管道焊接過程智能控制技術(shù)及其應用

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角落，在石化、熱交換器、石油氣、化學、造船、造紙、儀表、汽車、食品醫(yī)藥、核電和海上平臺等行業(yè)和工程中具有廣泛應用。石油和天然氣產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎(chǔ)已被世界各國所重視，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，不僅對能源的需求量越來越大，而且能源結(jié)構(gòu)也發(fā)生著變化。我國的油氣資源大部分分布在東北和西北地區(qū)，而消費市場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發(fā)和利用的最大障礙。管道運輸是突破這一障礙的最佳手段，與鐵路運輸相比，管道運輸是運量大、更安全、更經(jīng)濟的油氣產(chǎn)品輸送方式。因此，我國政府已將“加強輸油氣管道建設(shè)，形成管道運輸網(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10年內(nèi)，我國將建成14條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫”，總長超過上萬公里的油氣管輸格局，這預示著我國即將迎來油氣管道建設(shè)的高峰期。多年來，我國現(xiàn)場管道的焊接大多數(shù)采用手弧焊，其焊接效率低、質(zhì)量差、工人勞動強度大，對焊工的焊接技能要求高。因此，發(fā)展焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高的自動化焊接設(shè)備及其配套焊接過程智能控制技術(shù)，對提高我國管道施工建設(shè)的技術(shù)水平，適應高速發(fā)展的管道建設(shè)需求，具有重大的意義?；谝陨显?，作者編寫了本書?！　”緯亲髡呒捌浜献髡邚氖鹿艿篮附拥目蒲谐晒目偨Y(jié)，書中部分成果來源于寧波市自然基金項目（2008A610031）、哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室基金項目（08003）、黑龍江省自然科學基金項目（E2007一01）、黑龍江省青年骨干教師支持項目（11530009）、黑龍江省青年基金項目（QC01C31）、哈爾濱市科技攻關(guān)項目（0111211118-4）和哈爾濱市科技創(chuàng)新人才專項基金項目（2007RF、QXG055），部分來源于作者和張勇合作的國家科委中小企業(yè)創(chuàng)新基金項目（00026212310970），部分來源于作者及其學生馬葆華、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)我國自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接管生產(chǎn)線和全位置環(huán)縫自動焊接機提供一定的技術(shù)支持。

內(nèi)容概要

本書內(nèi)容簡介：管道焊接是一種集計算機、自動控制、信息處理、機械和電氣為一體的復雜材料成形加工工藝過程，主要完成各種管道的現(xiàn)場安裝和焊接管焊接等生產(chǎn)任務。由于所焊接的管材、尺寸和位置等不同，焊接中電弧運動的實際位置會不斷變化，因此要求焊接設(shè)備能夠?qū)崟r檢測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)。對于這種復雜的控制過程，本書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、焊接過程控制信息語音提示技術(shù)和MIG焊電弧聲傳感技術(shù)；管道焊接過程控制硬、軟件系統(tǒng)設(shè)計，包括管道焊接過程控制系統(tǒng)設(shè)計、電弧強干擾下的計算機多機通信設(shè)計、管道全位置TLG焊系統(tǒng)抗干擾設(shè)計、管道焊接過程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計原則、管道焊接機計算機操作平臺和各執(zhí)行單元計算機程序模塊；焊接管溫度場和應力場數(shù)值模擬，為焊接管焊接后的彎曲、擴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)；詳細闡述了管道焊接工藝技術(shù)，包括管道焊接小電流自動接觸引弧工藝，管道焊接弧長調(diào)節(jié)控制，厚壁管焊接側(cè)壁熔透工藝，基于視覺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焊接機應用?！　”緯亲髡吆退暮献髡叨嗄觋P(guān)于管道焊接方面科研成果的總結(jié)，實用性和工程性較強，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程控制或工業(yè)控制領(lǐng)域機電一體化工程技術(shù)人員參考。

作者簡介

劉立君，男，博士，教授，1968年7月出生；主要從事管道焊接過程智能化和模具修復再造技術(shù)的研究工作，主持和參加國家、省、部和市級項目共30余項；以排名第一獲省部級科研、教學成果獎3項，市級科研、教學成果獎4項；發(fā)表論文80余篇，EI檢索30余篇，編著6部。
　　1996年開始為哈爾濱建新焊接設(shè)備廠開發(fā)哈爾濱市經(jīng)委重大科技攻關(guān)項目“厚壁管全位置焊接操作機”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)達到國際領(lǐng)先水平：2000年開始在省、市科技項目支持下，對管道全位置焊接機圖像跟蹤系統(tǒng)、示教系統(tǒng)和測控軟件系統(tǒng)進行開發(fā)，并在國家科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項目“管道全位置自動焊接操作機”、海洋固定平臺樁管自動焊接、油田輸油管道自動焊接和電站鍋爐管道自動焊接等項目和工程中應用，取得一定的經(jīng)濟效益；特別是“管道焊接過程智能控制技術(shù)開發(fā)與應用”項目曾獲黑龍江省高校科學技術(shù)二等獎，黑龍江省機械工業(yè)科學技術(shù)二等獎，黑龍江省科學技術(shù)進步三等獎。

書籍目錄

第1章 管道焊接研究現(xiàn)狀　1.1 管道焊接應用研究現(xiàn)狀　1.2 焊接過程熔透狀態(tài)監(jiān)控研究現(xiàn)狀　1.3 探索管道焊接質(zhì)量及其視覺和聽覺傳感信息的意義第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發(fā)　　2.1.3 焊縫圖像處理實例　2.2 焊接過程控制信息語音提示技術(shù)　　2.2.1 焊接過程控制信息語音提示意義　　2.2.2 語音提示在管道焊接機中的應用　　2.2.3 焊接過程語音卡硬件設(shè)計　　2.2.4 焊接過程語音卡軟件設(shè)計　　2.2.5 語音合成模塊　　2.2.6 工作模塊　　2.2.7 預演模塊　2.3 MRG焊電弧聲傳感技術(shù)　　2.3.1 MRG焊電弧聲產(chǎn)生機理研究　　2.3.2 MIG焊電弧聲信號與熔透狀態(tài)相關(guān)性研究　　2.3.3 MIG焊電弧聲信號特征提取與選擇　　2.3.4 MIG焊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)熔透狀態(tài)辨識建模第3章 管道焊接過程控制硬件系統(tǒng)設(shè)計　3.1 管道焊接過程控制系統(tǒng)設(shè)計　　3.1.1 管道焊接過程控制系統(tǒng)設(shè)計步驟　　3.1.2 管道焊接過程控制系統(tǒng)總體設(shè)計　　3.1.3 上位機計算機控制系統(tǒng)　　3.1.4 從機通用控制單元設(shè)計　　3.1.5 手控盒的設(shè)計　　3.1.6 基于圖像傳感二維跟蹤控制系統(tǒng)　　3.1.7 管道焊接機電動機驅(qū)動電路設(shè)計　3.2 電弧強干擾下的計算機多機通信設(shè)計　　3.2.1 通信任務分析　　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　　3.2.4 串行通信軟件設(shè)計　3.3 管道全位置TIG焊系統(tǒng)抗干擾設(shè)計　　3.3.1 設(shè)計抗干擾電路　　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 管道焊接過程控制軟件系統(tǒng)設(shè)計　4.1 管道焊接過程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計原則　　4.1.1 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計一般原則　　4.1.2 系統(tǒng)工程方法軟件設(shè)計原則　4.2 管道焊接機計算機操作平臺　　4.2.1 管道焊接機主控計算機操作平臺　　4.2.2 管道焊接數(shù)據(jù)庫操作平臺　　4.2.3 管道焊接故障自診斷操作平臺　　4.2.4 管道設(shè)備調(diào)試軟件操作平臺　　4.2.5 管道焊接示教再現(xiàn)操作平臺　　4.2.6 管道焊接實時控制操作平臺　　4.2.7 焊前調(diào)整操作平臺　　4.2.8 管道焊接工藝測試操作平臺　4.3 各執(zhí)行單元計算機程序模塊　　4.3.1 鎢極和橫向擺動控制模塊　　4.3.2 弧長和焊接電源控制模塊　　4.3.3 爬行驅(qū)動控制模塊　　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 焊接管溫度場和應力場數(shù)值模擬第6章 管道焊接工藝技術(shù)參考文獻

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。通過對電弧信號進行頻域分析，可利用特定濾波器去除夾雜在波形中的噪聲。熟練的焊工能聽出電弧聲中有關(guān)電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡方式、飛濺大小和熔透狀態(tài)的信息，正是利用了人類聽覺系統(tǒng)對聲音信號的特殊處理能力和頻率響應特性。換句話說，電弧聲必然蘊藏著豐富的、與焊接物理狀態(tài)密切相關(guān)的頻域特征。然而，由于電弧聲波信號高度的復雜性和非線性，難以簡單直接地加以利用?！　渭兊臅r域分析和頻域分析方法，僅僅在時域或頻域?qū)﹄娀⌒盘栠M行分析，分析結(jié)果缺乏時域和頻域兩個方面的聯(lián)系，例如，某一頻率信號在什么時刻出現(xiàn)，這就需要同時在時域和頻域觀測信號，即時頻分析。它在反映信號時域特征的同時還反映了該時刻信號的頻域特征。時頻分析方法主要包括短時傅里葉變換（STFT）、多分辨率分析（MRA）、小波變換（WT）等方法?！　∑渲行〔ǚ治鍪抢^傅里葉分析之后應用數(shù)學領(lǐng)域中的一種新的多分辨率時頻分析方法。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）的時頻窗，具有良好的信號時域局部分析和多尺度分析能力。近年來，小波變換在焊接電弧信號特征分析應用的研究備受關(guān)注。就降噪方面來說，在焊接電弧信號實際測試傳輸過程中，由于測試線路的布置、電纜走線、外界電磁干擾等因素，會在測試結(jié)果中疊加高頻噪聲，嚴重影響甚至淹沒真實信號，傳統(tǒng)的低通濾波雖然可以濾除信號中的高頻噪聲，但同時也造成了信號本身高頻成分損失，從而導致信號的失真。而通過小波變換將信號分解成不同的頻率分量，根據(jù)信號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)，從而達到降噪的目的。另外，小波變換在電弧信號奇異點分析以及頻帶能量特征提取等方面都有著突出貢獻和無法替代的優(yōu)勢?！　∵M行模式識別關(guān)鍵是從信號中提取與其物理本質(zhì)相關(guān)的特征，并進行特征選擇，使得分類判別問題能夠更有效地進行。但對于特征值的選擇目前主要依賴于經(jīng)驗和實驗設(shè)計者對所處理問題的認識。在模式識別與分類研究中，信號特征參數(shù)的評價與降維始終是人們極感興趣的問題。其原因有三個方面：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，用大量特征來設(shè)計分類器無論是從計算開銷還是從分類器性能來看都不合時宜；③特征和分類器性能之間并不存在線性關(guān)系，當特征數(shù)量超過一定限度時，反而會導致分類器性能變壞。因此，進行正確有效的特征評價與選擇成為模式識別中必須要解決的問題，在海量數(shù)據(jù)條件下尤為重要。目前，國外有不少學者對此進行了研究，提出了許多方法；國內(nèi)這方面研究還不很充分，多數(shù)情況下仍采用實驗比較來選擇特征。

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