基于Simulink的機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)仿真*

姚屏 黃舒薇 梁道贊 周亢 袁桂琦

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基于Simulink的機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)仿真*

姚屏1,2黃舒薇2梁道贊3周亢4袁桂琦2

（1.廣東技術(shù)師范大學(xué)天河學(xué)院 2. 廣東技術(shù)師范大學(xué)機(jī)電學(xué)院 3.廣東奇正科技有限公司 4.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院）

利用Simulink對(duì)復(fù)雜的機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可有效減少開發(fā)的盲目性和開發(fā)過程中的風(fēng)險(xiǎn)。首先，建立脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器、信號(hào)采樣預(yù)處理、PI控制器等模塊的Simulink模型，并設(shè)計(jì)非線性接口完成各模塊連接；然后，利用整體仿真模型研究PI控制參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響規(guī)律；最后，進(jìn)行雙絲焊接工藝波形控制仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：利用Simulink模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)可指導(dǎo)機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)設(shè)定控制參數(shù)，促進(jìn)新工藝的探索和應(yīng)用。

雙絲焊機(jī)；控制系統(tǒng)；Simulink；參數(shù)設(shè)定

0　引言

焊接作為一種可靠、低成本的永久性連接材料的方法，在現(xiàn)代生產(chǎn)制造中廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的電弧焊接速度慢、質(zhì)量差，要達(dá)到穩(wěn)定的高質(zhì)量和高效化焊接，需提高焊接速度和焊縫熔敷率[1-2]。雙絲焊接在單絲的基礎(chǔ)上，引入另一路焊絲，使得2個(gè)電弧共同在一個(gè)熔池上燃燒，不僅提高焊接的熱輸入，還可以改變?nèi)鄢責(zé)崃康姆植挤绞?，在提高焊接速度的同時(shí)，能有效避免多種缺陷，如咬邊、母材變形等，并且可獲得優(yōu)質(zhì)美觀的焊縫[3-5]。

焊接機(jī)器人在汽車、航天、船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，已成為先進(jìn)制造業(yè)中無法替代的重要裝備[6-7]，進(jìn)一步提高了焊接生產(chǎn)率。焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備2部分。其中機(jī)器人焊接控制系統(tǒng)性能很大程度上決定了焊接質(zhì)量，因此對(duì)其研究具有重要意義。

傳統(tǒng)機(jī)器人焊接控制系統(tǒng)開發(fā)思路是根據(jù)設(shè)計(jì)方案和理論計(jì)算做出雛形后，再利用原型機(jī)反復(fù)調(diào)試修改，最后完成總體設(shè)計(jì)。隨著焊接控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的日益復(fù)雜，研究人員難以通過前期分析和設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)問題。而通過設(shè)計(jì)時(shí)建立焊接控制系統(tǒng)仿真模型，模擬系統(tǒng)運(yùn)行，可減少經(jīng)驗(yàn)法的盲目性，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)能探索新控制方法和工藝在焊接領(lǐng)域中的應(yīng)用。

近年，焊接工作者日益重視仿真技術(shù)在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用[6-10]。針對(duì)CO2氣保焊已有不少研究[11-12]，研究內(nèi)容主要集中在數(shù)學(xué)建模、控制算法性能分析[13]、熔滴過渡過程[14]、熔池成形等方面[15-16]，多用數(shù)學(xué)建模方法，針對(duì)焊機(jī)器件級(jí)整體建模的研究較少。焊機(jī)是復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其響應(yīng)輸出特性難以用某個(gè)特定的函數(shù)關(guān)系描述，焊接條件變化，函數(shù)關(guān)系也相應(yīng)變化，因此利用函數(shù)關(guān)系建立焊機(jī)仿真模型存在較大的局限性。

本文利用基于元器件的建模方法，輔以數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系建立機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)完整模型，并通過仿真實(shí)驗(yàn)，研究雙絲焊過程控制參數(shù)選取對(duì)焊接穩(wěn)定性的影響。

1　控制系統(tǒng)建模與仿真

機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)主要完成信號(hào)預(yù)處理、電信號(hào)反饋控制、送絲控制、脈沖信號(hào)控制、波形控制和人機(jī)系統(tǒng)通信等功能，本文按照模塊設(shè)計(jì)的方法分別建立了Simulink仿真模型。

1.1　脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器

雙絲一體化焊接設(shè)備采用脈寬調(diào)制（pulse width modulation，PWM）信號(hào)控制，使用4路不同的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)有限雙極性軟開關(guān)工作[17]。脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器仿真模型如圖1所示。

圖1　脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器仿真模型

圖1中，以20 kHz鋸齒波為載波，輸入I為控制信號(hào)，Switch實(shí)現(xiàn)斬波；斬波后的開關(guān)信號(hào)通過D觸發(fā)器、邏輯運(yùn)算和增益C后，得到占空比相同相位相反的信號(hào)pulse1，pulse2。為保證對(duì)角線橋臂開斷的一致性，滯后臂采用相同仿真模型。滯后臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比確定且通常小于50%，仿真模型中采用常數(shù)C控制滯后臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)pusle3，pulse4的占空比。

圖2　信號(hào)采樣預(yù)處理模型

1.2　信號(hào)采樣預(yù)處理

給定電流值和反饋電流值需變換成占空比的控制量才能進(jìn)行運(yùn)算，因此反饋信號(hào)進(jìn)入控制器之前需進(jìn)行預(yù)處理。

輸出電流是連續(xù)信號(hào)，需要進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，模型利用零階保持實(shí)現(xiàn)信號(hào)采樣?？紤]到噪聲干擾，設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波環(huán)節(jié)filter Subsystem。經(jīng)過多次仿真試驗(yàn)可得電壓值和占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將反饋電流對(duì)應(yīng)的占空比和給定電流對(duì)應(yīng)的占空比作為控制參數(shù)輸入控制器進(jìn)行運(yùn)算[17]。信號(hào)采樣預(yù)處理模型如圖2所示。

1.3　PI控制器

控制模塊以反饋電流I和給定電流I作為控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙絲焊過程電流-電流外特性的控制。求取通過preprocess模塊的I和I偏差，進(jìn)行PI運(yùn)算，得到占空比調(diào)節(jié)量，合理設(shè)置增益使占空比調(diào)節(jié)范圍在5%~50%之間。這個(gè)范圍可以使超前臂占空比小于滯后臂，同時(shí)保證一定的死區(qū)時(shí)間，飽和度模塊Saturation實(shí)現(xiàn)限幅[17]。控制模塊仿真模型如圖3所示。

圖3　控制模塊仿真模型

2　系統(tǒng)整體模型

機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)整體仿真模型由輸入模塊、逆變模塊IGBT、變壓二次整流濾波模塊TRF、雙絲負(fù)載模塊ARC Load、脈沖信號(hào)發(fā)生模塊PWM、采樣信號(hào)預(yù)處理Preprocess模塊和PI控制器組成，如圖5所示[17]。給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入控制器，產(chǎn)生脈寬控制信號(hào)；通過控制IGBT管開斷的占空比得到相應(yīng)的控制電壓；控制電壓經(jīng)變壓整流濾波與另一路控制電源共同作用于電弧負(fù)載。

圖4　PI控制后的動(dòng)態(tài)變化脈沖

圖5　機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)整體仿真模型

圖6　IGBT動(dòng)態(tài)變化仿真電壓的波形圖

3　試驗(yàn)與分析

3.1　控制參數(shù)調(diào)整仿真試驗(yàn)

為深入研究PI控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響，進(jìn)行PI控制算法中參數(shù)K，K對(duì)輸出電信號(hào)影響的試驗(yàn)。不同控制參數(shù)情況下的仿真試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7(a)中，在K，K較大時(shí)，上升時(shí)間較快。因?yàn)閺幕档椒逯惦A段，電壓差值較大，所以會(huì)出現(xiàn)較大的過沖，存在震蕩現(xiàn)象，有一定的穩(wěn)態(tài)誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明：K，K較大時(shí)易產(chǎn)生過沖和震蕩現(xiàn)象。繼續(xù)調(diào)整K，K值到恰當(dāng)時(shí)，輸出的電壓波形如圖7(b)所示，此時(shí)過沖較小，震蕩現(xiàn)象不明顯，且比較穩(wěn)定，基本達(dá)到控制要求。

圖7 (a) Kp，Ki較大時(shí)輸出電壓波形

圖7　控制參數(shù)對(duì)輸出電壓的影響

從上述仿真試驗(yàn)來看，通過控制系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，研究不同控制參數(shù)對(duì)輸出電信號(hào)的影響，選擇最佳的控制參數(shù)匹配，可有效減少真實(shí)試驗(yàn)的時(shí)間和材料消耗，提高焊接控制系統(tǒng)開發(fā)效率，進(jìn)一步優(yōu)化焊機(jī)性能。

3.2　焊接電流波形控制仿真試驗(yàn)

圖8　雙絲波形控制仿真試驗(yàn)電流波形

4　小結(jié)

1）本文利用Simulink建立機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)各子模塊仿真模型，設(shè)計(jì)仿真模型各模塊之間非線性接口，得到完整的機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)模型。

2）分別進(jìn)行雙絲控制參數(shù)調(diào)整、雙絲電流波形控制仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步證明機(jī)器人雙絲焊一體機(jī)焊接控制系統(tǒng)仿真模型的正確性。同時(shí)探索雙絲對(duì)稱過渡新波形實(shí)現(xiàn)的可行性和不同控制參數(shù)對(duì)電壓輸出波形的影響，為下一步控制策略的研究提供參考依據(jù)。

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Welding Control System Simulation of Robot Integrated Double Welding Machine Based on Simulink

Yao Ping1,2Huang Shuwei2Liang daozan3Zhou Kang4Yuan Guiqi2

(1.College of Tianhe, Guangdong Polytechnic Normal University 2. College of Electromechanical Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University 3.KITSEN Technologies Co., Ltd. 4.School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology)

Simulation technology using Simulink can effectively reduce the blindness and risk during the developing process using robot integrated double wire welder. Employing the Simulink tool, this paper established a model which was composed of modules of signal preprocessing, electrical feedback control, the pulse width modulation signal generator and the waveform control. Also, a nonlinear interface was designed to connect each module. Finally, by means of the overall simulation model, the effect of the PI control parameters on the output voltage was studied, and a double wire welding process control wave form simulation test was conducted. The results showed that the simulation model using Simulink can guide welder control parameters settings, and the exploration of new technologies. The design idea of the welding simulation model for robot double wire welder control system can provide reference and enlightment for the relative researches.

Double Wire Welder; Control Systems; Simulink; Parameters Setting

姚屏，女，1978年生，教授，博士，主要研究方向：智能制造、工業(yè)機(jī)器人等。E-mail: ypsunny@163.com

國家自然科學(xué)基金（51805099,51605103）；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2017B090914005，2015A010104010,2016B090927009）；教育廳特色創(chuàng)新項(xiàng)目（2014KTSCX145）；中國博士后科學(xué)基金（2016M602461）；陽江市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018031）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201805010001）。