基于搅拌头偏移/轴向力传感及多模预测控制的SRPT焊缝跟踪方法研究

Seam tracking is a key of welding automation,but the friction stir welding area has such disadvantages as strong vibration and unvisible pin,small gap between workpieces,oscillatory axial force,nonlinear welding process,which increase the application difficulty in traditional tracking methods. In order to realize the SRPT curve seam tracking, this project plans to research the offset trajectory planning of stir head and the control of axial force, with the alternate strategy of these two portions. Axial force is oscillatory and difficult to detect.In order to overcome this shortcoming, Empirical Mode Decomposition method is adopted to decompose the axial force signal. Based on Hibert spectrum boundary,this project analyzes the relationship of different frequency components and stir head position, discovers the relationship of different frequency components and welding parameters, then extracts the characteristic signal of axial force which can embody the weld center and variation of welding parameters. Track and the weld center line intersecting location is uncertain and the node number is relatively small, so sliding window method is adopted to weld center modeling and prediction of center curve. Under the constraint of welding speed and offset distance, dynamic trajectory planning of stirring tool will be acomplished. To guarantee the welding seam tracking and welding quality, based on multimode generalized predictive control algorithm,the offset trajectory planning of stir head and axial force control operates alternately to realize the SRPT curve weld tracking finally.

焊缝跟踪是实现焊接自动化的关键环节，但搅拌摩擦焊接区域具有振动强烈、搅拌针不可视、工件间隙微小、轴向力振荡、焊接过程非线性等特点，增加了传统焊缝跟踪方式的难度。为了克服这些缺点带来的不利影响，本项目拟开展搅拌头偏移轨迹规划与轴向力控制交替进行的SRPT曲线焊缝跟踪方法研究。为了克服轴向力振荡、干扰较多的缺点，拟采用经验模态分解法对轴向力进行分解，基于Hibert边界谱分析不同频率分量与搅拌头位置、焊接参数之间的关系，提取体现焊缝中心和焊接参数变化的特征信号；为了克服偏移轨迹与焊缝中心交汇点位置未知且数量较少的缺点，拟基于滑窗法对焊缝中心曲线进行建模和预测，在焊接速度和偏移幅度等约束下实现偏移轨迹的动态规划；为了保证焊缝跟踪和焊接质量，基于多模广义预测控制算法，运用搅拌头偏移轨迹规划和轴向力控制交替进行的策略，最终实现SRPT曲线焊缝的跟踪。

项目组自主研制了一套新型双轴肩搅拌摩擦焊机，包括可调节上下轴肩间距的双轴肩搅拌摩擦头、专用的焊接参数检测装置；在对焊接过程中产生的扭矩、前进阻力、轴肩温度以及前导区温度进行了全面的检测后，分析了焊接区域温度对焊接质量和扭矩振荡的影响；明确了焊接过程中扭矩与旋转速度和焊接速度之间的关系；采用时频分析手段能够说明扭矩的突变特点、扭矩信号的低频特征；在采用了低通滤波之后，再对信号进行高斯小波变换，能够改善搅拌头过间隙检测精度。结果表明该算法可以实现宽度0.3mm以上的间隙检测(焊接速度200mm/min以内)，可用于搅拌头偏移跟踪控制；本项目还基于史密斯预估算法实现了扭矩和焊接区域温度的控制，获得了较为平稳的焊接扭矩和温度，解决了扭矩振荡难题。具体内容如下：.1）完成了新型双轴肩搅拌摩擦焊接装备的构建.项目组构建了用于项目实验的焊接过程参数检测与分析系统。发明并使用了一种浮动式轴向力检测装置和多方位前进阻力检测装置用来检测焊接过程中的轴向力与前进阻力；发明并使用了双轴肩搅拌摩擦焊接过程中的轴肩温度与前导区温度检测装置。.2）基于扭矩频谱特征揭示焊接参数对表面成型影响，获得了6mm、8mm厚板焊接过程特征参数库。通过对采集到的扭矩参数进行分析，得出了焊接过程中的扭矩曲线，分析了振荡情况和频谱特征，进而分析扭矩对焊接质量的影响。 .3）研究了双轴肩搅拌摩擦焊接过程中周期性特征。扭矩平均值在焊接过程中先增大后缓慢减小，具有周期振荡特性，其振荡信号的频率接近2倍主轴设定频率，扭矩峰值随焊接速度的增加而增加，随焊接转速的增加而减小。扭矩变化率随焊接速度和焊接转速的增加而减小。.4）当搅拌头偏移过程中，对焊接扭矩进行小波变换的结果可用于焊缝跟踪。但是，该算法对焊缝中心间隙的宽度有所依赖，标度因子1.3被用于间隙检测，该值能够保证对间隙的可靠检测，但是对于不同阶段、不同滤波函数，应该采用不同的标度因子。.5）研究表明，BTFSW稳定焊接阶段，350rpm时，焊接区温度维持在495℃（设定温度为480℃），温度控制误差约为15℃，扭矩基本维持在维持在48～50N.m范围内，前进阻力维持在280Kg左右。焊核区金相组织更加致密，晶粒尺寸大小较为均匀；焊缝横截面硬度表现出明显的“W”形，硬度的变化幅度相比较小，沿焊接方向硬度值差异较小；拉伸性能沿焊接方向也表现出无差异性。.