（材料加工工程专业论文）基于dsp的模糊控制弧焊焊缝跟踪系统的设计.pdf

摘要 为了提高c 0 2 气体保护焊的自动化水平，本文研制了用于c 0 2 气体保护焊 的电弧传感焊缝跟踪系统。通过对电弧传感器理论的研究，结合c 0 2 焊接自身 熔滴过渡的特点，采用了对电弧电流信号进行离散积分求差值的方法来判别焊枪 的偏移方向和偏移量，并在理论分析的基础上对电弧传感器的静态和动态物理模 型进行了推导分析。为了满足系统精度和实时性的要求，实现良好的人机接口和 丰富的软件资源，采用了主从式的控制结构。主机( 上位机) 选用p c 机，从机( 下 位机) 以高性能数字信号处理器d s p 为核心芯片，包括了组成d s p 最小系统所 需的外围电路、系统外部扩展电路以及执行机构的机械部分焊接摆动器的设 计。针对短路过渡的c 0 2 气体保护焊过程具有非线性、不确定性等特点，采用 了不需要建立精确数学模型的控制策略模糊控制作为系统的控制方法，为了 弥补常规模糊控制在控制性能上的不足，提出了改进的参数自调整模糊控制，并 利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 仿真库对控制算法进行了仿真分析。在仿真结果 的基础上，采用模块化的编程方法，完成了焊缝跟踪系统下位机软件的设计。以 d e l p h i 为开发平台编写了上位机软件，利用串口通信，将下位机的数据传送到上 位机中加以显示和分析。最后，通过一系列焊接实验，验证了用于c 0 2 气体保 护焊的参数自调整模糊控制电弧传感焊缝跟踪系统的可行性和实用性。实验结果 表明，本系统在8 度偏角内的焊缝跟踪效果良好。 关键词c 0 2 气体保护焊电弧传感模糊控制焊接摆动器d s p a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h el e v e lo fa u t o m a t i cw e l d i n gi nc 0 2s h i e l d e dw e l d i n g ，t h e t r a c k i n gs y s t e mo fw e l d i n gs e a l r lb a s e do na r cs e n s o rf o rc 0 2s h i e l d e dw e l d i n gi s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h et h e o r yo f a r cs e n s o rc o m b i n i n gw i 也 c h a r a c t e r i s t i c so fc 0 2s h i e l d e dw e l d i n g ，am e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ed i f f e r e n c eo f d i s c r e t ei n t e g r a lf o ra r cc u r r e n ti s a d o p t e dt oj u d g et h ed i r e c t i o no fd e v i a t i o na n d o f f s e tb e t w e e nw e l d i n gl i n ea n dw e l d i n gt o r c h t h es t a t i ca n dd y n a m i cp h y s i c a l m o d e l so fa r cs e n s o ra r ea l s od e d u c e da n da n a l y z e d t om e e tt h ep r e c i s i o na n d r e a l t i m ep e r f o r m a n c et o g e t h e rw i t h a c h i e v i n gg o o dm a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，a m a s t e r - s l a v ec o n t r o ls t r u c t u r ei sa d o p t e di nt h i sp a p e r t h ep e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) i s c h o s e na sh o s tc o m p u t e ra n dt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 国s p ) i sc h o s e na st h ec o r e c h i po fs l a v ec x m t r o l l e r t h es l a v ec o n t r o l l e ra l s oi n c l u d e st h en e c e s s a r yp e r i p h e r a l c i r c u i t ，e x t e n s i o nc i r c u i ta n dt h ea c t u a t i n gm e c h a n i s m w e l d i n go s c i l l a t o r t h e p r o c e s so fs h o r tc i r c u i tt r a n s i t i o n i nc 0 2s h i e l d e d w e l d i n gi sn o n l i n e a ra n d n o n - d e t e r m i n a c y , s oam e t h o do ff u z z yc o n t r o lt h a tn e e d n ta c c u r a t em a t h e m a t i c m o d e li su s e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l e ，t oc o v e rt h es h o r t a g eo fg e n e r a lf u z z y c o n t r o l l e r , ak i n do fp a r a m e t e r ss e l f - a d j u s t i n gf u z z yc o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r da n d r e l a t i v es i m u l a t i o ni sd o n eb ym a t l a b b a s e do nt h es i m u l a t i o nd a t a ，am e t h o do f m o d u l a rp r o g r a n m a i n gi s a d o p t e dt o f i n i s ht h es o f t w a r eo fs l a v ec o n t r o l l e r t h e s o f t w a r eo fh o s tc o m p u t e ri sp r o g r a m m e du n d e rb o r l a n dd e l p h i6 0 u t i l i z i n gt h e s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h ed a t aa c q u i r e da r et r a n s m i t t i n gt oh o s tc o m p u t e ra n dt h e nb e d i s p l a y e d o ra n a l y z e d f i n a l l y , t h ef e a s i b i l i t ya n d p r a e t i c a b i l i t yo fp a r a m e t e r s s e l f - a d j u s t i n gf u z z yc o n t r o l l e ra r ev a l i d a t e db yas e r i e so fw e l d i n ge x p e r i m e n t s t e s t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee f f e c to fs e a mt r a c k i n gi sf i n ew h e nw a r pa n g l ei sw i t h i n8 d e g r e e k e y w o r d sc o zs h i e l d e dw e l d i n g w e l d i n go s c i l l a t o r a r cs e n s o r f u z z yc o n t r o l d s p l 第一章绪论 第一章绪论 c 0 2 气体保护焊具有生产效率高、节能效果显著、抗锈能力强、成本较低等 优点，它广泛应用于农业机械、汽车工业、船舶制造业、压力容器、石油化工、 海洋工程等方面，成为机械制造业中应用最广、发展潜力最大的焊接方法之一i lj 。 但在社会高速发展的今天，传统的手工焊接方法已不能满足现代高技术产品 制造质量、数量的要求。因此，保证焊接产品质量的稳定性、提高生产效率、降 低工人的劳动强度和改善劳动环境己成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问 题。提高焊接过程的自动化、智能化程度是解决上述问题的主要途径，从2 l 世 纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产已是必然趋势。 1 1 焊缝自动跟踪系统简介 1 1 1 焊缝自动跟踪系统研究的意义 目前国内的大部分工厂在焊前准备过程中，普遍存在着坡口加工精度较低， 工件摆放位置不固定造成的对中误差等问题。在焊接过程中也存在着多种随机干 扰，如焊接电弧形状、电弧斑点运动等的无规律变化，焊枪运动过程中因焊工手 动操作或运行机构稳定性引起的弧长、焊缝对中及焊接速度的变化等。由此，在 实际焊接生产中，为了得到稳定的高质量焊接产品，必须在合理选用焊接条件和 焊接参数之后，在焊接过程中采用实时的焊接质量检测与控制来保证焊接质量。 要保证焊接质量，首先要做到的就是使焊枪始终对准焊缝的中心，即焊缝跟 踪。传统的焊接生产过程是利用熟练技术工人的技能来实现焊缝跟踪的，而现代 化的焊接生产过程中则是利用焊缝自动跟踪系统来实现的。焊缝自动跟踪系统主 要由焊缝偏差信号传感器、控制器和跟踪执行机构等组成，整个系统结构如图 1 1 所示。在焊接过程中，传感器不断检测有关焊缝中心位置的信息，控制器则 对偏差信息进行处理，根掘具体的偏移方向和偏移量大小输出控制信号使执行机 构产生纠偏所需的动作，实现焊缝的实时跟踪。因此，焊缝自动跟踪系统完全排 除了焊工的直接作用，由传感器代替焊工的感观，由控制器和执行机构代替焊工 的脑和手去实时检测与控制焊接质量，它能够适应随机干扰因素所引起的一些变 化，无需人的干预，实时予以补偿，使焊接质量自动保持在要求的范围内。 图1 1 焊缝跟踪系统结构示意图 焊缝自动跟踪系统中要解决的首要问题是焊缝位置的实时检测，而位置信息 的获得很大程度上取决于传感方式【2 1 。因此，传感器是决定整个系统跟踪方式和 河海人学顾i 。研，宄生学位论文 基于d s p 的模糊拧制弧焊焊缝跟踪系统的设计 跟踪精度的首要因素。 1 1 2 焊缝跟踪传感器的分类 焊缝跟踪系统的传感器按其工作原理通常可分为接触式和非接触式。具体来 说，常用的焊缝跟踪传感器有机械( 电子) 式、电弧传感式、超声波、电磁式和 光学( 视觉) 式等多种类型。电弧传感器是直接利用焊接电弧的电流、电压信号 来检测坡口位置，不需要附加的传感装置，因此又称为直接式传感器，而其它传 感方式均需要外加的传感器件，称为间接式传感器。 目前，用于c 0 2 气体保护焊焊缝跟踪系统的传感器主要有以下几种： ( 1 ) 机械( 探针) 接触式传感器其跟踪原理是将一根金属探针放置在焊接熔 池的前沿，探针沿焊缝移动，将焊缝位置信号传递给控制器，控制器根据探针的 信号对焊枪运动轨迹进行修正。其特点是结构简单、操作方便、抗弧光、电磁和 烟尘干扰的能力强。但由于采用机械接触式，对坡口的加工要求较高，跟踪表面 的任何损伤和粗糙不平都会影响跟踪的稳定性。探针处在高温环境下，磨损较大、 易变形，影响跟踪精度。 ( 2 ) 电极接触式传感器这种传感器检测焊丝与工件接触时电压和微电流 0 0 m a 或更小) 的变化，从两决定接触点的坐标。为了保证接触，一般使用 3 0 0 6 0 0 v 的电压，频率为5 0 或6 0 h z 3 1 。因为这种传感器不能在焊接过程中使用， 所以它一般用来检测焊接的起始位置。在许多场合，它与电弧传感器相配合使用。 ( 3 ) 电磁传感器利用差动变压嚣左右两个二次线圈磁路的不对称来反映 偏差信号，适用于对接，搭接和角焊缝。但其体积较大，使用灵活性差，且易受 错边、强磁场等干扰。 ( 4 ) 电弧传感器其基本原理是焊接过程中电弧在坡口中进行横向或旋转扫 描时，由于焊炬与工件表面距离发生变化而使电弧本身的参数( 如电流、电压等) 产生变化来确定电弧与焊缝之问的关系，从而进行焊缝跟踪。电弧传感器不需要 在焊枪上附加另外的传感器元件，而且结构简单，具有更好的动态品质及更高的 控制精度。 ( 5 1 视觉传感器主要是通过在焊接工作区附近或有关构件上安装工业 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i e e ) 摄像机，经图像处理获得焊件和焊缝位置及坡口、熔池 的有关信息，可用于焊缝跟踪及焊接参数的调整控制。但检测点一般超前电弧 5 0 1 0 0 m m ，增加了控制系统的复杂程度，并且设备的价格昂贵，目前在图像处 理速度及抗干扰方面还存在不足，其技术发展仍处于研究阶段1 4 j 。 ( 6 ) 超声波传感器利用超声波脉冲在金属内传播时的界面反射现象，可以 接收到反射波脉冲，由入射反射波脉冲的行程，即可测得界面的位置。其测 量精度主要取决于超声波的频率，一般采用1 2 5 m h z 和2 5 m h z 的晶体，频率越 高，则误差越小。但它对母材表面状况要求较高，承载超声波的介质也对超声波 2 第一章绪论 有很大影响p j 。 综合比较以上各焊缝跟踪传感器的优缺点，考虑到进行c 0 2 气体保护焊焊 接时，存在着强烈的弧光、磁场、烟尘、飞溅等干扰，工作环境极为恶劣，传感 器能否在这种环境下稳定工作非常重要。相对于其他传感器，电弧传感器结构简 单，寿命长，且不易受焊接电弧的光、电磁、热的干扰，具有工作可靠、稳定性 高等其他类型传感器所不能比的优点。此外，电弧扫描在跟踪传感的同时，还可 以改善焊缝成形效果，特别是可以明显改善斜角焊缝、搭接焊及厚板开坡口多道 焊的表面成形及两侧熔合叫。因此，本系统最终选用电弧传感器来进行c 0 2 气体 保护焊的焊缝跟踪。 1 2 电弧传感器的发展概述 1 2 1 电弧传感器的种类 电弧传感器常用于内角的结构，可用于直接检测坡口位置，从而在电弧状态 下实时提供熔池表面位置信息，也可用作弧焊机器人上的焊缝跟踪传感器，这也 是电弧传感器目前被广泛应用的一个重要原因。电弧传感器主要有以下几种【7 l ： ( 1 ) 并列双丝电弧传感器利用两个彼此独立的并列电弧对工件进行施焊， 当焊枪的中心未对准坡口中心时，两个作用焊丝具有不同的干伸长度，对于平特 性电源将造成两个电流不相等，因此根据电流差值即可判别焊枪位置并实现焊缝 跟踪。 ( 2 ) 摆动式电弧传感器当电弧在坡口中摆动时，焊丝端部与母材之间的距 离随焊炬对中位胃而变化，它会引起焊接电流与电压的变化。电弧摆动实现的方 法很多，可以通过摆动焊炬，也可以是焊炬不动，通过电磁力来驱动电弧摆动， 或者将气体吹入电弧中，利用热收缩效应使电弧摆动，本系统便是利用自制的焊 接摆动器使焊枪作等速的横向摆动。但通常由于机械方面的影响，摆动式电弧传 感器的摆动频率一般较低，限制了在高速和薄板搭接接头焊接中的应用。 ( 3 ) 旋转扫描电弧传感器在带有焊丝导向的喷嘴旋转时，旋转速度与焊接 电流之间存在一定的关系悼j 。由于电弧的高速旋转，焊丝干伸长来不及变化，而 电弧电压则发生周期性的变化。根据电压的变化即可探测坡口中心的位置。高速 旋转电弧传感器可用于厚板间隙及角接焊缝的跟踪，在结构上比摆动式电弧传感 器复杂，还需要在焊接工艺、信息处理等方面进行深入的研究，目前尚未在实际 生产中得到应用。 1 2 2 电弧传感器信息处理技术的发展 由于c 0 2 焊接中短路过渡的影响，波形变化很大，同时焊接电源本身高频 开关元件及焊接过程中弧光，辐射等的干扰，使焊接电流信号中存在有大量的杂 波和干扰信号。因此必须对电弧传感所需的信息进行处理，从中获得跟踪时真正 河海人学颀l 。研究生学位论文 基于d s p 的模糊拎制弧焊辉缝l 踪系统的设计 需要的输入信号。目前国内外采用的主要有3 种方法：极值比较法、积分差值法 和频谱法 ( 1 ) 极值比较法通过焊枪在坡口内不停地做等速摆动扫描，当焊枪扫描到 坡口边缘时，焊枪与工件距离最短，此时的焊接电流理论上会达到极大值。利用 焊枪在坡口两侧处的电流极值差可以判断焊枪偏离焊道的程度。1 9 9 1 年，韩国 学者jwk i m 研究了摆动电弧传感器在水平角接接头中的应用，使用左右极值 比较法，在摆动频率1 h z 左右，焊缝为水平放置t 形角焊缝，c 0 2 焊接电流3 4 0 a 的情况下实现了焊缝跟踪，并给出了一种曲线拟合滤波方法【9 】。 ( 2 ) 积分差值法将焊枪左摆和右摆周期内的某一区域或全部半周进行电流 积分，并求出电流积分差值，根据积分差值的符号和大小可以得到焊枪的偏移方 向和偏移量。1 9 7 8 年，潘际銮教授在德国作访问学者时首先提出左右积分差值 法，并进行了熔化极摆动电弧传感的焊缝跟踪实验。1 9 9 0 年，清华大学的费跃 农在对高速旋转电弧传感器的研究中，使用积分差值法实现了对v 形坡口弯曲 焊缝的跟踪。本系统采用的便是此种信息处理办法来进行焊缝中心的识别，具体 的选择依据和工作原理将在第二章中进行详细说明。 ( 3 ) 频谱法在非v 形坡口焊接时，采用极值比较法和积分差值法对坡口的 识别能力都较差，信噪比较低，使这两种方法的应用遇到较大困难。清华大学吴 世德在博士论文中提出了通过空间变换，进行扫描电弧传感信号的频域特征分 析，进而利用特征谐波向量来检测坡口的信号处理方法。这一方法适用于各种熔 化极气体保护焊接方法和多种形式坡口的电弧传感。1 9 9 8 年，哈尔滨工业大学 的孙华应用频谱法对焊接电流与摆动焊枪偏差之间的关系进行了研究，结果表 明，摆动焊接电流中，一倍摆频处的频谱响应与偏差信息有关，在一定范围内近 似成线性关系。经验证，跟踪精度可以达到预期标准i l o j 1 2 3 焊缝跟踪控制技术的发展 利用一定的信息处理技术正确探测到焊缝中心以后，就要选择一个合适的控 制方法，提高系统的响应速度，降低系统的超调，使焊枪快速、准确的回到焊缝 中心。目前，随着计算机技术的迅速发展，在焊缝跟踪系统中已经广泛采用，以 及正在研究开发并逐步应用于焊缝跟踪的控制方法主要有以下几种： ( 1 ) 经典控制方法在工程中我们应用最普遍的方法就是比例控制法。这类 控制方法的实质是将检测到的偏差量送入控制器中，按照已建立的数学模型进行 运算，得到控制量，输送给执行机构进行相应的动作，从而保证偏差在允许的范 围之内。清华大学的刘文焕等人便利用r a t 1 型旋转电弧，采用比例控制方法进 行了v 形坡口及角焊缝的双向自动跟踪的研究1 1 1 1 ( 2 ) 现代智能控制方法由于焊接过程是一种多因素交互作用的复杂过程，焊 接质量受多方面的参数制约，而这些参数的作用又相互关联，因此焊接过程是一 4 第一章绪论 个多输入、多输出、时变性和不确定的非线性系统，很难建立较精确的数学模型， 用经典控制方法得到的结果，误差往往比较大。而现代智能控制主要利用人的操 作经验，知识和推理规则，同时利用控制系统所提供的某些信息得出相应的控制 动作以达到预期的控制目的。在焊缝跟踪控制中，主要有以下几种智能控制方法： 1 )专家控制方法利用被控对象领域的专业知识和经验，采用人工智能专家系统 的知识表示及推理技术，得出控制动作，从而达到质量控制的目的。一个好 的专家系统首先必须有充分的控制知识和被控过程的有关数据，这是推理和 决策的基础，另外必须要有一个有效利用知识的推理机，才能够很好的控制， 协调整个专家系统的工作。 2 )模糊控制方法模糊控制是智能控制较早的形式，它吸收了认知思维具有模糊 性的特点，使用模糊数学中的隶属函数、模糊关系、模糊推理和预测得到控 制动作。模糊控制在国内外焊接领域的研究和应用较多，在国外，日本的 s m u s a a m i 等研究了利用电弧传感进行弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制，该 控制系统根据焊枪的振幅位置同焊丝与工件的距离关系判断焊点的水平和垂 直位移，并在强烈的弧光、高温、烟气下，采用基于语言规则的模糊滤波器 和模糊控制器来设计焊缝跟踪控制系统，取得了较好的效果【l2 1 。1 9 9 5 年， h b s m a r t t 利用激光测量焊枪和焊缝的位置和方向偏差，应用模糊概念，实 现焊枪的位詈控制【l ”。在国内，天津大学胡绳荪等在理论分析和试验的基础 上，确定焊缝跟踪系统的模糊控制规则，研制出焊缝跟踪系统中的自调整比 例因子f u z z y p 控制器。华南理工大学宋永伦等设计了一种用于焊缝跟踪的 自组织模糊控制器，并与c c d 视觉传感及图象信息处理技术相配合，在t i g 焊、平板对接条件下，获得了比常规模糊控制器更好的在线跟踪效果，对焊 缝轨迹的变化具有较好的自适应能力。 3 )人工神经网络控制方法神经网络控制是在研究人脑结构和功能的基础上，通 过简化、抽象和模拟，建立神经网络模型，再通过相应的计算机系统，实现 能反映类似人脑结构和功能来处理问题的控制方法。采用人工神经网络设计 的控制系统适应性、鲁棒性都很好，能较好的处理像焊接动态过程这样的高 维数、非线性、强干扰的复杂过程控制问题。目前，国内华南理工大学在这 方面做了较多工作。1 9 9 4 年，该校的黄石生提出了基于自适应共振理论神经 网络的焊缝检测算法，它是一种能够在强烈的噪声环境中正确检测出焊缝位 置的新的焊缝检测算法【】4 1 。李迪等人则在2 0 0 1 年提出了将模糊控制与神经网 络技术相结合的方法对钨极氩弧焊( g t a w ) 过程进行控制，可以通过神经网络 的自学习和竞争来获得隶属函数的自适应及模糊规则的自组织，并以g w 州 过程焊缝几何参数调节为对象，验证了算法的有效性【1 5 1 。 对上述几种控制方法进行比较，可以看出，由于焊接过程具有非线性，复杂 河海人学硕j 研究生学位论文 基十d s p 的模糊拌制弧焊焊缝跟踪系统的设计 性，不确定性及难建模的特点，经典控制方法并不适用。智能控制方法中，专家 系统目前存在的一个主要问题是学习比较慢，难以满足快速时变系统实时控制的 要求。而神经网络用于焊接过程还处于初级阶段，由于其自身算法和学习过程的 复杂性，目前还未在实践中得到应用。模糊控制在焊接中的应用起步较早，在理 论和实践应用上都较为成熟，且具有稳定性好，鲁棒性高，适应性强的特点，也 使得模糊控制在电弧传感焊缝跟踪控制领域有良好的应用前景。本系统便采用了 模糊控制的方法对焊枪进行纠偏控制，并对常规模糊控制和参数自调整模糊控制 进行了对比分析，具体内容会在后面的章节中详细介绍。 1 3 模糊控制系统的组成 模糊自动控制是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种 计算机数字控制。因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，其结 构如下图所示： 图1 2模糊控制系统结构图 模糊控制系统一般可分为四个组成部分【1 6 】： ( 1 ) 模糊控制器它是模糊自动控制系统中的核心部分。这是一种采用基于 模糊控制知识表示和规则推理的语言型控制器，这也是模糊控制系统区别于其他 自动控制系统的特点所在。具体实现时，根据系统的需要既可以选用工控机也可 以选用单片机或者专用的模糊芯片来进行。 ( 2 ) 输入输出接口模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信 号量，并将模糊控制决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号， 然后送给被控对象。若被控对象所需信号为数字量，则不需要d a 环节，如步进 电动机等。 f 3 1 广义对象包括被控对象和执行机构，执行机构包括各交、直流电动机， 伺服电动机，步进电动机，气动调节阀和液压电动机、液压缸等。被控对象可以 是确定的或模糊的，也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强 耦合和干扰等多种情况。对于难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模 糊控制。 ( 4 ) 传感器它是将被控对象或各种过程的被控制量转化为电信号( 模拟或数 字) 的一类装置。被控制量往往是非电量，如位移、速度、加速度、温度、压力、 流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度 6 第一章绪论 往往直接影响整个控制系统的精度，因此在选择传感器时，应注意选择精度高且 稳定性好的传感器。 图中所示的为常规模糊控制器的组成，目前，多种改进或复合的模糊控制器 不断涌现，总结起来，主要有自校正模糊控制，自适应模糊控制，神经网络模糊 控制，专家模糊控制，遗传算法模糊控制等几种类型，从系统的稳定性、精度， 响应时间及可编程性考虑，本文采用自校正模糊控制中的参数自调整模糊控制来 作为最终的控制方法。 1 4d s p 的应用简介 1 4 1d s p 在智能控制领域应用的必要性 智能控制等虽然在理论研究和仿真方面取得了较大的成果，但目前只有极少 一部分开始应用于焊接领域和其他工业领域的生产实践u 7 】，主要是因为随着控制 算法越来越复杂，所需要的数字运算量也越来越大，控制方式也由单一参数闭环 控制到多参数信息融合，一般的通用微处理器( 例如8 0 8 6 、8 0 3 1 等) 或单片机等 在运算速度和内存容量方面已难以适应信号实时处理的要求，这就给计算机实时 控制带来了困难。 d s p 的高运算能力为解决复杂计算与实时性之问的矛盾提供了可能。根据 d s p 的英文定义( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 可知，数字信号处理器就是在硬件、软 件和指令集等方面经过优化以适应数值处理应用的一类处理器或微型计算机。随 着大规模集成技术的发展，d s p 在功能、处理速度和处理能力方面都取得了划时 代的突破。d s p 以其强大的指令系统及速度快，接口功能强大，编程和开发 方便等特点而广泛应用于数据通信、语音信号处理和自动控制领域，为控制方法 的实践应用提供了硬件平台。 1 4 2d s p 在焊接领域的应用 在焊接领域，随着工业的发展，对焊机性能和焊接质量的要求也越来越高。 为了保证焊接过程的稳定性和达到良好的焊接工艺性，就必须对焊接过程的信息 进行实时的提取与处理，这也要求控制系统有足够的速度、反应精度和灵敏性， d s p 强大的数据处理能力和快速运算能力为焊接信号的实时处理提供了硬件基 础，提高了焊接质量实时控制的技术含量。 目前，将d s p 应用于焊接领域已成为国内外专家学者研究的热点，并取得 了一定的成果和经验。 ( 1 ) d s p 在m a g m i g 焊接中的应用c 0 2 焊接过程存在着飞溅大，焊缝成 形不好等缺陷，制约了它在生产中的应用和进一步发展。上海交通大学的白同辉 等人将d s p 引入到c 0 2 焊接控制系统中，利用d s p 的高运算速度和强运算功能， 以软件的方式对短路过渡c 0 2 焊接各阶段电流、电压波形进行控制，从而有效 河海人学烦研究生学位论文基于d s p 的模糊控制弧焊焊缝跟踪系统的设计 的减少了焊接飞溅，改善了焊缝成形【i9 1 。吉林大学的宣兆志等人利用 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2d s p 作为c 0 2 焊接电弧传感焊缝跟踪系统的控制器，具有很好 的信号处理能力，系统在信号采集，数据处理，输出控制等方面体现了良好的实 时性特点。 ( 2 ) d s p 在电阻点焊中的应用由于点焊系统工作在大电流、强磁场的环境 下，因此控制系统的抗干扰问题尤为重要。华南理工大学的黄石生等人设计了以 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 为核心的交流电阻点焊检测和智能控制系统，该系统在软、 硬件设计中分别采用了抗干扰技术，保证了系统的可靠性，为交流电阻点焊质量 控制中动态电参数的实时检测和控制提供了一个良好的平台【2 0 1 。 ( 3 ) d s p 在弧焊逆变电源中的应用弧焊逆变电源是一种高效、节能、轻便的 新型焊接电源。随着弧焊逆变电源更为复杂的应用和性能要求的提高，单片机运 算速度慢、抗干扰能力差、编程灵活性差的缺点越发明显，成为制约弧焊逆变电 源发展的瓶颈。华南理工大学的吴开源等人以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为下位 机，单片机作为上位机组成弧焊逆变电源控制系统，与以单片机为核心的控制系 统相比大大简化了系统组成，充分发挥了单片机和d s p 的优势，从而大大提高 了控制系统的实时性。而且消除了模拟系统中参数的容差、漂移导致的控制器参 数的变化，使其稳定性得到提高【2 ”。 结合本文来考虑，焊缝跟踪系统实质上是属于随动控制系统，即参据量是预 先未知的随时间任意变化的函数，要求被控量以尽可能小的误差跟随参据量的变 化口2 1 。这类系统设计的重点是研究被控量跟随的快速性和准确性。目前焊缝跟踪 领域大部分还是以单片机为控制核心，响应速度和跟踪精度都不理想，限制了焊 缝跟踪的进一步发展，而d s p 的高精度和快速性为焊缝跟踪提供了新的发展平 台。因此，本文决定选用t i 公司专门为控制领域设计的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心控制芯片，以此构建焊缝跟踪系统的硬件平台，并在此平台上用软件编程 来实现模糊控制的焊缝跟踪功能。 1 5 本课题的主要研究任务 在焊接生产所采用的熔滴过渡形式中，短路过渡由于存在熄弧过程，电流波 形变化很大，过渡很不稳定。如果能对短路过渡的焊接过程实现稳定可靠的焊缝 跟踪，也就可以在其它的熔滴过渡形式中较好的实现跟踪。因此，本文的主要任 务是研究一种用于短路过渡c 0 2 气体保护焊，实现对v 形坡1 3 s e 件的焊缝跟踪 电弧传感器系统。该系统应具有结构简单，跟踪精度高及工作性能稳定等特点。 基于以上设想，本课题主要完成以下任务： ( 1 ) 完成短路过渡c 0 2 气体保护焊焊缝跟踪电弧传感器的理论研究，分析电 弧传感器静态和动态物理模型中的各个参数对摆动及控制参数的影响。 ( 2 ) 针对常规模糊控制器的不足，设计改进的、具有参数自调整功能的模糊 8 第一章绪论 控制器：分析各个参数调整的依据和变化范围，并采用m a t l a b 对设计的模糊 控制器进行仿真，将仿真结果与常规模糊控制进行对比分析；同时将仿真所得的 最优查询表用于模糊控制程序中，并根据焊接实验的效果进行适当调整。 ( 3 ) 根据设定的模糊控制算法，设计并编制d s p 控制程序。 ( 4 ) 以d s p 为核心搭建稳定可靠的硬件平台，力求硬件简单、可靠、抗干扰 能力强，保证硬件电路有良好的通用性。 ( 5 ) 设计作为焊缝跟踪执行机构的焊接摆动器，包括机械部分、硬件电路和 摆动程序的设计，使摆动器可以按照预定的摆宽、摆速和停留时间进行摆动。 ( 6 ) 在现有的基础上，完成作为摆动和控制参数设胃、焊接实验结果及数据 分析的上位机软件设计，制定d s p 与p c 机进行串行通信的通信协议，保证数据 传输的正确性和实时性。 ( 7 ) 设计从信号采集到摆动跟踪的整套实验方案，通过焊接实验确定模型和 相关的控制参数，最终达到良好，稳定的跟踪效果。 9 河海大学硕士研究生学位论文 基于d s p 的模糊拧制弧焊焊缝跟踪系统的设计 第二章焊缝自动跟踪系统的理论基础 在进行焊缝跟踪系统的设计之前，必须对电弧传感焊缝跟踪的相关理论和控 制思想进行详细的分析和说明，为下一步系统软硬件和焊接实验的设计提供理论 依据。因此，本章的主要任务就是结合电弧传感器的工作原理和c 0 2 熔滴过渡 的特点，选择合适的判别焊枪偏移方向和偏移量的方法，然后利用c 0 2 焊接时， 焊接电源与电弧之f 日j 的能量供求关系以及焊丝熔化特性对电弧传感器的静态和 动态物理模型进行推导分析，为后面的实验确定摆动和控制参数打下基础，最后 对模糊控制器的基本原理和特点进行简要的说明。 2 1 电弧传感器的工作原理 在使用等速送丝配合恒压或缓降外特性的焊接电源时，由于电弧的自调节作 用，弧长的变化可以引起电弧参数的变化，从而获取电弧扫描时焊枪高度的变化， 并根据焊炬与焊缝的几何关系推导出焊炬与焊缝的相对位置等被传感量。电弧传 感器的基本原理就是利用焊炬高度的变化而引起的焊接电流参数变化来探测焊 枪相对焊缝的高度和左右偏差的。 加 爿1卮 庇山 图2 1电弧传感器的工作原理 图2 1 说明了焊枪导电嘴与工件表面距离变化引起焊接参数变化的过程【2 硼。 c 0 2 焊接时电弧的静特性曲线工作于上升段，即l o 、l i 、1 2 三条直线，焊接电源 选为缓降外特性，即斜率为负的直线。在焊炬高度为h o 稳定状态时，电弧静态 工作点为a 0 ，弧长l o ，干伸长l 1 ，电流i o 。当焊枪与工件表面距离h o 发生阶跃 变化增大到h l 时，弧长忽然被拉长为l l ，此时l l 还来不及变化，电弧随即在新 的工作点燃烧，电流突变为i i 。由于电弧静特性曲线与弧长有关，当弧长变长时， 静特性曲线会整体上移，此时电弧电流i l 明显变小。电源输出外特性曲线为缓降 外特性，电弧电压u 保持近似不变，焊丝熔化速度v 。随电流i 的减小而减小， 使此时的焊丝熔化速度要比a o 点时的熔化速度小，也就小于送丝速度，使得焊 丝伸出长度渐渐变长，弧长逐渐变短，干伸长增大，电流也逐渐增大，当熔化速 度再次与送丝速度相等时，电弧会稳定在一个新的工作点a 2 ，弧长1 2 ，于伸长 l 2 ，电流1 2 ，结果是干伸长和弧长都比原来增加。在上述变化中，有两个状态过 i o 第一二章焊缝自动跟踪系统的理论草础 程，即调节过程的动态变化( a i o ) 和新的稳定点建立后的静态变化( 1 1 ) 。动态变 化的原因是焊丝熔化速度受到限制，静态变化的原因是由于电弧的自调节特性。 由上述可知，当电弧沿着焊缝的垂直方向扫描时，焊接电流将随着扫描引起 的焊枪高度的变化而变化，从而获得焊缝坡口信息，达到传感的目的。当扫描速 度较小时，电弧在坡口的任意位置处都会达到平衡，即始终处于变化量较小的静 态变化中；当扫描速度较大时，在坡口的某些位詈会来不及达到平衡，即处于变 化量较大的动态变化中，这也为提高电弧传感器的灵敏度提供了可能，具体的参 数将在后面通过系统物理模型和焊接实验来确定。 2 2c 0 。焊接熔滴过渡的特点 由于此焊缝跟踪系统主要是针对c 0 2 气体保护焊设计的，c 0 2 焊接过程中的 熔漓过渡形式对偏差信号的提取和处理方式有很大的影响，因此有必要对c 0 2 焊接的熔滴过渡特点进行分析。 细丝( 砧0 8 1 6 m m ) 气体保护焊时常采用短路过渡的形式【i 】。这种过渡过程 中，电弧燃烧是不连续的。焊丝受到电弧的加热作用形成熔滴并长大，而后与熔 池短路熄弧，在表面张力及电磁收缩力的作用下形成缩颈小桥并爆断，再引燃电 弧，完成短路过渡过程。 由于熔滴过渡过程的不连续性，c 0 2 焊接短路过渡存在着最大的一个缺点： 飞溅大。飞溅是指在短路过渡的过程中，会有一些炽热的熔化会属微粒从熔池飞 散的现象。在焊接过程稳定，各种参数匹配的条件下，c 0 2 焊接短路过渡主要存 在以下三种飞溅1 2 4 ： ( 1 ) 短路初期，熔滴刚刚接触熔池时，由于接触面积小，电阻和电流较大， 熔滴受到过大的电磁力而被迅速排斥出熔池，形成飞溅。 ( 2 ) 短路末期，液桥在表面张力、电磁力作用下形成很细的缩颈，这时流过 液桥缩颈的电流密度急剧升高，造成能量聚积，使得缩颈在高温下汽化爆炸，产 生大量飞溅。这就是目前得到普遍认同的“电爆炸”理论。短路末期的短路电流越 大，缩颈发生“电爆炸”时的几何尺寸越大，飞溅越严重。 ( 3 ) 燃弧初期，电弧重新引燃时与熔池距离很小，若电流过大，会在熔池上 形成很强的冲击力，将液体金属溅出，形成焊接飞溅。 飞溅是有害的，它不但降低焊接生产率，影响焊接质量，而且使劳动条件变 差。对于焊缝跟踪系统来说，飞溅和短路电流的存在使电流波形变化很大，给偏 差信号的提取带来了较大困难，因此必须采取一定的信息处理措施才能获取正确 的焊枪偏移方向和偏移量。 2 3 焊枪偏移方向和偏移量的确定 本文在绪论中讲述电弧传感器信息处理技术时提到三种信息处理的方法，常 河海人学硕】研究生学位论文基十d s p 的模糊控制弧焊焊缝跟踪系统的设计 规的是极值比较法，它的依据就是前面所讲的电弧传感器工作原理：若焊枪摆动 中心未偏离焊缝中心，则焊枪左摆至极限位置和右摆至极限位置时到工件表面的 距离相同，相应的焊接电流相等。而当焊枪左偏时，焊枪左摆至极限位置时距工 件表面的距离要小于右摆至极限位置时距焊件表面的距离，从而导致左摆至极限 位置时的焊接电流值i l 大于右摆至极限位置时的焊接电流值i r ，二者的差值正 比于焊枪的偏移量，存在关系1 2 5 】： a i = e + k ( 2 - 1 ) i - 一焊接电流差值，a i = i l 。i r ；e 一焊枪的偏移量；k 与焊丝直径和熔 滴过渡形式有关的常数。焊枪右偏时，有同样的结论。因此，根据左摆极限位置 和右摆极限位置焊接电流的差值，可以判断焊枪相对于焊缝中心的偏移方向和偏 移量。 但这种判断焊枪偏移的方法只有在比较理想的条件下才能得到满意的结果， 由于短路过渡的电流波动很大，焊枪在左摆极限位置和右摆极限位置时，可能处 于电流波形的不同阶段，此一瞬间焊接电流的差值i 与焊枪的偏移量e 之间已 经不一定满足a i = e * k 的关系。若仍然采用极值比较的方法来判断焊枪的偏移方 向和偏移量，有可能会得出错误的结论。 而频谱分析方法中虽然可以通过一倍摆频处的幅频响应和虚部正负来判断 偏差的大小和方向，但此种方法目前还处在理论研究阶段，并且编程实现比较困 难，由于本系统主要是针对v 形坡口工件进行焊缝跟踪的，因此最终决定采用 离散积分求差值的方法来判断焊枪的偏移方向和偏移量。 队八 硝 j 庞蒜癣 l 4 队 t 小 一 c 州 一 图2 2焊枪偏移时的焊接电流变化曲线 图2 2 为焊枪摆动时位于坡口中心和偏向两侧时的理想电流波形。对焊枪左 摆周期和右摆周期内的焊接电流进行离散积分，即计算图2 2 中两个阴影部分的 面积s 1 和s 2 ，然后求出电流积分差值i c - s l s 2 ，根据积分差值i c 的符号和大小 可得到焊枪的偏移方向和偏移量。若焊枪不偏，则i e 会在一个很小的范围内变 化，基本上为0 。若焊枪左偏，焊枪在左摆过程中距离工件的平均高度要小于焊 枪在右摆过程中距离工件的平均高度，因此，焊接电流积分值s l s 2 ，相应的焊 接电流积分差值i e = s 1 s 2 0 ，且焊枪左偏的偏移量越大，电流积分差值i 。的绝对 第一二章焊缝自动跟踪系统的理论摹础 值也越大。而当焊枪右偏时，同理可知，焊接电流积分差值i c = s 1 s 2 0 ，且 i 。的绝对值i i 。i 随着焊枪偏移量的增加而增大。这样，即使焊接过程中可能出现尖 峰干扰，也已经分摊到整个左摆或右摆周期，使其影响大大减小，另一方面，又 可以不必考虑焊接电流脉冲的变化，从而有效地保证判断结论的正确性。 但c 0 2 焊接时，由熔滴过渡引起的高频5 0 1 0 0 h z 噪声和不规则大颗粒过渡 对2 3 h z 的扫描电流信号造成了较大的干扰，影响了使用积分差值法的判断。 因此，通常对熔滴过渡引起的短路电流采用了削波处理的方法，将短路电流钳制 在两倍的焊接电流值上，这样既减少了干扰，又保留了扫描坡口时电流的变化。 对异常的大颗粒不规则过渡通过判断加以剔除，这样可以进一步提高积分差值判 断焊枪偏差的准确性。 2 4 电弧传感器的特性分析 电弧传感器不是一个孤立的元件，而是一个由扫描焊炬、电源、送丝机等组 成的系统。对电弧传感器的特性进行分析实际上就是对这一系统模型的分析。模 型描述了由焊枪高度到电弧参数的传递关系，本章则主要讨论焊枪高度动态和静 态变化时，电弧电流的变化规律。 根据静态物理模型，可以得出其它条件一定时，不同焊枪高度所对应的电流 大小以及影响电流大小的因素，并且可以由静态模型的性质( 线性或非线性) 得到 系统的性质；根据动态物理模型，可以得出焊枪以不同的频率进行摆动焊接时， 相同焊枪高度变化所引起的电流变化量的不同，也就是电弧传感器的灵敏度与工 作频率的关系，并进一步确定电流由静态变化向动态变化时的焊枪摆动转折频 率，为确定合适的摆动参数提供参考。 由于焊接过程非线性，复杂性以及强干扰的特点，并不能建立精确的数学模 型，但本章建立的模型并不应用于控制，只是用来观察电流的变化规律和一些相 关参数的确定，因此可以在忽略某些因素的影响以及做近似处理的前提下，由电 源的外特性、动特性及焊丝的熔化特性和电特性建立近似的物理模型。 2 4 1 电弧传感器的静态物理模型分析 电弧传感器系统中主要包括两种平衡关系，其一是焊接电源与焊接电弧之间 的能量供需平衡关系，其二是焊丝熔化与送进的平衡关系【2 6 1 。 根据第一种平衡关系，直流m a g 焊，采用平或缓降外特性的电源时，在其 工作点附近可表示为 u 2 u o k a i ( 2 - 2 ) u 一一电源( 包括电缆) 输出端电压：i 一一输出电流；u o 一一等效空载电压： k 电源外特性下降斜率。u 为输出电压，也是导电嘴到工件之间的电压，它 包括电弧电压u 。和干伸长电压u 。两部分： i 海大学颀上研究生学位论文 雉f d s p 的模糊拧制瓶辟焊缝* h 踪系统的瑷计 u = u a + u 。 ( 2 3 ) 干伸长上的压降一般可写成下式关系【2 7 】： u ；= k s