水下管道全位置焊接過程控制專家系統(tǒng)

薛 龍，王德國，鄒 勇，黃繼強(qiáng) ，黃軍芬 ，梁亞軍

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京102249；2.北京石油化工學(xué)院光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617）

0 前言

管道車間預(yù)制可以采用滾輪架轉(zhuǎn)動(dòng)方式焊接，時(shí)刻保持焊接位置為水平位置的理想焊接狀態(tài)，以獲得良好的焊接質(zhì)量。管道野外施工中，大部分為固定口自動(dòng)焊接，即工件固定安裝，由機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)管道360°全位置焊接，要求其運(yùn)動(dòng)參數(shù)和電源參數(shù)隨空間位置變化而變化，同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)的不確定因素和工件組對(duì)的復(fù)雜性，要獲得良好的焊接質(zhì)量難度非常大。整個(gè)焊接過程離不開焊工現(xiàn)場(chǎng)緊盯和實(shí)時(shí)調(diào)整控制，對(duì)人的依賴性很大，并需要高水平的焊工。

在不友好、很難到達(dá)或危險(xiǎn)的環(huán)境焊接時(shí)，如核電廠、深海底、空間站或外星球的環(huán)境中，焊接環(huán)境復(fù)雜，焊接質(zhì)量要求高，要求高水平焊接專家和焊接工程師親臨現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施焊接作業(yè)，才能夠有效保證焊接質(zhì)量，使得從事其作業(yè)的代價(jià)太昂貴、太危險(xiǎn)，因此，研究開發(fā)水下焊接機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制專家焊接系統(tǒng)，代替人執(zhí)行水下高壓危險(xiǎn)環(huán)境的作業(yè)是非常有意義和必要的。

1 焊接過程控制專家系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

水下管道的全位置焊接的專家系統(tǒng)，要代替人工現(xiàn)場(chǎng)焊接操控，以上專家系統(tǒng)的研究成果不能夠直接應(yīng)用于該實(shí)時(shí)過程控制中，而需要過程控制的焊接專家系統(tǒng)。

焊接過程控制是焊接ES的重要發(fā)展方向,這方面的研究工作較為復(fù)雜，未見成熟的產(chǎn)品，國外在這方面做了許多探索，取得了一定的成果。如美國的焊接研究所（AIW）與國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NST）聯(lián)合研制的焊接工藝制定與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)Weldexecell，它適用于船舶業(yè)機(jī)器人焊接，包括離線工藝制定和在線工藝監(jiān)控兩部分。在離線的情況下，可完成工藝規(guī)劃，包括繪制焊縫符號(hào)、進(jìn)行焊接接頭設(shè)計(jì)、選擇焊接材料、計(jì)算預(yù)熱溫度、編制焊接工藝指導(dǎo)書。離線生成的工藝被直接送往車間的機(jī)器人進(jìn)行焊接控制。焊接時(shí)，控制器借助于多種傳感器檢測(cè)機(jī)器人焊接參數(shù)，并依據(jù)已制定的工藝參數(shù)，調(diào)整參數(shù)偏差。美國通用數(shù)字公司的NEWCS用于軍艦小批量的自動(dòng)焊接，分焊前、焊接過程和焊后三部分，焊前完成接頭設(shè)計(jì)、焊接方法選擇、材料選擇、工藝制定等任務(wù)，焊接過程中通過傳感器監(jiān)視焊接工藝的執(zhí)行，焊后進(jìn)行故障診斷及焊縫檢查分析。

上述兩個(gè)軟件將離線工藝焊接和在線實(shí)時(shí)控制相結(jié)合，對(duì)焊接生產(chǎn)的集成化進(jìn)行了有益的探索，但就其內(nèi)容而言所做工作只是針對(duì)已經(jīng)擬定的工藝參數(shù)進(jìn)行控制，還不是真正意義的專家系統(tǒng)。比較而言，美國AdaptiveTechnologies公司的Camtech 1000和Adaptitech 1000則具有真正的實(shí)施性，該系統(tǒng)可完成零件的定位、焊接操作、質(zhì)量檢查等功能，焊接過程中，系統(tǒng)根據(jù)來自傳感器的光、溫度、電弧的信息，自動(dòng)調(diào)整焊縫的軌跡、線能量、送絲速度、擺動(dòng)參數(shù)等，并可優(yōu)化多道焊接參數(shù)。另外，日本的NKK公司開發(fā)的焊接專家系統(tǒng)可以給出最優(yōu)化的焊接參數(shù)，進(jìn)而控制焊接設(shè)備，以保證恒定的熔深及焊道高度。2005年，北京石油化工學(xué)院開始研究管道全位置焊接專家系統(tǒng)，于2009年獲得國家863項(xiàng)目的資助，并在一些企業(yè)獲得應(yīng)用，取得了一定的成果[2]。

2 水下焊接過程控制參數(shù)

2.1 陸地管道全位置焊接過程參數(shù)

陸地上常壓焊接對(duì)于管道鋪設(shè)的固定口焊接而言，其過程包含了平焊、上坡焊、下坡焊、下向立焊、仰焊、上向立焊四個(gè)焊接過程，管道這種狀態(tài)的焊接被公認(rèn)為最有代表性的全位置焊接，各位置熔池受力情況不同，因而熔池形態(tài)也有差異，對(duì)成形的影響也不一樣，這就是管道全位置焊接。

管道全位置焊接中為有效解決不同位置的焊接質(zhì)量問題，國內(nèi)外廠家通常把圓周分成有代表性的八段，分別研究這八段的焊接參數(shù)，如圖1所示。八段焊接狀態(tài)分別為（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)焊接）：A是0°平焊，B 是 45°上坡焊，C 是向上立焊，D 是 45°上坡焊，E是仰焊，F(xiàn)是45°下坡焊，G是向下立焊，H是45°下坡焊。以此來模擬管道全位置焊接，把八段位置對(duì)應(yīng)參數(shù)固化到焊接機(jī)器人的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，這就是簡(jiǎn)單的焊接專家過程控制系統(tǒng)雛型。

圖1 管道全位置焊接八段位置狀態(tài)示意

使用機(jī)器人進(jìn)行全位置焊接，體現(xiàn)到每個(gè)焊接位置的焊接有兩種參數(shù)：一種是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)即機(jī)器人焊接速度、焊槍擺幅、焊槍擺速、焊槍左滯時(shí)、焊槍右滯時(shí)；另一種是焊接電源參數(shù)，即焊接電流和焊接電壓；同時(shí)再有考慮機(jī)器人運(yùn)行相對(duì)于管道角度的位置參量。這樣可得到機(jī)器人實(shí)時(shí)控制焊接的狀態(tài)空間表示法

此即為機(jī)器人陸地上常壓焊接狀態(tài)方程。管道全位置焊接時(shí)，通過匹配合理的參數(shù)和相應(yīng)規(guī)范，可有效解決管道全位置焊接質(zhì)量問題。

2.2 水下管道全位置焊接過程參數(shù)

水下焊接過程控制參數(shù)與水下焊接工藝方法有很大關(guān)系。當(dāng)采用水下常壓干法焊接，其焊接工藝參數(shù)與陸地上焊接工藝參數(shù)相同，但是由于這種工藝水下密封困難，應(yīng)用較少。水下濕法焊接有其獨(dú)特的焊接工藝。目前國內(nèi)外應(yīng)用較為成熟的是水下干法高壓焊接，它是本研究重點(diǎn)分析的內(nèi)容。

張?zhí)m花用一顆赤誠的心，連續(xù)五年參與了師團(tuán)“5000致富帶動(dòng)工程”，與女職工郭艷英結(jié)成幫扶對(duì)子，使其成為團(tuán)場(chǎng)“脫貧致富標(biāo)兵”。在她的帶動(dòng)下，連隊(duì)25名職工成為團(tuán)場(chǎng)科技致富的“領(lǐng)頭雁”。她通過自學(xué)獲得了第二師頒發(fā)的“高級(jí)農(nóng)藝工”證書。

水下高壓焊接過程的實(shí)時(shí)控制，除了需考慮焊接參數(shù)如電流、電壓，機(jī)器人的控制參數(shù)如移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行速度、擺動(dòng)方式、擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)速度等情況外，還需要考慮水下焊接的實(shí)際情況，本研究主要采用高壓干法焊接，與陸地上的焊接相比，提出了水深的焊接指標(biāo)，體現(xiàn)到焊接中，動(dòng)態(tài)排水保持局部排水罩中干式環(huán)境的氣體壓力，為主要的直接研究參數(shù)。這種情況與陸地上焊接相比，其他參數(shù)完全一樣，只有水深問題的影響，由于水深與壓力等效，所以該過程控制的狀態(tài)空間可以表示

狀態(tài)方程中，前七個(gè)參數(shù)盡管其物理量含義與陸地上焊接是一樣的，只是值的大小有區(qū)別，不可以直接照搬套用，由于q8水深條件的限制，對(duì)前七個(gè)參量產(chǎn)生了較大影響，需要大量的高壓焊接實(shí)驗(yàn)來獲取數(shù)值。

3 水下焊接專家數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.1 專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由知識(shí)庫、綜合數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)、解釋器、知識(shí)獲取和人機(jī)界面幾部分組成。知識(shí)庫和推理機(jī)是其核心[3]。專家系統(tǒng)是以知識(shí)為基礎(chǔ)的智能決策系統(tǒng)，可表示為：專家系統(tǒng)＝知識(shí)+推理。

圖2 專家系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

3.2 數(shù)據(jù)庫與知識(shí)庫關(guān)系分析

知識(shí)庫是用來存儲(chǔ)從專家那里得到的關(guān)于焊接領(lǐng)域的專門知識(shí)，焊接知識(shí)主要來源是焊接專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)和國家有關(guān)焊接標(biāo)準(zhǔn)[4-6]，包括事實(shí)、經(jīng)驗(yàn)、可執(zhí)行操作與規(guī)則等。

數(shù)據(jù)庫用于存放系統(tǒng)運(yùn)行過程中所需要和產(chǎn)生的所有信息，包括問題的描述、中間結(jié)果、解題過程記錄等信息。數(shù)據(jù)庫的組織、數(shù)據(jù)間的聯(lián)系、數(shù)據(jù)的管理等是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)需要考慮的重要問題

知識(shí)庫有顯式或隱式兩種表示方式，即事實(shí)性知識(shí)和推理規(guī)則組成。顯式表示是知識(shí)以斷言或?qū)傩灾档男问矫黠@地表示在某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，顯式表示有利于提高檢索效率，但表達(dá)能力不夠，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的需求直接與記錄結(jié)構(gòu)和程序相關(guān)，又多占有存儲(chǔ)空間。隱式表示主要指以規(guī)則形式蘊(yùn)含表示知識(shí)的方式，表達(dá)能力強(qiáng)，占存儲(chǔ)空間少，但需要推理等過程，響應(yīng)速度較慢。

通過上述比較，可見數(shù)據(jù)庫與知識(shí)庫之間沒有一條徑渭分明的界限。數(shù)據(jù)庫中所包含的明顯表達(dá)關(guān)系的約束條件，可視為某種低層次的知識(shí)；而知識(shí)庫中所包含的有明確定義的事實(shí)、斷言和通過規(guī)則表達(dá)的某些明顯的關(guān)系實(shí)際上也是數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容。

3.3 過程控制參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)

分析前面建立的水下焊接過程控制狀態(tài)方程，狀態(tài)方程中八個(gè)參數(shù)描述焊接過程的實(shí)時(shí)控制參數(shù)可以直接調(diào)用控制機(jī)器人的焊機(jī)作業(yè)，因此，這些參數(shù)可以按照狀態(tài)參數(shù)的直接方式存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，如表1所示為圓周空間位置相隔90°的四個(gè)位置的狀態(tài)量排布表。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究目標(biāo)是如何有效地存儲(chǔ)和檢索大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，由于數(shù)據(jù)量非常大，處理狀態(tài)參量時(shí)盡量把浮點(diǎn)參數(shù)轉(zhuǎn)換成整數(shù)、字節(jié)和半個(gè)字節(jié)的方式存儲(chǔ)，這樣可以有效利用存儲(chǔ)空間，狀態(tài)參量的調(diào)用可采用指針的方式進(jìn)行快速檢索。

對(duì)于這些參數(shù)，在不同的深度下能夠得到不同的參數(shù)組合；在同一壓力的層面下，沿著管道圓周方向位置角度變化，又會(huì)產(chǎn)生很多參數(shù)組合。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以將大量參數(shù)提出事實(shí)性的顯示參數(shù)，存儲(chǔ)于知識(shí)庫中。

4 過程控制的實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人過程控制專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架形式采用上位計(jì)算機(jī)+主控制器的構(gòu)架，上位計(jì)算機(jī)主要用于專家系統(tǒng)管理，包括知識(shí)庫和大型數(shù)據(jù)庫。對(duì)于水下焊接，機(jī)器人要潛入深水下作業(yè)，考慮到長(zhǎng)距離通訊和實(shí)時(shí)控制問題，在實(shí)際焊接作業(yè)時(shí)，采用主控制器和上位計(jì)算機(jī)分離的方案，具體做法是：通過專家系統(tǒng)確定焊接方案，并把數(shù)據(jù)庫下載到主控制器中，與機(jī)器人本體一起安放到水下焊接作業(yè)面。操作過程通過開發(fā)的軟件控制界面實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，具體過程如下。

4.1 數(shù)據(jù)的傳輸下載

由于焊接工藝的復(fù)雜性，管道焊接過程需要大量的焊接參數(shù)，如果焊接參數(shù)都使用手工輸入的方式將有非常大的工作量。本軟件解決了上述難題，使得焊接參數(shù)的修改、輸入、傳輸變得十分方便，節(jié)省了時(shí)間，同時(shí)也避免了參數(shù)輸入過程中因疏忽產(chǎn)生的錯(cuò)誤，提高了焊接過程的可靠性和安全性。

表1 機(jī)器人焊接實(shí)時(shí)控制參數(shù)

4.2 數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]

本軟件與機(jī)器人控制器進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)讀取機(jī)器人中的焊接數(shù)據(jù)并顯示，用戶能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控焊接過程中數(shù)據(jù)，避免焊接過程中的焊接錯(cuò)誤。

4.3 數(shù)據(jù)查看、修改

有時(shí)用戶需要對(duì)焊接過程中某層、某區(qū)的焊接參數(shù)進(jìn)行查看或修改，如果直接查看焊接參數(shù)表既不方便又容易出錯(cuò)，本軟件充分考慮了上述問題，在軟件的設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了上述的功能，方便用戶的查找和修改。

5 結(jié)論

建立基于實(shí)時(shí)控制的水下焊接專家系統(tǒng)，解決無人可達(dá)的遠(yuǎn)距離的機(jī)器人全位置焊接有效辦法，機(jī)器人的焊接參數(shù)、電源參數(shù)、空間位置參數(shù)可以用狀態(tài)空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示，它是連接機(jī)器人實(shí)時(shí)過程控制和專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的重要紐帶。

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