文献综述-防窜焊接滚轮架：窜动检测及防窜控制系统设计

重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 防窜焊接滚轮架：窜动检测及防窜控制系统设计 摘要： 防窜焊接滚轮架常应用于大厚壁、大型化、高容量、耐磨蚀的锅炉、石油、化工压力容器的焊接生产过程中，由于焊接滚轮架的制造安装误差以及筒体几何形状的不规则（偏离理想回转体）等 关键词： 轴向窜动 我国在 1990年颁布的焊接滚轮架的行业标准（ 33003规定：主动滚轮的圆周速度应在 6 60m/h 范围内无级可调，速度波动量按不同的焊接工艺要求，要低于 5 10，滚轮转速应稳定、均匀，不允许有爬行现象。按 轮架上进行焊接时，在整个焊接过程中允许工件的轴向窜动量为 3外于 20世纪 80 年代中期推出的防止焊件轴向窜动焊接滚轮架，能将焊件的窜动量控制在 2内。我国近年来也有个别工厂生产过防窜动滚轮架，但在实用性和可靠性方面，与国外产品相比还存在着差距。下面谈谈国内在此产品生产技术上的进展，经过实际检测，其综合指标已优于国外同类产品。 如果滚轮和焊件都是理想的圆柱体，且各滚轮尺寸一致，并且其转动轴线都在同一水平面内并与焊件轴线平行时，放在滚轮架上的焊件是不会产生轴 向窜动的，这是理想情况。但实际上是不可能做到的，尤其是焊件就不可能做到理想中的圆柱体。 曾有人说过：只要将主、从滚轮架在水平和轴向上的位置找好，固定重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 下来，下次再用时就不会窜动了。但经过我们多次试验，这种方法时行不通的。即便是同一个焊件，此时调整后已不再窜动，但换个方向旋转或将该焊件吊起移动位置后再放到滚轮架上，该焊件又会窜动了，更不用说换另外一个焊件了。 国内一些工厂采用在焊件端头硬顶的办法，这种办法对设备和焊件都有损害，实属无奈。国外制作的防窜滚轮架，虽能满足要求，可惜价格较昂贵。 理论和实践都 证明：影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线的平行度。因此，在制造和使用焊接滚轮架时，首先要尽量做到：主、从滚轮架都位于同一中心线上。各滚轮的轴线都在一个水平面内且相互平行。滚轮间距相等。 2 焊件产生轴向窜动的主要原因 影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线的平行度。焊接滚轮架的制造安装误差已有行业标准规定，误差的具体内容有滚轮的跨距、支承距、对角线长度、高度和偏角等允差，最终表现为螺旋角，因此简体的轴向运动往往是不可避免的。由于制造、安装等原因，滚轮和工件之间存在的螺旋角 是工件产生轴向运动的内在因素。 5焊件轴向窜动的检测 我们的目的是要检测出焊件在轴线方向上的窜动位移，从原理上说，可以采取在焊件筒壁侧面检测方式和在焊件端面检测方式。筒壁侧面检测方式可以不受焊件端面误差的影响，但这种检测方式由于要去除筒壁的重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 垂直旋转分量，再加上打滑、筒体表面粗糙、污物的影响，因此要制造出可靠的传感器来是不容易的。在焊件端面检测方式是目前贯用的检测方式，这种检测方法简单、易行，只要让传感器利用弹簧力顶住筒体端面，跟随焊件的轴向窜动即可。但这种检测方式不可避免地受到焊件端面与其轴心线垂直方向上 凹凸不平的影响，因此要求对焊件的受测端面进行加工。但对大型焊件来讲，这种加工要求的精度越高，其困难和费用也就越大。能否降低对端面加工的要求，就显得重要起来。比如，工艺要求焊件的轴向窜动量不大于 2是焊件的受测端面不平度却大于 2这种条件下能否做到防止焊件的轴向窜动是衡量防窜滚轮架是否实用的重要指标之一。 6模糊控制 对于一个焊件，尤其对于一个大型焊件来说，要想确切地知道其检测端面相对于其轴心线的垂直度和不平度是比较困难的。硬性规定其端面加工误差不超过某值有时是不太现实的。在这种条件下，如何 做到对不同的焊件都能达到防窜目的，甚至是零窜动，是关键之所在。对于像防窜滚轮架这类控制系统来讲，在影响焊件轴向窜动的不确定因素很多的情况下，我们可以借助于模糊控制这种手段来达到控制目的。模糊控制就是利用计算机模拟人的思维方式，按照人的操作规则进行控制，也就是利用计算机来实现人的控制经验。模糊数学可以用来描述过程变量和控制作用量这类模糊概念及它们之间的关系，再根据这些模糊关系及每一时刻过程变量的检测值用模糊逻辑推理的方法得出该时刻的控制量。模糊化和精确的控制是辩证的关系，计算机仿照人的思维进行模糊控制，重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 而人的 大脑中的控制经验是由模糊条件语句构成的模糊控制规则。因此，需要把输入信号由精确量转化为模糊量。模糊化首先把输入信号的采样值转化到相应论域上的一个点 (量程变换 )，然后再把它转化为该论域上的一个模糊子集。与模糊化相反，解模糊化过程就是将推理过程中得到的模糊控制作用转化为精确的控制量。不过，对于受控焊件的检测端面误差大于防窜精度的控制系统来说，要实现焊件的防窜目的，仅用模糊控制论的方法来解决问题显然是不够的。因为焊件的端面误差已经大于防窜精度的要求，由传感器送来的偏移量究竟是由于焊件端面的误差造成的，还是由于焊件 的轴向窜动引起的，计算机仅从送来的信号上是无法区别的，况且不同焊件的误差尺寸和形状都是不一样的。为此，在这里我们引入了自适应控制方法。 7自适应控制 自适应控制具有修正本身特性参数以适应被对象和扰动的动态特性变化的能力。在自适应系统中，我们采用的算法是“参数追踪算法”。即计算机对送来的信号进行自动追踪和预设动做阀值，这些参数在控制过程中都不是固定不变的。通俗一点说，就是先让计算机记住焊件的端面形状，然后再分辨出真正的窜动量。这样一来问题就简单了，只要做到对窜动量进行控制而对端面误差不与理睬即可。顺着这一思 路，经过一段时间的调节，我们就可以做到焊件在其轴向上的“零窜动” 自适应过程的时间长短视焊件端面误差而定，对于端面误差在 5约 152约经过 窜动”。 重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 8控制理论的实现 再好的控制理论如果无法在实际控制系统中实现，也仅是一种在学术上的探讨而已；如果要将它制造成工业产品，还有许多困难要克服。我们是在可编程序控制器 说 从原理上说，只要具备记忆功能和判断功能，就能实 现我们想要的控制算法。我们之所以选择 是因为 且它也具备计算机所应具备的一些基本功能。实践也证明了这一选择是正确的。 5 控制系统分析 控制系统的任务是减： ，在规定时间内把轴窜位移控制在焊接生产所允许的范围内。首先应选择合适的轴向位移传感器测出 了 反馈输入量 )，再依据工件的轴向窜动规律来确定合适的控制规律。控制系统主要是控制偏转电机的正反转、转动时间和暂停时间 的长短。本文遵循 下面一种非线性控 图 5 控制系统原理方块图 制规律，并且引进位移、速度负反馈。 控制系统原理如图 5所示。 非线性控制规律为： 当 0时 ： 重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 【一 MN e， 一 中：为偏转电机转速的绝对值；系数 取决于主动滚轮转动方向，正转时 M=1，反转时 M= 1； e， =R 一 (Y+ )；口、 b、 是关键的 3 个系统参数，由系统仿真优化确定，线性系统的动态微分方程 为 =当 R=0 时， e =一 (Y+ k)，可将相平面分为 3 个区域，如图 6 所示。 I 区内，线性系统方程为 =一 倾斜线方程为 =一 a； 区内，线性系统方程为 =0，等倾线方程为。 = 0 ；区内，线性系统方程为 =倾线方程为 =a。在 I、 区域内，相轨迹为抛线；在区域内，相轨迹为与水平轴平行的直线。由上述分析可见，引入位移、速度负反馈， 改变了开关转换线位置， 使相轨迹提前转换，并趋向一个稳定的极限环，从而改变了系统的动态 图 6 控制系统相图性能。极限环的大小取决于。、 b 及 值，系统的控制精度近似为。该控制方案虽使系统保持一定的自持振荡，但可以通过外加“窗口” 电路使振幅控制在较小的范围内，这样仍能获得良好的控重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 制效果。 6 结束语 (1)在制造和使用焊接滚轮架时，首先应尽量做到主从动轮都位于同一中心线上，各滚轮的轴线都在一个水平面内互相平行，滚轮间距应相等。 (2)滚轮架上简体轴向运动的根本原因是由于螺旋角的存在，螺旋角是滚轮架制造安装过程中带来的随机误差。 (3)闭环自动控制系统遵循具有位移、速度负反馈的非线性控制规律，并通过相平面法对系统稳定性进行了分析，分析结果与模型实测结果一致。系统控制精度达到 015 全可用于焊接滚轮架上工件的轴向窜动控制。 2 控制系统设计 2 1 产生及控制轴向位移的机理简体因直线度、椭圆度或其它因素 造成简体旋转轴线 0 一 0 与滚轮架轴线 0 产生水平和垂直方向的偏斜在水平面投影角 n，在垂直面投影角 ，在旋转过程中产生轴向位移即作螺旋运动。当简体向下产生轴向位移 ，位移传感器检测藩号 ，通过 制的电液伺服系统控制滚轮在水平方向反螺旋偏转 角。此时筒体在摩擦力 F 的分力 F。的作用下，开始向上移动，使简体位置回复到 0位，最终摩擦力与螺旋运动力达到平衡。如果回复过零，位移传感器再次检测出信号，使滚轮顺螺旋方向偏转。经多次反复上述运动，始终保诗简体在动态过程中位移控制在工艺允许范围内，从而完成轴向位移控制。 2 控制原理 重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 160t 防窜滚轮架的机械设计上采用了单轮升降调节方式，它集升降与微量转动于一身，具有较好的调整性能。由于筒形工件在滚轮架上做旋转运动时所产生的水平窜动是一个类似螺线运动的复杂缓变过程，所以控制上采用了数字 。即由单片微机为核心构成了数字伺服随动系统，见图 l 该控制系统的实质是利用一种比例、积分、微分数学模型并由人来确定其调整参数，就获得一个良好的稳定精度和动态品质过程的控制方法。微机 节系统是由计算机程序实现 节规律的。该控制系统还必需具备一个高 精度主动轮直流拖动系统，它是由一个转、电压、电流三闭环的可控硅调速系统，既满足了焊接工艺对线速度的要求，又以其高度平稳性为防窜功能提供可靠的保证。 3 系统构成 为实施这一高品质数控系统使之与主设备构成一个机电仪一体化的高精度防窜滚轮架，我们设计的数控系统由两太都分组成。 3 1 数控部分 主机采用 16位单片计算机 8098(或 8 位机 8031)时钟 124 路 1 D， 8 路高速 I O， 数显示器， 17 位数字功能按键微型打印机 作者通过按键实现人机对话，预先输人调节参数和各操作 命重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 令，主机通过对位移传感器，极限位置传感器与工件线速度传感器，升降高度传器输送的信号进行采样、计算、分析后发出相应的伺服控制信号。 ，控制伺服电机对调节轮作升降运动从而达到防窜的效果 整个 工作过程中 16 位 示器实时显示当前窜动量、窜动速度、工件线速度、升降高度四组参数。 续打印窜动量时间变化曲线。 3 2 调速部分 三闭环的可控硅调速器，按手操器所设定的速度驱动主动轮的拖动电机做匀速运转。同时与主机间做相关信号的传递 (如转向、转速限位等信号 )。 4 技术指标 (1)线速度： 3 6 72 m h，电网波动士 10 时，线速度变化 3 5 (2)A 0； (3) 1255， T (采样控制周期 )可选范围达 2512 s (4)轴向位移精度达士 2 附打印纸带 )； (5)从自由状态开机达到控制精度士 2 时间不太于 30 1 系统结构与控制原理 焊接滚轮架是借助工件与主动滚轮之间的摩接力带动工件旋转的机械装置在滚轮架上放置着圆筒形工件，滚轮分主动滚轮与从动滚轮 滚轮的轴线与筒体的中心线不平行形成螺旋角是轴窜位移产生的内在因素控 制系统原理 框图如图 1 所示筒体端面的位移传感器检测轴窜位移，通过单片微机控制系统，输出信号控制举升电机驱动螺旋千斤顶举升或下重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 降，从动轮之一上下移动，螺旋 图 l 控制系统原理框图角改变方向即改变轴窜速度方向，从而控翩轴窜位移本系统若用 节，需由 悼多属大吨位工件，无论选用直流调速电机还是交流调速电机都使系统复杂化成本高，相应增加控制系统的故障率为此，选用普通三相异步电机怍为举升电机，用非线性控制规律控制举升电机正转、反转或暂停，来达到防轴窜的目的若只依据辅窜位移 Y 的大小控制 举升电机的动作，则超调量很大，系统将处于不稳定振荡状态 (系统调试时已证实这一点 )这是因为举升电机的转速为一有限恒定值从动轮上下移动至简体螺旋角变向需要时间；当位移在允许范围内同时具有与位移同方向的较大轴窜速度时，若举升电机不及时动作，必将使轴窜位移超出允许范围为此引入速度负反馈控制规律为 二、现有防窜动滚轮架缺陷 起初，国内对小吨位防窜滚轮架，普遍采用从动滚轮架横向水平移动来调节工件的母线和滚轮的理想轴线，使其保持一致。并通过工件端面的位移传感器的检测，把窜动信息反馈给中央控制系统（ 可编程控制器以下简称 )8*），通过估算由数模转换模块（ 以下简称 92 : 模块）发出脉冲信号来控制伺服纠偏系统进行横向水平移动，调整工件的轴线和滚轮架上的中心母线之间的夹角，阻止工件在滚轮架上的窜动趋势。通过这种不断的循环判断条件再执行调整控制，以达到防窜的目的。经过长期的实践证明，这种控制模式的防窜效果并不理想，有时候甚至调整速度赶不上窜动趋势，致使工件在滚轮架上最终窜出允许调整的范围。 重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 以上控制模式存在以下缺陷： （ 1）调整系统是进行防窜水平横向调整的从动滚轮架的调整机构，加工精度要求比较高，就算采用精加工底座、水平 直线导轨，但最终工件在滚轮上转动时的间隙问题还是存在，会造成工件瞬间较大的窜动。特别是工件由顺时针转向改为逆时针方向旋转启动瞬间，这种现象尤为突出。 （ 2）在设备投入正式工作之前，必须在工件已摆放上滚轮的情况下手动启动滚轮的旋转，并先找到工件和滚轮之间的相对基本零位（工件的轴线和滚轮架的中心母线处于基本一致的位置），设备无法自动找寻零位。 如果不先手动找寻零位，滚轮架就基本上无法进入正常的自动工作状态。 （ 4）通过长时间的运行，整体的调整速度不够理想，效果不十分明显。这是因为调整反应不够灵敏，连续工作的情况 下甚至会无法阻止工件的轴向窜动趋势，最终导致工件窜出安全区域。 （ #）一般情况下，检测轴向窜动的位移传感器安装在工件的加工圆周面上。在这种模式下对工件端面的加工精度要求就非常高，必须要保证端面加工的精度跳动在 $% 级以上，否则会给检测系统造成检测错觉，进而 使调整系统误动作。另一方面，要想达到理想的加工精度就必须投入更多的设备资金。基于以上问题，国内很多焊接装备企业开始寻求一种新的控制模式，以期设计一种防窜效果更理想、控制精度更好、防窜反应更灵敏的控制系统，以便克服以上缺陷。从理论上讲，设备安装在非常理想的 情况下，如果滚轮和焊件都是理想的圆柱体，且各滚轮尺寸一致，并且其转动轴线都在同一水平面内，并与焊件轴线平行时，放在滚轮架上的焊件是不会产生轴向窜动的，这是理想情况。但实际上是不可能做重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 到的，尤其是焊件就不可能做到理想中的圆柱体。经过卷板拼缝焊接，工件更是无法保证为理想的圆柱体。 纠偏系统通过多年的研究和实践经验，我们采用普通交流电动机进行顶升防窜调整，不但经济、稳定、调整效果显著，而且没有机加工间隙影响调整效果等现象。 轴向窜动检测系统 要达到防窜的目的，首先要检测出焊件在滚轮上转动的过程中轴 向是否有窜动位移。从以往的经验考虑，我们可以采取在焊件筒壁端面检测的方式。在焊件端面检测是目前惯用的方式，但这种检测不可避免地会受到焊接件端面与其轴心线垂直方向上凹凸不平的影响，因此要求对焊件的受测端面进行加工，并且加工精度也要求得非常高。但对大型焊件来讲，这种加工要求的精度越高，其困难和费用也就越大。能否降低对端面加工的要求，就显得重要起来。如果工艺要求焊件的轴向窜动量 ! & ./，而焊件的受测端面不平度却 0 & ./，在这种条件下能否做到防止焊件的轴向窜动是衡量防窜滚轮架是否实用的重要指标之一。对滚 轮架本身来说，在端面误差很大的情况下，检测装置检测到的数据即使能 保证防窜在允许波动的范围以内，但也不是我们的目的。因为如果使用焊接设备机头部分没有自动跟踪装置的话，最终焊接出来的焊缝是“ 1” 形的，这种结果我们只能判定为不合格，所以我们要尽最大可能消除端面误差。经过多次的技术探讨和现场经验，我们提出了检测工件中心位置的方案，其目的只有一个，就是克服以往平移式防窜中的第 # 点缺陷。要解决这一问题并不困难，在检测焊件中心位置不变的前提下，只要在重庆理工大学毕业论文 文献综述 页码居中，以阿拉伯数字顺序排序 检测的过程中能避免如上所说的端面加工误差造成的影响就可以了。 & 防窜控制模式 我们采用了“ 模糊控制” 模式。对任何焊件来说， 要想确切地知道其检测端面相对于其轴心线的直度和不 平度是比较困难的。在这种情况下，如果要做到如数控 机床那样想通过精确的公式计算来给定防窜调整脉冲量 是不现实的。那么如何做到对不同的焊件都能达到防窜 目的，甚至是零窜动，就成了关键之所在。 针对设备的实际应用，防窜滚轮架这类控制系统， 在影响焊件轴向窜动的不确定因素很多的情况下，可以 借助于模糊控制理念，通过 #$% 编程控制系统来实现防 窜目的。模糊控制就是利用计算机模拟人的思维方式， 按照人 的操作规则进行控制，也就是利用计算机来实现 人的控制经验。计算机仿照人的思维进行模糊控制，而 人的大脑中的控制经验是由模糊条件语句构成的模糊控 制规则。而计算机是否可以真如人的大脑一样呢？回答 是肯定的。因为目前应用在这一领域的 #$% 毕竟不是智 能的，况且它只具备计算机的一些基本功能，更不可能 拥有和人类一样的思维能力，但我们可以给它判断能 力，也就是说必须以计算机自身所能做到的模糊方式来 编制相应的控制系统。 通过精密的检测系统，实时