免示教功能。该软件解析通过Tekla插件导出的构件焊缝信息,提取焊缝位置,预先规划出每条焊缝被拍摄时相机所处位置和机器人姿态,可通过三维交互界面调整。操作员需要示教实际构件的原点位置,软件读取该位置,与预先规划的拍照点位关联,即可计算出实际拍照点位。在程序启动后,机器人运行到一个拍照点位,解析深度相机拍照的结果,识别出焊缝特征,并将相应的焊接轨迹下发机器人执行焊接,继续运行到下一个拍照点位,最终完成整个焊接工序,达到了免示教免编程的效果。这不仅节省了大量焊前准备工作,大幅提升了焊接效率,而且能在一定范围内适应钢构件装配偏差和焊接变形带来的误差。

　　（3）ArcCtrl软件具有专家系统。由于硬件设备的局限,在进行坡口焊接时仍需人工标注,通过工艺中设定的层道偏移来完成多层多道焊接。在多层多道排布算法尚未得到可靠方案的行业普遍技术现状下,采取焊接工艺数据库是机器人全自动坡口多层多道焊接的一种可行方案,且符合半熔透要求。然而,实际生产中使用的焊接数据库主要是进行简单查询和指导工作,智能化程度低,通用性不强。因此,从反复的焊接实验中提取出应用规则和经验公式,即开发出专家系统,才能发挥出工艺数据库更大的价值。经过大量焊接测试,以及坡口焊接剖面观测和熔覆量统计,初步实现对单道焊接参数的焊道尺寸形状的预测,从而对多层多道焊接工艺的焊缝成型效果做出简单模拟,模拟结果显示到ArcCtrl软件界面上。此外,ArcCtrl软件提供焊缝偏移计算器,用于计算不同参考系下完成指定偏移量应设定的参数。利用以上两个工具,操作人员可以更快地调整出合适的焊接参数。

　　（4）ArcCtrl软件可以实现生产数据采集。ArcCtrl软件作为焊接自动化系统的“大脑”,是最接近生产过程的终端,能够实时读取各项下位执行机构的原始状态信息,并且通过换算关系将其转变为有价值有意义的数据。为了提高获取数据的准确性和可靠性,必要时需要为某机构额外配备一个数字传感器。例如,为焊丝盘装上光电编码器后,ArcCtrl软件连接编码器,实时获取机械几何位移量转换成的脉冲或数字量,换算成焊丝盘转速,再结合焊丝的材料、半径、密度等信息,即可计算出每次焊接的焊丝熔敷量,该数据反映到数字化管控平台中,即可成为描述操作人员工作量的指标之一。此外,ArcCtrl还提供多种信息化接口以供各类管控平台采集生产数据,实现对设备性能、生产质量、能耗效率等方面的优化和改进,提供预测和预警。

　　（5）ArcCtrl软件提供生产过程仿真功能。通过三维人机交互界面放置各个机构的模型,模拟机器人按照指定拍照点位运行并执行焊接,检测焊前规划的可达性、安全性和稳定性,提供焊接路径、焊接时长等有价值信息。

　　2智能焊接上位机软件应用

　　在ArcCtrl管控下的自动化焊接操作流程为设计人员使用Tekla软件插件将构件的焊缝信息提取成文件交给工厂的设备操作人员,操作人员将该文件导入ArcCtrl软件,ArcCtrl即可自动规划焊接路径。在示教构件的焊接起点后,点击运行按钮,设备将全自动运行,完成整工序的焊接。具体流程如图2所示。

　　不同的钢结构工厂根据自己的产品特点和市场需求,对智能设备的选择和配置也有所差异。因此,根据多个工厂的共性需求制作标准化样机,在此基础上提出多种选配方案,例如增加变位装置提升翻转效率、采用地轨增加可焊工件体积、采用悬臂倒装的方式适应工厂复杂工件类型等。目前,ArcCtrl软件已在钢结构部件焊接和H型钢总成焊接两大焊接场景下实现应用,如图3所示。

　　特别值得一提的是,ArcCtrl已与前期自主研发的数字化平台—“灵犀云控”完成了初步对接,操作人员可通过ArcCtrl实现上报工作量、将焊接工艺调整内容写入远程数据库、提交告知故障维保记录、上传更新物料消耗量等操作。该上位机软件的应用推动了钢结构焊接生产的自动化和智能化,大大提高了生产效率和产品质量。同时,由于减少了人工操作,也降低了生产成本和安全隐患。

　　3结语

　　面向钢结构工厂焊接场景,本文设计并开发了AcrCtrl智能焊接上位机软件,不仅能指挥下位执行机构合理、精确地完成自动化焊接任务,而且可以作为工厂生产与企业管控的中间环节去对接数字化平台。该软件的应用推动了钢结构焊接生产的自动化和智能化,大大提高了生产效率和产品质量。未来,随着机器视觉处理、人工智能、工业互联网等各类信息化技术的发展,上位机软件将逐渐打通生产现场过程控制层与企业运营管理层间的关系,成为信息化与工业化融合的桥梁和纽带。

参考文献

　　[1]吴梦芸,郭晶.BLDC控制器上位机配置软件设计与实现[J].电脑与信息技术,2024,32(3):90-93.

　　[2]郑春霞,刘越,赵浩钧.钢结构的工业机器人智能焊接工作站的设计[J].内蒙古工业大学学报(自然科学版),2025,44(1):30-37.

　　[3]杨高阳,汪晓阳,孙朋,等.大型钢结构机器人智能焊接技术及应用[J].焊接技术,2024,53(5):94-96.

　　[4]杨文武.智能焊接机器人在复杂结构件焊接中的应用[J].造纸装备及材料,2025,54(3):37-39.

　　[5]牛子明,熊凌,胡晓东,等.面向大型钢结构的机器人智能焊接方法研究[J].冶金设备,2025(1):1-7.