基于模糊控制的擺動(dòng)式弧焊跟蹤

唐建武　付虹

摘要：電弧傳感原理是利用焊炬高度變化引起的焊接電流（電弧參數(shù)）變化，然后通過(guò)左右兩邊電流積分和的差值得到偏差值，因此焊縫偏差值的處理對(duì)于焊縫跟蹤系統(tǒng)有至關(guān)重要的作用。文章采用模糊控制的方法，以提取到的偏差與偏差變化率作為輸入、偏差補(bǔ)償作為輸出很好地實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)弧焊的跟蹤。

關(guān)鍵詞：電弧傳感；焊縫跟蹤；模糊控制；焊接

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）07-

1 概述

焊縫自動(dòng)跟蹤就是利用傳感器檢測(cè)出焊槍相對(duì)于焊縫的位置，通過(guò)信號(hào)處理后，利用控制器計(jì)算出偏差量，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)焊槍?zhuān)氐胶缚p中心。焊縫跟蹤過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)影響的復(fù)雜系統(tǒng)，其中存在著大量不確定因素的影響，如焊接工件坡口的加工精度、裝配精度等等，這導(dǎo)致提取出來(lái)的偏差存在波動(dòng)，并且精度不高。針對(duì)這種情況，采用不依賴(lài)被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型的模糊控制方法計(jì)算焊炬偏差補(bǔ)償量能夠取得比較理想的效果，這也是近年來(lái)焊縫跟蹤偏差補(bǔ)償策略研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

2 電弧傳感原理

電弧傳感器是一個(gè)由焊炬、電弧電源、送絲機(jī)等組成的系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)，焊接電源作為電源供電，電弧作為負(fù)載用電，為了保證焊接電弧穩(wěn)定燃燒和焊接參數(shù)的穩(wěn)定，必須保證這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。當(dāng)無(wú)干擾時(shí)，在給定負(fù)載電壓和焊接電流下，電弧穩(wěn)定燃燒，系統(tǒng)保持靜態(tài)平衡狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)受到瞬態(tài)干擾時(shí)，負(fù)載電壓和焊接電流發(fā)生變化，在干擾消失后，系統(tǒng)能自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)或達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這就是電弧的自調(diào)節(jié)作用原理。

從信號(hào)分析處理的角度可將掃描電弧傳感檢測(cè)焊縫原理描述為掃描調(diào)制、信號(hào)傳遞、信號(hào)處理三個(gè)過(guò)程，如圖1所示：

2.1 掃描調(diào)制

如圖2所示焊縫的位置是相對(duì)焊炬而言的，由焊炬高度H、焊炬與焊縫坡口中心線(xiàn)橫向距離e決定，e反映焊縫的偏離情況。由于電弧傳感原理是利用焊炬高度變化引起的焊接電流（電弧參數(shù)）變化來(lái)獲得傳感信息，所以只有通過(guò)對(duì)坡口掃描，焊炬高度隨之的變化，才能反映焊縫坡口的截面幾何信息，反映焊縫的偏離情況，從信號(hào)處理角度來(lái)說(shuō)，這一過(guò)程可以表述如下：焊炬的位置（H，e）和坡口形式在焊炬的掃描激勵(lì)下被調(diào)制成焊炬的高度變化h（t）。h（t）經(jīng)過(guò)電源——電弧系統(tǒng)的傳感作用，焊接電流I（t）要隨著h（t）產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在信號(hào)處理過(guò)程中對(duì)焊接電流I（t）進(jìn)行濾波處理濾除干擾和噪聲，再根據(jù)掃描激勵(lì)位置信號(hào)解調(diào)獲得焊炬位置（H，e），最后調(diào)整焊炬的位置實(shí)現(xiàn)焊縫跟蹤。

2.2 焊炬高度與電弧參數(shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在電弧傳感系統(tǒng)中，為了從電弧信號(hào)中獲取焊接的高度信息，需要建立唯一的輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此焊接電源應(yīng)選擇恒壓或者緩降的外特性，送絲系統(tǒng)的送絲速度恒定。通過(guò)文獻(xiàn)了解得出了電弧傳感的靜態(tài)物理數(shù)學(xué)模型，并分析了該模型的非線(xiàn)性程度，加以適當(dāng)簡(jiǎn)化。該簡(jiǎn)化模型指出，當(dāng)焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定燃燒，熔滴過(guò)渡為射流過(guò)渡時(shí)，焊炬高度H與電弧電流I的關(guān)系滿(mǎn)足關(guān)系式

H=KI+C（K、C為常數(shù)）。當(dāng)熔滴過(guò)渡為短路過(guò)渡時(shí)，由于有短路峰值電流存在，關(guān)系式H=KI+C不再成立，但是短路峰值電流和維弧電流的變化趨勢(shì)是一樣的，通過(guò)有限削波等處理方法同樣能夠提前得出焊炬的高度信息。對(duì)于脈沖GMAW焊，由于弧焊電源輸出的為脈沖電流，關(guān)系式H=KI+C同樣不

成立。

3 模糊控制器

模糊控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器的輸入變量個(gè)數(shù)稱(chēng)為模糊控制器的維數(shù)，一維模糊控制器只以誤差為輸入變量，很難反映過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性品質(zhì)。從理論上講，控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)，但模糊規(guī)則過(guò)于復(fù)雜，算法實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。而以誤差和誤差的變化作為輸入變量的二維模糊控制器，由于能夠較嚴(yán)格地反映受控過(guò)程中輸出變量的動(dòng)態(tài)特性，而控制規(guī)則和算法又相對(duì)簡(jiǎn)單，因此這類(lèi)結(jié)構(gòu)的模糊控制器目前被廣泛采用。從系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性來(lái)考慮，本方案選用二維模糊控制器，以焊槍左擺周期和右擺周期的焊接電流離散積分差值計(jì)算的橫向偏差值E和偏差值的變化率EC作為輸入量，以焊炬位置的橫向調(diào)整補(bǔ)償量為輸出量，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

3.1 精確量的模糊化

模糊控制器的建立首先是要去模糊化，即根據(jù)變量的精確值，分別確定它們的隸屬函數(shù)。將模糊控制器的輸入設(shè)定為偏差E和偏差變化率EC。

系統(tǒng)中的偏差和偏差變化率的實(shí)際變化范圍稱(chēng)為這些變量的基本論域。焊縫跟蹤系統(tǒng)某時(shí)刻的采樣偏差類(lèi)別為{-20mm，-15mm，-10mm，-5mm，0mm，5mm，10mm，15mm，20mm}，可建立一個(gè)映射，使上述集合與{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}一一對(duì)應(yīng)。這樣，輸入誤差的基本論域變?yōu)閧-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。取誤差E、誤差變化率EC和控制量U的論域?yàn)閇-6，+6]，并使之離散化，即為：

因此，還需要通過(guò)量化因子進(jìn)行論域變換，量化因子Ke的計(jì)算公式為：

焊縫偏差變化率EC可由下式計(jì)算得出：

3.2 模糊量的賦值以及隸屬函數(shù)的確定

在[-6，+6]之間變化的連續(xù)量需分成若干等級(jí)，每個(gè)等級(jí)作為一個(gè)模糊變量，并對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集或者隸屬函數(shù)。本文中，對(duì)于誤差和誤差變化率以及控制量的變化等均用7個(gè)語(yǔ)言變量來(lái)描

4 模糊控制規(guī)則的建立

本文采用二維模糊控制器，這類(lèi)模糊控制器的控制規(guī)則通常由模糊條件語(yǔ)句“If E and EC then U”來(lái)描述。

模糊控制是以運(yùn)行者的知識(shí)和操作者的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的控制技術(shù)?？偨Y(jié)手工焊接時(shí)焊工跟蹤焊縫的經(jīng)驗(yàn)并通過(guò)模糊推理，可以得出模糊控制規(guī)則?？刂埔?guī)則一共可以歸納出49條，如下所示：

5 輸出信息的模糊解析

輸出信息的模糊解析即為去模糊化，其目的是將模糊推理得到的模糊控制量轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能接受的精確量。常用的幾種方法有：最大隸屬度法、取中位數(shù)法和加權(quán)平均法。一般而言，加權(quán)平均法比取中位數(shù)法具有更好的靜態(tài)性能，動(dòng)態(tài)性能則略遜于取中位數(shù)法，而兩種方法都優(yōu)于最大隸屬度法。由于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高，因此采用最大隸屬度法進(jìn)行去模糊化，計(jì)算出焊炬位置的偏差補(bǔ)償量用于焊縫跟蹤控制。最終得到模糊解析查詢(xún)表如表5所示：

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)電流采樣得到焊縫跟蹤系統(tǒng)焊炬偏離焊縫中心的偏差信息，將偏差進(jìn)行模糊控制處理輸出相應(yīng)的控制量，可以較好地實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中焊炬的實(shí)時(shí)性跟蹤，提高系統(tǒng)的控制精度，取得比較理想的控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊震宇，張華，潘際鑾.電弧傳感器的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用前景[J].焊接技術(shù)，2001，30（5）：2-6.

[2] 曾松盛，石永華，王國(guó)榮.基于電弧傳感的焊縫跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].焊接技術(shù)，2008，37（2）：8-12.

[3] 周洪，孟正大.電弧傳感焊縫跟蹤的信號(hào)處理[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，36（增刊I）：122-125.

[4] Kodama M，Goda H，Iwabuti H.Arc sensor for simultaneous detection of torch aiming deviation and gap width-development of high frequency oscillation arc[J].Welding International，2001，15（12）：952-964.

[5] Yong-Hua Shi，Ji-Tae Kim and Suck-Joo Na.Signal Patterns of High Speed Rotational Arc Sensor for Gas Metal Arc Welding[C].Houston：The Instrumentation Systems and Automation Society[A].2005：9-14.

[6] Murakami S.Weld-Line Tracking Control of Arc Welding Robot Using FuzzyLogic Controller[J].Welding Journal，1993，（2）：60-66.

[7] 宋永倫，蘇強(qiáng)，張果戈.焊縫視覺(jué)跟蹤模糊控制器的研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997，25（2）：1-7.

[8] 劉曙光，魏俊民，竺志超.模糊控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)紡織出版社，2001.

[9] 陳林，周孟然.十字路口模糊交通控制器的設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2006，32（9）：7-10.

[10] 臧利林，賈磊，林忠琴.基于模糊邏輯的交通信號(hào)控制與仿真研究[J].公路交通科技，2006，23（4）：124-127.

作者簡(jiǎn)介：唐建武（1989-），湖南永州人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)電氣學(xué)院測(cè)試專(zhuān)業(yè)在讀研究生，研究方向：測(cè)試技術(shù)及儀器。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）