電弧傳感焊縫偏差計(jì)算機(jī)仿真論文
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1電弧電流信號的數(shù)據(jù)檢測
該高速旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的頻率0~30Hz，掃描區(qū)域半徑0~3.5mm。本次實(shí)驗(yàn)選用25r/s的固定頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。實(shí)驗(yàn)表明，如果焊接工藝參數(shù)一定，設(shè)定水平偏差為變量，則在一個(gè)旋轉(zhuǎn)電弧圓周運(yùn)動的周期內(nèi)，電流的波形具有一定的規(guī)律性，通過電流波形的變化特點(diǎn)可以得到焊點(diǎn)的水平偏差的參數(shù)。但是在實(shí)際操作中，焊接作業(yè)很容易受到外界因素的影響，如熔池的震蕩、飛濺等，這樣獲得的電流信號就有了干擾因素，即使在偏差一定的情況下，檢測到的電流也不相同。所以為了減小這些因素的影響，將采集到的數(shù)據(jù)通過小波濾波后進(jìn)行歸一化處理。將采集到的不同周期內(nèi)的同一點(diǎn)的電流信號進(jìn)行縱向的平均值處理，取該均值為這點(diǎn)的電流信號，這樣便減小了外界因素的影響。設(shè)定采樣頻率為104Hz，旋轉(zhuǎn)頻率為25r/s，則每個(gè)周期內(nèi)可以采集到416個(gè)點(diǎn)的信息，然后將各個(gè)點(diǎn)的電流信息進(jìn)行小波濾波、歸一化、均值處理后得到樣本波形保證結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則要求，采用不敏感損失函數(shù)ε，加入懲罰參數(shù)C和松弛變量ξ（*），ξ（*）=（ξ1，ξ1（*），ξ2，ξ2（*），…，ξb，ξb（*）），得到原始最優(yōu)化問題minτ（W，ξ*）=12W2+C1l1i=1Σ（ξ1+ξ1*）（1）s.t.（Woxi+b）-yi≤ε+ξi，i=1，2，…，lyi-（Woxi+b）≤ε+ξi，i=1，2，…，lξi*≥0，i=1，2，…，l構(gòu)造拉格朗日函數(shù)進(jìn)行求解，最優(yōu)問題以Wolfe對偶原則化作凸二次規(guī)劃問題min121i，j=1Σ（αi*-αi）（αj*-αj）•K（xi，xj）+ε1i=1Σ（αi*+αi）-1i=1Σyi（αi*-αi）1i=1Σ（αi-αi*）=0αi≥0αi≤Cn變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)形式，得到最優(yōu)解α=（α1，α1*，…，αl，αl*）T根據(jù)α構(gòu)造出決策函數(shù)為（fx）=1i=1Σ（αi*-αi）K（xi，x）+b（3）式（3）為決策函數(shù)式，其支持向量為非零解所對應(yīng)的矢量。不敏感損失函數(shù)ε的選取可以用來調(diào)整回歸逼近的精確度。根據(jù)式（3）選取新的輸入?yún)?shù)便可得到一個(gè)精確的輸出參數(shù)。
2支持向量回歸機(jī)的實(shí)現(xiàn)
2.1支持向量回歸機(jī)的計(jì)算原理
設(shè)定輸入的訓(xùn)練樣本集為D={（xin，yk），k=1，2，3，…，l}式中xin∈Rn，yk∈R。通過訓(xùn)練樣本可以得到一個(gè)決策函數(shù)，這樣通過訓(xùn)練樣本集之外的輸入?yún)?shù)x可以較為精確的計(jì)算到相應(yīng)的輸出參數(shù)y。際工程中可操作。提高焊縫跟蹤精度前（下）后（上）的焊縫形貌。
2.2構(gòu)造核函數(shù)運(yùn)用
支持向量回歸機(jī)解決實(shí)際問題時(shí)必須構(gòu)建一個(gè)合適的核函數(shù)，類型不同的核函數(shù)與之相對應(yīng)的支持相對應(yīng)的向量回歸機(jī)類型也不相同，一個(gè)合適的核函數(shù)直接決定了所構(gòu)造的支持向量回歸機(jī)的運(yùn)算性能。通過采集的數(shù)據(jù)信息的包角映射建立SVR核函數(shù)，然后修正函數(shù)，以提高核函數(shù)的回歸精度。構(gòu)造核函數(shù)：設(shè)定一個(gè)標(biāo)量函數(shù)式F（x），F(xiàn)（x）≥0。令F（x）的最大值在支持向量處取得，最小值在支持向量以外點(diǎn)處取得，得到修正后的核函數(shù)K（x，x'）=F（x）F（x'）K（x，x'）（4）令其標(biāo)量函數(shù)F（x）的最小值在支持向量處取得，最大值在其他以外點(diǎn)處取得。這樣修正后的核函數(shù)對支持向量回歸的精度有所提高。由于實(shí)際操作中支持向量一般都是不知道的，所以通常的初始核函數(shù)選為GAUSS核函數(shù)K（x，x'）=exp（-x-x'22σ2）（5）式中σ為歸一化參數(shù)。通過式（5）可以得到初始的支持向量，將其帶入函數(shù)F（x）實(shí)現(xiàn)支持向量鄰域內(nèi)黎曼度規(guī)的減小。修正后的GAUSS核函數(shù)大大提高了回歸精度。在Matlab中編寫函數(shù)式M文件，其邏輯流程為：（1）讀取樣本數(shù)據(jù)集；（2）建立數(shù)據(jù)集矩陣；（3）構(gòu)建矩陣f，LB，UB；（4）計(jì)算初始核矩陣；（5）計(jì)算初始α值；（6）計(jì)算修正函數(shù)；（7）計(jì)算各個(gè)最優(yōu)解α，將最后求的各個(gè)α值和變量值保存到MAD文件，然后編寫決策函數(shù)編碼通過調(diào)用MAD文件里的參數(shù)得出偏差值。
3仿真模擬
3.1水平偏差值
計(jì)算通過調(diào)用MATLAB中已經(jīng)編寫的M文件，得到的變量與函數(shù)值采用小波濾波、歸一化、均值化處理后得到一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)集，使用已經(jīng)編寫好的決策函數(shù)文件計(jì)算出各個(gè)點(diǎn)的水平偏差，將其轉(zhuǎn)化為水平偏差值。
3.2高度偏差值
計(jì)算焊炬的高度與電弧的電流值具有一定的規(guī)律性。選取焊炬在某一不變的位置高度，得到該位置的電流值，將該電流值與電流均值做差值，則該差值和高度偏差值具有線性規(guī)律，在LABVIEW中通過函數(shù)公式的各節(jié)點(diǎn)可以推算出高度偏差值。
3.3焊縫跟蹤將LABVIEW
與機(jī)器人糾偏系統(tǒng)相聯(lián)結(jié)，將水平偏差值與高度偏差值的實(shí)時(shí)參數(shù)傳送給機(jī)器人糾偏系統(tǒng)，焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)調(diào)整焊縫的路徑，這樣就實(shí)現(xiàn)焊縫焊接的實(shí)時(shí)跟蹤。
3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
選取旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的掃描半徑為3mm，V型坡口，角度45°，取樣頻率104Hz，電弧旋轉(zhuǎn)頻率25r/s。在水平偏差不相同的條件下分別選取兩組數(shù)據(jù)，第一組取采集試驗(yàn)結(jié)果12個(gè)數(shù)據(jù)訓(xùn)練支持向量回歸機(jī)，第二組作為參考組，進(jìn)行偏差識別對比測試。使用該算法系統(tǒng)具有較小的偏差識別誤差，提高了系統(tǒng)的識別精度，在實(shí){st（2）α(*)∈R2lW∈R，ξ(*)∈R2I，b∈R。通過圖像能夠清楚地看到，進(jìn)行處理后的數(shù)據(jù)提高了系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性。
4結(jié)論
在一定工藝參數(shù)下，焊炬的水平偏差和焊接電弧的電流大小在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)具有一定的規(guī)律性。通過采集LABVIEW焊接過程中的電弧電流信號，將原始信號進(jìn)行小波濾波減少外界因素干擾，然后信號進(jìn)行歸一化、均值濾波處理，提高了數(shù)據(jù)精度。將處理后的數(shù)據(jù)在MATLAB中進(jìn)行支持向量回歸機(jī)的計(jì)算，通過修正核函數(shù)與決策函數(shù)的運(yùn)算處理最終得到偏差值。試驗(yàn)結(jié)果證明，采用這種算法進(jìn)行電弧傳感焊縫的偏差識別是可行的，提高焊縫識別精度約20%，完全滿足實(shí)際工程的需要。
作者：王霞 單位：江蘇師范大學(xué) 江蘇省泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院