激光焊接路徑跟蹤卡爾曼濾波預測算法研究.pdf

1、精確控制激光束使其始終對準并跟蹤焊縫是保證激光焊接質量的前提,以匙孔效應為機理的激光深熔焊由于激光束光斑直徑小,對焊縫間隙大小敏感,導致精確控制激光束對準并跟蹤焊縫路徑十分困難。為此,實現(xiàn)跟蹤任務必須首先實時檢測焊縫路徑相對于激光束的位置偏差；而基于視覺傳感的焊縫識別是目前最先進最具有代表的一種傳感技術。
　　 論文不同于傳統(tǒng)方法通過CCD(Charge Coupled Device)視覺傳感器直接拍攝熔池前端焊縫圖像,利用圖像

2、處理技術檢測焊縫邊緣信息得到焊縫坡口中心位置；而是采用高速紅外視覺傳感法,設計一種新型焊縫偏差測量方法。通過高速視覺傳感器獲取熔池紅外圖像序列,依據(jù)激光束偏離焊縫時熔池紅外輻射定理,研究熔池在焊接過程中的動態(tài)變化規(guī)律,結合圖像處理方法,提取熔池與匙孔形態(tài)特征參數(shù)作為焊縫偏差的測量信息,試驗證明這一方法能體現(xiàn)激光束偏離焊縫的實際情況。
　　 其次,針對目前焊縫跟蹤技術缺乏無坡口焊縫識別能力與焊縫偏差預測功能,本文重點研究一種基于K

3、alman濾波的系統(tǒng)狀態(tài)最優(yōu)估計方法,建立焊縫路徑與激光束偏差實時測量與跟蹤的預測模型,研究Kalman濾波實現(xiàn)焊縫預測跟蹤新方法。
　　 工藝試驗以大功率光纖激光焊接304不銹鋼為試驗對象,研究在色噪聲環(huán)境下應用Kalman濾波最優(yōu)狀態(tài)估計預測激光束與焊縫路徑偏差。從紅外熔池熱像中提取焊縫位置參數(shù)并構成狀態(tài)向量,建立基于焊縫位置參數(shù)的系統(tǒng)狀態(tài)方程和焊縫位置測量方程。文中分別研究了系統(tǒng)動態(tài)噪聲和傳感器測量噪聲為色噪聲時,通過擴展

4、狀態(tài)變量和增廣測量方法建立了色噪聲環(huán)境下的Kalman濾波算法,算法對系統(tǒng)狀態(tài)進行最優(yōu)估計,得到最小均方差條件下的焊縫偏差最優(yōu)預測值,現(xiàn)實消除系統(tǒng)噪聲和測量噪聲對焊縫偏差測量的影響。試驗結果證明帶預測功能的新方法可有效抑制色噪聲干擾并能夠提高焊縫跟蹤精度。
　　 最后,研究了過程噪聲與測量噪聲統(tǒng)計特性的不確定性對焊縫跟蹤帶來的影響,提出了一種補償噪聲統(tǒng)計不確定性帶來的濾波誤差的人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法。在不同工藝試驗條件下驗證了神經(jīng)網(wǎng)絡