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      中厚板多層多道焊接焊道尺寸與工藝參數(shù)相關(guān)性研究*

      2022-10-28 05:03:42強,沈濤,郭
      機械工程與自動化 2022年5期
      關(guān)鍵詞:回歸系數(shù)表達式回歸方程

      王 強,沈 濤,郭 超

      (宜賓職業(yè)技術(shù)學院,四川 宜賓 644003)

      0 引言

      中厚板焊接在重型機械、交通運輸、船舶工程等領域有著十分廣泛的應用[1],但因焊接工藝的復雜性、焊接件的大型化和環(huán)境因素的多變性,導致中厚板焊接生產(chǎn)效率低、焊接質(zhì)量難以保證。隨著人工智能的發(fā)展,運用工業(yè)機器人焊接替代傳統(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[2,3]。因此,本文以CO2氣體保護焊為基礎,通過熔敷焊接試驗,重點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 試驗方案設計

      考慮到中厚板焊接過程中的影響因素較多,為減少試驗次數(shù),更好地獲得旋轉(zhuǎn)性和便于直接尋找最優(yōu)區(qū)域,本次試驗采用旋轉(zhuǎn)回歸設計方法,以CO2氣體保護焊為基礎進行熔敷焊接試驗。旋轉(zhuǎn)回歸設計方法的組合設計參數(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為全面試驗點數(shù);r為星號臂長度;m0為重復試驗次數(shù);n為總試驗次數(shù)。

      表1 組合設計參數(shù)

      本試驗采用FANUC焊接機器人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。考慮到噴嘴高度和焊接電壓對CO2氣體保護焊的熔敷焊道尺寸影響有限[4],故本試驗主要將焊接電流I和焊接速度v作為因子變量,即p=2,根據(jù)組合設計參數(shù)可計算得到本試驗的參數(shù),如表2所示。

      表2 試驗參數(shù)

      2 試驗結(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軟件對焊縫橫截面外形照片進行標定和數(shù)據(jù)處理,可獲得選擇不同焊接工藝參數(shù)時的焊縫成型參數(shù)。最后算出測試結(jié)果的平均值,即可作為本次試驗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 試驗回歸分析

      通過對上述測試數(shù)據(jù)的整理分析,建立二次回歸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達式,再根據(jù)顯著性和擬合性檢測結(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,最后利用反編碼計算獲得通用旋轉(zhuǎn)回歸方程。

      3.1 建立回歸表達式

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

      (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)組合設計計算參數(shù)表[5]中選取相應參數(shù),經(jīng)過計算得到回歸系數(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)計算與熔寬的計算過程相似。

      3.2 方程的回歸檢測

      方程的回歸檢測是指擬合效果和可信程度的檢測,主要包括方程的顯著性檢測、方程的擬合性檢測和回歸系數(shù)的顯著性檢測三個方面。依據(jù)F檢測方法的原理,結(jié)合試驗數(shù)據(jù)和參考試驗優(yōu)化設計與分析中的臨界檢測表,經(jīng)過分析計算可得到回歸方程和回歸系數(shù)的檢測數(shù)據(jù),如表4和表5所示。

      表4 回歸方程檢測數(shù)據(jù)

      表5 回歸系數(shù)檢測數(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;在余高回歸方程中,系數(shù)b22也屬于不顯著項,均應剔除。

      3.3 方程的反編碼

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

      (3)

      (4)

      將轉(zhuǎn)換表達式代入剔除不顯著項后的回歸方程中,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)回歸設計方法的原理設計了本試驗,并進行了相關(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數(shù)據(jù),建立起了回歸方程模型。然后通過回歸檢測優(yōu)化了方程參數(shù),并經(jīng)過反編碼計算獲得了焊接參數(shù)關(guān)系表達式。最后根據(jù)表達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,為中厚板機器人多層多道焊接焊道路徑規(guī)劃提供了數(shù)據(jù)參考。

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