（机械电子工程专业论文）tig熔焊成型中焊缝几何尺寸的建模与控制.pdf

摘要 摘要 熔焊快速成型是目前能够直接成型金属零件的一种快速成型技术。成型零 件由全焊缝组成，组织致密度高，满足使用中的强度和硬度性能要求。由于采 用焊接加热热源和焊丝原料，该技术制造成本低，具有良好的应用前景。本文 针对t i g 熔焊成型技术中存在的问题，对焊接参数与焊缝几何尺寸之间的关系 进行了研究，实现了对成型焊缝几何尺寸的控制。本文的主要研究内容如下： 1 、建立了t i g 熔焊快速成型系统平台，该系统能够在焊接过程中对焊接设 备进行实时监控，满足了熔焊快速成型的要求。 2 、建立了在一定焊接条件下焊接电流、焊接速度和送丝速度三个焊接参数 与单道焊缝熔宽和余高尺寸的b p 神经网络模型。利用此模型可以合理选取所需 的焊接工艺参数，并能够对该参数条件下所能获得的焊缝熔宽和余高尺寸进行 准确预测。 3 、分析了多道焊缝堆焊时相邻两道焊缝中心间距对焊缝熔宽、余高以及上 表面质量的影响，找到了焊缝成型质量相对较好的间距作为多道焊缝堆焊成型 的路径间距。 4 、设计了基于焊接电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统。该系统在焊接过程 中根据不同的焊接情况做出反应，实时调整焊接电流、焊接速度和送丝速度三 个焊接参数以满足成型零件的尺寸要求。试验结果表明，应用该系统能够提高 成型零件的尺寸精度，获得了较好的零件成型质量。 关键词； r i g 熔焊成型；焊接参数；b p 神经网络；模糊控制 a b s t r a c t w e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n gi sar a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n o l o g yw h i c hc a n m a n u f a c t u r em e t 盟lp a r t sd i r e c t l yf r o m3 df i g u r e ap a r tp r o t o t y p e db yw e l d i n gr a p i d p r o t o t y p i n gi sc o m p o s e do fp u r ew e l d s ，s o i ti s h i g hd e n s ea n dc a nf u l f i lt h e a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s u s i n gw e l d i n gt e c h n o l o g y , t h ec o s ti sv e r yl o w , s oi th a s t h e p o t e n t i a lt ob ew i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r y a st ot h ew e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g yb a s e do nt i gb u i l d i n g u p ，i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m sd u r i n gt h e d e p o s i t i o np r o c e s s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw e l d i n gp a r a m e t e r sa n dw e l dg e o m e t r y i ss t u d i e d ，a n dt h eg o a lt oi m p r o v et h ed e p o s i t i o na c c u r a c yi sa c h i e v e d t h er e s e a r c h w o r k so ft h ep a p e ra 他鹊f o l l o w s ： 1 t h et i gw e l d i n gr ps y s t e mi sd e v e l o p e d t h ew e l d i n go q u i p m e n t sc a nb e m o n i t o r e dd u r i n gt h ed e p o s i t i o np r o c e s su s i n gt h i ss y s t e m i tc a nf u l f i lt h ew e l d d e p o s i t e d - b a s e dr pt e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s 2 t w ob pn e u r a ln e t w o r k sm o d e l sf o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw e l d i n g p a r a m e t e r sa n dt h ew e l dg e o m e t r ya r ee s t a b l i s h e d t h ew e l d i n gp a r a m e t e r sc a n b e c o r r e c t l ys e l e c t e da n dt h ew e l dg e o m e t r yc a nb ee x a c t l yp r e d i c t e db y t h i ss y s t e m 3 f o rm u l t i - t r a c kd e p o s i t i o np r o c e s s ，t h ee f f e c to ft h ew e l dp a t hi n c r e m e n to n t h ew e l ds e a mg e o m e t r y , t h a ti sw e l dw i d t ha n dw e l dr e i n f o r c e m e n t , i sa n a l y z e d a p r o p e rw e l dp a t hi n c r e m e n t i so b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t s 4 aw e l dg e o m e t r y 蛔c o n t r o ls y s t e mb a s e do na r cv o l t a g es a m p l i n gi s d e v e l o p e d i nt h i ss y s t e m ，t h ew e l d i n gp a m m e t e r s ，i n c l u d i n gt h ew e l d i n gc u r r e n t , t r a v e ls p e e da n dw i r ef e e d i n gr a t e ，c o i lb ee a s i l yc o n t r o l l e dt oa c q u i r et h e3 dp a r t s r e s u l t ss h o wt h a td e p o s i t i o na c c u r a c yc a nb ei m p r o v e da n d9 0 0 dq u a l 埘c o m p o n e n t s c a nb ep r o t o t y p e d k e yw o r d s ： r i gw e l d i n gr a p i dp r o t o t y p i n g ； n e t w o r k s ；f u z z yc o n t r o l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得壶星太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：易良麦磊签字日期：勿召年乡月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 ； 焊接电流i = n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b ； 焊接速度v = n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b ； 4 9 第4 章焊接参数模糊控制器设计 送丝速度s = n b ，n m ，n s ，z e ，p s ，p m ，p b 。 根据语言变量的数目，模糊集论域中所含的元素个数应为模糊语言词集总 数的二倍以上以确保模糊集能够很好地覆盖论域，避免出现失控现象。本系统 根据所制定的语言变量的数目和系统精度要求，输入、输出变量选取相同的论 域： 一6 ，5 ，_ 4 ，- 3 ，2 ，1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 。 4 4 3 量化因子和比例因子的确定 为了进行模糊化处理，必须将输入变量从精确的基本论域转换到相应的模 糊集论域，这中间可以通过将输入变量乘以相应的量化因子实现。每次经过模 糊控制算法得到的控制量是在模糊集论域中的，还不能直接控制对象，必须将 其转换到被控对象能接受的基本论域中去，这之间可乘以相应的比例因子。 基本论域的制定是建立在大量试验和事先对事物的了解基础上。通过大量 的试验研究发现，不同焊缝的焊接情况下a d 采集的焊接电压变化范围也不一 样，焊接参数的调节范围也应不同。因此，不同的焊缝类型和焊缝的不同位 置段，可以通过试验整定出了不同的比例因子和量化因子。所以焊接时不 同的焊接情况可以选用不同的比例因子和量化因子。例如，焊缝熄弧段下 塌一般出现在距离熄弧点1 3 r a m 内的一段焊缝上，故熄弧段焊缝的比例因 子和量化因子可以以是否到达距离熄弧点1 3 r a m 远的位置处作为是否选用 熄弧段焊缝比例因子和量化因子的依据。比例因子和量化因子还可在软件 界面中对其进行修改。 ( 1 ) 单道多层焊接熄弧段焊缝比例因子和量化因子的确定 单道多层焊接时选用的焊接电流相对于多道焊接时较小。焊接电流在9 0 a - - 1 1 0 a 之间、电弧长度为4 5 - 6 m m 时，熔滴过渡效果相对较好。由公式4 1 可知 此时的焊接电压为1 2 6 v 左右。若取量化因子恕，= 屯2 = 4 ，则当前a d 采集点的 焊接电压v ，与标准设定的电压值v o 的偏差q 变化范围为【- 6 4 v ，6 4 v ，偏差岛的 范围也为 - 6 4 v ，6 4 v 。若将1 2 6 v 定为标准焊接电压，则模糊控制器的焊接电 压考查范围为【1 1 1 v ，1 4 1 v 】，即当电压小于1 1 1 v 时认为是1 1 1 v ，当电压大 于1 4 1 v 时认为是1 4 1 v 。试验研究发现，一般焊接电压范围约在1 1 0 v - 1 4 5 v 之间，所以将两输入量的基本论域转化到模糊集论域的量化因子取4 是合适的。 单道多层堆焊焊缝熄弧段容易产生下塌，需要减小焊接电流以减小热输入， 第4 章焊接参数模糊控制器设计 同时还需要加大送丝量，焊接电流和送丝速度的调节范围可以相对较大。通过 大量试验，选取比例因子分别为向3 2 ，七。= 8 ，= 3 时，可以获得较好的成型 效果，即焊接电流最大可改变6 倍的毛即1 9 a ，送丝速度最大可改变6 倍的七。即 4 8 e r a r a i n ，焊接速度由于数控铣床运动的最小速度修调量为1 0 m m m i n ，所以最 大调节量为2 0 m m m i n 。 ( 2 ) 单道多层焊接中间段焊缝比例因子和量化因子的确定 单道多层焊接焊缝中间段与熄弧段一样，模糊控制器输入量的量化因子也 取为吃l - - k , 2 = 4 。 单道多层焊缝中间段为了使焊缝熔宽不会发生较大变化而又能防止焊缝的 下塌，选取的比例因子分别为毛= o 7 ，t = 4 ，屯- 3 ，即焊接电流变化较小，主 要依靠改变送丝速度来进行调节。 ( 3 ) 多道多层焊接边缘焊缝比例因子和量化因子的确定 多道焊缝焊接相对于单道焊缝焊接电流一般较大，焊接电压波动范围一般 在1 2 v 内，- q - 以取乞1 = 5 。偏差乞的变化范围一般在1 5 v 内，故取乞2 = 4 。 多道多层焊接中，边缘焊缝一般要比中间焊缝焊接电流要小十多安，送丝 速度也要大，以减少焊缝侧面的下塌。经试验选定其比例因子分别为：毛- 3 ， 屯- 2 9 ，毛_ 3 。 ( 4 ) 多道多层焊接中间道焊缝比例因子和量化因子的确定 与多道多层边缘焊缝一样，模糊控制器的量化因子取屯，= 5 ，屯2 = 4 。 比例因子的选取：由于是中间段焊缝，故不存在焊缝下塌的问题。为了防 止熔宽变化较大而出现相邻两道焊缝未熔合的现象，主要通过适当调节送丝速 度来减少焊缝的高低不平，而焊接电流和焊接速度调节量应较小。因此，其比 例因子分别取为：也= o 7 ，后。_ 3 5 ，屯- 3 。 ( 5 ) 多道多层焊接熄弧段焊缝比例因子和量化因子的确定 与多道多层边缘焊缝一样，量化因子取恕，= 5 ，屯2 = 4 。 比例因子的选取：多道焊缝熄弧段与单道焊缝的类似，也容易发生焊缝尾 部下塌的现象，所以应该对焊接电流和送丝速度进行较大的调整。经多次试验 选定模糊输出量的比例因子分别为：毛= 4 ，七。= 6 ，屯- 3 。 5 1 第4 章焊接参数模糊控制器设计 4 4 。4 隶属函数的选择 将某个具体的模糊变量值转换成具体的模糊语言值所依靠的是隶属函数。 隶属函数是用来反映模糊变量值和模糊语言值之间的依存关系程度。实际控制 中三角形隶属函数相对简单，应用也较多，故本系统采用等腰三角形作为语言 变量模糊子集的隶属函数。为了使控制器具有较强的分辨能力并保证其鲁棒性， 相邻语言值隶属函数的重叠度一般选在0 3 0 7 之间。基于大量的试验经验， 选取如图4 9 所示的输入、输出变量隶属函数。 ( a ) 输入量白 i ( c ) 输出量i 输入量吃 ( d ) 输出量1 ， s ( e ) 输出量s 图4 9 输入、输出量的隶属函数 5 2 n 一 一 t11li-jijjjj 第4 章焊接参数模糊控制器设计 4 4 5 模糊控制规则的确定 确定语言控制规则是模糊控制器设计的核心工作。经过模糊化，我们已经 知道与实际偏差e 相对应的模糊变量e 是隶属于哪个或哪几个模糊语言值。现 在需要根据模糊语言值和模糊推理规则来推导出输出量的模糊语言值。 在规则库的设计时，需要确定合适的语言变量级数和控制规则的数目以建 立正确的规则形式。模糊控制规则的制定是经过大量试验由经验确定出的。熔 焊成型过程中经常出现的问题是焊缝的下塌和由于底板热变形而出现的中间下 凹，因此控制规则也主要针对此问题来设计。 模糊控制器的两个输入分别为当前a d 采集点的焊接电压与标准设定电压 值的偏差e 1 和当前焊缝段焊接电压的平均值与标准设定电压值的偏差e 2 。e 1 反映了当前采集点焊缝的高度情况，e 2 反映了从起弧点到当前采集点这段焊缝 的平均高度情况。模糊控制器的三个输出为焊接电流增量i 、焊接速度增量v 和 送丝速度增量s 。根据经验，有以下规则： ( 1 ) 若e 1 正大且e 2 负大，说明前一段刚焊接完成的焊缝高度很高，但当前 点焊缝的高度很低，很可能出现了下塌现象。此时需要迅速减小焊接电流和焊 接速度，同时加大送丝速度来防止焊缝高度的进一步降低。故选用的模糊控制 规则格式为： i f e i = p ba n de 2 = n b ，t h e ni n ba n dv _ n ba n ds = p b 。 ( 2 ) 若e 1 正大且e 2 正大，说明前一段刚焊接完成的焊缝高度低，且当前点 焊缝的高度也低，即焊缝高度基本不变。前段焊缝高度较低的原因很可能是焊 枪起弧时高度偏高，此时只需要稍微减小焊接电流和焊接速度，同时稍微加大 送丝量来使高度有所增加。故选用的模糊控制规则格式为： i f e l - p ba n de 2 = p b ，t h e ni n sa n dv = n sa n ds - p s 。 ( 3 ) 若e 1 负大且e 2 正大，说明前一段刚焊接完成的焊缝高度低而当前点焊 缝的高度很高。该情况出现的一般原因是焊枪起弧点高度过高，当前点焊缝的 高度也高，此处相对于同道焊缝可能呈凸起形状。为了降低当前焊缝高度从而 达到焊缝高度一致的目的，此时应加大焊接电流和焊接速度，同时减少送丝速 度来使焊缝的高度降低。故选用的模糊控制规则格式为： i fe 1 爿n ba n de 2 = p b ，t h e ni - p ba n dv = p ba n ds n b 。 ( 4 ) 若e 1 负大且e 2 负中，说明前一段刚焊接完成的焊缝高偏高且当前点焊 第4 章焊接参数模糊控制器设计 缝的高度更高，即焊缝高度稍微增加。前一段焊缝高度偏高的原因一般是焊枪 起弧时高度偏低，此时可稍增加电流和焊接速度并稍微减少送丝量来使焊缝高 度降低。选用的模糊控制规则格式为： i f e i = n ba n de 2 = n m ，t h e ni = p sa n dv = p sa n ds = n s 。 其余的模糊控制规则也可以根据经验得出，列于表4 2 中。 表4 2 模糊控制规则表 。深 e 2 心s n bn mn sz op sp mp b z e ，z e ， n s , n s ，n s , n s ，n m , n m ， n m , n m ， n b ，n b ， n b ，n b ， n bz ep sp sp mp mp bp b p s ，p s ，z e ，z e ，n s , n s ，n s n s n m , n m ,n m ，n m ，n b , n b ， n mn sz ep sp sp mp mp b p m , p m , p s ，p s ，z e ，z e ，n s , n s ，n m , n m ，n m , n m ,n b , n b ， n sn mn s征p sp mp mp b p m ，p m ,p s ，p s ，p s 3 s ，z e ，z e ，n s , n s ，n m , n m ,n b , n b ， z on mn sn sz e p sp mp b p b p b ，p m , p m ,p s , p s ，z e z e ，n s , n s ，n m , n m ，n b , n b ， p sn bn m n s z ep sp mp b p b ，p b ， p m , p m , p s , p s ，p s j s ，z e ，z e ， n s , n s ，n m , n m , p mn bn mn sn s珏p sp m p b ，p b ，p b ，p b ，p m p m ,p s , p s ，p s ，p s ，z e , z e ，n s , n s ， p bn bn bn mn sn sz ep s 4 4 6 模糊推理、解模糊和模糊控制器查询表的建立 模糊推理也称模糊决策，本文采用m a m d a n i 的极大极小值合成法进行模糊 推理。在进行模糊推理之前，必须先根据模糊控制规则求出反映模糊控制规则 的模糊关系r 。因焊接电流、焊接速度和送丝速度三个参数相互独立，可以分别 求出其模糊关系。 本文中模糊规则格式为：i f e l = a ia n de 2 = b jt h e nu = c i j ( i _ l 7 ，j = l 7 ) 所以模糊关系r 为：r = u a i b c i 求出r 后，基于最大最小推理合成规则，可求得任意输入模糊集合a i 和b j 对应的输出模糊集合u i ；，即：u i j = ( a i b i ) o r ，其中符号“o ”代表输入的模糊集合 第4 章焊接参数模糊控制器设计 求笛卡儿积后与模糊关系的极大极小值合成运算。 经过模糊推理之后，可以获得控制输出模糊变量的模糊语言值，即控制输 出量是正大、负大、负小或是其它量。但是由于执行机构不能理解这种语言值， 还需要把模糊语言值转换成执行机构能够执行的精确量，该过程即为解模糊。 解模糊主要是根据输出模糊语言值和输出模糊变量之间的隶属度关系，根 据一定的算法算出精确的输出控制量。本文采用重心法解模糊，其实现方法如 下： 甜，窖 u = 童- l 材， j - 一6 式中：u 一模糊输出 一输出的隶属函数 “2 ) 通过解模糊之后即可建立输出量的模糊控制查询表。在实际控制中，通过 查表法可以大大减少计算机的运行时间，加快系统的运行速度。获得的三个输 出控制量的模糊控制查询表如表4 3 表4 5 所示。 表4 3 焊接电流模糊控制表 心 髟， 石543210l234 5 6 石0旬81 41 41 42 63 43 43 445 3- 5 25 3 5 0 8 0_ 0 8_ 0 8 1 4 2 62 6 2 6 3 4 44- 4 5 2 _ 4 1 40 80旬81 41 41 42 6- 3 4- 3 4- 3 4 _ 4 5 3 32 62o 8o_ 0 8- 0 81 42 63 43 4- 3 4_ 45 2 23 42 61 40 80- 0 81 42 63 4- 3 43 445 3 13 42 61 4o 80 8 0- 0 8 - 2- 2 62 63 4- 45 2 0 3 42 6 1 4 1 41 4o 80旬81 4- 2 63 4 _ 4 5 3 l4 3 22 62 61 40 8o_ o 81 4 - 2 6 3 4 _ 4 5 2 25 33 43 42 61 40 80一o 81 42 6- 3 44- 5 3 35 243 42 61 4o 80 8082- 2 63 24 45 343 42 61 41 41 40 80q 8- 1 4- 2 63 4 55 2443 2 2 62 6 1 40 80 80加8 22 6 65 35 25 34 3 42 61 4 1 41 4o 8 0- o 81 4 第4 章焊接参数模糊控制器设计 表4 4 焊接速度模糊控制表 n e j e 叭萨_ 6- 543- 2- 1ol234 56 、 缶o1222- 344_ 4- 4 35 45 3 5 4 5l011- 2- 333- 4- 4 3- 4 3 _ 4 35 3 42l012- 22- 3- 444 _ 4 3 5 4 332l01123- 4_ 4_ 4- 4 35 3 2432l0一12- 3- 4- 44_ 4 35 4 1432ll012334- 4 35 3 04322 2 l01- 234- 4 35 4 l4 33 33 32l 012- 34_ 4 35 3 25 444 3 2 l 01- 23- 4_ 4 35 4 35 34 34 32l 10 1 - 2- 33 3_ 4 3 45 44 34 322 2l o 123- 4 55 34 34 3 3 333 2l l 0123 65 45 35 44 34322 2 1012 表4 5 送丝速度模糊控制表 n 日 e 2 s 石5 - 4 3 2 - 1 0l 2 3456 - 600 81 41 4 1 4 2 63 43 43 4 4 5 3 5 2 5 3 - 5- o 800 8o 81 42 62 62 63 4 4 4 45 2 - 41 40 800 81 41 - 41 42 63 43 43 4 4 5 3 - 3- 2 62o 800 8o 81 42 63 43 43 4 4 5 2 23 4- 2 61 4- o 800 81 42 63 43 43 4 4 5 3 - 1 3 4- 2 61 4_ o 8旬80o 822 62 63 4 4 5 2 03 4- 2 6 1 4- 1 41 4- 0 80o 81 42 63 445 3 l _ 4 3 22 6 - 2 61 4- 0 80o 81 42 63 445 2 25 3- 3 4- 3 42 6 1 4- o 80o 81 42 63 445 ，3 35 2- 43 42 6 1 4加8m 8o0 822 63 24 45 3- 43 4- 2 6 1 4 - 1 4 1 4 0 80 o 8 1 42 6 3 4 55 2- 443 2- 2 62 61 4加80 800 82 2 6 65 35 25 343 4- 2 61 41 41 40 800 81 4 应用m a t l a b 软件可以绘制出焊接参数模糊控制器的控制曲面，见 图4 1 0 。由图可知，当a d 采集点的焊接电压v ，与标准设定电压值v o 的偏差e l 和当前焊缝段所有采集点电压平均值v 与标准设定电压值v o 的偏差吃都较大 时，反映了当前点焊缝高度与所要求设定高度的偏差较大，并且整段焊缝的高 第4 章焊接参数模糊控制器设计 度偏差也较大，此时应大幅度的调节焊接工艺参数来阻止这种偏差的进一步增 大。 ( a ) 焊接电流 4 5 本章小结 ( b ) 焊接速度 ( c ) 送丝速度 图4 1 0 输出量模糊控制曲面 本章研究了焊接电压与焊接电流、电弧长度之间的关系，得出了在保护气 体流量为1 0 l m i n 时，焊接电流在8 0 - - 1 4 0 a 范围内焊接电压、焊接电流和电弧 长度三者之间的函数关系。以此为基础设计了基于焊接电压反馈的焊接参数模 糊控制器。焊接参数模糊控制器在焊缝高度变化时做出反应，自动调节焊缝高 度发生变化处的焊接参数以实现焊缝高度和宽度趋于一致的目的，方便了对焊 缝尺寸的控制。 5 7 第5 章基于电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 第5 章基于电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 熔焊快速成型中经常出现热变形以及焊缝熄弧段和两侧面焊缝的下塌问 题，这使成型焊缝的高度和宽度方向尺寸难以达到规定的要求。通过对焊缝下 塌现象的分析可知，在焊缝具有下塌趋势或已经出现下塌时，通过合理调节焊 接工艺参数能够有效防止或控制这种下塌。为此，在前一章设计了模糊控制器 的基础上，本章设计了熔焊快速成型焊缝几何尺寸的模糊控制系统。 5 1t i g 熔焊快速成型过程 熔焊成型技术将数控技术、焊接技术以及计算机技术结合在一起，通过计 算机对零件进行造型、模型处理与切片之后，按各层规划的轨迹生成数控代码， 通过焊接设备将金属熔化并按照数控设备的运动轨迹堆积出所需形状的金属零 件，再结合数控铣削来提高成型零件的表面精度。其具体步骤如下图5 1 所示： is 1 几文件纠l l 错与分层l 鎏函 各层堆积路径规划i 与数控指令的生成l 。_ - 。- 。_ - 。_ p 。一 墨麴 成型工艺参数i 的设定 1 】e 一 n 吵 图5 1 熔焊快速成型过程 5 8 第5 章基于电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 5 2tig 熔焊成型焊缝尺寸模糊控制系统 t i g 熔焊快速成型焊缝尺寸模糊控制系统框图如图5 2 所示。该控制系统执 行机构为焊机、送丝机以及数控铣床等焊接成型设备，被控对象为成型焊缝几 何尺寸，反馈量为通过a d 采集卡采集的焊接电压值。前一章的研究结果表明， 焊接电压值反映了成型焊缝的高度，即在图5 2 所示的控制系统中是通过采集焊 接电压来间接测量焊缝的高度，故其为一半闭环控制系统。 图5 21 1 g 熔焊成型焊缝尺寸控制系统 t i g 熔焊成型焊缝尺寸控制系统在焊缝高度变化时做出反应，自动调节焊缝 高度变化处的焊接参数以实现焊缝的高度和宽度趋于一致的目的。该系统工作 原理如下： 先由b p 神经网络模型预测出所要求尺寸焊缝对应的焊接电流乇、焊接速度 和送丝速度s o 三个焊接参数的大小，以这三个参数作为起弧时的焊接参数启 动焊接。在焊接过程中a d 采集卡每间隔一定时间( 设定时间为0 0 2 0 对焊接电 压和焊接电流值进行a d 采样。当采集的焊接电压值与某一设定标准值有一定的 偏差( q 和乞) 时，说明该处焊缝高度与要求的高度有一定的偏差。模糊控制器根 据不同的模糊控制规则查询计算机中存储的模糊控制响应表，得到焊接电流、 焊接速度和送丝速度这三个焊接参数的调整量( 出、a v 和a s ) ，该调整量与焊接 起弧时的焊接参数值叠加即为最终计算机输出到焊接设备中对焊接设备进行控 制的焊接参数值( 乇+ 垃、1 o + v 和s o + 厶) 。最终焊接设备在计算机的控制下堆 焊出一定形状尺寸的零件，并结合数控铣削以提高成型零件的表面精度。 第5 章基丁电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 5 3t ig 熔焊成型焊缝尺寸控制系统的控制效果 图5 3 为未加焊接参数模糊控制器的熔焊快速成型系统所堆焊的单道多层 墙体焊缝。左端为起弧端，右端为熄弧端，堆积2 0 层后，焊缝中间高约1 4 1 m m ， 宽约5 2 m m 。距离熄弧点5 m m 处焊缝高度为11 9 m m ，宽5 7 m m 。可见熄弧处 出现了明显的下塌。 图5 3 出现f 塌的单道多层墙体焊缝 为了检验加入焊接参数模糊控制器的焊缝尺寸控制系统的控制效果，我们 进行了不同焊接情况下的焊接试验。 ( 1 ) 单道多层焊缝 为了模拟焊缝下塌的现象，在一块厚度为l c m 的平板上开了一个底面为倾 斜面的槽，斜面与水平上表面央角为2 3 。，如图5 4 所示。焊枪行走的轨迹为 平行于上表面的水平直线。从斜面高的一端起弧，起弧点钨极与斜面竖直方向 距离取4 5 m m ，焊缝设计长为7 5 m m ，所以堆焊成型中焊枪相对于斜面的距离越 来越大，斜面上熄弧点位置处比起弧点低3 m m 。起弧电流为9 0 a ，焊接速度 1 5 0 m m m i n ，送丝速度1 0 0 c m m i n ，经过1 0 层的堆积，右端起弧端焊缝相对于 斜面高度7 1 m m ，距离熄弧点约5 m m 处焊缝相对于斜面高度为9 5 m m ，即熄弧 端焊缝与起弧端焊缝水平方向高度差约0 6 m m ，焊缝熄弧段熔宽最大5 2 m m ， 中间段熔宽约5 0 m m ，熔宽变化也较小。可见经过1 0 层堆积之后，基本消除了 斜面的影响，达到了焊缝高度基本一致的目的。 ( a ) 单道多层焊缝( b ) 单道多层焊缝俯视和主视图 图5 4 单道多层焊缝 ( 2 ) 多道多层焊缝 进行多道多层长方体焊缝的堆焊试验，并在已堆积成型的7 道2 0 层长方体 6 0 第5 章基于电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 焊缝中间开一个凹坑来模拟焊缝高度的变化，凹坑最深处深约2 5 m m ，如图5 5 所示。多道多层焊缝相对于单道焊缝焊接电流应相对较大，选取起弧焊接电流 为1 2 0 a ，焊接速度和送丝速度分别为1 5 0 m m m i n 和1 0 0 c m m i n 。再经过了7 道 4 层焊缝的堆积，零件整体高度增加，凹坑处也得到了修复，两边缘焊缝和熄弧 段焊缝均未出现明显的下塌，如图5 6 所示。在多道多层焊缝中间段、熄弧段以 及边缘焊缝焊接时，加入了焊接参数模糊控制器的焊缝尺寸模糊控制系统均取 得了较好的控制效果。 图5 5 带有凹坑的多道多层焊缝 5 4 典型焊缝零件的堆焊成型 图5 6 修复后的多道多层焊缝 前一节的试验结果表明，熔焊快速成型焊缝尺寸模糊控制系统对焊缝高度 变化小于3 m m 的情况能够实现较好的控制效果。该控制系统可以根据不同的焊 接情况选用合适的控制规则对焊接电流、焊接速度和送丝速度这三个焊接参数 地进行实时自动调整，这为实现金属零件的快速制造打下了基础。 5 4 1 单道多层焊缝零件堆焊成型 利用t i g 熔焊成型焊缝尺寸控制系统进行单道多层焊缝的堆积试验，起弧 时焊接参数选为：焊接电流9 0 a 、焊接速度15 0 m m m i n 、送丝速度10 0 c r n m i n 。 共堆焊了5 8 层，焊缝长约7 6 5 m m ，左端熄弧段焊缝最大宽度为6 2 m m ，距离 熄弧点约5 m m 处焊缝高度为3 8 m m ，中间段焊缝平均宽度为5 5 m m ，平均高度 为3 8 6 m m ，其主视图和俯视图如图5 7 所示。可见堆积到第5 8 层仍未见下塌， 焊缝的宽和高方向尺寸都均匀一致。 6 1 第5 章基丁电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 ( a ) 主视图( b ) 俯视图 图5 7 单道多层墒体 图5 8 为一圆筒形焊缝，起弧焊接电流为11 0 a ，焊接速度1 5 0 m m m i n ，送 丝速度1 0 0 c r n m i n ，共堆积了1 7 层，未出现明显下塌。测得圆筒的平均高度约 为1 5 m m ，外径约为0 4 5 m m ，内径3 2 4 m m ，故壁厚为6 3 m m 。图5 9 为经过 铣削加工后的圆筒零件，外径为9 4 3 m m ，内径为0 3 4 m m ，高为1 3 5 m m ，表面 非常光洁。由此可知图5 8 圆筒形焊缝外表面切削余量为1 0 m m ，内表面的切削 余量仅为0 8 m m ，可见该圆筒形焊缝的熔宽较为均匀一致，其表面精度也相对 较高。 图5 8 圆筒形零f ， 5 4 2 斜面焊缝零件堆焊成型 图5 9 表面经过铣削加工 要堆焊倾斜面焊缝，上下相邻两层焊缝的堆积轨迹需要错开一定的距离，即 当前焊缝中心应与前一层焊缝中心要有一定的偏移量。偏移量越大则焊缝的倾斜 角度就越大，但不能无限制的偏移。试验研究发现，当上下两层焊缝中心偏移量 大于0 8 m m 时，上下两层焊缝重叠较差，故堆焊成型中上下两层焊缝的偏移量 选为0 0 8 m m 之间。 利用熔焊快速成型系统进行了空心圆锥形焊缝零件的堆积成型，其起弧焊接 6 2 第5 章基于电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 参数为焊接电流9 0 a 、焊接速度1 5 0 m m m i n 、送丝速度1 0 0 c m m i n ，上下相邻两 层焊缝中心偏移量为0 3 m m ，最后的形状如图5 1 0 所示。可见焊缝表面比较光 滑，高度均匀一致。 在堆焊成型中选用不同的偏移量，可以堆积出曲面零件，如图5 1 1 所示。 其上下相邻两层焊缝中心的偏移量选取为0 0 4 m m 。 图5 1 0 空心圆锥形零件 5 4 3 多道多层焊缝零件堆焊成型 图5 1 1 花瓶形状零件 多道多层焊缝起弧点焊接参数选取为电流1 2 0 a 、焊接速度为15 0 m m m i n 、 送丝速度1 0 0 c m m i n 。堆焊- n 面为竖直面，另一侧面为斜面的截面形状为倒梯 形的焊缝，如图5 1 2 ( a ) 所示。最底层为4 道焊缝，最上层为6 道焊缝，共堆积 了1 6 层。斜面堆焊过程中焊缝上下相邻两层之间堆积路径偏移量为0 3 m m 。由 图5 1 2 ( b ) 可见其上表面和斜侧面较为平整，未出现明显的尾部和侧面下塌的现 象，成型效果较好。 ( a ) 多道多层焊缝 ( b ) 俯视图和主视图 图5 1 2 多道多层倒梯形焊缝 6 3 第5 章基于电压反馈的焊缝尺寸模糊控制系统 5 5 本章小结 本章设计了基于焊接电压反馈的熔焊快速成型焊缝尺寸模糊控制系统。该 系统通过采集焊接电压来间接测量焊缝高度，并以此焊接电压作为反馈量，通 过模糊控制器来实时调整焊接参数以达到控制焊缝尺寸的目的。试验结果表明， 该系统能够实时调整焊接参数并对焊缝尺寸进行控制。最后，利用该控制系统 进行了单道多层焊缝、多道多层焊缝以及倾斜面焊缝等典型零件的堆焊成型， 获得了相对较高的焊缝尺寸精度，取得了较好的零件成型效果。 第6 章结论与展望 6 1 结论 第6 章结论与展望 本文以实现对焊缝高度和宽度方向尺寸控制为目的，对t i g 熔焊成型工艺、 存在的问题和解决方法进行了研究分析，现对所做的工作总结如下： 。 1 、建立了t i g 熔焊快速成型系统平台。该系统包括焊接成型系统和数控铣 削系统两部分，实现了计算机在焊接过程中对焊接设备进行实时监控和计算机 与数控铣床进行通信的功能，满足了熔焊快速成型的要求。 2 、研究了焊接电流、焊接速度和送丝速度对焊缝成型的影响。试验结果表 明焊接电流对焊缝熔宽和余高均影响较大；焊接速度对熔宽影响较大而送丝速 度主要影响焊缝的高度。对t i g 熔焊成型中焊缝下塌现象进行了分析，提出了 通过在焊缝下塌段减小焊接电流和焊接速度，加大送丝速度的解决方法，试验 结果表明该方法有效。 3 、建立了焊接参数与单道焊缝熔宽和余高尺寸的b p 神经网络模型。该模 型可用在焊接之前合理选取焊接参数以便能够获得所需尺寸的焊缝，也可用于 预测在一定焊接参数条件下能够获得的焊缝几何尺寸，这对成型零件的分层和 堆焊路径规划具有指导意义。分析了多道焊缝堆焊时相邻两道焊缝中心间距对 焊缝熔宽、余高以及上表面质量的影响，试验结果表明，当路径间距为单道单 层焊缝熔宽的6 9 倍时，成型焊缝质量相对最佳。 4 、通过试验获得了在一定条件下焊接电压与焊接电流、电弧长度之间的函 数关系，以此为基础设计了焊接参数模糊控制器，并建立了熔焊成型焊缝尺寸 模糊控制系统。焊缝尺寸模糊控制系统能够自动调节焊缝高度发生变化处的焊 接参数以对焊缝几何尺寸进行控制，实现焊缝的高度和宽度趋于一致的目的。 典型零件堆焊成型的试验结果表明，该系统能够对焊缝尺寸进行有效控制，解 决了熔焊成型中常见的焊缝下塌问题，获得了较好的零件成型质量。 第6 章结论与展望 6 2 展望 如前所述，本文建立的焊接参数与焊缝尺寸的b p 网络模型和焊缝尺寸模糊 控制系统，满足了t i g 熔焊快速成型的要求。但由于多方面的原因，很多地方 还有待进一步改进与完善： l 、由于t i g 熔焊成型中焊缝熄弧段以及边缘焊缝存在下塌的问题，将引起 焊缝熔宽和余高的不规则变化，故难以建立单道熄弧段焊缝和多道多层焊缝焊 接参数与焊缝尺寸之间的关系模型。下塌段焊缝焊接参数与焊缝尺寸的建模以 及精确控制有待进一步研究。 2 、本文建立的焊接尺寸模糊控制系统是基于焊接电压信号进行控制，通过 采集电压只是间接检测焊缝高度方向尺寸而不能反映焊缝的宽度，所以在本系 统中是通过经验制定出模糊控制规则来对焊接参数进行合理匹配，进而实现对 焊缝熔宽的控制。这对经验的依赖性较大，且难以实现最优控制。增加焊缝熔 宽的检测方法，以实现对焊缝熔宽和余高两个方向尺寸的检测传感，进而对其 精确控制是今后的改进方向。 3 、本文中数控铣削是在零件堆焊成型完成之后再进行。增加焊枪移动控制 机构，实现在熔焊成型过程中堆焊完一层或几层之后立即加入铣削工艺，可以 进一步提高成型零件的尺寸精度，这也是今后努力的一个目标。 4 、本文只对焊缝外表面质量进行了研究，而其微观组织以及其强度、硬度 等力学性能还有待进一步研究。 致谢 致谢 本论文是在导师张华教授的悉心指导下完成的从论文的选题到每一个阶 段性成果，再到硕士论文的最后形成无不凝聚着张老师的悉心指导和亲切关怀 张老师忘我的工作精神，严谨的治学态度，渊博的学识，豁达的处世态度，给 我留下了深刻的印象，使我终生受益同时张老师在生活上给予了我亲切的关 怀和帮助，使我终生难忘谨在论文完成之际，向导师表示衷心的感谢和崇高 的敬意! 感谢课题组的李玉龙、胡珞华、徐健宁和朱政强老师。在课题的研究过程 中，李老师他们给予了我悉心的指导和帮助，使我受益非浅。在论文的撰写过 程中，他们也对论文提出了宝贵的意见和建议，使我感激不尽感谢同课题组 的冯艳博士和彭刚师弟在科研工作中的真诚协助和生活上给予的诸多帮助 感谢贾剑平、姜丽玲等实验室的各位老师、博士和工作人员在课题研究期 问给予我的悉心指教和帮助感谢同级的朱克华、李守轩、刘国权、彭俊斐和 朱胜清，他们与我一起度过了难忘的研究生时光。同时感谢实验室的各位师兄、 师姐、师弟和师妹们，他们在日常生活中给予了我的热情帮助。 感谢机电工程学院的众位老师对我的辛勤指导，是你们的悉心教诲让我在 研究生期间不仅学到很多理论上的知识，也让我懂得了很多的人生哲理还要 感谢2 0 0 5 级机电工程学院研究生班全体同学的帮助和指点 感谢我的父母、妹妹等家人和亲戚朋友多年来对我默默的支持和关怀，由 此我才能够顺利完成硕士学业 衷心感谢所有关心、支持和帮助过我的老师，同学和亲朋好友们! 最后，谨向百忙之中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家致以诚挚的谢意1 6 7 张光云 2 0 0 8 年6 月 参考文