智慧型化手工焊接系統及其建模與控制

《智慧型化手工焊接系統及其建模與控制》是依託北京工業大學，由張裕明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：智慧型化手工焊接系統及其建模與控制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張裕明
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

手工焊接因其靈活性和可達性高仍將繼續發揮其作用，但焊接質量取決於焊工經驗和技能發揮。本課題提出智慧型化手工焊接的概念，旨在使用機器決策系統來確定如何調整焊接參數，通過機-人接口將指令傳送給焊工來執行，消除/降低對技能發揮的依賴性，實現機器幫助焊工的脫技能化。將以智慧型化手工焊接系統為核心研究內容，設計具有機器視覺的人性化便攜智慧型系統，實時檢測手工焊接三維熔池表面並判斷熔透，通過機-人接口傳送給焊工指令。因不同焊工其反應不同，將對焊工反應建立參數待定的數學模型。在實際焊接過程中，針對特定的焊工的反應，線上自適應辨識其模型參數，基於辨識所得模型參數修正機器決策系統中控制算法之參數，實現對不同焊工均適用的手工焊接過程的自適應智慧型控制。整個系統將通過全位置管道打底焊來進行試驗驗證。

結題摘要

智慧型化製造成為現代新型機械製造業的研究熱點，本課題提出機人協作智慧型化手工焊接的概念，旨在使用機器決策系統來確定如何調整焊接參數，通過“機-人接口”將指令傳送給焊工來執行，消除/降低對技能發揮的依賴性，實現機器幫助焊工的脫技能化。 圍繞機人協作焊接系統為主要研究內容展開研究。首先是辨識焊工對控制信號的反應的本質模型。從手工非熔化極氣體保護焊（GTAW）焊接入手，在深入分析GTAW焊接熔透控制的關鍵因素的基礎上，得到了焊接電流和焊接速度兩個主要控制變數，搭建了基於視覺信號作為機人接口的焊接速度控制系統，焊工根據視覺指令調整焊接速度。通過虛擬焊接環境下的焊速控制試驗驗證方案的可行性。 然後，搭建真實焊接環境下的機人協作焊接系統，並對焊工的反應進行測試與建模。將機人接口由視覺信號升級為振動電機產生的聲音和振動信號，作為聽覺指令指導焊工調節其速度。分別利用ARMA模型和自適應神經元模糊推理模型（ANFIS）辨識焊工反應規律，通過對比分析非線性的ANFIS模型能夠更好的描述聽覺指令信號與焊工反應的關係。 隨後，設計機人協作焊接控制系統。基於焊工反應ANFIS模型，分別採用PID控制器和區間模型控制算法，實現機人協調焊速控制，通過仿真結果和焊速控制試驗，顯示了區間模型控制的優越性，並基於手工GTAW開展了304不鏽鋼管的全熔透焊接試驗。 最後，實現焊速控制和電流補償的全熔透焊接。為了更好的控制焊接質量，彌補焊工經驗不足，學習熟練焊工在不同焊接電流下，根據熔池信息來判斷相應焊接速度的經驗，得出本管道焊接試驗中焊接速度和焊接電流的函式關係，並將其賦予智慧型控制器來彌補焊工反應的不確定性，通過機人接口聽覺指令控制焊工焊接速度，同時通過電壓信號控制焊接電源實現電流補償，最終實現手工GTAW全熔透焊接。 本課題提出的機人協調控制焊接系統，為解決焊工短缺問題，實現手工焊接的脫技能化，提供了新的思路，為開發下一代機人協調智慧型焊接系統奠定了基礎。