【摘要】：針對激光焊接中焊縫小于0.1mm平板對接焊縫,主要研究微間隙磁光成像焊縫識別與定位的精度提高技術。激光焊接的目的是將兩塊材料形成冶金連接,激光束在整條焊縫上都不超出焊接對縫允許的偏離。由于激光束功率密度高,光斑直徑小,對接焊縫間隙窄,所允許的焊縫偏差非常小。實時準確地識別和跟蹤焊縫是保證激光焊接質量的前提。激光焊接過程是一個非線性、時變和受諸多隨機干擾影響的多變量復雜系統,伴隨著強烈的等離子體輻射、噪聲、飛濺等因素影響,給焊縫的實時提取帶來極大的困難。對于工業(yè)生產中常見的等厚對接激光焊接,會遇到很多緊密對接、無坡口、肉眼難以分辨的微間隙焊縫,而采用一般傳感方法無法實現該類焊縫路徑的識別和跟蹤,迄今仍是國內外激光焊接領域所面臨的難點。當前較成熟的焊縫識別技術為結構光法,結構光技術基于光反射被動成像技術,是一組由投影儀和攝像頭組成的系統結構。將一束包含特定信息的輔助激光投射到焊縫表面及焊件背景上,通過攝像頭拍攝光束和焊件的交線圖像,焊縫處下凹的幾何特征使得結構光發(fā)生形變,形變的光亮條紋能夠顯示焊縫的空間位置特征,成像后的條紋能夠反映焊縫的形狀、位置和深度等信息,然后根據三角測量原理計算出焊縫中心的位置和深度等信息實現焊縫跟蹤控制。但該方法有其難以克服的缺陷,對于等厚平板對接焊,一般只能有效檢測間隙大于0.1mm的焊縫。對于間隙小于0.1mm的緊密對接焊縫,焊縫處結構光變形很小,難以識別和跟蹤焊縫。目前對于平板對接微間隙焊縫,目前尚無有效的識別和跟蹤方法,在關鍵技術上一直沒有重大突破。針對激光焊接微間隙對接焊縫,研究一種基于磁光成像傳感的焊縫識別和跟蹤新方法。根據磁感應原理與法拉第磁光旋轉效應構建磁光成像傳感器并獲取微間隙焊縫信息,在激光焊接方向的焊縫上方設置非接觸磁光成像傳感器。以激勵磁場在焊件上生成感應磁場,而磁場分布在焊縫處將被改變,引起該處的垂直磁場分量發(fā)生變化。磁光傳感器在該磁場的作用下產生磁光效應,使傳感器中的偏振光在通過磁光傳感介質時產生不同的旋轉角度,包含了焊縫信息的光線經偏振分光鏡反射后被CMOS接收并實時成像。通過分析焊縫磁光圖像特征并獲取焊縫位置特征值,可得到焊縫路徑與激光束偏差的實時測量值。與以往視覺傳感方法不同,磁光成像主要基于傳感器自身的感應磁場,因此受激光焊接過程的飛濺、光致等離子體輻射及其它光輻射的干擾影響較小,有望成為檢測微間隙焊縫的有效方法。針對激光焊接微間隙焊縫(間隙小于0.1mm),研究提高磁光傳感器檢測焊縫精度的BP神經網絡修正方法。以碳鋼平板對接激光焊為試驗對象,利用磁光傳感器檢測焊縫區(qū)域磁場分布并成像。通過分析焊縫處磁場成像并應用BP神經網絡修正磁光傳感器得到焊縫中心數據,有效避免直接利用磁光傳感器獲得的磁光圖像低對比度和強噪聲干擾問題。經過在不同焊接速度條件試驗下的測試,BP神經網絡修正磁光成像測量技術可有效識別微間隙焊縫,為解決激光焊接微間隙焊縫過程自動識別和跟蹤焊縫的難題提供了一種新方法。由于焊縫跟蹤過程中存在多種噪聲干擾,嚴重影響焊縫位置信息的準確提取。因此,這里設計一種基于Kalman濾波的系統狀態(tài)最優(yōu)估計方法,對焊接中心偏離狀態(tài)進行準確預測。首先,建立基于焊縫中心位置參數的系統狀態(tài)方程和焊縫中心位置測量方程,構建Kalman濾波算法得到最小均方差下焊縫中心偏差最優(yōu)估計值�！附釉囼灲Y果表明Kalman濾波算法能有效消除多種噪聲干擾,提高焊縫跟蹤的穩(wěn)定性。在實際的焊縫焊接過程中,系統產生的過程噪聲和測量噪聲皆為色噪聲,其噪聲統計特性在焊接前難以準確獲取。為避免噪聲統計特性不確定性對卡爾曼濾波焊縫跟蹤的影響,將徑向基(RBF)神經網絡與卡爾曼濾波算法結合,使用RBF神經網絡補償卡爾曼濾波算法。以卡爾曼濾波狀態(tài)參量作為網絡輸入,濾波誤差作為網絡輸出,建立徑向基神經網絡訓練過程。再利用訓練好的RBF神經網絡的輸出修正卡爾曼濾波值,補償焊縫中心濾波誤差。試驗結果證明作者方法能夠有效提高焊縫中心探測精度。
【圖文】：

割、金屬焊接ＩＷ。激光焊接方法與傳統的弧焊方法相比焊接速度快、焊接能量密度高、逡逑熱影響區(qū)小、焊縫深寬比大、焊接精度高，并且在焊接過程中易于集成化、自動化、逡逑柔性化，是二十一世紀最先進的制造技術之一【５－７］。大功率激光焊接的實物圖如圖１－１逡逑所示。逡逑ｍ逡逑圖１－１大功率激光焊接實物圖Ｗ逡逑巧ｇｕｒｅ邋１－１邋Ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ邋ｌａｓｅｒ邋ｗｅｌｄｉｎｇ逡逑激光焊接過程是一個典型的多變量復雜系統，它是非線性的時變過程，受諸多隨逡逑機因素干擾，特別是強烈的等離子體福射、煙塵、飛~J，，可見光福射等因素的影響給逡逑１逡逑

割、金屬焊接ＩＷ。激光焊接方法與傳統的弧焊方法相比焊接速度快、焊接能量密度高、逡逑熱影響區(qū)小、焊縫深寬比大、焊接精度高，并且在焊接過程中易于集成化、自動化、逡逑柔性化，是二十一世紀最先進的制造技術之一【５－７］。大功率激光焊接的實物圖如圖１－１逡逑所示。逡逑ｍ逡逑圖１－１大功率激光焊接實物圖Ｗ逡逑巧ｇｕｒｅ邋１－１邋Ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ邋ｌａｓｅｒ邋ｗｅｌｄｉｎｇ逡逑激光焊接過程是一個典型的多變量復雜系統，它是非線性的時變過程，受諸多隨逡逑機因素干擾，特別是強烈的等離子體福射、煙塵、飛~J，可見光福射等因素的影響給逡逑１逡逑
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG456.7

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本文編號：2638900