铝合金脉冲MIG焊过程多信息分析及解耦控制

摘要

近年来,随着铝合金在汽车、列车等运载工具中的广泛应用,对铝合金焊接结构生产的自动化、智能化及焊接质量的稳定性要求越来越高。本文针对铝合金脉冲MIG焊过程在恒定规范下铝合金热积累现象明显,参数不匹配情况下焊接过程不稳定这些关键问题,通过焊接过程中多信息传感与分析,过程建模仿真及实时解耦控制等方面对铝合金脉冲MIG焊过程进行了深入的研究。
　　 由于铝合金脉冲MIG焊接过程中存在较多的不确定因素,实时检测和控制是保证其焊接过程稳定与焊接质量的重要方法,本文通过LabYIEw与COM技术结合的实时视觉传感,利用xPC目标实时建立了针对铝合金脉冲MIG焊的快速原型试验平台。
　　 对于铝合金脉冲MIG焊过程,首先通过视觉传感的方法提出了一种焊丝干伸长提取算法,针对固定模板的传统微分算子边缘提取的不足,研究并利用蚁群算法、遗传算法进行熔池边缘提取。对于铝合金脉冲MIG焊过程稳定性进行了分析,得出了电弧电压概率密度、近似熵值与焊接过程稳定性的相关性。为克服已有信息对焊接过程的表征不足,对焊接过程中声音信号进行采集,分析得到不同熔滴过渡下电弧声信号特征进行熔滴过渡类型辨识,利用小波变换后得到特定频率范围的电弧声信号能量变化与焊接过程焊缝塌陷的相关性。进一步对弧焊过程多信息融合进行了初步研究,采用U-I二维相空间统计、二维近似熵信息源级多信息融合的算法确立了焊接过程电流、电压信息融合后特征与焊接过程稳定性的相关性。
　　 本文在已有铝合金脉冲MIG焊过程辨识的基础上对其进行MIMO控制模型分析,确立了以熔宽和干伸长为目标,通过调节送丝速度与占空比来进行解耦控制的控制方案,采用经典补偿解耦控制理论、神经网络对象逆模型解耦理论进行仿真控制研究。并针对铝合金脉冲MIG焊电弧系统特点,在考虑熔滴过渡的基础上建立了焊丝熔化动态电弧模型,对所建立的模型进行了仿真,获得了与实际焊接过程相近的结果,揭示了电弧系统不稳定性的原因,并进一步在所建模型上进行了干伸长控制仿真,为电弧稳定控制提供了参考。
　　 在传感与仿真的基础上,通过快速原型平台,首先通过送丝速度的调节来对干伸长进行单独控制,使焊接过程电弧系统稳定,接着针对以占空比来进行熔宽控制使得参数匹配困难而失稳的问题,利用双脉冲工艺方法,提出通过占空因数调节来实现热输入调节,进行焊缝熔宽控制研究,在此基础上以干伸长和熔宽为控制目标,以送丝速度、双脉冲占空因数为调节量的MIMO实时解耦控制,并在铝合金脉冲MIG焊快速原型平台的基础上,进行了不同传感方案下,不同控制器下的控制效果研究,获得了在熔宽、干伸长在视觉传感下,利用模糊PID控制器进行解耦控制,得到了焊接过程稳定,且熔宽均匀,外形美观,成形良好的焊缝。克服了铝合金脉冲MIG焊参数间强耦合关系,较好的解决了热积累问题。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 焊接过程信息传感与控制研究现状

1.2.1 焊接过程信息传感的国内外研究现状

1.2.2 GMAW过程建模与控制的国内外研究现状

1.3 研究问题的提出和本文研究内容

第2章 试验系统

2.1 快速原型控制系统实现

2.1.1 快速原型基本概念

2.1.2 xPC Target实时目标的快速原型实现

2.2 LabVIEW视觉传感系统

2.2.1 LabVIEW介绍

2.2.2 基于COM技术的LabVIEW与Matlab无缝链接

2.3 脉冲MIG焊实时控制系统实现

2.4 本章小结

第3章 铝合金脉冲MIG焊过程多种信息传感与分析

3.1 焊丝干伸长的视觉提取

3.1.1 视觉传感

3.1.2 干伸长提取

3.2 熔池边缘提取

3.2.1 基于蚁群算法的铝合金MIG焊熔池边缘检测

3.2.2 遗传算法的阀值选取法检测铝合金MIG焊熔池边缘

3.3 焊接电压信号与铝合金脉冲MIG焊过程稳定性关系研究

3.3.1 基于近似熵的铝合金脉冲MIG焊稳定性分析

3.4 铝合金脉冲MIG焊电弧声信号的研究

3.4.1 不同熔滴过渡下的电弧声ARMA双谱估计及SVM识别

3.4.2 电弧声信号与铝合金MIG焊缝塌陷的相关性

3.5 铝合金脉冲MIG焊多信息融合分析

3.5.1 二维统计的RADON变换铝合金脉冲MIG焊电信号分析

3.5.2 二维近似熵的焊接过程稳定性分析

3.6 本章小结

第4章 铝合金脉冲MIG焊过程建模及解耦控制仿真

4.1 MIMO焊接对象模型辨识

4.1.1 基于视觉传感的铝合金脉冲MIG焊动态过程辨识

4.1.2 MIMO控制对象模型

4.2 铝合金脉冲MIG焊耦合分析

4.2.1 铝合金MIG焊接过程耦合分析

4.2.2 变量配对方案分析

4.2.3 耦合关系仿真

4.3 经典补偿解耦控制

4.3.1 前馈补偿解耦控制

4.3.2 反馈补偿解耦控制

4.3.3 对角矩阵解耦控制系统

4.4 神经网络对象逆模型解耦控制

4.4.1 逆对象神经网络算法

4.4.2 增量式神经网络PID逆对象控制仿真

4.5 脉冲MIG焊焊丝熔化动态电弧模型及仿真分析

4.5.1 脉冲MIG焊动态过程模型建立

4.5.2 动态仿真及分析

4.5.3 干伸长控制仿真

4.6 本章小结

第5章 铝合金脉冲MIG焊解耦控制

5.1 焊丝干伸长控制

5.1.1 基于电弧电压的焊丝干伸长控制

5.1.2 基于视觉的焊丝干伸长控制

5.2 基于双脉冲的铝合金MIG焊熔池熔宽控制

5.3 铝合金脉冲MIG焊解耦控制系统

5.3.1 双闭环控制

5.3.2 单视觉解耦控制

5.3.3 双视觉解耦控制

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间所发表的学术论文目录)

附录B(攻读博士学位期间参与的科研项目)