王 強(qiáng),沈 濤,郭 超
(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 宜賓 644003)
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。
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)
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)
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。
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。
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。
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)
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
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。