基于PSO-OSSART算法的非轴对称电弧发射系数重建质量评价

针对有序子集-联合重建算法(ordered subsets-simultaneous algebraic reconstruction technique, OSSART)重建参数选取主观性强的不足，提出以重建区域误差最小为适应度的随机优化粒子群算法(particle swarm optimization, PSO)来获取最佳重建参数，并对非轴对称电弧发射系数稀疏角度重建质量进行评价. 结果表明，与最大似然函数-期望值最大化算法相比，基于粒子群的OSSART算法不仅能够在大投射角度间隔条件下使重建误差明显降低，而且具有更强的边缘保持能力，能够有效提高电弧中心区域的重建质量.采用OSSART算法，应在180°范围内至少等间距采集6次特征谱线投影，才能保证变极性等离子-熔化极气体保护复合焊(variable polarity plasma arc-metal inert gas, VPPA-MIG复合焊)电弧发射系数场的重建质量.试验结果为非轴对称电弧可靠光谱诊断提供理论依据.     

焊接电弧图像的边缘检测及其批处理算法

借助高速摄像捕捉不同时刻的焊接电弧图像,通过图像处理识别其边缘并提取其特征参数,可以实现对电弧燃烧和焊接过程稳定性的量化评价. 在分析电弧图像灰度特征的基础上,基于传统图像处理和形态学图像处理,提出了电弧图像边缘辨识的2种简化算法,并从程序运行时间和边缘检测精度两方面,对比了传统图像处理的Sobel边缘检测算法与形态学边缘检测算法的优劣. 选取传统图像处理简化算法构建了图像批处理程序,通过在原始电弧图像中添加随机高斯噪声和对TIG-MIG复合电弧图像边缘的准确识别来检验程序的性能. 结果表明,所构建的图像批处理程序有良好抗干扰能力和适用性.     

管道电弧声发射特征采集系统设计

鉴于焊接电弧声信号中蕴涵着丰富的焊接状态信息,是焊接质量监控重要的源信号,而管道结构特征为电弧声发射信号在管内低噪声传播创造了条件。设计了管道电弧声发射采集硬件系统,主要由传感器、信号适配电路、数据采集卡和一体化工作站组成。采用图形化虚拟仪器编程语言LabVIEW,通过封装功能模块及调用硬件驱动的动态链接程序,设计了一套采用中断触发方式进行高速数据采集的电弧声发射软件系统。结果表明,该系统不仅能实现对电弧电压、焊接电流和电弧声发射信号的高速实时同步采集,并可将采集结果图形化显示,很好地解决了实时图形绘制难的问题,为进一步研究管道TIG焊接电弧声发射机理创造条件。     

高压干法GMAW电弧特性对焊接电源控制算法的影响

采用高压环境模拟舱对高压干法熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)进行了试验研究. 焊接电源采用数字增量型PID算法,在常压下进行控制器系数整定. 通过试验获得了环境压力为0.4,0.8,2 MPa时焊接电弧弧柱区的电场强度,理论推导了压力环境电弧特性的改变对焊接电源控制品质的影响规律,并将环境压力作为变量引入到控制器算法中. 采用常压下整定的控制器系数,在环境压力为0.8 MPa时,对算法改进前后进行了试验验证. 结果表明,改进后的焊接电源控制算法能够有效减少焊接电流的波动,从而提高了焊接过程稳定性,使焊接过程产生的飞溅尺寸和数量有所改善.     

双丝串列电弧焊焊缝成形的试验分析

将旋转电弧传感器和双丝串列电弧焊结合起来,开发了旋转电弧引导的、两个电弧在同一个熔池上燃烧的双丝串列电弧焊方法,对其焊缝成形工艺进行了研究.分析了焊接电流、焊接电压、双丝间距、电弧旋转等参数对焊缝成形的影响.结果表明,随着焊接电流的增大,熔敷速度增加,焊缝成形系数呈现先增大后减少的变化规律.而焊接电压的增大则会使焊缝成形系数略有减小.对双丝间距的研究发现,当间距为15 mm时,焊接质量较好.与普通双丝串列焊相比,前置电弧旋转时熔池底部变得平坦,最大熔深有所减小,平均熔深有所增加,这将有助于减少焊缝的应力集中.与单丝旋转电弧焊相比,焊接熔敷速度显著增大,有效避免了高速焊接时的咬边现象.     

TA2中厚板低功率激光诱导双电弧高效焊接及机理

采用低功率脉冲激光诱导双TIG复合焊接热源(LITTW)实现了6 mm厚TA2纯钛中厚板的高效焊接,基于Ti粒子的动力学行为,研究了激光脉冲对电弧等离子体的影响.结果表明,LITTW比激光诱导单TIG焊接(LISTW)的电弧能量更加集中,焊接能耗仅为LISTW的50.9%,速度却达到LISTW的2.3倍.激光脉冲作用后,电弧等离子体由能量集中状态恢复到原始电弧形态存在一个恢复时间,在本试验条件下,LITTW的恢复时间为6.5 ms,比LISTW延长了3 ms. LITTW中稳定的匙孔形态为Ti粒子持续向电弧等离子体转移提供了条件,延长了电弧等离子体的恢复时间.     

焊接电弧等离子体的平衡性质

本文从理论分析和试验验证两个方面，对焊接电弧过程的热平衡特点，限度以及影响因素进行了较为深入的观察和探讨。分析和计算了焊接电弧系统达到ＬＴＥ状态对电子密度和平衡恢复时间在数量级上的要求，实现了对焊接电弧等离子体ＬＴＥ状态的试验验证。本文的工作是焊接电弧的热力学研究及其实际应用的一个重要基础。     

管道窄间隙摆动MAG焊电弧信号偏差提取算法

由于窄坡口焊缝焊接时电弧信号受到电弧偏垂的影响,普通的焊缝偏差提取方法已不适用。所以,在结合普通V形坡口摆动电弧跟踪偏差提取的电流积分差值法的基础上,提出了一种窄间隙焊缝偏差提取算法,并获得了焊接电流信号积分差值△S与焊缝偏差值e之间的关系。为了验证偏差提取算法的精确性,进行了窄间隙坡口焊接试验,将理论计算的焊缝偏差与实际偏差进行了对比,证明了该管道窄间隙焊接电弧信号偏差提取算法的可靠性。     

双丝间距对激光-双电弧复合焊接过程稳定性的影响

采用多信息融合技术对激光-双电弧脉冲复合焊在不同双丝间距下的电流信号、电压信号、高速摄像信号进行同步采集,研究双丝间距对焊接过程的电弧行为、熔滴过渡过程及焊缝表面成形的影响,并依据混沌理论和算法,从非线性角度对激光-双丝脉冲MIG焊接过程的电流信号进行了最大Lyapunov指数(LE)计算.结果表明,激光-双丝脉冲MIG焊接过程是一个混沌过程,由于激光光致等离子体和电弧等离子体的相互作用改变电弧的形态和熔滴受力状态,进而影响焊缝成形,在一定的焊接工艺参数下存在最佳双丝间距,在最佳双丝间距下,电弧稳定,焊缝成形良好,且此时最大LE值及其标准方差最小.     

GMAW三维瞬态焊接热过程的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型.利用Visual Fortran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接温度场和熔池形状的动态演变,以及熔池自由表面的变形,并进行了试验验证.结果表明,达到宏观准稳态时,计算所得熔池宽度和深度与试验结果基本吻合.     

Performance of iterative tomographic algorithms applied to non-destructive evaluation with limited data

Iterative tomographic algorithms have been applied to the reconstruction of a two-dimensional object with internal defects from its projections. Nine distinct algorithms with varying numbers of projections and projection angles have been considered. Each projection of the solid object is interpreted as a path integral of the light-sensitive property of the object in the appropriate direction. The integrals are evaluated numerically and are assumed to represent exact data. Errors in reconstruction are defined as the statistics of difference between original and reconstructed objects and are used to compare one algorithm with respect to another. The algorithms used in this work can be classified broadly into three groups, namely the additive algebraic reconstruction technique (ART), the multiplicative algebraic reconstruction technique (MART) and the maximization reconstruction technique (MRT). Additive ART shows a systematic convergence with respect to the number of projections and the value of the relaxation parameter. MART algorithms produce less error at convergence compared to additive ART but converge only at small values of the relaxation parameter. The MRT algorithm shows an intermediate performance when compared to ART and MART. An increasing noise level in the projection data increases the error in the reconstructed field. The maximum and RMS errors are highest in ART and lowest in MART for given projection data. Increasing noise levels in the projection data decrease the convergence rates. For all algorithms, a 20% noise level is seen as an upper limit, beyond which the reconstructed field is barely recognizable.     

用于焊接环境三维建模的稀疏点云拟合

非结构化环境的三维重建是遥控焊接中虚拟现实的关键技术.采用立体视觉的方法进行焊接环境建模.由于焊接环境缺乏可用于立体匹配的特征点,所以采用向焊接工件添加标签的方法为立体匹配提供特征点.采用亚像素焦点检测算法及人机交互的立体匹配方法,得到焊接环境空间稀疏点云数据.在对点云进行拟合时,平面采用最小二乘法拟合,二次曲面采用Tikhonov正则化拟合.对于Tikhonov正则化参数的选取采用了准最优化方法.试验对平面工件和圆柱工件进行了三维重建,得到了工件的三维模型.结果表明,平面与曲面的拟合平均误差均小于1 mm,最大误差小于3 mm.     

激光-微束等离子弧复合焊接过程的结构负载声发射信号表征

采用脉冲YAG激光焊、微束等离子弧焊和激光-微束等离子弧复合焊对304不锈钢进行焊接试验,实时采集焊接过程中的结构负载声发射信号,研究声发射信号对焊接过程的表征. 结果表明,激光离焦量为-2 mm的激光-微束等离子弧复合焊接,热源复合效果更好,焊缝表现出更显著的复合热源焊接特征. 焊缝获得了更好的表面成形和熔深、熔宽. 热源复合效果更好的焊接过程,其声发射信号波形表现出更大振幅,且更为均匀,并与激光热源的周期性相符,呈现出明显的复合热源焊接周期性. 因此可以利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号表征激光和微束等离子弧两种热源复合效果特征.     

基于神经网络的药芯焊丝GMAW发尘率预测

焊接工艺对焊接发尘率有直接的影响,建立基于相关焊接工艺参数的焊接发尘率预测模型,预测特定焊接工艺的发尘率对控制和降低焊接烟尘的排放具有重要意义。鉴于焊接发尘率影响因素复杂,存在高度非线性特征,提出了基于神经网络的熔化极气体保护焊(GMAW)焊接发尘率的预测模型。通过药芯焊丝E501T-1发尘率实测数据,分别建立了BP和Elman神经网络模型,并采用遗传算法(GA)对2种神经网络进行了优化。基于15组实测数据的验证,结果表明,采用遗传算法优化后,BP和Elman神经网络模型的预测合格率分别提升了6.7%和13.4%,遗传算法优化的BP神经网络模型(GA-BP)的均方误差为586.21,平均绝对百分比误差为3.01%,均为4个模型中最小,其预测结果更为准确可靠。基于GA-BP模型所预测数据,对不同焊接电流和电弧电压的发尘率进行预测,在一定的焊接速度和保护气流量条件下,焊接电流约为170 A,电弧电压约为26 V时,焊接发尘率最小。 创新点： (1)将神经网络模型引入到焊接发尘率数值预测中,并通过遗传算法对神经网络的权值和阈值进行优化,提高了预测准确性和可靠性。 (2)根据优化后的模型的预测结果,分析了焊接电流和电弧电压对发尘率的影响规律,为进一步控制焊接发尘率提供了有益的指导。     

Rotating polar-coordinate ART applied in industrial CT image reconstruction

With incomplete or noisy projections, algebraic reconstruction technique (ART) algorithms can get better image qualities than convolution back-projection (CBP) algorithm. But, it's too slow to meet the practical industrial requirements. Rotating polar-coordinate technique was introduced into ART in this paper, forming Polar-ART (PART) algorithm. PART is 2.7 times as fast as ART with nearly the same quantitative accuracy and it does not need as much memory as ART, which is proved by experiments on ⁶⁰Co container CT inspection system. A drawback of PART is the loss of resolution in reconstructed images.     

基于遗传小波神经网络MIG焊熔透状态模式识别

通过对已有的人工神经网络、小波分析、遗传算法的建模方法进行组合利用并加以改进,建立了基于电弧声信号特征的MIG焊熔透状态诊断网络模型.声波信号经小波去噪和小波包频带能量特征提取后,作为小波神经网络模型的输入特征向量,网络训练中采用具有全局优化能力的遗传算法动态修改网络结构和参数,避免了神经网络训练速度慢、容易陷入局部极值的缺点,从而完成数据挖掘和复杂的非线性建模功能.结果表明,将网络模型用于熔透状态诊断,证实了方案的可行性和有效性.     

增量型PID恒流恒压控制的Plasma-MIG复合电弧焊接

Plasma-MIG复合电弧焊接对电源的外特性输出及焊接过程控制有着很高的要求,以VC++软件开发工具为平台,推导了适合于Plasma-MIG复合电弧焊接的增量型PID控制算法,实现了对复合电弧焊接过程控制及电源外特性的要求.结果表明,增量型PID恒流恒压控制能够满足Plasma-MIG对电源外特性的输出要求.Plasma电弧和MIG电弧并不是相互独立的,两者以共享的电磁空间、导电气氛和焊丝为媒介建立起耦合关系.Plasma-MIG复合电弧焊接过程中,增量型PID控制下的Plasma电弧能够自发的调节自身电参数,来稳定电弧空间的电流密度,使得焊接过程中无飞溅.采用控制后,Plasma-MIG复合电弧焊焊接过程焊缝铺展好,焊接过程稳定,焊缝成形好.     

用电弧声信号监测GMAW焊丝干伸长的SVM模型

为了探索电弧声在焊接质量监控中的应用途径,在对短路过渡GMAW电弧声信号频谱分析的基础上提出电弧声道概念,认为声道是受焊接参数、电弧形态等众多因素影响的分布参数系统.电弧声的LPC(线性预测)模型是声道传输特性的一个参数化估计.电弧声频谱与焊丝干伸长密切相关,但呈现出高度复杂性和非线性.利用电弧声LPC预测系数和反射系数构造输入向量,建立了支持向量机(SVM)的焊丝干伸长分类模型.训练和测试结果表明,采用不同形式核函数的SVM(支持向量机)分类器均能实现干伸长的正确分类,其性能明显优于相同条件下的RBF(径向基函数)神经网络分类模型,小样本情况下仍具有较好的推广能力.其中,用反射系数作为输入向量训练三次多项式核函数的SVM分类器性能最优,测试正确率在98%以上.据此认为,利用LPC分析提取电弧声的特征向量,建立SVM模型是一种焊接动态参数监控的可行方法.