（材料加工工程专业论文）铝合金脉冲mig焊过程多信息分析及解耦控制.pdf

i n f o r m a t i o na n a l y s i sa n dd e c o u p l i n gc o n t r o lf o rp u l s em i gw e l d i n g p r o c e s so f a l u m i n u ma l l o y h u a n g j i a n k a n g b e ( x i a n g t a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 m s ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a lp r o c e s se n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rf a nd i n g a p r i l ，2 0 1 0 3 7，858m 8iiiiil y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：x y s _ 勉 日期：列辉6 月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 氖逸 副程轹办 日期蚺 月，b 日 日期沙f 口年6 月t 。日 i 博：卜学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景1 1 2 焊接过程信息传感与控制研究现状2 1 2 1 焊接过程信息传感的国内外研究现状2 1 2 1 1 视觉传感及分析2 1 2 1 2 电信号、弧光、电弧声信号传感及分析4 1 2 1 3 焊接多信息融合研究现状7 1 2 2g m a w 过程建模与控制的国内外研究现状9 1 2 2 1g m a w 过程建模研究与现状9 1 2 2 2g m a w 过程控制研究与现状1 0 1 3 研究问题的提出和本文研究内容1 3 第2 章试验系统1 6 2 1 快速原型控制系统实现1 6 2 1 1 快速原型基本概念1 6 2 1 2x p ct a r g e t 实时目标的快速原型实现o oqqoo 1 7 2 2l a b v i e w 视觉传感系统1 9 2 2 1l a b v i e w 介绍1 9 2 2 2 基于c o m 技术的l a b v i e w 与m a t l a b 无缝链接2 0 2 3 脉冲m i g 焊实时控制系统实现2 1 2 4 本章小结2 3 第3 章铝合金脉冲m i g 焊过程多种信息传感与分析2 4 3 1 焊丝干伸长的视觉提取2 4 3 1 1 视觉传感2 5 3 1 2 干伸长提取2 5 3 2 熔池边缘提取2 8 3 2 1 基于蚁群算法的铝合金m i g 焊熔池边缘检测2 8 3 2 2 遗传算法的阀值选取法检测铝合金m i g 焊熔池边缘3 0 3 3 焊接电压信号与铝合金脉冲m i g 焊过程稳定性关系研究3 2 3 3 1 基于近似熵的铝合金脉冲m i g 焊稳定性分析3 3 3 4 铝合金脉冲m i g 焊电弧声信号的研究3 9 3 4 1 不同熔滴过渡下的电弧声a r m a 双谱估计及s v m 识别0 00 4 0 钒合金脉冲m i g 唧过程多信息分析及解耦摔制 3 4 1 1 电弧声采集4 0 3 4 1 2 不同熔滴过渡电弧声a r m a 双谱估计4 0 3 4 1 3a r m a 估计下不同熔滴过渡电弧声s v m 识别4 2 3 4 2 电弧声信号与铝合金m i g 焊缝塌陷的相关性4 4 3 4 2 1 电弧声数据选取4 4 3 4 2 2 数据分析4 5 3 5 铝合金脉冲m i g 焊多信息融合分析4 9 3 5 1 二维统计的r a d o n 变换铝合金脉冲m i g 焊电信号分析4 9 3 5 1 1u i 二维相牢问区域记数5 0 3 5 1 2r a d o n 变换分析5 1 3 5 2 二维近似熵的焊接过程稳定性分析5 3 3 6 本章小结5 8 第4 章铝合金脉冲m i g 焊过程建模及解耦控制仿真6 0 4 1m i m o 焊接对象模型辨识6 0 4 1 1 基于视觉传感的铝合金脉冲m i g 焊动态过程辨识6 l 4 1 2m i m o 控制对象模型6 2 4 2 铝合金脉冲m i g 焊耦合分析6 3 4 2 1 铝合金m i g 焊接过程耦合分析6 3 4 2 2 变量配对方案分析6 5 4 2 3 耦合关系仿真6 6 4 3 经典补偿解耦控制6 7 4 3 1 前馈补偿解耦控制6 7 4 3 2 反馈补偿解耦控制6 8 4 3 3 对角矩阵解耦控制系统7 0 4 4 神经网络对象逆模型解耦控制7 2 4 4 1 逆对象神经网络算法7 2 4 4 2 增量式神经网络p i d 逆对象控制仿真7 5 4 5 脉冲m i g 焊焊丝熔化动态电弧模型及仿真分析7 7 4 5 1 脉冲m i g 焊动态过程模型建立7 7 4 5 2 动态仿真及分析7 8 4 5 3 干伸长控制仿真8 1 4 6 本章小结8 3 第5 章铝合金脉冲m i g 焊解耦控制8 4 5 1 焊丝干伸长控制8 4 5 1 1 基于电弧电压的焊丝干伸长控制8 4 i l 博十学位论文 5 1 1 1 电弧电压增量式p i d 干伸长控制8 5 5 1 1 2 模糊p i d 干伸长控制8 7 5 1 2 基于视觉的焊丝干伸长控制8 9 5 2 基于双脉冲的铝合金m i g 焊熔池熔宽控制9 1 5 - 3 铝合金脉冲m i g 焊解耦控制系统9 4 5 3 1 双闭环控制9 4 5 3 1 1 基于电压反馈的单视觉闭环控制9 4 5 3 1 2 双视觉闭环控制9 7 5 3 2 单视觉解耦控制1 0 0 5 3 2 1 电压反馈的单视觉解耦控制1 0 0 5 3 2 2 基于u i 反馈的单视觉解耦控制1 0 2 5 3 3 双视觉解耦控制1 0 6 5 3 3 1 双视觉p i d 解耦控制1 0 6 5 3 3 2 双视觉模糊p i d 解耦控制1 0 8 5 4 本章小结1 ll 结论1 1 3 参考文献1 1 5 致谢0 000 00 00 1 2 3 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 1 2 4 附录b ( 攻读博士学位期间参与的科研项目) 1 2 6 i i i 博士学位论文 摘要 近年来，随着铝合金在汽车、列车等运载工具中的广泛应用，对铝合金焊接 结构生产的自动化、智能化及焊接质量的稳定性要求越来越高。本文针对铝合金 脉冲m i g 焊过程在恒定规范下铝合金热积累现象明显，参数不匹配情况下焊接过 程不稳定这些关键问题，通过焊接过程中多信息传感与分析，过程建模仿真及实 时解耦控制等方面对铝合金脉冲m i g 焊过程进行了深入的研究。 由于铝合金脉冲m i g 焊接过程中存在较多的不确定因素，实时检测和控制是 保证其焊接过程稳定与焊接质量的重要方法，本文通过l a b v i e w 与c o i 技术结合 的实时视觉传感，利用x p c 目标实时建立了针对铝合金脉冲m i g 焊的快速原型试 验平台。 对于铝合金脉冲m i g 焊过程，首先通过视觉传感的方法提出了一种焊丝干伸 长提取算法，针对固定模板的传统微分算子边缘提取的不足，研究并利用蚁群算 法、遗传算法进行熔池边缘提取。对于铝合金脉冲m i g 焊过程稳定性进行了分析， 得出了电弧电压概率密度、近似熵值与焊接过程稳定性的相关性。为克服已有信 息对焊接过程的表征不足，对焊接过程中声音信号进行采集，分析得到不同熔滴 过渡下电弧声信号特征进行熔滴过渡类型辨识，利用小波变换后得到特定频率范 围的电弧声信号能量变化与焊接过程焊缝塌陷的相关性。进一步对弧焊过程多信 息融合进行了初步研究，采用u - i 二维相空间统计、二维近似熵信息源级多信息 融合的算法确立了焊接过程电流、电压信息融合后特征与焊接过程稳定性的相关 性。 本文在已有铝合金脉冲m i g 焊过程辨识的基础上对其进行m i m o 控制模型分 析，确立了以熔宽和干伸长为目标，通过调节送丝速度与占空比来进行解耦控制 的控制方案，采用经典补偿解耦控制理论、神经网络对象逆模型解耦理论进行仿 真控制研究。并针对铝合金脉冲m i g 焊电弧系统特点，在考虑熔滴过渡的基础上 建立了焊丝熔化动态电弧模型，对所建立的模型进行了仿真，获得了与实际焊接 过程相近的结果，揭示了电弧系统不稳定性的原因，并进一步在所建模型上进行 了干伸长控制仿真，为电弧稳定控制提供了参考。 在传感与仿真的基础上，通过快速原型平台，首先通过送丝速度的调节来对 干伸长进行单独控制，使焊接过程电弧系统稳定，接着针对以占空比来进行熔宽 控制使得参数匹配困难而失稳的问题，利用双脉冲工艺方法，提出通过占空因数 调节来实现热输入调节，进行焊缝熔宽控制研究，在此基础上以干伸长和熔宽为 控制目标，以送丝速度、双脉冲占空因数为调节量的m i m o 实时解耦控制，并在铝 合金脉冲m i g 焊快速原型平台的基础上，进行了不同传感方案下，不同控制器下 的控制效果研究，获得了在熔宽、干伸长在视觉传感下，利用模糊p i d 控制器进 锅合金脉冲m i g 焊过程多信息分析及解耦控制 行解耦控制，得到了焊接过程稳定，且熔宽均匀，外形美观，成形良好的焊缝。 克服了铝合金脉冲m i g 焊参数间强耦合关系，较好的解决了热积累问题。 关键词：铝合金；脉冲m i g 焊；多信息传感；过程稳定性；快速原型；多变量建 模仿真；干伸长控制；熔宽控制；解耦控制 i i 博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o yi na u t o m o b i l e s ，t r a i n s a n do t h e rm e a n so fv e h i c l e ，r e q u i r e m e n t so fa u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n c ea n dw e l d i n g q u a l i t ys t a b i l i t yi na l u m i n u ma l l o yw e l d i n gs t r u c t u r e sa r eh i g h e ra n dh i g h e r i nt h i s p a p e r , a c c o r d i n gt ot h ek e yp r o b l e m ss u c ha so b v i o u sh e a ta c c u m u l a t i o np h e n o m e n o n a tc o n s t a n tp a r a m e t e r si np u l s e dm i g w e l d i n go fa l u m i n u ma l l o ya n du n s t a b l ew e l d i n g p r o c e s s w h e np a r a m e t e r sd on o tm a t c h ，f u r t h e rs t u d yo na l u m i n u ma l l o yw e l d i n g c o n t r o lw a sd o n et h r o u g hs e n s i n ga n da n a l y s i so fm u t i - i n f o m m a t i o n ，p r o c e s sm o d e l i n g a n ds i m u l a t i o na n dr e a l - t i m ed e c o u p l i n gc o n t r o li nw e l d i n gp r o c e s s d u et om a n yu n c e r t a i nf a c t o r si np u l s e dm i gw e l d i n gp r o c e s so fa l u m i n u ma l l o y , r e a l t i m ed e t e c t i o na n dc o n t r o li sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oe n s u r et h es t a b i l i t yo f w e l d i n gp r o c e s sa n dw e l d i n gq u a l i t y o nt h eb a s i so fv i s i o ns e n s i n gr e a l i z e dt h r o u g h c o m b i n a t i o no fl a b v l e wa n dc o m t e c h n o l o g y , ar a p i dp r o t o t y p i n gc o n t r o lp l a t f o r m w a sb u i l tw i mx p c t a r g e tr e a l - t i m ee n v i r o n m e n t i np u l s e dm i gw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o y ，a ne x t r a c t i o na l g o r i t h mf o rw i r e e x t e n s i o nw a sp r o p o s e db ym e t h o do fv i s i o ns e n s i n ga n dw e l d i n gp o o le d g ee x t r a c t i o n w a sa l s os t u d i e du s i n ga n tc o l o n ya l g o r i t h ma n dg e n e t i ca l g o r i t h ma i m i n ga tt h e d e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a ld i f f e r e n t i a lo p e r a t o r a n a l y s i so ns t a b i l i t yo fa l u m i n u ma l l o y p u l s e dm i gw e l d i gp r o c e s sw a sm a d e ，a n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e np r o b a b i l i t yd e n s i t y , a p p r o x i m a t ee n t r o p yv a l u eo fa r cv o l t a g ea n dt h es t a b i l i t yo fw e l d i n gp r o c e s sw a s o b t a i n e d i no r d e rt oo v e r c o m et h ec h a r a c t e r i z a t i o nd e f i c i e n c yo fe x i s t i n gs i g n a l sf o r w e l d i n gp r o c e s s ，s o u n ds i g n a li nw e l d i n gp r o c e s sw a sa c q u i r e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o fa les o u n ds i g n a lw a sa n a l y z e du n d e rd i f f e r e n tm e t a lt r a n s f e rm o d et oi d e n t i f yt h e m o d eo fm e t a lt r a n s f e r , a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw e l d i n ga r cs o u n da n d s u b s i d e n c eo fa l u m i n u ma l l o ym i gw e l d i n gb e a dw a sa l s os t u d i e du s i n gw a v e l e t a n a l y s i sm e t h o d f u r t h e r m o r e ，m u t i - i n f o r m a t i o nf u s i o nw a sp r e l i m i n a r i l ys t u d i e d ，a n d t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nc h a r a c t e r i s t i c sa f t e rf u s i o no fw e l d i n gc u r r e n t ，v o l t a g ea n d s t a b i l i t yo fw e l d i n gp r o c e s sw a se s t a b l i s h e db ym e t h o do fu it w o - - d i m e n s i o n a lp h a s e s p a c e ，t w o - d i m e n s i o n a la p p r o x i m a t ee n t r o p ya n da l g o r i t h mo fm u l t i i n f o r m a t i o n f u s i o n i nt h i sp a p e r , a n a l y s i so nm i m oc o n t r o lm o d e lw a sm a d eo nt h eb a s i so fe x i s t i n g p r o c e s si d e n t i f i c a t i o nf o rp u l s e dm i gw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o ya n dad e c o u p l i n g c o n t r o ls c h e m eu s i n gp o o lw i d t ha n dw i r ee x t e n s i o na sc o n t r o lo b j e c tw h i l eu s i n gw i r e f e e ds p e e da n dd u t yc y c l ea sc o n t r o l l e dv a r i a b l ew a ss e l e c t e d s i m u l a t i o nu s i n g i i i 铝合金咏冲m i g 焊过程多信息分析及解祸捧! 制 c l a s s i c a lt h e o r yo fd e c o u p l i n gc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r ko b j e c ti n v e r s em o d e lt h e o r y w a sc a r r i e do u t a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa r cs y s t e ma n do nt h eb a s i so f c o n s i d e r i n gt h ed r o p l e tt r a n s f e r , d y n a m i ca r cm o d e lo f w i r em e l t i n gw a sb u i l t ，a n dt h e a c t u a lw e l d i n gp r o c e s sw a sw e l lr e f l e c t e db ys i m u l a t i o no ft h em o d e l 刀皓r e a s o n sf o r t h ei n s t a b i l i t yo fa r cs y s t e mw a sa l s or e v e a l e d f u r t h e r , w i r ee x t e n s i o nc o n t r o l s i m u l a t i o nw a sm a d eo nt h eb u i l tm o d e la n dp r o v i d e dar e f e f e n c ef o ra r cs t a b i l i t y c o n t r 0 1 o nt h eb a s i so fs e n s i n ga n ds i m u l a t i o n ，f i r s t l y , w i r ee x t e n s i o nw a si n d e p e n d e n t l y c o n t r o l l e db ya d j i u s t i n gw i r ef e e ds p e e dt om a k ea r cs y s t e ms t a b l eo nt h er a p i d p r o t o t y p i n gp l a t f o r m t h e nw i t hd o u b l e p u l s et e c h n o l o g y , h e a ti n p u tw a sc h a n g e df o r p o o lw i d t hc o n t r o lb yr e g u l a t i n gd o u b l e p u l s ed u t y f a c t o r o nt h i sb a s i s ，m i m o r e a l t i m ed e c o u p l i n gc o n t r o lw a sc a r r i e do u tu s i n gw i r ee x t e n s i o na n dp o o lw i d t ha s c o n t r o lo b j e c tw h i l eu s i n gw i r ef e e ds p e e da n dd o u b l e - p u l s ed u t yf a c t o ra sc o n t r o l l e d v 撕a b l e t l l ee o n t r o le f f e c tu n d e rd i f f e r e n ts e n s i n gm e t h o d sa n dd i f f e r e n tc o n t r o l l e r s w a sa l s os t u d i e db a s e d0 1 1t h er a p i dp r o t o t y p i n gc o n t r o lp l a t f o r m a d o p t i n gv i s i o n s e n s i n gf o rp o o l w i d t ha n dw i r ee x t e n s i o n ，d e c o u p l i n gc o n t r o lw i t hf u z z yp i d c o n t r o l l e rw a sc a r r i e do u ta n do b t a i n e das t a b l ew e l d i n gp r o c e s sa n dap e r f e c tw e l d ， w h o s ep o o lw i d t hw a su n i f o r ma n df o r m a t i o nw a sb e a u t i f u l t h e r e f o r e ，t h eh e a t a c c u m u l a t i o np r o b l e mw a sr e s o l v e dw e l lb yo v e r c o m i n gt h es t r o n gc o u p l i n ga m o n g p a r a m e t e r sw h e nc o n t r o l l i n gi np u l s e dm i gw e l d i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；p u l s e dm i gw e l d i n g ；m u t i - i n f o r m a t i o ns e n s i n g ；p r o c e s s s t a b i l i t y ；r a p i dp r o t o t y p i n g ；m u t i v a r i a b l em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；w i r e e x t e n s i o nc o n t r o l ；p o o lw i d t hc o n t r o l ；d e c o u p l i n gc o n t r o l 博士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着汽车、高速列车等交通运输工具向高速、环保的方向发展，如何实现轻 量化成为近年来的中心议题之一。资料表明，在铁路车辆上采用铝合金结构要比 铡结构减轻自重的3 5 6 6 ，分别可增效和节能1 0 以上；汽车上采用铝合金 的轻量化效果十分显著，预计到2 0 1 0 年末每辆汽车的铝合金用量可达到1 5 8 k g ， 全铝结构的汽车也己达到了实用化量产阶段。相比于制造交通运输工具的传统材 料，铝合金具有一系列无可比拟的优越特性，是实现交通运输工具轻量化、高速 化和现代化的最理想材料，它的开发和应用受到各国越来越多的重视。由此可见， 采用铝合金结构是汽车轻量化、节能、环保、提速和高效运输的重要途径之一， 因此，铝合金结构在近年得到了越来越广泛的应用，表1 1 为汽车重量及材料组 成的变化情况。 表i i 汽车材料组成的变化 t a b l e1 1c h a n g ei nt h ec o m p o s i t i o no fa u t o m o b i l em a t e r i a l 对于焊接，特别是对于铝合金焊接，最终的目标是获得良好的焊缝质量，但 是目前铝合金的焊接过程采用恒规范即焊接过程开环方式，尤其是进行中厚板焊 接时，铝合金热积累作用强而表面张力小，焊缝很容易出现焊穿、下塌、熔透不 均等严重缺陷。虽然引入脉冲电流可以在一定程度下使得铝合金热积累现象减弱， 但是，引入脉冲电流使得参数匹配更加困难，从而使整个焊接过程变得不稳定， 弧长波动变大，熔滴过渡的周期变得更无规律，电弧的稳定性将进一步受到破坏。 课题组在已有的研究基础上发现，单一的焊接信号监控或单一的变量控制，虽然 能在一定程度上改善焊接效果，但不能从根本上解决这些问题，且难以满足铝合 金生产对焊缝质量的苛刻要求。 为了在控制热输入的同时确保稳定的熔滴过渡和电弧，有必要对铝合金m i g 焊进行多信息传感与检测，并在此基础上对其进行多信息下的多信息融合来研究 其焊接过程。为了对焊接过程进行控制，必须进行多信息条件下的多变量系统分 析、建模、仿真及多变量解耦控制的深入研究，最终实现多信息条件下的铝合金 铝合金咏冲m i g 焊过程多信息分析及解耦摔制 脉冲m i g 焊过程的解耦控制，并获得良好的铝合金脉冲m i g 焊焊缝成形。 1 2 焊接过程信息传感与控制研究现状 在焊接质量自动化控制过程中要解决“宏观”最终质量和过程质量控制两方 面的问题，前者包括焊缝的几何形状、位置偏差及焊接缺陷检测等问题，后者主 要是指在实际焊接生产过程中，诸如对焊接规范参数、焊缝成形等地控制。其中， 有效地实施对焊接质量的实时自动控制是国内外螨待解决的一个重要课题。目前焊 接过程检测与控制方面的研究多集中于焊缝跟踪检测与控制和焊缝接头的几何形 状( 主要包括熔宽、熔深、堆高、熔透等) 地检测与控制n ，剁。要实现焊接过程控制， 最主要需要解决的关键技术是：焊接传感、焊接过程模型和焊接过程控制器。 1 2 1 焊接过程信息传感的国内外研究现状 对焊接动态过程的传感，是实现焊接质量控制最为关键的环节。未来焊接发 展的趋势是实现焊接自动化、机器人化及智能化口1 ，而应用传感技术是这一发展 中的重要环节h 5 。为了准确可靠地获取影响焊接过程及质量各种有关的信息，人 们设计和研究了各种用途的传感器，其中部分已经应用于实际的生产过程中。 1 2 1 1 视觉传感及分析 视觉传感是基于焊工在焊接过程中通过焊接面罩观察熔池图像，获得熔透与 熔深的相关信息，再通过手工操作，控制电弧的位置、角度和运行速度等，达到 控制熔深与熔透的目的。目前光学传感器被用来代替人眼观察熔池图像。但是， 由于焊接过程中产生强烈的弧光，给图像处理造成了很大的困难，严重影响了原 始图像的提取，同时又由于摄像装置捕捉到的是平面图像，很难建立起2 d 图像与 熔透和熔深( 3 d 图像) 的可靠关系，因此视觉检测法一直都处在实验研究阶段。 但视觉检测法具有其他的许多优点。首先，采用的光学传感器不用与焊接回 路接触，检测的信号不影响正常的焊接过程，并且提供信息丰富，灵敏度和测量 精度高，动态响应特性好，抗强电场和强磁场干扰能力强，且适用于各种坡口形 状，可以同时实现对焊接条件地实时控制和焊缝跟踪嘲；其次，光学传感器主要是 利用光谱中的可见光波段对焊接区进行成像，图像中的景物与焊接区各部分一一 对应，不需要像红外成像那样只能通过温度场标定后才能确定焊接区的各部分， 非常直观；另外，采用视觉传感技术还可以得到焊接过程动态熔池的二维或三维 信息，与其它焊接过程信息检测方法相比，这种方法检测到的熔池信息可以直接 反映焊接过程中熔化金属的动态行为，因此该方法更适合于焊接过程地质量控制。 尽管光学传感器在目前实际生产中应用较少，但它能提供丰富的信息，如接头形 式、电弧形态、熔池边界、焊丝位置及已凝固的焊道形状等，因此它是将来最有 发展前景的传感技术之一口吲。 八十年代以来，国内外的很多研究者对被动式视觉传感( 仅利用焊接区自身 产生的弧光作为成像光源) 进行了广泛的研究，这种方法不需要辅助光源，不利 2 博士学位论文 用焊枪的机械结构，直接利用普通c c d 摄像机获取熔池区的正面图像，设备简单、 价格低廉，具有良好的应用前景。被动式熔池视觉传感的关键问题是如何滤除电 弧光地强烈干扰，为此文献 1 0 对t i g 焊接电弧和熔池反射光谱进行了专门研究。 文献 1 1 专门对熔化极气体保护焊过程的电弧光谱进行了研究。文献 1 2 通过对 电弧及熔池表面的谱线进行分析和对比，通过试验得出如下结论：以低碳钢为母 材的t i g 焊最佳的观察窗口波长为4 0 6 4 2 n m ，以低碳钢为母材的c 0 ：焊的最佳观 察窗l j 波长为6 0 1 4 - 2 n m 。并由此开发了焊接机器人视觉系统，并在汽车后桥焊接 上得到了应用。 文献 1 3 利用在脉冲t i g 焊基值期间焊接电流较小，弧光较弱的特点，在电 流下降后经过一定时间地延迟来消除弧光余辉的影响，在基值期间用普通摄像机 在检测窗口为6 6 1 4 - l o n m 时成功获取了熔池图像，并用于2 m m 厚低碳钢板的脉冲 t i g 焊熔宽实时检测与控制。文献 1 4 进而在脉冲焊接基值电流时刻利用窄带滤光 系统获得了碳钢t i g 焊正面和反面的熔池图像，通过神经网络建立了正面熔池和 背面熔透之间的映射关系模型，实现了焊接熔透控制，并获得了较好地效果。文 献 1 5 对恒流t i g 焊接得熔池检测进行了研究，采用中心波长为6 1 0nm 的窄带窗 口，获取了恒流t i g 焊较清晰的熔池区图像。文献 1 6 根据光谱分析，提出了具 有二次滤波功能的适合于提取铝合金智能焊接熔池图像的滤光系统，这种滤光系 统不使用特殊波长的谱线，而是通过使用电弧光谱中的连续光谱作为光源来观测 焊接熔池，同时采用标准吸热片来滤除低强度离散谱线，初步实现了铝合金t i g 焊的过程检测。 g m a w 焊焊接过程中焊接电流大、飞溅明显、电弧辐射强烈，因此对g m a w 焊地 过程视觉检测要比g t a w 焊困难得多。目前研究较多得是不另加辅助光源，利用焊 接过程中弧光本身照明焊接区的被动式视觉检测方法。被动式视觉法通常采用焊 接电流控制和滤光系统相结合的方法来去除弧光地干扰，使摄像机在一个弧光对 熔池辐射比例适当的较窄的光谱范围内获取熔池图像。同时，控制焊机周期性地 减少焊接电流，使得弧光在摄像机对熔池成像期间地影响最小，以获得清晰的熔 池图像。 文献 1 7 1 9 设计了铝合金熔池图像的检测视觉系统，在铝合金脉冲m i g 焊时， 熔池图像的视觉传感与控制系统结构，通过窄带滤光结构，有效地克服了弧光干 扰，并获得了较清晰的熔池图像；通过分析了铝合金m i g 焊熔池的图像特征，提 出了相应的熔池图像处理算法；针对传统图像处理算法的不足，提出了利用形态 学方法去除图像信号中关于噪声、阴极雾化区等影响熔池特征提取的部分，获得 了满意的熔池边缘图像，因此可以对熔池形状信息进行动态检测，见图1 1 。 与其他焊接过程信息检测方法相比，由于被动式视觉检测方法用到的硬件设 备较少，因此更适合于生产实际中地使用。通过选择一个特定的辐射频域，利用 电弧和熔池的自身光谱辐射，使焊接区各辐射源的光强达到一个合适的比例，能 够实现从单一信号源中获得焊接区图像的综合信息，从而有效地提高了在可见光 铝合金脉冲m i g 焊过程多信息分析及解祸 牵制 波长范围内电弧、熔池和焊缝三者同时成像的清晰度。由于其视觉传感系统只使 用了窄带滤光片和摄像机，不需要其他特殊的光学系统，因此使其在实际应用中 成为可能。 囵霸 圈豳圈 ( a ) 源图( b ) 阈值化( c ) 去噪( d ) 腐蚀( e ) 膨胀( f ) 边缘提取 图1 1 形态学方法图像处理结果 f i g 1 1r e s u l t so fm o r p h o l o g i c a li m a g ep r o c e s s i n g 1 2 1 2 电信号、弧光、电弧声信号传感及分析 在焊接过程中，电弧电压和焊接电流信号易于采集，且与电弧稳定性、熔滴 过渡以及焊接质量直接相关，具有较为明确的物理意义，因此是g m a w 焊接稳定性 分析等研究最为常用的信息源。 在c o 。气体保护焊的熔滴过渡过程中，电弧电压和焊接电流是各种电弧物理现 象的丰富载体。短路过渡焊接过程中的不稳定现象，主要发生在熔滴短路阶段和 短路结束后电弧的重新引燃阶段。熔滴短路能否较快地形成液桥并顺利爆断，以 及当熔滴对熔池冲击较大时迅速重新引燃电弧是过程稳定的关键所在。短路焊接 过程中短路电流上升速度、电弧再引燃电压、短路电流峰值等参数对焊接过程的 稳定性有较大的影响。短路液桥爆断电流的大小直接影响短路末期“电爆炸”飞 溅的大小和电弧重新引燃过程中冲击熔池产生飞溅的大小，因此短路峰值电流可 在一定程度上反映飞溅水平。燃弧过程中电压与电弧长度成正比，统计得出燃弧 电压平均值可以表征平均电弧长度，它与最大燃弧电压值的差异可体现在焊接过 程中瞬时弧长的变化量。利用电压值和电流值可以计算电弧的等效电阻，熔滴过 渡中等效电阻的变化可以直接反映液桥的状态变化。因此，c 0 ：焊接的电弧电压和 电流蕴涵着飞溅及其它与焊接质量有关的信息，可通过实时采集焊接过程中的电 流和电压信号，提取表征焊接质量的参数来识别焊接缺陷。 文献 2 0 认为g m a w 在正常燃弧、焊穿或断弧时，其电弧电压和电流具有明显 不同的概率密度分布，根据一定时段内的电压、电流分布概率值，通过人工神经 网络自组织特征映射模型，可对上述的三种情况进行分类。文献 2 1 以c 0 ：焊接过 程燃弧时间、短路时间、电流变化率、短路峰值电流、短路周期等作为特征参数， 研究了概率分布与焊接过程的关系。文献 2 2 利用电弧电压、电流信号的均值、 标准差、变异系数及动态伏安图等进行了焊接稳定性评价。文献 2 3 从实时采集 4 博十学位论文 焊接过程中的电压、电流信号，提取超值电压、电流和低值电压、电流等统计参 数，分析了其对燃弧稳定性地影响。文献 2 4 利用电弧电压、焊接电流的