變間隙鋁合金脈沖GTAW熔池視覺(jué)特征獲取及其智能控制研究.pdf

1、在鋁合金填絲脈沖GTAW自動(dòng)化過(guò)程中，保證焊縫穩(wěn)定成形的有效方式是實(shí)時(shí)獲取焊接過(guò)程熔透信息并采用合理的控制策略形成閉環(huán)控制。由于鋁合金材料的特殊性，其過(guò)程傳感及控制策略的選擇始終是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接過(guò)程的瓶頸。此外，間隙是影響鋁合金焊縫成形的重要因素，由于機(jī)械加工、裝卡精度和熱變性等原因，在焊接過(guò)程中很難有效避免，因此，本文將間隙作為一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)變間隙鋁合金填絲脈沖GTAW過(guò)程視覺(jué)傳感及智能控制問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)深入探討。 根據(jù)鋁合

2、金填絲脈沖GTAW過(guò)程控制系統(tǒng)信息獲取需要，設(shè)計(jì)了多光路同時(shí)同幅傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從熔池正前方、斜后方和斜下方等三個(gè)方向同時(shí)同幅獲取熔池圖像，為研究熔池正反面幾何形狀關(guān)系提供了有利工具。 結(jié)合鋁合金填絲脈沖GTAW電弧特點(diǎn)，在對(duì)電弧弧光機(jī)理進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了基于窄帶復(fù)合濾光的濾光系統(tǒng)，為三條光路分別選擇了不同的濾光片、減光片，以電弧光作為照明光源，在多種工藝條件下，分析了取像時(shí)刻、取像基值電流、基值峰值對(duì)視覺(jué)傳感效果的影

3、響，最終確定了兼顧焊接工藝和視覺(jué)傳感的熔池圖像采集方案，獲得了清晰、穩(wěn)定的鋁合金熔池圖像。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文在線采集了正常焊縫成形時(shí)圖像以及四種宏觀焊接缺陷情況下的圖像，并分別對(duì)這些存在焊接缺陷的圖像特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。 焊接過(guò)程視覺(jué)傳感是為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的提取表征熔池形狀和大小的特征信息。經(jīng)過(guò)分析熔透變化過(guò)程中熔池形狀變化特點(diǎn)，定義了熔池正背面寬度、正面半長(zhǎng)、正面余高、間隙及焊縫位置對(duì)焊接熔池形狀及運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行了描述。針對(duì)斜后方熔池

4、圖像特點(diǎn)，結(jié)合小波分析及Canny算子兩者優(yōu)點(diǎn)，提取了熔池邊緣信息，經(jīng)去噪、標(biāo)定校正后，采用分段多項(xiàng)式擬合的方法對(duì)熔池邊緣進(jìn)行了恢復(fù)，提取到熔池寬度及半長(zhǎng)。采用了退化恢復(fù)、閾值分割、去噪、細(xì)化及Hough變換等圖像處理算法，提取了熔池前端間隙和方向信息。采用了去噪、二值化處理、邊緣提取等圖像處理算法，提取了背面熔池寬度信息。 在不干擾正常圖像處理流程的前提下，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了焊縫宏觀缺陷在線檢測(cè)圖像處理方法，定義了各種焊接缺陷特征評(píng)

5、價(jià)函數(shù)。對(duì)偏絲缺陷圖像，由于焊絲只能出現(xiàn)在熔池一側(cè)，通過(guò)對(duì)比熔池兩側(cè)灰度變化可以進(jìn)行判斷：對(duì)錯(cuò)邊缺陷圖像，其斜后方熔池邊緣標(biāo)定后，其頭部上下兩側(cè)最前端邊緣點(diǎn)橫坐標(biāo)出現(xiàn)明顯錯(cuò)位，通過(guò)比較該區(qū)域上下兩部分橫坐標(biāo)統(tǒng)計(jì)平均值可以判斷缺陷是否存在：對(duì)焊漏缺陷圖像，其正面圖像焊漏處灰度值明顯偏小，通過(guò)榆驗(yàn)同定區(qū)域灰度平均值可以判斷缺陷是否存在；對(duì)未焊透缺陷圖像，其背面熔寬可以直接反映。 為了從控制角度研究鋁合金GTAW過(guò)程中熔池特征參數(shù)與焊

6、接工藝參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，本文采用經(jīng)典階躍響應(yīng)激勵(lì)系統(tǒng)，分別建立了峰值電流、送絲速度、間隙，焊接速度與熔池幾何形狀參數(shù)間的單入單出經(jīng)典傳遞函數(shù)模型，深入分析了焊接規(guī)范參數(shù)與熔池幾何形狀參數(shù)之間的關(guān)系，從理論上描述了系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能，為進(jìn)一步地焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制奠定了基礎(chǔ)，證明了焊接過(guò)程存在非線性、強(qiáng)耦合和時(shí)滯等復(fù)雜特點(diǎn)，簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型難以對(duì)其精確描述。 為了建立焊接過(guò)程動(dòng)態(tài)模型，在合理的焊接規(guī)范下，確定了焊接電流、送絲速度

7、、間隙隨機(jī)變化范圍，在以上三個(gè)變量同時(shí)隨機(jī)變化的條件下，進(jìn)行隨機(jī)實(shí)焊試驗(yàn)，提取到熔池正背面幾何形狀參數(shù)。對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)拓展和去噪處理后，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，分別建立了熔池正面寬度和半長(zhǎng)預(yù)測(cè)模型，熔池背面寬度及正面高度預(yù)測(cè)模型。利用以上兩模型，對(duì)不同規(guī)范下熔池形狀動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行了離線仿真，仿真結(jié)果與實(shí)際焊接過(guò)程人工經(jīng)驗(yàn)基本一致，進(jìn)一步證明了前述動(dòng)態(tài)模型的正確性與可行性。 結(jié)合工件尺寸、坡口形式及工藝條件，詳細(xì)分析了工藝及焊縫成

8、形特征，并進(jìn)行了單入單出控制器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)，其中，間隙處于[0，0.5mm]時(shí)被看作系統(tǒng)干擾，實(shí)驗(yàn)中間隙值為0.3mm。為了比較不同控制器性能，首先設(shè)計(jì)了經(jīng)典位置式PID控制器，仿真結(jié)果及實(shí)焊控制實(shí)驗(yàn)表明，針對(duì)不同系統(tǒng)期望值和初始參數(shù)，固定參數(shù)的PID控制器無(wú)法適應(yīng)焊接過(guò)程的非線性、變參數(shù)特征。針對(duì)固定參數(shù)PID控制器的不足，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了參數(shù)在線自調(diào)整的MS-PSD控制器，仿真結(jié)果及實(shí)焊控制實(shí)驗(yàn)表明，參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)整MS-PSD控制器對(duì)

9、變散熱條件或小間隙工件背面熔寬均可以實(shí)現(xiàn)較好的控制效果。 針對(duì)傳統(tǒng)智能控制器的局限，從兼顧控制器智能特性及可理解性角度，本文引入RS理論，經(jīng)過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拓展、去噪、離散化預(yù)處理、條件屬性約簡(jiǎn)、條件屬性值約簡(jiǎn)、規(guī)則約簡(jiǎn)等過(guò)程，設(shè)計(jì)了單入單出RS控制器，并進(jìn)行了仿真，變散熱及小間隙工件實(shí)焊實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，對(duì)于背面熔寬，該控制器可以獲得較好控制效果。 同時(shí)，以上實(shí)驗(yàn)也表明，以背面熔寬作為輸出的單入單出控制系統(tǒng)中，熔池正

10、面幾何參數(shù)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，尤其在有間隙時(shí)，熔池表面下塌嚴(yán)重，成形受到影響。 為同時(shí)控制熔池背面熔寬和正面余高，在單入單出RS控制器基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了雙入雙出RS及MS-PSD復(fù)合控制器，其中焊接電流用來(lái)控制背面熔寬，送絲速度用來(lái)控制正面余高，并進(jìn)行了仿真，變散熱及小間隙工件實(shí)焊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在間隙處于[0，0.5mm]區(qū)間時(shí)，對(duì)于背面熔寬和正面余高，該控制器均可以獲得較好控制效果。 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：在本文無(wú)襯墊4mm厚開(kāi)坡口鋁合

11、金GTAW中，間隙大于1.5mm時(shí)，焊件廢品率明顯提高，該工藝方法無(wú)法保證穩(wěn)定成形，故大間隙焊接控制實(shí)驗(yàn)中，要求間隙小于1.5mm。 在分析了理想狀態(tài)下間隙值與送絲量之間的數(shù)量關(guān)系后，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和工件坡口形式，提出了實(shí)際焊接過(guò)程中有間隙時(shí)送絲增量補(bǔ)償公式，進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于參數(shù)預(yù)置前饋的RS和MS-PSD復(fù)合控制器，間隙漸變和間隙突變兩種工件實(shí)焊實(shí)驗(yàn)表明，該控制器可以在大間隙條件下實(shí)現(xiàn)良好焊縫成形。其中間隙漸變時(shí)，焊道正背面成形均勻