變間隙鋁合金脈沖GTAW熔池視覺特征獲取及其智能控制研究.pdf

1、在鋁合金填絲脈沖GTAW自動化過程中，保證焊縫穩(wěn)定成形的有效方式是實時獲取焊接過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，其過程傳感及控制策略的選擇始終是實現(xiàn)自動化焊接過程的瓶頸。此外，間隙是影響鋁合金焊縫成形的重要因素，由于機械加工、裝卡精度和熱變性等原因，在焊接過程中很難有效避免，因此，本文將間隙作為一個重要參數(shù)，對變間隙鋁合金填絲脈沖GTAW過程視覺傳感及智能控制問題進(jìn)行了系統(tǒng)深入探討。 根據(jù)鋁合

2、金填絲脈沖GTAW過程控制系統(tǒng)信息獲取需要，設(shè)計了多光路同時同幅傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了從熔池正前方、斜后方和斜下方等三個方向同時同幅獲取熔池圖像，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，在對電弧弧光機理進(jìn)行分析和實驗基礎(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，分析了取像時刻、取像基值電流、基值峰值對視覺傳感效果的影

3、響，最終確定了兼顧焊接工藝和視覺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。在實驗的基礎(chǔ)上，本文在線采集了正常焊縫成形時圖像以及四種宏觀焊接缺陷情況下的圖像，并分別對這些存在焊接缺陷的圖像特點進(jìn)行了總結(jié)。 焊接過程視覺傳感是為了實時準(zhǔn)確的提取表征熔池形狀和大小的特征信息。經(jīng)過分析熔透變化過程中熔池形狀變化特點，定義了熔池正背面寬度、正面半長、正面余高、間隙及焊縫位置對焊接熔池形狀及運動方向進(jìn)行了描述。針對斜后方熔池

4、圖像特點，結(jié)合小波分析及Canny算子兩者優(yōu)點，提取了熔池邊緣信息，經(jīng)去噪、標(biāo)定校正后，采用分段多項式擬合的方法對熔池邊緣進(jìn)行了恢復(fù)，提取到熔池寬度及半長。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)一步開發(fā)了焊縫宏觀缺陷在線檢測圖像處理方法，定義了各種焊接缺陷特征評

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

6、接工藝參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系，本文采用經(jīng)典階躍響應(yīng)激勵系統(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)地動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能，為進(jìn)一步地焊接過程實時控制奠定了基礎(chǔ)，證明了焊接過程存在非線性、強耦合和時滯等復(fù)雜特點，簡單的數(shù)學(xué)模型難以對其精確描述。 為了建立焊接過程動態(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、、間隙隨機變化范圍，在以上三個變量同時隨機變化的條件下，進(jìn)行隨機實焊試驗，提取到熔池正背面幾何形狀參數(shù)。對其進(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預(yù)測模型，熔池背面寬度及正面高度預(yù)測模型。利用以上兩模型，對不同規(guī)范下熔池形狀動態(tài)變化過程進(jìn)行了離線仿真，仿真結(jié)果與實際焊接過程人工經(jīng)驗基本一致，進(jìn)一步證明了前述動態(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)計及實驗，其中，間隙處于[0，0.5mm]時被看作系統(tǒng)干擾，實驗中間隙值為0.3mm。為了比較不同控制器性能，首先設(shè)計了經(jīng)典位置式PID控制器，仿真結(jié)果及實焊控制實驗表明，針對不同系統(tǒng)期望值和初始參數(shù)，固定參數(shù)的PID控制器無法適應(yīng)焊接過程的非線性、變參數(shù)特征。針對固定參數(shù)PID控制器的不足，進(jìn)一步設(shè)計了參數(shù)在線自調(diào)整的MS-PSD控制器，仿真結(jié)果及實焊控制實驗表明，參數(shù)在線自適應(yīng)調(diào)整MS-PSD控制器對

9、變散熱條件或小間隙工件背面熔寬均可以實現(xiàn)較好的控制效果。 針對傳統(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)過對樣本數(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、條件屬性值約簡、規(guī)則約簡等過程，設(shè)計了單入單出RS控制器，并進(jìn)行了仿真，變散熱及小間隙工件實焊實驗結(jié)果均表明，對于背面熔寬，該控制器可以獲得較好控制效果。 同時，以上實驗也表明，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)處于開環(huán)狀態(tài)，尤其在有間隙時，熔池表面下塌嚴(yán)重，成形受到影響。 為同時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)計了雙入雙出RS及MS-PSD復(fù)合控制器，其中焊接電流用來控制背面熔寬，送絲速度用來控制正面余高，并進(jìn)行了仿真，變散熱及小間隙工件實焊實驗結(jié)果表明，在間隙處于[0，0.5mm]區(qū)間時，對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。 實踐經(jīng)驗表明：在本文無襯墊4mm厚開坡口鋁合

11、金GTAW中，間隙大于1.5mm時，焊件廢品率明顯提高，該工藝方法無法保證穩(wěn)定成形，故大間隙焊接控制實驗中，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)驗和工件坡口形式，提出了實際焊接過程中有間隙時送絲增量補償公式，進(jìn)一步設(shè)計了基于參數(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焊實驗表明，該控制器可以在大間隙條件下實現(xiàn)良好焊縫成形。其中間隙漸變時，焊道正背面成形均勻