（材料加工工程专业论文）基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究.pdf

沈阳工业丈学硕士学位论文 摘要 电阻焊是一种高效率的焊接方法，是焊接技术的一个重要分支，在航空航天、汽车 和电子电器等工业生产中得到了广泛应用，并占有重要地位。电阻焊过程智能化的研究 工作起步较晚，点焊质量控制也一直是焊接界工作者致力研究的课题，现阶段主要是采 用模糊技术和神经网络方法预测和评估点焊质量、构造点焊过程控制模型等。目前这方 面的研究尚未尽如意，这是因为点焊过程的复杂性、熔核形成过程的不确定性，尤其是 点焊过程采用的质量监控方法的单一性决定了点焊质量控制是一项艰巨的任务。 本文分析了国内外点焊质量控制的发展现状，认为点焊质量控制的主要问题在于检 测参数少，控制方法单一。为此本文研究了在焊接电流、电极位移、动态电阻共同作用 下的点焊控制系统，提出了一种多参数综合决策控制方法。采用加权平均算法对多传感 器信息进行融合，并将材质，板厚及工艺参数存入专家知识库中，以便焊接时调用，这 样可以获得较为全面的焊点形成信息。点焊试验表明，在分流、回路感抗变化、电极磨 损等影响因素下，恒电流闭环控制的熔核尺寸波动在8 2 2 ，而采用多参数综合决策 控制方法熔核尺寸波动在6 1 2 5 。这说明，采取基于多传感器信息融合方式能够较 好的补偿点焊过程中各种因素的影响，保证点焊质量稳定。 关键词：点焊，多传感器，信息融合 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 s t u d y o nq l l a l 时c o n 臼- o lm e t h o d sb a s e do nm u l t i - s e n s o ri n f o 姗a t i o n f u s i 伽f o rr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g a b s t r a c t r c s i g 鼬w e l d i i l gi sal l i 曲e 伍c i e n tw e l d i i i gm e t h o d 锄di s 锄i i i l p o r t a n tb r a n c ho f w e l d i i l gt c c b i l o i o g yw i t ha “t a ip o s i t i o n 趾l de x t e n s i v ea p 脚i c a t i o ni nm 锄yf i e l d ss u c h 鹅 蚴s p a ，跏t o m o b i l e ，e l e c 研ca p p l i a n c e ，c t c a st h ei n i t i a l 站l r t i n gr 龉e a r c ho ni n ：t e m g e n t c o n h d lf 研r c s i s t a n c ew e l d i n gi sl a t e r t t l eq u a l i t yc o m r o lm 幽di si l w a r i a b l yt h ef o c u sf o r t h es c h o l a r si 1 1w e l d i n gf i e l d s a tn l ep 他s e m 佃m e ，t i 地q 啪1 i t yp r e d i c t i o n 孤de v a l u a t i o n 孤d t h ec o n n o lm o d e le s t a b i i s h e df b rs p o tw e l d i n gp r o c e s sa r cb a s e dl l p o n 如z 巧t e c h n o l o j g y 卸d n e 咐l 眦柳o r km 烈i l o d 锄ds o0 1 1 w h e 栅t l l er e 辩砌o nl h i s 鹊p e ! c ti sn o t 酬s 6 e dh a 峨 t h e m p l e x 酊砸s p o tw e l d i n g 趾d 珊l o e n a i n 哆i nm 培g e tf o m l i i l gp r o c e s s ，e s p e c i a l l yt l i e 岫i q n e s so fs p o tw e l d i n g ，w h i c hc a 啪e dt l l eq 啪l i 哆c o n 咖l 础df b rs p o tw e l d i n gb e i i l ga 西觚t 鹤s i 掣【n 呲 t h cd c v e l o p l 咖to fq m l i t yc o m m lm e m o df b rs p o tw e l m n gw 鹳锄a l y z e di i lt 1 1 i sp 印e r 姐dt 1 忙r e 啪nf o rt i l e 1 s a t i s f i e dq i l a i i 哆c o n t r o lf b rs p o tw e l d i n gw 勰c 佃s i 山 r e dt h el 骼s d e _ 畹血gp 卸啪1 e t e r s 锄dt l 地s i i i l p l e 鲫啪lm e t i 砌1 1 l e 阳f o l ac o n 的lm e t h o dw a s r e 辩a r c h 。di nt i l ea c t i o no f w e l d i i l gc l l n i e n t ，e l e c 怕d ed i s p l a c e m e n t d ”l 锄i c 舱s i s t a l l c e ，锄da c o n 的lm e c h o db a 驼dl 驴nm u m i n f b 册a t i f h s i w 嬲a i p r o p o s 。di nt h i sp a p e r t k w e i g h t e da v 啪g ea l g o r i t l l mw 私a d o p t e d t 0m i l l t i - n s o ri n f o 邶a t i f 缸i o n 锄dt l l es t 崛s l a b t h i c k n e 船，w e l d i i 蟮p a r 锄e t e r sw e 佗s t 0 阳di i lt h ee x p e r tl 【i l o 、v l e d g eb a f o rt h ec a l l i i l gi n w e l d i n g ，s ot i 圮i n o r ci 0 加1 a t i o f t h ew e l di m g g 既f o m i n gp r o c e s si ns p o tw e l d i n gc a nb e r e c c i v e di l lt l l i sw a y t h e 印1 0 tw e l d i n g r p e r i m e n ti i l d i c a t e dt t l a t 血en u c t u a t i 衄o fn u j g g e t s i z ei s8 2 2 c o m r o u c db yc o n s t 锄tc f e n tc l o 辩l o o pc o m m lm e t l l o da n do l l l y6 1 2 5 ，c o i l t r o l l e db ym u l t i s e n s o ri n f - o n n a t i o nm s i o nc o n n d im e t h o di nt h ec i r c 啪s t a i l c eo f i i l f l 咖c i i l gf b t o r ss i l c h 鹤s h l m t ，e l 黜o d ew e 孤，1 0 0 pi n d u c d v ef e a c t a i l c e ，眦t h ew e l d i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t si i l d i c a t et l l 砒t h em u l t i - s s o ri 响m l a t i f h s i c o n n o lm e t l l o dc 锄 e 行b c t i v e l yc o m p e n s a c ct h ei l l f l u e n c ec 批i s e db yv a i i o l l sf 犯t o 略，t t i ew e l d i l l gq u 丑l i t ys t a b i l i 够 c 锄b ee n 翻l l _ e d 沈阳工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：s p o tw e i d i n g ，m u i 僖s 蛐s o r ，l n f o 珊a 恤nf u s i o n 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：型雌魄警衅 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 躲她导师虢垫生嗍幽! 坦 沈阳工业大学硕士学位论文 1 前言 信息融合是一个愈来愈受到人们普遍重视的信息采集与处理领域中的研究方向。它 的诞生可以归结于在一个系统中使用了多个不同的传感器，因此也称为多传感器数据融 合。2 0 世纪7 0 年代初期，由于技术的进步，在军用信息通信控制系统( c 删n i c a t i o n ， c o 砌a n da n dc o n t r o lo fi n f o 瑚a t i o n ) 中，不仅使用了多传感器来采集战场信息，还 开始用计算机来自动分析所获得的信息。人们认为，这时信息融合便开始作为一个新的 研究方向出现。因此，信息融合又称为传感器信息融合l l 】。 多传感器信息融合是指将经过集成处理的多传感器信息进行合成，形成对环境某一 特征的一种表达方式。经过集成与融合的多传感器信息能完善地、精确地反映环境特征， 利用不同时间不同空间的多传感器资源数据，采用计算机技术对按时问序列获得的多传 感器观测数据，在一定准则下进行分析、综合、支配和使用，获得对被测对象的一致性 解释与描述，进而实现相应的决策和估计。而单一传感器只能获得环境特征的部分信息 段，经过集成与融合的多传感器信息具有以下四个方面的特点【2 l ：信息的冗余性、信息 的互补性、信息的实时性、信息的低成本性。 多传感器信息融合技术在工业机器人、航天、军事、多目标跟踪、数控技术、焊接 等领域有广泛的应用前景。 1 1 国内外电焊质量控制方法现状及进展 电阻点焊是将被焊工件装配成搭接接头并使之压紧在两电极之间，利用电流通过焊 件时产生的电阻热熔化母材金属，冷却后形成焊点的一种焊接方法。电阻点焊质量以焊 点的熔核尺寸和熔核熔透深度来进行表征。随着工业技术应用水平及自动化程度的提 高，对点焊质量的要求也越来越严。采用怎样的方法来检测和控制电阻焊过程及其焊接 质量，提高焊接接头的强度，是我们面临的重要课题p 训。由于电阻焊焊点形成时间短， 温度场分布窄，影响因素多( 如焊接电流、电极问电阻、焊接时间、电极压力、电极材 料及电极几何尺寸、工件的表面状况等) ，另外，点焊过程中还存在着诸多因素的相互 作用，如电、热、力和冶金作用等，使得分析电阻焊过程变得更加复杂，尤其是焊接过 程的短时性和熔核形成过程的不可见性给研究工作带来困难。 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 在过去的三十年中，不断地有各种点焊质量控制和监控方法的提出，但至今仍无一 种比较令人满意的方法能够适用于生产，每种方法都有其局限性，人们仍在不断地努力 探索。在这些控靠n 和监控方法中。可将其分为五类：( 1 ) 温度监控；( 2 ) 超声波信号 监控；( 3 ) 声发射监控；( 4 ) 点焊电参数控制；( 5 ) 焊点热膨胀控制【”。 物理方法监控焊点的温度控制是人们最先想到的方法。焊点的表面温度与焊核中心 的最高温度有对应的关系，而焊核中心的温度与焊核的形成与长大直接相关。温度测量 的主要方法是热电偶和热辐射。热电偶固定在电极或工件上，对于热辐射，则是在电极 中心开一小孔，让传感器感受工件表面温度变化的辐射强度，将此信号引出供分析判断。 表面温度控制方法的不足之处在于：传感器的安装不便，影响焊机操作，随时间及电流 的变化，温度梯度的改变使得控制对象复杂化，工件表面氧化情况影响其热辐射状态， 烟尘污物也会产生误信号。故焊点表面温度的控制难以满足批量生产的要求。 超声波可直接探测熔核的生长与发育情况，但超声波设备复杂，价格昂贵。且超声 波探头易损，除非在非常特别的场合，要求特别高的情况下采用，在大量生产中难以应 用。对于声发射技术，是基于焊点熔核长大到一定程度会产生飞溅，在宏观飞溅产生之 前，已有微小的飞溅出现，因此只要对飞溅释放的声发射信号加以监控，就可使熔核限 制在预定范围内f 6 】。声发射技术也曾在通用汽车公司的生产线上试用过，但有超声波同 祥的缺点，限制了这种监控技术的应用。 点焊电参数控制是目前应用最多的控制方法。具有采样方便，不需复杂传感系统的 优点。不少产品已经商品化生产。国内外的科研工作者，都进行了大量的探索和研究， 如利用计算机对点焊过程进行数值模拟和有限元分析，采用能量积分监控、恒电流控制、 超声波监控、动态电阻和电极位移监控点焊质量等等【7 l 。但这些方法都存在一定的局限 性和不足之处，还不能获得满意的效果。究其原因，一是由于点焊过程的复杂性，影响 因素多。尤其是焊接过程的短时性和熔核形成过程的不可见性给研究工作带来了很大困 难。二是控制方法的单一性，从7 0 年代开始不断出现的各种点焊质量监控方法，大多 数属于单一参数反馈的恒参数闭环控制，只是保持某个参数恒定不变。这些控制方法都 是基于单一传感器信息资源对焊点熔核进行描述，不能获得有关熔核的全局信息，因而， 沈阳工业大学硕士学位论文 存在局限性所致。这两方面的原因决定了点焊质量控制是一项非常困难的任务，其稳定 性始终没有得到圆满的解决。 后来，电阻焊质量监控系统采取了选取一至二个参数进行监控，这些被称为第一代 点焊控制器的监控系统可分为焊接条件监控器( 以焊接电流、电极压力、通电时间为监 控对象) 和焊接质量控制器( 以电极间电压、电极间阻抗、电极位移这些可间接反应实 际焊接进行状况信息的参数为监控对象) 。在焊接条件监控器中，代表性的有恒相位角 式、网压补偿式、恒流式监控方式嘲。在焊接质量控制器中，代表性的有利用电极问电 压、电极间动态电阻进行焊接质量控制的方式。其中，又可将利用电极间电压进行焊接 质量控制的方式分为电压变化率式、电压积分式、临界电压差积分式；将利用电极间电 阻进行焊接质量控制的方式可分为电阻变化量式、电阻衰减率式、电阻差积分式。除上 述起主流作用的监控或控制方式之外，还有利用热膨胀( 电极位移) 、红外线等进行焊接 过程控制的方式。进入9 0 年代一些科研工作者利用数值计算模型进行了自适应控制研 究，开发出直接对熔核直径进行计算的第二代焊接质量控制器，并已实现了产品化。近 年来美、日等国竞相研究开发被称为第三代的智能化电阻焊质量控制系统【n 】，以期解 决快速、高精度、宽适用范围的问题。 1 2 本课题的意义与研究内容 1 2 1 研究意义 电阻点焊以其低成木，易实现高速自动化生产的特点，在现代工业制造中得到了广 泛的应用。点焊焊点的质量直接影响着焊接结构的可靠性，特别是航天航空产品，对其 质量要求更高。但是焊接过程中，焊点质量易受网压波动、工艺规范、焊接回路阻抗变 化等因素影响。到目前为止，关于点焊质量监控技术的研究已开展了几十年，所提出的 方法也达几十种之多，但质量监控技术的难度，依然体现在对熔核尺寸等质量信息无法 直接测量，只能通过一些过程参数进行间接的推断，因此发展多参量综合监测技术是提 高点焊质量监控精度的有效途径。如何充分利用监测信息，采用合理的建模手段，建立 合理的多元非线性监测模型，并使监测模型能够在较宽条件内提供准确、可靠的点焊质 量信息2 1 2 】，已成为发展多参量综合监控技术的关键。利用神经元网络理论、模糊逻辑理 3 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 论和专家系统，可望解决焊质量控制领域中许多长期以来难以解决的问题，有利于实现 真正的点焊质量智能控制，将点焊质量控制的研究推向一个新的高度。 随着传感器技术的不断进步和多传感器的应用，出现了大量的多信息控制系统，在 这些系统中信息容量和信息处理速度等要求已大大超过人脑的信息综合能力，信息融合 技术也随着应运丽生了。到目前为止，还没有哪一种传感器能够保证在任何时候都能提 供可靠的信息，尽管各种传感器具有其固有缺点，但它们各自性能上的差异与互补，却 提示我们通过综合分析其各自传感器信息而获得有效信息。采用这种方法，即使各传感 器所提供的信息有一定的误差和不确定性，但通过对它们提供的信息进行有效综合就可 得到比单一传感器所获得的信息更为有效、更为可靠的信息。多信息融合技术是伴随着 计算机技术的应用而发展起来的，因此，多信息融合技术具有很大的应用价值和广泛的 使用范围。 1 2 2 研究内容 面对多种传感器提供的信息，融合的基本原理就是协调使用多传感器，充分有效地 利用传感器资源，把传感器各自的信息按照一定的准则进行有机地结合，以获得被控对 象的合成信息。i 司单一传感器相比，多传感器信息融合具有能提供丰富的、多样的正确 信息的特点，从而提高信息的容错能力和可信度，提高整个系统的性能。当某一传感器 有故障或条件发生变化信息减少时，其它传感器仍可提供信息，因而满足系统的可靠性、 稳定性、实时性要求。 本论文采用的基于多传感器信息融合的点焊质量监控方法，就是建立在信息融合技 术基础上提出的一种新的设计思路，并进行了一定的试验，将试验结果与现有的方法进 行了比较。研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 点焊质量控制系统设计 通过实验，分析点焊过程各种因素对焊点熔核形成的影响规律，依据点焊质量控制 要求，设计控制系统的结构。控制系统要具有强大的信息处理能力，首先应该具有良好 的信息获取途径，或者说具有良好的传感器集成系统以及建立丰富的知识库。其次是要 对所获取的信息具备快速准确的融合处理能力。信息融合过程的设计如图1 1 所示。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 信息融合的任务主要是采用各种融合算法进行数据融合处理和知识判断、推理，最 后输出信息融合结果。 环境一信息获取途径( 传感器1 ) 卜- 一信息 或 叫信息获取途径( 传感器n ) 卜_ 一 融合 对象 网 中心 图1 1 信息融合过程框图 f i g 1 1d i a g r a mo f i n f b m a t i o nf l - s i o n 融合结果 ( 2 ) 多传感器特征信息的采集与处理 焊接质量与焊接过程中的参数之间存在着一定关系。为了更好地控制焊接质量，首 先，应该尽可能多的检测到那些与点焊质量有关系的参数( 如电流、电压、动态电阻、 电极位移、电极压力、点焊时间等) ，即根据传感器对被控对象( 焊点熔核) 的描述能 力选择传感器。其次是找到这些参数与点焊质量( 熔核尺寸) 的关系，即提取对象的特 征信息。 ( 3 ) 多信息融合的实现与专家知识库建立 根据点焊过程的规律获得特征值信息，信息融合处理分为两部分，一是对焊接区加 热强度具有相同特征信息的融合；二是对焊点熔核形成过程具有相同时间特征信息的融 合。 知识库是专家系统的核心之一，主要用于存储和管理知识。其拥有知识的数量和质 量直接决定了专家系统的性能水平；推理机是一组控制和协调系统的程序，是专家系统 的执行机构。 ( 4 ) 设计模糊控制器 利用模糊控制理论，设计一种模糊知识表示与推理的智型点焊控制器。 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 ( 5 ) 点焊试验分析 通过点焊试验，在分流、回路感抗变化、电极磨损等因素作用下，分析和评价基于 多信息融合p i 调节器及f l l z 巧- p i 控制的效果和特点。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 电阻焊控制系统硬件设计 2 1 点焊主电路及控制系统组成 点焊主电路采用单相3 8 0 v 交流输入，反并联晶闸管调节的系统结构。控制系统由 单片机系统组成，如图2 1 所示。主要包括电流检测、电极位移检测、动态电阻检测， 误差放大、特征信息提取、多信息融合控制算法、p i d 调节器以及晶闸管触发放大电路 等。 图2 1 控制系统框图 f i g 2 1d i a 印ho f c o n h ds y 咖m 7 -。lja矗8 lsoii-o善k删息勺lij2一u n n 面z 匦藩曾幂删n匝 匝密唧窭冥寒州n 妖器燃杖辑蛔蜒趟删蜒驶g舡攫面遥蚺上醐 k詈尽oo o毫1suo墓k凹息时=j2一u n “曲匠 匝留印暴n n 匝 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 2 3 控制系统中的抗干扰设计 计算机在工业过程控制中的应用越来越广泛，控制系统的可靠性是工业生产的质量 保证，因此，抗干扰设计是计算机控制系统中不可忽视的重要环节。 2 3 1 硬件的抗干扰设计 ( 1 ) 滤波 对采集到的各种反馈信号，在进入a ，d 之前进行滤波，己防止各种噪声信号的干扰。 ( 2 ) 接地设计 接地是抑制干扰的重要方法，使信号有绝对的参考零点。地线有模拟地、数字地、 机壳地等。在印刷的电路板上，模拟地与数字地分开，分别与电源地线相连。地线应尽 量加粗，并且构成闭环回路。 ( 3 ) 接入去耦电容 在每片集成电路的电源和地线之间直接接入去耦电容，以提高各芯片的抗噪声能 力。 ( 4 ) 强、弱电隔离 强电部分如：控制变压器、晶闸管、阻容等，设计在控制柜的后面，前面放置信息 采集与处理模块、数据接口和微机控制系统。强电与弱电隔离是为了防止电磁感应所产 生的干扰。 ( 5 ) 信号线屏蔽 使用带屏蔽的信号线，可以进一步防止信号受电磁感应的影响。 2 3 2 软件抗干扰设计 ( 1 ) 数字滤波 采用在实时数据采集系统中应用很广的数字滤波方法。它是一种从数据系列中提取 逼近真实数据的软件算法。对于电流峰值信号，可以连续采样多次，以其平均值作为峰 值点的电流信号。对于位移和动态电阻信号，可以采用连续阶递推数字滤波的方法， 阶递推数字滤波的公式为： y 。= t k + ( 1 一t ) y 。一，( 2 1 ) l o 沈阳工业大学硕士学位论文 式中n 采样次数； t 数字滤波系数，其值远小于1 ； 墨本次采样值： y 。本次采样时的滤波器输出值； 采用数字滤波方法消除采样信号误差，可以获得比较满意的效果。 ( 2 ) 设置软件陷阱 控制系统的工作是按照事先编制好的程序来运行的，当系统受到干扰后，程序失控， 程序运行的指针不能正常指向下一条指令，而是“乱飞”进入非程序区，这时在非程序 区需要设置拦截措施，即在非程序区采用长跳转指令，迫使程序进入软件陷阱： n o p ： n o p ： u i pd i m a l ： 软件陷阱安排在正常程序执行不到的地方：未使用的e p r o m 空间；常数、表 格区的最后；程序区，即在跳转指令如u m p 、s j m p 、a j m p 、r e t 、r e l l 等后。系 统一旦落入软件陷阱中，就会被引导到初始状态。 ( 3 ) 软件看门狗 因为干扰会造成系统的程序弹飞到一个死循环的运行当中，此时采用软件陷阱的办 法也无济于事，系统将处于瘫痪状态。针对这种情况，设计一种监视系统运行的程序， 图2 4 有效数据的恢复 f i 昏2 4r e s t o m t i o no f e 缳c i t 出l a 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 即看门狗。通过设置定时器监视、跟踪( 将定时器设定为高优先中断) ，迫使程序进入 看门狗处理程序，对使用的r a m 区和工作寄存器中的数据进行刷新操作，从而实现有效 数据的恢复( 见图2 4 ) 。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 多传感器信息融合的实现 多传感器信息融合是指经过集成处理的多传感器信息进行合成，以形成对外部环境 某一特征的一种表达方式。目前，信息融合的理论尚未成熟，这是因为信息具有的实时 或非实时性、瞬时变化与缓慢变化、精确性与模糊性，独立与交叉等特性，使得信息之 间的融合变得困难1 3 1 5 1 。 融合的基本思想就是协调使用多传感器，充分有效地利用传感器资源，把传感器各 自的信息按照一定的准则进行有机地结合，以获得被控对象的合成信息或被感知对象的 描述，为控制决策提供了丰富的、混合型的信息。 信息融合的方法很多，如：贝叶斯推断：d s 证据理论；模糊集合理论；专家系统 方法等【旧。也可以归纳为结合法、平均法、决策法、指导法等四种方法【m 。这些融合方 法可以针对不同的研究对象和系统特征，比如对于模糊性或不确定性信息，模糊理论提 供了有效的计算工具；专家系统方法则能够充分发挥专家智慧，使系统智能化。 3 1 多传感器特征信息的提取 点焊质量与焊接过程中的一些参数存在着一定的关系。要控制好点焊的质量，首先 要多检测与点焊质量有关的参数，提取相关的特征信息，运用信息融合方法中的模糊集 合理论，采用结合法、决策法与平均法相结合的最优融合算法，对多传感器数据进行高 精度融合【埘，最终实现对焊接质量的有效控制。 点焊质量主要以熔核直径的大小作为判定标准。但是，在点焊过程中，很难用传感 器直接检测焊点熔核尺寸以实践中，只能测定与熔核形成有密切关系的工艺参数，通 过这些参数来评定焊点熔核的大小。 点焊过程中与熔核形成有密切关系的参数很多，如电流、电压、动态电阻、电极位 移、电极压力、点焊时间、电极几何尺寸、阻焊材料及板厚等等。对这些参数进行全部 检测是不可能的，因而只能选择对熔核形成最具影响力的参数。对于其他比较确定的参 数，如电极压力、电极几何尺寸、阻焊材料及板厚等等，将采取在专家知识库中设定的 办法。 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 通过对点焊过程的深入分析，选择以下三个参数：焊接电流、电极位移量、电极问 动态电阻。其理由如下： ( 1 ) 电阻焊是靠内部热源来进行焊接的，根据焦耳定律，其总发热量为： q = i f 2 ( 脚净 ( 3 1 ) 以平均值表示，上式可简化为： q = r “ ( 3 2 ) 由( 3 2 ) 式可知，焊接电流厶、焊接时间。表征了工件的热输入量，正常情况下， 热输入量是与熔核尺寸成线性关系的。即： d = r ( l ，o ) ( 3 3 ) ( 2 ) 电阻焊过程中焊接区电阻r 是内部热源的基础，它的大小及其变化规律( 即 动态电阻曲线) 较为真实地反映了熔核的形成过程，一定的动态电阻曲线与一定的熔核 尺寸相对应。即： d = 足( r ) ( 3 4 ) ( 3 ) 电极位移量( 热膨胀壁) s 是焊点金属熔化量多少的度量，直接反映了熔核的 产生及发育情况，与熔核尺寸有怠好的对应关系。 d = 乃( s ) ( 3 5 ) 上述分析，在焊接领域已达成共识，并构成了恒电流法、动态电阻法和电极位移法 等质量监控方法的原理基础【埘。 综合上述关系，焊点熔核尺寸d 可用下式表示： d = h ( 厶，r ，s ，o ) ( 3 6 ) 3 2 特征值的提取 ( 1 ) 焊接电流代表了焊接区的加热强度，阻焊材料的厚度不同，所需的焊接电流 范围不同，以满足的熔核尺寸要求。因此，在点焊中，应根据材料、厚度、熔核尺寸要 求，来选取电流特征值范围，并安排在专家知识库中，以便在信息融合时提取。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) ( 3 4 ) 式和( 3 5 ) 式表明，一定的动态电阻曲线和电极位移曲线与熔核尺寸 是对应的，由于动态电阻曲线的下降速度d 刚斌和电极位移曲线的位移上升速率勰触 同样表征了焊接区加热强度的特征1 2 1 1 ，因而与焊接电流具有相同的属性。 ( 3 ) 动态电阻的下降值4 置、电极位移峰值s 加以及焊接周波数。都表征了焊点熔 核形成过程的时间特征，因此彼此间具有相同的属性。 通常。焊接区的加热强度和焊接时间决定了焊点熔核尺寸的大小。因此，( 3 6 ) 式 可表示为： d = f ( 厶，警，韵，( 艘，趴“) c s ( 3 7 ) 式即为点焊过程多传感器信息融合的模型。 因此，在点焊过程中，可直接按照( 3 7 ) 式的规律进行多传感器信息融合，其结构 框图如图3 1 所示。 图3 1 点焊质量多传感器信息融合结构框图 f j g 3 1s n l l 咖佗d i a g f a mo f f i j z 巧l o 舀cc 叩仃d ls y s 把m 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 模糊控制不需要建立对象精确的数学模型，具有很好的鲁棒性和动态性能，且结构 简单，易于实现田1 。从图3 1 可知，本系统采用二维模糊控制器，即将系统输出与设定 值的偏差和偏差变化作为模糊输入量。这种方法不仅能保证系统控制的稳定性，而且还 可减少超调和震荡现象例。 3 3 多信息融合算法 对点焊过程采用多种传感器，可获得多种信息，但只有通过融合处理，才能获得对 焊点熔核形成过程的一致性描述。 根据点焊过程的调节规律和获得的特征值信息，点焊过程的信息融合处理分为两部 分，一是对焊接区加热强度具有相同特征信息的融合，其融合输出用于热量调节；二是 对焊点熔核形成过程具有相同时间特征信息的融合，融合输出用于切断电源。因此应采 取不同的融合算法刚。 信息融合的方法很多，本文采用了结合法、决策法以及平均法相结合的最优融合方 法对多传感器提供的特征值信息进行融合处理。 3 3 1 热量调节融合算法 点焊过程的热量调节采用了决策法和平均法相结合的方法，决策法是在同一特征的 多值融合时，根据一定的准则，判决其一为融合值。判别的准则有很多，其中之一就是 利用经验知识，对各值给定可信度，选择可信度最大的值作为融合值。 根据点焊质量影响因素和单闭环控制规律，在点焊质量监控过程中，焊接电流对质 量的影响比较大，为生产上主要调节参数【2 5 1 ，因此，保持焊接电流的基本不变( 非恒定 不变) 是必要的，也即给定传感器所获得的电流特征信息的可信度为最大，如表3 1 。 表3 1 多传感器特征信息决策表 n l b 3 1d e c i s i o nt a b l eo f m u l t i - s e n s o rd i a 印o s t i ci n f o r | n a t i o n 1 6 沈阳 业大学硕士学位论文 平均法是针对多传感器对被控对象同一特征的感知，得到相同的特征值联卢l ，2 ， n ) ，根据一定的先验知识获得其权值聊( f l 2 ，疗) 。将各值加权平均，可得： 月h 矿，= 所班所 ( 3 8 ) 。 f 。lj ；l 其中吩即为融合值。 对于点焊过程，式( 3 8 ) 可表示为： 日2 矿，= 口，( b ) 国 ( 卢l ，2 ，3 ) ( 3 9 ) ，；l，= l 基于信息融合的热量调节原理如图3 2 所示。 其中：咖、( 蹴搿) 毋( 幽励f ) f 为给定量，厶、( 珊魁幻，、( 幽巩) ，为反馈量， a = ( 删) 矿一( 蹴巩) ，；岛= 留一五：岛= ( d ：名力占一( 凼白叻，；q 、白、e 为各自 的偏差信号。 图3 2 基于信息融合的热量调节原理图 f i g 3 2s c h c i l l a t i cd i a g r a mo f h e a t 删u s t i n g d 彻i n f o n l l 鲥0 n 缸i o n 由于在点焊的初始阶段，电极位移量较小，位移曲线上升缓慢即处于所谓的位移延 时区，这时不宜与给定值比较。面且，在焊点相邻或点距变化时，电极位移规律发生变 1 7 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 化。因此初始阶段不宜采用位移速率监控和调节加热强度。对于动态电阻曲线，亦存在 同样的问题，在初始阶段，电阻曲线要经历上升、平缓、下降的过程，这时与给定值比 较，则很难控制。 在实现动态电阻法和电极位移法质量监控时，一般都将其变化曲线分成几个阶段， 即将其分为初始区( 1 3 周) 、熔核形成区( 4 8 周) 、稳定区( 大于8 周) 三个阶 段，并根据各个阶段不同情况，实施阶段控制【2 6 l 。 基于上述分析，选取各阶段加权平均系数如下： 表3 2 多传感器特征信息权值系数表 t a | b 3 2w e i 曲t e dc 蟠c i 锄to f m u n i j 锄s o r c i l a 捌：t e l 如ci n f o 瑚砒i 表3 2 仅适于较大厚度的阻焊材料，如低碳钢j 0 5 m m ，不锈钢万 o 8 m m ，铝合金 占 3 0 m m ，因为对于较薄的阻焊材料，焊接时间较短，不易控制。因此可直接采用决策 法按表3 1 进行决策。 微机根据表3 1 、表3 2 ，进行查表处理，实现对点焊过程的热量调节。 3 3 ，2 时间调节融合算法 在点焊过程中，焊接循环结束意味着焊点熔核已经达到规定的尺寸要求。以往是根 据操作者的经验，采用给定焊接周波数的办法，当通电周波数达到设定值时，切断电源， 这是比较简单和粗略的控制办法【2 7 1 。而动态电阻的下降值4 r 以及电极位移峰值s 加比 较真实地反映了焊点熔核的形成信息，均表征了焊点熔核形成过程的时间特征，因此， 与给定的焊接周波数f 矿相结合，可以获得关于焊点熔核形成过程的更为全面的信息， 从而实现精确控制，如图3 3 。融合的输出值即可作为焊接循环结束时刻的控制。其 中，4 如是给定的动态电阻下降值趣g 与实时检测的电阻下降值4 rr 的偏差，即妇= 沈阳 业大学硕士学位论文 丛g 一4 胄，；4 跏e 是给定的电极位移峰值砌曙和实时检测的电极位移量s w 的偏差， 即锄z p = 跏曙一跚；4 f 为设定的焊接周波数与实际测试的焊接周波数幻的偏 差，即4 f _ f w g 一晰。 4 职 鲰 m r 图3 3 基于信息融合的时问调节原理图 f i g 3 3s c h 啪砒i cd i a g r a mo f 吐m e 喇u s t i n g do ni n f o m l a t i o n 缸i 蛐 这里约定刎配、曲”p 、4 f 三个参数的取值范围如f ： 4 p ：j o 肖锄 o 时 【l 当锄o 时 二 fo 当址 o 时 址= 1l 当址卸时 上述三个不同类型的传感器，在对焊点熔核形成的感知过程中，彼此独立作用，信 息相互补充，因而可将信息进行叠加，获得对熔核形成过程的多特征描述。这种方法即 为结合法【2 9 1 。本文将它与决策法相结合，可发挥各传感器之优点，弥补各自不足。微机 可以根据表3 3 进行查表处理，当输出为“o ”时，保持焊接过程的原有状态；当输出为 “1 ”时，则表示熔核已达到设定的要求，切断焊接电源。 1 9 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 表3 3 多传感器时间特征信息决策表 t a b 3 3d e c i s i o nt a b l eo f m u l t s 朋s o rb m ed i a 卵o s t i ci i 面m i 一2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 4 专家知识库的建立 4 1 专家系统 专家系统在很多领域得到了实际应用，从本质上讲，它是一类包含着知识和推理的 智能计算机程序，这些知识加上推理具有了一定的水平，即可被认为是某一特定领域中 最佳实践者的专家模型【3 0 l 。专家系统一般由以下几部分组成：( 1 ) 知识库：( 2 ) 推理 机；( 3 ) 知识管理系统；( 4 ) 人机接口；( 5 ) 知识获取。 知识库是专家系统的核心之一，其主要功能是存储和管理专家系统中的知识，主要 包括来自书本上的知识和各领域专家在长期的工作实践中所获得的经验知识【3 l 】。 推理机是根据事实和知识推导出结论的过程，推理方法主要有：正向推理、反向推 理、归纳推理、假设推理、不确定性推理等口2 】。主要功能是选用知识库中的有关知识， 对用户提出的问题作出回答。 专家的能力来自于其具有深厚的专业知识和丰富的实际经验，因此，专家系统必须 有足够的专家知识。知识获取有两种方式：一种是外部收集；另一种是机器通过自学自 动获取。目前主要采用第一种方式，第二种方式尚处于研究阶段f 3 3 】。 知识获取以后，还需要解决如何进行知识的表达问题。应根据所要解决的问题的特 点选择不同的知识表达方法，常用的表达方法有产生式规则、框架、谓词逻辑、面向目 标方法等p ”。对于知识的不确定性有基于概率和模糊集的表达方法，后者构成了目前很 有发展前途的模糊专家系统。 知识管理系统用来建立、修改、扩充知识库，具有编辑、菜单、帮助等功能。 人一机接口用来建立用户与系统的联系，是增加系统的透明度的主要模块。 专家系统已经成功地应用于许多领域，有着广阔的发展前景，但也应清楚地看到， 专家系统开发过程中还存在着一系列非常辣手的技术难题。例如，如何把专家的知识总 结出来并表示成计算机可以接收的形式洲；如何处理知识中广泛存在的不确定性问题； 如何选择专家系统开发工具等等。在焊接领域，专家系统的研究起步比较晚，点焊质量 专家系统的设计与开发是目前许多科研工作者正在潜心研究的一项非常复杂的技术工 作。 2 l 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 4 2 点焊专家知识的获取 专家知识库的知识来源于书本、专家经验和相关的实验数据。下面是几种不同的阻 焊材料的焊接参数和条件。 表4 1 低碳钢板的点焊规范( 规则表) t a b 4 1s p o t w e l d i n gp r o c e s s i i l gp 删e 嘲r so f i o wc a r b o ns t e e lp l g t e 表4 2 不锈钢板的点焊规范( 规则表) t a b 4 2s p o tw e l d i n gp r o c e 骆i n gp l r a m e 觚0 f s t a i n l e s ss t e e lp l a l e 表4 1 和表4 2 给出了出低碳钢和不锈钢两种材料的焊接规范，对于其他材料的焊 接规范，按照同样方式在专家知识库中建立。 沈阳1 ：业大学硕士学位论文 4 3 点焊专家知识库的建立 一般情况下，操作者在进行点焊作业时，首先是根据焊件的材料和厚度，确定电极 的端面形状和尺寸。初步确定电极压力和焊接时间，然后调节焊接电流，以不同的电流 焊接试样，经检验试样符合要求后，再在适当的范围内调节电极压力、焊接电流和时间， 进行试样的焊接和检验【3 5 1 ，直到焊点质量完全符合要求为止。 由此可知，专家的经验知识可引导人们将解决问题的思路直接指向一个可行的模式 范围。而这些经验知识中，最普遍的一类知识就是规则，它是专家解决问题时常采用的 一类思维方式【3 6 1 。 目前专家系统中用得最多的知识表示方法有：产生式规则和框架表示法。而框架表 示形式很容易转换为产生式规则表示形式p 7 1 。 产生式规则( 简称规则) 的一般形式为：i f4 。n i e n 口：或者是i f 彳，a 曰， t h e nc 。 点焊过程的规范选取规则可表示为： 规则1 ：i fm = m ( 1 ) ，a n d 占= 万( 1 ) ，t h e nf = f ( 1 ) 、i - i ( 1 ) 、t = t ( 1 ) 。 规则j ：mm m ( j ) ，舢、丁d 万= 占( i ) ，t h e nf = 联i ) 、i - i ( i ) 、t - - t ( i ) 。 其中j = l ，2 n ；i _ 1 ，2 m ；m ，万，f ，i ，t 分别代表材料，厚度，电极压力，焊 接电流，焊接时间： 专家系统中推理机是一组程序，根据不同的知识表示形式来选择推理方式【3 司。本文 采用正向推理方式，即规则集如下： a _ b c ) f 基于多信息融合的点焊质量在线监控方法研究 形式“a b ”表示“如果有a ，则有b ”。 根据经验选取相应值，按照上述规则列成表，如表4 1 、表4 2 ，即构成了点焊过程 所应遵循的规范。 按照上述规则和思维方式设计的专家知识库采用树型分层分页结构【3 舛，如图4 1 。 图4 1点焊专家知识库总体结构 f i g 4 1a f c h i t e 吐u m ls t m c t i l 化o f s p o tw c l d i n ge x 肼：nk w 母b a 辩 第一层为主页，它由两列地址相对应的存储单元组成，内容分别为阻焊材料 m ( 1 ) 、 m ( 2 ) m ( i ) m ( n ) 】及其对应的第二层副页的页地址，如图4 2 。其中 m ( 1 ) 、m ( 2 ) m ( j ) m ( n ) 】对应( 低碳钢c 4 、不锈钢s s 、铜c u 、铝) 。 图4 2 主页结构 f i 昏4 2s 仉l c t i l 陀o f h o m e p a g c 2 4 艿( 1 ) 占( 2 ) 占( i ) j m 图4 3 副页结构 f i g 4 3s 机l c l u o f _ 】i i i a r yp a g c 沈阳工业大学硕士学位论文 第二层为副页，同样是由两列地址相对应的存储单元组成，其内容分别为材料厚度 【万( 1 ) 、万( 2 ) 万( i ) j ( r ) 】，及其对应的第三层地址，如图4 3 。 第三层为参数页，如图4 4 。它由参数页地