RU2827116C1 - Welded joint identification method - Google Patents
Welded joint identification method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2827116C1 RU2827116C1 RU2023125785A RU2023125785A RU2827116C1 RU 2827116 C1 RU2827116 C1 RU 2827116C1 RU 2023125785 A RU2023125785 A RU 2023125785A RU 2023125785 A RU2023125785 A RU 2023125785A RU 2827116 C1 RU2827116 C1 RU 2827116C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- weld
- unidentified
- informative features
- database
- weld seam
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 56
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 31
- 230000006870 function Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000003466 welding Methods 0.000 claims description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 18
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000012706 support-vector machine Methods 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 2
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000004313 glare Effects 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 238000007637 random forest analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 230000009469 supplementation Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области неразрушающего контроля сварных соединений магистральных трубопроводов, а именно к автоматизированному анализу поверхности сварных соединений.The invention relates to the field of non-destructive testing of welded joints of main pipelines, namely to automated analysis of the surface of welded joints.
С целью точного и безальтернативного толкования описания заявленного изобретения приняты следующие определения:In order to accurately and exclusively interpret the description of the claimed invention, the following definitions have been adopted:
- под идентифицированным персонализированным сварным швом понимают сварной шов, автор которого известен;- an identified personalized weld seam is understood to mean a weld seam whose author is known;
- под неидентифицированным сварным швом понимают сварной шов, автор которого неизвестен;- an unidentified weld is a weld whose author is unknown;
- под идентифицированным сварщиком понимают сварщика, личность которого установлена;- an identified welder is understood to mean a welder whose identity has been established;
- под неидентифицированным сварщиком понимают сварщика, личность которого не установлена.- an unidentified welder is a welder whose identity has not been established.
В большинстве стран действуют государственные нормативные документы, регулирующие сварочные работы, проводимые на особо опасных объектах, к которым относится магистральный трубопровод. В соответствии с такими документами, выполнение работ должно сопровождаться определенными мерами предосторожности. В частности, рядом со сварным соединением должна стоять отметка (клеймо) специалиста, который его выполнил. Если окажется, что шов сделан с дефектом, то, визуально по данному клейму, используя материалы единой базы сварщиков, можно легко определить ФИО сотрудника, его должность, вид деятельности и разряд. Таким образом, повышение уровня ответственности каждого отдельного сварщика улучшает качество и надежность выполненных сварных швов. Идентификация сварщика в данном случае не представляется сложной. Тем не менее, существует проблема определения исполнителя сварного шва при отсутствии клейма на месте работ или, например, в случае возникновения конфликта между различными сторонами, например, заказчиком и исполнителем работ. Возникновение данной проблемы на магистральном трубопроводе, как особо опасном объекте, повышает риск аварийных ситуаций, в том числе, возгораний и загрязнений окружающей среды, из-за утечек нефти и нефтепродуктов, как следствие некачественного и безответственного выполнения работ неустановленным сварщиком. Следовательно, при идентификации сварщика на особо опасных объектах, цена ошибки такой идентификации слишком высока, так как влечет персональную ответственность сварщика за возможный причиненный ущерб.Most countries have national regulations governing welding work performed at particularly hazardous facilities, which include main pipelines. According to such documents, the work must be accompanied by certain precautions. In particular, a mark (brand) of the specialist who performed it must be placed next to the welded joint. If it turns out that the seam is made with a defect, then, visually, using this brand, using the materials of a single database of welders, you can easily determine the full name of the employee, his position, type of activity and category. Thus, increasing the level of responsibility of each individual welder improves the quality and reliability of the welds performed. Identification of the welder in this case does not seem difficult. However, there is a problem of determining the performer of the weld in the absence of a brand at the work site or, for example, in the event of a conflict between different parties, such as the customer and the contractor. The occurrence of this problem on the main pipeline, as a particularly dangerous object, increases the risk of emergency situations, including fires and environmental pollution, due to oil and oil product leaks, as a result of poor-quality and irresponsible performance of work by an unidentified welder. Consequently, when identifying a welder at particularly dangerous objects, the cost of an error in such identification is too high, since it entails personal liability of the welder for possible damage caused.
Известны различные методы анализа сварных швов:There are various methods of weld analysis:
- визуальный и измерительный контроль (проверка соответствия геометрических параметров сварных соединений требованиям нормативной, технической и проектной документации, обнаружение поверхностных (выходящих на поверхность) и сквозных дефектов сварных соединений типа трещин, подрезов, несплавлений, незаваренных кратеров, прожогов, неметаллических включений, расслоений и т.п. и определения их расположения, размеров и ориентации по поверхности);- visual and measuring control (checking the conformity of the geometric parameters of welded joints with the requirements of regulatory, technical and design documentation, detection of surface (reaching the surface) and through defects of welded joints such as cracks, undercuts, lack of fusion, unwelded craters, burns, non-metallic inclusions, delaminations, etc. and determination of their location, size and orientation on the surface);
- методы металлографического анализа (анализ структуры металла в зоне термического воздействия, что может помочь определить технологию сварки и тип используемых материалов);- methods of metallographic analysis (analysis of the metal structure in the heat-affected zone, which can help determine the welding technology and the type of materials used);
- спектральный анализ (определение элементного состава металла путем измерений спектральных линий).- spectral analysis (determination of the elemental composition of a metal by measuring spectral lines).
Каждый из данных методов имеет свои ограничения, и лучший результат достигается при использовании их комбинации. Все указанные методы исследуют характеристики сварных швов и используется, в основном, для определения уровня квалификации уже идентифицированных сварщиков в процессе их трудовой деятельности.Each of these methods has its limitations, and the best result is achieved by using a combination of them. All of these methods examine the characteristics of welds and are used mainly to determine the skill level of already identified welders in the course of their work.
Если автор сварного шва неизвестен, то его персонализация возможна только в определенных случаях. Например, если у сварщика есть уникальный стиль сварки, который проявляется в его работе на протяжении длительного времени. Известно, что к факторам, оказывающим влияние на формирование шва, и при этом зависящим от сварщика, можно отнести следующие: угол наклона электрода, амплитуда колебаний электрода, траектория движения электрода, скорость сварки. Чем больше амплитуда колебаний электрода, тем больше ширина шва, высота шва зависит от скорости сварки и траектории движения электрода. Если сварщик делает простые колебательные движения без длительной задержки на кромках, то высота шва будет наибольшей в центре и будет плавно уменьшаться к краям и к основному металлу. Так же, если не делать задержки на кромках, а выполнять движения в форме петелек, то эффект будет таким же, но изменится форма чешуек. Форма чешуек зависит от скорости сварки, подачи тока и т.д. С увеличением скорости происходит вытягивание чешуек с приданием им параболической формы, так как сварочная ванна будет меньше, чем при сварке с низкими скоростями, она быстрее будет застывать в хвостовой части сварного шва. Один и тот же сварщик может повторять дефекты, такие как подрезы, на протяжении одного шва или на разных швах.If the author of the weld is unknown, then its personalization is possible only in certain cases. For example, if the welder has a unique welding style, which is manifested in his work over a long period of time. It is known that the factors influencing the formation of the weld, and at the same time depending on the welder, include the following: the angle of the electrode, the amplitude of the electrode oscillations, the trajectory of the electrode movement, the welding speed. The greater the amplitude of the electrode oscillations, the greater the width of the weld, the height of the weld depends on the welding speed and the trajectory of the electrode movement. If the welder makes simple oscillatory movements without a long delay on the edges, then the height of the weld will be the greatest in the center and will smoothly decrease towards the edges and the base metal. Also, if you do not make a delay on the edges, but perform loop-shaped movements, the effect will be the same, but the shape of the scales will change. The shape of the scales depends on the welding speed, current supply, etc. With increasing speed, the scales are drawn out, giving them a parabolic shape, since the weld pool will be smaller than when welding at low speeds, it will solidify faster in the tail of the weld. The same welder can repeat defects, such as undercuts, along the same weld or on different welds.
При этом, для точной идентификации сварщика требуется проведение специальных экспертиз и трудоемкого сравнительного анализа с сопоставлением неидентифицированного сварного шва с идентифицированными персонализированными. В настоящее время, такой анализ проводят методом визуально-измерительного контроля (ВИК), недостатками которого являются высокая трудоемкость, низкая точность и достоверность, обусловленные большим влиянием человеческого фактора и отсутствием достаточной степени автоматизации процесса.At the same time, for precise identification of the welder, special examinations and labor-intensive comparative analysis with comparison of the unidentified weld with identified personalized ones are required. At present, such analysis is carried out by the visual-measuring control (VMC) method, the disadvantages of which are high labor intensity, low accuracy and reliability, due to the great influence of the human factor and the lack of a sufficient degree of automation of the process.
Из уровня техники известен способ прослеживания и ранжирования квалификации сварщиков (RU 2763708, опубл. 30.12.2021), который обеспечивает высокую точность вычисления индекса квалификации сварщика за счет того, что при сравнении координат точек поверхности сварного шва с эталоном осуществляют совмещение оси пространственного изображения эталона с осью пространственного изображения сварного шва, при этом вычисляют координаты оси 3D цифрового изображения поверхности сварного шва методом деления пополам отрезка, заключенного между координатами абсцисс двух точек профиля, имеющих максимальную кривизну, а определение границ 3D цифрового изображения поверхности сварного шва по координатам, полученным лазерным устройством, осуществляют путем линейной аппроксимации координат абсцисс точек, которые рассчитывают методом деления пополам отрезка, заключенного между координатами абсцисс двух точек профилей поперечных сечений цифрового изображения сварного шва, имеющих максимальную кривизну профиля и определяемых как граничные точки сварного шва, причем полученные данные об отклонениях площадей поперечных сечений сварного шва от площадей поперечных сечений эталона передают по каналам связи в электронную базу для хранения и последующего автоматизированного создания квалификационного рейтинга сварщика.A method for tracking and ranking the qualifications of welders is known from the prior art (RU 2763708, published on 30.12.2021), which ensures high accuracy in calculating the welder qualification index due to the fact that when comparing the coordinates of the points of the surface of a weld with a standard, the axis of the spatial image of the standard is aligned with the axis of the spatial image of the weld, while the coordinates of the axis of the 3D digital image of the surface of the weld are calculated by dividing in half the segment included between the coordinates of the abscissas of two profile points with maximum curvature, and the boundaries of the 3D digital image of the surface of the weld are determined by the coordinates obtained by the laser device by linear approximation of the coordinates of the abscissas of the points, which are calculated by dividing in half the segment included between the coordinates of the abscissas of two points of the profiles of the cross sections of the digital image of the weld with maximum curvature of the profile and defined as the boundary points of the weld, and the obtained data on deviations of the cross-sectional areas of the weld from the cross-sectional areas of the standard are transmitted via communication channels to an electronic database for storage and subsequent automated creation of a welder's qualification rating.
Несмотря на то, что данный способ реализует алгоритм сопоставления эталона с оцифрованной формой сварного шва, недостатком данного способа является невозможность установить автора исследуемого сварного шва, если он заранее не известен, так как в способе отсутствует алгоритм, позволяющий с достаточной точностью сравнить исследуемый обезличенный сварной шов со всей базой данных уже идентифицированных сварных швов.Despite the fact that this method implements an algorithm for comparing a standard with a digitalized shape of a weld, the disadvantage of this method is the impossibility of identifying the author of the weld being studied if it is not known in advance, since the method does not have an algorithm that allows for a sufficiently accurate comparison of the impersonal weld being studied with the entire database of already identified welds.
Из уровня техники известен способ оценки квалификации сварщика (RU 2569276, МПК G09B 19/24, B23K 9/00, опубл. 20.11.2015), включающий измерение геометрических размеров сварного шва шаблоном и сравнение их с размерами, установленными нормативно-техническими документами, отличающийся тем, что по размерам, установленным нормативно-техническими документами, с учетом физико-механического свойства расплавленного материала сварного шва рассчитывают формы эталона, площадь эталона сварного шва, по результатам измерения геометрических размеров поверхности сварного шва определяют форму поверхности сварного шва и рассчитывают абсолютные отклонения площади поперечных сечений поверхности сварного шва от площади эталона и вычисляют индекс квалификации сварщика по формуле:A method for assessing the qualification of a welder is known from the prior art (RU 2569276, IPC G09B 19/24, B23K 9/00, published 20.11.2015), including measuring the geometric dimensions of a weld with a template and comparing them with the dimensions established by regulatory and technical documents, characterized in that, based on the dimensions established by regulatory and technical documents, taking into account the physical and mechanical properties of the molten material of the weld, the shape of the standard, the area of the standard of the weld are calculated, based on the results of measuring the geometric dimensions of the surface of the weld, the shape of the surface of the weld is determined and the absolute deviations of the cross-sectional area of the surface of the weld from the area of the standard are calculated and the welder qualification index is calculated using the formula:
где QW - индекс квалификации сварщика;where QW is the welder qualification index;
N=Lw/dLw+1 - количество измеренных сечений сварного шва с шагом измерения dLw большим или равным 0,1 мм;N=Lw/dLw+1 – the number of measured sections of the weld seam with a measurement step dLw greater than or equal to 0.1 mm;
Lw - длина сварного шва;Lw - weld length;
j - текущее значение измеренного поперечного сечения сварного шва;j - current value of the measured cross-section of the weld;
SЭ - площадь эталона;S E - area of the standard;
- абсолютное отклонение площади j-го сечения поверхности сварного шва от площади эталона, которое определяется по формуле: - the absolute deviation of the area of the j-th cross-section of the weld surface from the area of the standard, which is determined by the formula:
где - абсолютная величина отклонения формы поверхности сварного шва в j-ом сечении от внешней и внутренней формы эталона, которая определяется по формуле:Where - the absolute value of the deviation of the shape of the weld surface in the j-th section from the external and internal shape of the standard, which is determined by the formula:
В - ширина измерения, значения В находятся в интервале от 1,1emax до 10emax,B - measurement width, B values are in the range from 1.1e max to 10e max ,
emax - максимальная ширина сварного шва, устанавливаются нормативно-техническими документами;e max - maximum width of the welded seam, established by regulatory and technical documents;
- измеренные значения координат поверхности j-го поперечного сечения сварного шва с шагом dx от 0,1 мм до 5 мм; - measured values of the coordinates of the surface of the j-th cross-section of the weld with a step dx from 0.1 mm to 5 mm;
Z, х - координаты в системе координат Z0X;Z, x - coordinates in the Z0X coordinate system;
ZЭmax (х) - кривая, определяющая внешнюю форму эталона сварного шва;Z Emax (x) - a curve that determines the external shape of the weld seam standard;
ZЭmin (х) - кривая, определяющая внутреннюю форму эталона сварного шва; внешнюю ZЭmax (х) и внутреннюю ZЭmin (х) формы эталонных кривых сварного шва в любом пространственном положении вычисляют по установленным нормативно-техническими документами предельным значениям ширины (е) и высоты (g) сечения выпуклости сварного шва решением интегродифференциального уравнения:Z Эmin (х) is a curve defining the internal shape of the weld seam standard; the external Z Эmax (х) and internal Z Эmin (х) shapes of the weld seam standard curves in any spatial position are calculated according to the limit values of the width (e) and height (g) of the weld seam convexity cross-section established by normative and technical documents by solving the integro-differential equation:
где l - расстояние от начальной точки эталонной кривой до точки расчета, измеренное вдоль кривой, значение 1 изменяются от 0 до L;where l is the distance from the initial point of the reference curve to the calculation point, measured along the curve, the value of 1 varies from 0 to L;
L - длина эталонной кривой сварного шва;L - length of the reference curve of the weld seam;
dl - шаг дифференцирования вдоль эталонной кривой;dl - differentiation step along the reference curve;
dλ - шаг интегрирования вдоль эталонной кривой;dλ - integration step along the reference curve;
τ(l) - угол наклона касательной эталонной кривой к горизонту, в расчетной точке;τ(l) is the angle of inclination of the tangent of the reference curve to the horizon at the calculation point;
κ0 - кривизна эталонной кривой сварного шва в начальной точке, определяемая в ходе решения уравнения;κ 0 - curvature of the reference curve of the weld seam at the initial point, determined during the solution of the equation;
aK - физико-механическое свойство расплавленного материала сварного шва - капиллярная постоянная расплавленного металла сварного шва;a K - physical and mechanical property of the molten material of the weld - capillary constant of the molten metal of the weld;
δ - угол продольного наклона сварного шва;δ - angle of longitudinal inclination of the weld seam;
ϕ - угол поперечного наклона сварного шва;ϕ - angle of transverse inclination of the weld seam;
Z(x) - уравнение, описывающее эталонные кривые сварного шва, записывается в параметрической форме {Z(l), х(l)} и имеет вид:Z(x) is the equation describing the reference curves of the weld seam, written in parametric form {Z(l), х(l)} and has the form:
площадь эталона рассчитывают по формуле:the area of the standard is calculated using the formula:
Несмотря на то, что данный способ позволяет оценить квалификацию сварщика по отклонению поверхности сварного шва от эталона, его недостатком является невозможность установить автора исследуемого сварного шва, если он заранее не известен, так как в способе отсутствует алгоритм, позволяющий с достаточной точностью сравнить исследуемый обезличенный сварной шов со всей базой данных уже идентифицированных персонализированных сварных швов.Despite the fact that this method allows us to evaluate the qualifications of a welder based on the deviation of the weld surface from the standard, its disadvantage is the impossibility of identifying the author of the weld being examined if he is not known in advance, since the method does not have an algorithm that allows us to compare the impersonal weld being examined with sufficient accuracy with the entire database of already identified personalized welds.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является создание эффективного высокоточного способа идентификации сварного шва для установления личности сварщика по особенностям не идентифицированного сварного шва с точностью выше 90%, надежность которого обеспечивается за счет автоматизированного трехступенчатого процесса анализа и сопоставления сварных швов с использованием элементов машинного обучения и метода корреляционного сравнения информативных признаков сварных швов.The technical problem that the claimed invention is aimed at solving is the creation of an effective, high-precision method for identifying a weld to establish the identity of a welder based on the characteristics of an unidentified weld with an accuracy of over 90%, the reliability of which is ensured by an automated three-stage process of analyzing and comparing welds using elements of machine learning and a method of correlative comparison of informative features of welds.
Технический результат от реализации заявленного способа заключается в повышении достоверности идентификации сварного шва с последующей персонализацией сварщика по особенностям не идентифицированного сварного шва.The technical result of implementing the claimed method consists in increasing the reliability of identification of a weld with subsequent personalization of the welder based on the characteristics of the unidentified weld.
Технический результат достигается тем, что в способе идентификации сварного шва создают базу данных идентифицированных персонализированных сварных швов посредством измерения технических параметров и лазерного сканирования образцов сварных швов с получением двухмерных и трехмерных изображений, разбивкой каждого идентифицированного персонализированного сварного шва на участки длиной не менее 70 мм вдоль продольной координаты сканирования, используя сечение, проходящее по центру сварного шва, с выделением информативных признаков на каждом участке каждого идентифицированного персонализированного сварного шва, построением статических зависимостей информативных признаков и формированием исходной матрицы вида «n*k», где n - ширина матрицы, а k - длина матрицы, содержащей в своих ячейках наборы функций информативных признаков для каждой точки идентифицированного персонализированного сварного шва с последующим размещением созданной базы данных идентифицированных персонализированных сварных швов в блоке памяти ЭВМ, после чего осуществляют измерение технических параметров и лазерное сканирование неидентифицированного сварного шва, затем производят персонализацию неидентифицированного сварного шва путем визуально-измерительного контроля посредством сравнения измеренных технических параметров неидентифицированного сварного шва с соответствующими техническими параметрами идентифицированных персонализированных сварных швов, содержащихся в упомянутой базе данных, после которого отбирают наиболее значимые информативные признаки неидентифицированного сварного шва посредством метода корреляции с построением статических зависимостей информативных признаков и сравнением их со статическими зависимостями информативных признаков, содержащихся в упомянутой базе данных, и/или посредством построения матриц вида «n*k», где n - ширина матрицы, а k - длина матрицы, содержащей в своих ячейках наборы функций информативных признаков для каждой точки неидентифицированного сварного шва с осуществлением сравнения полученных результатов со значениями сформированных исходных матриц, содержащихся в упомянутой базе данных в случае совпадения информативных признаков в результате проведенных указанных выше сравнений делается вывод о возможности персонализации неидентифицированного сварного шва.The technical result is achieved in that in the method for identifying a weld seam, a database of identified personalized weld seams is created by measuring technical parameters and laser scanning weld samples to obtain two-dimensional and three-dimensional images, dividing each identified personalized weld seam into sections no less than 70 mm long along the longitudinal scanning coordinate, using a section passing through the center of the weld seam, with the allocation of informative features in each section of each identified personalized weld seam, constructing static dependencies of informative features and forming an initial matrix of the type "n * k", where n is the width of the matrix, and k is the length of the matrix containing in its cells sets of functions of informative features for each point of the identified personalized weld seam, followed by placing the created database of identified personalized weld seams in the computer memory unit, after which the technical parameters are measured and the unidentified weld seam is laser scanned, then the unidentified weld seam is personalized by visual and measuring control using comparing the measured technical parameters of the unidentified weld with the corresponding technical parameters of the identified personalized welds contained in the said database, after which the most significant informative features of the unidentified weld are selected by means of a correlation method with the construction of static dependencies of the informative features and their comparison with the static dependencies of the informative features contained in the said database, and/or by constructing matrices of the type "n*k", where n is the width of the matrix, and k is the length of the matrix containing in its cells sets of functions of informative features for each point of the unidentified weld with the implementation of a comparison of the obtained results with the values of the generated initial matrices contained in the said database in the event of a match of the informative features as a result of the above comparisons, a conclusion is made on the possibility of personalizing the unidentified weld.
Технический результат достигается также тем, что в качестве технических параметров используют ширину, высоту сварного шва, ширину чешуек сварного шва, расстояние между чешуйками, перепады высот чешуек, углубления между чешуйками, кратеры замков, места повторного зажигания и гашения сварочной дуги при смене электрода.The technical result is also achieved by using the width and height of the weld seam, the width of the weld seam scales, the distance between the scales, the differences in the heights of the scales, the depressions between the scales, the craters of the locks, the places of re-ignition and extinguishing of the welding arc when changing the electrode as technical parameters.
Технический результат достигается также тем, что измеряют технические параметры посредством штангенциркуля, линейки, толщиномера, микрометра, шаблонов, щупов, угломеров с нониусом, микрометрических и индикаторных нутромеров.The technical result is also achieved by measuring technical parameters using a caliper, ruler, thickness gauge, micrometer, templates, feeler gauges, angle gauges with vernier, micrometer and indicator bore gauges.
Технический результат достигается также тем, что в качестве информативных признаков используют среднее значение ширины профиля поперечного сечения, среднее значение площади под кривой профиля сварного шва, среднее значение центра масс сечения профиля, среднее значение положения максимума аппроксимирующего полинома, среднее значение коэффициентов аппроксимирующего полинома, среднее значение невязки аппроксимирующего полинома, стандартное отклонение ширины профиля поперечного сечения, стандартное отклонение площади под кривой профиля сварного шва, стандартное отклонение центра масс сечения профиля, стандартное отклонение положения максимума аппроксимирующего полинома, стандартное отклонение коэффициентов аппроксимирующего полинома, стандартное отклонение невязки аппроксимирующего полинома, спектральные отсчеты плотности мощности пространственных частот, тангенс угла наклона пространственных колебаний профиля сварного шва.The technical result is also achieved by the fact that the average value of the width of the cross-section profile, the average value of the area under the curve of the weld profile, the average value of the center of mass of the profile section, the average value of the position of the maximum of the approximating polynomial, the average value of the coefficients of the approximating polynomial, the average value of the residual of the approximating polynomial, the standard deviation of the width of the cross-section profile, the standard deviation of the area under the curve of the weld profile, the standard deviation of the center of mass of the profile section, the standard deviation of the position of the maximum of the approximating polynomial, the standard deviation of the coefficients of the approximating polynomial, the standard deviation of the residual of the approximating polynomial, spectral readings of the power density of spatial frequencies, the tangent of the angle of inclination of the spatial oscillations of the weld profile are used as informative features.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, где:The claimed invention is illustrated by drawings, where:
На фиг. 1 представлен пример процесса получения данных при помощи технологии лазерной подсветки.Fig. 1 shows an example of the data acquisition process using laser illumination technology.
На фиг. 2 представлен пример результата сканирования трехмерного изображения.Fig. 2 shows an example of the result of scanning a three-dimensional image.
На фиг. 3 представлен пример поперечного сечения профиля сварного шва до преобразования.Fig. 3 shows an example of a cross-section of a weld profile before transformation.
На фиг. 4 представлен пример поперечного сечения профиля сварного шва после преобразования.Fig. 4 shows an example of a cross-section of a weld profile after transformation.
На фиг. 5 представлен пример аппроксимации поперечного сечения профиля сварного шва.Fig. 5 shows an example of approximation of the cross-section of the weld profile.
На фиг. 6 представлены этапы определения центрального продольного сечения.Fig. 6 shows the stages of determining the central longitudinal section.
На фиг. 7 представлен пример профиля центрального продольного сечения сварного шва.Fig. 7 shows an example of the profile of the central longitudinal section of a weld seam.
На фиг. 8 представлен пример спектра мощности пространственных частот.Fig. 8 shows an example of a spatial frequency power spectrum.
На фиг. 9 представлены графики взаимосвязи отобранных информативных признаков с использованием призака средняя ширина поперечного сечения сварного шва «Mean_Width».Fig. 9 shows the graphs of the relationship between the selected informative features using the mean width of the weld cross-section “Mean_Width”.
На фиг. 10 представлены графики взаимосвязи отобранных информативных признаков без использования признака средняя ширина поперечного сечения сварного шва «Mean_Width».Fig. 10 shows the graphs of the relationship between the selected informative features without using the feature of the average width of the weld cross-section “Mean_Width”.
На фиг. 11 представлены графики зависимости точности работы разных обучаемых моделей в зависимости от числа отобранных информативных признаков.Fig. 11 shows graphs of the dependence of the accuracy of different trained models on the number of selected informative features.
На фиг. 12 представлены графики зависимости точности работы разных обучаемых моделей в зависимости от числа отобранных информативных признаков.Fig. 12 shows graphs of the dependence of the accuracy of different trained models on the number of selected informative features.
На фиг. 13 представлены сравнительные графики зависимости достоверности от числа признаков.Fig. 13 shows comparative graphs of the dependence of reliability on the number of features.
На фиг. 14 представлены сравнительные графики зависимости достоверности от числа признаков.Fig. 14 shows comparative graphs of the dependence of reliability on the number of features.
Заявленный способ представляет собой автоматизированный процесс сопоставления измеренных технических параметров и информативных признаков не идентифицированного сварного шва с базой данных идентифицированных персонализированных сварных швов, с использованием последовательного сочетания применения трех методов: визуально-измерительного контроля (ВИК), с помощью построения матриц и корреляционного метода, с последующим отнесением не идентифицированного сварного шва к идентифицированному сварщику. Способ осуществляется следующим образом:The claimed method is an automated process of comparing the measured technical parameters and informative features of an unidentified weld with a database of identified personalized welds, using a sequential combination of three methods: visual-measuring control (VMC), by constructing matrices and a correlation method, with subsequent assignment of an unidentified weld to an identified welder. The method is implemented as follows:
Изначально создают базу данных идентифицированных персонализированных сварных швов посредством измерения технических параметров и лазерного сканирования образцов сварных швов с получением двухмерных и трехмерных изображений, построением статических зависимостей информативных признаков и формированием исходной матрицы вида «n*k», где n - ширина матрицы, а k - длина матрицы. Исходная матрица вида «n*k» содержит в своих ячейках наборы функций информативных признаков для каждой точки идентифицированного персонализированного сварного шва. Лазерное сканирование осуществляют следующим образом: каждый идентифицированный персонализированный сварной шов сканируют (фиг. 1, фиг. 2), данные со сканирующего устройства, представляющие собой высоту сканированного шва в каждой его точке, загружают в ЭВМ. Результаты сканирования профиля каждого идентифицированного персонализированного сварного шва разбивают на участки длиной не менее 70 мм вдоль продольной координаты сканирования и выделяют информативные признаки на каждом участке каждого идентифицированного сварного шва, а также дополняют информативными признаками поперечного и продольного сечения и двухмерной пространственной спектрограммы каждого идентифицированного сварного шва. Разбиение участков используют для увеличения числа элементов и тестирующих выборок информативных признаков с целью дальнейшего точного построения устойчивого классификатора обучаемой модели и эффективной оценки работы.Initially, a database of identified personalized welds is created by measuring technical parameters and laser scanning weld samples to obtain two-dimensional and three-dimensional images, constructing static dependencies of informative features and forming an initial matrix of the "n*k" type, where n is the matrix width and k is the matrix length. The initial matrix of the "n*k" type contains in its cells sets of functions of informative features for each point of the identified personalized weld. Laser scanning is performed as follows: each identified personalized weld is scanned (Fig. 1, Fig. 2), the data from the scanning device, representing the height of the scanned seam at each of its points, are loaded into the computer. The results of scanning the profile of each identified personalized weld are divided into sections no less than 70 mm long along the longitudinal coordinate of scanning and informative features are identified in each section of each identified weld, and are supplemented with informative features of the transverse and longitudinal section and a two-dimensional spatial spectrogram of each identified weld. The division of sections is used to increase the number of elements and testing samples of informative features for the purpose of further accurate construction of a stable classifier of the trained model and effective evaluation of the work.
Для получения информативных признаков поперечного сечения каждого идентифицированного персонализированного сварного шва, при сканировании шва, для устранения влияния форм-фактора разделки шва и геометрических факторов взаимного расположения сканера и детали, поперечное сечение разделки шва поворачивают, начало отсчета системы координат сканера перемещают, и профиль поперечного сечения сварного шва масштабируют вдоль оси Y сканера, так чтобы границы сварного шва располагались в точках с координатами (у=-1; z=0) и (у=1; z=0). Координатную ось Z сканера разворачивают на 180° (фиг. 3 и фиг. 4).In order to obtain informative features of the cross-section of each identified personalized weld, when scanning the weld, in order to eliminate the influence of the weld preparation form factor and the geometric factors of the relative position of the scanner and the part, the cross-section of the weld preparation is rotated, the origin of the scanner coordinate system is moved, and the weld cross-section profile is scaled along the Y axis of the scanner so that the weld boundaries are located at points with coordinates (y=-1; z=0) and (y=1; z=0). The Z coordinate axis of the scanner is rotated by 180° (Fig. 3 and Fig. 4).
Для каждого участка идентифицированного сварного шва определяют геометрическую форму профиля поперечного сечения с помощью аппроксимации полиномом 4 степени по формуле 1:For each section of the identified weld seam, the geometric shape of the cross-sectional profile is determined using approximation by a 4th degree polynomial according to formula 1:
Далее, для каждого участка идентифицированного сварного шва, определяют информативные признаки поперечного сечения:Next, for each section of the identified weld, informative features of the cross-section are determined:
а) ширину профиля поперечного сечения W до аппроксимирования по формуле 2:a) the width of the cross-sectional profile W before approximation using formula 2:
где yo, yn - координаты начальной и конечной точки профиля по оси Y;where y o , y n are the coordinates of the initial and final points of the profile along the Y axis;
б) площадь А под кривой профиля сварного шва по формуле 3:b) area A under the weld profile curve according to formula 3:
где zt - высота точек профиля сварного шва,where z t is the height of the weld profile points,
Δу - шаг точек профиля вдоль поперечного сечения профиля сварного шва,Δу - step of profile points along the cross-section of the weld seam profile,
в) центр масс СМ профиля сечения сварного шва по формуле 4:c) the center of mass CM of the weld seam cross-section profile according to formula 4:
г) положение максимума аппроксимирующего полинома поперечного сечения сварного шва;d) the position of the maximum of the approximating polynomial of the cross-section of the weld;
д) коэффициенты аппроксимирующего полинома поперечного сечения сварного шва а0, а1, а2, а3, а4;d) coefficients of the approximating polynomial of the cross-section of the weld seam a 0 , a 1 , a 2 , a 3 , a 4 ;
е) невязку, полученную при вычислении аппроксимирующего полинома поперечного сечения сварного шва.e) the discrepancy obtained when calculating the approximating polynomial of the cross-section of the weld.
Пример аппроксимации поперечного сечения профиля представлен на фиг. 5, с коэффициентами полинома: а0=2,518; a1=-0,925; а2=-2,656; а3=0,901; а4=-0,090; невязкой R=0,007.An example of approximation of the cross-section of the profile is shown in Fig. 5, with the polynomial coefficients: a 0 = 2.518; a 1 = - 0.925; a 2 = - 2.656; a 3 = 0.901; a 4 = - 0.090; and the residual R = 0.007.
Затем определяют среднее значение и среднеквадратичное отклонение каждого из указанных информативных признаков на каждом участке идентифицированного персонализированного сварного шва, которые впоследствии используют для классификации в обучаемой модели.Then, the mean value and standard deviation of each of the specified informative features are determined in each section of the identified personalized weld seam, which are subsequently used for classification in the trained model.
Для определения информативных признаков на всех участках продольного сечения каждого идентифицированного персонализированного сварного шва используют сечение, проходящее по центру сварного шва. Для определения центрального продольного сечения каждого участка сварного шва, ранее определенные координаты по оси Y границ сварного шва аппроксимируют линейной зависимостью. В качестве центрального сечения отбирают точки, лежащие на линии, проходящей по середине между линиями, аппроксимирующими границы участка сварного шва. На фиг. 6 представлены этапы определения центрального продольного сечения.To determine informative features in all sections of the longitudinal section of each identified personalized weld, a section passing through the center of the weld is used. To determine the central longitudinal section of each section of the weld, the previously determined coordinates along the Y axis of the weld boundaries are approximated by a linear relationship. The points lying on the line passing through the middle between the lines approximating the boundaries of the weld section are selected as the central section. Fig. 6 shows the stages of determining the central longitudinal section.
Для каждого участка продольного сечения определяют спектр мощности пространственных частот, характеризующий периодические колебания высоты профиля сварного шва (фиг. 7, 8).For each section of the longitudinal section, the power spectrum of spatial frequencies is determined, characterizing the periodic fluctuations in the height of the weld profile (Fig. 7, 8).
В качестве информативных признаков, характеризующих продольное сечение каждого идентифицированного персонализированного сварного шва, используют первые 20 пространственных частот спектра (за исключением постоянной составляющей), с колебаниями высоты с периодом не менее 3 мм.The first 20 spatial frequencies of the spectrum (excluding the constant component) with height fluctuations with a period of at least 3 mm are used as informative features characterizing the longitudinal section of each identified personalized weld seam.
В качестве информативного признака, извлекаемого из двумерной пространственной спектрограммы каждого идентифицированного сварного шва, используется тангенс угла наклона пространственных колебаний профиля высот сварного шва, определяемый по положению пика частот на двумерной спектрограмме. Использование двумерной пространственной спектрограммы позволяет, в дополнение к информативным признакам продольного и поперечного сечения, характеризовать наклон пространственных колебаний профиля высот сварного шва.The tangent of the angle of inclination of the spatial oscillations of the weld height profile, determined by the position of the frequency peak on the two-dimensional spectrogram, is used as an informative feature extracted from the two-dimensional spatial spectrogram of each identified weld. The use of a two-dimensional spatial spectrogram allows, in addition to the informative features of the longitudinal and transverse sections, to characterize the slope of the spatial oscillations of the weld height profile.
Все информативные признаки, которые извлекают из двухмерных и трехмерных изображений идентифицированных сварных швов приведены в таблице 1.All informative features extracted from two-dimensional and three-dimensional images of identified welds are given in Table 1.
Далее отбирают наиболее значимые информативные признаки для каждого идентифицированного персонализированного сварного шва для использования в качестве обучающей выборки в обучаемых моделях.Next, the most significant informative features for each identified personalized weld are selected for use as a training set in the trained models.
На данном этапе для устранения влияния разных масштабов информативных признаков проводят их нормировку. Для этого вычисляют μj - среднее значение j-ого признака и σj - среднеквадратичное отклонение j-ого признака для всех участков для каждого идентифицированного персонализированного сварного шва. Затем осуществляют нормирование каждого признака с использованием формулы 5:At this stage, to eliminate the influence of different scales of informative features, they are normalized. For this, μ j is calculated - the average value of the j-th feature and σ j - the standard deviation of the j-th feature for all sections for each identified personalized weld. Then, each feature is normalized using formula 5:
где - нормированное значение j-ого признака i-ого образца;Where - normalized value of the j-th feature of the i-th sample;
μj - среднее значение j-ого признака по всем образцам;μ j is the average value of the j-th feature for all samples;
σj - среднеквадратичное отклонение j-ого признака по всем образцам.σ j is the standard deviation of the j-th feature across all samples.
Отбор наиболее значимых информативных признаков, и, следовательно, уменьшение их количества за счет выбора тех, которые наиболее полно характеризуют особенности идентифицированного персонализированного сварного шва, дает следующие преимущества:The selection of the most significant informative features, and, consequently, the reduction of their number by choosing those that most fully characterize the features of the identified personalized weld, provides the following advantages:
- упрощает обучаемую модель для повышения интерпретируемости;- simplifies the trained model to improve interpretability;
- снижает размерность процесса обработки данных, что сокращает время обучения модели и требуемые вычислительные мощности для работы классификатора;- reduces the dimensionality of the data processing process, which reduces the model training time and the required computing power for the classifier to operate;
- повышает общность классификатора;- increases the generality of the classifier;
- позволяет избежать возможное «проклятие размерности»;- allows to avoid the possible “curse of dimensionality”;
- улучшает обобщающую способность обучаемой модели и исключает ее переобучение.- improves the generalizing ability of the trained model and eliminates its overfitting.
Под «проклятием размерности» понимают экспоненциальный рост числа необходимых экспериментальных данных в зависимости от размерности пространства. При ограниченном количестве образцов идентифицированных персонализированных сварных швов, большое число информативных признаков приведет к низкой обобщающей способности. Обобщающая способность связана с возможностью работы не только на обучающей выборке уже существующих идентифицированных персонализированных сварных швов, но и на новых образцах, которые не использовались ранее при обучении. С проблемой снижения обобщающей способности обучаемой модели связана опасность переподгонки или переобучения, когда делается попытка описать конкретные данные точнее, чем в принципе позволяет уровень шума в данных и погрешность самой обучаемой модели. В этом случае, обучаемая модель будет основываться не только на реальных различиях в данных, характерных для разных классов, но и на погрешностях, имеющихся в экспериментальных данных. Например, задача выбора информативных признаков решалась на языке программирования Python 3.8 с использованием класса «SelectKBest» из библиотеки «scikit-learn», реализующего одномерный отбор признаков («univariate feature selection»).The "curse of dimensionality" refers to the exponential growth of the number of required experimental data depending on the dimensionality of the space. With a limited number of identified personalized weld samples, a large number of informative features will lead to low generalization ability. Generalization ability is associated with the ability to work not only on the training sample of already existing identified personalized welds, but also on new samples that have not been previously used in training. The problem of reducing the generalization ability of the trained model is associated with the danger of overfitting or overtraining, when an attempt is made to describe specific data more accurately than the noise level in the data and the error of the trained model itself allow in principle. In this case, the trained model will be based not only on real differences in the data characteristic of different classes, but also on errors present in the experimental data. For example, the problem of selecting informative features was solved in the Python 3.8 programming language using the "SelectKBest" class from the "scikit-learn" library, which implements one-dimensional feature selection ("univariate feature selection").
Отбор наиболее значимых информативных признаков для дальнейшего обучения моделей выполняется посредством построения распределения информативных признаков на каждом участке каждого идентифицированного персонализированного сварного шва. Для отбора наиболее значимых информативных признаков используется критерий, основанный на взаимной информации, позволяющий оценивать связь между случайными величинами информативных признаков. Определение необходимого числа информативных признаков определяют путем перебора вариантов в определенном диапазоне. Таким образом выбирают те информативные признаки, которые имеют наибольшую повторяемость (фиг. 9) Среди отобранных наиболее информативных признаков присутствует средняя ширина поперечного сечения сварного шва «Mean_Width». Этот признак может быть сопоставлен не с индивидуальным почерком сварщика, а с особенностями свариваемых заготовок, поэтому далее для примера рассматривали два варианта: с и без использования признака «Mean_Width» (фиг. 10).The selection of the most significant informative features for further training of the models is performed by constructing the distribution of informative features in each section of each identified personalized weld. To select the most significant informative features, a criterion based on mutual information is used, which allows estimating the relationship between random values of informative features. The required number of informative features is determined by enumerating options in a certain range. In this way, those informative features are selected that have the highest repeatability (Fig. 9). Among the selected most informative features, there is the average width of the weld cross-section "Mean_Width". This feature can be compared not with the individual handwriting of the welder, but with the features of the welded blanks, therefore, for the sake of example, two options were further considered: with and without using the "Mean_Width" feature (Fig. 10).
Далее создают несколько обучаемых моделей, для обучения которых используют разные методы распознавания образов. В качестве исходных технических данных для обучения моделей выступают отобранные информативные признаки идентифицированных персонализированных сварных швов, а в качестве результата - ФИО идентифицированных сварщиков. Проводят обучение моделей с разными параметрами и разным числом отобранных на предыдущем этапе информативных признаков. В таблице 2 приведены методы распознавания образов, которые используют для обучения моделей.Next, several training models are created, for training which different image recognition methods are used. The selected informative features of identified personalized welds serve as the initial technical data for training the models, and the full names of the identified welders serve as the result. Models are trained with different parameters and different numbers of informative features selected at the previous stage. Table 2 shows the image recognition methods used for training the models.
Далее определяют наиболее точную обучаемую модель и ее параметры, а также оптимальное число и конкретный набор информативных признаков. Для этого вычисляют точность работы каждой обучаемой модели по формуле 6, и для дальнейшей реализации предлагаемого способа оставляют самую точную.Next, the most accurate training model and its parameters are determined, as well as the optimal number and specific set of informative features. To do this, the accuracy of each training model is calculated using formula 6, and the most accurate one is left for further implementation of the proposed method.
где А - точность;where A is the accuracy;
Р - общее число идентифицированных сварных швов.P - total number of identified welds.
На фиг. 11 и 12 представлены примеры зависимости точности работы разных обучаемых моделей в зависимости от числа отобранных информативных признаков. По оси ординат отложена точность работы обучаемых моделей, а по оси абсцисс число информативных признаков. График на фиг. 12 построен для случая, когда оптимальный набор информативных признаков отбирался из всех доступных информативных признаков, а при построении графика на фиг. 13 - до определения оптимального набора из исходных признаков удалялся признак ширины поперечного сечения сварного шва «Mean_Width». Графики на фиг. 13 и 14 приведены для сравнения, на них для примера показана точность работы обучаемых моделей на обучающем наборе данных. На обучающем наборе при большом числе информативных признаков почти все обучаемые модели показывают идеальный результат (точность классификации 100%).Fig. 11 and 12 show examples of the dependence of the accuracy of different trained models on the number of selected informative features. The accuracy of the trained models is plotted along the ordinate axis, and the number of informative features is plotted along the abscissa axis. The graph in Fig. 12 is constructed for the case when the optimal set of informative features was selected from all available informative features, and when constructing the graph in Fig. 13, the weld cross-section width feature "Mean_Width" was removed from the original features before determining the optimal set. The graphs in Fig. 13 and 14 are provided for comparison; they show the accuracy of the trained models on the training data set as an example. On the training set, with a large number of informative features, almost all trained models show an ideal result (classification accuracy of 100%).
На фиг. 11-14 приняты идентичные обозначения: 1 - метод k-ближайших соседей, k=1; 2- метод k-ближайших соседей, k=3; 3 - метод опорных векторов С=10, gamma=0,1; 4 - метод опорных векторов С=10, gamma=0,5; 5-метод опорных С=10, gamma=0,7; 6-метод случайного леса.In Fig. 11-14, identical designations are adopted: 1 - k-nearest neighbors method, k=1; 2 - k-nearest neighbors method, k=3; 3 - support vector method C=10, gamma=0.1; 4 - support vector method C=10, gamma=0.5; 5 - support vector method C=10, gamma=0.7; 6 - random forest method.
Из графиков на фиг. 12 и 13 видно, что исключение признака «Mean_Width» снижает точность классификации, но даже в этом случае удается достичь точности классификации 0,78 (метод опорных векторов, С=10, gamma=0,1, набор из 7 информативных признаков). При использовании всего набора признаков для определения точность классификации повышается и достигает 0,85.From the graphs in Fig. 12 and 13 it is evident that the exclusion of the “Mean_Width” feature reduces the classification accuracy, but even in this case it is possible to achieve a classification accuracy of 0.78 (support vector machine, C=10, gamma=0.1, set of 7 informative features). When using the entire set of features for determination, the classification accuracy increases and reaches 0.85.
В качестве примера, в таблице 3 приведен детальный отчет статистических характеристик работы оптимальной обучаемой модели (метод опорных векторов, С=10, gamma=0,7; набор из 6 информативных признаков) при использовании в наборе информативных признаков «Mean_Width». Оптимальный набор информативных признаков: Mean_Width, Mean_CntrMass, Mean_p2Coef, Mean_p4Coef, Mean_Residue, FFT_tg.As an example, Table 3 provides a detailed report of the statistical characteristics of the optimal training model (support vector machine, C=10, gamma=0.7; set of 6 informative features) when using the "Mean_Width" informative feature set. The optimal set of informative features: Mean_Width, Mean_CntrMass, Mean_p2Coef, Mean_p4Coef, Mean_Residue, FFT_tg.
В таблице 4, в качестве примера, приведен детальный отчет статистических характеристик работы оптимальной обучаемой модели (метод опорных векторов, С=10, gamma=0,1, набор из 7 информативных признаков) без использования в наборе информативных признаков признака «Mean_Width». Оптимальный набор информативных признаков: Mean_CntrMass, Mean_MaxPos, Mean_p2Coef, Mean_p3Coef, Mean_p4Coef, Mean_Residue, FFT_tg.Table 4, as an example, provides a detailed report of the statistical characteristics of the optimal training model (support vector machine, C=10, gamma=0.1, set of 7 informative features) without using the "Mean_Width" feature in the set of informative features. The optimal set of informative features: Mean_CntrMass, Mean_MaxPos, Mean_p2Coef, Mean_p3Coef, Mean_p4Coef, Mean_Residue, FFT_tg.
Из таблиц 3, 4 видно, что индивидуальные особенности сварного шва («почерк») сварщика 1 наиболее легко подается идентификации, а наибольшее число ошибок происходит при идентификации сварных швов, выполненных сварщиком 5 - до 50%, в том случае, если не используется признак «Mean_Width».From tables 3 and 4 it is evident that the individual characteristics of the welded seam (“handwriting”) of welder 1 are most easily identified, and the greatest number of errors occur when identifying welded seams made by welder 5 - up to 50%, in the case where the “Mean_Width” feature is not used.
Далее проводят проверку работы оптимальной обучаемой модели. Проверку работы обучаемых моделей нельзя делать на той же выборке, на которой проводилось обучение, поэтому, для примера, исходная выборка случайным образом делилась на две части: в нашем случае 67% образцов использовалось для обучения моделей, а 33% использовалось для проверки качества работы модели.Next, the performance of the optimal training model is checked. The performance of training models cannot be checked on the same sample on which the training was conducted, so, for example, the original sample was randomly divided into two parts: in our case, 67% of the samples were used to train the models, and 33% were used to check the quality of the model.
Совместно с методом корреляции или отдельно от него осуществляют построение матрицы вида «n*k», где n - ширина матрицы, а k - длина матрицы следующим образом:Together with the correlation method or separately from it, a matrix of the form “n*k” is constructed, where n is the width of the matrix and k is the length of the matrix as follows:
- формируют исходную матрицу вида «n*k», в ячейках которой содержатся значения, например, высоты для каждой точки идентифицированного сварного шва относительно лазерного сканирующего устройства.- form an initial matrix of the form “n*k”, the cells of which contain values, for example, of the height for each point of the identified weld seam relative to the laser scanning device.
- по необходимости выполняют редукцию матрицы на величину, достаточную для сжатия данных до размеров, при которых будет возможно дальнейшее формирование набора уникальных идентификационных признаков идентифицированного персонализированного сварного шва. Редукцию выполняют последовательным усреднением соседних ячеек матрицы по строкам и столбцам. При этом ячейки примут вид формулы 7. Операцию выполняют несколько раз по строкам и столбцам. В результате редукции получают вторичную матрицу вида (n/p)⋅(k/p), где р - коэффициент редукции.- if necessary, the matrix is reduced by an amount sufficient to compress the data to a size that will make it possible to further form a set of unique identification features of the identified personalized weld. The reduction is performed by successive averaging of adjacent matrix cells by rows and columns. In this case, the cells will take the form of formula 7. The operation is performed several times by rows and columns. As a result of the reduction, a secondary matrix of the form (n/p)⋅(k/p) is obtained, where p is the reduction coefficient.
- формируют линейную матрицу третьего порядка, состоящую из функций формулы 8, описывающих в выбранной степени приближения колебания высот идентифицированного сварного шва.- form a linear matrix of the third order, consisting of functions of formula 8, describing, to the selected degree of approximation, the fluctuations in the heights of the identified weld seam.
Наборы колебаний по формуле 8 будут уникальны для каждого идентифицированного сварного шва, однако, в таких наборах будет содержаться система функций вида формулы 9, описывающих уникальные, свойственные персонально каждому идентифицированному сварщику наборы кривых. Генеральная совокупность таких кривых и будет составлять особенности сварного шва, характеризующие идентифицированного сварщика, так называемый «почерк» сварщика.The sets of oscillations according to formula 8 will be unique for each identified weld, however, such sets will contain a system of functions of the form of formula 9, describing unique sets of curves, characteristic personally of each identified welder. The general set of such curves will constitute the features of the weld, characterizing the identified welder, the so-called "handwriting" of the welder.
- формируют матрицы вида 9 при помощи применения Дискретного Преобразования Фурье (далее - ДПФ), с применением функций по формуле 10.- form matrices of type 9 by applying the Discrete Fourier Transform (hereinafter referred to as DFT), using functions according to formula 10.
где ω - циклические частотные составляющие функций.where ω are the cyclic frequency components of the functions.
- дополняют матрицы третьего порядка тремя столбцами, содержащими наборы функций, восстановленных из кривых, составляющих колебания границ сварного шва по ширине и колебания ширины сварного шва. После дополнения матрица примет вид формулы 11.- supplement the third-order matrices with three columns containing sets of functions reconstructed from curves that constitute the oscillations of the weld seam boundaries in width and the oscillations of the weld seam width. After supplementation, the matrix will take the form of formula 11.
- добавляют наборы кривых, полученных с идентифицированных персонализированных сварных швов и получения матрицы по формуле (12).- add sets of curves obtained from identified personalized welds and obtain a matrix according to formula (12).
- сохраняют номера соответствия персонализированных данных (ФИО) идентифицированных сварщиков и наборов Фурье-кривых в отдельной линейной матрице вида формулы (13):- save the correspondence numbers of personalized data (full name) of identified welders and sets of Fourier curves in a separate linear matrix of the form of formula (13):
- выделяют из полученных матриц, содержащихся в них данных об особенностях сварных швов («почерке») сварщика. Для этого дополняют матрицу по формуле 12 коэффициентами корреляции rk и получают матрицу по формуле 14:- extract from the obtained matrices the data contained in them on the characteristics of the welded seams ("handwriting") of the welder. To do this, supplement the matrix according to formula 12 with correlation coefficients r k and obtain a matrix according to formula 14:
- получения коэффициентов корреляции следующим способом. Сравнивают методом прямой корреляции по формуле 15 наборы кривых по формуле 9, добавляют коэффициенты корреляции последовательно сначала для идентифицированных персонализированных сварных швов, выполненных одним сварщиком rk, затем (1-rk) для идентифицированных сварных соединений, выполненных разными сварщиками. Итоговая матрица будет иметь вид формулы 14, однако, коэффициенты rk будут иметь различные значения в зависимости от номера итерации. Итерационное введение коэффициентов корреляции по формуле 15 повторяют до тех пор, пока корреляция с идентифицированными персо сварными швами, выполненными разными сварщиками будет равной нулю, либо будет стремиться к нулю на уровне выбранной погрешности. Выбранная погрешность является необходимой основой для дальнейшего вычисления степени достоверности обработки данных.- obtaining correlation coefficients in the following way. Compare sets of curves in accordance with formula 9 using the direct correlation method using formula 15, add correlation coefficients sequentially first for identified personalized welds performed by one welder r k , then (1-r k ) for identified welds performed by different welders. The final matrix will look like formula 14, however, the coefficients r k will have different values depending on the iteration number. The iterative introduction of correlation coefficients using formula 15 is repeated until the correlation with identified personalized welds performed by different welders is equal to zero or tends to zero at the level of the selected error. The selected error is the necessary basis for further calculation of the degree of reliability of data processing.
После создания базы данных с идентифицированными персонализированными сварными швами производят идентификацию сварщика методом ВИК. Проводят ВИК всех сварных швов, который заключается, для каждого шва, в измерении следующих технических параметров: ширины, высоты сварного шва, ширины чешуек сварного шва, расстояния между чешуйками, перепадов высот чешуек, углублений между чешуйками. Для кольцевых сварных швов дополнительно проводят осмотр и измерение кратеров замков, мест повторного зажигания и гашения сварочной дуги при смене электрода. Для данных измерений применяются следующие метрологические средства:After creating a database with identified personalized welds, the welder is identified using the VIC method. VIC is performed for all welds, which consists of measuring the following technical parameters for each weld: width, height of the weld, width of the weld scales, distance between scales, differences in scale heights, and depressions between scales. For circumferential welds, additional inspection and measurement of lock craters, places of re-ignition and extinguishing of the welding arc when changing the electrode are performed. The following metrological means are used for these measurements:
- штангенциркуль, линейки металлические и деревянные, толщиномер, микрометр - для измерения линейных информативных признаков;- calipers, metal and wooden rulers, thickness gauge, micrometer - for measuring linear informative features;
- шаблоны, щупы, угломеры с нониусом, микрометрические и индикаторные нутромеры - для замеров линейных и угловых информативных признаков.- templates, feeler gauges, angle gauges with vernier, micrometer and indicator bore gauges - for measuring linear and angular informative features.
Полученные технические параметры каждого сварного шва сравнивают с вышеуказанной базой данных с целью нахождения сходства с какими-либо техническими параметрами идентифицированного персонализированного сварного шва. В случае нахождения сходства сварной шов персонализируется.The obtained technical parameters of each weld are compared with the above-mentioned database in order to find similarities with any technical parameters of the identified personalized weld. If similarities are found, the weld is personalized.
После проведенного выше сравнения осуществляют персонализацию сварного шва с дальнейшим определением персональных данных сварщика с использованием метода корреляции. С помощью лазерного устройства сканирования, соединенного с ЭВМ с загруженной базой данных идентифицированных персонализированных сварных швов, сканируют неидентифицированные сварные швы, которые необходимо персонализировать.After the comparison above, the weld seam is personalized with further determination of the welder's personal data using the correlation method. Using a laser scanning device connected to a computer with a loaded database of identified personalized weld seams, unidentified weld seams that need to be personalized are scanned.
Для идентификации автора сварного шва, сравнивают распределение информативных признаков такого неидентифицированного сварного шва с базой данных идентифицированных персонализированных сварных швов с помощью созданной и проверенной точной обучаемой модели. Определяют показатель точности совпадения неидентифицированного сварного шва с идентифицированными. Если показатель точности для не идентифицированного сварного шва составляет более 60%, то такая идентификация считается предварительно достоверной. Если показатель точности составляет менее 60%, то делают вывод о том, что в базе данных идентифицированных персонализированных сварных швов отсутствуют данные о сварщике и установить его личность по особенностям исследуемого неидентифицированного шва, не представляется возможным.To identify the author of a weld, the distribution of informative features of such an unidentified weld is compared with the database of identified personalized welds using the created and verified accurate learning model. The accuracy indicator of the match of an unidentified weld with identified ones is determined. If the accuracy indicator for an unidentified weld is more than 60%, such identification is considered preliminary reliable. If the accuracy indicator is less than 60%, then a conclusion is made that the database of identified personalized welds does not contain data on the welder and it is not possible to establish his identity based on the features of the unidentified weld under study.
После проведенного выше сравнения методом корреляции или вместо него осуществляют идентификацию сварного шва с дальнейшим определением персональных данных сварщика с использованием построения матриц. С помощью лазерного устройства сканирования, соединенного с ЭВМ с загруженной базой данных идентифицированных персонализированных сварных швов, сканируют неидентифицированные сварные швы, которые необходимо персонализировать. Осуществляют сравнения полученных данных наборов функций информативных признаков для каждой точки неидентифицированного сварного шва со значениями сформированных исходных матриц, содержащихся в упомянутой базе данных. В случае получения расхождения между ними 50% и менее, идентификацию сварщика по особенностям сварного шва считают состоявшейся. В случае расхождения показателей точности более, чем на 50% делают вывод о невозможности точного определения автора сварного шва.After the comparison performed above, the weld seam is identified by the correlation method or instead of it, with subsequent determination of the welder's personal data using the matrix construction. Using a laser scanning device connected to a computer with a loaded database of identified personalized weld seams, unidentified weld seams that need to be personalized are scanned. The obtained data of the sets of functions of informative features for each point of the unidentified weld seam are compared with the values of the formed initial matrices contained in the said database. In the event of a discrepancy between them of 50% or less, the welder's identification by the weld seam features is considered successful. In the event of a discrepancy in accuracy indicators of more than 50%, a conclusion is made about the impossibility of accurately determining the author of the weld seam.
Для окончательной идентификации сварщика сравнивают показатели точности, полученные на всех трех этапах предлагаемого способа.For the final identification of the welder, the accuracy indicators obtained at all three stages of the proposed method are compared.
Данный способ применим для внешних стыковых сварных швов, в частности на магистральных трубопроводах, выполненных ручной дуговой сваркой.This method is applicable for external butt welds, in particular on main pipelines made by manual arc welding.
По результатам разработки заявленного способа было установлено, что на возможность определения информативных признаков и дальнейшую персонализацию сварщика по особенностям сварного шва влияют следующие факторы:Based on the results of the development of the claimed method, it was established that the following factors influence the possibility of determining informative features and further personalization of the welder based on the characteristics of the weld:
- наличие механического воздействия на исследуемых сварных швах (запилы, вмятины, шлифовка поверхности валиков с целью приведения геометрических параметров к нормативным значениям и т.п.);- the presence of mechanical impact on the weld seams being examined (cuts, dents, grinding of the surface of the beads in order to bring the geometric parameters to standard values, etc.);
- наличие коррозионных повреждений на исследуемых сварных швах;- the presence of corrosion damage on the welded seams under study;
- наличие дефектов проката при изготовлении трубопровода;- the presence of rolling defects during pipeline production;
- наличие дефектов сборки;- presence of assembly defects;
- различия в типах анализируемых сварных швов (труба/пластина/врезка).- differences in the types of welds analyzed (pipe/plate/insert).
- количество сварных швов;- number of welded seams;
- размеры, протяженность шва;- dimensions, length of the seam;
- отражающая способность поверхности сварного шва (наличие бликов приводит к пропуску записи данных);- reflectivity of the weld surface (the presence of glare leads to missing data recording);
- сложная геометрическая форма сварного шва (например, врезка труба в трубу), требующая разработки специализированных приспособлений для обеспечения получения изображения сварного шва без искажений.- complex geometric shape of the weld (for example, pipe-to-pipe cutting), requiring the development of specialized devices to ensure that an image of the weld is obtained without distortion.
Влияние всех вышеуказанных факторов минимизировано в заявленном способе, так как в нем реализована возможность и алгоритм выбора для анализа наиболее информативных признаков сварных швов, обработка данных производится с учетом нивелирования всех возможных погрешностей при сборе таких данных. Таким образом, заявленный способ обеспечивает не только точную и быструю идентификацию сварщика по особенностям неидентифицированного сварного шва, но и достоверности такого процесса за счет максимального исключения человеческого субъективного фактора, возможности использования множества программных средств для реализации заявленного способа и качественной базы данных с достаточным количеством данных сварных швов. Кроме того, заявленный способ не требует применения дорогостоящего оборудования и материалов и может быть реализован в короткие сроки.The influence of all the above factors is minimized in the claimed method, since it implements the ability and algorithm for selecting the most informative features of welds for analyzing, data processing is performed taking into account the leveling of all possible errors in collecting such data. Thus, the claimed method ensures not only accurate and fast identification of the welder by the features of an unidentified weld, but also the reliability of such a process due to the maximum exclusion of the human subjective factor, the ability to use multiple software tools to implement the claimed method and a high-quality database with a sufficient amount of weld data. In addition, the claimed method does not require the use of expensive equipment and materials and can be implemented in a short time.
Claims (4)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2827116C1 true RU2827116C1 (en) | 2024-09-23 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550673C2 (en) * | 2013-03-25 | 2015-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Device to assess quality of welded joint |
| RU2550979C2 (en) * | 2013-02-04 | 2015-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Weld surface quality control procedure |
| RU2569276C2 (en) * | 2014-04-03 | 2015-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Evaluation of welder qualification |
| RU2681589C2 (en) * | 2016-10-12 | 2019-03-11 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛЛОЙ" | Method of automation of welding production processes |
| CN107690366B (en) * | 2015-04-02 | 2019-12-24 | 伊利诺斯工具制品有限公司 | System and method for tracking welding training arc parameters |
| RU2748861C1 (en) * | 2020-10-23 | 2021-06-01 | Закрытое Акционерное Общество "Чебоксарское Предприятие "Сеспель" (ЗАО "Чебоксарское Предприятие "Сеспель") | Method for visual and measuring non-destructive quality control of welded joint, mainly obtained by friction-mixing welding method, and device for its implementation |
| RU2755914C1 (en) * | 2020-05-15 | 2021-09-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for assessing weldability |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2550979C2 (en) * | 2013-02-04 | 2015-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Weld surface quality control procedure |
| RU2550673C2 (en) * | 2013-03-25 | 2015-05-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Device to assess quality of welded joint |
| RU2569276C2 (en) * | 2014-04-03 | 2015-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХМАШСЕРВИС" | Evaluation of welder qualification |
| CN107690366B (en) * | 2015-04-02 | 2019-12-24 | 伊利诺斯工具制品有限公司 | System and method for tracking welding training arc parameters |
| RU2681589C2 (en) * | 2016-10-12 | 2019-03-11 | Общество с ограниченной ответственностью "ЭЛЛОЙ" | Method of automation of welding production processes |
| RU2755914C1 (en) * | 2020-05-15 | 2021-09-22 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for assessing weldability |
| RU2748861C1 (en) * | 2020-10-23 | 2021-06-01 | Закрытое Акционерное Общество "Чебоксарское Предприятие "Сеспель" (ЗАО "Чебоксарское Предприятие "Сеспель") | Method for visual and measuring non-destructive quality control of welded joint, mainly obtained by friction-mixing welding method, and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104697467B (en) | Weld appearance shape based on line laser scanning and surface defect detection method | |
| CN118602979B (en) | Weld joint morphology and surface defect online detection and evaluation method and system | |
| US9429932B2 (en) | Method and computer system for characterizing a sheet metal part | |
| Renken et al. | An algorithm for statistical evaluation of weld toe geometries using laser triangulation | |
| US9618459B2 (en) | Systems and methods for automated composite layup quality assurance | |
| Ghahremani et al. | Quality assurance for high-frequency mechanical impact (HFMI) treatment of welds using handheld 3D laser scanning technology | |
| Hawryluk et al. | A review of current and new measurement techniques used in hot die forging processes | |
| CN112560176B (en) | Ship part manufacturing precision inspection method and system based on digital model | |
| CN113642205B (en) | Method, device, equipment and medium for evaluating axial defects of BOSS head weld joint for nuclear power station | |
| CN120539292A (en) | Ultrasonic detection method and system for steel structure weld quality | |
| Quinsat et al. | Characterization of surface topography of 3D printed parts by multi-scale analysis | |
| CN114266493B (en) | An intelligent method for determining the quality of girth welds in long-distance oil and gas pipelines | |
| Katunin et al. | Quantification of hidden corrosion in aircraft structures using enhanced D-Sight NDT technique | |
| Woźniak et al. | Analysis of the quality of products manufactured with the application of additive manufacturing technologies with the possibility of applying the industry 4.0 conception | |
| RU2763708C1 (en) | Method for tracking and ranking the qualification of welders | |
| Zhao et al. | High resolution and real-time measurement of 2D fatigue crack propagation using an advanced digital image correlation | |
| RU2827116C1 (en) | Welded joint identification method | |
| Renken et al. | Round-robin study on the determination of weld geometry parameters—part B: analysis of welded specimen | |
| Lloyd | Microtopography for ductile fracture process characterization: Part 1: Theory and methodology | |
| Janecki et al. | Adaptive cylindricity measurements with the use of circumferential section strategy | |
| Kochetkov et al. | Standardization of Roughness of Products of the Machine-Building Industry on the Basis of Variable Height Indicator of Ledges and Variable Depth Indicator of Hollows as an Extension of State Standard GOST 2789–73 | |
| Grigorchenko et al. | Enhancing the Efficiency of Defect Image Identification in Computer Decoding of Digital Radiographic Images of Welded Joints in Hazardous Industrial Facilities | |
| CN117129475A (en) | Terahertz nondestructive testing method for defects of non-metal pipeline hot-melt joint | |
| Renken et al. | A filter calibration method for laser-scanned weld toe geometries | |
| Kantor et al. | Analysis of the relationship between the load-displacement curve and characteristics of fracture of low-alloy steel by neural networks |