智能化手工焊接系统及其建模与控制

For manual welding, the quality of the weld produced depends on welder's experiences and skills. Skills however require a long time to develop. This proposed research aims at using a machine decision system to determine how the welder should adjust the welding parameters. The commands from the machine decision system to the human welder will be sent through a machine-to-human interface. The requirement on the welder skills and the dependence of weld quality on the welder skills can thus be minimized. Since each welder may respond differently to the commands from the machine decision system sent through the machine-to-human interface, the proposed research will model and study the response of human welders resulting in a welder response model structure with parameters varying with individual welders. An adaptive on-line identification algorithm will then be used to identify the parameters in this model for each particular welder. The model structure and identified parameters will allow the machine decision system to appropriately adjust the inputs sent to the machine-to-human interface such that the welder operates the welding process as specified by the machine decision system.

手工焊接因其灵活性和可达性高仍将继续发挥其作用，但焊接质量取决于焊工经验和技能发挥。本课题提出智能化手工焊接的概念，旨在使用机器决策系统来确定如何调整焊接参数，通过"机-人接口"将指令传送给焊工来执行，消除/降低对技能发挥的依赖性，实现机器帮助焊工的脱技能化。将以智能化手工焊接系统为核心研究内容，设计具有机器视觉的人性化便携智能系统，实时检测手工焊接三维熔池表面并判断熔透，通过机-人接口发送给焊工指令。因不同焊工其反应不同，将对焊工反应建立参数待定的数学模型。在实际焊接过程中，针对特定的焊工的反应，在线自适应辨识其模型参数，基于辨识所得模型参数修正机器决策系统中控制算法之参数，实现对不同焊工均适用的手工焊接过程的自适应智能控制。整个系统将通过全位置管道打底焊来进行试验验证。

智能化制造成为现代新型机械制造业的研究热点，本课题提出机人协作智能化手工焊接的概念，旨在使用机器决策系统来确定如何调整焊接参数，通过“机-人接口”将指令传送给焊工来执行，消除/降低对技能发挥的依赖性，实现机器帮助焊工的脱技能化。.围绕机人协作焊接系统为主要研究内容展开研究。首先是辨识焊工对控制信号的反应的本质模型。从手工非熔化极气体保护焊（GTAW）焊接入手，在深入分析GTAW焊接熔透控制的关键因素的基础上，得到了焊接电流和焊接速度两个主要控制变量，搭建了基于视觉信号作为机人接口的焊接速度控制系统，焊工根据视觉指令调整焊接速度。通过虚拟焊接环境下的焊速控制试验验证方案的可行性。.然后，搭建真实焊接环境下的机人协作焊接系统，并对焊工的反应进行测试与建模。将机人接口由视觉信号升级为振动电机产生的声音和振动信号，作为听觉指令指导焊工调节其速度。分别利用ARMA模型和自适应神经元模糊推理模型（ANFIS）辨识焊工反应规律，通过对比分析非线性的ANFIS模型能够更好的描述听觉指令信号与焊工反应的关系。.随后，设计机人协作焊接控制系统。基于焊工反应ANFIS模型，分别采用PID控制器和区间模型控制算法，实现机人协调焊速控制，通过仿真结果和焊速控制试验，显示了区间模型控制的优越性，并基于手工GTAW开展了304不锈钢管的全熔透焊接试验。.最后，实现焊速控制和电流补偿的全熔透焊接。为了更好的控制焊接质量，弥补焊工经验不足，学习熟练焊工在不同焊接电流下，根据熔池信息来判断相应焊接速度的经验，得出本管道焊接试验中焊接速度和焊接电流的函数关系，并将其赋予智能控制器来弥补焊工反应的不确定性，通过机人接口听觉指令控制焊工焊接速度，同时通过电压信号控制焊接电源实现电流补偿，最终实现手工GTAW全熔透焊接。.本课题提出的机人协调控制焊接系统，为解决焊工短缺问题，实现手工焊接的脱技能化，提供了新的思路，为开发下一代机人协调智能焊接系统奠定了基础。