基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)的端接微束等離子焊接成形控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于焊接質(zhì)量控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)離線辨識(shí)的端接微束 等離子焊接成形控制方法，可廣泛應(yīng)用于航空航天制造等領(lǐng)域薄壁金屬精密構(gòu)件的端接微 束等離子焊接過(guò)程中。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄壁金屬精密構(gòu)件是航空航天、軍用武器、核工業(yè)、醫(yī)療器械和生物醫(yī)學(xué)等高端裝 備制造領(lǐng)域中一類不可或缺的重要構(gòu)件，對(duì)焊縫質(zhì)量和接頭機(jī)械性能要求嚴(yán)格。脈沖微束 等離子焊接方法(P-MPAW，Pulsed Micro-plasma Arc Welding)因具有能量密度集中、熱影 響區(qū)窄、電弧穩(wěn)定性高以及能夠?qū)崿F(xiàn)熱輸入量的精確控制等優(yōu)點(diǎn)，是耐熱薄鋼帶、不銹鋼薄 壁管、金屬波紋管和膜盒等薄壁金屬精密構(gòu)件的重要焊接成形制造方法。
[0003] 焊接成形質(zhì)量控制是維持焊接過(guò)程穩(wěn)定性、保證焊縫質(zhì)量和接頭性能的關(guān)鍵，也 是實(shí)現(xiàn)智能化焊接的前提。我國(guó)現(xiàn)階段尚未全面實(shí)現(xiàn)薄壁金屬精密構(gòu)件的自動(dòng)化和機(jī)器人 化焊接生產(chǎn)，目前仍主要依賴于人工輔助的機(jī)械化焊接生產(chǎn)方式，存在著焊接過(guò)程不穩(wěn)定、 焊縫成形不均勻、焊接質(zhì)量穩(wěn)定性難以保障、產(chǎn)品的一次焊接成功率低等嚴(yán)重問(wèn)題，尤其在 航空航天制造領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的焊接生產(chǎn)方式正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：以宇航工業(yè)中需求量巨大的 焊接波紋管、焊接膜盒等薄壁金屬殼體類構(gòu)件為例，其焊縫數(shù)量眾多(最多時(shí)近一百條），且 焊縫質(zhì)量均需達(dá)到航天工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)要求，同時(shí)需保證無(wú)一漏點(diǎn)并通過(guò)液壓、氣密、氦質(zhì)譜 檢漏及疲勞壽命試驗(yàn)。因此，發(fā)展以"高精度焊縫控形"為目標(biāo)的精密焊接在線成形控制技 術(shù)，是薄壁金屬精密構(gòu)件制造領(lǐng)域亟需重點(diǎn)突破的關(guān)鍵性內(nèi)容。
[0004] 由于薄壁金屬精密構(gòu)件焊接具有母材壁薄、焊縫微細(xì)和焊接熔池微小等特點(diǎn)，其 焊接熱過(guò)程條件變化對(duì)焊縫成形質(zhì)量的影響顯著，給在端接接頭精密焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)焊縫成 形質(zhì)量控制提出極大挑戰(zhàn):一方面由于焊接熔池體積和熱容量微小、熔池內(nèi)部及表面作用 力復(fù)雜等因素，焊接過(guò)程中熔池內(nèi)的熱、力平衡極易因電弧熱功率、焊接夾具傳熱條件、熔 池表面張力的細(xì)微變化而被破壞，導(dǎo)致產(chǎn)生焊縫氧化夾渣、焊縫根部未熔合、裂紋等成形缺 陷；另一方面由于薄壁端接接頭焊接過(guò)程中熱輸入量積累大且散熱速率低，母材極易出現(xiàn) 燒穿致使產(chǎn)品報(bào)廢。因此，如何在焊接過(guò)程時(shí)滯、多變量耦合且難以建立精確焊接過(guò)程模型 的條件下對(duì)焊縫成形質(zhì)量實(shí)施精確控制，是是薄壁金屬精密構(gòu)件焊接制造亟需解決的關(guān)鍵 問(wèn)題。
[0005] 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)和專利檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910248029.0的中國(guó)發(fā)明專 利《一種超細(xì)不銹鋼篩網(wǎng)的精密焊接方法》公開了一種超細(xì)不銹鋼篩網(wǎng)的精密焊接方法，采 用微束等離子焊接方法實(shí)現(xiàn)Φ 〇. 15mm~Φ 0.25mm絲徑不銹鋼篩網(wǎng)的對(duì)接自動(dòng)焊;專利申請(qǐng) 號(hào)為201010101229.6的中國(guó)發(fā)明專利《一種純鈦箱的微束等離子弧焊焊接方法》公開了一 種純鈦箱的微束等離子弧焊焊接方法，通過(guò)一套焊接工藝流程實(shí)現(xiàn)0.05mm厚鈦含量99 %以 上的純鈦箱的微束等離子弧對(duì)接焊。以上技術(shù)方案均針對(duì)對(duì)接接頭的微束等離子焊接，且 并未涉及微束等離子焊接成形在線控制技術(shù)。
[0006] 綜上所述，國(guó)內(nèi)外針對(duì)微束等離子焊接技術(shù)的研究大多僅涉及裝配定位方法及工 裝夾具設(shè)計(jì)、焊接工藝參數(shù)離線優(yōu)化、焊道自動(dòng)跟蹤技術(shù)以及適用于薄板對(duì)接接頭或針對(duì) 特定工件的焊接工藝方法，目前尚未見適用于薄壁端接接頭微束等離子焊接的焊縫成形在 線控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)的端接微束 等離子焊接成形控制方法，以實(shí)現(xiàn)薄壁端接接頭微束等離子焊接過(guò)程的焊菇成形在線控 制。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0009] -種基于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)辨識(shí)的端接微束等離子焊接成形控制方法，包括以下步驟：
[0010] 1)針對(duì)薄壁端接接頭進(jìn)行基于正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)的脈沖微束等離子焊接試驗(yàn)，獲得 試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括主弧峰值電流I、主弧基值電流L主弧電流脈沖寬度爾等離子氣體流量、 焊接速度熔池長(zhǎng)度、熔池寬度、熔池尾部輪廓角角度^^、焊菇熔深力和焊菇寬度 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使各試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸一化到[0，1]之間，得到標(biāo)準(zhǔn)化的神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)學(xué)習(xí)樣本，并將該學(xué)習(xí)樣本分為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)集；
[0011] 2)采用步驟1)中所述網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，根據(jù)BP誤差反向傳播算法對(duì)Elman動(dòng)態(tài)遞 歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行離線訓(xùn)練，直至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)指標(biāo)函數(shù)值滿足收斂條件，即實(shí)現(xiàn)Elman動(dòng)態(tài)遞歸 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)薄壁端接脈沖微束等離子焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程的離線系統(tǒng)辨識(shí)，其中，所述網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練 數(shù)據(jù)集采用主弧峰值電流主弧基值電流&、主弧電流脈沖寬度爾等離子氣體流量'、焊 接速度#、熔池長(zhǎng)度熔池寬度也·。、熔池尾部輪廓角角度焊菇熔深乃和焊菇寬度if 的當(dāng)前時(shí)刻數(shù)據(jù)和歷史時(shí)刻數(shù)據(jù)作為所述Elman動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，采用下一 時(shí)刻的焊菇熔深3和焊菇寬度#作為所述Elman動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出參數(shù)；
[0012] 3)采用步驟1)中所述網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證數(shù)據(jù)集對(duì)步驟2)中所述Elman動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行驗(yàn)證并修正，直至網(wǎng)絡(luò)的最大誤差百分比和平均誤差率滿足預(yù)設(shè)精度要求，即得到焊菇 成形預(yù)測(cè)模型；
[0013] 4)根據(jù)薄壁金屬精密構(gòu)件的焊接規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊菇成形期望指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，包括焊 菇熔深期望指標(biāo)D se3t和焊菇寬度期望指標(biāo)Wse3t,并對(duì)微束等離子焊接工藝參數(shù)進(jìn)行初始值設(shè) 定，隨后開始焊接；
[0014] 5)采用安裝有復(fù)合濾光片組的高速CXD攝像機(jī)從微束等離子焊接熔池后上方連續(xù) 采集熔池正面圖像，并依次進(jìn)行圖像預(yù)處理、圖像分割和熔池邊緣檢測(cè)提取熔池形態(tài)特征 參數(shù)，包括:熔池長(zhǎng)度L P。。、熔池寬度^。。和熔池尾部輪廓角角度αρ。。;采用霍爾傳感器、氣體 流量傳感器和光電碼盤測(cè)速傳感器采集微束等離子焊接過(guò)程參量信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后得到 主弧峰值電流Ι Ρ、主弧基值電流lb、主電流脈沖寬度Pi、等離子氣流量QPia和焊接速度V;
[0015] 6)根據(jù)步驟5)中所述熔池長(zhǎng)度LP。。、熔池寬度WP。。、熔池尾部輪廓角角度α ρ。。、主弧 峰值電流Ip、主弧電流脈沖寬度Pi、主弧基值電流lb、等離子氣流量Qpi a和焊接速度V的當(dāng)前 時(shí)刻數(shù)據(jù)和歷史時(shí)刻數(shù)據(jù)，采用步驟2)所述焊菇成形預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到下一時(shí)刻的焊菇成 形預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，包括焊菇熔深預(yù)測(cè)值D pre3和焊菇寬度預(yù)測(cè)值Wpre3;
[0016] 7)根據(jù)步驟6)中所述焊菇熔深預(yù)測(cè)值0_與步驟4)中所述焊菇熔深期望指標(biāo)Dse3t 的差值Ed，微束等離子焊接電源執(zhí)行等離子氣流量Qpla的實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)焊菇熔深的實(shí)時(shí)閉 環(huán)反饋控制;根據(jù)步驟6)中所述焊菇寬度預(yù)測(cè)值％^與步驟4)中所述焊菇寬度期望指標(biāo)Wse3t 的差值Ew，微束等離子焊接電源執(zhí)行主弧電流脈沖寬度Pi的在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)焊菇寬度的實(shí)時(shí) 閉環(huán)反饋控制；
[0017 ] 8)重復(fù)步驟5)至步驟7 )，直至焊接結(jié)束。
[0018] 上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述主弧峰值電流^為2.5~4.0A、主弧基值電流之為 1.2~2.0A、主弧電流脈沖寬度玲,為0~99%、等離子氣體流量色,"為200~300mL/min、焊接速 度#為200 ~248mm/min。
[0019] 上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述微束等離子焊接試驗(yàn)，采用安裝有復(fù)合濾光片組 的高速CCD攝像機(jī)從微束等離子焊接熔池后上方連續(xù)采集熔池正面圖像，并依次進(jìn)行圖像 預(yù)處理、圖像分割和熔池邊緣檢測(cè)提取熔池形態(tài)特征參數(shù)，包括熔池長(zhǎng)度毛熔池寬度 熔池尾部輪廓角角度采用工具顯微鏡測(cè)量并記錄焊縫接頭熔凝區(qū)形狀特征尺寸， 包括焊菇熔深3和焊菇寬度#
[0020] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果:本發(fā)明采用Elman動(dòng)態(tài)遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)， 基于系統(tǒng)的當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)對(duì)薄壁端接接頭脈沖微束等離子焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng) 離線辨識(shí)，能夠克服傳統(tǒng)靜態(tài)映射網(wǎng)絡(luò)在對(duì)純時(shí)間延遲動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)時(shí)辨識(shí)精度和穩(wěn) 定性方面的不足，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)"焊接工藝參數(shù)-熔池視覺特征-焊菇幾何尺寸"非線性映射的 高精度逼近;本發(fā)明采用熔池正面