基于焊工经验的人与熔池交互行为解析及熔池流态最优控制方法研究

Aiming at the realization of the welding robot optimal control for fluid flow of weld pool, based on analysis of skilled welder's experience, a new solution is proposed creatively to change the welder's experience and skills into a kind of control scheme that the welding robot can identify. The future works focus on following scientific problems: 1)the observation, coordinate transformation and reconstruction of the dynamic and coupled behaviors between welding torch motion and the arc and the free surface of weld pool in skilled welder welding process; 2) the physical model of the effects between the welder's experience and weld pool; 3) based on welder's experience, the welding experiment and theoretical research of optimal control for fluid flow of weld pool under variable welding conditions. This research will have significant academic value for explain the internal relations between weld pool behaviors and welding quality, and for changing the welder's experience and skills into control scheme for welding robot. The works will also improve the intellectualization of welding robot remarkably and have a great application prospect in welding industry.

针对如何对熟练焊工的经验和技能进行物理解析并用于机器人控制系统实现熔池流态最优控制的问题，创新性的提出了全新的研究思路和理论体系，为解决将焊工经验和技能转化为机器可实现的焊接过程控制体系提供了系统的解决方案。项目研究的科学问题包括：1）焊工与熔池交互过程中焊枪运动姿态-电弧-熔池自由表面动态耦合演化行为的三维观测方法及坐标变换与重构；2）焊工经验和技能对熔池流态控制作用的逆向物理解析模型；3）变工况条件下基于焊工经验的焊接熔池最优流态闭环控制系统及方法的实验与理论研究。以上研究对更深层次从物理模型层面理解熔池动态行为与焊接质量之间的内在联系并将熟练焊工对熔池控制的经验实现参数化具有重要的学术价值。研究工作形成的理论体系对大幅度提高焊接机器人的智能化水平具有重要的理论价值和潜在的工程应用前景。

智能化焊接是未来焊接技术发展的趋势，也是降低焊接人力成本提高焊接效率、焊接质量，拓宽机器人应用环境的有效途径之一。然而，在先进传感、计算机及硬件技术快速发展的当下，如何将熟练焊工的经验和技能进行物理解析并用于机器人控制系统实现熔池流态最优控制是焊接智能化实现的关键所在，本项目围绕熟练焊工经验和技能的可视化、物理解析和机器人控制算法等基础科学问题，重点开展了：1）焊工与熔池交互过程中电弧与熔池三维自由表面双向耦合演化行为的观测；2）给定焊接条件下焊工经验所确定的熔池最佳流态与熔池三维自由表面形态之间的映射关系的逆向解析；焊枪运动姿态与熔池三维自由表面形态之间的电弧熔池双向耦合关系的解析；3）建立GMLRM和AK-RBFNN模型解释焊枪运动参数对熔池形态和流态的影响规律，并利用AK-RBFNN模型融入焊工经验相关要素提取和预测焊工操控过程中的局部细节，在特定的焊接条件下实现焊接熔池状态的智能控制，获得良好的焊缝成形质量的系列研究。研究结果对深入理解熔池液态行为与焊接质量的内在联系和发展新型智能化机器人提供了系统的理论支持和创新的研究方法，有望在焊工培训和机器人智能化焊接成形控制获得应用。项目资助下，在Welding Journal,Journal of Materials Processing Technology,Robotics and Computer-integrated manufacturing,金属学报等权威期刊上共计发表学术论文16篇，其中SCI检索6篇，EI检索10篇；荣获国际会议优秀论文奖1项；省级优秀博士学位论文奖1项。