管道焊接過(guò)程智能控制技術(shù)及其應(yīng)用

前言

　　管道焊接主要包括焊接管生產(chǎn)焊接、油、氣、水輸送管道焊接和壓力容器接管焊接。管道焊接技術(shù)遍布人們生活的每個(gè)角落，在石化、熱交換器、石油氣、化學(xué)、造船、造紙、儀表、汽車(chē)、食品醫(yī)藥、核電和海上平臺(tái)等行業(yè)和工程中具有廣泛應(yīng)用。石油和天然氣產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)已被世界各國(guó)所重視，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不僅對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，而且能源結(jié)構(gòu)也發(fā)生著變化。我國(guó)的油氣資源大部分分布在東北和西北地區(qū)，而消費(fèi)市場(chǎng)絕大部分在東南沿海和中南部的大中城市地區(qū)，因此，油氣產(chǎn)品的輸送成為油氣資源開(kāi)發(fā)和利用的最大障礙。管道運(yùn)輸是突破這一障礙的最佳手段，與鐵路運(yùn)輸相比，管道運(yùn)輸是運(yùn)量大、更安全、更經(jīng)濟(jì)的油氣產(chǎn)品輸送方式。因此，我國(guó)政府已將“加強(qiáng)輸油氣管道建設(shè)，形成管道運(yùn)輸網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略列入了“十一五”發(fā)展規(guī)劃。根據(jù)有關(guān)方面的規(guī)劃，未來(lái)10年內(nèi)，我國(guó)將建成14條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)”，總長(zhǎng)超過(guò)上萬(wàn)公里的油氣管輸格局，這預(yù)示著我國(guó)即將迎來(lái)油氣管道建設(shè)的高峰期。多年來(lái)，我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)管道的焊接大多數(shù)采用手弧焊，其焊接效率低、質(zhì)量差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)焊工的焊接技能要求高。因此，發(fā)展焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高的自動(dòng)化焊接設(shè)備及其配套焊接過(guò)程智能控制技術(shù)，對(duì)提高我國(guó)管道施工建設(shè)的技術(shù)水平，適應(yīng)高速發(fā)展的管道建設(shè)需求，具有重大的意義。基于以上原因，作者編寫(xiě)了本書(shū)?！　”緯?shū)是作者及其合作者從事管道焊接的科研成果的總結(jié)，書(shū)中部分成果來(lái)源于寧波市自然基金項(xiàng)目（2008A610031）、哈爾濱工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（08003）、黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（E2007一01）、黑龍江省青年骨干教師支持項(xiàng)目（11530009）、黑龍江省青年基金項(xiàng)目（QC01C31）、哈爾濱市科技攻關(guān)項(xiàng)目（0111211118-4）和哈爾濱市科技創(chuàng)新人才專項(xiàng)基金項(xiàng)目（2007RF、QXG055），部分來(lái)源于作者和張勇合作的國(guó)家科委中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目（00026212310970），部分來(lái)源于作者及其學(xué)生馬葆華、占小紅、崔元彪、閆志峰、黃文怡、朱榮華、蘭虎和溫建力的科研論文成果，作者在此一并表示感謝。希望書(shū)中管道焊接相關(guān)技術(shù)為解決管道焊接質(zhì)量的瓶頸技術(shù)提供一些幫助，為研發(fā)我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的焊接管生產(chǎn)線和全位置環(huán)縫自動(dòng)焊接機(jī)提供一定的技術(shù)支持。

內(nèi)容概要

本書(shū)內(nèi)容簡(jiǎn)介：管道焊接是一種集計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息處理、機(jī)械和電氣為一體的復(fù)雜材料成形加工工藝過(guò)程，主要完成各種管道的現(xiàn)場(chǎng)安裝和焊接管焊接等生產(chǎn)任務(wù)。由于所焊接的管材、尺寸和位置等不同，焊接中電弧運(yùn)動(dòng)的實(shí)際位置會(huì)不斷變化，因此要求焊接設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出焊縫的偏差和熔透情況，并調(diào)整焊接路徑和焊接參數(shù)。對(duì)于這種復(fù)雜的控制過(guò)程，本書(shū)主要介紹管道焊接研究現(xiàn)狀；焊接質(zhì)量控制信息傳感技術(shù)，包括焊縫圖像處理方法、焊接過(guò)程控制信息語(yǔ)音提示技術(shù)和MIG焊電弧聲傳感技術(shù)；管道焊接過(guò)程控制硬、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括管道焊接過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電弧強(qiáng)干擾下的計(jì)算機(jī)多機(jī)通信設(shè)計(jì)、管道全位置TLG焊系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)、管道焊接過(guò)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原則、管道焊接機(jī)計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)和各執(zhí)行單元計(jì)算機(jī)程序模塊；焊接管溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，為焊接管焊接后的彎曲、擴(kuò)管和卷邊成形等冷加工工藝提供參考數(shù)據(jù)，為焊接管規(guī)范參數(shù)優(yōu)化選擇提供依據(jù)；詳細(xì)闡述了管道焊接工藝技術(shù)，包括管道焊接小電流自動(dòng)接觸引弧工藝，管道焊接弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)控制，厚壁管焊接側(cè)壁熔透工藝，基于視覺(jué)管道焊縫跟蹤偏差控制，基于電弧聲傳感管道焊接質(zhì)量控制和海上樁管自動(dòng)焊接機(jī)應(yīng)用。　　本書(shū)是作者和他的合作者多年關(guān)于管道焊接方面科研成果的總結(jié)，實(shí)用性和工程性較強(qiáng)，可為從事管道焊接質(zhì)量控制工程技術(shù)人員提供技術(shù)支持，也可供從事材料成形過(guò)程控制或工業(yè)控制領(lǐng)域機(jī)電一體化工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

劉立君，男，博士，教授，1968年7月出生；主要從事管道焊接過(guò)程智能化和模具修復(fù)再造技術(shù)的研究工作，主持和參加國(guó)家、省、部和市級(jí)項(xiàng)目共30余項(xiàng)；以排名第一獲省部級(jí)科研、教學(xué)成果獎(jiǎng)3項(xiàng)，市級(jí)科研、教學(xué)成果獎(jiǎng)4項(xiàng)；發(fā)表論文80余篇，EI檢索30余篇，編著6部。
　　1996年開(kāi)始為哈爾濱建新焊接設(shè)備廠開(kāi)發(fā)哈爾濱市經(jīng)委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“厚壁管全位置焊接操作機(jī)”中的“厚壁管窄間隙全位置焊熔透智能控制系統(tǒng)”，其中雙向焊接技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平：2000年開(kāi)始在省、市科技項(xiàng)目支持下，對(duì)管道全位置焊接機(jī)圖像跟蹤系統(tǒng)、示教系統(tǒng)和測(cè)控軟件系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并在國(guó)家科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目“管道全位置自動(dòng)焊接操作機(jī)”、海洋固定平臺(tái)樁管自動(dòng)焊接、油田輸油管道自動(dòng)焊接和電站鍋爐管道自動(dòng)焊接等項(xiàng)目和工程中應(yīng)用，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益；特別是“管道焊接過(guò)程智能控制技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目曾獲黑龍江省高?？茖W(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，黑龍江省機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，黑龍江省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)。

書(shū)籍目錄

第1章 管道焊接研究現(xiàn)狀　1.1 管道焊接應(yīng)用研究現(xiàn)狀　1.2 焊接過(guò)程熔透狀態(tài)監(jiān)控研究現(xiàn)狀　1.3 探索管道焊接質(zhì)量及其視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)傳感信息的意義第2章 焊接質(zhì)量控制信息傳感技術(shù)　2.1 焊縫圖像處理方法2.1.1 圖像處理的一般算法　　2.1.2 焊縫圖像處理軟件的開(kāi)發(fā)　　2.1.3 焊縫圖像處理實(shí)例　2.2 焊接過(guò)程控制信息語(yǔ)音提示技術(shù)　　2.2.1 焊接過(guò)程控制信息語(yǔ)音提示意義　　2.2.2 語(yǔ)音提示在管道焊接機(jī)中的應(yīng)用　　2.2.3 焊接過(guò)程語(yǔ)音卡硬件設(shè)計(jì)　　2.2.4 焊接過(guò)程語(yǔ)音卡軟件設(shè)計(jì)　　2.2.5 語(yǔ)音合成模塊　　2.2.6 工作模塊　　2.2.7 預(yù)演模塊　2.3 MRG焊電弧聲傳感技術(shù)　　2.3.1 MRG焊電弧聲產(chǎn)生機(jī)理研究　　2.3.2 MIG焊電弧聲信號(hào)與熔透狀態(tài)相關(guān)性研究　　2.3.3 MIG焊電弧聲信號(hào)特征提取與選擇　　2.3.4 MIG焊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熔透狀態(tài)辨識(shí)建模第3章 管道焊接過(guò)程控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)　3.1 管道焊接過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)　　3.1.1 管道焊接過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟　　3.1.2 管道焊接過(guò)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)　　3.1.3 上位機(jī)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)　　3.1.4 從機(jī)通用控制單元設(shè)計(jì)　　3.1.5 手控盒的設(shè)計(jì)　　3.1.6 基于圖像傳感二維跟蹤控制系統(tǒng)　　3.1.7 管道焊接機(jī)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)　3.2 電弧強(qiáng)干擾下的計(jì)算機(jī)多機(jī)通信設(shè)計(jì)　　3.2.1 通信任務(wù)分析　　3.2.2 通信網(wǎng)絡(luò)的硬件組成　　3.2.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)　　3.2.4 串行通信軟件設(shè)計(jì)　3.3 管道全位置TIG焊系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)　　3.3.1 設(shè)計(jì)抗干擾電路　　3.3.2 抑制干擾源　　3.3.3 削弱耦合通道　　3.3.4 采用屏蔽雙絞線　　3.3.5 合理布線第4章 管道焊接過(guò)程控制軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)　4.1 管道焊接過(guò)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原則　　4.1.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)一般原則　　4.1.2 系統(tǒng)工程方法軟件設(shè)計(jì)原則　4.2 管道焊接機(jī)計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)　　4.2.1 管道焊接機(jī)主控計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)　　4.2.2 管道焊接數(shù)據(jù)庫(kù)操作平臺(tái)　　4.2.3 管道焊接故障自診斷操作平臺(tái)　　4.2.4 管道設(shè)備調(diào)試軟件操作平臺(tái)　　4.2.5 管道焊接示教再現(xiàn)操作平臺(tái)　　4.2.6 管道焊接實(shí)時(shí)控制操作平臺(tái)　　4.2.7 焊前調(diào)整操作平臺(tái)　　4.2.8 管道焊接工藝測(cè)試操作平臺(tái)　4.3 各執(zhí)行單元計(jì)算機(jī)程序模塊　　4.3.1 鎢極和橫向擺動(dòng)控制模塊　　4.3.2 弧長(zhǎng)和焊接電源控制模塊　　4.3.3 爬行驅(qū)動(dòng)控制模塊　　4.3.4 雙向送絲控制模塊　　4.3.5 焊接輔助和故障診斷控制模塊第5章 焊接管溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬第6章 管道焊接工藝技術(shù)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　頻域分析中譜分析是基本方法，也最為常用，包括頻譜分析、功率譜分析、倒譜分析以及頻譜包絡(luò)分析等。通過(guò)對(duì)電弧信號(hào)進(jìn)行頻域分析，可利用特定濾波器去除夾雜在波形中的噪聲。熟練的焊工能聽(tīng)出電弧聲中有關(guān)電弧穩(wěn)定性、熔滴過(guò)渡方式、飛濺大小和熔透狀態(tài)的信息，正是利用了人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)聲音信號(hào)的特殊處理能力和頻率響應(yīng)特性。換句話說(shuō)，電弧聲必然蘊(yùn)藏著豐富的、與焊接物理狀態(tài)密切相關(guān)的頻域特征。然而，由于電弧聲波信號(hào)高度的復(fù)雜性和非線性，難以簡(jiǎn)單直接地加以利用。　　單純的時(shí)域分析和頻域分析方法，僅僅在時(shí)域或頻域?qū)﹄娀⌒盘?hào)進(jìn)行分析，分析結(jié)果缺乏時(shí)域和頻域兩個(gè)方面的聯(lián)系，例如，某一頻率信號(hào)在什么時(shí)刻出現(xiàn)，這就需要同時(shí)在時(shí)域和頻域觀測(cè)信號(hào)，即時(shí)頻分析。它在反映信號(hào)時(shí)域特征的同時(shí)還反映了該時(shí)刻信號(hào)的頻域特征。時(shí)頻分析方法主要包括短時(shí)傅里葉變換（STFT）、多分辨率分析（MRA）、小波變換（WT）等方法?！　∑渲行〔ǚ治鍪抢^傅里葉分析之后應(yīng)用數(shù)學(xué)領(lǐng)域中的一種新的多分辨率時(shí)頻分析方法。與傅里葉變換相比，它采用面積不變但形狀可變（品質(zhì)因數(shù)恒定）的時(shí)頻窗，具有良好的信號(hào)時(shí)域局部分析和多尺度分析能力。近年來(lái)，小波變換在焊接電弧信號(hào)特征分析應(yīng)用的研究備受關(guān)注。就降噪方面來(lái)說(shuō)，在焊接電弧信號(hào)實(shí)際測(cè)試傳輸過(guò)程中，由于測(cè)試線路的布置、電纜走線、外界電磁干擾等因素，會(huì)在測(cè)試結(jié)果中疊加高頻噪聲，嚴(yán)重影響甚至淹沒(méi)真實(shí)信號(hào)，傳統(tǒng)的低通濾波雖然可以濾除信號(hào)中的高頻噪聲，但同時(shí)也造成了信號(hào)本身高頻成分損失，從而導(dǎo)致信號(hào)的失真。而通過(guò)小波變換將信號(hào)分解成不同的頻率分量，根據(jù)信號(hào)與噪聲的小波變換系數(shù)在不同分辨率下呈現(xiàn)的規(guī)律，合理設(shè)置閾值調(diào)整小波系數(shù)，從而達(dá)到降噪的目的。另外，小波變換在電弧信號(hào)奇異點(diǎn)分析以及頻帶能量特征提取等方面都有著突出貢獻(xiàn)和無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。　　進(jìn)行模式識(shí)別關(guān)鍵是從信號(hào)中提取與其物理本質(zhì)相關(guān)的特征，并進(jìn)行特征選擇，使得分類判別問(wèn)題能夠更有效地進(jìn)行。但對(duì)于特征值的選擇目前主要依賴于經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者對(duì)所處理問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。在模式識(shí)別與分類研究中，信號(hào)特征參數(shù)的評(píng)價(jià)與降維始終是人們極感興趣的問(wèn)題。其原因有三個(gè)方面：①提取的特征參數(shù)之間難免存在一定的相關(guān)性；②在樣本有限的情況下，用大量特征來(lái)設(shè)計(jì)分類器無(wú)論是從計(jì)算開(kāi)銷還是從分類器性能來(lái)看都不合時(shí)宜；③特征和分類器性能之間并不存在線性關(guān)系，當(dāng)特征數(shù)量超過(guò)一定限度時(shí)，反而會(huì)導(dǎo)致分類器性能變壞。因此，進(jìn)行正確有效的特征評(píng)價(jià)與選擇成為模式識(shí)別中必須要解決的問(wèn)題，在海量數(shù)據(jù)條件下尤為重要。目前，國(guó)外有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，提出了許多方法；國(guó)內(nèi)這方面研究還不很充分，多數(shù)情況下仍采用實(shí)驗(yàn)比較來(lái)選擇特征。

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