Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки

В статье рассматривается концепция многопараметрического адаптивного управления процессом электронно-лучевой сварки на основе применения технологий визуализации. Представлены модели области наблюдения за технологическим процессом, методы получения информационных признаков, оценка их качества и спосо...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2013
Автори:	Литвинов, В.В., Ярмилко, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем математичних машин і систем НАН України 2013
Назва видання:	Математичні машини і системи
Теми:	Моделювання і управління
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/83918
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки / В.В. Литвинов, А.В. Ярмилко // Мат. машини і системи. — 2013. — № 2. — С. 130-138. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-83918
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-839182015-06-29T03:02:04Z Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки Литвинов, В.В. Ярмилко, А.В. Моделювання і управління В статье рассматривается концепция многопараметрического адаптивного управления процессом электронно-лучевой сварки на основе применения технологий визуализации. Представлены модели области наблюдения за технологическим процессом, методы получения информационных признаков, оценка их качества и способы интерпретации в задачах управления параметрами сварочного процесса. У статті розглядається концепція багатопараметричного адаптивного керування процесом електронно-променевого зварювання на основі застосування технологій візуалізації. Представлені моделі області спостереження за технологічним процесом, методи отримання інформаційних ознак, оцінка їх якості та способи інтерпретації в задачах керування параметрами зварювального процесу. The article deals with the concept of multiparameter adaptive control of the process of electron-beam welding. The article also focuses on the observation field models, methods of information signs obtaining, quality evaluations and their interpretations in the tasks of welding parameters control. 2013 Article Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки / В.В. Литвинов, А.В. Ярмилко // Мат. машини і системи. — 2013. — № 2. — С. 130-138. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1028-9763 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/83918 681.518 : 004.93 : 621.791.7 ru Математичні машини і системи Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Моделювання і управління Моделювання і управління
spellingShingle	Моделювання і управління Моделювання і управління Литвинов, В.В. Ярмилко, А.В. Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки Математичні машини і системи
description	В статье рассматривается концепция многопараметрического адаптивного управления процессом электронно-лучевой сварки на основе применения технологий визуализации. Представлены модели области наблюдения за технологическим процессом, методы получения информационных признаков, оценка их качества и способы интерпретации в задачах управления параметрами сварочного процесса.
format	Article
author	Литвинов, В.В. Ярмилко, А.В.
author_facet	Литвинов, В.В. Ярмилко, А.В.
author_sort	Литвинов, В.В.
title	Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки
title_short	Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки
title_full	Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки
title_fullStr	Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки
title_full_unstemmed	Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки
title_sort	многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки
publisher	Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Моделювання і управління
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/83918
citation_txt	Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки / В.В. Литвинов, А.В. Ярмилко // Мат. машини і системи. — 2013. — № 2. — С. 130-138. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Математичні машини і системи
work_keys_str_mv	AT litvinovvv mnogoparametričeskoeadaptivnoeupravlenietehnologičeskimprocessomélektronnolučevojsvarki AT ârmilkoav mnogoparametričeskoeadaptivnoeupravlenietehnologičeskimprocessomélektronnolučevojsvarki
first_indexed	2025-07-06T10:48:15Z
last_indexed	2025-07-06T10:48:15Z
_version_	1836894278574407680
fulltext	130 © Литвинов В.В., Ярмилко А.В., 2013 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 УДК 681.518:004.93:621.791.7 В.В. ЛИТВИНОВ, А.В. ЯРМИЛКО* МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ Черниговский государственный технологический университет, Чернигов, Украина *Черкасский национальный университет им. Богдана Хмельницкого, Черкассы, Украина Анотація. У статті розглядається концепція багатопараметричного адаптивного керування процесом електронно-променевого зварювання на основі застосування технологій візуалізації. Представлені моделі області спостереження за технологічним процесом, методи отримання ін- формаційних ознак, оцінка їх якості та способи інтерпретації в задачах керування параметрами зварювального процесу. Ключові слова: електронно-променеве зварювання, технічний зір, методи візуалізації, адаптивне управління. Аннотация. В статье рассматривается концепция многопараметрического адаптивного управ- ления процессом электронно-лучевой сварки на основе применения технологий визуализации. Пред- ставлены модели области наблюдения за технологическим процессом, методы получения инфор- мационных признаков, оценка их качества и способы интерпретации в задачах управления пара- метрами сварочного процесса. Ключевые слова: электронно-лучевая сварка, техническое зрение, методы визуализации, адаптив- ное управление. Abstract. The article deals with the concept of multiparameter adaptive control of the process of electron- beam welding. The article also focuses on the observation field models, methods of information signs ob- taining, quality evaluations and their interpretations in the tasks of welding parameters control. Keywords: electron-beam welding, computer vision, visualization methods, adaptive control. 1. Введение Современные технологии сварочного производства предоставляют возможности для изго- товления узлов, к которым выдвигаются повышенные требования к качеству соединения. Однако максимальное проявление преимуществ конкретной технологии требует обеспече- ния определенных условий протекания технологического процесса. Природа процессов и роль конкретных факторов, ведущих к образованию соединения в процессе сварки, оста- ются окончательно не установленными. Кроме обеспечения проплавления в зоне стыка заготовок с необходимыми параметрами глубины и ширины, обычно выдвигается и требо- вание минимизации зоны термического влияния на свариваемый материал с целью мини- мизации ухудшения его физико-механических свойств вследствие рекристаллизации. Дан- ное утверждение является справедливым и в отношении такого вида сварки, как электрон- но-лучевая, что находит отражение в особенностях конструкции технологического обору- дования и структуры алгоритмов управления [1]. Технологический процесс электронно-лучевой сварки определяется параметрами заготовки детали (параметры материала, параметры качества подготовительных техноло- гических операций), параметрами технологического оборудования, параметрами техноло- гического процесса (траектория перемещения электронного луча, скорость перемещения, сила тока). Для достижения высоких показателей качества сварного соединения, решения задачи минимизации побочного воздействия технологического процесса на структуру об- рабатываемого материала необходимо обеспечить надежность функционирования свароч- ного комплекса и контроль технологического процесса. ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 131 В настоящее время управление технологическим процессом на конечном участке сварки осуществляется посредством параметров траектории перемещения. Сущность управления заключается в согласовании траектории перемещения центра электронного лу- ча с текущим положением осевой линией стыка свариваемых деталей [1]. Другие парамет- ры технологического процесса на элементарном участке траектории движения (скорость перемещения, сила тока электронного пучка) задаются на этапе формирования технологи- ческого процесса и в ходе его отработки остаются неизменными. Предполагается, что гео- метрия заготовки и физико-химические свойства материала на элементарном участке сварного процесса являются прогнозируемыми и стабильными. Управление процессом сварки не учитывает также возможные флуктуации параметров сварочного оборудования (электронной пушки, привода, системы фокусирования электронного луча, блока питания и т.д.). Однако реальные условия протекания технологических процессов в общем случае характеризуются изменчивостью параметров всех составляющих производственной систе- мы, метрические характеристики и значимость которых могут быть различными в зависи- мости от вида и конкретных параметров технологического воздействия. Нестабильность параметров производственной системы является причиной появления дефектов изделия. В процессе электронно-лучевой сварки с дефектами сопряжены следующие причины: – отклонение центра электронного луча от осевой линии стыка заготовок детали; – аномалии распределения плотности энергии по сечению электронного луча; – неравномерности структуры материала по объему заготовки детали в зоне форми- рования сварного шва; – флуктуации или дрейф силы тока относительно оптимального значения. Приведенный перечень показывает, что эти причины связаны как со свойствами объекта обработки, так и со средствами технологического воздействия, а также влиянием возмущающих факторов среды. Для указанного вида обработки они могут стать причиной возникновения дефектов следующего характера: – локальные непровары; – смещение сварного шва относительно оси стыка заготовок; – изменение ширины зоны теплового влияния и периода релаксации, ведущее к из- менению структуры материала в зоне сварного шва; – образование неоднородностей в объеме сварного шва с различными метрически- ми параметрами (геометрические размеры, частота появления на единичном участке свар- ки, степень отклонения от эталонного значения параметра). Перечисленные дефекты могут иметь различную степень значимости при определе- нии качества детали, Кроме того, они могут иметь обратимый или необратимый характер. Данное обстоятельство должно приниматься во внимание при принятии решения о воз- можности и целесообразности постобработки с целью приведения показателей качества изделия к уровню установленных требований. Очевидным представляется предположение о том, что повышение показателей ка- чества управления технологическим процессом электронно-лучевой сварки и, как следст- вие, повышение качества сварных изделий возможно за счет использования бо3льшего чис- ла управляющих параметров. Включение в модель управления, наряду с траекторией пе- ремещения электронного луча по сварному стыку, параметров скорости перемещения и силы тока должно обеспечить адаптивное управление с компенсацией флуктуации всех перечисленных параметров процесса. При обеспечении многопараметрического адаптивного управления процессом элек- тронно-лучевой сварки возникает необходимость решить ряд задач: 1. Задача наблюдения за пятном. 2. Задача слежения за стыком. 132 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 3. Задача фокусировки электронного луча. 4. Задача управления скоростью при наличии аномалий. 5. Задача управления силой тока при наличии аномалий. 2. Общая модель управления процессом Достижение более высоких показателей адаптивности системы управления возможно обеспечить модификацией процедур формирования управляющих воздействий на основе данных мониторинга технологической зоны. При этом мониторинг может быть организо- ван по различным каналам наблюдения. Технологические особенности сварки позволяют ожидать эффективного использования потенциальных возможностей мониторинга зоны формирования сварного шва по визуальному каналу. В зоне сварки происходят тепловые явления, вызывающие образование расплава в ванне, движущейся вдоль линии стыка заготовок. Тепловое поле, наблюдающееся в зоне сварки, зависит от ряда факторов, к которым можно отнести энергетические, геометриче- ские и временные параметры электронного пучка, характеристики материала заготовок и качество стыка между ними, скорость перемещения электронного луча относительно сты- ка, параметры вакуума в сварочной камере. Отклонение текущих параметров процесса от оптимальных может стать причиной появления неоднородностей теплового поля в зоне взаимодействия электронного луча с поверхностью детали и в зоне теплового влияния. Поэтому оценка пространственных и спектральных характеристик теплового поля может быть использована для корректировки параметров различных составляющих производст- венной системы, оказывающих влияние на тепловые эффекты процесса. Сварка сопровождается излучением в зоне формирования сварного шва в широком диапазоне частот, в том числе в инфракрасном и видимом диапазонах, которое может быть зафиксировано с помощью видеокамеры. Энергетические и спектральные характеристики теплового излучения абсолютно черного тела, каким можно считать в первом приближе- нии свариваемую деталь, зависят лишь от температуры и описываются законами Вина, Стефана-Больцмана, Планка [2]. Перечисленные законы устанавливают, в частности, зави- симость от температуры частоты, на которой наблюдается максимальная интенсивность излучения, количества излучаемой энергии и интенсивности излучения по спектральным составляющим. Решая обратную задачу, параметры теплового поля в области формирования свар- ного соединения можно установить по спектральным характеристикам изображений тех- нологической зоны, полученных с помощью средств технического зрения. Источником информации для принятия решений при управлении процессом сварки может быть световое пятно, образующееся в зоне сварки. Значимыми параметрами изо- бражения являются яркость пятна и его геометрия, а также их временные характеристики. Такой подход к трактовке данных мониторинга позволяет использовать видеонаблюдения в качестве канала обратной связи для управления по интегральному показателю сварочно- го процесса – плотности энергии электронного луча. Таким образом, наблюдаемыми параметрами видеомониторинга технологической зоны формирования сварного соединения являются оптические характеристики светового пятна в зоне сварки. Предполагается, что наблюдаемые параметры находятся в зависимо- сти от параметров управления технологическим процессом. Параметрами управления для процесса электронно-лучевой сварки являются сила тока электронного луча, настройки его фокусировки, траектория перемещения центра луча по сварному стыку и скорость перемещения на элементарном участке. Кроме того, такими параметрами могут быть уровень вакуума в сварочной камере и текущие характеристики стыка заготовок. ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 133 Применение каналов видеонаблюдения и систем технического зрения в целом для задач управления производственными процессами имеет ряд преимуществ. Во-первых, это бесконтактный способ получения первичного сигнала, что позволяет минимизировать влияние вспомогательных операций на контролируемый процесс. Во-вторых, используется высокий потенциал информативности видеоданных, предоставляющих комплексную ин- формацию о технологическом процессе. Получаемая видеоинформация может использо- ваться при формировании массивов данных для систем прогнозирования состояний ком- понентов производственной системы, создавать базу для определения статистических оце- нок, использования экспертных систем и т.п. Наличие такой информации позволяет при- менять в адаптивных алгоритмах регуляторы с прогнозирующими свойствами. В-третьих, системы видеонаблюдения могут быть построены из качественных компонентов относи- тельно невысокой стоимости. Они характеризуются гибкостью применения, высокой сте- пенью интегрированности видеосенсоров в компьютерные системы управления производ- ственными процессами. Следует отметить также достаточно высокий уровень развития технологий обработки растровых изображений, позволяющий проводить обработку и ис- пользование видеоданных технологических данных в реальном масштабе времени. 3. Цели и средства видеомониторинга сварочного процесса Наблюдение за пятном сварочной ванны и зоны термического влияния сварочного процес- са в общем случае должно обеспечивать выполнение следующей последовательности опе- раций: – получение изображения зоны сварки; – сегментация изображения; – интерпретация результатов обработки изображения. Для получения первичной видеоинформации могут быть применены сенсоры раз- личной структуры и принципа действия, чувствительные к изменению интенсивности и спектра излучения в актуальном для конкретной задачи частотном диапазоне. Типовым решением в системах технического зрения (СТЗ) является применение сенсора на основе приборов с зарядной связью (ПЗС). Элементы ПЗС-матрицы формируют сигналы, пропорциональные яркости исходного изображения. Однако применение видео- сенсоров данного типа для видеомониторинга зоны сварочного процесса должно учиты- вать наличие на объекте наблюдения областей с очень высокой яркостью. В связи с этим необходимо обеспечивать соответствующий динамический диапазон сенсора либо прово- дить трансформацию светового потока из области наблюдения в пределах оптического тракта СТЗ. Учитывая сложность механизмов формирования визуальных эффектов, в СТЗ необ- ходимо принимать меры по снижению влияния различных помех, связанных с бликами, тенями, засветками, изменением конфигурации отражающих поверхностей, преобразова- ниями спектра и т.п. В системах СТЗ, применяемых в сварочном производстве, использу- ют структурированную лазерную подсветку технологической зоны [3]. При этом для по- вышения соотношения сигнал-шум в объективе видеокамеры устанавливают поляризаци- онный светофильтр с плоскостью поляризации, параллельной плоскости поляризации ла- зерного излучателя. При выборе наиболее эффективного оптического диапазона наблюде- ния учитывается также уровень паразитных влияний, создаваемых источником энергети- ческого воздействия, Однако следует заметить, что сужение динамического диапазона ка- меры может отрицательно сказаться на информативности видеоданных в части отображе- ния температурного поля. Наряду с аппаратными усовершенствованиями, для снижения уровня оптических искажений в зоне сварочного процесса применяются программные методы фильтрации исходного изображения, в том числе с адаптивными свойствами [3]. 134 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 В настоящее время наблюдается тенденция объединения в структуре датчиков как функций получения изображения, так и функций его предварительной обработки. Такой подход реализован, в частности, в датчиках технического зрения серии FQ компании Omron [4, 5]. Указанные датчики предназначены для распознавания естественных цветов и автономно используются для контроля качества по таким параметрам, как присутствие, расположение и другим характеристикам продукции. Датчик включает камеру, систему светодиодной подсветки, процессор, терминалы входных/выходных сигналов, комплекту- ется средствами настройки и контроля. В модификации FQ-S2 датчик обеспечивает до 32 одновременных измерений и 32 регистрируемых сценариев, а также предусматривает ком- пенсацию положения при видеозахвате подвижных объектов. Обеспечивается принятие решения по признакам геометрической формы, положения, расстояния между объектами, по размерам и цвету. Значительный интерес в контексте видеонаблюдения сварочного процесса пред- ставляет реализация в указанных датчиках встроенных функций обработки изображений. В частности, при использовании внешнего освещения актуальной является функция на- стройки баланса белого, поскольку фиксируемое изображение может иметь цвета, отли- чающиеся от натуральных цветов объекта. Предусмотрена также возможность улучшения качества изображения металлических и других блестящих поверхностей устранением бли- ков, поскольку для объектов указанного типа четкие изображения не могут быть получены при стандартных настройках яркости. При этом для неподвижных объектов используется встроенная HDR-функция, обеспечивающая расширение динамического диапазона при на- блюдении объектов, имеющих контрастные светлые и темные зоны. В этом режиме вы- полняется получение нескольких изображений с различной выдержкой и их объединение. Объединение изображений с различным уровнем яркости происходит таким образом, что результирующее изображение будет менее контрастным. Однако, если объект перемеща- ется в процессе получения изображений, то результирующее изображение окажется раз- мытым. Для движущихся объектов отблески отраженного света могут быть устранены с изображения при помощи установки на датчик поляризационного фильтра. Датчики с аналогичными свойствами разработаны также для неоптических диапа- зонов излучения. Для измерения параметров излучения зоны формирования сварного соединения также могут быть применены малогабаритные дифракционные спектрометры и пиромет- рические ПЗС-линейки, обеспечивающие регистрацию широкого спектра излучений в диапазоне 200–1100 нм со скоростью 0,1–10 мс. Средства современной оптической пиро- метрии позволяют проводить измерение интенсивности излучения на 1000–2000 длин волн. Сравнение полученного спектра с планковским дает возможность определить темпе- ратуру металлов и других материалов как ниже точки плавления, так и превышающую её (в диапазоне 800К–140кК) [6]. При этом температура определяется как параметр наблю- даемого распределения интенсивности излучения. Вместе с тем, пирометрические методы дают данные об усредненном значении температуры всей излучающей области для перио- да измерения, что затрудняет получение данных о пространственно-временном изменении теплового режима. 4. Модели светового пятна Форма, ориентация и линейные размеры полученного с помощью СТЗ изображения свето- вого пятна находятся в зависимости от силы тока электронного луча, параметров его фоку- сировки, скорости движения относительно заготовок и точности попадания на стык. Нали- чие в пределах наблюдаемой зоны локальных областей с аномальными спектральными ха- рактеристиками может быть связано с неоднородностью структуры материала, технологи- ческими дефектами сварочного процесса или его подготовки, пространственно- ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 135 Рис. 1. Модель наблюдаемой области теплового поля Рис. 2. Искажение формы светового пятна при смещении электронного луча относительно стыка временными особенностями структуры (многомодовость, пульсация и т.п.) энергетическо- го потока. Для организации управления сварочным процессом необходимо обеспечить на- хождение в поле полученной с помощью СТЗ видовой сцены технологически значимых визуальных признаков и определение их параметров. Качество управления предполагает адекватность выбора модельного преставления наблюдаемой области. Для управления процессом сварки могут использоваться модели сварочного пятна различной степени сложности. Простая модель пятна может быть задана следующим на- бором параметров: центр, радиус, усредненный показатель яркости, пороговое значение яркости. Данная модель предоставляет достаточную информацию для слежения за поло- жением сварочной ванны относительно заготовки и оценки энергетических параметров процесса. Более сложные модели могут предусматривать распределение яркости по площади пятна, а также более сложную геометрию пятна. Такие модели предоставляют возмож- ность более адекватно отобразить ди- намику процессов теплопереноса, вы- делить зоны распределения жидкой и твердой фаз, осуществлять поиск тех- нологически значимых артефактов. В общем случае при движении центра электронного луча вдоль прямолиней- ного стыка заготовок с анизотропными свойствами наблюдается симметрия в распространении тепловой энергии. Вид модели области формирования сварного изображения и зоны релакса- ции, соответствующей данной техно- логической ситуации, представлен на рис. 1. Модель представлена графическими примитивами – окружностями и отрезками прямых – и может быть задана радиусами и расстоянием между центрами окружностей. При смещении траектории дви- жения центра электронного луча с оси стыка заготовок произойдет перерас- пределение подводимой энергии между заготовками, сопровождающееся иска- жением первичного теплового поля. Модель видимой области теплового поля для данной технологической си- туации представлена на рис. 2. Как видно, исходная модель (рис. 1) транс- формируется в более сложную, описы- ваемую более сложной конфигурацией бо3льшего количества примитивов. Анализ и классификация технологиче- ских ситуаций по изображениям с при- менением данной модели светового пятна может проводиться по различным критериям. Перспективным представляется применение оценок на основе критериев кривизны, кото- рые позволяют детектировать прямые линии и окружности [7]. При этом задачи классифи- кации и анализа сводятся к оценке количества и взаимного положения выделенных графи- ческих примитивов. 136 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 Рис. 3. Определение границы светового пятна на 32-битовом цветном изо- бражении методом градиентного спуска. Базис ядра фильтра – пять пикселей Следует заметить, что в практических задачах эффективными могут быть модели, описывающие зону формирования сварного соединения прямоугольной областью, зада- ваемой шириной и длиной участка с определенным уровнем яркости. 5. Экспериментальные исследования и интерпретация результатов Для исследования алгоритмов оценки параметров технологического процесса по растро- вому представлению изображения его теплового поля использовались имитационные мо- дели зоны сварки. В ходе предварительных исследований имитация визуальных эффектов сварочного процесса проводилась с помощью стенда в составе веб-камеры, ультраяркого светодиодного излучателя, компьютера и образцов деталей. Полученные на стенде изо- бражения по своим параметрам яркости и спектра близки к изображениям сварочного пят- на в характерных технологических режимах. Данные модели в целом применимы для ис- следования системы технического зрения, однако визуальные эффекты, обусловленные условиями проведения видеосъемки, вызывают искажения как распределения яркости, так и спектральных характеристик в пределах зоны наблюдения. Указанные факторы влияют на работу алгоритмов идентификации, снижая достоверность определения пределов свето- вых зон. В общем случае качество системы технического зрения можно повысить как из- менением условий проведения видеонаблюдения, так и дополнительными процедурами предварительной обработки видеоданных. Полученные модельные изображения были использованы в качестве исходных дан- ных для выделения областей заданной яркости методом градиентного спуска. Несмотря на некоторую неустойчивость алгоритма, в целом задача выделения искомой области относи- тельно указанной начальной точки контура решалась с приемлемыми показателями каче- ства. На рис. 3 показано множество точек эквипотенциального контура с указанием ло- кального направления градиента и перпендикулярного ему направления перехода на пози- цию поиска следующей точки. Полученное по признаку значения градиента яркости мно- жество точек достаточно точно охватывает область высокой яркости, которой в экспери- менте моделировалась сварочная ванна. Вместе с тем, примененный метод демонстрирует избыточность массива точек для формирования описания искомой области. Минимизация в этом направлении затруднительна вследствие наличия на изображении точек бифурка- ции, снижающих устойчивость и точность алгоритма. Проведенные эксперименты также подтвердили предположение о необходимости компенсации спектральных и яркостных искажений видовой сцены, связанных с геометрическими, текстурными и отражающими особенностями поверхности детали и окрестности зоны наблюдения. Для оцен- ки параметров алгоритмов выяв- ления информа- тивных признаков процесса сварки, с целью миними- зации влияния на формирование видовой сцены указанных выше факторов искаже- ния, были ис- пользованы также компьютерные модели в виде ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 137 Рис. 4. Определение границы светового пятна и её метрических характеристик методом линейных бинарных шаблонов синтезированных цветных растровых изображений. При формировании изображений, кроме заданного набора теплофизических и технологических параметров, варьировались также аддитивные шумы, масштаб, степень асимметрии и угол поворота продольной оси исходного образа. Получен- ные модели пятна фиксиро- ванных размеров (50-120 пикселей в продольном и поперечном измерениях) позволили оценить точность выявления технологически значимых показателей при распознавании изображений по методу на основе линей- ных бинарных шаблонов (рис. 4). В частности, при выявлении пятна без асим- метрии ошибка составляет не более 1%, а при наличии у изображения пятна асим- метрии – ошибка не превы- шает 10% как по линейным размерам, так и по ориентации. Вариация точности определе- ния параметров для разных углов поворота оси пятна незначительна. В целом, исследован- ные алгоритмы позволяют получить прогнозированные результаты, качество которых при- емлемо для достоверного определения информационных признаков характера наблюдае- мого технологического процесса. Несмотря на то, что вопрос выбора наиболее эффективной модели и метода обра- ботки изображения остается открытым, полученные результаты свидетельствуют о воз- можности решения на основе методов визуализации широкого круга задач контроля пара- метров сварочного процесса. В частности, по форме и яркости пятна можно определить текущее значение мощности излучения в зоне обработки и её отклонение от номинального значения, что позволяет диагностировать отклонения в работе системы питания и генера- ции излучения, а также прогнозировать длительность периодов безаварийной работы ука- занных узлов. При этом ожидаемая точность количественной оценки реальной мощности излучения должна составить 5–10% в зависимости от резолюции изображения. Выявление неоднородности пучка излучения, проявляющейся на изображении неоднородностью яр- кости пятна, следует связывать с нарушениями работы системы фокусирования и транс- портировки излучения, а также со снижением эмиссионных свойств электронной пушки. Выявление асимметрии формы пятна указывает на возможность более точного определе- ния отклонений пятна от оси паза, нарушений зазора или подготовки кромок и т. п. Дости- гаемая точность выявления асимметрии, с учетом полученных данных моделирования, не должна быть ниже 20%, возможные вариации зависят от выбора модели пятна. Возмож- ность диагностировать неоднородность шва либо иные структурные изменения позволяет идентифицировать непроплавления, включения окалины. Во многих случаях повторная обработка таких участков позволяет если не полностью устранить эти дефекты, то значи- тельно повысить эксплуатационные показатели изделия. Локализация дефектов по растро- вому изображению должна обеспечиваться в случае, когда неоднородность по ширине со- ставляет не менее 30% шва, а протяженность – не менее, чем две ширины шва. Не менее ценной является возможность установления по яркости области обработки и зоны релак- сации характера термического влияния, поскольку эта информация позволяет организовать управляющие воздействия, направленные на уменьшение уровня термических напряжений 138 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 2 в зоне обработки или обеспечение формирования необходимых структурных изменений в материале. Средством нормализации при этом могут быть повторный проход, коррекция фокусировки, изменение мощности излучения или скорости обработки. При наличии фи- зико-химических данных о материале заготовок оценка температурного градиента и гео- метрии зоны термического влияния позволяет определить уровень структурных изменений и прогнозировать механические характеристики соединения. 6. Выводы Проведенные исследования дают основания утверждать, что визуальный канал наблюде- ния за зоной формирования соединения имеет значительный потенциал для обеспечения многопараметрического управления процессом электронно-лучевой сварки. Применение методов визуализации позволяет установить по изображению технологической зоны дос- таточно широкий набор признаков, связанных с параметрами наблюдаемого процесса. Это позволяет учитывать при формировании управляющего воздействия бо3льшее количество факторов. Анализ причин проявления визуальных эффектов дает основания ожидать по- вышения качества технологического процесса путем модификации режимов функциони- рования подсистем установки электронно-лучевой сварки, которые, кроме отработки за- данных перемещений, обеспечивают пространственно-энергетические характеристики электронного луча. Наличие развитых средств и методов получения изображений, их об- работки позволяет организовать адаптивное управление в реальном масштабе времени. Применение СТЗ позволит организовать не только управление процессом сварки, но и выполнить ряд контрольных процедур для определения оценок качества получаемого изделия. Проведение на основании получаемых изображений измерений, вычислений ста- тистических характеристик, выделений технологически значимых артефактов может по- высить адресность и адекватность проверочных испытаний. В режиме экспресс- диагностики визуальный канал в ряде случаев позволит провести повторную либо допол- нительную обработку с целью устранения обнаруженных локальных дефектов. Таким образом, применение канала обратной связи на основе СТЗ позволяет орга- низовать адаптивное управление электронно-лучевой сваркой и решить все основные за- дачи управления технологическим процессом, а также получить дополнительные возмож- ности контроля качества изделий и мониторинга технического состояния оборудования. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Розробка новітніх електронно-променевих зварювальних установок на основі модельно- орієнтованого управління / Опис роботи. Т. 2 / О.К. Назаренко, В.М. Нестеренков, В.В. Галушка [та ін.]. – К.: ІПММС НАНУ, 2006. – 191 с. 2. Савельев И.В. Курс общей физики: в 3-х т. / Савельев И.В. – СПб.: Лань, 2007. – Т. 3. – 320 с. 3. Шаповалов Є.В. Засоби технічного зору як елемент зворотного зв’язку в системах стеження ду- гового зварювання: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 05.13.07 «Авто- матизація технологічних процесів» / Є.В. Шаповалов. – К., 2006. – 22 с. 4. Датчик технического зрения FQ. Проще, чем можно представить / Omron [Электронный доку- мент]. – Режим доступа: http://www.proenergo.ru/doc_pdf/vision/FQ+Brochure+rus.pdf. 5. Датчик технического зрения FQ. Руководство по эксплуатации/ Omron [Электронный документ]. – Режим доступа: http://www.proenergo.ru/doc_pdf/vision/FQ+ShortManual.pdf. 6. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия (обзор) / А.Н. Магунов // Приборы и техника экспери- мента. – 2009. – № 4. – С. 5 – 28. 7. Семейкина Е.В. Многомасштабная оценка локальной кривизны границ на цветных изображени- ях / Е.В. Семейкина, Д.В. Юрин // Труды 13-й междунар. конф. «Цифровая обработка сигналов и её применение» (DSPA'2011). – М., 2011. – Т. 2. – С. 183 – 186. Стаття надійшла до редакції 01.02.2013

Многопараметрическое адаптивное управление технологическим процессом электронно-лучевой сварки

Репозитарії

Схожі ресурси