（材料加工工程专业论文）脉冲等离子弧焊接模糊控制系统的研制.pdf

中文摘要 中文摘要 小孔型等离子弧焊接是一种高能高效焊接方法，具有十分广阔的应用 前景。由于等离子弧焊接工艺参数匹配区间窄，使得等离子弧焊接中小孔 的稳定性差，因此等离子弧焊接过程及接头质量的稳定性差。如何提高等 离子弧焊接的稳定性是当前该领域研究的前沿课题之一。 小孔型等离子弧焊熔透控制的关键是对小孔状态进行控制，而控制小 孔状态的关键是控制焊接过程的热输入量。采用脉冲焊接的方式可以有效 地控制热输入量。 等离子弧焊接熔透控制系统通常为复杂的非线性系统，很难建立准确 的熔透控制数学模型，因而采用传统的控制方法不能得到令人满意的控制 效果。智能控制理论为等离子弧焊熔透控制开辟了新天地。 本文建立了脉冲等离子弧焊接模糊控制系统的仿真数学模型，并采用 m a t l a b 软件对模糊控制系统进行仿真。本文研制了一套以a v r a t m e g a l 2 8 单片机为核心的脉冲等离子弧焊接模糊控制系统，实现了脉冲 等离子弧焊熔透过程的模糊控制。该系统不仅可以进行脉冲等离子弧焊接 工艺参数的设定，而且可以根据检测到的焊接过程中小孔状态信息对脉冲 电流参数进行实时调节，实现了对焊缝熔透的实时控制。该系统实现了脉 冲等离子弧焊过程“一脉一孔”的智能控制，焊缝成形美观。 实验表明，仿真和实际施焊的结果有良好的一致性。这说明了基于单 片机的脉冲等离子弧焊接模糊控制系统的数学模型是正确的；所研制开发 的软、硬件系统的工作是可靠的。 关键词：脉冲等离子弧焊接：小孔；熔透控制；仿真；单片机；模糊控制 a b s t r a c t a b s t r a c t k e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n g ( p a w ) i sah i g h - o c t a n ea n dh i g h e f f i c i e n c y t e c h n o l o g y , i th a saw i d ef o r e g r o u n d h o w e v e r , t h ew e l d i n gt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s m a t c h i n gz o n eo fp a w i ss on a r r o wt h a ti tm a k e st h ek e y h o l eu n s t a b l e ，w h i c hl e a d st o t h ei n s t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s sa n dt h ej o i n tq u a l i t y t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v e w e l d i n gs t a b i l i t yi sap r o m i s i n gp r o b l e mi nt h er e s e a r c hf i e l do fp a w t h ek e yo fp e n e t r a t i o nc o n t r o li nk e y h o l ep a wi st oc o n t r o lt h es t a t eo ft h e k e y h o l e ，a n di no r d e rt oc o n t r o lt h es t a t eo ft h ek e y h o l e ，i ti si m p o r t a n tt oc o n t r o lt h e h e a ti n p u to f w e l d i n gp r o c e s s p u l s ew e l d i n gm e t h o di se f f e c t i v et oc o n t r o lh e a ti n p u t b e c a u s eo ft h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co fp a w p e n e t r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，i ti s h a r dt oe s t a b l i s ht h ee x a c tm a t h e m a t i c sm o d e lo fp e n e t r a t i o nc o n t r 0 1 t h e r e b y , t h e a d o p t i o no f t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e a n sc a n tb es a t i s l y i n g t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y c r e a t e san e ww o r l df o rp e n e t r a t i o nc o n t r o lo f p a w t h es i m u l a t i o nm a t h e m a t i c sm o d e lo fp u l s ep l a s m aa r cw e l d i n g ( p p a w ) f u z z y c o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d ，w h i c h1 a t e ri ss i m u l a t e dw i t ht h es o f t w a r eo fm a t l a b i nt h ep a p e r p p a wf u z z yc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es i n g l e c h i po f a v ra t m e g a l 2 8 ， w h i c ha c h i e v e sf u z z yc o n t r o li np p a wp e n e t r a t i o np r o c e s s ，i s d e s i g n e di nt h ep a p e r t h es y s t e mc a nn o to n l ye s t a b l i s ht h e w e l d i n gt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r s ，b u ta l s o r e g u l a t ep u l s ec u r r e n tp a r a m e t e r si nr e a lt i m eo nt h eb a s i so ft h es t a t eo fk e y h o l e w h i c hi sd e t e c t e di nw e l d i n gp r o c e s s ，a n di nt h i sw a y , i ti sa b l et ob eu s e dt oc o n t r o l p e n e t r a t i o no fw e l d e dj o i n ti nr e a lt i m e t h es y s t e mr e a l i z e sb o t hi n t e l l i g e n tc o n t r o l w h i c hi sc a l l e d o n ep u l s eo n ek e y h o l e i np p a wp r o c e s sa n du n i f o r m i t yo fw e l d e d j o i n t t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h e r ei sf a v o r a b l ec o n s i s t e n c yb e t w e e n t h es i m u l a t i o na n dt h ep r a c t i c a lw e l d i n g s ot h em a t h e m a t i c sm o d e lo fp p a wf u z z y c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es i n g l e - c h i pi sc o r r e c t ，a n dt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e e m p o l d e r e da r ec r e d i b l e k e y w o r d s ：p p a w ；k e y h o l e ；p e n e t r a t i o nc o n t r o l ；s i m u l a t i o n ；s i n g l e c h i p ；f u z z y c o n t r 0 1 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盲节令 签字日期：。r年，月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：譬劾a 象 签字日期：订年f 月，t , f 日 j 导师繇馘溺存 签字日期：9 。r 年1 月 f 日 第一章绪论 1 1 等离子弧概述 第一章绪论 一般的焊接电弧在电极( 包括熔化极和不熔化极) 和工件之间燃烧， 其导电截面可以自由扩展，不受约束，这种电弧称为i l 由电弧，其能量密 度较小。如果将电弧通过一种特制的喷嘴，使其导电截面不能自由扩展， 导致弧柱电场强度升高，电离度明显增大，温度和能量密度都大幅度提高。 这种电弧称为等离子弧，又称压缩电弧【”。 1 2 等离子弧焊接 利用等离子弧作为热源的焊接方法就是等离子弧焊，它是2 0 世纪6 0 年 代迅速发展起来的一种重要的高能密度焊方法f 2 j 。与钨极氩弧焊相比，等 离子弧焊具有以下工艺特点1 3 】。 ( 1 ) 由于等离子弧的能量密度大，弧柱温度高，对工件加热集中，不 仅熔透能力和焊接速度显著提高，而且可利用小孔效应实现单面埠双面成 形，使生产效率显著提高。 ( 2 ) 焊缝深宽比大，热影响区小，焊件变形较小，可以使得焊接质量 优良。 ( 3 ) 因为焊接电流小到01 a 时，电弧仍能稳定燃烧，并保持良好的 挺度和方向性，所以它不仅能焊接中厚扳，也适合于焊接超薄件。 ( 4 ) 由于电弧呈圆柱形，对焊枪高度变化的敏感性明显降低，这对保 证焊缝成形和熔透均匀性部十分有益。 采用等离子弧焊方法可以焊接不锈钢、高强度合金钢、耐高温合金、 钛及其合金、铝及其合金、铜及其合金以及低合金结构钢等。i i i 前，等离 子弧焊已应用于化工、原子能、电子、精密仪器仪表、轻工、冶金、航空、 航天等工业中。 1 3 等离子弧焊接的基本方法 按焊缝成形原理，等离子弧焊通常有小孔型和熔透型两种基本的方法。 3 0 a 以下的等离子弧焊称为微束等离子弧焊”。 3 0 a 以下的等离予弧焊称为微束等离子弧焊h 。 第一章绪论 1 3 1 小子l 型等离子弧焊 小孑l 型等离子弧焊( 简称小孔等离子弧焊) 是在非熔化极气体保护焊 基础上发展起来的一种电弧焊方法。由于等离子弧具有能量集中、射流速 度大、电弧力强的特性，等离子射流可以直接穿透被焊工件，形成一个贯 穿工件厚度方向的小孔，因此，小孔等离子弧焊与激光焊、电子束焊同属 于高能密度焊【5 1 。 g 宴 己 划 稍 斛 雷 不可能焊接 以气帆 一 激光束 一 电子束 气化、 化( d 主 一一。一廿一 二n 弧 一 以热臀 不可能焊接几乎牙 为主 热传导和熔 孔效应) 为 导为主 图1 1 高能密度焊热源功率密度的比较 图1 1 比较了几种高能密度焊的热源功率密度。与激光焊和电子束焊两 种高能密度焊相比，在设备造价、维护费用、设备操作复杂程度及焊枪运 动灵活性等方面，小孔等离子孤焊具有明显优势。与常规钨极氨弧焊相比， 小孔等离子弧焊具有更优良的工艺品质，如对于中厚度金属板，在不填丝、 不开坡口、不需背面强制成形保护条件下，可以实现单面一次焊双面良好 成形，极大地提高了焊接生产率。尤其适用于密闭容器、小直径管焊缝等 背面难于施焊的结构件。小孔等离子弧焊所获得的接头内部缺陷率低，焊 件变形小。由于其电极隐蔽在喷嘴内部，因此电弧引燃更加容易，电极受 污染的程度大大减轻，使用寿命也成倍提高。 1 3 2 熔透型等离子弧焊 熔透型等离子弧焊方法在焊接过程中，仅仅熔透焊件，不产生小孔效 应。当等离子弧的离子气流量减小时，因为电弧压缩程度较弱，等离子弧 从喷嘴喷出速度较小，所以等离子弧的穿透能力也较低，在焊接过程中不 产生小孑l 效应，而主要靠熔池的热传导实现熔透。这种熔透型等离子弧焊 方法基本上和钨极氩弧焊相似。多用于板厚3 m m 以下结构的焊接、角焊缝 心w”婶埘 第一章绪论 或多层焊缝时的第二层和以后各层的焊接以及盖面焊。焊接时可添加或不 加填充焊丝，优点是焊接速度较快。 1 3 3 脉冲等离子弧焊 在小孔等离子弧焊过程中，使熔池金属平衡的条件有两个：一是小孔 直径尽可能小；二是焊缝根部与熔池上部凝固时间与空间的偏差尽可能大。 影响小孔直径的因素有：焊枪喷嘴的孔道比、钨极直径与钨极尖端形状、 钨极内缩量、焊接电流、离子气与保护气流量等；影响焊缝根部与熔池上 部凝固时间与空间的偏差的因素有：工件的冷却条件、电弧输入工件的能 量控制。控制热输入量的最有效途径之一就是采用脉冲焊方式【6 j 。 脉冲等离子弧焊的热输入线能量公式为： q ：u 堕掣 1xu 式中，i 。为脉冲峰值电流，是保证焊透和焊缝成形的主要参数之一；t p 为脉 冲持续时间；i b 为基值电流，直接影响焊缝的熔宽及焊缝的横截面积；t b 为基值电流持续时间；t 为脉冲周期；d 为占空比。 脉冲等离子弧焊接的特点是：输入功率可精确控制；平均线能量 减少，工件变形小，适于对热敏感材料的焊接：电流脉冲作用可以充分 搅拌熔池：有效克服双弧，焊接过程稳定。 连续穿孔焊时要求焊接全过程中小孔持续存在，如果电弧输入熔池的 热输入量较大，那么熔池根部熔宽过大；若采用“一脉一孔”的脉冲等离 子弧焊接工艺，可以限制熔池根部熔宽，提高根部液体金属对熔池的约束 作用，使熔池稳定 ”。所谓“一脉一孔”，就是在每一个脉冲周期内，焊 接电弧作用于待焊金属处，形成的小孔出现并闭合一次，即在峰值电流期 间形成小孔，在基值电流期问小孔闭合。此种焊接技术的难点在于如何选 择恰当的电流参数及合理匹配通断比( t p t b ) 。 脉冲等离子弧焊在航空、航天、核电及汽车、摩托车等机电工业生产 中有着广泛的应用。可以预见，脉冲等离子弧焊的应用将会越来越广泛。 1 4 , b ；f l 型等离子弧焊接发展面临的主要问题及解决方法 等离子弧独特的物理性能，也为小孔等离子弧焊带来一些问题。其中 的焊接稳定性差己成为制约等离子弧焊工业应用进程及其自身技术发展的 第一章绪论 主要障碍【8 j 。 小孔等离子弧焊焊接稳定性差最直观的表现有以下两个方面。 ( 1 ) 焊接过程中等离子弧的稳定性差。等离子弧仍属于一种气体放电 现象，自由电弧的能量状态会受到焊接电流、焊接电压、气体成分、电极 状态、焊接材料等多种因素的影响，对于具有高能量密度的等离子弧来说， 这种影响作用更为明显。等离子弧对焊接工艺参数的变化比较敏感，工艺 参数的波动、现场的干扰及焊枪的性能对等离子弧的稳定性影响较大，获 得良好接头质量的合理工艺参数区间窄，在大电流强压缩条件下易出现双 弧。 ( 2 ) 焊缝成形的稳定性差。对于厚板穿孔等离子弧焊，这一问题尤为 突出。影响焊缝成形稳定性的因素是多方面的，如等离子弧的稳定性、熔 池液态金属的流动性、小孑l 熔池受力状态及平衡性等。 自2 0 世纪7 0 年代开始，焊接工作者在小孔等离子弧焊接稳定性的影响 因素、作用规律及提高焊接稳定性等方面开展了大量研究工作，并提出了 一些具体的措施和方法。归纳起来主要有以下几个方面：。采用弱等离子 弧焊工艺；采用分体结构喷嘴；减小等离子弧焊过程中焊接参数的波 动：采用低频脉冲焊工艺：实现焊接质量的实时闭环控制。 其中、通过调整焊枪结构，以克服双弧为主要目的。采用弱等离 子弧焊工艺，以牺牲等离子弧的压缩性能为代价；采用特殊结构的喷嘴， 增大了焊枪的尺寸。、对于提高等离子弧的稳定性具有一定的效果， 易于实施，也是当前工业界广泛采用的方法，但作用效果有限。是公认 的提高焊接稳定性最有效的方法，但是系统比较复杂。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着等离子弧焊设备整体性能水平的不断提 高，包括新型焊枪、新型焊接电源、微机及先进的控制技术在焊接设备中 应用越来越广泛，等离子弧的稳定性问题在很大程度上得以改善。在小孔 等离子弧焊过程中，利用先进的控制技术，进一步提高焊接自动化程度， 以及实时控制焊缝成形的质量，必然是现在以及今后研究发展的重点【9 。 1 5 小子l 型等离子弧焊过程质量控制的研究现状 经过多年的实践和研究，人们已经认识到，在小孔等离子弧焊过程中， 熔池小孔的行为是直接影响焊缝成形稳定性及接头质量的关键因素，小孔 行为的传感与实时监控的研究具有重要意义。 2 0 世纪7 0 年代前后，国内外对等离子弧焊质量控制开展了大量的研究 第一章绪论 工作，主要集中在小孔的工艺稳定性和熔透的控制上。针对表征小孔熔透 情况的传感信号，主要对电弧弧光强度、声音、尾焰电压、尾焰电流、熔 池图象、等离子云等信号进行了研究，并以神经网络及以基于多传感器信 息融合为代表的人工智能控制方法来进行质量控制【10 1 。 美国马歇尔宇航中心的lfm a r t i n e z 等在铝合金小孔等离子弧焊过程 中，从正面对小孔的形成进行了研究【l ”。该研究中采用一台光谱仪实时检 测焊缝正面的弧光，发现在小孔形成前后，氢( 6 5 6 n m ) 谱线强度与氩 ( 6 9 6 n m ) 谱线强度值之比会发生显著下降，从而提出一种从正面通过光 谱仪检测小孔形成和闭合的方法。英国的j c m c t c a l f e 等在小孔等离子弧焊 过程中利用光敏元件对背面弧光强度进行了检测 1 2 1 ，在小孔形成和闭合 时，背面弧光强度会有显著变化，并在此基础上完成了脉冲等离子弧焊过 程中小孔熔透情况的闭环控制。这两种方式分别以正、反面弧光强度为信 息源，提出了一种以量化的信号取代人眼经验来判断小孑l 是否存在的一种 手段。 我国郑州机械研究所的胡百僖等对在脉冲等离子弧焊焊接圆管的过程 中利用声音信号控制焊接质量进行了研究【1 3 l ，发现小孔的形成与闭合同小 孔等离子射流高速冲入管腔所发出的声音信号是同步的，并得出焊接规范 与声音信号出现的早晚以及持续时间的长短之间的关系，从而实现了利用 声音信号控制焊接质量的目的。 美国的h ds t e f f e n s 等通过研究发现 1 4 ，小孔尾焰电压与小孔直径之间 存在线性关系，从而找到一种通过调节焊接电流来保持小孑l 尾焰电压恒定， 由此保证小孔等离子弧焊过程中小孔尺寸的恒定。在该研究中，测量的小 孔尾焰电压与一给定电压进行比较，偏差量被作为反馈控制量用于调节焊 接电流，从而实现闭环反馈控制。我国西北工业大学的白钢对小孔等离子 弧焊过程中小孔尾焰电压与离子气流量、焊接速度以及焊接电流的关系进 行了比较深入的探讨 1 “，通过逐步回归法对试验数据进行处理，得出了相 应的数学关系式，并在此基础上开发研制出了一套等离子弧焊控制器，该 控制器能适应较大波动范围的焊接规范参数。 王慧钧等采用窄带复合滤光图像传感系统，大幅度减弱弧光中氩特征 谱线的干扰，并通过中性减光将弧光中连续谱线调整的合适强度作为观察 熔池的“光源”，利用高度变形的小孔熔池表面对“光源”的反光，从焊接 工件正面检测到部分小孔熔池的清晰图像【l “。针对小孔熔池原始图像的特 点，采用高斯滤波、p r e w i t t 边缘检测和图像错位边缘检测等方法提取出可 视小孔熔池的小孑l 宽度和面积等几何信息。 第一章绪论 所谓等离子云，就是在等离子弧焊过程中，当工件还没有完全熔透时， 一部分等离子体在焊接速度反方向上沿着熔池壁喷射出，形状像云。等离 子云也称为等离子弧“反翘”。sbz h a n g 等设计了一种探针式传感器来检 测等离子云及小孔的状态【 ，1 8 。当工件还没有熔透时，即等离子云存在时， 探针与工件在等离子云的导电作用下，形成一个封闭的回路。这时回路上 的电阻有电流流过，能检测到电压；反之，当小孔熔透时，等离子云不存 在或者很弱，这时检测电路不能形成封闭的回路，电阻没有电流流过，检 测到的电压为零。通过电压是否为零来判断等离子弧焊过程中，工件是否 穿孔，以达到熔透控制的目的。因为此探针检测方法外加了一直流电源， 所以称为有源探针检测方法。 芬兰的jkm a r t i k a i n e n 和tjim o i s i o 等人对影响焊接过程中小孔状态 的工艺参数进行了比较深入的研究和试验探索【l9 1 。在3 2 0m n ( 以6 m m 为 主) 厚的普通结构钢、低合金高强钢、高合金钢板上进行等离子弧焊工艺 试验，针对焊接过程的各主要工艺参数对焊接质量的影响进行了分析、研 究：这一研究成果为以后的基于多传感信息的质量控制打下了基础。 计算机与信息技术迅速发展，以神经网络及以基于多传感器信息融合 为代表的人工智能的控制方法在理论和技术上得到了发展和完善，为等离 子孤焊接质量控制带来了新的机遇。 美国马歇尔宇航中心成功地采用如图1 2 所示的反向传播的神经网络 来研究变极性等离子弧焊过程，取得了满意的效果1 2 。该神经网络由具有 十个节点的隐藏层和有两个节点的输出层构成，输入端有四个参数：喷嘴 高度、正向电流、反向电流、焊接速度；输出端两个参数：正面焊缝宽度、 反面焊缝宽度( 实际上即为小孔的上、下孔径) 。 喷嘴高度 正向电流 反向电流 焊接速度 正向焊缝宽度 反向焊缝宽度 图1 2 用于v p p a w 的神经网络模型 北京6 2 5 所和华南理工大学进行合作1 0 】，开展了等离子弧焊过程机理 及工艺优化的研究，提出了基于多传感器信息融合的等离子弧焊接质量控 制，促进了等离子弧焊接向自动化和信息化的方向发展。由于试验所得的 单一信号不足以准确反映小孔等离子弧焊过程的质量状况和小孔的大小与 第一章绪论 熔透成形的机理，因此用多传感器将多个传感器信息集中于一个统一的感 知系统中，综合利用从各个传感器得来的数据和信息。可用焊接电流、电 弧电压、小孔尾焰电压、焊接声音等多个参数对小孔状态及焊缝质量进行 监测。为此，开发了专用软件，配备了所需的工控机及相关传感器的硬件 系统。通过试验研究，发现各焊接参数同小孔状态之间具有互补融合关系， 如图1 3 所示。 图1 3 多信息融合互补型系统 1 6 本课题的研究意义和内容 国内外研究表明，无论是直流等离子弧焊还是变极性等离子弧焊，小 孔的稳定性是影响小孔等离子弧焊过程稳定性及接头质量的重要因素。在 小孔等离子弧焊过程中，影响焊接质量的主要工艺参数为焊接电流、焊接 速度和离子气流量。由于小孔等离子弧焊接获得高质量焊缝的焊接工艺参 数匹配“窗口”窄小，因此在焊接过程中，小孔的稳定性和焊接熔透控制 一直是国内外焊接工作者致力解决的主要问题。尽管在该领域的研究取得 了很大进展，但是其研究结果在实际焊接过程中仍然不能令人满意。 小孔等离子弧焊熔透控制的关键就是对小孔的有无进行控制。在影响 小孔状态的焊接参数中，可控性较好的焊接参数是焊接电流。控制焊接电 流可以控制焊接过程的热输入量，而控制焊接热输入量的有效途径之一就 是采用脉冲焊方式。由于等离子弧焊接熔透控制系统通常表现为复杂的非 线性系统，很难建立起准确的熔透控制数学模型，因此采用传统的控制方 法很难得到令人满意的控制效果。智能控制理论的发展开辟了等离子弧焊 熔透控制的新天地。 将模糊控制理论应用于等离子弧焊熔透控制过程中，设计出脉冲等离 子弧焊过程的智能控制系统，即使用单片机系统，实现对等离子弧焊接参 数的模糊控制。该控制过程可以根据焊接过程中小孔有无的检测信息对脉 第一章绪论 冲电流参数进行实时调节，对焊缝的熔透进行实时控制，从而推动智能控 制在等离子弧焊过程中的应用。 本课题将开展以下几方面的研究工作。 ( 1 ) 制定直流脉冲等离子弧焊过程熔透控制策略。 ( 2 ) 以a v r a t m e g a l 2 8 单片机芯片为核心，设计模糊控制系统的硬件 电路，并选择i c c a v r 作为开发单片机的c 语言编译器，通过软件编程实现 脉冲等离子弧焊接模糊控制的功能。 ( 3 ) 用m a t l a b 软件对脉冲等离子弧焊接模糊控制系统进行仿真，研 究模糊控制器的控制效果；对模糊控制器进行仿真研究，调整并制定模糊 控制规则。 ( 4 ) 将仿真结果用于指导实际实验，并通过实验进行脉冲等离子弧焊 接熔透模糊控制研究，实现等离子弧焊接质量的控制。 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 2 1 等离子弧焊接模糊控制系统总体框图 本文采用的脉冲等离子弧焊接模糊控制系统包括焊接电源系统、小孔 信号检测与处理装置以及进行熔透控制的单片机系统三部分。整个系统的 总体框图如图2 1 所示。 单片机系统 图2 - 1 等离子弧焊接模糊控制系统总体框图 1 、等离子弧焊接系统 等离子弧焊接系统主要包括焊接电源系统、焊枪、p l c 控制系统、焊 接小车、气路与水路系统等2 ”，如图2 2 所示。其中等离子弧焊机的电源 焊接电源系统 t p l c 控制系统 上上! 水焊 路路 接 系系 统统 图2 - 2 等离子弧焊接系统 选用马来西亚生产的t g 3 0 0 p 型t i g 焊机的电源，其主要技术参数为： 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 额定输入电压3 8 0 v ；单相；频率5 0 h z ；额定输入功率1 7 k w ： 直流输出电流5 - 3 0 0 a ；空载电压8 0 v 。焊枪选用t h e r m a ld y n a m i c s 公司 生产的p w m 3 0 0 等离子弧焊枪，焊枪采用切向送气方式，圆柱形压缩孔道， 电极材料为铈钨合金，电极内缩量可以调节。另外，系统选择的p l c 型号 为三菱f x o n 一2 4 ，其规格为输入1 4 点，输出1 0 点。 在控制系统中，p l c 是整个系统的程序控制核心，通过输出口配合相 应的辅助电路控制焊接电源、小车行走系统等的一系列动作。 2 、信号检测及处理装置 能否及时、准确地采集到等离子弧焊过程中反映工件熔透状态的小孔 信号，是熔透控制系统一个至关重要的环节。经信号检测及处理装置检测 出的小孔信号，并且经过处理，将其作为单片机控制系统的输入信号。其 信号的好坏将直接影响整个等离子弧焊接质量控制系统的效果。 3 、单片机控制系统 单片机控制系统是等离子弧焊接熔透控制的核心。该等离子弧焊接系 统中所用的单片机控制系统包括a d 转换电路等几个部分【2 ，如图2 3 所 不。 2 2 单片机控制系统 2 2 1 单片机 图2 - 3 单片机控制系统 随着电子技术的迅猛发展，单片机被广泛地应用于军事、工业、通讯、 家用电器、智能玩具、便携式智能仪表等领域，使产品功能、精度和质量 大幅度提高，而电路设计简单、故障率低、可靠性高且成本低廉【2 。 本系统选用的是a t m e l 公司a v r 系列的a t m e g a l 2 8 单片机。它是带 1 2 8 k 字节f l a s h 的在线可编程8 位微控制器，是a v r 系列中功能较强的单 片机 2 4 ，”】。它有以下一些特点。 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 1 、先进的r i s c 精简指令集结构高性能，低功耗：1 3 3 条功能强大的 指令，大多数为单指令周期；3 2 x 8 个通用工作寄存器加外设控制寄存器； 全静态操作；工作在1 6 m h z 下，具有1 6 m i p s 的性能；片内带有执行时间 为2 个时钟周期的硬件乘法器。 2 、数据和非易失性程序内存1 2 8 k 字节在线可重复编程f l a s h ：b o o t 区具有独立的加密位，可通过片内的引导程序实现在线自编程，写操作时 真正可读；4 k 字节e e p r o m ；程序加密位；在线可编程s p i 接口。 3 、j t a g 接口边界扫描能力；广泛的片内d e b u g 支持；通过j t a g 接口对f l a s h 、e e p r o m 、熔丝位和加密位编程。 4 、外围特点两个带预分频器和一种比较模式的8 位定时器计数器； 两个扩充的带预分频器和比较模式、捕获模式的1 6 位定时器计数器；具 有独立振荡器的实时计数器；2 通道8 位p w m ；6 通道2 到1 6 位精度p w m ； 输出比较调节器；8 通道l o 位a d 转换：两线( 1 2 c ) 串行接口；可编程 串行u a r t 接口；主从s p i 串行接口；带内部振荡器的可编程看门狗定时 器；片内模拟比较器。 5 、m c u 特点上电复位和可编程的低电压检测；内部可校准的r c 振 荡器；内部和外部中断源：6 种休眠模式：空闲模式、a d c 噪声抑止模式、 省电模式、掉电模式、待命模式和扩展待命模式；可软件选择时钟频率； 通过一个熔丝选定a t m e g a l 0 3 兼容模式；全局上拉禁止。 6 、i o 和封装5 3 个可编程的i o 脚；6 4 脚t o f p 封装。 7 、工作电压4 5 5 5 v 。 8 、速度0 1 6 m h z 。 另外，a v r 系列的单片机可以选择多种c 语言编译器进行开发，比如 i c c a v r 、g c c a v r 、c o d e v i s i o n 和i a r 编译器，用c 语言开发单片机具 有汇编语言不可比拟的优势2 6 。2 9 】。 2 2 2 单片机外围电路 因为a v ra t m e g a l 2 8 单片机内置1 2 8 k 字节f l a s h 存储以及4 k b 的 s r a m 存储，对于本课题研制的系统来讲，无需扩展存储器；其i o 口输 出4 0 m a 的电流，可直接驱动l e d 电路，可省去驱动电路；片内有8 通道 1 0 位a d 转换，无需外加a d 电路，所以本系统的单片机外围电路仅包 括键盘电路、显示电路以及模拟开关电路。 2 22 1 键盘电路和显示电路 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 键盘电路和显示电路配合使用，对脉冲等离子弧焊接控制系统参数进 行设定和显示。键盘电路采用的是矩阵式键盘电路，而显示电路采用的是 4 位型号为5 6 4 1 b h 的数码显示管( l e d ) 。可以设定和显示的参数包括工 件的厚度、脉冲基值电流、脉冲峰值电流、脉冲电流的上升率和下降率等。 另外，显示电路还能反映程序运行及系统的工作状态，比如其能够显示脉 冲峰值电流的持续时间等。 22 22 模拟开关电路 在该熔透控制系统中，由单片机的一个i o 口的输出值控制模拟开关 电路。每个模拟开关集成芯片具有3 路模拟开关，每一路均与一电阻串联。 单片机输出的高低电平信号可以控制该模拟开关电路，使等离子弧焊电源 中的电流给定信号发生变化，从而实现对焊接电流的控制。本系统使用的 模拟开关集成芯片是东芝公司生产的t c 7 4 h c 4 0 5 3 a p ，所设计的模拟开关 电路包含三片模拟开关共8 路输入。单片机输出口输出8 路信号，控制模 拟开关电路的8 路开关，最终控制电源的输出电流。模拟开关的实物以及 管脚分配如图2 4 所示。 图2 - 4 模拟开关的实物及管脚分配图 ( a ) 模拟开关的实物图 ( b ) 模拟开关的管脚分配图 2 2 3 焊机给定参数电路控制原理 原焊机的给定参数控制电路简化原理图如图2 5 所示。由图可见，在 焊接过程中，调节焊机电流是通过调节遥控盒上电位器w 。的电阻值来实 现的。要实现实时控制调节焊接电流，手工调节无法满足要求。在本系统 中，设计了一控制电路来代替电位器w 。的功能，并使焊接过程中焊接电 流的自适应调节成为可能。焊机电流的调节是通过改变给定电压，从而改 州肌 m ma b、， m ”h b ! 加儿殂m动性 殂动m k 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 变电源主电路晶闸管导通角来实现的，而电位器w 4 的功能即是调节给定 电压，因此只要在原给定电路上串联一电路模块，该模块的功能是一可变 电阻，通过改变电阻大小可以调节给定电压。该可变电阻值的变化由单片 机系统控制模拟开关电路来达到要求。改造后的控制电路如图2 - 6 所示。 w 图2 - 5t g 3 0 0 p 控制电路简化原理图 a a 图2 - 6 改造后的控制电路原理图 在熔透控制系统中，由单片机a1 5 的输出值控制模拟开关电路，8 路 开关中每一路均与一电阻串联。由于各模拟开关状态的变化，8 个电阻的 总阻值可有2 5 6 种不同值。这样不仅能实现给定电压调节的功能，更重要 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 的是该阻值可由单片机控制，模拟开关电路图如图2 7 所示。图中，d o d 7 为单片机输出的8 位数据线，a 1 、a 2 和a 3 均为模拟开关。 3 卜c 当i 图2 7 模拟开关电路图 模拟开关的工作情况如下：当a 管脚输入高电平时，x 与x 1 接通， x 与x 0 断开：当a 管脚输入低电平时，x 与x 0 接通，x 与x 1 断开。同 样的b 、c 口也分别控制着y 与y 0 、y 1 ，以及z 与z o 、z 1 的通断。 t c 7 4 h c 4 0 5 3 a p 模拟开关的真值表如表2 1 所示。 表2 1t c 7 4 h c 4 0 5 3 a p 的真值表 输出控制量 “通”路 附h 值a bch c 4 0 5 3 a llll x 0 ，y 0 ，z 0 lh ll x 1 ，y 0 ，z 0 llhl x 0 ，y l ，z 0 lllh x 0 ，y 0 ，z 1 lhhl x l ，y 1 ，z 0 lhlh x 1 ，y 0 ，z 1 llhh x 0 ，y 1 ，z 1 lhhh x 1 ，y 1 ，z l hxxx 无值 在x 0 脚上串联一电阻，而x 1 不接电阻，3 片模拟开关共有9 路开关， 其中a 3 仅使用两路，所以共使用8 路开关。8 个电阻满足如下关系： r 8 = 2 1 r 7 = 2 2 r 6 = = 2 7 r 】( 2 - 1 ) 当从单片机a 口输出的8 路i o 数据变化时，8 个电阻的总阻值随之 变化，而且是有规律的。在实际的设计中，取r l = 1 0 f l ，其它阻值由式( 2 1 ) 计算所得。在单片机控制过程中，a 口输出值和电阻的总阻值之间的关系 如表2 2 所示。此种方案，实现了电阻值的自动调节，且其最小精度为1 0 f l 。 由于所采用的8 路电阻皆为可变电阻，因此，改变此8 路电阻的值，可使 焊机电流的调节规范变化。实际上，改变图2 6 中电位器w 。的值，可很方 便地改变焊机电流的调节范围，如1 0 a 1 7 5 a ，2 0 a l8 5 a 。利用此装置进 行了测量焊接电流的实验，表2 2 为所测数据。由表可知，由单片机控制 的电流调节范围可以满足实际焊接的要求。 第二= 章脉冲簿离子弧烬接模糊控靠l 系绕 表2 - 2a 日竣密量帮焊接电流的关系袭 a 口l e 2 8 3 23 c4 65 0 5 a 6 46 e7 88 28 c 输出量 总阻篷 2 2 52 。1 52 o s1 9 5l 。9 5l 。7 5l 。6 51 5 51 。4 5l ，3 5l 。2 51 。1 5 ( k q ) 焊接电 5 05 46 06 67 07 78 l8 59 09 6l o o1 0 4 流( a ) a 口 9 6a oa ab 4b ec 8d 2d ce 6f 0 f a f f 输出量 总阻值 1 0 5 0 9 5 o 8 5o 7 50 6 5o 5 50 4 50 3 50 2 5o 1 50 1 0o ( k q ) 诨接电 l o1 1 51 2 01 2 41 3 01 3 51 4 0 4 51 5 21 5 61 6 01 6 5 流( a ) 2 3 熔透的控制思想 2 3 1 脉冲等离子弧焊过程中的脉冲参数 在等离子弧焊过程中，采用脉冲的控制方法比直流的控制方法更易实 现小孔等离子弧焊过程的熔遥控剑。因为在该过程中，控制调节脉冲参数 就可以有效地控制焊接的热输入莹。脉冲电流的基本参数如图2 8 所示。 t m s 鬻2 - 8 脉冲电流的基本参数图 脉冲电流的基本参数包括脉冲峰值电流i p 、基傻电流i h 、脉冲持续时 闽t ，纂值电流持续器搴闯t b 、脉冲餍羯t 。筠井，脉冲电流的上升拳d i p ，d t 和脉冲电流的下降率d i p d t 都会影响焊接的质量，尤其是d i p t d t m l 。 2 3 2 脉冲焊接熔透控制策略 本课题是对小孔脉冲等离予弧焊过程进行熔透控制。当焊接过程出现 不稳定( 或者谈不能形成良好的小孔) 时，焊接系统能够自动调节脉冲电 流的参数，使焊接质量达到规定要求。本文提出的两种熔透控制策略均为 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 控制脉冲峰值电流，原因是：脉冲峰值电流比较容易控制；控制脉冲 峰值电流大小可以满足焊接时脉冲周期基本保持不变，达到焊缝成形美观 的目的。两种方法分别为分阶段改变脉冲峰值电流的方法和模糊控制脉冲 峰值电流的方法。 2 3 2 1 分阶段改变脉冲峰值电流的方法 该方法的控制策略如下：正常熔透时，脉冲峰值电流为i ，；当脉冲峰 值电流i l 持续到一定时间( 假定是4 0 0 m s ) 后，如果检测环节仍然没有检 测到小孔产生，那就可以增加脉冲峰值电流，达到1 2 ( i z = 1 1 + 1 0 a ) ；如果 脉冲峰值电流1 2 持续了一定时间( 假定是2 0 0 m s ) 后，小孔仍然没有产生， 则脉冲峰值电流继续增加，这时电流值为1 3 ( 1 3 = 1 2 + 1 0 a ) 。这样就可以在 保证控制质量的同时，缩短小孔产生的时间，而脉冲周期不变，从而保证 焊缝的美观。应该注意的是，如果在焊接过程中两次增加脉冲峰值电流， 即脉冲峰值电流达到1 3 时，则下一个周期的脉冲电流的起始峰值就不是i ， 而是1 2 了，这样可以保证不用经常性地两次增加脉冲峰值电流了，仍然是 为了缩短小孔产生的时间。当然，如果两次增加脉冲电流的情况不出现的 话，下一个周期起始脉冲峰值电流仍然调整为i ，。该控制策略的示意图如 图2 9 所示。 b _ ；1 2 r _ ， h盯 少 fyiy -_ i ir ：6 0 0：4 0 0 l4 0 0 b o o 7 0 05 0 0 5 0 0 ：7 0 03 0 0 ：4 0 0 6 0 0 ：6 0 04 0 0 ：一 图2 - 9 分阶段改变脉冲峰值电流的示意图 几= | = =l 几h 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 应该注意，图中上半部分的信号是模拟的小孔信号，高电压时代表无 小孔，低电压时代表有小孔。周期是由单片机设定的，因此是固定的。而 下半部分的脉冲峰值电流是根据小孔信号的有无及脉宽持续时间而变化 的。 2 3 2 2 模糊控制脉冲峰值电流的方法 该方法的控制策略是根据检测前一脉冲的脉宽持续时间，来决定当前 脉冲的峰值电流。假定6 0 0 m s 是模糊控制时的参考时间，i 是采用参考时 间时所对应采用的脉冲峰值电流参考值。如果脉宽持续时间小于6 0 0 m s ， 则减小脉冲峰值电流。而如果脉宽持续时间大于6 0 0 m s ，则增加脉冲峰值 电流。至于减小以及增加的脉冲峰值电流的值，则要根据所检测的脉宽持 续时间和参考时间的差以及差的变化率来确定，这就是模糊控制的方法。 这种控制方法能够保证在焊接过程中，脉冲周期的基本一致，因而在保证 质量的同时，也能满足焊缝成形美观的要求。该方法的示意图如图2 1 0 所 不。 ji _ ；l 1 | f | b 0 0 7 0 05 0 05 0 07 0 0 i 3 0 c4 0 06 0 0 6 0 0 4 0 0 图2 1 0 模糊控制脉冲峰值电流的示意图 通过后面的仿真及闭环实时控制实验比较两种控制方法后，确定了模 糊控制脉冲峰值电流的方法在控制焊接质量以及满足焊缝成形美观方面比 分阶段改变脉冲峰值电流的方法能够获得更好的效果。 第二章脉冲等离子弧焊接模糊控制系统 2 4 本章小结 本章分析了脉冲等离子弧焊接控制系统的总体设计思想及其组成，提 出了采用单片机改造焊机控制电路以达到自动控制的目的。介绍了以a v r a t m e g a l 2 8 为核心的单片机控制系统，确定了在实验中所采用的控制策略 分别为分阶段改变脉冲峰值电流的方法和模糊控制脉冲峰值电流的方法。 第三章脉冲等离子弧焊熔透模糊控制器的设计 第三章脉冲等离子弧焊熔透模糊控制器的设计 3 1 模糊控制理论 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一 种控制技术。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线 性控制【3 ”。从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它 已成为目前实现智能控制的一种重要而又有效的形式。 3 2 模糊控制在焊接中的应用 2