焊缝成形传感与控制.doc

焊缝成形传感与控制0 序言随着机械、电力和材料等行业的发展，焊接技术正在成为一种覆盖面越来越广、科技性越来越高、生产中越来越重要的金属热加工技术。现代化生产对焊接技术提出了进一步提高效率，优化质量，改善劳动条件的要求，焊接智能化就是焊接工作者顺应这种要求的具体体现。我国虽然已经成为“制造业大国”，但距“制造技术大国”还相去甚远，尤其是焊接自动化、机械化程度远远落后于工业发达国家，如美国、日本、德国等。因此，发展和应用新型焊接自动化技术对我国国民经济将起到巨大的作用。在实际生产中，由于各种因素的影响，实际的焊接条件不可能像理想状态那样一成不变。例如，强烈的弧光辐射、高温、烟尘、飞溅、坡口状况、加工误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等影响会使焊炬偏离焊缝，从而造成焊缝成形、焊缝组织性能、焊缝力学性能等几方面焊接质量指标的下降甚至失败。在焊接条件存在这种不可避免的变化的情况下，实现焊接自动化与智能化的根本困难在于实现对焊接熔池动态行为，如熔池的尺寸、熔深、熔透及焊缝成形的实时检测与有效控制。只有弧焊机器人能够实时检测出焊缝偏差，并调整焊接路径和焊接参数，才能保证焊接质量的可靠性。为了使得机器人在焊接过程中能实时地检测出焊缝的实际位置，焊缝成形传感与控制技术是其中的关键。同时，电弧焊是涉及材料、冶金、物理化学变化等多种因素交互作用的非线性复杂过程，焊接质量与焊接工艺的多参数有关，焊缝成形等质量控制是非常困难的。经典与现代这些参数的作用相互关联，既有动态过程的耦合，又有静态效果的重叠。对于焊接动态过程这样的多变量、非线性、时变且含有诸多不确定因素和约束条件的复杂对象，采用基于精确数学建模方法，难以得到有效的可控制模型，决定了对焊接熔池的动态变化亦即对焊接熔宽、熔透和焊接过程控制理论所提供的控制器设计方法。由于是基于线性系统假设的，并不适用于焊接过程的复杂性。随着近年来科学技术和研究理论的发展，先进传感方法和智能控制方法越来越广泛地应用于焊接过程控制中。1 焊缝成形的特点1.1 焊缝成形的概念无论是手工电弧焊、非熔化极气体保护焊、熔化极气体保护焊还是埋弧焊，其焊缝成形原理大同小异，都是电弧作为热源熔化焊丝与母材，在电弧力、重力、表面张力作用下，熔化的焊丝和母材在焊件上形成一个具有一定形状和尺寸的液态熔池。随着熔热源的移动，熔池向前运动，并在电弧后形成凝固的焊缝。在实际焊接生产中为了更好地量化表征焊缝成形的质量，除了焊缝的几何形状（二维信息和三维信息，如图1所示），人们还制定了一些焊缝成形的相关系数作为更细致的评价标准，如焊缝形状系数、焊缝余高系数和熔合比。其中，H为熔深，B为熔宽，a为余高，L为熔池长度焊缝形状系数： BH焊缝余高系数：=Ba熔合比：（焊缝中母材金属所占的面积与焊缝总面积的比值）AmAm+AH图1 熔池及焊缝的描述1.2 焊缝成形及其传感的影响因素通过电弧焊基础1课程的学习，我们已经知道在熔池和焊缝的形成过程中：（1）熔池的体积主要由电弧的热作用决定；（2）熔池的形状主要由电弧对熔池的作用力及熔滴对熔池的冲击力决定；（3）不同焊接位置下重力及表面张力起的作用不同。2 焊缝成形传感技术上面提及的电弧焊本身的特殊性，对焊缝成形传感提出了更高的要求，因为弧光强烈并伴随着飞溅和高温，背面熔池的传感又不可达。为了研究传感正面熔池信息，来间接反映熔透，目前已经发展了多项涉及声学、力学和光学的传感技术。2.1 常用的焊缝成形传感与检测技术2.1.1 熔池振荡频率法焊接熔池中存在振荡现象是70年代开始逐渐引起人们注意的一种焊接电弧现象。最初人们是为弄清焊缝表面纹波的均匀性及其对焊缝冶金质量影响来研究这个熔池动力学问题的。80年代以后人们进一步发现这一现象可以间接的用来检测熔池熔透量。进入90年代，包括美国和英国在内的很多国家的科研机构研究表明：熔池振荡频率实时检测能够成为电弧焊熔深自适应控制的新思路和新方法。（1）熔池振荡传感的物理学原理物理学已经证明，有放置在一个固体容器中的任何液态物体，当液面受外力冲击时，液面将产生振荡和波动。如果液态物质种类一定，则液面的振荡频率只与液态物体的体积有关（与液态物体的体积成反比），也就是说当液态物体的体积一定时，则此液面的振荡频率也是一定的。这时，此振荡频率称为该体积液态物体的固有振荡频率，也称自然振荡频率。因此，人们可以通过受激振荡的液面自然振荡频率推算出某容器中液态物体的体积。而熔池振荡频率法，正是利用液体受激产生振荡的物理现象以及其中液体体积和振荡频率的关系，来实现正面实时检测焊缝熔深或熔透情况的。（2）焊接熔池的振荡模式和频率特征为了探明焊接熔池的振荡形态及其规律性，首先要对焊接熔池的振荡进行了大量观测分析。图2、图3分别为静态、移动焊接熔池的振荡模式2。图2 静态焊接熔池的振荡模式+ 表示焊接熔池表面在电弧压力方向的正位移- 表示焊接熔池表面在电弧压力方向的反位移既然熔池中存在着振荡，那么振荡频率自然就成为人们首先关注的问题。经过多方面实验研究和理论分析3，已经确认局部焊透熔池和全焊透熔池的振荡频率是截然不同的。对于局部焊（熔)透熔池，其振荡频率为f=5.8412D-32而全焊透熔池的振荡频率则为f=1.08H12D-1以上两式中液体金属表面张力；液体金属密度；D焊接熔池的等效直径；H板厚。（c）（a） （b）焊接方向图3 移动焊接熔池的振荡模式(a)、(b) 局部熔透移动焊接熔池(c) 全熔透移动焊接熔池图4为脉冲GTAW条件下实测的熔池振荡频率变化曲线， 可见在其它参数不变的条件下， 当改变脉冲基值电流或峰值电流宽度，焊缝从局部焊透转变为全焊透时， 振荡将发生突变， 即从局部焊透时的较高频率突变为全焊透时低频率。显然这一现象对焊缝焊透的实时控制是很有意义的。图4 脉冲GTAW时Ib(a)和tp（b）对熔池振荡频率的影响（3）焊接熔池振荡频率的实时检测通过查阅文献，目前实时检测焊接熔池的振荡频率的方法主要有光电检测法和电弧电压检测法。a.光电检测法美国MIT的D.E.Hardt及Vanderbilt大学的G.E.Cook、英国CEGB的R.T.Deam 等都研究过用光电元件从熔池背部侧向或熔池面检测热辐射光波讯号并从中获取频率检测的结果。b.电弧电压检测法熔池振荡会引起弧长和电弧电压的波动， 因此可以通过电弧电压间接测检测振荡频率，其中的关键是如何提高检测的可靠性，即有效控制信噪比。由于电弧电压的干扰因素很多， 如何抑制这些干扰而增强熔池振幅就十分重要。2.1.2 视觉传感方法视觉传感不仅可以提供焊缝跟踪所需的高精度的接头中心位置信息，而且可以检测接头断面几何形状、面积等特征信息。传感器件主要有:CCD（Charge Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）。这2种形式的传感器件是获得可靠监控质量信息的理想选择，都是二维感光阵列，通过输出线性变化的电压来获得清晰直观的信息，并且使用方便。CMOS新型的传感器件应用范围有限，CCD已是焊接过程监控的常规视觉器件。在焊缝跟踪过程中，视觉传感系统主要基于CCD摄像的传感，采用2种主动激光光源的方法，包括结构光源和直接扫描4。（1）结构光方法如图5所示，激光二极管发出的光束经一柱状镜转换成条形光，投射到工件表面的V型坡口焊缝上，发生相应的变形，并向工件上方漫反射。CCD接收从工件上漫反射的反映焊缝坡口形式的条形光，通过信号采集和图像处理，可知条形光变形所处的中心位置，即焊缝中心线的位置。将激光二极管安装到焊接机头上，在开始焊接前使条形光的中心位置对应焊枪的位置，根据CCD接收到的变形条形光反映的中点位置与焊枪位置的关系，可获得焊枪与焊缝中心线的偏离方向及偏移量大小的信息。结构光法能检测出焊缝的中心位置，以及焊缝截面的形状和尺寸等特征参数。该方法安装方便，可以实时调整，适合于不同的焊缝和各种焊接方法。图5 结构光方法（2）激光扫描法如图6所示，激光光束从水平方向照射到扫描轴的镜子上，再反射到工件表面。从工件反射的光经过扫描轴的另一镜子反射到透镜，并在CCD上成像。马达在正反转驱动下不停地来回转动，使激光束在工件上横向扫描。图6 激光扫描法该方法根据光沿直线传播的原理，利用发射光束与反射光束之间的几何关系计算工件上各点的位置，一般用聚焦的细微光束代替光面，从而大大加强了主动光源的相对强度，这对克服弧光中强烈的光干扰具有重要的意义。这种方法不需复杂而又费时间的图像处理，并且光发射与光接收同步扫描，测得的是焊缝截面轮廓上的一系列点的标，便于设备自动控制，可以得到较高的分辨率和测量精度。美国肯塔基大学R.Kovacevic和Y.M.Zhang研究利用强脉冲激光栅格状多结构光条纹和高电子快门摄像，其设计原理图如7所示。脉冲激光器的平均功率为7mW，在一个脉冲周期内激光脉冲持续时间为3ns，激光脉冲功率可达50kW，激光波长为337nm，拍摄得到的熔池图像如图8所示5图7 强脉冲激光栅格状多结构光条纹和高电子快门摄像原理图图8 强脉冲激光栅格状多结构光条纹和高电子快门摄像所得熔池图像结构光法和激光扫描法的一个共同点是， 二者都利用激光光源的可控性， 对激光信号和干扰信号进行分离；二者都需要选择适当谱值的激光和滤光范围的滤波器，为此对弧光光谱的分析将是十分重要的内容，但由于激光扫描的结构复杂、成本高， 应用范围有限。2.1.3 红外式光学传感器红外线传感器取得的热图象可作为判断温度场的信息。近年来红外传感技术已用于焊缝冷却率、熔池形状、熔透、跟踪及焊缝内在缺陷的控制。如采用光纤离散点热图象代替大面积热图象可进一步提高传感辨别能力。它受弧光干扰小但其致命弱点只是获得弧池的热象轮廓，仍无法直接分辨出工件的相对位置。采用脉冲调制式红外GaAs 双向传感器，可以以坡口棱边为焊缝成形传感的参考对象6。脉冲期间的正常接受信号及脉冲休止期间接收的干扰光经采样、保持相减(适应噪声抵消法)，可克服弧光干扰。由红外发光二极管及接受光敏三极管组成的两个传感器经组合后，输出信号之和、差用于高度和水平方向跟踪。鉴于弧光及周围环境光频率约100Hz，把红外信号源调制成1000Hz 后通过高频滤波电路以抗弧光干扰，设置可变放大倍数程控放大器和增加一或三个对称布置传感器可克服工件表面状态及定位焊道、错边的干扰。上定位焊道后高度方向递推跟踪水平方向继续跟踪。2.2 其他正在研究的焊缝成形传感技术2.2.1 背面声音检测法在等离子弧焊过程中，“小孔效应”是其特有现象，它有助于焊缝的充分熔透。对于不同的熔透情况，等离子电弧的声频信号穿过小孔时会具有相应的特征，因此可通过检测背面电弧声频信号来获得其焊透情况。该法主要的缺点有: 声音的传输速度太慢；只有封闭结构条件下才能取得可靠的信号。这些缺点限制了该法的进一步应用，近来已很少有关于该法的研究报道。2.2.2 X射线法在电子束焊接过程中，由于电子束与金属的相互作用，会产生X 射线，可利用X 射线在底片上成像来观察熔池状态及其内部的气孔的情况。对于普通焊接来说，则需要X 射线发射装置。但X 射线发射装置比较昂贵，采用该法必须在拍摄过程中添加复杂的防辐射装置，这些缺点限制了该法在一般焊接中应用。2.2.3 超声波法超声波一直在无损检测方面起着很重要的作用，目前超声波技术广泛应用于焊缝结构探伤中。而将超声波用于熔池检测方面，目前测试效果一般，实用性不强，离实际应用还有很远的距离。2.2.4电压法在某些特定的焊接方法中，如等离子弧焊、埋弧焊以及MAG焊，由于熔池在不同的熔透状态下电弧电压会产生相应的频率变化，因此可以通过专门设置的接触式测量棒或者铜垫板等特定条件，利用测量电压的方法来间接检测焊缝焊透量甚至焊缝背面的熔宽。这种方法的缺点是它只是在一些较少见的焊接方式下才有应用价值，在一些常用的焊接方式下则不能使用。3 智能化焊缝成形控制焊接机器人从60年代诞生和发展到现在，经历了三个阶段：示教再现阶段、离线编程阶段和自主编程阶段。目前，国内外大量应用的弧焊机器人系统从整体上看基本都属于第一代或准二代的。由于焊接路径和焊接参数是根据实际作业条件预先设置的，在焊接时缺少外部信息传感和实时调整控制的功能，这类弧焊机器人对焊接作业条件的稳定性要求严格，焊接时缺乏“柔性”，表现出明显的缺点。为了克服机器人焊接过程中各种不确定性因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作的可靠性，要求弧焊机器人系统不仅能实现空间焊缝的自动实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制。研究智能化机器人焊接技术，改进目前工业生产中示教再现型焊接机器人的适应或智能化功能，一方面是目前高技术产品复杂焊接工艺及其焊接质量、效率的迫切要求；另外，随着人类探索空间的扩展，在极端环境，如太空、深水以及核环境下的焊接制造也对发展自主智能型焊接机器人提出了强烈的技术需求。上面所介绍的各种焊缝成形的传感技术，是焊缝成形控制的前提条件。而随着人工智能、计算机技术及信息科学的飞速发展， 焊接过程智能控制也取得了长足的进步。3.1焊接专家系统焊接领域的专家系统研究约始于80年代中期，经过国内外焊接工作者的不懈努力，目前焊接专家系统研究已触及焊接生产的所有主要方面。在焊缝成形控制中发挥着很大的作用。焊接专家系统对焊缝成形的控制，主要集中在两个方面7：工艺选择与工艺制定和焊接过程实时控制。（1）工艺选择与工艺制定专家系统这是目前焊接专家系统最主要的应用领域，有关工艺选择及工艺制定的焊接专家系统约占70%。（2）焊接过程实时控制专家系统这是焊接专家系统发展的一个重要方向，但目前还处于发展阶段，和工艺选择与工艺制定专家系统相比还不够成熟。不过，国外开发出的此类专家系统已经具有了很强实用性，如Camtech 1000和Adaptitech 1000就具有真正的实时性，可完成零件定位、焊接操作、质量检查等功能；Expert System for Control of Welding Parameters还可给出最优焊接参数，从而控制焊接设备，保持恒定的熔深和焊道高度。3.2 基于神经网络的焊接控制（1）神经网络概述神经网络诞生半个多世纪，经历了一个由奠基高潮一坚持一高潮的这样一个发展历程，目前己进入一个新的发展阶段。我国学术界大约在80年代中期开始关注神经网络领域。它的中心问题是智能的认知和模拟。 神经网络的基本思想是从仿生学的途径对人脑的智能进行模拟，使技术机器具有模拟人类感知、学习和推理行为的能力，这对于处理今天科学与技术领域所面临的日趋复杂的系统问题具有重要的意义8。（2）神经网络在焊接过程中的应用神经网络技术在焊接过程中的应用，大多是将网络用于焊接过程的建模及控制，通过建立焊接电流、焊接速度、母材厚度与熔宽及熔深之间的关系，应用神经网络控制器对焊接规范进行动态控制。目前国内外专家研究的应用在焊接中的神经网络有ART网络、多层感知网和误差反向传播网络模型（即BP网）。其中BP网最常见，且是应用最成功的。（3）人工神经网络在熔焊质量控制中的应用在焊接过程中，用比较成功的焊接实验数据作训练样本对BP网络进行训练，建立一个优化焊接参数的神经网络，其焊接参数可进行在线调节、自动优化，从而保证得到高质量的可靠焊缝。在焊接质量的预测与分类中，可借助多层BP网络直接对焊缝的熔深和轮廓形状进行分类。 对于已经给定的焊接参数，可以比较准确地预测所得到的焊缝质量。 人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）应用于熔池及焊缝成形控制的研究较为广泛。 将微分神经网络处理单元、光学视觉单元、电弧控制单元相结合，选取焊缝正面或反曲的熔池宽度及焊接电流、坡口间隙等信息组作为ANN输入信号，以熔深及焊缝高度作为输出控制信号，调节焊接电流、焊速等参数，控制熔深和焊缝宽度，由此保证焊缝几何尺寸的均匀一致而实现焊缝质量的自适应控制。3.3 焊接过程模糊控制基于模糊集理论的模糊逻辑是一种解决未知或不精确、不完全信息的方法，将模糊控制应用与焊缝成形控制，就能利用隶属度函数和模糊合成法则等思想， 巧妙地综合了人们的直觉经验，从而在其他经典控制理论和现代控制理论不太奏效的场合，能够实现较满意的控制。目前，能够或已经应用于焊接领域的模糊控制器，概括起来有5 种形式：控制规则可调整的模糊控制器、具有积分作用的模糊控制器、参数自调整的模糊控制器、复合型模糊控制器和自学习模糊控制器。上述5大类高性能模糊控制器中，最有生命力的是自学习模糊控制器。查阅有关国内外有关文献可以发现，现在模糊控制研究的注意力也主要集中于如何引进自学习机制，使其在实现控制的同时，不断获得信息，从而达到自我完善的崭新效果。目前自学习模糊控制器种类可分为9:（1）基于神径网络的自学习模糊控制器该控制器是利用人工神经网络对信息具有自学习、自记忆、自联想以及高度非线性等特点，实现系统从环境中学习知识的功能。将神经网络与模糊控制相结合是最新颖方向之一，两者都是无模型的估计器，学习和推理功能非常类似于人脑，并易于硬件实现。这类方法中神经网络自组织模糊控制及神经网络自适应模糊控制是引人关注的两个方向。（2）基于逻辑或规则的自学习模糊控制器该控制器利用控制过程中的某些特征规则来控制和提示学习过程的进行，并主要通过定性的逻辑推理机制规则来实现模糊控制。专家模糊控制便是此类研究方向之一， 它是将专家系统技术引入模糊控制中，构成专家模糊控制器。与单纯的模糊控制器相比， 它能容纳过程控制所需要的更复杂的知识，并用更复杂的方式使用它们。（3）基于代数指标的自学习模糊控制器该控制器是利用某种意义下的定量指标来控制和提示学习过程的进行，主要通过代数公式或近似模型来完成。自寻优模糊控制、自组织或自调整比例因子模糊控制、自校正或参数自整定模糊控制便是此类研究方向之一。3.4 焊接智能化控制的前景展望10专家系统、模糊控制和神经网络各有其优缺点：专家系统善于逻辑性推理，但学习比较慢，难以满足快速时变系统的控制要求；模糊控制长于模糊信息处理和决策，但对复杂对象的控制精度不够；神经网络分布式存蓄信息，具有很好的自组织、自学习能力，但还需提高学习速度，避免局部最优而取得全局最优。在智能控制研究的不断深入的今天，神经网络、专家系统、模糊控制已经开始相互渗透和结合，智能控制技术在焊接中的应用越来越广泛，如神经网络与模糊控制的结合、专家系统和神经网络的结合以及模糊专家控制系统的应用等等。普遍认为，将专家系统作为自适应单元，将模糊计算作为决策单元而把神经网络作为补偿单元是目前智能控制发展最有潜力的方法，三者的结合使得控制系统具有更强的自适应、自学习、自组织和更好的控制品质。目前，在弧焊过程控制中，专家系统主要用于熔深和熔宽控制、电弧稳