一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法技术方案

一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法。属于机器人智能焊接制造技术领域。本发明专利技术针对航天运载器大型铝合金贮箱钨极氦弧焊打底过程的熔透一致性控制难题，利用高速工业相机采集焊接过程熔池瞬态图像，采用基于语义分割的熔池图像处理方法分别提取熔池轮廓和未被氧化膜覆盖的液态金属区域的特征参数，通过输入至焊缝成形数据驱动模型实时预测焊缝背面余高宽度，并在此基础上实现焊接熔透的在线闭环控制。本发明专利技术能够基于熔池正面视觉传感特征在航天运载器贮箱焊接过程中实现焊缝背面成形的在线智能控制，能够革新传统基于人工观测的手动调整工艺参数方式，提升贮箱一次焊接合格率，并避免了在焊件背部部署相机。并避免了在焊件背部部署相机。并避免了在焊件背部部署相机。

【技术实现步骤摘要】
一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法


[0001]本专利技术属于机器人智能焊接制造
涉及一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法，可应用于航空航天等领域同类型装备焊接制造。

技术介绍

[0002]熔透是评判焊接质量的重要标准，在焊接中实时监测并快速提取熔透信息是实现熔透控制的前提，而背面熔宽是表征熔透状态最直接的信息，因而如何准确地建立熔池正面特征参数与背面熔宽的关系模型尤为重要。
[0003]实际焊接过程中熔池表面会受到多种因素影响，一方面，在环焊过程中位置和姿态的不断变化，熔池中液态金属的受力状态复杂且时变，包括重力、表面张力、电弧压力、电弧剪切力，在重力作用下焊接过程中产生的气孔缺陷沉入熔池底部，多采用无衬垫焊接，对其进行切除以确保焊缝背面成型良好，因此这对焊接状态的准确描述和焊接质量的可靠在线评价提出了更高的要求。另一方面，视觉传感系统所获取的焊接熔池图像信噪比易受影响，即使焊接条件的微小变化，也可能很大程度上改变焊接熔池图像噪声灰度水平分布，致使图像分割困难或分割结果一致性差，从而导致熔透状态预测难以实现。
[0004]经对现有技术文献和专利检索发现，专利申请号为201910057453.0的中国专利技术专利《一种基于视觉检测的焊接熔透质量实时控制方法》公开了一种焊接熔透质量检测方法，采用视觉传感器采集背部焊接图像计算熔池背面中心位置，确定熔池背面中心所在区域,根据焊道坡口间隙透过的弧光信息计算焊道中心线位置；计算熔池背面中心与焊道中心线之间的位置偏移量；根据熔池背面的特征宽度和位置偏移量调节焊接参数控制熔透，重复上述过程直至焊接结束，从而实现对焊接熔透质量的闭环控制。专利申请号为202011358409.2的中国专利技术专利《一种基于视觉检测的管道全位置焊背面在线监测方法》公开了一种焊接背面在线监测方法，采用工业相机获取背面熔池长度宽度和面积值，通过激光扫描仪采集管道背部凝固焊缝数据，通过自定义几何算法获取焊缝宽度和余高。
[0005]综上所述，国内外现有基于熔池视觉特征的背面余高宽度预测大多对焊件背部进行实时监测，且未涉及钨极氦弧焊，目前也尚未见基于语义分割方法和焊缝成形数据驱动模型实时预测背面余高宽度方法的公开报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法，以实现航天运载器大型铝合金贮箱环焊缝钨极氦弧焊打底过程熔透一致性控制。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0008]1)将贮箱焊件固定装夹在与回转变位机固连的工装夹具上，焊枪抵达焊件的待焊接缝正上方，启动焊接电源使焊枪起弧，随后弧长控制器开始工作，1至2秒后回转变位机开始转动；
[0009]2)利用安装有滤光片和减光片的高速工业相机采集钨极氦弧焊熔池瞬态图像；并采用霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、气体流量传感器同步采集焊接电流I、焊接电压U、保护气体流量Q；
[0010]3)采用基于语义分割的钨极氦弧焊熔池图像处理算法对所述钨极氦弧焊熔池瞬态图像进行实时图像处理，检测出熔池轮廓和熔池未被氧化膜覆盖的液态金属区域；分别提取熔池轮廓的面积A
ex
和最大宽度W
ex
、熔池未被氧化膜覆盖的液态金属区域的面积A
in
和最大宽度W
in
，以及熔池未被氧化膜覆盖的液态金属区域的轮廓与熔池轮廓之间的最大距离C
max
和最小距离C
min
；根据以下关系式，计算获得电弧力指数λ和熔透指数δ；
[0011][0012]4)所述W
ex
、W
in
、A
ex
、A
in
、C
max
、C
min
、λ、δ、U、I、Q作为输入特征，输入至焊缝成形数据驱动模型，实时预测焊缝背面余高宽度W
back_estimate
；
[0013]5)将所述W
back_estimate
与其预设值W
back_set
进行比较，根据比较结果和控制策略实时调整焊接工艺参数，实现钨极氦弧焊熔透的在线闭环控制。
[0014]上述技术方案中，步骤3)中所述基于语义分割的钨极氦弧焊熔池图像处理算法采用MobileNetV2主干网络的改进DeepLabv3+语义分割模型，其特征如下：所述改进DeepLabv3+网络模型包括编码器和解码器，所述编码器加入多尺度自适应形态特征提取模块，所述解码器获得浅层特征和深层特征，所述浅层特征和深层特征由MobileNetV2深度卷积网络提取。
[0015]上述技术方案中，步骤4)中所述焊缝成形数据驱动模型采用支持向量回归(SVR)模型、LightGBM模型或决策树模型。
[0016]上述技术方案中，步骤4)所述模型采用W
ex
、W
in
、A
ex
、A
in
、C
max
、C
min
、λ、δ、U、I、Q当前时刻数据和历史时刻数据作为所述焊缝成形数据驱动模型输入特征，对输入特征采用归一化处理、特征降维，采用下一时刻的W
back_estimate
作为所述焊缝成形数据驱动模型的输出特征。
[0017]上述技术方案中，步骤5)所述控制策略采用PID控制算法、模糊控制算法、自适应控制算法、预测控制算法、神经网络控制算法或专家控制算法；所述焊接工艺参数为焊接电流I或保护气体流量Q。
[0018]上述技术方案中，一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统包括：
[0019]所述航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统包括床头固定转台(1)、焊接电源(2)、焊件(3)、焊枪(4)、回转变位机控制器(5)、高速工业相机(6)、弧长控制器(7)、霍尔电流传感器(8)、气体流量传感器(9)、霍尔电压传感器(10)、数据采集卡(11)、工控机(12)、设备控制器(13)、平移滑块(14)、装配轨道(15)、支架(16)、床尾移动转台(17)，所述焊件(3)固定装夹在所述支架(16)上，通过所述床尾移动转台(17)传送至所述床头固定转台(1)固定，通过所述回转变位机控制器(5)控制所述床头固定转台(1)使所述焊件(3)旋转，所述焊枪(4)固定在所述弧长控制器(7)的平移滑块(14)上，所述高速工业相机(6)从钨极氦弧焊熔池后上方连续采集熔池瞬态图像，将拍摄到的钨极氦弧焊熔池瞬态图像传送到所述工控
机(12)，所述数据采集卡(11)通过所述霍尔电流传感器(8)、气体流量传感器(9)、霍尔电流传感器(10)实时采集焊接电流I、焊接电压U、保护气体流量Q，并传输至所述工控机(12)，所述工控机(12)通过信号线连接所述设备控制器(13)进行通信，所述设备控制器(13)通过控制线控制焊接电源(2)、回转变位机控制器(5)、高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将贮箱焊件固定装夹在与回转变位机固连的工装夹具上，焊枪抵达焊件的待焊接缝正上方，启动焊接电源使焊枪起弧，随后弧长控制器开始工作，1至2秒后回转变位机开始转动；2)利用安装有滤光片和减光片的高速工业相机采集钨极氦弧焊熔池瞬态图像；并采用霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、气体流量传感器同步采集焊接电流I、焊接电压U、保护气体流量Q；3)采用基于语义分割的钨极氦弧焊熔池图像处理算法对所述钨极氦弧焊熔池瞬态图像进行实时图像处理，检测出熔池轮廓和熔池未被氧化膜覆盖的液态金属区域；分别提取熔池轮廓的面积A
ex
和最大宽度W
ex
、熔池未被氧化膜覆盖的液态金属区域的面积A
in
和最大宽度W
in
，以及熔池未被氧化膜覆盖的液态金属区域的轮廓与熔池轮廓之间的最大距离C
max
和最小距离C
min
；根据以下关系式，计算获得电弧力指数λ和熔透指数δ；4)所述W
ex
、W
in
、A
ex
、A
in
、C
max
、C
min
、λ、δ、U、I、Q作为输入特征，输入至焊缝成形数据驱动模型，实时预测焊缝背面余高宽度W
back_estimate
；5)将所述W
back_estimate
与其预设值W
back_set
进行比较，根据比较结果和控制策略实时调整焊接工艺参数，实现钨极氦弧焊熔透的在线闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法，其特征在于，步骤3)中所述基于语义分割的钨极氦弧焊熔池图像处理算法采用MobileNetV2主干网络的改进DeepLabv3+语义分割模型，其特征如下：所述改进DeepLabv3+网络模型包括编码器和解码器，所述编码器加入多尺度自适应形态特征提取模块，所述解码器获得浅层特征和深层特征，所述浅层特征和深层特征由MobileNetV2深度卷积网络提取。3.根据权利要求1所述的一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法，其特征在于：步骤4)中所述焊缝成形数据驱动模型采用支持向量回归(SVR)模型、LightGBM模型或决策树模型。4.根据权利要求1所述的一种航天运载器贮箱焊接熔透智能控制系统及方法，其特征在于：所述模型采用W
ex
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【专利技术属性】
技术研发人员：洪宇翔，谢乡志，何星星，杨明轩，蒋宇轩，黄海力，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：