填絲脈沖GTAW熔池三維特征實(shí)時(shí)提取與智能控制.pdf

1、焊接熔池動(dòng)態(tài)特征信息獲取與智能控制一直是焊接界研究的前沿課題，也是智能焊接機(jī)器人的一個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。目前大部分研究工作集中在GTAW不填絲無縫隙對(duì)接焊上，在焊縫的成形控制目標(biāo)上也主要限于焊縫的二維信息上。而在填絲焊和對(duì)焊縫高度信息的控制方面研究很少，然而這種情況正是精密焊接所必需的。 本文針對(duì)填絲脈沖GTAW熔池三維特征實(shí)時(shí)提取與智能控制這一問進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：首先采用圖像傳感的方法獲得清晰的圖像；然后對(duì)熔池的三維形狀參

2、數(shù)進(jìn)行定義，并利用計(jì)算機(jī)視覺中恢復(fù)形狀理論提取出熔池表面的三維形狀信息；進(jìn)一步建立焊接規(guī)多數(shù)同熔池形狀參數(shù)之間的非線性模型；最后針對(duì)焊接過程多變量、非線性、變參數(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了非線性智能控制器，實(shí)現(xiàn)了熔池三維形狀參數(shù)動(dòng)態(tài)智能控制。 被動(dòng)式視覺傳感方法是焊接過程傳感的一種主要方法，其主要原理是利用電弧光照射熔池表面獲得熔池圖像。本文利用這一傳感原理，選擇合適的取像參數(shù)，獲得了熔池表面不同形狀時(shí)都很清晰的熔池圖像。 本文分析了

3、焊接的過程中熔池的形狀變化及產(chǎn)生的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出了描述熔池形狀的特征參數(shù)，即熔池正面長(zhǎng)度厶、正面寬度W<,t>、半長(zhǎng)比R<,hI>、背面寬度W<'b>、背面長(zhǎng)度L<',b>背面寬度W<,b>、熔池高度H<,t>和熔池深度D<,t。>。開發(fā)了提取熔池正反面形狀參數(shù)的圖像處理算法，滿足焊接過程實(shí)時(shí)控制的需求。 在填絲脈沖GTAW過程中，為實(shí)現(xiàn)熔池三維形狀的動(dòng)態(tài)控制，需要提取出熔池的正面高度參數(shù)。本文對(duì)三維計(jì)算機(jī)視覺中明暗恢復(fù)

4、形狀的機(jī)理進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，對(duì)三種典型的算法分別從對(duì)真解的逼近程度和求解效率兩個(gè)方面進(jìn)行分析比較。針對(duì)Zheng&Chellappa算法對(duì)圖像灰度變化的敏感性、對(duì)物體的邊界約束不強(qiáng)和表面法線與光源方向接近處的表面計(jì)算誤差較大的缺點(diǎn)，提出了在求解過程中對(duì)輸入圖像進(jìn)行光滑處理、加強(qiáng)邊界約束、利用物體表面的已知特征、引入了光強(qiáng)誤差加權(quán)調(diào)整等約束條件，并通過人工合成圖像和實(shí)際的焊縫圖像來驗(yàn)證此改進(jìn)算法的有效性。在一定的工藝條件下電弧可以被抽

5、象為點(diǎn)光源，光強(qiáng)沿各個(gè)方向同性，熔池表面的反射看成是均勻漫反射和鏡面反射共同作用的結(jié)果，從而建立了實(shí)際熔池表面的成像模型，并通過對(duì)實(shí)際熔池圖像熔池表面高度的計(jì)算，驗(yàn)證了該模型的正確性。 弧焊焊接過程是被焊金屬在電弧熱源的作用下，經(jīng)歷加熱、熔化以及凝固和連續(xù)冷卻而最終形成焊縫的過程?？梢杂梅蔷€性函數(shù)過程模擬焊接電弧這一熱源特性，熱源形成可以被認(rèn)為是瞬時(shí)完成的，故非線性環(huán)節(jié)不含動(dòng)態(tài)過程。加熱、凝固和冷卻過程則用線性動(dòng)態(tài)過程集中描述。

6、針對(duì)這一特點(diǎn)，本文利用Haminerstein模型這一非線性模型來對(duì)焊接熔池形成過程進(jìn)行描述，并利用遞推最小二乘法建立了焊接峰值電流I<,p>與熔池的背面熔寬W<,b>的BWHM模型和送絲速度V<,f>與熔池表面高度H<,t>的THHM模型，通過實(shí)際焊接過程觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證并與線性模型比較，顯示了該模型的準(zhǔn)確性。針對(duì)實(shí)際焊接過程中熔池背面形狀參數(shù)直接測(cè)量的困難，本文還建立了焊接規(guī)范參數(shù)同熔池正面參數(shù)聯(lián)合預(yù)測(cè)熔池反面寬度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)模型B

7、WDNNM。 焊接過程是一個(gè)時(shí)變的過程，為了對(duì)熔池背面熔寬進(jìn)行實(shí)時(shí)而良好的控制，本文設(shè)計(jì)了基于焊接峰值電流調(diào)節(jié)的非線性自校正控制器。通過在2mm厚的Q235鋼試件上對(duì)接控制實(shí)驗(yàn)，表明該控制器可以很好的克服外界干擾，從而保證熔池反面寬度的穩(wěn)定。為了同時(shí)滿足熔池反面寬度和正面高度同時(shí)穩(wěn)定的要求，本文還設(shè)計(jì)了基于焊接峰值電流和送絲速度調(diào)節(jié)的非線性復(fù)合智能控制器。通過在2mm厚的Q235鋼試件上對(duì)接控制實(shí)驗(yàn)，控制結(jié)果表明該非線性復(fù)合智能