p-gmaw焊縫成形過程建模與仿真

p-gmaw焊縫成形過程建模與仿真

0低碳鋼和鋁合金脈沖tig焊接過程建模與仿真焊接大小是決定焊接質(zhì)量的重要因素。因此，焊接成本控制也是焊接自動(dòng)化的主要問題。近年來，傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能理論取得了很大進(jìn)步，為焊接和形成過程的附近總線提供了新的理論和方法。焊接過程的建模與仿真是設(shè)計(jì)控制器的前提與關(guān)鍵環(huán)節(jié),國內(nèi)外關(guān)于焊縫成形過程建模與仿真的研究已有許多,但多集中在非熔化極氣體保護(hù)焊接.哈爾濱工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)的研究者對低碳鋼和鋁合金脈沖TIG焊接過程建模與仿真進(jìn)行了系列研究,并提出了多種動(dòng)態(tài)建模方法.南昌大學(xué)的張光云利用BP網(wǎng)絡(luò)建立了低碳鋼TIG熔焊成形中焊縫幾何尺寸與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系模型.對于熔化極氣體保護(hù)焊,由于存在溶滴過渡的影響,焊接過程的不穩(wěn)定因素與干擾因素更為復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)焊縫成形的精確建模與控制也更為困難,相關(guān)研究也較少.蘭州理工大學(xué)的研究者針對鋁合金脈沖MIG焊接過程建立了其傳遞函數(shù)模型與多輸入多輸出(MIMO)控制模型.文中針對低碳鋼P(yáng)-GMAW,研究了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行仿真,進(jìn)而揭示焊縫成形規(guī)律的途徑,仿真結(jié)果為閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù).1p-m-w過程的動(dòng)態(tài)模型的建立1.1低碳鋼板焊接工藝參數(shù)分析文中所采用的試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括脈沖熔化極氣體保護(hù)焊(P-GMAW)焊接系統(tǒng),焊接熔池正反面視覺傳感系統(tǒng)、焊接工藝參數(shù)實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)三個(gè)部分.視覺傳感系統(tǒng)示意圖如圖1所示,圖1中的上方為母材和已凝固焊道的截面圖.焊接試件為2mm厚低碳鋼板,接頭形式為對接,焊絲材料為H08Mn2SiA,焊絲直徑為1.2mm,噴嘴到工件距離為17mm,配合脈沖熔化極氣體保護(hù)焊工藝,采用95%Ar+5%CO2作為保護(hù)氣體,同時(shí)采用MM—350焊機(jī)的Synergic焊接工藝參數(shù)控制方法,以達(dá)到一脈一滴的低飛濺熔滴過渡和良好的焊縫成形.視覺系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)獲取焊接熔池的正面特征參量,包括正面熔池寬度Wt和正面熔池尾部邊界在焊縫截面投影上的平均高度Hm,同時(shí)可以獲取反面熔池寬度Wb.Wt和Wb的物理含義如圖1所示,由于熔池尾部邊界的高度也就是焊道的高度,因此Hm又可表述為焊縫的平均余高.Hm的求取方法參見作者前期的工作.圖1中的H表示傳統(tǒng)意義上焊縫的余高,即焊縫凸起于工件表面的最大高度.1.2sibwnnn模型文中選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立P-GMAW焊縫成形模型,為了簡化分析,分別采用焊接電流和焊接速度作為激勵(lì)信號來獲取樣本并建模,并分別稱其為SIBWNNM(speedinspiritingbacksidewidthneuralnetworkmodel)和CIBWNNM(currentinspiritingbacksidewidthneuralnetworkmodel),通稱為反面焊縫成形模型.以下在以焊接電流作為激勵(lì)信號的模型中,焊接速度設(shè)為固定值6mm/s,在以焊接速度作為激勵(lì)信號的模型中,焊接電流設(shè)為固定值92A.試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)前時(shí)刻的反面熔寬Wb不僅與當(dāng)前的焊接工藝參數(shù)與正面熔池形狀相關(guān),而且與其歷史值相關(guān).根據(jù)同樣參數(shù)下的平板堆焊階躍試驗(yàn)結(jié)果以及文中采用的采樣頻率確定模型的階數(shù)為6.在SIBWNNM中,網(wǎng)絡(luò)的輸入選擇焊接速度υ、正面熔池寬度Wt、正面熔池高度Hm及它們的歷史值,在CIBWNNM中,網(wǎng)絡(luò)模型的輸入為焊接電流I、正面熔池寬度Wt、正面熔池高度Hm及它們的歷史值,兩種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)均為21個(gè).隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)的選擇是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題,文中以測試樣本預(yù)測誤差作為性能指標(biāo),確定隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為8.模型的輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)為1,即Wb.圖2為SIBWNNM,CIBWNNM的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).對于SIBWNNM,共設(shè)計(jì)了16組試驗(yàn),得到1415個(gè)樣本點(diǎn),將1～11組試驗(yàn)作為訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,訓(xùn)練算法為L-M算法;第12～13組試驗(yàn)作為檢驗(yàn)樣本檢驗(yàn)訓(xùn)練結(jié)果,以確定訓(xùn)練的循環(huán)次數(shù);第14～16組試驗(yàn)作為測試樣本,對訓(xùn)練得到的模型進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明SIBWNNM模型預(yù)測Wb的平均絕對誤差為0.282mm,平均相對誤差為5.52%.對于CIBWNNM,共設(shè)計(jì)了20組試驗(yàn),共1270個(gè)樣本點(diǎn),將1～15組試驗(yàn)作為訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,訓(xùn)練算法同樣為L-M算法;第16～17組試驗(yàn)作為檢驗(yàn)樣本檢驗(yàn)訓(xùn)練結(jié)果,以確定訓(xùn)練的循環(huán)次數(shù);第18～20組試驗(yàn)作為測試樣本,對訓(xùn)練得到的模型進(jìn)行驗(yàn)證.結(jié)果表明CIBWNNM模型預(yù)測Wb的平均絕對誤差為0.357mm,平均相對誤差為7.85%.從SIBWNNM和CIBWNNM的測試結(jié)果可以看出,采用焊接工藝參數(shù)和正面熔池特征參量的當(dāng)前值及其歷史值,可以較準(zhǔn)確地預(yù)測當(dāng)前時(shí)刻的反面熔池寬度.焊縫正面成形同反面成形一樣,同樣決定于焊接工藝參數(shù)與工件狀況,焊接工藝參數(shù)可以人為的設(shè)定并實(shí)時(shí)測定,但工件狀況很難做到精確測量與控制,在實(shí)際焊接中,要受到工件材料、散熱條件、焊絲對中、焊縫間隙及錯(cuò)邊等多種因素的影響.文中采用焊接工藝參數(shù)作為輸入量建立焊縫正面成形過程模型,由于受到工件狀況的影響,焊接工藝參數(shù)并不能完全確定正面成形,這里采用統(tǒng)一的工件狀況建立正面焊縫成形過程模型,以盡可能排除工件狀況的影響,旨在為反面焊縫成形模型的仿真、焊縫成形規(guī)律的分析及后續(xù)控制器的設(shè)計(jì)提供條件.所建的正面焊縫成形模型分為四種,包括焊接速度激勵(lì)正面熔寬模型、焊接速度激勵(lì)正面熔池高度模型、焊接電流激勵(lì)正面熔池寬度模型、焊接電流激勵(lì)正面熔池高度模型,分別用SITWNNM、SIMHNNM、CITWNNM和CIMHNNM簡寫.在SITWNNM與SIMHNNM中,選取11組無間隙對接試驗(yàn)作為樣本源,去除焊接初始階段樣本后共得到648個(gè)樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本,在CITWNNM與CIMHNNM中,選取13組無間隙對接試驗(yàn)作為樣本源,共得到766個(gè)樣本點(diǎn)作為訓(xùn)練樣本.由焊接工藝參數(shù)階躍試驗(yàn)得知,正面熔池寬度對焊接電流和焊接速度階躍的響應(yīng)較快,而正面熔池高度的響應(yīng)較慢.根據(jù)傳遞函數(shù)模型的辨識結(jié)果確定SITWNNM和CITWNNM模型階數(shù)為5,即模型輸入為焊接電流和焊接速度的當(dāng)前值及前5個(gè)歷史值,SIMHNNM和CIMHNNM模型階數(shù)為8,即模型輸入為焊接電流和焊接速度的當(dāng)前值及前8個(gè)歷史值.所有焊縫正面成形模型的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)均為8,輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)同樣均為1,即Wt或Hm.2縫成形模型驗(yàn)證前面的分析中利用不同于訓(xùn)練樣本和檢驗(yàn)樣本的試驗(yàn)對反面焊縫成形模型進(jìn)行了驗(yàn)證,利用已建立的正反面焊縫成形模型進(jìn)行多方面的仿真研究,并與實(shí)際焊接中得到的規(guī)律進(jìn)行比較,一方面進(jìn)一步驗(yàn)證模型,另一方面可利用仿真進(jìn)一步揭示焊接規(guī)律.2.1穩(wěn)態(tài)仿真與動(dòng)態(tài)仿真令焊接工藝參數(shù)保持不變,當(dāng)焊接過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)可得到焊接熔池的幾何特征參量,不同焊接工藝參數(shù)下所對應(yīng)的焊接熔池幾何特征參量構(gòu)成了焊接過程的穩(wěn)態(tài)仿真.在焊接過程仿真中,焊接工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化引起的熔池幾何特征參量及反面熔池寬度的變化特性,稱為P-GMAW成形過程的動(dòng)態(tài)仿真.在動(dòng)態(tài)仿真過程中,焊接工藝參數(shù)的變化頻率即為采樣頻率2.5Hz,動(dòng)態(tài)仿真的起始點(diǎn)與穩(wěn)態(tài)仿真起始點(diǎn)相同.圖3a為利用SIBWNNM進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真與動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果.在利用SIBWNNM進(jìn)行仿真的過程中,要用到Wt和Hm作為輸入,在此同時(shí)采用正面焊縫成形模型SITWNNM,SIMHNNM進(jìn)行仿真,將其輸出值分別賦給SIBWNNM中的輸入變量Wt和Hm.圖3a中用大的標(biāo)記符表示動(dòng)態(tài)仿真,用小的標(biāo)記符表示穩(wěn)態(tài)仿真,以便比較.與建模條件相同,此時(shí)焊接電流設(shè)為固定值92A.從圖3a穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果可以看出,隨著焊接速度的增加,正面熔池寬度略有減小,正面熔池高度增加,反面熔池寬度減小.同時(shí)還可以看出,熔池幾何特征參量的變化均為非線性曲線.從動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果可以看出,正反面熔池特征參量的動(dòng)態(tài)變化幅度均小于穩(wěn)態(tài)仿真,這是由于熔池幾何特征參量相對于焊接工藝參數(shù)變化滯后的原因.圖3b為利用CIBWNNM進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真與動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果,與上相同,在此同時(shí)采用CITWNNM,CIMHNNM進(jìn)行仿真,其輸出分別作為CIBWNNM中Wt和Hm的輸入.圖中用大的標(biāo)記符表示動(dòng)態(tài)仿真,用小的標(biāo)記符表示穩(wěn)態(tài)仿真.與建模條件相同,此時(shí)焊接速度設(shè)為固定值6mm/s.從圖3b穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果可以看出當(dāng)焊接電流增大時(shí),正面熔池寬度略有增加,正面熔池平均高度明顯減小,反面熔池寬度明顯增加.從動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果可以看出,正面熔池寬度對焊接電流的響應(yīng)最快,動(dòng)態(tài)仿真與穩(wěn)態(tài)仿真值幾乎重合;而正面熔池高度和反面熔池寬度的變化都有一定的滯后,尤其在仿真起始階段,滯后較大.2.2顯示速度激勵(lì)模型仿真利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化能力,通過仿真,也可分析正面熔池幾何特征參量與反面熔池寬度之間的關(guān)系.在以上正面焊縫成形模型穩(wěn)態(tài)仿真的結(jié)果上,模擬工件狀況的變化,人為地增加或減小正面熔池寬度和正面熔池高度,再利用反面焊縫成形模型進(jìn)行仿真,可以揭示正面熔池幾何特征參量對反面熔池寬度的影響.圖4a,b分別顯示速度激勵(lì)模型仿真過程中,正面熔池寬度和正面熔池高度變化時(shí),反面熔池寬度隨之變化的規(guī)律;圖5a,b分別顯示電流激勵(lì)模型仿真過程中,正面熔池寬度和正面熔池高度變化時(shí),反面熔池寬度隨之變化的規(guī)律.圖4和圖5中△Wt和△Hm表示正面熔池寬度與正面熔池高度在原來穩(wěn)態(tài)仿真的基礎(chǔ)上人為增加或減少相應(yīng)尺寸的量值,其中,△Wt和△Hm等于零的位置即為圖2中的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果.從數(shù)值上看,圖4,圖5中的曲面形狀雖呈非線性,但均為單調(diào)增減,觀察曲面的變化規(guī)律可以得到如下結(jié)論,無論對于SIBWNNM還是CIBWNNM,隨著正面熔池寬度的減小,反面熔池寬度均增加,隨著正面熔池高度的減小,反面熔池寬度也均增加,這一結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符,也表明正面熔池寬度和熔池高度,可以作為特征參量反映反面熔池寬度的變化.從理論上分析,在其它參數(shù)和工件狀況一定時(shí),焊縫熔融金屬的體積一定,正面熔池寬度和熔池高度的減小均表示正面熔融金屬體積的減小,這必然對應(yīng)于反面熔融金屬體積的增加,并可以由反面熔池寬度的量值得到體現(xiàn).3模型擬合分析(1)采用焊接工藝參數(shù)與文中所提出的正面熔池特征參量的當(dāng)前值及其歷史值作為輸入,通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,可以較好地預(yù)測反面熔池寬度.(2)穩(wěn)態(tài)仿真與動(dòng)態(tài)仿真揭示了P-GMAW焊縫成形過程的規(guī)律,同時(shí)表明該過程是一