CN102873433B - 一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法，具体方法为读取电流信号，提取其特征值，通过丝径大小选择不同的支持向量机预测模型，进行送丝速度预测。对预测结果进行判定后计算电压变换系数，通过电压变化系数实现送丝速度的设定和调节，最终实现双丝弧焊送丝速度的智能设定和双丝稳定焊接。本发明首次提出双丝焊送丝速度的支持向量机设定，本发明不仅考虑了每根焊丝自身的平均电流，还考虑了焊丝对应的波形特征以及另外一根丝的焊接平均电流，所设定的送丝速度更能符合实际情况。通过阈值机制，使预测的送丝速度始终保持在合理范围内，增强了系统的稳定性。

Description

一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法

技术领域

本发明属于高速双丝弧焊技术领域，特别涉及一种双丝弧焊迅速且正确地设定前导焊丝和跟随焊丝送丝速度的方法。

背景技术

送丝速度对焊接效果有着最直接的影响，送丝速度与工艺参数的不匹配会导致焊接过程的不稳定。

许多研究认为送丝速度和焊接电流成正比关系，某些一元化气保焊机也通过直接调节送丝速度或者焊接电流直接完成两者的匹配关系。但是在实际研究中发现送丝速度和焊接电流没有固定的正比对应关系，它们只是一种正相关的关系，即送丝速度越快焊接电流越大。送丝速度除了和焊接电流有关外，还和焊接电压、焊丝直径、峰值电流持续时间、行走速度、焊丝距母材的高度等多种因素有关，在自动焊接过程中，还需要考虑行走速度的影响。这就给送丝速度设定带来了极大的困难。

国内专利号为CN200510078986.5的发明专利“交流脉冲电弧焊接方法”中，提出将焊接电流设定值以及电极负电流比率设定值作为输入，通过预定的变换电路设定送丝速度设定值。预定的变换电路中的变换函数是由预先定义多个电极负电流比率设定值下的焊接电流设定值与送丝速度设定值的关系函数组构成。该方法主要是针对单丝交流脉冲焊的，且通过确定的函数关系电路实现送丝速度设定。本发明研究的为直流双丝脉冲弧焊，并没有电极负电流比率这一设定值，且双丝焊过程中送丝速度受多种因素影响，难以用简单的变换电路实现。因此该方法并不适用。

国内专利号为CN201010169755.6的发明专利“送丝调速系统”中，采用单片机的脉宽调制口输出脉宽调制信号对送丝电机进行送丝速度的控制，根据送丝电机的反馈电压调整输出的脉宽调制信号的占空比来实现送丝电机的闭环控制。但是该专利主要涉及送丝速度过程的控制，没有考虑送丝速度初值设定的问题。

国内公开号为CN 201010618741.8的发明专利“一种基于数学模型设定双脉冲焊接参数的焊接方法”中，主要研究铝镁合金双脉冲参数的设置，其中谈到了送丝速度的设置，但是该方法的设置是基于系统中内置的工艺专家数据库的，需要一再调节、对比给定和预置送丝速度使其和专家系统中的值相匹配才能进行焊接；其次，该方法中的送丝速度值完全根据平均电流给定，这种设定难以达到最优效果；最后，该方法中送丝速度的设定也是通过调节送丝机上的电流旋钮实现。

上述方法和专利都是基于单丝焊送丝速度设定和控制的，且多通过硬件实现，考虑的也主要是平均电流和送丝速度的匹配关系。双丝弧焊电源与单丝送丝控制存在较大不同：首先双丝焊时两根焊丝是前后并列排列，在两根焊丝平行方向上使熔池体积增加，高温停留时间变长，冷却速度变慢，使得双丝焊总的热输入高于单丝焊，因此不能简单根据每路焊丝自身的情况决定送丝速度；其次，在共熔池的双丝焊中，两丝之间存在相互之间热和力的作用，前导焊丝对母材存在预热作用，会影响跟随焊丝的送丝速度的大小，因此，两丝的送丝速度设定方法应该是不同的；最后，由于控制技术的发展脉冲阶段的各个参数都能单独控制，一般认为，在脉冲峰值阶段，焊丝燃烧，基值阶段主要起维弧作用，因此峰基值阶段时间的长短也直接影响到送丝速度的快慢。所以，脉冲峰基值电流和时间也是需要考虑的主要因素。

由于双丝之间的相互作用以及焊接过程中前导焊丝预热作用的影响，双丝焊控制不能简单地照搬单丝弧焊电源的控制思路和方法。国内双丝焊技术发展较晚，双丝焊技术方面的专利不多，专利号为CN 200510077233.2等少数双丝焊技术发明专利也均没有涉及到双丝送丝速度的控制。就国内公开发表的文献来看，也未见关于双丝焊送丝速度设定方法的研究。

考虑到双丝弧焊电源控制的复杂性和双丝焊接工艺参数匹配的困难，因此研究双丝焊过程送丝速度这一重要参数的自动设定方法，可有效提高了电源控制智能化程度，提高高速双丝焊的稳定性。

发明内容

本发明的目的在于针对双丝焊过程中送丝速度设定困难，难以实现自动化，参数匹配不合理等不足，提供一种适用于双丝脉冲MIG焊接工艺，稳定性好的送丝速度预测设定方法。实现了不同工艺规范下双丝送丝速度的自动设定，减少因工艺参数不匹配而带来的焊接过程不稳定。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法是指送丝机控制电路不变，控制系统读取设定电流参数以及丝径数据，通过支持向量机推理预测，得到对应的送丝速度，与送丝速度阈值进行比较，计算电压变换系数，更新寄存器，进入焊接过程。具体包括如下步骤：

(1)控制系统读取人机界面传送过来的电流参数。发明中的送丝速度预测设定方法是基于电流信号的。因此在这个步骤中仅读取电流信号参数。

(2)提取电流特征值。通过相关分析确定了占空比、频率、平均电流1、平均电流2这4个影响因子对送丝速度影响较大。在这一步骤中提取每路电流信号的占空比、频率、自身的平均电流和另一路的平均电流这四个值，分别构成指定结构的前导焊丝和跟随焊丝特征值数组，为支持向量机推理预测作准备。

(3)读取丝径数据，根据不同的丝径选择相应的支持向量机推理预测模型。

对于双丝电源，两丝可采用不同的丝径，也可以采用相同的丝径，因此存在着多种配合情况，如果用一个统一的模型来描述，因子太多，难免会降低预测精度，从而影响控制效果。本发明参考现有一元化调节的气保焊策略，设计一个丝径开关，只有根据实际两路焊丝直径正确选择这个开关的位置，系统获取正确丝径状态信息作为入口参数，调用对应丝径的支持向量机模型，才能得到正确的送丝速度预测数据。

(4)进入预测送丝速度程序，为预测的准确性对数据进行归一化处理。对于每个样本，由于它的每一个维度的量纲不同，比如电流的值一般为百位数而占空比一般为小数，若统一归一化，那么由于量纲数量级差别悬殊，占空比的属性可能会变为0，则失去了这一列的意义。因此，在处理中，按照不同属性分别进行归一化处理，力求完整保留原始信息。

(5)执行支持向量机预测模型，得到推理预测结果。这一步骤中所用的支持向量机模型采用径向基(RBF)核函数进行建模，对于经验风险R，采用ε不敏感损失函数来描述。将步骤(2)中准备好的两个数组分别输入前导焊丝和跟随焊丝支持向量机模型，得到预测结果。

(6)将预测结果反归一化，得到送丝速度预测结果。步骤(5)中的推理结果处于0-1之间，需要进行反归一化处理，将其映射到正确的送丝速度范围区间。

(7)将送丝速度预测结果和送丝机许可送丝速度范围阈值比较，如果在许可范围内，则执行(8)，否则执行(9)。

(8)根据步骤(6)的送丝速度预测结果，计算对应的电压变换系数。接下来执行(10)。

(9)根据两丝各自的平均电流大小直接计算各自的送丝速度，并重算对应的电压变换系数。接下来执行(10)。

(10)更新寄存器中的电压变换系数，调节输出电压范围，设定前导焊丝和跟随焊丝各自的送丝速度。

所述步骤(4)中的归一化处理公式如下：

$y=\frac{x-x_{\min }}{x_{\max }-x_{\min }}---\left(1\right)$

式中x为样本数据，y为归一化后的值，x_max和x_min分别样本区间范围的上限和下限。

所述步骤(6)中的反归一化处理公式如下：

y＝(x_max-x_min)*y_i+x_min    (2)

式中y为反归一化的结果，yi为归一化后的值。

所述步骤(9)中的送丝速度计算公式如下：

V_fi＝k*I_avi                (3)

式中V_fi为焊丝的送丝速度，k为焊丝平均电流大小和送丝速度的比例系数，I_avi为对应焊丝的平均电流。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明自动化程度高。目前所用的送丝速度调节方式，主要是通过手工调节送丝机上的旋钮实现，需要经过多次调整和试凑。本发明通过控制系统，得到送丝控制电路中的电压变换系数，通过调节电压变换系数，改变控制电压实现送丝速度的大小的控制，最终实现送丝速度设定。

(2)本发明准确性高。与传统的双丝焊接送丝速度设定不同，本发明不仅考虑了每根焊丝自身的平均电流，还考虑了焊丝对应的波形特征以及另外一根丝的焊接平均电流，所设定的送丝速度更能符合实际情况。

(3)本发明稳定性好。双丝焊送丝速度受多种工艺因素的影响，不合理的工艺参数匹配会带来焊接的不稳定。而常规的工艺试验难以涵盖所有工艺参数的匹配，通过机器学习的方法，可以推理出相应的焊接送丝速度，减少了送丝速度确定的盲目性，大大提高。并且在推理有误的情况下，通过阈值机制，使送丝速度保持在合理范围内，增强了系统的稳定性。

(4)本发明实现简单。要实现送丝速度的自动设定之前多是采用比较复杂的硬件电路实现，而双丝送丝速度设定涉及因素众多，更是难以实现。采用支持向量机模型预测，不仅具有较高的预测精度，又简化了送丝速度控制电路的复杂度，在预测精度和系统复杂度上具有较好的平衡。

附图说明

图1是本发明一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法的流程图。

图2是本发明实施例中送丝控制系统框图。

图3是本发明实施例中60个样本的前导焊丝送丝速度与平均电流散点关系图，前导焊丝平均电流和两丝送丝速度的散点图。

图4是本发明实施例中60个样本的跟随焊丝送丝速度与平均电流散点关系图，跟随焊丝平均电流和两丝送丝速度的散点图。

图5是本发明实施例中60个样本前导焊丝的支持向量机送丝速度模型预测效果图。

图6是本发明实施例中60个样本跟随焊丝的支持向量机送丝速度模型预测效果图。

图7是本发明实施例中给定试验条件下的电流波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的实施方法和要求保护的范围并不局限于此。

如图1所示，为本发明一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法的流程图，具体包括如下步骤：

(1)控制系统读取人机界面传送过来的电流参数。

(2)提取电流占空比、频率、自身的平均电流和另一路的平均电流这四个值，构成指定结构的特征值数组，为支持向量机推理预测作准备。

(3)读取丝径数据，根据不同的丝径选择相应的支持向量机推理预测模型。

(4)对数组数据进行归一化处理。

(5)执行支持向量机预测模型，得到推理预测结果。

(6)将预测结果反归一化，得到送丝速度预测结果。

(7)将送丝速度预测结果和送丝机许可送丝速度范围阈值比较，如果在许可范围内，则执行(8)，否则执行(9)。

(8)根据步骤(6)的送丝速度预测结果，计算对应的电压变换系数。接下来执行(10)。

(9)根据两丝各自的平均电流大小直接计算各自的送丝速度，并重算对应的电压变换系数。接下来执行(10)。

(10)更新寄存器中的电压变换系数，调节输出电压范围，设定前导焊丝和跟随焊丝各自的送丝速度。

现根据图1所述方法，进行具体实施。

图2为DSP双丝电源送丝控制系统框图。图1所示方法利用可利用图2所示双丝电源送丝控制系统完成，主要通过送丝控制系统DSP中得到。

在统一的测试平台下采集样本。测试平台由DSP双丝弧焊电源、行走机构控制器及焊接试验台、焊接电弧动态小波分析仪、双丝脉冲MIG焊软开关逆变电源、送丝机、双丝焊枪、水箱等设备构成。在测试中，利用焊接电弧动态小波分析仪对波形进行采集和分析，由自行研制的一体化双丝脉冲MIG焊软开关逆变电源的控制软件实现控制波形。试件为Q235钢，厚6.0mm，焊丝采用H08Mn2SiA，直径为Φ1.0mm，保护气体为纯氩。气体流量15L/min，焊丝干伸长12.0mm，两根焊丝末端之间距离为8.0mm，平板堆焊方式。采用随机试验和正交试验相结合的方法，在稳定焊接范围内，设计了100个不同的测试条件，反复调节行走速度和两路送丝速度，进行多次重复试验，获得重复情况下工艺性能均较好的60个数据作为样本。

对60个样本进行相关分析，提取关键因素，图3、图4表示了前导焊丝、跟随焊丝平均电流和送丝速度的关系，从图可知，送丝速度不仅和自身的平均电流有关，也和另一路的平均电流有较为明显的关系，进一步说明本方法的特征值设定是符合实际情况的。

60个样本对应的支持向量机模型和送丝速度预测结果分别如图5、图6所示。为了综合评价和支持向量机送丝速度预测模型的性能和结果，引入以下2个评价指标。

(1)均方误差(Mean squared error，MSE)

$\mathrm{MSE}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y_i-{\hat{y}}_i)}^2---\left(4\right)$

MSE越接近于0，说明模型选择和拟合更好，数据预测也越成功。在文中MSE-T表示训练模型均方误差，MSE-P表示预测模型均方误差。

(2)平方相关系数(Squared correlation coefficient，SCC)

$\mathrm{SCC}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y-y_i)}^2-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y-{\hat{y}}_i)}^2}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(y-y_i)}^2}---\left(5\right)$

平方相关系数又称为确定系数，是通过数据的变化来表征拟合好坏的一个指标。该系数越接近1，表明方程的变量对y的解释能力越强，这个模型对数据拟合得较好。SCC-T表示训练模型平方相关系数，SCC-P表示预测模型平方相关系数，式(4)、(5)中，y表示平均值，y_i表示实际值，表示预测值，n为样本个数。

图5所示支持向量机模型的具体参数和性能指标如下：

MSE-T＝0.0074，MSE-P＝0.0200

SCC-T＝0.8645，SCC-P＝0.8833

图6所示支持向量机模型的具体参数和性能指标如下：

MSE-T＝0.0050，MSE-P＝0.0242

SCC-T＝0.8799，SCC-P＝0.8366。

前导焊丝和跟随焊丝支持向量机送丝速度预测模型准确率分别为88.33％和83.66％。该值已能基本满足实际应用的要求。这也充分说明本方法所在送丝速度设定上具有一定的应用价值，能较好地完成自动化焊接送丝速度设定控制任务。

现利用所建立的模型进行实际的双丝焊接工艺测试。基本测试条件：前导焊丝峰值电流315A，基值电流80A，跟随焊丝峰值电流290A，基值电流88A，峰值时间为4ms，基值时间为9.2ms。采用反相同频率波形。试件为Q235钢，厚8mm，焊丝采用H08Mn2SiA，直径为Φ1.0mm，保护气体为纯氩。气体流量15L/min，焊丝干伸长12mm，两根焊丝末端之间距离为8mm，行走机构速度为0.85m/min，平板堆焊。

提取特征值如下：前导焊丝平均电流为152A，跟随焊丝平均电流为149A，频率为75.8Hz，占空比为30.3％。丝径均为1.0mm。选择图5、图6所示前导焊丝及跟随焊丝送丝速度支持向量机模型预测得知：前导焊丝速度应为7.87m/min，跟随焊丝速度应为8.15m/min。

利用该参数焊接所得的电流的波形如图7所示，电流波形比较规整。试验中观察到，在按照预测送丝速度焊接时能比较顺利地焊接，没有断弧现象，焊接过程稳定。该实施例说明本发明一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法符合实际情况，预测准确率达到要求，具有较好的实际应用价值。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法，其特征在于读取电流信号，提取其特征值，通过丝径大小选择不同的支持向量机预测模型，进行送丝速度预测，对预测结果进行判定后计算电压变换系数，通过电压变换系数实现送丝速度的设定和调节，实现双丝弧焊送丝速度的智能设定和双丝稳定焊接，具体包括如下步骤：

(1)控制系统读取人机界面传送过来的电流参数，送丝速度预测设定方法是基于电流信号的，因此在这个步骤中仅读取电流信号参数；

(2)提取电流特征值；

(3)读取丝径数据，根据不同的丝径选择相应的支持向量机推理预测模型；

(4)进入预测送丝速度程序，为预测的准确性对数据进行归一化处理；

(5)执行支持向量机预测模型，得到推理预测结果；

(6)将预测结果反归一化，得到送丝速度预测结果；

(7)将送丝速度预测结果和送丝机许可送丝速度范围阈值比较，如果在许可范围内，则执行(8)，否则执行(9)；

(8)根据步骤(6)的送丝速度预测结果，计算对应的电压变换系数，接下来执行(10)；

(9)根据两丝各自的平均电流大小直接计算各自的送丝速度，并重算对应的电压变换系数，接下来执行(10)；

(10)更新寄存器中的电压变换系数，调节输出电压范围，设定前导焊丝和跟随焊丝各自的送丝速度。

2.根据权利要求1所述一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法，其特征在于，步骤(2)中的特征值为电流信号的占空比、频率、自身的平均电流和另一路的平均电流，所提取的特征值要按照统一结构存储在系统中。

3.根据权利要求1所述一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法，其特征在于，步骤(3)中的不同的丝径大小对应于不同的送丝速度预测模型。

4.根据权利要求1所述一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法，其特征在于，步骤(4)中的归一化处理要分别针对不同的特征值按维度进行，不能对整个数组进行统一归一化。

5.根据权利要求1所述一种双丝弧焊送丝速度预测设定方法，其特征在于，步骤(9)中的送丝速度按照电流的正比关系计算。