基于焊工經(jīng)驗(yàn)的人與熔池交互行為解析及熔池形態(tài)控制研究.pdf

1、在復(fù)雜變工況焊接條件下，要實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人替代焊工部分或大部分工作，就要使機(jī)器人不僅具有良好的焊縫跟蹤和路徑規(guī)劃能力，而且要具備焊接過程中對(duì)焊接熔池動(dòng)態(tài)行為的有效控制能力。目前采用先進(jìn)傳感器和智能路徑規(guī)劃控制算法可解決機(jī)器人正確位置施焊問題，但因模糊、發(fā)散的熔池控制目標(biāo)和缺乏有效的熔池流態(tài)和缺陷控制措施，使如何控制好焊接熔池流動(dòng)行為問題成為制約焊接機(jī)器人智能化發(fā)展及應(yīng)用的核心科學(xué)問題之一。因此，針對(duì)這一核心問題，本文通過模擬學(xué)習(xí)焊工操控焊

2、槍控制熔池動(dòng)態(tài)變化的過程，理解焊工調(diào)控熔池狀態(tài)的物理機(jī)制，提取、解析建模焊工經(jīng)驗(yàn)并轉(zhuǎn)化為機(jī)器人可執(zhí)行的控制算法來提高復(fù)雜工況條件下機(jī)器人自動(dòng)化焊接的適應(yīng)性及焊接過程的智能控制。為此，本文制定了以人與熔池的交互界面—熔池三維自由表面作為研究對(duì)象進(jìn)行焊工經(jīng)驗(yàn)解析和熔池形態(tài)控制的研究方案，并重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面開展了相關(guān)研究。
　　針對(duì)焊工與熔池動(dòng)態(tài)交互過程可視化及定性研究焊工經(jīng)驗(yàn)特征，建立了激光視覺測(cè)量熔池三維表面形貌和慣性測(cè)量單元（I

3、MU）傳感焊槍空間運(yùn)動(dòng)特征的同步采集試驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了熔池動(dòng)態(tài)變化和焊槍運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)了基于四元數(shù)無軌卡爾曼濾波（UKF）和自歸零誤差補(bǔ)償姿態(tài)解算算法減小了IMU陀螺儀長(zhǎng)時(shí)間積分零漂誤差，獲得了較準(zhǔn)確的焊槍空間姿態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)改進(jìn)了基于反射點(diǎn)更新的熔池表面三維恢復(fù)和熔池表面未知激光點(diǎn)插值擬合的合理補(bǔ)償算法，獲得了熔池表面三維形貌，并且通過設(shè)計(jì)專門的圖像處理和曲率半徑求解算法獲得了熔池表面的動(dòng)態(tài)曲率半徑變化數(shù)據(jù)，描述了熔池表面液態(tài)金

4、屬的流動(dòng)行為?；谕将@得的焊槍姿態(tài)和熔池特征參數(shù)數(shù)據(jù)，定性分析了焊工調(diào)控熔池表面形態(tài)和流態(tài)變化的作用規(guī)律。分析表明，焊槍空間姿態(tài)變化不僅改變了熔池表面的熱輸入分布狀態(tài)，而且調(diào)整了熔池表面受力狀態(tài)，充分體現(xiàn)了熱力耦合行為的操控，更顯現(xiàn)出焊工經(jīng)驗(yàn)的豐富與否和操作技能水平；熔池表面特征參數(shù)變化反映了焊工對(duì)熔池狀態(tài)的動(dòng)態(tài)綜合評(píng)估和調(diào)控能力。
　　針對(duì)焊工調(diào)控熔池動(dòng)態(tài)變化的時(shí)間和空間同步性和焊槍姿態(tài)與熔池特征參數(shù)采集的獨(dú)立性，建立了移動(dòng)熔

5、池坐標(biāo)系和焊槍鎢極尖端坐標(biāo)系相互耦合模型，實(shí)現(xiàn)了焊槍姿態(tài)與熔池動(dòng)態(tài)變化在時(shí)空上的同步性表征。進(jìn)一步研究不同水平焊工（初級(jí)、較熟練和熟練）焊接過程中焊槍空間姿態(tài)運(yùn)動(dòng)特征和熔池形態(tài)及流態(tài)變化表明：初級(jí)焊工嚴(yán)重缺乏焊接經(jīng)驗(yàn)和基本的焊槍操作技能以及與熔池的動(dòng)態(tài)交互意識(shí)；焊槍操控明顯具有盲目性和隨機(jī)性，不能得到預(yù)期的焊縫成形；較熟練焊工對(duì)焊槍姿態(tài)的調(diào)整呈現(xiàn)出局部規(guī)律性和多參數(shù)協(xié)同調(diào)整的特點(diǎn)，變化范圍基本控制在2以內(nèi)，但持續(xù)保持這種規(guī)律性焊槍姿態(tài)調(diào)

6、整能力較弱，對(duì)焊接過程全局觀察和調(diào)控能力不夠，導(dǎo)致形成的焊縫寬度不均勻，背面熔透不連續(xù)；熟練焊工能夠準(zhǔn)確而又冗余調(diào)節(jié)焊槍姿態(tài)控制熔池動(dòng)態(tài)變化，整體表現(xiàn)出強(qiáng)的規(guī)律性和強(qiáng)的與熔池主動(dòng)交互意識(shí)，獲得了成形良好全熔透的焊縫。
　　基于試驗(yàn)分析建立了電弧熱源作用方向變化的三維熔池?cái)?shù)學(xué)模型，模擬研究了單一參數(shù)（焊接弧長(zhǎng)、焊槍姿態(tài)、焊接速度和焊接電流）變化對(duì)熔池動(dòng)態(tài)行為的影響規(guī)律。闡述了焊工經(jīng)驗(yàn)的本質(zhì)是對(duì)焊接熔池?zé)崃︸詈蟿?dòng)態(tài)平衡的調(diào)節(jié)與控制，始

7、終維持焊接熔池的最佳流態(tài)。焊槍姿態(tài)的改變對(duì)熔池?zé)彷斎胱兓绊懖淮?，而顯著改變?nèi)鄢乇砻鏌崃糠植紶顟B(tài)和電弧力作用方向，進(jìn)而影響熔池的流動(dòng)行為，宏觀上表現(xiàn)出不同的熔池形貌和幾何形狀，模擬獲得的熔池動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為機(jī)器人實(shí)時(shí)控制熔池形態(tài)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化控制算法提供了理論參考數(shù)據(jù)。
　　最后，在明確焊工調(diào)控熔池動(dòng)態(tài)行為的物理變化過程基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法辨識(shí)了焊槍姿態(tài)與熔池形態(tài)特征參數(shù)間的自適應(yīng)核徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Adaptive

8、kernel radial basis function neuralnetworks,AK-RBFNN）。同時(shí)，建立人機(jī)協(xié)作遠(yuǎn)程操控虛擬化焊接試驗(yàn)控制系統(tǒng)，對(duì)熔池形態(tài)進(jìn)行了變焊接電流和變焊接速度的閉環(huán)控制試驗(yàn)。結(jié)果表明，AK-RBFNN模型能夠較好融入焊工經(jīng)驗(yàn)的相關(guān)要素提取和預(yù)測(cè)了焊工操控焊槍過程中的局部細(xì)節(jié)，對(duì)焊接熔池形態(tài)變化進(jìn)行了良好的自適應(yīng)控制，獲得了成形美觀的焊縫，初步實(shí)現(xiàn)了一定變工況條件下對(duì)焊接過程的智能控制，為提升焊接機(jī)器