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 ，黃軍芬 ，梁亞軍

（1.中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京102249；2.北京石油化工學院光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617）

0 前言

管道車間預制可以采用滾輪架轉動方式焊接，時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量。管道野外施工中，大部分為固定口自動焊接，即工件固定安裝，由機器人來實現(xiàn)管道360°全位置焊接，要求其運動參數(shù)和電源參數(shù)隨空間位置變化而變化，同時由于現(xiàn)場的不確定因素和工件組對的復雜性，要獲得良好的焊接質量難度非常大。整個焊接過程離不開焊工現(xiàn)場緊盯和實時調整控制，對人的依賴性很大，并需要高水平的焊工。

在不友好、很難到達或危險的環(huán)境焊接時，如核電廠、深海底、空間站或外星球的環(huán)境中，焊接環(huán)境復雜，焊接質量要求高，要求高水平焊接專家和焊接工程師親臨現(xiàn)場實施焊接作業(yè)，才能夠有效保證焊接質量，使得從事其作業(yè)的代價太昂貴、太危險，因此，研究開發(fā)水下焊接機器人的實時控制專家焊接系統(tǒng)，代替人執(zhí)行水下高壓危險環(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)場焊接操控，以上專家系統(tǒng)的研究成果不能夠直接應用于該實時過程控制中，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）與國家標準技術研究所（NST）聯(lián)合研制的焊接工藝制定與實時監(jiān)控系統(tǒng)Weldexecell，它適用于船舶業(yè)機器人焊接，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、進行焊接接頭設計、選擇焊接材料、計算預熱溫度、編制焊接工藝指導書。離線生成的工藝被直接送往車間的機器人進行焊接控制。焊接時，控制器借助于多種傳感器檢測機器人焊接參數(shù)，并依據(jù)已制定的工藝參數(shù)，調整參數(shù)偏差。美國通用數(shù)字公司的NEWCS用于軍艦小批量的自動焊接，分焊前、焊接過程和焊后三部分，焊前完成接頭設計、焊接方法選擇、材料選擇、工藝制定等任務，焊接過程中通過傳感器監(jiān)視焊接工藝的執(zhí)行，焊后進行故障診斷及焊縫檢查分析。

上述兩個軟件將離線工藝焊接和在線實時控制相結合，對焊接生產(chǎn)的集成化進行了有益的探索，但就其內容而言所做工作只是針對已經(jīng)擬定的工藝參數(shù)進行控制，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則具有真正的實施性，該系統(tǒng)可完成零件的定位、焊接操作、質量檢查等功能，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，自動調整焊縫的軌跡、線能量、送絲速度、擺動參數(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)，進而控制焊接設備，以保證恒定的熔深及焊道高度。2005年，北京石油化工學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項目的資助，并在一些企業(yè)獲得應用，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)

陸地上常壓焊接對于管道鋪設的固定口焊接而言，其過程包含了平焊、上坡焊、下坡焊、下向立焊、仰焊、上向立焊四個焊接過程，管道這種狀態(tài)的焊接被公認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量問題，國內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（逆時針旋轉焊接）：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，把八段位置對應參數(shù)固化到焊接機器人的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，這就是簡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

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

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

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系。當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，應用較少。水下濕法焊接有其獨特的焊接工藝。目前國內外應用較為成熟的是水下干法高壓焊接，它是本研究重點分析的內容。

張?zhí)m花用一顆赤誠的心，連續(xù)五年參與了師團“5000致富帶動工程”，與女職工郭艷英結成幫扶對子，使其成為團場“脫貧致富標兵”。在她的帶動下，連隊25名職工成為團場科技致富的“領頭雁”。她通過自學獲得了第二師頒發(fā)的“高級農(nóng)藝工”證書。

水下高壓焊接過程的實時控制，除了需考慮焊接參數(shù)如電流、電壓，機器人的控制參數(shù)如移動機器人的運行速度、擺動方式、擺動幅度、擺動速度等情況外，還需要考慮水下焊接的實際情況，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，體現(xiàn)到焊接中，動態(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，對前七個參量產(chǎn)生了較大影響，需要大量的高壓焊接實驗來獲取數(shù)值。

3 水下焊接專家數(shù)據(jù)庫設計

3.1 專家系統(tǒng)結構

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

圖2 專家系統(tǒng)的典型結構

3.2 數(shù)據(jù)庫與知識庫關系分析

知識庫是用來存儲從專家那里得到的關于焊接領域的專門知識，焊接知識主要來源是焊接專業(yè)領域知識和國家有關焊接標準[4-6]，包括事實、經(jīng)驗、可執(zhí)行操作與規(guī)則等。

數(shù)據(jù)庫用于存放系統(tǒng)運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)的管理等是設計數(shù)據(jù)庫時需要考慮的重要問題

知識庫有顯式或隱式兩種表示方式，即事實性知識和推理規(guī)則組成。顯式表示是知識以斷言或屬性值的形式明顯地表示在某種數(shù)據(jù)結構中，顯式表示有利于提高檢索效率，但表達能力不夠，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的需求直接與記錄結構和程序相關，又多占有存儲空間。隱式表示主要指以規(guī)則形式蘊含表示知識的方式，表達能力強，占存儲空間少，但需要推理等過程，響應速度較慢。

通過上述比較，可見數(shù)據(jù)庫與知識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關系的約束條件，可視為某種低層次的知識；而知識庫中所包含的有明確定義的事實、斷言和通過規(guī)則表達的某些明顯的關系實際上也是數(shù)據(jù)庫的內容。

3.3 過程控制參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中存儲

分析前面建立的水下焊接過程控制狀態(tài)方程，狀態(tài)方程中八個參數(shù)描述焊接過程的實時控制參數(shù)可以直接調用控制機器人的焊機作業(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°的四個位置的狀態(tài)量排布表。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究目標是如何有效地存儲和檢索大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫設計中，由于數(shù)據(jù)量非常大，處理狀態(tài)參量時盡量把浮點參數(shù)轉換成整數(shù)、字節(jié)和半個字節(jié)的方式存儲，這樣可以有效利用存儲空間，狀態(tài)參量的調用可采用指針的方式進行快速檢索。

對于這些參數(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，又會產(chǎn)生很多參數(shù)組合。通過數(shù)據(jù)挖掘技術，可以將大量參數(shù)提出事實性的顯示參數(shù)，存儲于知識庫中。

4 過程控制的實現(xiàn)

機器人過程控制專家系統(tǒng)的結構框架形式采用上位計算機+主控制器的構架，上位計算機主要用于專家系統(tǒng)管理，包括知識庫和大型數(shù)據(jù)庫。對于水下焊接，機器人要潛入深水下作業(yè)，考慮到長距離通訊和實時控制問題，在實際焊接作業(yè)時，采用主控制器和上位計算機分離的方案，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)省了時間，同時也避免了參數(shù)輸入過程中因疏忽產(chǎn)生的錯誤，提高了焊接過程的可靠性和安全性。

表1 機器人焊接實時控制參數(shù)

4.2 數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控[8]

本軟件與機器人控制器進行通訊，實時讀取機器人中的焊接數(shù)據(jù)并顯示，用戶能夠實時監(jiān)控焊接過程中數(shù)據(jù)，避免焊接過程中的焊接錯誤。

4.3 數(shù)據(jù)查看、修改

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

5 結論

建立基于實時控制的水下焊接專家系統(tǒng)，解決無人可達的遠距離的機器人全位置焊接有效辦法，機器人的焊接參數(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)結構表示，它是連接機器人實時過程控制和專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的重要紐帶。

：

[1]張建勛.焊接工程計算機專家系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望[J].焊接技術，2001，30（S1）：11-13.

[2]薛 龍，梁亞軍，鄒 勇，等.全位置管道焊接機器人專家系統(tǒng)的研究[J].電焊機，2008，38（8）：45-47.

[3]陳春紅，張建勛，裴 怡.鋼制壓力容器焊接工藝設計與管理專家系統(tǒng)[J].壓力容器，2000，17（3）：77-80.

[4]田愛芬，陳小藝，張建勛.焊接工藝設計專家系統(tǒng)中的知識表示與推理[J].電焊機，2003，33（12）：35-38.

[5]吳順樣,吉國力.數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與知識庫系統(tǒng)的對比分析[J].計算機工程與應用，1999（9）：83-85.

[6]張 鳴.學科專題知識庫的知識組織及實現(xiàn)研究[D].湖北：武漢大學，2005.

[7]孫亞玲,基于專家系統(tǒng)的導軌式管道焊接機器人的研究[D].北京：北京化工大學，2006.