（材料加工工程专业论文）基于多信息融合的铝合金直流点焊质量监测系统.pdf

摘要 电阻点焊质量监测技术是一种高效率 低成本的质量保障措施 然而 目前的监测技术主要是根据点焊过程参数的某一特征量与质量 参数之间的线性回归模型提供的信息来间接的监测焊点质量 由于实 际点焊过程的复杂程度使这神模型与实际情况相离较远 只能在特定 的条件内提供点焊的质量信息 致使这种监测技术存在监测效果不够 稳定 适用范围窄等问题 为了解决这些问题 就需要充分利用监测 信息 详细研究监测信息与质量参数之间的函数关系 使建立的模型 能够在较宽的条件内提供准确 可靠的点焊质量信息 铝合金点焊在汽车工业中的应用越来越普遍 为了解决铝台金点 焊的质量监测问题 本文开发了基于多信息融合的铝合金直流点焊质 量监测系统 该系统采用v i s u a lc 与m a t l a b 相结合作为系统编程 语言 利用研制的检测系统 对点焊过程中电流信号 电压信号 位 移信号和声音信号等反映点焊质量的物理薰进行同步数据采集 并将 采集到的数据经数据预处理模块提取特征值之后送入融合中心 用b p 神经网络方法进行多信息融合后 得出熔核的面积 并根据面积值来 判断焊点质量是否合格 试验结果表明 该系统能够正确的采集焊接过程中的焊接电流 焊接电压 电极位移及声音等信号 采用合理的信号处理方法 将各 信号的特征值进行多信息融合 其结果可以用来判断焊点的焊接质量 关键诃 铝合金 直流 点焊 质量监测 多信息融合 人工神经网络 a b s t r a c t m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l t e c h n i q u e f o rr e s is t a n c e s p o tw e l d i n g q u a l i t yis ah i g he f f i c i e n c y l o wc o s tq u a l i t ya s s u r a n c em e a s u r e h o w e v e r t h e t e c h n i q u e sd e v e l o p e da r et om o n i t o rs p o tw e l d i n gq u a l i t yi n d i r e c t l y b yr n e a n so fq u a l i t yi n f o r m a t i o n w h i c hi sp r o v i d e di nw e l d i n gp r o c e s sb y t h er e g r e s s i o nm o d e l sb e t w e e nq u a l i t yp a r a m e t e ra n dac e r t a i nf e a t u r eo f p r o c e s sp a r a m e t e r t h ea c t u a ls p o tw e l d i n gp r o c e s s iss oc o m p l i c a t e dt h a t t h em o d e l sa r ef a r a w a yf r o mt h e a c t u a l o b j e c t t h em o d e l sc a no n l y s u p p l yr e l i a b l ei n f o r m a t i o na b o u tw e l dq u a l i t yw i t h i nn a r r o wc o n d i t i o n s w h i c hc a u s e sc o n t r o le f f e c tu n s t a b l ea n da p p l i c a b i l i t yn a r r o w e t c t os o l v et h ea b o v e p r o b l e m s t h em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nm u s tb e s t y l i z e df u l l y a n dt h em o d e lr e l a t i o n s b e t w e e nm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n a n dq u a l i t yf a c t o r sm u s tb es t u d i e di nd e t a i l s ot h a tt h em o d e l sc a n s u p p l ya c c u r a t ea n dr e l i a b l es p o tw e l d i n gq u a l i t yi n f o r m a t i o nw i t h i nw i d e c o n d i t i o n s a l u m i n u m a l l o y s r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g i s w i d e l y u s e di n a u t o m o b i l ei n d u s t r y i no r d e rt os o l v et h eq u a l i t ym o n i t o r i n go fa l u m i n u m a l l o y s r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g q u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n m u l t i i n f o r m a t i o nf u s i o nf o ra l u m i n u m a l l o y s d c s p o tw e l d i n g w a s d e s i g n e d i nt h i s p a p e r t h e ys y s t e m w a sd e s i g n e d b y v i s u a lc 十 a n d m a t l a b u s i n gs i m u l t a n e o u sd a t a c o l l e c t i o nc a r df o rd a t ac o l l e c t i o n t h ed a t ac o l l e c t e dw e r et r e a t e db yd a t ap r o c e s s i n gm o d u l ea n dt h e nf u s e d b y b pa n ni nf u s i o nc e n t e r n u g g e ta r e aw a sg a i n e dt oe s t i m a t et h e q u a l i t yo fn u g g e t t h er e s u l t ss u g g e s tt h a tt h es y s t e mh a su n i f o r ms a m p l i n gi n t e r v a l a n dc a nc o l l e c t s i g n a l s s u c ha s w e l d i n gc u r r e n t w e l d i n g v o l t a g e e l e c t r o d e d i s p l a c e m e n t s o u n ds i g n a l s e t c t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n w e l d i n g c o n d i t i o na n d w e l d i n gq u a l i t y c a nb e g a i n e db yf u s i n g e i g e n v a l u e so fs i g n a l s k e y w o r d a l u m i n u m a l l o y d c i n f o r m a t i o nf u s i o n s p o tw e l d i n g q u a l i t ym o n i t o r i n g a n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得盘凄盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 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 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 1 刍f 丞融签字日期 驴牛年 月省开 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 歪注盘茔有关保留 使用学位论文的规定 特授权叁凄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借闻 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文储签名 l 刍l 凡氏 上 导师签名 琊币 签字日期 伽讳年f 月l 歹日签字日期 秘叶年 月 r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铝合金电阻点焊研究的重要意义 汽车是国民经济的一个支柱产业 它反映了一个国家工业发展程 度 是孩国物质文明发展的一个重要指标 同时也是国民生产总值的 一个重要组成 汽车把人类带进了一个文明快捷的时代 随着汽车f i j 益普及 汽车引起的交通事故 环境污染和能源消耗等对人类社会造 成的负面影响在逐渐扩大 其中能源问题尤为突出 众所周知 石油 是重要的不可再生资源 是汽车必不可少的燃料 我国石油供求形式 严峻 一方面汽车与化工工业在迅速发展 石油需求量日益增加 而 我国的石油生产能力开始衰减 据国际石油机构预测 若无重大地质 发现 我国将从石油净出口国变为净进口国i 解决汽车能耗已成为 当务之急 而汽车轻量化是其重要的措施之一 2 7 所谓汽车轻量化就 是减轻汽车自身重量 而汽车轻量化技术主要包括结构的合理设计和 轻量化材料的使用两大内容 目前 为了降低汽车重量 世界各汽车 生产厂商在其设计生产的汽车上大量使用轻量化材料 轻量化材料所 占比重在逐年的增加 8 j 汽车工业的发展目标和趋势 正如专家学者总结的那样 节能是竞 争的目标 清洁是未来的主宰 安全是永恒的追求 智能是科技的结 晶 从汽车工业发展来看 汽车轻量化已成为汽车工业发展的新趋 势f 著且越来越多的引起世界备国的关注 首先是能源问题 在世 界各国行驶的几亿辆汽车中 主要原料是汽油 柴油等石油产品 年 消耗石油约一百亿桶 占世界石油总消耗量的5 0 左右 m k h u b b e r 等预测 世界原油产量在1 9 9 5 年左右达到最高峰 以后逐年下降 到 2 0 8 5 年前后可能枯竭 面对这种严峻前景 降低燃料消耗成为汽车技 术进步的紧迫课题之一 而减轻汽车质量又是降低燃耗的最有效途径 之一 据报道汽车质量每减轻1 0 燃油效率可提高5 5 f l 其次是 地区环境问题 据世界观察研究所公布的研究报告称 目前发展中国 家至少有1 1 亿人在有害于健康的空气环境中生活 美国大约有8 85 万人死于汽车尾气造成的空气污染 14 1 燃耗与废气排放密切相关 汽 车排放气体中的c 0 2 n o c o h c 等是造成空气污染的重要原因 第一章绪论 特别是c 0 2 气体 地球温室效应的5 0 是由它造成的 近年来的增加 倾向显著增强 为此 主要工业国家相继制定或币在制定燃耗和排放 量的严格法规 第三是汽车高级化问题 近些年来 为了推动汽车高 级化 汽车的各种附加装最越来越多 它们增加了汽车的重量 为了 抵消附加装备增加的重量 也必须加紧研究汽车基本组成部分的轻量 化技术 实现材料轻量化有两个途径 一是使用同密度 同弹性模量而强度 高 工艺性能好的材料代替原有的材料 二是使用密度低 强度高的 材料代替原有的材料 现阶段所用的轻量化材料主要为轻合金 铝 镁合金 塑料和高强度钢板等 铝及其合金是汽车轻量化的最重要材料 同时铝的消费指标及生产 能力也是衡量一个国家和地区工业发展基础和技术进步程度的重要标 志之一 1 5 目前 钢铁是汽车工业的主要原料 在一辆汽车中约占6 5 塑料占1 1 而铝仅占4 为了促使汽车向轻量化发展 进一步提高 竞争能力 当今世界上备大汽车公司正悄悄的进行着 场 材料革命 1 1 美国 德国和日本 已有2 0 家著名的汽车公司在生产中扩大了铝 的用量 其中 美国汽车公司近1 0 年来在生产汽车过程中的铝消耗量 增加了1 7 5 倍 到2 0 0 6 年 欧洲汽车平均每辆汽车用铝量也将从1 9 9 0 年的5 5 k g 增加刭9 8 k g 钢材在汽车制造中所占的比重将从6 5 降到 3 0 据统计 同本轿车用铝量1 9 9 0 年为6 0 8 0 k g 辆 1 9 9 5 年为l3 0 k g 辆 2 0 0 0 年为2 7 0 k g 辆 自1 9 9 7 年以来 铝在轿车与客车中的平均 用量增长率已由4 上升到1 6 l l 据美国铝业协会预测 到2 0 0 6 年 全球汽车工业的耗铝量将达到1 0 0 0 万吨 未来的轿车会越来越豪华大 方 同时将会更加轻便自如 由此可见 铝合金将在汽车轻量化中发 挥重要的作用 在各种焊接方法中 点焊具有静强度高 可靠性好 性能稳定 生 产效率高和易于实现自动化等优点 因此目前在汽车车身结构上被广 泛采用 一般来说 每辆汽车上一般需要3 5 0 0 4 0 0 0 个焊点 由此可 见点焊技术在保证汽车质量 尤其是汽车外型 和生产效率中起着相 当重要的作用 18 1 9 与低碳钢相比 铝及铝合金具有如下的特点 首 先 铝及其合金具有很好的导电 导热性能 其电阻率仅为钢的三分 之一左右 导热率约为钢的2 4 倍 其次 铝及其合会表面还具有一 层组织致密 熔点极高 几乎不导电的氧化物膜 第三 熔点低 化 学性质活泼 与铜之间存在着很强的化学亲和力 上述特点使得铝合 第一章绪论 金点焊时存在着焊接质量不稳定 电极烧损严重 焊接过程的闭环控 制性能差等问题 2 0 1 这些问题严重限制了铝合金点焊工艺在汽车生产 中的应用 综上所述 开展铝合金点焊的研究对铝合金在汽车工业中 的应用具有十分重要的意义 1 2 铝合金电阻点焊质量监控技术韵发展及现状 点焊过程与熔焊过程一样 是一个高度非线性 有多变量耦合作 用和含有大量不确定因素的过程 同时点焊也有其自身独特的地方 熔核处于封闭状态而无法观测 质量信息的提取比较困难 形核过程 的时间极短 点焊过程的工件焊前处理情况 焊接工艺参数等波动对 熔核造成较严重的影响 因此 点焊质量的监测难度很大 几十年来 始终为各国焊接工作者所关注 2 1 2 3 1 1 2 1 点焊质量监控技术的研究进展 点焊监控技术的研究初期 研究人员常常采用单一的监测方法 寻找点焊过程中莱一物理景 该物理量能够反映熔核的形成情况 通 过监控该物理量达到对焊接过程实时控制的目的 这种研究方法起始 于对低碳钢焊接质量进行实时监控的研究 i 经常使用的监控方法 1 电流 电压参数监控 这是目前在低碳钢点焊中被大量应用的 一种监控方法 其特点是检测设备简单 操作方便 而且其电参数曲 线与熔核形成状况有一个比较直接的关系 因此通过测量焊接电流或 电压等电参数 并将其与标准的电参数曲线相比较 就能起到良好的 监控效果 2 动态电阻监控 严格来说 这也是一种电参数监控方法 它不 同于前面所属的电参数监控的地方在于它要不断计算动念电阻并和标 准的动态电阻曲线相比较1 2 s 2 3 1 根据差值调整焊接参数 3 热膨胀监控 热膨胀监控是研究得比较多的一种在线监控方法 2 8 3 0 在焊接过程中 由于焦耳热的积累导致工件的温度升高产生热 膨胀 这会在电极的位移上得到反映 因为热膨胀和熔核的形成情况 是密切相关的 通过电极位移的测量可以间接了解熔核的形成过程 对点焊质量进行监控 第一章绪论 4 声发射监控 焊点两个部分间熔合不足 熔核尺寸不够 熔核 的脆化或开裂 以及电极的过多压入等缺陷中的大部分都会产生特有 的声发射信号 所以可用声发射来进行信号处理和质量评估 m 5 超声监控 由于超声波在穿过固体和液体时的衰减以及从崮体 和液体表面上反射时的强度不一样 因此可以通过监测超声波的强度 来监测熔核的大小口3 1 6 热电偶监控 电阻点焊过程中点焊接头的表面温度与熔核温度 存在着函数关系 因而可以通过在工件或电极上安装热电偶测量这些 点的温度 然后根据温度场的分布 推算出熔核温度 3 以此来监控 点焊质量 7 红外辐射监控 这也是一种基于熔核温度测量的方法 其原理 与热电偶监控相同 它通过测量熔核附近的金属表面红外发射 来确 定焊点的熔核温度1 3 2 国内外点焊质量监控的新动态 国外的专家学者对点焊的质量监控系统进行了大量的研究 如 s h e a r e r 等人研制了一个点焊监测系统 监测特征量为出电极位移弓 起 的加压系统压力变化 当特征量达到预先的规定值时 停止加热 s c h u m a c h e r 和d i l a y 研制成功了自适应点焊控制系统 特征参数为电 流 电压以及导出量动态电阻 通过动态电阻的变化来调节电流的变 化率 c e c i l 研制了用电极位移监测点焊质量的控制系统 v a h a v i o l o s 通过检测声信号中的应力波对点焊的质量进行 评价 b a n g 等人采用 热成像法对点焊过程的温度进行了实时监测 上述监控系统主要是使用单参数监控点焊质量 这种监控技术主 要是根据点焊过程中监测信息的某一特征量与质量参数之间建立一一 对应的关系来间接的监控焊点质量 由于实际点焊过程的复杂性使这 种监控模型与实际对象间相差较大 只能在一定的条件下提供可靠的 质量信息 因此这种技术存在监测效果不够稳定 适用范围有限等问 题 阻碍了其进一步推广和应用 为了克服单参数监测技术的不足 充分利用点焊过程各种参数所 提供的熔核质量信息 国内外的一些学者提出了点焊质量监测技术进 一步研究的方向应该是发展多参数综合监测技术 一些专家学者已在 这方面进行了有意义的探索 如s c a r p e l l i 等人研制了一个监测系统 它采用5 个特征量 即软化点 突变信号 硕锻时间 焊接时间 输 入的能量 当五个参量超出规定的区域 点焊质量被认为不合格 但 第一章绪论 他们对五个参数之间的关系以及参数与质量之间的关系未作深入的研 究 g e d e o n 等人对电压 电流 力和位移等参数进行研究后发现 电 极位移和动态电阻能较好的评价熔核质量 w a t e r s 等人研制成了电压 电流和位移三个传感器组成的单片机控制系统 通过设定一些阈值来 判断熔核质量 1 9 9 4 年 德国学者b u r m e i s t e r 采用模糊分类理论和现 有专家系统 建立了三个电参数 焊接电流 电极词电压 工件电阻 和两个机械参数 电极位移 电极加速度 与焊点质量 熔核直径 之间的非线性关系 实现了低碳钢点焊质量的在线等级评定 国内学 者张忠典运用神经网络技术建立了点焊质量模糊综合评判模型 研制 了新型点焊质量多参数综合检测系统 1 2 2 铝合金点焊质量监控技术发展现状 由于铝合金物理 化学性质的特殊性 如熔点低 导电导热性好 它的电阻因为表面氧化膜存在而呈现出由一较大初始值丌始迅速下 降 随后趋于稳定的变化规律 热膨胀系数较大而且塑性区较窄 使 得在低碳钢点焊中广泛应用的一些监控方法 如动态电阻等控制方法 对铝合金不再适用 因此直到现在还未能找到满意的质量监控方法 在国内 由于铝合金点焊并未大量使用 焊接界在铝合金的电阻点焊 方面所作的工作较少 对铝合金的质量控制系统的研究尚在起步阶段 据文献 3 9 介绍英国焊接研究协会研制出了采用电极热膨胀率检 测钢 铝合金的质量监控系统 但未见到有关使用情况的报道 r d b e e m e r 和t w t a l b o t 利用电极的位移和工作电流以及两者之间的 相关性 研制出了点焊非破坏质薰分析仪对钛和铝合盒的质量进行了 检测 40 1 1 9 9 6 年 英国学者m h a o 采用线性回归分析理论 分别建立 了一些过程参数 焊接电流 电极问电压 与铝合金焊点熔核直径和 拉伸强度之间的关系模型 该结果表明 多元回归模型的误差比最佳 的一元回归模型的误差大约下降3 0 到目前为止 关于铝合金点焊 质量控制技术仍处在研究阶段 还未见到有关产业化的报道 国内学 者对铝舍金点焊也做了一些工作 如南昌航空工业学院陈益平等人运 用神经网络方法 构造了一种离散人工神经网络点焊质量预测与评估 模型f 4 1 1 到目前为止 发展点焊质量监控技术的难点在于对点焊质量如熔 核尺寸 强度等参数无法直接测量 只能通过一些过程参数进行阃接 的推断 因此发展点焊质量多参量综合监测技术是提高点焊质量监测 第一章绪论 精度的有效途径 综上所述 如何充分利用监测信息 采用合理的建 模手段 建立合理的监控模型 并使监控模型能够在较宽的条件内提 供准确 可靠的点焊质量信息 已成为发展铝合金点焊质量监控技术 的关键 4 2 1 近年来 获得迅速发展的神经元网络a n n a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k 技术提供了点焊质量监控的有效手段 更是提高铝合金点焊 质量控制的一个新途径 从理论上讲 神经网络可以处理任意复杂的 多元非线性关系 而且具有计算速度快 在线使用方便等特点 采用 a n n 技术建模 不必依赖专家经验等人为因素 也不需要对过程进行 物理分析和数学推导 只要向a n n 输入足够的训练数据 即可导出符 合规律的模型 大大的简化了建模过程 具有更强的通用性和适用性 文献 4 2 1 认为神经元网络理论比回归分析理论和模糊逻辑理论更适用 于描述点焊质量检测信息与质量参数之间多元非线性模型关系 采用 它可以在点焊过程中获得比较准确的熔核质量信息 并将神经元网络 遗传算法和数据融合技术应用于铝合金点焊质量监控上 为实现铝合 金点焊质量控制及系统智能化等方面作了 些基础性的工作 为铝合 金点焊质量监控提供理论依据 1 3 本文的研究目的和主要研究内容 本课题得到了国家自然科学基金委员会 铝合金点焊过程的智能 控制研究 项目 编号 5 0 0 4 5 0 1 9 博士点基金 铝合金电阻点焊 智能控制基础理论的研究 项目 编号 2 0 0 d 0 5 6 1 2 博士点基余 多 信息融合电阻点焊质量监测理论及方法的研究 项目 编号 2 0 0 3 0 0 5 6 0 0 3 的资金资助 点焊质量一直是国内外焊接界学者致力研 究的问题 目前尚未圆满的解决 铝合金点焊是近年来随着汽车材料 轻型化而提出来的新课题 由于铝的特殊性质 其监控难度较一般钢 材更困难 点焊生产中存在的质量问题是相对于检验标准而言的 常 用的点焊标准有 g b t 1 5 1 1 1 1 9 9 4 点焊接头剪切拉伸疲劳试验方法 h b 5 2 7 6 8 4 铝合金电阻焊和缝焊质量检验 h b 5 2 8 2 8 4 结构钢和 不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验 等 检验的项目有 目视检验 撕 破检验 低倍放大镜检验 x 光检验和强度检验等等 这些检验标准 的目的是确保点焊接头内不存在超标准的冶金缺陷 焊点熔核尺寸不 小于规定标准 熔核达到规定标准的焊点数超过规定的百分比 以及 6 第一章绪论 接头强度符合设计要求等 在大批量生产中常常采用抽样破坏检查的 方法 以试样 或部分焊件 的熔核面积及缺陷代表某一批实际产品 的熔核质量 由于影响熔核尺寸和内部冶金缺陷的各种因素大都是随 机的 即抽样破坏检查存在一定的几率 不能代表同一批全部产品 不能完全保证产品的质量 同时也浪费了大量人力和财力 因此在生 产中非常需要一种简便 实用 成本低廉的点焊质量监测报警装置 以取代焊后破坏性抽查方式 并作出更为准确的判断及显示 在电阻点焊中 焊点熔核面积是评价焊接质量的主要依据之 一般认为熔核的面积与接头强度成正比关系 保证焊点有足够大的熔 核面积 就可以保证接头的强度 本课题致力于开发一套质量监测系统 通过评定该熔核面积的大 小来估测焊点的质量是否合格 研究主要包括以下几个方面的内容 1 建数据采集硬件系统 采用v i s u a lc 与m a t l a b 相结合作为 系统的编程语言 以保证开发界面友好 参数设簧灵活 代码执行效 率高 2 设计存储焊接条件和焊接质量等相关参数的数据库 3 将基于人工神经网络的多信息融合技术应用于铝合金直流点焊 中 对焊接过程中的电流 电压 位移及声音信号进行采集 采集到 的数据分别经各自的特征值提取模块得到特征值 把各特征值利用神 经网络进行融合 并输出融合的结果 熔核面积 以次作为评判焊点 质量是否合格的依据 第二章基于神经网络的信息融合技术 第二章基于神经网络的信息融合技术 2 1 点焊过程多传感器信息融合的提出 熔核尺寸符合要求是优质接头的必要条件 为了确保熔核尺寸 国内外都做了大量工作 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 恒电流监控 超声波监控 动态电阻 和电极位移监控等等 这些方法都存在一定的局限性和不足之处 尚 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 焊点 形成时间短 影响因素多 点焊形核过程受多种工艺参数影响的同时 还存在着许多其它因素的相互作用 如温度分布 热传导 力 和冶金 的作用等 既有动态过程的耦合 又有静态效果的重叠 这使得分析 点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了很大困难 二是监控方法的单一性 从七 十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 的监控 只是监测焊接过程中的某个参量 而这些监控方法都是基于 单一传感器信息进行资源和对象的描述 不能获得有关对象的全局信 息 因而存在局限性 上述两方面的原因决定了点焊质量监控是 项 非常园难的任务 其稳定性始终没有得到圆满的解决 为此本文提出 了一种新的点焊质量监测方法 利用人工神经网络对点焊过程的参量 进行数据融合 从而达到监测焊接质量的目的 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 声音 温度以及点焊时间 电极几 何尺寸及工件厚度等 对这些参数进行全部检测时不可能的 因而只 能选择对熔核形成最具有影响力的参数 根据铝合金点焊的试验情况 选定以下几个参数 电流 电压 位移 声音 参见3 2 节 根据这 些参数与铝合金点焊质量 熔核尺寸 的关系 对其进行融合处理并 根据融合的结果判断焊点质量是否合格 2 2 多信息融合技术 2 2 1 多信息融合技术概述 一8 第二章基于神经网络的信息融合技术 在信息的利用过程中 首先要解决的就是获取准确可靠的信息 而传感器则是获取信息的主要途径和手段 提供着系统赖以进行处理 和决策所必需的原始信息 构成了测控系统中信息输入的主要窗口和 关键环节 由于环境和对象的复杂性及不确定性 人们已逐渐认识到基于单 一传感器信息资源进行环境描述的局限性 因而对多传感器系统进行 开发和研究得以越来越深入 多传感器系统包括多个信息资源 其特 点是信息的多样性和操作的复杂性 随着传感器技术的不断发展和多传感器的应用 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而生了 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 广泛的适用范围 信息融合 i n f o r m a t i o nf u s i o n 最早出现在7 0 年代末 开始基于 军事背景 并在军事领域率先取得相当进展 随着研究的深入和应用 领域的扩大 目前信息融合技术已广泛用于工业各领域 如 机器人 与智能仪器系统 战场任务与无人驾驶飞机 图像分析与理解 目标 检测与跟踪 自动目标识别 检测诊断控制系统与分类 多元图像复 合 控制决策生成 信号变换 综合 滤波及合成 故障诊断等 4 3 l 我国在多信息融合方面的研究起步较晚 研究背景大多是军事 如 地面侦察 和智能机器人 如将力觉 视觉 触觉 接近觉和滑动觉 等多种传感器组成的机器人多感觉系统 系统 应用实例也很少 在 许多领域信息融合技术的研究都尚未开展 2 2 2 多信息融合技术的基本原理和实现方法 1 基本原理 目前 信息融合尚未形成系统的理论和一般方法 究其原因 或 多或少是因为信息具有实时和非实时性 瞬变或缓慢变化 模糊或精 第一章基于神经网络的信息融合技术 确 彼此独立或相互交叉甚至矛盾等特点 信息融合的层次 即数据 层 特征层 决策层 与系统模型不同 也使各信息之间的融合变得 困难 但是面对多种传感器提供的信息 融合的基本原理和思想是一 致的 就是协调使用多传感器 充分有效的利用传感器资源 把传感 器各自的信息按照一定的准则进行有机的结合 以获得被控对象的合 成信息或被感知对象的高层次描述 同单一传感器相比 多传感器信 息融合有以下优点 1 提供更丰富的正确的信息 2 获取混合型信息 3 提高信息的容错能力和可信度 多传感器信息具有冗余性 某些 传感器因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 4 提高整个系统的性能 单一传感器无法同时满足系统的各项要 求如可靠性 稳定性 实时性等 2 信息融合的一般过程和方法 一个系统要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 信息融合的一 般过程如图2 1 所示 环境 叫信息获取途径 传感器1 卜 一 信息 域 叫信息获取途径 传感器n 卜 一 融合 变晕知识库l 一中心 融合结果 圈2 一l 信息融合的一般过程 信息融合的中心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 信息融合的方法很多 包括经典推测 贝叶斯推断 d s 论据理 论 模糊集合理论 神经网络法 专家系统方法等 它也可归纳为结 合法 平均法 决策法和指导法等四种方法 这些融合方法针对不同 的研究领域和系统特征 比如对于信息的模糊型或不确定性 模糊理 论提供了有利的计算工具 神经网络法可以克服总线的瓶颈效应 4 第二章基于神经网络的信息融合技术 使信息的传递与处理永远也不会 塞车 而专家系统方法则充分发挥 专家的智慧 使系统具备智能化 2 3 神经网络在信息融合中的应用 2 3 1 人工神经网络 人工神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结 构和功能的一种系统 由于它是一种大规模的非线性动力系统 具有 信息的分布存储 并行处理以及自学习能力等优点 所以它在信息处 理 模式识别 智能控制等领域有着广泛的应用前景 在现有的神经网络中 利用反向传播 b a c k p r o p a g a t i o n 计算来 处理误差是应用较为广泛的 种网络模型 它能够训练输出单元去学 习输入的分类模式 所提供的分类是线性可分的 对于较复杂的非线 性分类 则以多层网络分隔开 所有处理单元 p r o c e s s i n ge l e m e n t 简称p e 及其连接对一个误差的反映多少都负有责任 这也就是说学 习过程的实质是一种误差修正的算法 这种学习算法由正向传播和反 向传播组成 在正向传播中 输入信号从输入层通过变换函数后逐层 向隐层 输出层传播 每一层p e 状态只影响下一层的p e 状态 如果 在输出层得不到希望的输出 则转入反向传播 将误差信号沿原来的 连接通路返回 通过修正各层p e 的连接权值 使输出误差信号减小 1 反向传播 b p 模型 典型的b p 模型有一个输入层 一个输出层和至少一个隐层 理论 上 对隐层的层数没有限制 但常用的是 层或两层 各层处理单元 与下一层的所有处理单元相连 为清楚的阐明学习规则和避免各层之 间的混淆 这里对记号做一规定 符号的上角标用带方括号的字符表 示层数 见图2 2 x 妒一在s 层中第 个p e 的当前输出状态 缈绷一在s 一1 层中第f 个p e 连向第 个p e 的连接强度 圳一s 层中第 个p e 输入的加权和 网络中的s 层上 第 个p e 按照下式传递它的输入 x 妒 厂医噼1 工尸一嘭 厂渺 cz 1 第二章基于神经网络的信息融合技术 式中 变换函数厂一般采用s 形函数 f z 而磊1 雨i s 层 s 1 层 2 2 图2 2b p 网络模型图2 3 神经元处理单元功能 2 反向传播局部误差 现假定网络具有总误差e 它是与网络所有连接权有关的可微分 函数 参见后面式 2 8 通过各层回传误差的关键参数是p 其计 算式为 e 灶筘 实际上 它是s 层上 单元的局部误差度量 不难推得s 层上指定p e 的局部误差和j 1 层上全部局部误差的关 系 e 乒 八 s 唠川一瓯 2 4 式中的s 十i 层不适用于输出层 学习过程的目的是由修改权值来使系统的总误差e 最小化 设给 定当前一组权值嘴 须设法使它们扩大或缩小来降低总误差 通常采 用下列的梯度递降规则 w 1 4 7 x 筛 2 5 式中 玎为学习率或迭代步长 该式表示权值的修改是按照误差曲面上 负梯度的大小和方向进行的 其中的偏导数项可根据前面局部误差的 计算式 有 第二章基于神经网络的信息融合技术 嚣 割 瞄 e 联合式 2 5 2 6 得 矿 j 叩 p 9 j 叫1 i 3 2 7 3 总误差函数 通过网络回传的局部误差是由总误差来确定的 现假定向量v 作 用于输入层的各p e 且假定由 导师 指定了所要求的输出为d 又设 0 代表网络以及当前一组权值所产生的实际输出 则作为是否达到所要 求输出的一个误差度量为 e 去 一 2 2 8 式中的下标k 表示d 和0 的分量 d 一0 是局部误差 根据式 2 3 以上角标 d 表示的输出层各p e 的局部误差为 圳一嚣一喏 d k 啪砌 式 2 8 确定了网络的总误差 我们可以根据对待定的外部输入 v 与所要求的实际输出d 利用b p 算法修正权值来降低总误差函数 其中 梯度法修正权值的样本学习算法可以有效的用在多层网络上 它具有较强的对信息分布式记忆性能 圊时还具有一定的容错性和抗 干扰性 4 标准的b p 算法 如图2 4 框图所示 在给定输入向量v 和要求的输出向量d 的情况 下 b p 算法按以下步骤进行 1 将信息y 提交给网络的输入层 通过正向传播 在输出层得到 一个输出向量0 其中 随着该信息在网络中的传播 同时将对网络的 每一个p e 确定它们的输入 和输出状态j 的总和 2 对输出层的每个p e 用式 2 4 计算局部误差 然后用式 2 7 7 计算权值的修改量 3 将权的修改值加到以前相应的权上去 以此来更新网络中所有 的权值 第 二章基于神经网络的信息融台技术 图2 4b p 网络算法框图 2 3 2 用神经网络进行信息融合 神经网络是信息融合的一个研究热点 信息融合在结构上与神经 网络具有极强的相似性 其原因就是信息融合是基于智能化的思想 它的一个很重要的原型就是人的大脑 它要实现的功能也就是模仿大 脑对来自多方面信息的综合处理能力 与神经网络的恩路坦当接近 因此神经网络方法在信息融合中具有先天的优势 由于在结构上与神经网络的相似性 就可以充分发挥利用神经网 络的结构优势 考虑传感器或者信息处理单元之间的互相影响 互相 制约的关系 这体现了信息融合系统是 个有机的整体 而不是多种 信息的罗列和简单代数加减关系 用神经网络进行信息融合己引起许多专家学者的重视 r u c k 等采 用多层感知器融合多传感器的信息 进行目标的识别 结果表明采用 多层感知器融合结构可以提高分类器的泛化能力和分类成功率 l o o n i s 利用神经网络融合来自不同参数空间的信息 取得了良好的效 果 多神经网络用于模式识别也是信息融合的一种形式 s h i m s h o a i 在 地震波的识别研究中 提出用i c m i n t e r g r a t e d c l a s s i f i c a t i o n m a c h i n e 第二章基于神经网络的信息融合技术 组合多个神经网络的决策结果 证明多神经网络的组合可以用于复杂 高维信号的分类 多传感器信息融合的神经网络有如下特点 具有统 的内部知识 表示形式 通过学习方法可将网络获得的传感信息进行融合 获得相 关网络的参数 如连接矩阵 节点偏移向量等 并且可将知识规则转 换成数字形式 便于建立知识库 利用外部环境的信息 实现知识自 动获取及进行联想推理 它还能够将不确定环境的复杂关系 经过学 习推理 融合为系统能理解的准确信号 此外 由于神经网络具有大 规模并行信息处理能力 使得系统信息处理速度很快 神经网络的结 构是影响信息融合效果的一个重要因素 研究适用于信息融合的神经 网络结构 也是信息融合发展的重要方向 本文将基于神经网络的信息融合技术应用于铝合金点焊质量监测 系统中 对电流 电压 位移及声音信号进行特征值提取后 将特征 值作为融合中心的输入 将熔核的面积作为融合中心的输出 期望通 过评定面积值来评判焊点质量是否合格 2 4 本章小结 1 系统的介绍了多信息融合的原理 一般过程和方法 并对b p 人工神经网络的模型 误差函数及算法进行简单的介绍 阐述了用神 经网络进行信息融合的可行性和优势所在 2 信息融合在结构上与神经网络具有极强的相似性 对铝合金点 焊过程中多个传感器 如电流 电压 位移 声音传感器采集的数据 进行融合 综合多个点焊过程的物理信息 以此来提高点焊质量的监 测水平 本文用人工神经网络作为信息融合的方法 第三章锅台金点焊质量监测系统的总体方案 第三章铝合金点焊质量监测系统的总体方案 3 1 概述 整个系统由硬件和软件两部分组成 图3 1 为系统的硬件框图 压三 冷 数 点 据 计 婶 怀i 耳一 采 气 算 机 集 妒 机 卡 压 图3 1 监测系统硬件框图 由囤3 一l 可以看出 系统硬件主要包括点焊机 相应的传感器 数据采集卡以及计算机组成 点焊机使用逆变直流点焊机 控制箱 m i y a c h ti s 一4 4 4 b 传感器使用了测量测量电流的感应线圈 直接测 量焊接电压的钳子 测量位移的加速度传感器及电荷放大器 测量声 音的驻极体传声器 数据采集卡选用了凌华公司的d a q 2 0 1 0 同步数 据采集卡 详细内容可参见第四章 由于该系统集数据采集和处理功能于一身 且采样数据量很大 信息分析与处理也比较复杂 因此在本论文的工作中采用工 业控制计算机 在监测软件方 面 随着w i n d o w s 系统的普遍 应用 系统采用面向对象编程 因其能为用户提供一个非常友 好的界面 已成为监测软件的 主流 本论文的监测软件采用 m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc 编 用户界面 图3 2 监测系统的软件框图 第三章铝台金点焊质量监测系统的总体方案 制 它与w i n d o w s 操作系统的结合优于其它开发环境 且功能强大 既能直接访问c p u 的各个寄存器 又能访问内存的相关单元 尤其注 重于编程技术细节的运用和代码的优化 图3 2 是整个软件系统的总 体框图 可以看出 数据采集模块是整个系统的基础部分 主要负责 原始信息的收集 为后面的特征值提取及焊点质量的综合判断做准备 数据库记录工件材料 电极材料 焊接规范和焊接质量等相关的信息 另外还记录每一个焊点所对应的数据文件 每个数据文件采集的信号 的类型等等 数据处理模块所要解决的问题是对点焊焊接过程监测参 数特征量的提取 神经网络映射 以及根据映射值进行焊点质量的评 估 图3 3 是监测系统整体流程图 图3 3监测系统整体流程图 3 2 铝合金点焊质量监测系统多传感器信息的选取 在点焊质量监控系统中 首先需要解决的问题是尽可能多的获取 监测对象 即焊点熔核 在点焊过程中不同物理量的原始信息 而后 才能对这些原始信息进行处理从而对焊点熔核质量进行判断 点焊质量监测系统中的监测对象是焊点熔核 在点焊过程中 直 接检测熔核的大小非常困难的 因此采用间接检测方法 即检测与熔 核形成有关参数 通过神经网络模型进而判断熔核面积的大小 第三章铝台金点焊质量监测系统的总体方案 1 电流信号 根据电阻焊原理 当生产条件一定时 散热量基本一致 输入焊 接区的能量越多 形成的熔核越大 因此输入焊接区的能量可以作为 焊点质量的监控参数 当焊接电流通过焊接区电阻时 析出热量 构 成一定温度场并形成熔核接头 其析出热量依焦耳一楞次定律 在 定的焊接时间内 产生的热量与焊接电流有着直接的关系 4 直接影 响熔核的大小 在本试验中将其作为检测参数 2 电压信号 对于复杂的点焊过程 电极间电压的变化与熔核尺寸存在一定的 关系 电压数值是熔核形成过程中信息的表现 对其进行合理的数值 分析 得出的特征量可以作为一种理想的质量监测参数 研究表明 运用 小波包分解 能谱 的质量分析与特征信号提取 方法对铝台金点焊过程的电压信号进行处理 根据试验结果 选择两 个低频带的能量比值作为判断熔核正常与飞溅的特征信号量 可以提 高识别飞溅的准确性 同时又可作为判别熔核是否焊上的参数 4 3 位移信号 点焊时 焊接区的金属因加热熔化 体积膨胀而产生力 作用于 焊机的上下电极便产生相对位移 两电极的相对位移与熔核尺寸有关 反映熔核尺寸变化 并可将位移值转化为反馈信息 对点焊质量进行 监控 因此 电极热膨胀监测能直接反映熔核形成的动念过程 是较 理想的监控方法之一 研究表明 将时间序歹4 与系统分析理论引入点焊过程中的位移分 析 对电极位移信号建立爿胄例自回归系统模型 利用a r 谱的第一峰 值能量作为点焊质量监测的特征量 可实现对熔核状态的识剐 4 声音信号 铝合金点焊试样在加热后 其内部基体与其相邻介质产生一系列 相关的变化 被焊金属发生熔化 凝固相变以及塑性变形等冶会物理 过程 熔核从无到有 有时还会产生喷溅和裂纹 这些声发射源必然 产生不同能量和频率的声音信号 利用声音检测系统按一定时序记录 和分析不同幅值 不同频率的声发射信号 计算信号的能量 便可鉴 第三章锅台金点