專利名稱：用于焊接的發(fā)光探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)此項(xiàng)申請(qǐng)要求專利保護(hù)在2002年3月27日登記的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)枮?0/368,052)的權(quán)益，此項(xiàng)臨時(shí)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此引入作為參考。
背景技術(shù)：
氣體金屬電弧焊接(GMAW)通常用于高工作量生產(chǎn)中金屬部件的連接，如在汽車生產(chǎn)組裝線上用的自動(dòng)化焊機(jī)就是一例。從一個(gè)或多個(gè)工作部件與可消耗電極間產(chǎn)生的電弧使電極液化為金屬液滴，它們被惰性氣體諸如氬氣所保護(hù)。這些液滴在固化前通過(guò)滲透到工作部件的金屬中而形成焊接點(diǎn)。
有一種稱為脈沖式氣體金屬電弧焊接的方法，它通過(guò)脈沖調(diào)制焊接電源的電流和/或電壓來(lái)控制。因?yàn)檫@種焊接方法產(chǎn)生的熱量少，從而使產(chǎn)生的濺污少并有好的焊道光潔度，因此特別適合于高工作量的生產(chǎn)。這些特性對(duì)比較薄的工作部件避免因焊接而產(chǎn)生熱變形和剩余應(yīng)力是重要的。
要在實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)電源參數(shù)最優(yōu)化從而與材料的改變和工藝變量相適應(yīng)是復(fù)雜的，這是脈沖式氣體金屬電弧焊接的一個(gè)顯著局限性。為了克服這一局限性，有一種嘗試是用市售的GMAW系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)化的參數(shù)控制與記錄下來(lái)的有關(guān)材料和理想的處理?xiàng)l件信息相結(jié)合。然而，因?yàn)閮蓚€(gè)理由使這些努力受到了限制。
通常這種簡(jiǎn)單的算法控制方案要涉及對(duì)所有過(guò)程變量與實(shí)時(shí)測(cè)量和分析這些變量的能力間基本關(guān)系的理解。對(duì)于GMAW方法，這些基本關(guān)系尚不完全清楚。而且即使已知這些關(guān)系，若都要實(shí)時(shí)測(cè)出這些基本變量并計(jì)算出合適的控制動(dòng)作仍然是費(fèi)錢和復(fù)雜的。
在某些方案中，通過(guò)編輯與最優(yōu)化控制參數(shù)相關(guān)的所觀測(cè)變量的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以使理解的難度降低，并使要測(cè)量的變量數(shù)減少。然而，對(duì)許多商業(yè)上重要的GMAW工藝來(lái)說(shuō)，獨(dú)立的過(guò)程變量數(shù)目使這種方法成為一項(xiàng)既困難又費(fèi)時(shí)的工作。此外，一項(xiàng)具體的應(yīng)用可能會(huì)引入一種在開(kāi)發(fā)中所不希望有的工藝變量，致使所提出的方案在該應(yīng)用中不那么有效或是根本無(wú)用。
有一種用來(lái)解決參數(shù)復(fù)雜性問(wèn)題的嘗試主張只改變一個(gè)控制變量，即脈沖周期，這個(gè)主張是以電弧光強(qiáng)度作為單一的觀察變量為根據(jù)的。通常此電弧光強(qiáng)度隨時(shí)間而變，它與在電弧時(shí)金屬液滴的形成有關(guān)。因?yàn)楦叩暮附淤|(zhì)量直接與受控的金屬液滴轉(zhuǎn)移有關(guān)，所以此方法提議通過(guò)截短脈沖周期從而使它與電弧光強(qiáng)度的熄滅相對(duì)應(yīng)來(lái)改善焊接的質(zhì)量。然而，此方法因?yàn)榇嬖诤芏嗳秉c(diǎn)并未獲得成功。首先，電弧光強(qiáng)度的變化并不總能給出有關(guān)液滴轉(zhuǎn)移的一個(gè)確定的指示；第二、許多商業(yè)上感興趣的焊接條件并不產(chǎn)生電弧光強(qiáng)度的足夠變化從而能可靠觸發(fā)熄滅過(guò)程，如用混有少于5％二氧化碳的氬氣作保護(hù)的碳鋼焊接；第三、在實(shí)時(shí)通過(guò)改變每一瞬時(shí)脈沖來(lái)控制GMAW過(guò)程會(huì)導(dǎo)致電流變化的過(guò)度控制，這將導(dǎo)致控制的振蕩、金屬轉(zhuǎn)移的不穩(wěn)定和壞的焊接質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
在脈沖式GMAW系統(tǒng)中降低控制電源參數(shù)的復(fù)雜性在本領(lǐng)域是需要的，特別是需要在GMAW過(guò)程中產(chǎn)生穩(wěn)定的金屬轉(zhuǎn)移而與焊接材料和工藝條件無(wú)關(guān)。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案是一種適用于控制脈沖式電源電弧焊接過(guò)程的方法。此方法包括探測(cè)在電弧焊接脈沖期間發(fā)出的信號(hào)這一步驟。用一種可訓(xùn)練的系統(tǒng)來(lái)識(shí)別由信號(hào)產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式，并定出脈沖電源的參數(shù)組，從而在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。另一步驟是用參數(shù)組來(lái)控制電源。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是一種用來(lái)訓(xùn)練用于控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法。此方法包括為大量的脈沖事例產(chǎn)生訓(xùn)練數(shù)據(jù)和確認(rèn)數(shù)據(jù)這一步驟，其中每一事例包括對(duì)在至少一個(gè)電弧焊接脈沖期間發(fā)出的信號(hào)和對(duì)該脈沖經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式的表達(dá)。另一個(gè)步驟是產(chǎn)生一組控制標(biāo)志，其中每一個(gè)標(biāo)志包括與目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換模式的分類和對(duì)于在脈沖電源參數(shù)組中至少一個(gè)值的控制動(dòng)作。再一個(gè)步驟是用訓(xùn)練數(shù)據(jù)、確認(rèn)數(shù)據(jù)和標(biāo)志來(lái)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，靠它使網(wǎng)絡(luò)能識(shí)別一個(gè)或多個(gè)電弧焊接脈沖的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式，并施加控制動(dòng)作，從而在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案是一種控制脈沖電源電弧焊接的裝置，它包含一個(gè)傳感器和一個(gè)控制器。控制器進(jìn)一步包括信號(hào)獲取模塊，靠它獲取來(lái)自傳感器的信號(hào)，以及一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被訓(xùn)練成能識(shí)別來(lái)自信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式，并控制用于脈沖電源的參數(shù)組，靠它在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。這種控制器也包含一個(gè)控制接口，以使用參數(shù)組來(lái)控制電源。
本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案是一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，它包括計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)和由此介質(zhì)所帶的指令。這些指令使計(jì)算機(jī)能識(shí)別在電弧焊接過(guò)程中發(fā)出的信號(hào)所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式，并定出電弧焊接脈沖電源的參數(shù)組，從而產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。
這些公開(kāi)的實(shí)施方案為自動(dòng)化的GMAW焊接方法提供了有意義的改進(jìn)。
這些實(shí)施方案利用由焊接過(guò)程發(fā)出的簡(jiǎn)單信號(hào)來(lái)保持或獲得每個(gè)焊接脈沖所需要的金屬液滴轉(zhuǎn)移模式。這些實(shí)施方案與嘈雜的或給出不確定的液滴轉(zhuǎn)移指示的信號(hào)是兼容的。這些實(shí)施方案還與各式各樣焊接條件兼容，包括與用少于5％二氧化碳混合的氬氣作保護(hù)的碳鋼焊接兼容。此外，這些實(shí)施方案還能導(dǎo)致產(chǎn)生沒(méi)有振蕩的穩(wěn)定的金屬轉(zhuǎn)移條件，它能改善焊接質(zhì)量和均勻性。
附圖簡(jiǎn)述如一系列附圖所示，本發(fā)明的上述和其他目的，以及本發(fā)明的特色和長(zhǎng)處可從下面對(duì)本發(fā)明特定實(shí)施方案的更具體的描述中明顯地表示出來(lái)。在這些圖中，同樣的標(biāo)記符號(hào)在所有不同的圖中都代表同樣的部分。在此沒(méi)必要將圖按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在解釋本發(fā)明的原理方面。


圖1A-1C是金屬液滴在可消耗電極上形成的順序圖。
圖2是一種用來(lái)控制脈沖式GMAW焊接過(guò)程具體裝置的方框圖。
圖3是電源產(chǎn)生的矩形脈沖波形圖。
圖4A-4E顯示代表各種轉(zhuǎn)移模式的理想化的示意圖。
圖5是每個(gè)脈沖周期約產(chǎn)生一個(gè)金屬液滴的傳感器信號(hào)與視頻信號(hào)圖像的比較。
圖6是每個(gè)脈沖周期約產(chǎn)生多于一個(gè)金屬液滴的傳感器信號(hào)與視頻信號(hào)圖像的比較。
圖7是每個(gè)脈沖周期約產(chǎn)生少于一個(gè)金屬液滴的傳感器信號(hào)與視頻信號(hào)圖像的比較。
圖8顯示概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種特定數(shù)學(xué)模式圖。
圖9是一種帶有傳感器的具體焊接裝置的簡(jiǎn)圖。
圖10是一種具體的傳感器腔體的剖面11是一種具體的信號(hào)獲取模塊中一部分的電路圖。
圖12是一種具體的信號(hào)獲取模塊中模擬-數(shù)字處理電路的方框圖。
圖13是一種具體的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
發(fā)明詳述所公開(kāi)的實(shí)施方案通常與控制電弧焊接過(guò)程有關(guān)，它用來(lái)產(chǎn)生一種穩(wěn)定的、與焊接的材料和處理?xiàng)l件無(wú)關(guān)的金屬轉(zhuǎn)移條件。本發(fā)明的具體實(shí)施方案包括方法和裝置，為的是利用可訓(xùn)練的系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別單一的工藝變量(即由焊接過(guò)程發(fā)出的信號(hào))來(lái)控制GMAW過(guò)程。
脈沖式的GMAW方法用電源提供與時(shí)間有關(guān)的電力給工作部件和被置于接近被焊接工作部件區(qū)域的可消耗電極。然后在工作部件和可消耗電極間產(chǎn)生電弧，造成金屬液滴形成并從可消耗電極的頂端轉(zhuǎn)移到工作部件。
圖1A-1C是在可消耗電極頂端形成金屬液滴的順序圖。圖1A顯示電極頂端的液化；圖1B顯示液滴的形成；圖1C顯示液滴的脫落。
圖2是用于控制脈沖式GMAW過(guò)程的一種具體裝置110的方框圖。焊接電源112與可消耗金屬電極114及一個(gè)或更多的工作部件116相連接。在電極114和工作部件116之間產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致在電極114的頂端形成金屬液滴115，此液滴再轉(zhuǎn)移到工作部件116。傳感器118通過(guò)從焊接過(guò)程發(fā)出的信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)模擬的電子學(xué)信號(hào)?？刂破?20包含信號(hào)獲取模塊122、普通用途的計(jì)算機(jī)124、顯示器126、可訓(xùn)練系統(tǒng)128和控制接口130。信號(hào)獲取模塊122讀取來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)，并在傳送到計(jì)算機(jī)124前將此信號(hào)進(jìn)行選擇性地過(guò)濾和數(shù)字化。可訓(xùn)練系統(tǒng)128可以是一種獨(dú)立模塊，也可由在普通用途的計(jì)算機(jī)124中作為硬件或軟件的組分來(lái)提供?？捎?xùn)練系統(tǒng)128識(shí)別信號(hào)并根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式將信號(hào)分類。然后，可訓(xùn)練系統(tǒng)128通過(guò)控制接口130輸出一個(gè)控制動(dòng)作到電源112，用來(lái)在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式，如改變后續(xù)脈沖的脈沖周期。
在另一實(shí)例中，控制器120可以不配置可訓(xùn)練系統(tǒng)128。在這種情況下，計(jì)算機(jī)124和顯示器126的配置能使受過(guò)訓(xùn)練的操作者可以評(píng)價(jià)信號(hào)并手動(dòng)改變脈沖電源參數(shù)，從而產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。電源112產(chǎn)生一種電子學(xué)波形，它可以是例如矩形波、正弦波或鋸齒波，也可以是這些波形的線性組合，等等，其中以近似為矩形波的波形為好。
例如，圖3就是由電源112產(chǎn)生的矩形脈沖的波形圖。在此圖中，電流表示為時(shí)間的函數(shù)。波形具有頻率、脈沖電流210(最大電流)、基底電流212(最小電流)、脈沖周期214和基底周期216。電源128還有相關(guān)的脈沖電壓(未在圖中示出)輸出。這些參數(shù)可以獨(dú)立或非獨(dú)立地改變，如可以改變脈沖周期和基底周期而保持頻率不變?？梢酝ㄟ^(guò)在脈沖期間或?yàn)楹罄m(xù)脈沖改變這些參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)控制電源，如可通過(guò)改變后續(xù)脈沖的脈沖周期來(lái)控制焊接過(guò)程。
根據(jù)焊接材料、焊接環(huán)境和電源的不同，在一個(gè)全脈沖波形時(shí)間內(nèi)可以有任何數(shù)量的金屬液滴脫落，而這些液滴又可以在波形中的任何位置脫落。焊接質(zhì)量通常與恒定的金屬轉(zhuǎn)移模式有關(guān)。目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式可定義為有約某百分比脈沖是約在該種脈沖周期的中心發(fā)生每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)移一個(gè)液滴。脈沖的百分比可以選擇為任意合適的百分?jǐn)?shù)，如選在約50％-100％，90％是一特別合適的百分?jǐn)?shù)。
經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式是由電弧焊接過(guò)程發(fā)出的信號(hào)所表示的表觀轉(zhuǎn)移模式，而修正轉(zhuǎn)移模式則是由改變一個(gè)或多個(gè)電源參數(shù)所產(chǎn)生的一種轉(zhuǎn)移模式。例如，修正轉(zhuǎn)移模式接近于目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式，也就是修正轉(zhuǎn)移模式比在電源參數(shù)改變前觀察到的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式更像目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式。更為特殊的情況是修正轉(zhuǎn)移模式正好就是目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式。
液滴轉(zhuǎn)移模式可通過(guò)探測(cè)與此液滴轉(zhuǎn)移相關(guān)的電弧焊接脈沖期間發(fā)出的信號(hào)來(lái)觀察。例如，此信號(hào)可以是輻射通量、電勢(shì)通量、聲音發(fā)射、機(jī)械振動(dòng)、磁通量，等等。傳感器是探測(cè)信號(hào)的裝置，如光電二極管、電荷耦合器件(CCD)、電流計(jì)、話筒、壓電振動(dòng)傳感器、電容傳感器、磁強(qiáng)計(jì)，等等。傳感器可以是一種被動(dòng)的傳感器，即它探測(cè)的是從焊接過(guò)程自然發(fā)出的信號(hào)；傳感器也可以是一種主動(dòng)的傳感器，即它與探詢焊接過(guò)程的器件耦連，如與激光器耦連的光電二極管。最好，探測(cè)的信號(hào)是輻射通量，即在電弧焊接脈沖期間自然產(chǎn)生的發(fā)光，而傳感器是光電二極管。
根據(jù)焊接材料、焊接環(huán)境條件和電源參數(shù)的不同，所發(fā)射的信號(hào)可以在一定的范圍內(nèi)，它可以從清楚顯示液滴轉(zhuǎn)移到不確定的顯示液滴轉(zhuǎn)移。也即一個(gè)極端是信號(hào)能顯示與液滴轉(zhuǎn)移相關(guān)的獨(dú)特的單一特性，而另一極端是信號(hào)僅能代表不確定的液滴轉(zhuǎn)移行為?！安淮_定的液滴轉(zhuǎn)移”可包括由于在焊接過(guò)程或探測(cè)系統(tǒng)中產(chǎn)生的噪聲而帶來(lái)的嘈雜或不連續(xù)的信號(hào)，也可由于液滴轉(zhuǎn)移事件本身不是分立的所致。因此，如下所述，本發(fā)明的一個(gè)方面是信號(hào)轉(zhuǎn)移模式的識(shí)別而不是由簡(jiǎn)單的閾或截止來(lái)作簡(jiǎn)單的測(cè)定。閾系統(tǒng)并不是強(qiáng)有力的，也即它不能忍受不確定的行為，并一般不能用于沒(méi)有調(diào)節(jié)的不同條件。
圖4A-4E顯示的是代表各種轉(zhuǎn)移模式的理想化的示意圖。圖4A，約在脈沖的中心轉(zhuǎn)移一個(gè)液滴；圖4B，在脈沖的開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)移一個(gè)液滴；圖4C，每個(gè)脈沖一個(gè)液滴，它在脈沖結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)移；圖4D，不在脈沖期間而在脈沖的基底階段轉(zhuǎn)移一個(gè)液滴；圖4E，在每個(gè)脈沖周期有多于一個(gè)液滴轉(zhuǎn)移。
圖5-7，通過(guò)將發(fā)出的典型的發(fā)光信號(hào)與跟液滴轉(zhuǎn)移相應(yīng)的實(shí)際的高速視頻信號(hào)圖像作比較來(lái)解釋實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式。圖中，用發(fā)光信號(hào)相應(yīng)的電壓輸出(單位伏特，V)，作為時(shí)間(單位毫秒，ms)的函數(shù)作圖；每幅圖像產(chǎn)生的時(shí)間近似地由每幅插入的圖像通過(guò)箭頭所指向的信號(hào)上的相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)表示。
圖5是傳感器信號(hào)與視頻信號(hào)圖像的比較，它接近于每個(gè)脈沖周期一個(gè)金屬液滴的情況。圖中所用的條件包括1.2mm粗的普通碳鋼可消耗電極，它離工作部件約20mm；保護(hù)氣體為含有約5％O2和平衡氬氣的混合氣體；脈沖電流250A，脈沖周期5ms，基底電流100A，基底周期10ms，送絲速度3.5m/min。
圖6是傳感器信號(hào)與視頻信號(hào)圖像的比較，它接近于每個(gè)脈沖周期多于一個(gè)金屬液滴的情況。圖中所用的條件包括1.2mm粗的不銹鋼可消耗電極，它離工作部件約18mm；保護(hù)氣體為含有約3％CO2、2％N2和平衡氬氣的混合氣體；脈沖電流240A，脈沖周期2ms，基底電流40A，基底周期10ms，送絲速度2.1m/min。
圖7是傳感器信號(hào)與視頻信號(hào)圖像的比較，它接近于每個(gè)脈沖周期少于一個(gè)金屬液滴的情況。圖中所用的條件包括1.0mm粗的鋁可消耗電極，它離工作部件約18mm；保護(hù)氣體為氬氣；脈沖電流155A，脈沖周期2.5ms，基底電流20A，基底周期6ms，送絲速度4.1m/min。
正如本發(fā)明中所用的，可訓(xùn)練系統(tǒng)是程序、算法或其它分析方法，而數(shù)據(jù)以訓(xùn)練組的形式輸入此可訓(xùn)練系統(tǒng)，通過(guò)此訓(xùn)練組，可訓(xùn)練系統(tǒng)能“學(xué)習(xí)”，從而用來(lái)決定模式，并根據(jù)對(duì)那些與訓(xùn)練組中相似的未知量的分析允許對(duì)結(jié)果作出預(yù)言?？捎?xùn)練系統(tǒng)可以是一種軟件程序，一種作為編碼裝入硬件的算法，如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；一種硬件算法，如用戶微處理器；或是它們的結(jié)合，等等。未知實(shí)例的“學(xué)習(xí)”和分析可通過(guò)許多方法中的任意一種來(lái)進(jìn)行，這些方法包括使用支援矢量機(jī)器(SVM)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類和回歸分析(CART)、貝耶松網(wǎng)絡(luò)或其它算法、軟件程序或者它們的結(jié)合。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種可訓(xùn)練系統(tǒng)，它是簡(jiǎn)單的處理元素、單元或那些在功能上有點(diǎn)象生物神經(jīng)原的節(jié)點(diǎn)間的相互聯(lián)系。每個(gè)處理元素(“神經(jīng)原”)將一些加權(quán)輸入的疊加(“突觸”)用非線性轉(zhuǎn)化函數(shù)(如S形函數(shù))轉(zhuǎn)化為輸出。作為結(jié)果，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被描述為平行分布式處理器。
在本發(fā)明中，可以使用許多不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括如線性適應(yīng)元(Adaline)網(wǎng)絡(luò)、反向傳播(back-propagation)網(wǎng)絡(luò)、霍普費(fèi)爾德模式、雙向聯(lián)想記憶網(wǎng)絡(luò)、玻爾茨曼機(jī)器、逆向傳播(counter-propagation)網(wǎng)絡(luò)、自組織圖、自適應(yīng)共振理論網(wǎng)絡(luò)、概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，等等。如可參閱Masters，T.的“實(shí)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式”(New york，John Wiley，1993)一書(shū)，它的全部論述在此引入作為參考。更具體的是使用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有某些好處，它包括快的訓(xùn)練速度，對(duì)追加的事例訓(xùn)練容易，處理嘈雜的或不連續(xù)數(shù)據(jù)的能力強(qiáng)，對(duì)數(shù)據(jù)(如模式)的分類有較好的性能。如可參閱Specht，D.F.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Vol.3(1990)109-118；U.S.6,442,536；U.S.5,554,273和U.S.5,327,357，它們的全部論述在此引入作為參考。
概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種除了有輸入和輸出層外還包括二個(gè)隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它用來(lái)對(duì)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)相關(guān)的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。
例如，圖8顯示的是某種概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種具體的數(shù)學(xué)模式圖。圖中代表性地將m個(gè)輸入用矢量a表示(即a＝{a1，a2，…aj，…am})，它們通過(guò)輸入權(quán)重矩陣W與在第一個(gè)隱層或稱為模式層中的n個(gè)神經(jīng)原相連，其中輸入權(quán)重矩陣W為W=w1,2w1,2···w1,m···wj,1wj,2···wj,m···wn,1wn,2···wn,m]]>矩陣W的n×m個(gè)權(quán)重元素是從訓(xùn)練數(shù)據(jù)演變而來(lái)的。第一層計(jì)算輸入和訓(xùn)練數(shù)據(jù)間的差距，用來(lái)為該層產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)輸入矢量t(即t＝{t1，t2，…tj，…tn})，如t＝||Wj-a||b＝{t1，t2，…tj，…tn}如上式所示，每個(gè)元素tj的計(jì)算可以包括乘上一個(gè)偏置調(diào)節(jié)bj(即偏置矢量b＝{b1，b2，…bj，…bn}的一個(gè)元素)來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)神經(jīng)原的靈敏度。
然后，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸入tj被轉(zhuǎn)移函數(shù)所作用，此函數(shù)以非線性函數(shù)如S形函數(shù)或徑向基函數(shù)為好，其中尤以徑向基函數(shù)作為轉(zhuǎn)移函數(shù)為最好。如rj=f(tj)=e-(tjσ)2]]>轉(zhuǎn)移函數(shù)的作用是為每個(gè)神經(jīng)原計(jì)算輸出rj，它代表輸入數(shù)據(jù)接近訓(xùn)練數(shù)據(jù)的概率。因此，第一層的輸出集合由輸出矢量r來(lái)表示，即r＝{r1，r2，…rj，…rn}。那些接近于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸入將會(huì)產(chǎn)生接近于轉(zhuǎn)移函數(shù)最大值的輸出；而那些遠(yuǎn)離訓(xùn)練數(shù)據(jù)的輸入將會(huì)產(chǎn)生接近于零的輸出。接近于幾個(gè)訓(xùn)練輸入值的輸入將會(huì)從幾個(gè)神經(jīng)原產(chǎn)生大的輸出。參數(shù)σ是偏置函數(shù)的散度，較大的散度值將會(huì)使較多的神經(jīng)原來(lái)響應(yīng)一個(gè)輸入，較窄的散度將會(huì)導(dǎo)致從較少的神經(jīng)原產(chǎn)生較為特定的響應(yīng)。
在第二層中的p個(gè)神經(jīng)原，這一層也可認(rèn)為是響應(yīng)于p種分類、即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降寞B加層，輸入數(shù)據(jù)靠它進(jìn)行分類。第一層通過(guò)層權(quán)重矩陣W’與疊加層相連，矩陣W’表示為W,=w1,2w1,2···w1,n···wk,1wk,2···wk,n···wp,1wp,2···wp,n]]>矩陣W’由p個(gè)元素的n列矢量組成，其中每個(gè)矢量有一個(gè)1，它相應(yīng)于p種分類中為1的元素，而其余則為0。矩陣w’和前一層輸出r的乘積產(chǎn)生輸入到疊加層的網(wǎng)絡(luò)輸入矢量t’，矢量t’表示為t’＝W’r＝{t’1，t’2，…t’k，…t’p}因此，輸入到每個(gè)第二層神經(jīng)原的網(wǎng)絡(luò)輸入t’k表示的是輸入數(shù)據(jù)代表p種分類中的某種特定分類k的概率。
在第二層中的轉(zhuǎn)移函數(shù)決定如何輸出此分類信息。如，第二層轉(zhuǎn)移函數(shù)是一競(jìng)爭(zhēng)函數(shù)，它對(duì)所有概率進(jìn)行排列，并將最大概率值指定為1，而將其它概率值指定為0。這樣，輸出就代表分類，也即概率神經(jīng)網(wǎng)路為輸入數(shù)據(jù)定出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。因此，概率神?jīng)網(wǎng)絡(luò)接受輸入數(shù)據(jù)，將輸入數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出輸入數(shù)據(jù)在任何一種特定分類也即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ街械母怕?，然后將其指派到基于概率的分類中?br> 在本領(lǐng)域中那些普通的熟練人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到涉及在可訓(xùn)練系統(tǒng)中的方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以表現(xiàn)為是一種包含計(jì)算機(jī)可使用介質(zhì)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。例如，這種計(jì)算機(jī)可使用介質(zhì)可以包括可讀取的存儲(chǔ)裝置，如固態(tài)存儲(chǔ)裝置、硬驅(qū)動(dòng)裝置、CD-ROM、DVD-ROM或計(jì)算機(jī)軟盤，這些可讀取的存儲(chǔ)裝置已存有計(jì)算機(jī)可讀出的程序編碼段。計(jì)算機(jī)可讀取介質(zhì)還能包括通信或傳輸介質(zhì)，如信息通路或通信線路，它們可以是光學(xué)的、有線的，也可以是無(wú)線的，它們帶有作為數(shù)字或模擬數(shù)據(jù)信號(hào)的程序編碼段。
關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的有效訓(xùn)練的一個(gè)方面是要能捕捉住數(shù)據(jù)中的一般趨向而不對(duì)數(shù)據(jù)作過(guò)分的擬合，以保證網(wǎng)絡(luò)的通用性。為達(dá)到這一目的，受訓(xùn)練的數(shù)據(jù)通常被分成訓(xùn)練組和確認(rèn)組。通過(guò)不斷地調(diào)整權(quán)重和加入處理元素來(lái)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，直至它的性能對(duì)訓(xùn)練組達(dá)到最小判斷標(biāo)準(zhǔn)，然后用確認(rèn)組由網(wǎng)絡(luò)的性能來(lái)對(duì)它的通用性作出評(píng)價(jià)。
在此系統(tǒng)中，訓(xùn)練組包括與經(jīng)驗(yàn)的液滴轉(zhuǎn)移模式相關(guān)的信號(hào)實(shí)例。每一實(shí)例包含一種與脈沖和經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式相應(yīng)的信號(hào)的表達(dá)，如每個(gè)脈沖一個(gè)液滴，它是由考察此脈沖的高速視頻信號(hào)圖像定出來(lái)的。信號(hào)的表達(dá)可以是單個(gè)的脈沖，也可以是帶有由多重脈沖組成的窗的脈沖樣本，或是來(lái)自多重脈沖樣本的代表性脈沖，作為多重脈沖平均的單個(gè)脈沖，等等。信號(hào)通常以分立的形式來(lái)表示，如一個(gè)脈沖可被分成若干個(gè)均等的段，而每段又可簡(jiǎn)化為抽象的參數(shù)，如平均信號(hào)參數(shù)和斜率參數(shù)。確認(rèn)組在形式上與訓(xùn)練組相同，但它是由在相同條件下收集到的不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。
網(wǎng)絡(luò)的輸出是一個(gè)或多個(gè)控制標(biāo)志的集合，這些標(biāo)志表示的是用于電源的控制參數(shù)。如一個(gè)系統(tǒng)能用3個(gè)標(biāo)志，其中一個(gè)標(biāo)志是默認(rèn)狀態(tài)，即經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式與目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式相符合，不用改變控制參數(shù)。第二個(gè)標(biāo)志相應(yīng)于與目標(biāo)模式不與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ较喾绠?dāng)目標(biāo)模式是每個(gè)脈沖一個(gè)液滴時(shí)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絽s是每個(gè)脈沖少于一個(gè)液滴。在此實(shí)例中，控制動(dòng)作是在脈沖周期內(nèi)增量的增加。第三個(gè)標(biāo)志相應(yīng)于每個(gè)脈沖多于一個(gè)液滴的情況，并帶有在脈沖周期內(nèi)增量減少的控制動(dòng)作。還能用附加的標(biāo)志對(duì)控制輸出提供較小的增量，或?qū)Σ煌膮?shù)提供獨(dú)立的控制輸出。
下述實(shí)例用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)具體的實(shí)施方案，但不打算它以任何方式限制本發(fā)明。
圖9顯示的是帶有傳感器的一種具體焊接裝置410。傳感器腔體412裝在與焊槍414相連的位置。如圖所示，此傳感器腔體可裝在焊槍上面或接近焊槍的地方。合適的安裝硬件可提供定位調(diào)節(jié)，如傳感器與電弧軸之間的距離416、傳感器與金屬底盤間的高度418和工作角420的調(diào)節(jié)。在實(shí)際操作中，傳感器腔體的位置要調(diào)節(jié)到能確保傳感器獲得足夠大的信號(hào)。
圖10顯示的是一種具體的傳感器腔體412的剖面圖。傳感器二極管510裝在氧化鋁套512內(nèi)。中性密度過(guò)濾器514(用斜紋線號(hào)10表示)如在焊接護(hù)目鏡中所用的那種，與傳感器的前端相接觸，此過(guò)濾器能防止傳感器接受到過(guò)強(qiáng)的光和熱，并可阻擋掉在焊接過(guò)程中從傳感器腔濺射出的金屬。
用來(lái)測(cè)量焊接過(guò)程發(fā)出的光的光電二極管傳感器的選擇要使得此光電二極管能工作在它的響應(yīng)曲線的線性區(qū)，也就是使它的最大增益能覆蓋住所指的焊接過(guò)程發(fā)出的信號(hào)。在此實(shí)例中，所用的傳感器是TIL 78，它是一種高速的硅PIN光電二極管，其技術(shù)指標(biāo)為峰波長(zhǎng)＝890nm；光電流(最大)＝28.5μA；暗電流(最大)＝60nA；上升/下降時(shí)間＝5nS；功率耗散＝100mW；接受角＝120°；電容(VR＝20V)＝4pF；工作溫度＝-40℃a+100℃。
傳感器產(chǎn)生的電流可由信號(hào)接口放大并數(shù)字化，它可以是本領(lǐng)域中技術(shù)人員所熟知的許多獲取系統(tǒng)中的任意一種，如用戶信號(hào)接口、軟件包或可為個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC機(jī))配置模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)獲取插件的軟件等。如市售的可用產(chǎn)品包括軟件包，如帶有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱4.0.2的MATLAB 6.5(The MathWorks，Inc.Natick，MA的產(chǎn)品)，或一種硬件/軟件相結(jié)合的系統(tǒng)，如NIPCI-6071E模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)獲取插件與LabVIEW軟件的結(jié)合(二者均為美國(guó)德克薩斯州奧斯汀國(guó)家儀器公司的產(chǎn)品)。
圖11顯示的是一種具體的信號(hào)獲取模塊中某一部分的電路圖。在此電路610中，來(lái)自光電二極管傳感器510的電流信號(hào)被運(yùn)算放大器612如1NA114放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。此運(yùn)算放大器的增益由一可變電阻614來(lái)調(diào)節(jié)，以免輸出信號(hào)飽和。在此實(shí)例中，作為此運(yùn)算放大器612輸出信號(hào)的合適的輸出電壓水平約是放大器電源電壓(10-12V)的10％(～1V)。
第二個(gè)運(yùn)算放大器616，在此實(shí)例中用的是LM741，是用來(lái)對(duì)增益作微調(diào)的。還用可變電阻618來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓信號(hào)和輸出電壓信號(hào)之間的增益。通過(guò)常規(guī)試驗(yàn)，這二個(gè)可變電阻能調(diào)到使與基底電流和脈沖電流相應(yīng)的光電二極管信號(hào)的極值落在每個(gè)運(yùn)算放大器的線性區(qū)。此外，該電路還提供一個(gè)5-9V的電源620、一個(gè)984Ω的固定電阻622、一個(gè)63V，47μF的電容器624、一個(gè)559Ω的固定電阻626和一個(gè)63V，47μF的電容器628，信號(hào)在630輸出。
圖12顯示的是一種具休的信號(hào)獲取模塊中的模擬-數(shù)字處理電路的方框圖。在信號(hào)獲取模塊710中，輸出630被一低通濾波器712(截止頻率2KHz)調(diào)節(jié)并放大到適合模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器714的量程(±10V)，這能防止由于輸入信號(hào)頻率高于獲取能力而造成的失真現(xiàn)象。在此實(shí)例中，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器714用的是ADS7806，它是一種12位的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。對(duì)此實(shí)例來(lái)說(shuō)，12位的分辨率已足夠用來(lái)收集相關(guān)的信息，但它能用于更高的采樣速率。數(shù)字輸出信號(hào)或是可以送到PC機(jī)的并行端口716用於顯示，或是送到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
如果數(shù)據(jù)送到PC機(jī)，在該領(lǐng)域中熟知的許多數(shù)據(jù)顯示程序中的任何一種都能用來(lái)描繪和分析數(shù)據(jù)，如上述MATLAB軟件。此外，也可寫(xiě)一種專用程序用來(lái)將數(shù)據(jù)圖形化。在這些情況下，與目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式的識(shí)別可由受過(guò)訓(xùn)練的用戶來(lái)完成。用戶可以修改脈沖電源的參數(shù)，直至經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式信號(hào)看起來(lái)與目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式信號(hào)相一致。
然而，在此實(shí)例中，脈沖電源參數(shù)的自動(dòng)控制由利用上述MATLAB軟件產(chǎn)生的一種雙層概率人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供。
在此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)據(jù)組，一為訓(xùn)練數(shù)據(jù)組，另一為確認(rèn)數(shù)據(jù)組，每一個(gè)數(shù)據(jù)組包含700個(gè)脈沖的信息。用幾批實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取原始的信號(hào)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)中用下述一個(gè)或多個(gè)參數(shù)氣體類型(純氬氣，Ar+2％O2，Ar+4％CO2，Ar+8％CO2，Ar+5％O2，Ar+3％CO2+2％N2，)，可消耗電極的組成(普通碳鋼、不銹鋼和鋁)，可消耗電極尺寸(直徑1.0mm和1.2mm)，焊接位置(平的和架空的)，焊接外形(焊珠在板上形和溝槽形)。電源參數(shù)要這樣來(lái)設(shè)置，使得脈沖周期能通過(guò)圍繞目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式，即每個(gè)脈沖一個(gè)液滴的轉(zhuǎn)移模式范圍，即從每個(gè)脈沖少于一個(gè)液滴到每個(gè)脈沖多于一個(gè)液滴來(lái)改變。
各實(shí)驗(yàn)間的實(shí)驗(yàn)條件是不同的，在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)數(shù)據(jù)組和傳感器信號(hào)是由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)參數(shù)值來(lái)調(diào)節(jié)的，這將導(dǎo)致不同模式的識(shí)別，如下所述每個(gè)周期分成5個(gè)相等的段，每段計(jì)算出二個(gè)值一為脈沖電流分散度D，它是段平均電流與該周期的最大電流的比值；另一是斜率S，也即信號(hào)隨時(shí)間的變化速率。原始的傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)在放入每個(gè)數(shù)據(jù)組中之前要作處理。為避免由瞬態(tài)信號(hào)和噪聲帶來(lái)的問(wèn)題，傳感器信號(hào)數(shù)據(jù)要在樣本窗內(nèi)獲取，在此實(shí)例中，樣本窗內(nèi)包含10個(gè)脈沖。在一個(gè)窗內(nèi)的每個(gè)脈沖周期分別作處理，即數(shù)據(jù)被分離成分立的脈沖周期。因此，在此實(shí)例中每個(gè)脈沖周期產(chǎn)生5×2＝10個(gè)值，這些值放在一起組成一種模式。再對(duì)每個(gè)樣本窗內(nèi)的10個(gè)脈沖周期的所有模式進(jìn)行排列，選擇最共有的模式作為整個(gè)樣本窗的代表。
實(shí)際的液滴脫落行為通過(guò)高速視頻信號(hào)成像(high speedvideography)記錄下來(lái)。用一專用的計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行視頻信號(hào)成像，此系統(tǒng)能自動(dòng)地將圖像與傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。此系統(tǒng)包括一個(gè)用來(lái)照亮焊接區(qū)域的氦-氖激光器，并由一臺(tái)每秒2000幀的攝像機(jī)來(lái)捕獲生成的圖像。此視頻信號(hào)成像術(shù)的細(xì)節(jié)在Bálsamo，PSS；Vilarinho，LO；Vilela，M；Scotti，A.International Journal ofMaterials，Vol.12，(2000)pp.1-12一文中有詳細(xì)描述，該文的全部論述在此引入作為參考。
定出一系列控制標(biāo)志用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在此實(shí)例中，經(jīng)驗(yàn)的液滴轉(zhuǎn)移模式分為以目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式為中心的7個(gè)控制標(biāo)志。目標(biāo)模式是每個(gè)脈沖一個(gè)液滴，它約在脈沖周期的中心轉(zhuǎn)移。在為后續(xù)脈沖控制脈沖周期方面來(lái)說(shuō)，這些標(biāo)志則指示系統(tǒng)應(yīng)作什么改變?nèi)绻枰脑挕?biāo)志1-3指示脈沖周期應(yīng)更長(zhǎng)，而標(biāo)志5-7指示脈沖周期應(yīng)更短，標(biāo)志4是默認(rèn)條件，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c目標(biāo)模式一致。使用這些標(biāo)志和上述高速視頻信號(hào)圖像，在訓(xùn)練和確認(rèn)數(shù)據(jù)組中的每個(gè)脈沖的液滴轉(zhuǎn)移模式，即每個(gè)脈沖的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式，得以分類。
表1用于液滴轉(zhuǎn)移模式分類的標(biāo)志標(biāo)志1 每個(gè)脈沖少于一個(gè)液滴，脈沖周期比理想的要短得多(液滴在下一個(gè)基底周期或甚至在另外的脈沖之后再脫落)；控制動(dòng)作對(duì)下個(gè)脈沖周期加3ms。
標(biāo)志2 每個(gè)脈沖少于一個(gè)液滴，脈沖周期比理想的要短，但仍接近于每個(gè)脈沖一個(gè)液滴的條件(液滴通常在下一個(gè)基底周期脫落，而有時(shí)正好在每隔一個(gè)脈沖時(shí)脫落)；控制動(dòng)作對(duì)下個(gè)脈沖周期加2ms。
標(biāo)志3 每個(gè)脈沖一個(gè)液滴，其脈沖周期比理想的要略短些(液滴正好在脈沖末端時(shí)脫落，這是最理想的條件)；控制動(dòng)作對(duì)下個(gè)脈沖周期加1ms。
標(biāo)志4 每個(gè)脈沖一個(gè)液滴，具有理想的脈沖周期(液滴在脈沖的中心脫落，這是所需要的條件)。
標(biāo)志5 每個(gè)脈沖一個(gè)液滴，其脈沖周期比理想的要略長(zhǎng)些(液滴在脈沖起始時(shí)脫落)；控制動(dòng)作對(duì)下個(gè)脈沖周期減1ms。
標(biāo)志6 每個(gè)脈沖多于一個(gè)液滴，其脈沖周期比理想的要長(zhǎng)，但仍接近于每個(gè)脈沖一個(gè)液滴的條件(通常一個(gè)液滴在脈沖期間脫落，而另一個(gè)液滴在基底期間脫落，有時(shí)在一個(gè)脈沖周期內(nèi)有二個(gè)液滴脫落)；控制動(dòng)作對(duì)下個(gè)脈沖周期減2ms。
標(biāo)志7 每個(gè)脈沖多于一個(gè)液滴，其脈沖周期比理想的要長(zhǎng)得多(通常在脈沖周期內(nèi)和脈沖后液滴要脫落二次或更多次)；控制動(dòng)作對(duì)下個(gè)脈沖周期減3ms。
由已表征的原始數(shù)據(jù)和指定的控制標(biāo)志產(chǎn)生出二個(gè)數(shù)據(jù)組，即訓(xùn)練組和確認(rèn)組。表2顯示的是在此實(shí)例中所用的二個(gè)數(shù)據(jù)組的結(jié)構(gòu)。每個(gè)記錄含有從上述10-脈沖樣本窗選出的代表性的脈沖模式，即從每段數(shù)據(jù)中計(jì)算出的分散度(D)和斜率(S)值。因此數(shù)據(jù)組中的每個(gè)記錄包含10個(gè)表示特征的號(hào)碼加上指定的控制標(biāo)志。需收集足夠的數(shù)據(jù)來(lái)為每個(gè)數(shù)據(jù)組提供大量的脈沖記錄，在此實(shí)例中每組有700個(gè)脈沖記錄。當(dāng)每個(gè)數(shù)據(jù)組內(nèi)各次實(shí)驗(yàn)間的條件有變化時(shí)，兩個(gè)數(shù)據(jù)組之間條件的變化范圍是相同的。
表2數(shù)據(jù)組結(jié)構(gòu)實(shí)例記錄# 123 …… 700段#1 D1，1D1，2D1，3……D1，700S1，1S1，2S1，3……S1，700段#2 D2，1D2，2D2，3……D2，700S2，1S2，2S2，3……S2，700段#3 D3，1D3，2D3，3……D3，700S3，1S3，2S3，3……S3，700段#4 D4，1D4，2D4，3……D4，700S4，1S4，2S4，3……S4，700段#5 D5，1D5，2D5，3……D5，700S5，1S5，2S5，3……S5，700控制標(biāo)志153 …… 4圖13是此實(shí)例中所用的具體概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)圖。在概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)810中，輸入層812送出有m＝10個(gè)輸入組成的集合，它們對(duì)應(yīng)于10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，也即5個(gè)D值和5個(gè)S值；它們被送到含有n＝10個(gè)神經(jīng)原的模式層814，模式層814連接到P＝7個(gè)神經(jīng)原的疊加層816，此疊加層中的7個(gè)神經(jīng)原相應(yīng)于描述數(shù)據(jù)的7種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。輸出?18收集由累加轉(zhuǎn)移函數(shù)所產(chǎn)生的分類，并將相應(yīng)于已分類的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降目刂茦?biāo)志送到輸出820。
用訓(xùn)練數(shù)據(jù)組來(lái)訓(xùn)練概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。隨后，用確認(rèn)數(shù)據(jù)組來(lái)確保受過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能以可接受的準(zhǔn)確度來(lái)識(shí)別新的信號(hào)，而不要使此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受過(guò)度的訓(xùn)練。對(duì)此實(shí)例中的確認(rèn)狀況而言，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)言的標(biāo)志與在確認(rèn)的數(shù)據(jù)中指定的實(shí)際標(biāo)志間的符合程度大于90％，常常還大于98％。
然后，在帶電試驗(yàn)中此受過(guò)訓(xùn)練的系統(tǒng)就被用來(lái)操作焊接電源。此系統(tǒng)能容易地改變脈沖周期參數(shù)，從而將經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式改變?yōu)樾拚Ｊ剑罱K保持每個(gè)脈沖一個(gè)液滴這個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式。系統(tǒng)的性能可通過(guò)隨時(shí)地比較傳感器信號(hào)與焊接過(guò)程的高速視頻信號(hào)圖像來(lái)檢驗(yàn)，用此圖像很容易觀察到從任何一種經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式到目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式間的轉(zhuǎn)移模式的改變。
實(shí)驗(yàn)也可作這樣改變，即將信號(hào)直接送到顯示器，而不用或外加上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在此情況下，一個(gè)受過(guò)訓(xùn)練的操作者能將信號(hào)與示于圖4A-E的信號(hào)圖進(jìn)行比較。操作者改變電源的脈沖周期從而將經(jīng)驗(yàn)的(顯示出的)轉(zhuǎn)移模式改變?yōu)樾拚哪Ｊ剑罱K達(dá)到與每個(gè)脈沖一個(gè)液滴這一目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式相一致。同樣，系統(tǒng)的性能可容易地通過(guò)隨時(shí)地比較傳感器信號(hào)與焊接過(guò)程的高速視頻信號(hào)圖像來(lái)檢驗(yàn)。
在一種經(jīng)過(guò)改變的方案中，只用三個(gè)標(biāo)志，即增量動(dòng)作、減量動(dòng)作和沒(méi)有動(dòng)作，如上述的標(biāo)志3、4和5。大數(shù)量的標(biāo)志能給出更為精細(xì)的控制，但不太健全，即較難在新的系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)。
在另一種經(jīng)過(guò)改變的方案中，只用二個(gè)標(biāo)志，即沒(méi)有動(dòng)作和既可作增量動(dòng)作也可作減量動(dòng)作的調(diào)節(jié)。例如，如果經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式就是目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式，則沒(méi)有動(dòng)作；如果經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式不是目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式，則系統(tǒng)就“猜測(cè)”一種方向作調(diào)節(jié)，或是增加或是減少。如果在限定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有達(dá)到目標(biāo)模式，就朝相反方向作調(diào)節(jié)。
在還有一種經(jīng)過(guò)改變的方案中，樣本窗的大小是變化的，可在每個(gè)窗1-40個(gè)脈沖間作選擇。我們發(fā)現(xiàn)，如脈沖數(shù)較少會(huì)導(dǎo)致控制不很健全，即系統(tǒng)比較容易受瞬變過(guò)程和噪聲的影響；如脈沖數(shù)較多，系統(tǒng)的控制就較健全，但控制動(dòng)作會(huì)較慢；如果脈沖數(shù)變得明顯大于40，則會(huì)導(dǎo)致控制的不穩(wěn)定。
另一種改變方案是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)電阻R1和R2來(lái)改變接口的增益。也可將自動(dòng)增益電路與第二個(gè)光傳感器相結(jié)合，根據(jù)電弧發(fā)出的總光來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)電阻。
還有另一種改變方案是使用更為通用的系統(tǒng)。它不用每次為一些選定的條件(給定的電極尺寸、材料、氣體組成)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而是在同一時(shí)間內(nèi)為寬廣范圍的期望條件對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作訓(xùn)練。此方案一般需做較多的實(shí)驗(yàn)，有較大的訓(xùn)練和確認(rèn)數(shù)據(jù)組和需較長(zhǎng)的訓(xùn)練時(shí)間，但它所產(chǎn)生的受過(guò)訓(xùn)練的系統(tǒng)能在寬得多的條件范圍內(nèi)控制焊接過(guò)程。
雖然已參照具體的實(shí)施方案對(duì)所述系統(tǒng)作了具體描述，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在形式上和細(xì)節(jié)上仍可作出各種變更而不偏離本發(fā)明的范圍，后者被包含在所附的權(quán)利要求中。例如，本發(fā)明的方法可用於各種各樣環(huán)境中，而不限于所描述的環(huán)境。
權(quán)利要求
1.一種適用于控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的方法，它包括探測(cè)在電弧焊接脈沖期間發(fā)出的信號(hào)；使用可訓(xùn)練的系統(tǒng)來(lái)識(shí)別來(lái)自信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式；定出脈沖電源參數(shù)組，為后續(xù)脈沖產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式；用所述參數(shù)組來(lái)控制電源。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述信號(hào)是一種輻射通量信號(hào)。
3.權(quán)利要求2的方法，其中靠它約有90％的脈沖是在每個(gè)脈沖期間只有一個(gè)金屬液滴轉(zhuǎn)移。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述參數(shù)組包含至少一個(gè)選自脈沖電流、脈沖電壓、基底電流、脈沖周期、頻率和基底周期的值。
5.權(quán)利要求4的方法，其中修正轉(zhuǎn)移模式是通過(guò)控制脈沖周期來(lái)產(chǎn)生的。
6.權(quán)利要求5的方法，其中經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式包括不確定的液滴轉(zhuǎn)移行為。
7.權(quán)利要求5的方法，其中可訓(xùn)練的系統(tǒng)是一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
8.一種控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的方法，它包括探測(cè)在電弧焊接脈沖期間發(fā)出的輻射通量信號(hào)；使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別來(lái)自信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式；定出脈沖周期增量，為后續(xù)脈沖產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式；用脈沖周期增量來(lái)控制電源，靠它至少約90％的脈沖是在每個(gè)脈沖期間只有一個(gè)金屬液滴轉(zhuǎn)移。
9.一種訓(xùn)練用于控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，它包括為許多脈沖事例產(chǎn)生訓(xùn)練數(shù)據(jù)和確認(rèn)數(shù)據(jù)，其中每個(gè)事例包括在至少一個(gè)電弧焊接脈沖期間發(fā)出的信號(hào)的表達(dá)；此脈沖的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式；產(chǎn)生一組控制標(biāo)志，其中每個(gè)標(biāo)志包括相對(duì)于目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式的分類；對(duì)脈沖電源參數(shù)組中至少一個(gè)值的控制動(dòng)作；用訓(xùn)練參數(shù)、確認(rèn)參數(shù)和標(biāo)志訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，靠它使該網(wǎng)絡(luò)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)電弧焊接脈沖的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式；實(shí)施控制動(dòng)作，由此在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式；
10.權(quán)利要求11的方法，其中的信號(hào)是一種輻射通量信號(hào)。
11.權(quán)利要求12的方法，其中的目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式基本上由約90％的脈沖是每個(gè)脈沖期間有一個(gè)金屬液滴轉(zhuǎn)移所組成。
12.權(quán)利要求13的方法，其中的參數(shù)組包含一個(gè)選自脈沖電流、脈沖電壓、基底電流、脈沖周期、頻率和基底周期的值。
13.權(quán)利要求14的方法，其中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)控制脈沖周期來(lái)產(chǎn)生修正的轉(zhuǎn)移模式。
14.權(quán)利要求15的方法，其中的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式包含不確定的液滴轉(zhuǎn)移行為。
15.一種用于控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的裝置，它包括傳感器；控制器，它包括信號(hào)獲取模塊，靠它可獲取來(lái)自傳感器的信號(hào)；可訓(xùn)練系統(tǒng)，其中系統(tǒng)被訓(xùn)練用來(lái)識(shí)別來(lái)自信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式；為脈沖電源控制參數(shù)組，靠它在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式；用參數(shù)組來(lái)控制電源的控制接口。
16.權(quán)利要求17的裝置，其中的傳感器包含一個(gè)光電二極管。
17.權(quán)利要求18的裝置，其中的可訓(xùn)練系統(tǒng)是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
18.權(quán)利要求19的裝置，其中的信號(hào)獲取模塊包含一個(gè)放大器和一個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
19.權(quán)利要求20的裝置，其中的參數(shù)組包含一個(gè)選自脈沖電源、脈沖電壓、基底電流、脈沖周期、頻率和基底周期的值。
20.一種用來(lái)控制用于電弧焊接的脈沖電源的裝置，它包括一個(gè)受過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)識(shí)別在電弧焊接過(guò)程中發(fā)出的信號(hào)所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式；為電弧焊接脈沖電源定出參數(shù)組來(lái)產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。
21.一種在電弧焊接中用于手動(dòng)控制脈沖電源的裝置，它包括傳感器；控制器，它包括信號(hào)接口，靠它可獲取來(lái)自傳感器的信號(hào)；不斷升級(jí)的顯示器接口，靠它能顯示信號(hào)；顯示參考信號(hào)；顯示用于脈沖電源的參數(shù)組；用來(lái)改變參數(shù)組的輸入接口；將參數(shù)組用于脈沖電源的控制接口。
22.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，它包括計(jì)算機(jī)可讀取的介質(zhì)；由介質(zhì)所帶的指令，它能使計(jì)算機(jī)識(shí)別在電弧焊接過(guò)程中發(fā)出的信號(hào)所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式；定出用在電弧焊接脈沖電源上的參數(shù)組，從而產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。
23.一種適用于控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的系統(tǒng)，它包括用來(lái)探測(cè)在電弧焊接脈沖期間發(fā)出的信號(hào)的裝置；可訓(xùn)練的系統(tǒng)，它包括用來(lái)識(shí)別來(lái)自信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式的裝置；為在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式定出電源參數(shù)組的裝置；用參數(shù)組來(lái)控制電源的裝置。
24.一種控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的系統(tǒng)，它包括用來(lái)探測(cè)在電弧焊接脈沖期間發(fā)出的輻射通量信號(hào)的裝置；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它包括識(shí)別來(lái)自信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式的裝置；為在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式定出電源參數(shù)組的裝置；用脈沖周期增量來(lái)控制電源的裝置，靠它使至少約90％脈沖在每個(gè)脈沖期間只有一個(gè)金屬液滴轉(zhuǎn)移。
全文摘要
一種適用于控制脈沖電源電弧焊接過(guò)程的方法和裝置。一種可訓(xùn)練的系統(tǒng)能識(shí)別來(lái)自電弧焊接脈沖期間發(fā)出的信號(hào)所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)移模式，并能定出脈沖電源的參數(shù)組，從而通過(guò)控制電源的參數(shù)組，在后續(xù)脈沖中產(chǎn)生修正轉(zhuǎn)移模式。
文檔編號(hào)B23K9/09GK1655904SQ03811952
公開(kāi)日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月27日
發(fā)明者H·C·德米蘭達(dá), V·A·費(fèi)拉雷斯, A·斯科蒂 申請(qǐng)人:普萊克斯技術(shù)有限公司