壓痕深度SVM 模型建立

支持向量機(jī)(support vector machine, SVM)是在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，它較好地解決了小樣本、非線性和高維模式識(shí)別、以及傳統(tǒng)神經(jīng)絡(luò)模式識(shí)別方法中難以解決的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇和局部極小點(diǎn)等實(shí)際問(wèn)題， 已被成功應(yīng)用于模式識(shí)別與故障診斷。SVM 的基本思想是通過(guò)定義適當(dāng)?shù)膬?nèi)積函數(shù)， 將訓(xùn)練數(shù)據(jù)從輸入空間非線性的映射到一個(gè)更高維的空間里， 使得樣本在該空間內(nèi)線性可分，之后求取最優(yōu)線性分類面。SVM 的性能主要受核參數(shù)和誤差懲罰因子C 的影響。懲罰因子C 用于確定數(shù)據(jù)子空間中置信范圍和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的比例， 通過(guò)調(diào)整特征空間中經(jīng)驗(yàn)誤差水平來(lái)影響學(xué)習(xí)機(jī)的推廣能力。

選取焊點(diǎn)壓痕深度的特征參量h、焊接電流I、電極壓力F 作為輸入向量，焊點(diǎn)實(shí)際壓痕深度hT為目標(biāo)向量，建立了壓痕深度的SVM 評(píng)判模型。輸入向量中各特征參量數(shù)據(jù)具有不同的物理意義和不同的量綱。這樣會(huì)造成在機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)始時(shí)各輸入分量地位重要性不等同，而使得訓(xùn)練誤差變大。為了克服該問(wèn)題在機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)始前采用最大最小值方法對(duì)輸入向量在[10～20]區(qū)間進(jìn)行歸一化，使得所有分量只表示相對(duì)大小。選取56 個(gè)焊點(diǎn)作為模型的訓(xùn)練樣本，提取各個(gè)焊點(diǎn)的h、I 和F，構(gòu)造模型輸入向量P=[56×3]。提取各個(gè)焊點(diǎn)的hT，構(gòu)造模型輸出向量T=[56×1]。選擇RBF 核函數(shù)g 為0.005524、懲罰因子C 為22.6274 時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，獲得了壓痕深度的回歸預(yù)測(cè)模型。利用測(cè)試樣本集對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。壓痕深度的回歸預(yù)測(cè)值hp和實(shí)際值hT的線性相關(guān)系數(shù)為0.9118，表明所建立的SVM 評(píng)判模型可以實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)壓痕深度的預(yù)測(cè) 。

采用高精度ZLDS102 激光位移傳感器搭建了電極位移信號(hào)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。傳感器通過(guò)專用裝置非接觸獲取電極位移信號(hào)， 上電極頭與反射板固定在一起，傳感器安裝在下電極頭上。激光位移傳感器發(fā)射的激光束經(jīng)反射板反射， 被內(nèi)部CMOS 線性陣列接收，根據(jù)反射光與陣列的角度及已知的激光源和陣列之間的距離， 即可利用三角測(cè)量原理計(jì)算出反射板的位移。通過(guò)提取焊接過(guò)程激光位移傳感器檢測(cè)到的反射板的位移， 獲得電極位移信號(hào)。采用VC 開(kāi)發(fā)的信號(hào)采集系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了電極位移信號(hào)采集、實(shí)時(shí)電極位移曲線顯示、數(shù)據(jù)保存和分析等功能。

對(duì)獲取的電極位移信號(hào)進(jìn)行消噪、去干擾等預(yù)處理，通過(guò)大量的點(diǎn)焊試驗(yàn)和電極位移曲線的對(duì)比分析表明，采集的電極位移曲線可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)熔核形成過(guò)程。

對(duì)于每個(gè)焊點(diǎn)所獲取的h 和hT之間都存在大約100 μm 幅度的恒定變化值， 這個(gè)變化值主要是由于相變體積力與電極壓力的合力加速度產(chǎn)生的。而壓痕深度反映的是焊點(diǎn)已成為穩(wěn)定固態(tài)下的表面變化量。因此，從電極位移信號(hào)獲取的h 能夠作為表征焊點(diǎn)壓痕深度的特征參量 。

借助激光位移傳感器能夠精確測(cè)量微小位移的特點(diǎn)，搭建了焊點(diǎn)壓痕深度計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。將焊件水平放置在載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)傳感器旋鈕改變激光傳感器到載物臺(tái)的距離，使被測(cè)試件在激光傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)； 通過(guò)調(diào)節(jié)載物臺(tái)旋鈕使載物臺(tái)平行移動(dòng)， 可實(shí)現(xiàn)試件的不同位置的測(cè)量。試件焊點(diǎn)表面區(qū)域在焊接時(shí)受到電極壓力的影響，金屬熱塑性變形，焊點(diǎn)表面呈現(xiàn)了4個(gè)不同特征區(qū)域環(huán)。1 環(huán)區(qū)為焊點(diǎn)的中心區(qū)，是在上下電極頭電、熱、力多種作用和拘束狀態(tài)下的熔核區(qū)表面呈像， 是焊點(diǎn)的壓痕區(qū)域；2環(huán)區(qū)是表面金屬被高溫氧化燒損形成的， 是焊點(diǎn)的熱影響區(qū)域；3 環(huán)區(qū)是母板上為測(cè)量壓痕深度劃定的區(qū)域。焊點(diǎn)壓痕深度(hT)是指焊接工件在電、熱、力耦合作用下, 焊接結(jié)束后電極在工件表面留下的凹坑深度。測(cè)量時(shí)，首先獲取壓痕區(qū)域(1 環(huán)區(qū))相對(duì)于激光傳感器探頭間的高度值，然后獲取母板(3 環(huán)區(qū))與激光傳感器的相對(duì)高度值，那么，二者的差值即為焊點(diǎn)的實(shí)際壓痕深度。由于母板受到加工精度與焊接過(guò)程的影響，可能存在翹曲或不平整。為了消除母板對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響， 采用多次重復(fù)測(cè)量求取的平均值hT作為該焊點(diǎn)壓痕深度的實(shí)際評(píng)定值。

通過(guò)大量焊接工藝試驗(yàn)與實(shí)際壓痕深度的相關(guān)分析表明，隨著焊接電流的增大，其熱輸入量增多，形成的熔核體積也會(huì)增大，在同樣的電極壓力下，可擠壓的體積變大，所形成的壓痕就會(huì)更深。而當(dāng)焊接電流一定時(shí)，隨著電極壓力的增大，焊點(diǎn)熔核形成時(shí)受到的束縛增加，形成的壓痕深度同樣也越深。另外，有些焊點(diǎn)壓痕出現(xiàn)了不同程度的陡降或陡升，這是由于對(duì)于一定的電流，當(dāng)電極壓力過(guò)大時(shí)，會(huì)將塑性環(huán)擠破，發(fā)生噴濺；反之，當(dāng)電極壓力過(guò)小時(shí)，膨脹的液態(tài)金屬會(huì)沖破塑性環(huán)，發(fā)生噴濺，最終都會(huì)損失一部分金屬，形成較深的壓痕；當(dāng)焊接電流和電極壓力匹配時(shí)，很少發(fā)生噴濺，形成相對(duì)較淺的壓痕。故焊接電流、電極壓力是影響焊點(diǎn)壓痕深度的主要因素，應(yīng)作為預(yù)測(cè)焊點(diǎn)壓痕深度的主要表征參量 。

電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)壓痕深度與其質(zhì)量密切相關(guān)，它對(duì)焊件的強(qiáng)度、承載能力和外觀質(zhì)量有很大的影響。無(wú)壓痕或壓痕太淺，表明接頭無(wú)形核或熔核太小，則其抗剪強(qiáng)度必不能達(dá)標(biāo)；壓痕太深，實(shí)際生產(chǎn)中往往將其判定為一種點(diǎn)焊接頭外觀缺陷。因此，焊點(diǎn)壓痕深度直接或間接地都可作為評(píng)價(jià)電阻點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的重要參數(shù)指標(biāo)。目前，汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)主要用焊后人工目測(cè)或顯微鏡測(cè)量的方法檢查壓痕深度。這種檢查方法效率低，受人為因素影響大，無(wú)法滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。研究表明，焊接過(guò)程中電極位移信號(hào)提供了豐富的熔核形成的信息，可作為在線監(jiān)測(cè)、評(píng)判焊點(diǎn)質(zhì)量狀態(tài)的信息源?；陔姌O位移信號(hào)特征提取，探索了一種焊點(diǎn)壓痕深度實(shí)現(xiàn)人工智能在線預(yù)測(cè)的方法 。

（1） 搭建的激光測(cè)量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電極位移信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和處理， 獲取的電極位移信號(hào)可以作為監(jiān)測(cè)熔核形成過(guò)程的信號(hào)源。焊點(diǎn)壓痕深度反映了熔核形成過(guò)程導(dǎo)致焊件表面的體積形態(tài)變化量?；陔姌O位移信號(hào)提取的特征參數(shù)可以作為焊點(diǎn)壓痕深度的表征參數(shù)。

（2） 以實(shí)際測(cè)定的焊點(diǎn)壓痕深度值hT為目標(biāo)向量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)性分析確定的特征參量h、焊接電流I、電極壓力F 作為輸入向量，建立了焊點(diǎn)壓痕深度的SVM 回歸預(yù)測(cè)模型。模型輸出的壓痕深度預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)定值間的線性相關(guān)度達(dá)到了91.18%。實(shí)際驗(yàn)證表明，采用熔核形成過(guò)程監(jiān)測(cè)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)壓痕深度的預(yù)測(cè) 。

中文名稱：壓痕深度

英文名稱：depth of indentation

定義：壓痕深度是焊件表面至壓痕底部的距離。壓痕深度的測(cè)量采用了獨(dú)特的自動(dòng)對(duì)零專用表，消除了人工對(duì)零所帶來(lái)的測(cè)量誤差。總試驗(yàn)力的施加、保持、卸除實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，消除了手動(dòng)操作所帶來(lái)的誤差。 2100433B

用于測(cè)量壓痕有關(guān)參數(shù)如深度、對(duì)角線長(zhǎng)度、壓痕直徑等的裝置。

中文名稱：壓痕硬度

英文名稱：indentation hardness

定義：壓痕硬度在規(guī)定的靜態(tài)試驗(yàn)力下將壓頭壓入材料表面，用壓痕深度或壓痕表面面積評(píng)定的硬度。 硬度是指材料抵抗外來(lái)機(jī)械作用力如刻畫(huà)、壓入、研磨等侵入的能力。早在遠(yuǎn)古時(shí)期人類就對(duì)材料硬度有所了解-----石器時(shí)代的人類選取硬度較高的石材制作狩獵工具。

在1822年，奧地利礦物學(xué)家FriedrichMohs（1773-1839）利用刮痕測(cè)試建立了莫氏硬度量表。此量表是利用滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、正長(zhǎng)石、石英、黃玉、剛玉及金剛石十種礦物相互刻劃，留下刻痕的礦物表示硬度較低，依此方法把軟硬程度訂為十級(jí)。

隨后于1900年，瑞典冶金學(xué)家JohanAugustBrinell（1849-1925）于巴黎國(guó)際展覽會(huì)中提出了布氏硬度測(cè)試法。此測(cè)試法使用很硬的標(biāo)準(zhǔn)鋼球施以一定的荷重壓入試驗(yàn)片的表面，使試驗(yàn)片留下球面的壓痕。這時(shí)所加的荷重以壓痕的球面表面積除之，所得的商就是布氏硬度。

在Brinell提出布氏硬度之后，Rockwell、Vickers、Knoop等人也利用不同幾何形狀的壓痕器如圓錐、三角錐等建立了其他硬度標(biāo)準(zhǔn)。布氏、洛氏及維克氏硬度為工業(yè)界廣泛應(yīng)用的硬度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。