王 強(qiáng)，沈 濤，郭 超

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

0 引言

中厚板焊接在重型機(jī)械、交通運(yùn)輸、船舶工程等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用[1]，但因焊接工藝的復(fù)雜性、焊接件的大型化和環(huán)境因素的多變性，導(dǎo)致中厚板焊接生產(chǎn)效率低、焊接質(zhì)量難以保證。隨著人工智能的發(fā)展，運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人焊接替代傳統(tǒng)焊接作業(yè)已成為解決該問題的有效途徑。

在工業(yè)機(jī)器人焊接中，焊接路徑規(guī)劃是首要問題，而焊接工藝成型參數(shù)規(guī)劃又是焊接路徑規(guī)劃的重要基礎(chǔ)[2，3]。因此，本文以CO2氣體保護(hù)焊為基礎(chǔ)，通過熔敷焊接試驗(yàn)，重點(diǎn)研究分析了中厚板焊道尺寸與成型工藝參數(shù)之間的相關(guān)性，并建立起相應(yīng)的方程模型，為焊接路徑規(guī)劃選擇合理工藝參數(shù)提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮到中厚板焊接過程中的影響因素較多，為減少試驗(yàn)次數(shù)，更好地獲得旋轉(zhuǎn)性和便于直接尋找最優(yōu)區(qū)域，本次試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì)方法，以CO2氣體保護(hù)焊為基礎(chǔ)進(jìn)行熔敷焊接試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì)方法的組合設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。其中，p為因子變量數(shù)，即工藝參數(shù)數(shù)目；mc為全面試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)；r為星號(hào)臂長(zhǎng)度；m0為重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)；n為總試驗(yàn)次數(shù)。

表1 組合設(shè)計(jì)參數(shù)

本試驗(yàn)采用FANUC焊接機(jī)器人Pulse MIG-500RP,焊接試件材料為Q345,尺寸為200 mm×60 mm×20 mm，焊絲采用直徑為1.2 mm的ER50-6?？紤]到噴嘴高度和焊接電壓對(duì)CO2氣體保護(hù)焊的熔敷焊道尺寸影響有限[4]，故本試驗(yàn)主要將焊接電流I和焊接速度v作為因子變量，即p=2，根據(jù)組合設(shè)計(jì)參數(shù)可計(jì)算得到本試驗(yàn)的參數(shù)，如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果獲取

首先取試樣中段，沿焊縫橫截面切割，經(jīng)拋光打磨去除氧化層及毛邊，用高清相機(jī)拍攝焊道橫截面，便可得到一組焊縫橫截面外形照片。然后再利用Image-Pro Plus軟件對(duì)焊縫橫截面外形照片進(jìn)行標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理，可獲得選擇不同焊接工藝參數(shù)時(shí)的焊縫成型參數(shù)。最后算出測(cè)試結(jié)果的平均值，即可作為本次試驗(yàn)的最終熔覆焊縫成型參數(shù)，如表3所示。

表3 焊道成型參數(shù)

3 試驗(yàn)回歸分析

通過對(duì)上述測(cè)試數(shù)據(jù)的整理分析，建立二次回歸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)式，再根據(jù)顯著性和擬合性檢測(cè)結(jié)果，修正優(yōu)化參數(shù)后得到熔寬、余高和焊道橫截面積的回歸方程，最后利用反編碼計(jì)算獲得通用旋轉(zhuǎn)回歸方程。

3.1 建立回歸表達(dá)式

在本試驗(yàn)中，我們僅把焊接電流和焊接速度作為因子變量，因此本試驗(yàn)屬于二因數(shù)試驗(yàn)，則可把回歸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)式簡(jiǎn)化為：

(1)

其中：b0、b1、b2、b12、b11、b22為回歸系數(shù)；x1、x2、x12、x11、x22為自變量的值。

以熔寬為例，在二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)表[5]中選取相應(yīng)參數(shù)，經(jīng)過計(jì)算得到回歸系數(shù)，從而建立起熔寬的回歸方程：

(2)

余高和焊縫橫截面積的回歸系數(shù)計(jì)算與熔寬的計(jì)算過程相似。

3.2 方程的回歸檢測(cè)

方程的回歸檢測(cè)是指擬合效果和可信程度的檢測(cè)，主要包括方程的顯著性檢測(cè)、方程的擬合性檢測(cè)和回歸系數(shù)的顯著性檢測(cè)三個(gè)方面。依據(jù)F檢測(cè)方法的原理，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參考試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析中的臨界檢測(cè)表，經(jīng)過分析計(jì)算可得到回歸方程和回歸系數(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，如表4和表5所示。

表4 回歸方程檢測(cè)數(shù)據(jù)

表5 回歸系數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)

通過分析表4和表5，可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 在a=0.05水平下，回歸方程的顯著性和擬合性均符合預(yù)期。

(2) 在a=0.05水平下，在熔寬回歸方程中,系數(shù)b1和b22屬于不顯著項(xiàng)；在余高回歸方程中，系數(shù)b22也屬于不顯著項(xiàng)，均應(yīng)剔除。

3.3 方程的反編碼

經(jīng)過上述回歸檢測(cè)，剔除不顯著項(xiàng)參數(shù)后，再經(jīng)過回歸系數(shù)的二次計(jì)算便可得到新的回歸方程。但為了方便直接使用，我們還應(yīng)對(duì)方程進(jìn)行反編碼計(jì)算，即將因子變量換算成編碼前的實(shí)際變量。根據(jù)本試驗(yàn)的編碼轉(zhuǎn)換原則，其轉(zhuǎn)換表達(dá)式如下：

(3)

(4)

將轉(zhuǎn)換表達(dá)式代入剔除不顯著項(xiàng)后的回歸方程中，即可得到焊接工藝參數(shù)與焊接成型參數(shù)的關(guān)系方程如下：

w=-16.160 64+0.203 34I+0.164 62v-
0.001 22Iv-0.000 29I2.

(5)

h=0.520 87-0.011 88I+0.155 85v-
0.000 7Iv+0.000 1I2.

(6)

S=-11.459 61+0.330 23I-0.807 39v-
0.008 52Iv+0.000 29I2+0.032 52v2.

(7)

4 焊接參數(shù)與成型參數(shù)關(guān)系曲線圖

利用本試驗(yàn)所建立的方程模型，可以繪制出焊接工藝參數(shù)與焊道成型參數(shù)的關(guān)系曲線圖和等高線圖，如圖1～圖5所示。這些圖可以更加直觀地反映和描述出各參數(shù)之間存在的相關(guān)性，同時(shí)還可以在已知焊道尺寸參數(shù)的前提下，借助關(guān)系圖直接獲取工藝參數(shù)，為焊道路徑規(guī)劃提供了更便捷的數(shù)據(jù)來源。

圖1 焊接電流I與焊道橫截面積S的關(guān)系曲線 圖2 焊接速度v與焊道橫截面積S的關(guān)系曲線 圖3 熔寬等高線

圖4 余高等高線 圖5 橫截面積等高線

5 結(jié)論

本文依據(jù)旋轉(zhuǎn)回歸設(shè)計(jì)方法的原理設(shè)計(jì)了本試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)性分析，經(jīng)過一系列技術(shù)處理后獲得了焊接成型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立起了回歸方程模型。然后通過回歸檢測(cè)優(yōu)化了方程參數(shù)，并經(jīng)過反編碼計(jì)算獲得了焊接參數(shù)關(guān)系表達(dá)式。最后根據(jù)表達(dá)式繪制了焊接工藝參數(shù)與焊道成型參數(shù)的關(guān)系曲線圖，為中厚板機(jī)器人多層多道焊接焊道路徑規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)參考。