馬曉麗， 曹力軍， 陳秋龍， 周偉敏， 楊海瀾， 張躍龍

(上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

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基于DOE方法的機(jī)器人焊接試驗(yàn)設(shè)計(jì)

馬曉麗， 曹力軍， 陳秋龍， 周偉敏， 楊海瀾， 張躍龍

(上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

為了更好地預(yù)測(cè)機(jī)器人焊接工藝參數(shù)與焊縫成形參數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)DOE方法的全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在機(jī)器人焊接系統(tǒng)上對(duì)低碳鋼進(jìn)行兩因素三水平焊接實(shí)驗(yàn)，定量分析了機(jī)器人焊接工藝參數(shù)與焊縫成形參數(shù)間的關(guān)系，建立相關(guān)預(yù)測(cè)模型，將預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。熔深、熔寬不僅受焊接功率和焊接速度主效應(yīng)的影響，還受其交互作用的影響;余高只受到焊接功率和焊接速度主效應(yīng)的影響，而與交叉效應(yīng)無(wú)關(guān)，且通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了熔深、熔寬和余高的預(yù)測(cè)范圍。結(jié)果表明，基于DOE方法的焊接試驗(yàn)設(shè)計(jì)為獲得性能優(yōu)異的焊接接頭質(zhì)量提供了參考，為實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新方法。

焊接功率; 焊接速度; 熔寬; 熔深; 余高

0 引 言

工業(yè)焊接機(jī)器人是當(dāng)今世界最引人矚目的高新產(chǎn)業(yè)之一。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)品制造的自動(dòng)化、柔性化與智能化已成為必然趨勢(shì)。在機(jī)器人焊接工業(yè)生產(chǎn)中，焊縫接頭質(zhì)量的好壞具有重要意義[1-6]。對(duì)于各種不同的焊接方法, 評(píng)定焊縫質(zhì)量的主要因素包括焊縫幾何形狀和力學(xué)性能等, 而幾何形狀又取決于各個(gè)焊接工藝參數(shù)的選定。由于焊接過(guò)程涉及的工藝參數(shù)較多, 采用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法選擇各個(gè)最佳參數(shù)所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)龐大, 極為不現(xiàn)實(shí)。近年來(lái)，在焊接過(guò)程中引入各種最優(yōu)化方法, 通過(guò)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型來(lái)分析焊接參數(shù)和輸出變量間關(guān)系, 預(yù)測(cè)最佳參數(shù)組合, 已成為焊接研究人員的研究熱點(diǎn)[7-9]。DOE(Design of Experiment)方法便是得到重點(diǎn)應(yīng)用的方法之一，此方法是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)為理論基礎(chǔ)，合理安排試驗(yàn)的一種方法論。通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE方法，設(shè)計(jì)合理的焊接工藝實(shí)驗(yàn)，分析焊接工藝參數(shù)與焊縫質(zhì)量參數(shù)間的關(guān)系，建立相關(guān)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)得到很好的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用[10-16]。其中全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是最有效和直接的方法，即將所有可能的組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE方法，以船用低碳鋼板為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)合理的焊接工藝實(shí)驗(yàn)，分析焊接工藝參數(shù)與焊縫質(zhì)量參數(shù)間的關(guān)系，建立相關(guān)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 基于DOE的全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)可以對(duì)機(jī)器人焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的分析。本實(shí)驗(yàn)選用的是兩因素三水平的九組全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的選擇流程如圖1所示。

圖1 全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖

確定機(jī)器人焊接試驗(yàn)輸出結(jié)果的幾個(gè)重要因素，包括焊接功率和焊接速度。對(duì)參與試驗(yàn)的因素及各個(gè)因素交互作用對(duì)指標(biāo)的影響進(jìn)行定量分析，通過(guò)分析確定改善方向并最終找出最優(yōu)參數(shù)。機(jī)器人焊接參數(shù)存在交互作用，需要采用如下回歸模型：

式中,b0，bi，bii，bij為回歸系統(tǒng)的系數(shù)。

對(duì)焊接試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，定量地分析出各因素對(duì)指標(biāo)的影響并確定試驗(yàn)誤差，從統(tǒng)計(jì)上確定哪個(gè)因素是真正的重要因素。 最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，揭示焊接參數(shù)與焊縫成形參數(shù)之間的相互關(guān)系，根據(jù)因素水平對(duì)焊縫成形參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，主要包括確定相關(guān)系數(shù)、方差分析檢驗(yàn)，方差檢驗(yàn)如表1所示。表中：

表1 兩因素方差檢驗(yàn)

2 試驗(yàn)條件及設(shè)計(jì)參數(shù)

本系統(tǒng)以PLC作為控制核心，包括一臺(tái)弧焊機(jī)器人及相關(guān)外部設(shè)備?；『笝C(jī)器人由PLC系統(tǒng)編程，實(shí)現(xiàn)軌跡示教、再現(xiàn)與焊接作業(yè)等。工作時(shí)，PLC負(fù)責(zé)發(fā)出控制指令，由弧焊機(jī)器人夾持焊槍，完成焊接作業(yè)，機(jī)器人焊接實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。DOE全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)及焊縫成形參數(shù)平均值(每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次)，如表2所示。其中焊絲干伸長(zhǎng)為14 m，板厚10 mm，氣體采用80%Ar+20%CO2，流量15 L/min。

圖2 機(jī)器人焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)表1所列出的檢驗(yàn)方法對(duì)表2的焊縫成形參數(shù)進(jìn)行分析，可得到各因子對(duì)焊縫成形參數(shù)的主效應(yīng)和交叉效應(yīng)。方差分析如表3所示，可以看出：熔深和熔寬均受焊接功率和焊接速度主效應(yīng)和交叉效應(yīng)的影響，而余高僅受主效應(yīng)的影響，而與交叉效應(yīng)無(wú)關(guān)。通過(guò)方差分析，在置信度為95%，α=0.05時(shí)，可求出焊縫成形參數(shù)3個(gè)表達(dá)式:

表2 機(jī)器人焊接全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)和焊縫成形參數(shù)

熔深的擬合預(yù)測(cè)值

P=3.448 1+1.772X1-0.784 8X2-0.662 9X1X2

熔寬的擬合預(yù)測(cè)值

W=11.135+4.773X1-1.32X2-0.916X1X2

余高的擬合預(yù)測(cè)值

H=3.867 4+0.677 9X1-0.328 3X2

式中:P為熔深；W為熔寬；H為余高；X1為焊接功率；X2為焊接速度。

散點(diǎn)圖表示應(yīng)變量隨自變量而變化的大致趨勢(shì)，據(jù)此可以選擇合適的函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合。本實(shí)驗(yàn)將連續(xù)性的輸入屬性視為獨(dú)立變量，預(yù)測(cè)屬性視為依賴變量，即X軸表示實(shí)際值，Y軸表示預(yù)測(cè)值。由圖3可以看出，散點(diǎn)基本落在45°角線上，證明該模型較為準(zhǔn)確。

表3 方差檢驗(yàn)結(jié)果

圖3 焊縫成形參數(shù)預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的散點(diǎn)圖

圖4 焊縫成形參數(shù)測(cè)量值與預(yù)測(cè)上下限值的回歸分析結(jié)果

機(jī)器人焊接工藝的焊縫成形參數(shù)不是固定在某一值，而是在一定的范圍內(nèi)變化。因此，對(duì)于機(jī)器人焊接工藝實(shí)驗(yàn)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)焊縫成形參數(shù)的范圍預(yù)測(cè)具有很大的實(shí)際意義。由圖4可以看出，熔深的預(yù)測(cè)范圍約為1.5 mm，熔寬的預(yù)測(cè)范圍約為2.0 mm，余高的預(yù)測(cè)范圍約為1.5 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)兩因素(焊接功率和焊接速度)三水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)分析建立了機(jī)器人焊接系統(tǒng)焊接輸入?yún)?shù)和焊縫成形輸出參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式。基于DOE方法的全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立了兩因素三水平的工藝實(shí)驗(yàn)，通過(guò)交互作用分析與方差檢驗(yàn)討論了焊接功率與速度兩個(gè)因素對(duì)焊縫成形參數(shù)的影響。熔深、熔寬不僅受焊接功率和焊接速度主效應(yīng)的影響，還受到其交互作用的影響。余高只受到焊接功率和焊接速度主效應(yīng)的影響，而與交叉效應(yīng)無(wú)關(guān)。熔深的預(yù)測(cè)范圍約為1.5 mm，而熔寬的預(yù)測(cè)范圍約為2.0 mm，余高的預(yù)測(cè)范圍約為1.5 mm。

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Experiment Design for Robot Welding Based on DOE Method

MAXiao-li，CAOLi-jun,CHENQiu-long,ZHOUWei-min,YANGHai-lan,ZHANGYue-long

(School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

In order to predict the effect of the welding parameters on the shape parameters in robot welding, full factorial experiment of DOE method was designed by two factors and three levels to quantitatively analyze the relationship between welding parameters and shape parameters. Prediction model was established to verify the results between predicting and testing. The main and interaction effect of welding power and welding speed on weld penetration and weld width, the main effect of welding power and welding speed on excess weld metal were determined, and the predict range of weld penetration, weld width and excess weld metal were identified. This new experimental method could verify the effect of welding power and welding speed on shape parameters, provide an evidence for good quality of weld joints and welding process optimization.

welding power; welding speed; weld width; weld penetration; excess weld metal

2015-03-13

馬曉麗(1981-)，女，遼寧海城人，工程師，現(xiàn)主要從事材料檢測(cè)分析、實(shí)驗(yàn)室管理及焊接工藝及機(jī)理研究等相關(guān)工作。

Tel.:021-34202769；E-mail: mxl@sjtu.edu.cn

TG 444+.73

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1006-7167(2016)01-0054-04