本發(fā)明屬于焊接過程控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)與控制建模方法。

背景技術(shù)：

鋁合金mig焊是在惰性氣體保護(hù)下，利用焊絲與鋁合金工件間建立電弧以熔化母材與焊絲的一種焊接方法。焊接時(shí)，惰性保護(hù)氣體從噴嘴中噴出，可以對熔池及其周圍母材進(jìn)行保護(hù)，從而獲得優(yōu)良的焊縫成形。目前，鋁合金mig焊是軌道交通領(lǐng)域鋁合金車體焊接的優(yōu)選方法。

在鋁合金mig焊過程中，由于鋁合金工件散熱條件、坡口間隙、加工精度等因素的干擾，縱使采用恒定規(guī)范焊接，也難以保證背面熔透的均勻性。為解決這一難題，常采用背面視覺檢測與焊接參數(shù)自動(dòng)調(diào)整控制的方法。但焊接參數(shù)調(diào)整過程需要設(shè)計(jì)控制器，控制器設(shè)計(jì)包括焊接過程動(dòng)態(tài)建模、控制器仿真、控制試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整等一系列復(fù)雜的過程，不僅對控制器設(shè)計(jì)人員的理論水平要求高，而且過程耗時(shí)量大。反觀手工焊接過程，焊工觀察熔池，根據(jù)熔池的尺寸大小實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，保證熔透的一致性。如果能將焊工手工焊接調(diào)節(jié)過程引入到控制過程，將有效地解決傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)對人員要求高、過程耗時(shí)量大的難題。因此，有必要探索一種新型的基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)與控制建模方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于解決鋁合金mig焊熔透控制過程中傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)對人員的理論水平要求高、過程耗時(shí)量大的問題，提供一種基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)與控制建模方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)，包括：熔透圖像檢測系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、參數(shù)控制與存儲系統(tǒng)；

所述熔透圖像檢測系統(tǒng)包括工業(yè)攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、與計(jì)算機(jī)連接的顯示器，工業(yè)攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)連接；

所述焊接系統(tǒng)包括焊接電源、控制模塊、焊件夾持平臺，焊接電源的地線與焊件夾持平臺連接，控制模塊與焊接電源、計(jì)算機(jī)連接；

所述參數(shù)控制與存儲系統(tǒng)包括熔透圖像顯示模塊、焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊、焊接參數(shù)存儲模塊、熔池尺寸存儲模塊；

所述工業(yè)攝像機(jī)安裝在焊件夾持平臺背面，用于采集mig焊槍正下方鋁合金工件背面熔透圖像，采集圖像信號傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，并在顯示器上進(jìn)行顯示；所述控制模塊發(fā)出電壓模擬量信號控制焊接電源的焊接參數(shù)，控制模塊發(fā)出開關(guān)量輸出信號控制焊接電源的起弧與熄弧；所述熔透圖像顯示模塊用于熔池背面圖像的實(shí)時(shí)顯示與圖像處理；所述焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊用于焊工對焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制；所述焊接參數(shù)存儲模塊用于對調(diào)節(jié)的焊接參數(shù)波形進(jìn)行采集與存儲；所述熔池尺寸存儲模塊用于存儲檢測的背面熔池尺寸參數(shù)。

作為優(yōu)選方式，所述熔透圖像檢測系統(tǒng)還包括外加光源，外加光源安裝在焊件夾持平臺背面，用于鋁合金背面熔池的照明，便于在工業(yè)攝像機(jī)采集的熔透圖像中區(qū)分鋁合金熔池與母材。

作為優(yōu)選方式，所述工業(yè)攝像機(jī)的軸線與mig焊槍的軸線位于xoz平面內(nèi)，且工業(yè)攝像機(jī)的軸線與z軸的夾角為15-25°。夾角設(shè)定在這個(gè)角度范圍內(nèi)既可以防止焊漏對工業(yè)攝像機(jī)的干擾，又能避免采集圖像區(qū)域大面積難以聚焦的現(xiàn)象。

作為優(yōu)選方式，所述控制模塊為usb或pci數(shù)據(jù)采集卡。

作為優(yōu)選方式，所述參數(shù)控制與存儲系統(tǒng)的建立是在microsoftvisualstudio環(huán)境中利用對話框按鈕功能編程實(shí)現(xiàn)。

作為優(yōu)選方式，所述焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊包括焊接電流調(diào)節(jié)模塊與焊接電壓調(diào)節(jié)模塊。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種利用上述基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)的控制建模方法，包括如下步驟：

(1)工業(yè)攝像機(jī)觀察mig焊槍正下方的鋁合金焊件坡口背面，通過坐標(biāo)標(biāo)定，獲得實(shí)際背面圖像檢測區(qū)域的像素比例因子，在圖像顯示區(qū)域用直線條標(biāo)記設(shè)定的背面熔池尺寸ws。

(2)開啟焊接電源，mig焊接方法進(jìn)行鋁合金工件焊接，熔透圖像檢測系統(tǒng)檢測鋁合金背面熔池信號，在顯示器上實(shí)時(shí)顯示圖像，圖像處理算法實(shí)時(shí)計(jì)算熔池檢測尺寸wd，焊工觀察圖像上的背面熔池，并與設(shè)定的背面熔池尺寸ws比較，根據(jù)熔池尺寸誤差e＝wd-ws變化的大小與快慢，焊工點(diǎn)擊顯示器上的焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，保證鋁合金背面熔透的均勻性。

(3)焊接結(jié)束后，根據(jù)焊接參數(shù)存儲模塊與熔池尺寸存儲模塊，導(dǎo)出焊接參數(shù)與熔池尺寸數(shù)據(jù)，將焊接參數(shù)與熔池尺寸去均值化，利用最小二乘法建立背面熔池尺寸變化δw(k)與焊接參數(shù)變化δf(k)的動(dòng)態(tài)模型關(guān)系式：

δf(k)＝a1δf(k-1)+a2δf(k-2)+···+amδf(k-m)+b1δf²(k-1)+b2δf²(k-2)+···+bnδf²(k-n)+c1δw(k-1)+c2δw(k-2)+···+cpδw(k-p)+d1δw²(k-1)+d2δw²(k-2)+···+dqδw²(k-q)

其中，a1,a2,…,am,b1,b2,…,bn,c1,c2,…,cp,d1,d2,…,dq為模型系數(shù)，m,n,p,q為模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，k為采樣時(shí)刻。

(4)將焊工調(diào)節(jié)過程建立的鋁合金背面熔池尺寸變化與焊接參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)模型關(guān)系式作為控制器，并用于后續(xù)鋁合金熔透控制試驗(yàn)中。

作為優(yōu)選方式，步驟(1)中所述坐標(biāo)標(biāo)定是將圖像像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)為二維平面坐標(biāo)，標(biāo)定工具采用已知尺寸的平面模板或鋼尺。

作為優(yōu)選方式，步驟(2)中所述mig焊接方法為脈沖mig焊。

作為優(yōu)選方式，步驟(2)中所述圖像處理算法包括中值濾波、sobel邊緣檢測、hough變換擬合，中值濾波對背面熔池圖像進(jìn)行去噪濾波，sobel邊緣檢測用于背面熔池尺寸邊緣提取，hough變換擬合對提取的邊緣進(jìn)行去噪擬合。

作為優(yōu)選方式，步驟(3)中背面熔池尺寸變化與焊接參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)模型關(guān)系式的建立是通過matlab編程實(shí)現(xiàn)的。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法的有益效果為：本發(fā)明方法設(shè)計(jì)了一種基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)與控制建模方法，焊工觀察采集的背面熔透圖像，根據(jù)背面熔池尺寸的大小，實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，通過記錄焊工調(diào)節(jié)的焊接參數(shù)變化，建立背面熔池尺寸變化與焊接參數(shù)變化的動(dòng)態(tài)模型。本發(fā)明方法無需進(jìn)行焊接過程動(dòng)態(tài)建模、仿真與控制器設(shè)計(jì)，具有設(shè)計(jì)過程簡單、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，為鋁合金mig焊實(shí)時(shí)熔透控制提供了可靠的技術(shù)支撐。

附圖說明

圖1是基于焊工智能的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)示意圖；

圖2是采集的鋁合金mig焊背面熔透圖像；

圖3是焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊背面焊縫成形。

其中，1為mig焊槍，2為焊件夾持平臺，3為鋁合金工件，4為焊接電源，5為工業(yè)攝像機(jī)，6為外加光源，7為控制模塊，8為計(jì)算機(jī)，9為顯示器，10為熔透圖像顯示模塊，11為焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，12為焊接參數(shù)存儲模塊，13為熔池尺寸存儲模塊，14為焊工。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

實(shí)施例

如圖1所示，一種基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)，包括：熔透圖像檢測系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、參數(shù)控制與存儲系統(tǒng)，所述熔透圖像檢測系統(tǒng)包括工業(yè)攝像機(jī)5、計(jì)算機(jī)8、與計(jì)算機(jī)8連接的顯示器9，工業(yè)攝像機(jī)5與計(jì)算機(jī)8連接；所述焊接系統(tǒng)包括焊接電源4、控制模塊7、焊件夾持平臺2，焊接電源4的地線與焊件夾持平臺2連接，控制模塊7與焊接電源4、計(jì)算機(jī)8連接；所述參數(shù)控制與存儲系統(tǒng)包括熔透圖像顯示模塊10、焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊11、焊接參數(shù)存儲模塊12、熔池尺寸存儲模塊13；所述工業(yè)攝像機(jī)5安裝在焊件夾持平臺2背面，用于采集mig焊槍1正下方鋁合金工件3背面熔透圖像，采集圖像信號通過usb接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)8中，并在顯示器9上進(jìn)行顯示；所述控制模塊7發(fā)出電壓模擬量信號控制焊接電源4的焊接參數(shù)，控制模塊7發(fā)出開關(guān)量輸出信號控制焊接電源4的起弧與熄??；所述熔透圖像顯示模塊10用于熔池背面圖像的實(shí)時(shí)顯示與圖像處理；所述焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊11用于焊工14對焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制；所述焊接參數(shù)存儲模塊12用于對調(diào)節(jié)的焊接參數(shù)波形進(jìn)行采集與存儲；所述熔池尺寸存儲模塊13用于存儲檢測的背面熔池尺寸參數(shù)。

所述熔透圖像顯示模塊10、焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊11、焊接參數(shù)存儲模塊12、熔池尺寸存儲模塊13都是在microsoftvisualstudio軟件環(huán)境中利用對話框按鈕功能編寫的模塊，模塊通過c++程序語句編程實(shí)現(xiàn)。

所述熔透圖像檢測系統(tǒng)還包括外加光源，外加光源安裝在焊件夾持平臺背面，用于鋁合金背面熔池的照明，便于在工業(yè)攝像機(jī)采集的熔透圖像中區(qū)分鋁合金熔池與母材。

所述工業(yè)攝像機(jī)軸線與mig焊槍軸線位于xoz平面內(nèi)，且工業(yè)攝像機(jī)軸線與z軸的夾角為15-25°。夾角設(shè)定在這個(gè)角度范圍內(nèi)既可以防止焊漏對工業(yè)攝像機(jī)的干擾，又能避免采集圖像區(qū)域大面積難以聚焦的現(xiàn)象。

所述控制模塊為usb或pci數(shù)據(jù)采集卡。

所述焊接參數(shù)調(diào)節(jié)模塊包括焊接電流調(diào)節(jié)模塊與焊接電壓調(diào)節(jié)模塊。

本實(shí)施例還提供一種利用上述基于焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊熔透控制系統(tǒng)的控制建模方法，包括如下步驟：

(1)工業(yè)攝像機(jī)觀察mig焊槍正下方的鋁合金焊件坡口背面，通過坐標(biāo)標(biāo)定，獲得實(shí)際背面圖像檢測區(qū)域的像素比例因子，在圖像顯示區(qū)域用直線條標(biāo)記設(shè)定的背面熔池寬度ws。

(2)開啟焊接電源，脈沖mig焊接方法進(jìn)行鋁合金工件焊接，mig焊槍靜止，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠帶動(dòng)焊件夾持平臺運(yùn)動(dòng)，熔透圖像檢測系統(tǒng)檢測鋁合金背面熔池信號，在顯示器上實(shí)時(shí)顯示圖像，采集的鋁合金mig焊背面熔透圖像如圖2所示，圖像處理算法實(shí)時(shí)計(jì)算熔池檢測寬度wd，焊工觀察圖像上的背面熔池，并與設(shè)定的背面熔池寬度ws比較，根據(jù)熔池寬度誤差e＝wd-ws變化的大小與快慢，焊工點(diǎn)擊顯示器上的焊接電流調(diào)節(jié)模塊，保證鋁合金背面熔透的均勻性。

(3)焊接結(jié)束后，根據(jù)焊接參數(shù)存儲模塊與熔池尺寸存儲模塊，導(dǎo)出焊接電流與熔池寬度數(shù)據(jù)，將焊接電流與熔池寬度去均值化，利用最小二乘法建立背面熔池寬度變化δw(k)與焊接電流變化δf(k)的動(dòng)態(tài)模型關(guān)系式：

δf(k)＝a1δf(k-1)+a2δf(k-2)+···+amδf(k-m)+b1δf²(k-1)+b2δf²(k-2)+···+bnδf²(k-n)+c1δw(k-1)+c2δw(k-2)+···+cpδw(k-p)+d1δw²(k-1)+d2δw²(k-2)+···+dqδw²(k-q)

其中，a1,a2,…,am,b1,b2,…,bn,c1,c2,…,cp,d1,d2,…,dq為模型系數(shù)，m,n,p,q為模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，k為采樣時(shí)刻。

(4)將焊工調(diào)節(jié)過程建立的鋁合金背面熔池寬度變化與焊接電流變化的動(dòng)態(tài)模型關(guān)系式作為控制器，并用于后續(xù)鋁合金熔透控制試驗(yàn)中，焊工調(diào)節(jié)的鋁合金mig焊背面焊縫成形如圖3所示。

所述步驟(1)中所述坐標(biāo)標(biāo)定是將圖像像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)為二維平面坐標(biāo)，標(biāo)定工具采用已知尺寸的平面模板或鋼尺。

所述步驟(2)中所述圖像處理算法包括中值濾波、sobel邊緣檢測、hough變換擬合，中值濾波對背面熔池圖像進(jìn)行去噪濾波，sobel邊緣檢測用于背面熔池尺寸邊緣提取，hough變換擬合對提取的邊緣進(jìn)行去噪擬合。

所述步驟(3)中背面熔池寬度變化與焊接電流變化的動(dòng)態(tài)模型關(guān)系式的建立是通過matlab編程實(shí)現(xiàn)的。

上述步驟的試驗(yàn)平臺：焊接電源為松下400ge2型焊機(jī)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠帶動(dòng)焊件夾持平臺運(yùn)動(dòng)。鋁合金母材為6061型鋁合金，板厚4mm，焊絲型號為5356，絲材直徑1.2mm，試驗(yàn)工藝參數(shù)為：初始平均電流130a，電弧電壓20v，焊接速度7mm/s，保護(hù)氣為純氬，氣體流量25l/min。

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。