智能化焊接

背景

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• 焊接过程建模用于提供对过程的规律性认识，一个好的数学模型应该能够较好的反映实际焊接过程，焊接过程建模是焊接过程设计的前提条件。
• 实际焊接工作中，散热条件，钨极烧损等的变化引起熔池正面相同情况下，反面熔宽也会发生较大的变化。
• 以往的基于固定结构数学模型的控制方法，只能在小范围内具有鲁棒性，难以在较大范围内的不确定条件下，达到较好的焊接质量控制。

机器视觉在焊接过程中的应用

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三种应用：焊缝视觉跟踪，焊缝成形视觉传感，焊件的三维视觉模型重建

• 焊缝视觉跟踪：非均匀性变化，热变形情况；实时焊缝跟踪调整机器人运动轨迹：光学跟踪传感器有三种方式：结构光，激光扫描式，直接拍摄电弧式
• 焊缝成形视觉传感器：视觉传感器具有光学传感器普遍的优点，可以得到焊接过程动态熔池的二维或三维信息。
• 三维视觉重建：对焊件几何造型

熔池正反面的信息

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多年来焊接工作的研究多关注在熔池正面最大熔宽，熔池正面面积，熔池正面平均下榻量来对焊接过程进行控制。
实际焊接工作中，散热条件，钨极烧损等的变化引起熔池正面相同情况下，反面熔宽也会发生较大的变化。

光学路径

熔池液态金属表面具有镜面反射的特点，摄像机的成像角度固定，熔池反射的电弧光进入摄像机的部分是占少数的，造成熔池图像对比度不高。

连续光谱对熔池进行照明

开发熔池正反面视觉图像同时同幅传感器的目的建立熔池正反面几何特征参数之间的关系，进一步实现焊接过程的质量控制，为此焊接熔池几何特征参数的实时提取就显得十分必要。

焊接电流影响

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• 在脉冲峰值期间由于焊接电流较大，弧光辐射强度很强，只有熔池后半部拖角处可以看得见
• 在脉冲基值期间焊接电流较小，弧光辐射强度弱，除电弧中心区挡住以外，其他部分均清晰可见。
• 随着脉冲基时间延续，熔池逐渐在收缩。

熔池区域随时间变化的速率

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随着脉冲占空比的增大熔池正面熔宽和熔池半长也在增加，然而熔宽增加到一定程度后增加速率减小，最后不再增加，熔池半长增加到一定程度也发生增速减缓的现象，熔池形状发生了较大的变化。

提高图像质量

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提高熔池质，应该着重考虑以下四个问题：

• 电弧和熔池的辐射比例；
• 熔池和工件的对比度；
• 摄像机的响应灵敏度；
• 摄像机光学参数和焊接电流的匹配；

利用金属辐射光及熔池和工件表面对电弧光的反射来观察熔池，获取图像。（选定特定光谱的光来进行照明）

特征提取

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熔池几何特征尺寸参数的提取

闭环回路（反馈误差）

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控制方式

• PID控制
• 脉冲GTAW模糊控制
• 神经元控制
  回路对象是神经元的脉冲GTAW过程自学习PSD控制器。（这种方法不需要在线辨识对象的参数，只需在线检测对象实际输出与期望输出，就可以形成自学习闭环控制系统）

设计系统的输入信号以充分激励系统的所有模态，使所得的样本数据具有系统的完备知识。训练样本应该能够覆盖系统整个状态空间，使得模型具有较强的泛化能力。

• 脉冲占空比 $\delta$
• 电弧弧长 l
• 焊接速度 V
• 电弧电压 U
• 当前时刻峰值电流Ip（t）
• 当前时刻基值电流Ib（t）
  
  来对焊接过程建模。
  Wfmax的平均相对误差为：4.15%,均方误差为：4.15%
  Lfmax的平均相对误差为：2.68%，均方误差为：3.42%
• 偏差图
  

质量监测

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监测信息

• 熔核尺寸网络模型
• 熔核直径熔透率
• 力学性能网络模型
• 抗剪裁荷
  焊点质量模糊综合评判
  

超声回波特征检测

特征提取：
在充分分析超声回波特征的基础上，从实际焊接缺陷样本中，提取26个特征，主要有：

序号	特征
1	上升时间
2	下降时间
3	振动周期
4	形状系数
5	峰度系数
6	幅值
7	峰值频率
8	频谱半宽
9	频谱分量
10	统计特征
11	频谱特征
12	自回归模型谱特征
13	…

焊接任务软件设计

机器人焊接任务智能化规划系统的基本任务是在一定的焊接工作区域内自动生成从初始状态到目标状态的机器人动作序列，可达的焊枪运动轨迹和最佳的焊枪姿态，以及与之匹配的焊接参数和控制程序，并能实现对焊接规划过程的自动化仿真与优化。
分为两部分

• 焊接路径规划
  涵义：指对机器人末端焊枪轨迹的规划。焊枪轨迹的生成是将一条焊缝的焊接任务进行划分后，得到的一个关于焊枪运动的子运动，可用焊枪轨迹序列{$P_i$}(i = 1,2,3,…,n)来表示。通过选择和调整机器人个运动关节，得到一组合适的相容关节解序列，J = {$A_1,A_2,....,A_n$}在满足关节空间的限制和约束条件下提高机器人的空间可达性和运动平稳性，完成焊缝上的焊枪轨迹序列。
• 焊接参数规划
  是指焊接工艺过程中各种质量控制参数的设计和确定。基础是参数规划模型的建立，由于焊接过程复杂胡不确定性，目前应用和研究较多的模型主要基于神经网络，模糊推理理论以及专家系统理论等。
  根据该模型输入和输出关系，由预先获取的焊缝特征点数据可以生成参数规划模型所需要的输入参数和目标参数，通过规划器后即可得到施焊时相应的焊接规范参数。
• 机器人路径规划和焊接参数是一个紧密耦合的统一整体。一方面在机器人路径规划中焊枪的姿态决定了施焊时的行走角和工作角，机器人末端执行器的运动速度也决定了焊接速度，而行走速度，工作角，焊接速度等都是焊接参数的重要内容；
• 另一方面，从焊接工艺和焊接质量控制角度讲，焊接速度，施焊行走角等参数的调整必须在机器人运动路径规划中得以实现。
• 从焊缝成形的规划模型来看，焊接电流，电弧电压，焊枪速度，施焊行走角四个量必须有机地配合才能较好地实现对焊缝成形的控制。

规划系统各部分的意义及工作流程

1. 焊缝信息数据为规划系统提供了一个规划对象，它是一种数据结构，描述了焊缝的空间位置和接头形式，以及焊缝成形的尺寸要求；
2. 参数规划器侍从焊接工艺上进行的参数规划，规划器模型输出焊接规范参数文件和机器人焊枪姿态调整数据。
3. 姿态调整数据文件结合焊缝位置信息数据文件，生成焊枪运动轨迹，然后通过焊接路径规划器
4. 路径规划器是一种人工智能状态搜索模型，通过设计相应的启发函数和惩罚函数，结合机器人逆运动学解算方法，在机器人关节空间搜索和规划出一条运动路径。
5. 路径规划能输出满足关节相容性的笛卡尔坐标运动程序和关节坐标运动程序；
6. 机器人综合程序将焊接规范参数文件和焊接路径规划程序结合在一起，自动生成实际额焊接机器人系统的可执行程序，从而实现对焊接路径和焊接参数的联合规划，并达到相应的焊缝成形质量目标。

图像处理

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1. 图像预处理
   指数基滤波函数（EBS Exponential Base Smoothing）

• 指数基滤波函数去除噪声。递归滤波器的应用：一维指数基递归滤波器，二维指数基递归滤波器
• 对比度增强。几何特征点位于熔池图像的边缘处，快速提取熔池图像的边缘点，必须对平滑处理后的图像进行边缘增强。
  2.几何特征尺寸参数的提取
  建立正反两面几何特征尺寸参数间的动态关系，对焊缝成形质量进行智能化控制，需提取正反面的几何特征
  提取熔池最大宽度（正面，反面）：Wfmax，Wbmax。熔池最大长度（正面，反面）：Lfmax，Lbmax。

总结：熔池正反面图像处理算法由图像窗口自适应，指数基平滑，最佳阈值分割，几何特征提取等组成。

焊接过程的非线性，不确定性，时变性和强耦合性，传统的一阶数学模型不能作为有效的可控模型，这是长期以来焊接过程控制称为焊接界和控制界的一大难题。人工神经网络建立动态模型，是一个可以尝试的办法。（误差反传BP（Back Propagation）网络）

• 样本覆盖系统的状态空间，使模型具有较强的泛化能力。随机信号作为激励信号。