管道组件焊接全生命周期数据追溯控制工作站及控制方法与流程

本发明属于追溯控制，具体涉及一种管道组件焊接全生命周期数据追溯控制工作站及控制方法。

背景技术：

1、在核电、石油化工等对安全性要求极高的领域，厚壁管道（如主蒸汽管道、冷却剂管道）的焊缝质量直接关系到一回路压力边界的完整性。现有技术在数据管理与全周期追溯方面存在以下显著瓶颈：

2、数据孤岛与断裂问题，现有的焊前组对测量、焊中过程监控、焊后无损检测（ndt）通常由不同设备独立完成，焊前错边量数据无法指导焊中热输入补偿，焊中电流电压波动无法关联至最终的射线探伤（rt）底片显示。建设期的制造数据无法为运行期的在役检查（isi）提供初始基准；在役检查缺乏高精度基准，核电站运行前的役前检查（psi）多依赖超声/射线扫描，且仅记录宏观几何尺寸。由于缺乏建设期焊缝内部层间填充形态和热输入历史的精确坐标化记录，在役检查发现微小信号变化时，难以判断是原始制造遗留的良性几何反射，还是服役中萌生的缺陷；现有技术虽能保证焊缝外观合格，但对于内部未熔合、层间夹杂的风险控制仍依赖于焊工经验和焊后无损检测，缺乏在焊接过程中对坡口填充体积偏差、热变形趋势与ndt缺陷概率之间关联性的实时量化分析；缺乏全周期状态监测闭环，焊接过程中的热循环历史（温度场分布、层间冷却时间）数据未被结构化存储和空间坐标绑定，一旦核电站在运行期间出现焊缝异常，追溯困难，无法实现从在役检查信号异常向建设期焊接热过程数据的反向溯源。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种能够为核电站全生命周期管理提供数字化支撑的智能焊接系统。具体目的包括：

2、构建焊缝数字孪生基准，将焊前组对几何特征、焊中层间填充轮廓、焊接电参数及环境数据按空间坐标进行精准绑定，形成与实体焊缝完全映射的初始制造数据档案；建立过程参数与无损检测的关联机制，通过建立填充状态特征向量与典型焊接缺陷（未熔合、气孔）的关联模型，实现焊接过程中对潜在ndt风险区域的预警；实现全流程状态监测与数据闭环，打破焊前、焊中、焊后数据壁垒，使得在役检查时的信号判读可溯源至建设期的具体焊接道次、层间温度及实时视觉轮廓数据。

3、本发明运用如下的技术方案。

4、一种管道组件焊接全生命周期数据追溯控制方法，包括：

5、步骤1：进行管道组件焊前的基准数据采集与数字化建档；

6、步骤2：进行管道组件的焊中多维状态数据实时记录与质量评价；

7、步骤3：执行管道组件的焊后数字孪生模型构建与在役检查基准报告生成。

8、进一步的，步骤1具体包括：

9、步骤1-1：基于坡口根部特征轴线的焊缝周向展开映射方法；

10、步骤1-2：执行基于结构校验和的焊缝唯一数字身份编码的生成方法；

11、步骤1-3：形成多维数据与空间网格的绑定存储结构。

12、进一步的，步骤1-1具体包括：

13、进行特征锚点定义，即在焊前组对扫描阶段，多模态视觉感知系统沿360°扫描获取全周错边量分布曲线及间隙分布曲线并传送至智能控制系统，智能控制系统自动识别的全局极大值点，并将该点定义为该焊缝的周向零位锚点=0°；

14、进行轴向基准面定义，即以坡口根部在轴向的最小二乘拟合平面作为轴向基准面z=0，焊缝轴线方向为z轴正方向；

15、展开映射规则，即以θ=0°为起点，沿逆时针方向将圆周焊缝展开为二维平面。内部空间网格映射公式为：grid(i,j)=point(z_i,θ_j)，其中z_i为距离基准面的轴向深度，θ_j为相对于特征锚点的周向角度。

16、进一步的，步骤1-2具体包括：

17、作为焊缝唯一数字身份编码的焊缝uid由四段组成，格式为机组号-系统码-焊缝分类号-校验码。

18、进一步的，步骤2具体包括：

19、步骤2-1：进行多维过程特征向量的结构化提取；

20、步骤2-2：构建基于代价敏感加权随机森林的缺陷概率预测模型；

21、步骤2-3：基于shap值的缺陷预测可解释性输出。

22、进一步的，步骤2-1具体包括：

23、针对每个grid(i,j)网格单元，智能控制系统提取以下所示的特征向量f(i,j)：

24、几何特征，其包括层间熔合角变化率dα/dθ、填充饱满度η=v_actual/v_theory、坡口侧壁咬边深度,其中α为层间熔合角，θ为焊缝的周向角度，v_actual为实际填充体积，v_theory为理论填充体积；

25、过程特征，其包括瞬时热输入修正系数k_heat=(u×i×60)/(v×1000)/hi_nominal、电弧电压变异系数cv_u=σ_u/μ_u，其中u为瞬时电弧电压，i为瞬时焊接电流，v为焊接行走速度，hi_nominal为预设的额定标准热输入，μ_u设定的为网格时段内电弧电压的均值，σ_u为电弧电压的标准差；

26、时序特征，其为该网格的层间冷却时间。

27、进一步的，步骤2-2具体包括：

28、进行训练数据集构建，即积累历史同材质、同规格管道的焊接数据，每道焊缝完成rt和相控阵ut检测后，由持证检验人员标注缺陷网格单元的位置和类型，将标注的缺陷网格单元作为正样本，随机抽取至少5倍数量的无缺陷网格单元作为负样本；

29、构建代价敏感权重矩阵，即针对核电行业对漏检的零容忍要求，构建加权矩阵，赋予漏报的惩罚权重为误报的5-10倍；

30、随后模型输出，即对每个网格单元输出三类结果，三类结果包括：正常、关注、高风险，当某区域连续3个以上的网格单元被判定为高风险时，系统触发焊接参数干预或焊后重点检测提示。

31、进一步的，步骤2-3具体包括：

32、对每个被判定为高风险的网格单元，输出各特征的shap贡献值排序。

33、进一步的，步骤3具体包括：

34、步骤3-1：进行层间轮廓曲线序列的采集与配准；

35、步骤3-2：执行焊缝内部层道界面线的提取方法；

36、步骤3-3：进行层道排布拓扑结构的记录与存储；

37、步骤3-4：进行数字孪生模型的映射与可视化。

38、进一步的，步骤3-1具体包括：

39、在每层每道焊道完成后，机器人携带激光轮廓传感器沿焊缝圆周扫描，获取当前剩余坡口的二维轮廓点集p_k={(r_i,z_i)}，其中k为扫描序号，r_i为径向坐标，z_i为轴向坐标，所有扫描数据统一配准至焊缝特征坐标系。

40、进一步的，步骤3-2具体包括：

41、系统通过相邻两次扫描轮廓的差分计算，提取新熔敷焊道的界面线：

42、进行焊道轮廓提取，即第k次扫描轮廓p_k与第k-1次扫描轮廓p_{k-1}在相同周向角度的径向差δr(θ)=r_k(θ)-r_{k-1}(θ)，若δr(θ)>0，则该段轮廓增量对应新焊道的截面，其中r_k(θ)为第k次扫描、周向θ位置的径向距离，r_{k-1}(θ)为第k-1次扫描、周向θ位置的径向距离；

43、进行熔合线识别，在p_{k-1}轮廓上识别曲率突变点和颜色或反射率异常点，作为熔合线界面的关键点。

44、一种管道组件焊接全生命周期数据追溯控制工作站，包括：

45、自动组对焊接变位系统，其包含自下而上顺序连接的底座、三轴伺服滑台及三爪自定心卡盘；

46、中心架支撑小车，其包含四爪自定心中心架、伺服驱动的移动小车及直线导轨副，直线导轨副设置在底座上，伺服驱动的移动小车可移动设置在直线导轨副上，四爪自定心中心架设置在伺服驱动的移动小车上；

47、六轴焊接机器人，其采用六轴关节机器人；

48、多模态视觉感知系统，其包括激光视觉传感器、辅助激光测距传感器和温度传感模块；

49、智能控制系统，其包含上位机与下位机的分布式控制架构，配备工业触摸屏人机交互界面。

50、进一步的，三爪自定心卡盘配备可拆卸的快换夹持模块，各可拆卸的快换夹持模块通过标准化快换接口连接。

51、进一步的，四爪自定心中心架由伺服电机通过丝杆和其连接的锥齿轮传动机构同步驱动，实现对管子的几何中心自定心夹紧。

52、进一步的，激光视觉传感器安装于六轴关节机器人的末端，内置高速cmos相机与蓝色或绿色激光器；

53、辅助激光测距传感器固定安装于自动组对焊接变位系统旁；

54、温度传感模块为非接触式红外测温或接触式热电偶，用于监测层间温度。

55、本发明的有益效果在于，和现有技术相比，本发明的技术效果包括：

56、本发明建立了从原材料到焊缝成品的全生命周期数字化档案，符合haf003及asmebpvc section iii对核电建造质量保证的数字化追溯要求。在役检查可靠性增强：提供了高精度的初始制造状态基准线。独特的特征锚点定位法确保建设期与运行期坐标系可重复对齐。经测算，该技术可将在役检查中不明信号判定为制造痕迹的比例提高，有效降低误判导致的非计划停堆风险。焊接质量评价从事后检测向过程预控转变，基于代价敏感学习的缺陷预测模型充分考虑核电行业对漏检零容忍的工程要求，模型预测结果通过shap方法具备可解释性，支撑人工复核决策。全周期数据闭环管理，实现了建设期质量控制数据向运行期在役检查的无缝流转，焊缝数字孪生模型可导入核电站plm系统，为延寿评估及数字化大修提供数据底座。