传感器随动铝合金脉冲GTAW背面熔宽实时控制

论文摘要

铝合金自动化焊接时常出现变散热、变间隙等情况,采用恒规范焊接时无法得到均匀一致的背面熔宽,使铝合金焊接产品的强度等性能较差,因此需要对背面熔宽进行实时控制。此外,大尺寸工件焊接时常需要焊枪运动,由此带来了传感器和焊枪同步运动的问题。本文针对以上两个问题,利用背面熔池在图像中位置的变化来闭环控制传感器运动,使传感器随焊枪同步运动,在此基础上对铝合金焊接过程中的背面熔宽进行控制。首先,搭建了传感器随动铝合金背面熔宽控制实验系统,该系统具有背面图像熔池及焊缝图像实时采集与处理、CCD随动控制和背面熔宽控制功能。其次,对铝合金背面熔池及焊缝图像的处理算法进行了研究。根据图像的特点,开发了熔池及焊缝边缘提取算法,该算法的步骤为最大方差阈值分割、二值开运算、二值闭运算和轮廓提取,在此基础上准确的提取了背面熔池位置信息和背面熔宽信息,为随动控制和背面熔宽控制奠定了良好的基础。再次,研究了背面传感器随动控制和背面熔宽控制的方法。设计了PID控制器进行背面传感器随动控制,并用试凑法对PID参数进行了整定,取得了很好的随动控制效果。由于焊接过程具有强非线性等特点,本文用Matlab模糊逻辑工具箱设计模糊控制器对背面熔宽进行控制,模糊控制器的输入为背面熔宽误差及误差的变化,输出为焊接速度。用面积法辨识了焊接速度与背面熔宽之间的二阶传递函数,以此为基础通过Simulink仿真对模糊控制器的控制效果进行了验证,并研究了量化因子和比例因子对控制性能的影响规律,为实际焊接过程的参数调节提供了指导依据。最后,同时进行了传感器随动控制实验和背面熔宽控制实验,实验结果表明:本文PID控制器控制效果很好,随动控制的稳态误差小于3.2mm。模糊控制器的适应性强,在背面熔宽设定值、工件形状、间隙大小等因素不同时,均能得到满意的背面焊缝成形,在参数选取适当的情况下,稳态误差不超过0.4mm。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题目的与意义
• 1.2 焊缝成形尺寸视觉传感研究现状
• 1.2.1 主动视觉传感方法
• 1.2.2 被动视觉传感方法
• 1.3 焊缝背面成形控制研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 传感器随动背面熔宽控制实验系统设计
• 2.1 系统总体结构
• 2.2 脉冲GTAW 系统
• 2.3 焊枪及CCD 运动控制系统
• 2.3.1 CCD 运动控制
• 2.3.2 焊枪运动控制
• 2.4 背面焊缝及熔池图像传感系统
• 2.5 软件系统
• 2.5.1 软件系统组成
• 2.5.2 软件系统工作流程
• 2.6 本章小结
• 第3章 铝合金脉冲GTAW 背面图像实时处理
• 3.1 背面熔池位置和背面熔宽特征定义
• 3.2 背面图像分析
• 3.3 背面熔池及焊缝边缘检测
• 3.3.1 边缘检测算子检测
• 3.3.2 二值形态学边缘检测
• 3.4 背面熔池位置信息及背面熔宽信息提取
• 3.4.1 背面熔池位置信息提取
• 3.4.2 背面熔宽信息提取
• 3.5 最终图像处理算法
• 3.6 本章小结
• 第4章 背面传感器随动控制器设计
• 4.1 恒速度实验
• 4.2 背面传感器随动PID 控制
• 4.2.1 PID 参数整定
• 4.2.2 控制效果验证
• 4.3 本章小结
• 第5章 背面熔宽模糊控制器设计
• 5.1 焊接工艺参数确定
• 5.2 恒规范实验
• 5.3 焊接速度与背面熔宽之间传递函数辨识
• 5.3.1 实验设计与数据获取
• 5.3.2 模型辨识
• 5.4 背面熔宽模糊控制器设计
• 5.4.1 模糊控制器结构设计
• 5.4.2 隶属度函数确定
• 5.4.3 模糊控制规则确定
• 5.4.4 模糊推理及解模糊
• 5.4.5 模糊控制器仿真及参数调节
• 5.5 本章小结
• 第6章 背面熔宽控制实验及传感器随动控制实验
• 6.1 平板对接背面熔宽控制实验
• 6.2 变散热工件对接背面熔宽控制实验
• 6.3 变间隙背面熔宽控制实验和背面传感器随动控制实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢