模煳邏輯控制在焊接中的應用進展.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權(quán)，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除天馬行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632模糊邏輯控制在焊接中的應用進展1 引 言焊接過程是一個復雜的過程，存在著時變、非線性及干擾因素多等特點，難以建立起精確的數(shù)學模型。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對焊接質(zhì)量的要求越來越高，這就要求對焊接動態(tài)過程能實現(xiàn)自適應控制和智能控制，以確保焊接過程的穩(wěn)定性，提高焊接質(zhì)量和焊接自動化水平。模糊控制可以在沒有精確數(shù)學模型的情況下，模仿專家和熟練焊接工人的經(jīng)驗對焊接過程進行實時控制。國內(nèi)外焊接界的專家學者較早認識到模糊控制在焊接過程中有著廣闊的應用前景，積極將模糊控制用于焊逢跟蹤、焊接質(zhì)量及焊接電源設備的控制中。2 焊縫跟蹤的模糊控制焊縫的自動跟蹤，是通過傳感器獲取焊炬與焊縫中心的偏差信息，對這些信息處理后，采用不同的控制算法得到控制信號，驅(qū)動焊炬使其對中焊縫。為此，國內(nèi)外開發(fā)了機械、電弧和視覺等類型的傳感器。隨著傳感器和信號處理技術(shù)的進步，多傳感器信息融合將與弧焊機器人技術(shù)相結(jié)合，在焊縫自動跟蹤中得到廣泛應用。電弧傳感器的原理是從電弧電流和電壓的變化中獲得焊縫橫向與高低偏差信息，當焊炬與工件距離變化時，電流相應改變，以保持原有的熔化率。因此，電弧電流的變化反映了焊炬高度的變化，通過電弧振動掃描焊縫的坡口，從電流波形特性中可獲得焊炬橫向?qū)χ械男畔?。電弧電流與焊炬高度變化量之間是時變非線性的關(guān)系，其精確的數(shù)學模型較難建立。盡管國內(nèi)外學者研究了一些弧焊工藝的動靜態(tài)模型，但由于施焊現(xiàn)場存在強烈的電磁干擾等，這些模型的自適應和魯棒性受到限制。模糊控制具有很好的魯棒性和非線性映射能力，因此，適用于電弧傳感跟蹤控制。J.W.Kim等在CO2氣體保護焊中，研制了一套電弧傳感器，采用簡單模糊控制和自組織模糊控制方法進行焊縫跟蹤。試驗表明：自組織模糊控制器在偏差角度為10時，系統(tǒng)仍有很強的跟蹤能力。日本學者通過測量電弧電流(I)、電壓(U)和送絲速度(V)來計算坡口和焊炬之間的距離(H)，即H=F(I，U，V)來控制焊縫的跟蹤，模糊邏輯被用于這種電弧傳感器的跟蹤控制。S.Murakami等研究了弧焊機器人焊縫跟蹤的模糊控制，設計采用基于語言規(guī)則的模糊濾波器和模糊控制器。河海大學姚河清等研究了一種CO2氣保護焊焊槍高度控制系統(tǒng)，采用燃弧占空比電弧傳感器檢測焊槍高度，用模糊控制器對焊槍高度進行控制，控制系統(tǒng)選擇燃弧占空比的偏差e和偏差的變化ec作為模糊輸入變量，焊槍高度調(diào)節(jié)步進電機的輸出步數(shù)u作為模糊輸出值，試驗表明該系統(tǒng)具有良好的控制效果。天津大學胡繩蓀等進行了焊縫跟蹤系統(tǒng)中的自調(diào)整比例因子Fuzzy-P控制器的研究，利用非接觸超聲傳感，在理論分析和試驗的基礎上，確定焊縫跟蹤系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則，研制出焊縫跟蹤系統(tǒng)中的自調(diào)整比例因子Fuzzy-P控制器，并設計了控制器的硬件及軟件。實驗證明，該控制器提高了焊縫跟蹤系統(tǒng)的響應速度和跟蹤精度，可以滿足實際工程應用的需要。近年來，光學傳感器由于其信息量大、慣性小、非接觸性的特點，在國內(nèi)外已受到普遍重視。華南理工大學宋永倫等設計了一種用于焊縫跟蹤的自組織模糊控制器，并與CCD視覺傳感及圖象信息處理技術(shù)相配合，在TIG焊、平板對接條件下，獲得了比簡單模糊控制器更好的在線跟蹤效果，對焊縫軌跡的變化具有較好的自適應能力。其自組織部分具有三個功能：性能測量，控制量校正，控制規(guī)則的修正。天津大學王剛等研究了基于BP的機器人擺動焊接視覺跟蹤模糊控制，在建立機器人擺動焊接視覺跟蹤系統(tǒng)的基礎上，構(gòu)造了用于焊接糾偏的模糊控制系統(tǒng)，并提出利用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡來模擬模糊控制量之間的映射關(guān)系，從而實現(xiàn)了基于BP的機器人擺動焊接神經(jīng)網(wǎng)絡模糊控制。當前CCD視覺跟蹤系統(tǒng)的研究在國內(nèi)外都很活躍，它與弧焊機器人技術(shù)結(jié)合，代表著弧焊過程自動化和智能化的主要發(fā)展方向。在弧焊機器人運動中，各軸的慣性矩是時變的、強耦合、非線性的復雜系統(tǒng)。視覺傳感主要應解決的問題有：（1）CCD的小型化和實用化;（2）視覺信息快速有效的處理。小波變換技術(shù)在降噪、圖象處理等方面表現(xiàn)出卓越的性能，是當前國際上信號處理領域的研究熱點。3 弧焊電源的模糊控制弧焊電源的控制逐漸向智能化發(fā)展，電子控制弧焊逆變器為實現(xiàn)智能控制提供了可能性。天津大學趙舉東等提出自適應模糊控制方案對脈沖MIG/MAG焊接熔滴過渡進行在線實時控制，建立了以全數(shù)字控制IGBT逆變弧焊電源為核心的自適應模糊控制系統(tǒng)，對自適應模糊控制系統(tǒng)進行了設計和8098單片機程序控制。洛陽工學院朱錦洪等設計了一種以ADuC812微處理器為核心的新型電阻點焊裝置。華中理工大學朱六妹等采用模糊集合理論中的系統(tǒng)辨識技術(shù)建立了以焊接電弧模糊模型的8031單片機控制系統(tǒng)。甘肅工業(yè)大學李鶴岐等采用模糊邏輯設計埋弧焊的送絲系統(tǒng)，在焊接電流3001000A內(nèi)，焊接過程穩(wěn)定，控制系統(tǒng)的魯棒性強。西安交通大學王雅生等研制了一種以80C196KC數(shù)字單片機為核心器件，通過軟件方式實現(xiàn)CO2短路過渡焊電壓與電流自動形成最優(yōu)匹配的智能控制系統(tǒng)。日本T.Mita等采用模糊邏輯來自動設置CO2焊機的電壓。日本Panosonic公司已推出第二代機器人用智能型IGBT弧焊逆變器AAII-350、500。其中350A實現(xiàn)恒定焊縫寬度控制，500A實現(xiàn)恒定熔深控制。AAII能自動識別焊接電流改變時，焊絲伸長的變化量，利用模糊邏輯，建立焊縫寬度或熔深與合適的供絲速度和輸出電壓之間的關(guān)系，從而穩(wěn)定焊接質(zhì)量。為了提高模糊控制的響應速度，采用了16位的單片機。通過工藝實驗，對CO2焊短路過渡過程優(yōu)化組合出400萬種電流波形，作為模糊知識庫，保證輸出最佳焊接規(guī)范，實現(xiàn)高速、高質(zhì)量的焊接。 4 焊接質(zhì)量的模糊控制由于焊接過程存在物理化學冶金反應，并伴隨劇烈的傳熱傳質(zhì)過程，在強烈的弧光下，焊接質(zhì)量的實時檢測亦很困難。焊接工藝是一個大滯后、多輸入多輸出、本質(zhì)非線性的系統(tǒng)，焊接過程參數(shù)之間存在著不確定性，很難建立起對象的精確數(shù)學模型，采用常規(guī)PID控制方法，控制效果往往不理想。熟練的操作人員根據(jù)肉眼觀察得到的焊縫信息，歸納出焊接質(zhì)量變化的大或小等一些模糊語言變量，用手工調(diào)節(jié)焊接速度、電弧及熱量輸入等控制量可將焊接質(zhì)量精確地控制在要求范圍內(nèi)。模糊控制正是基于模糊語言變量提出來的，已經(jīng)證明模糊控制器是一個與模型無關(guān)的估計器，適用于這種場合。日本學者Shimakenji等將模糊邏輯用于脈沖MIG焊接的熔寬控制，建立了一套弧焊機器人的模糊專家系統(tǒng)；LangariG等采用自適應算法修正模糊子集的特征函數(shù)，用模糊子集來描述控制規(guī)則，每條規(guī)則的內(nèi)容隨焊接過程動態(tài)變化。根據(jù)輸出量的變化在線修正規(guī)則，來建立弧焊過程的自組織模糊控制系統(tǒng)；G.Startke在PC微機平臺上，采用模糊邏輯對弧焊機器人的焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化研究，工藝參數(shù)包括焊炬姿態(tài)、導電嘴到工件的距離、焊接速度、焊接電壓和電流、送絲速度。清華大學陳強系統(tǒng)地研究了弧焊過程的模糊控制。對單變量MIG焊的熔透控制，采用CCD傳感器提取熔池圖象信息，將焊工的操作經(jīng)驗總結(jié)成模糊控制規(guī)則，實驗研究表明MIG焊的模糊控制方法對散熱引起的熔寬變化作出了很好的響應。對于多變量CO2焊接的模糊控制也做了初步的研究，控制目標為：熔池寬度、冷卻時間、飛濺率、焊接效率。控制量為：電弧電流、短路電流、焊接速度。多變量系統(tǒng)的模糊控制較為復雜，設計時要借助于專家的經(jīng)驗，并通過試驗，不斷調(diào)整模糊規(guī)則，才能完善模糊控制系統(tǒng)。黃石生等研究了一種應用于GTAW焊接質(zhì)量控制中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡進行模糊推理的控制器，采用兩個BP網(wǎng)絡實現(xiàn)了參數(shù)自調(diào)整模糊與積分混合控制，采用對輸入進行“編碼”的方式，減少了BP網(wǎng)絡的訓練時間并增強了控制實時性，仿真試驗和工藝試驗都表明了該控制方法的合理性和有效性。華南理工大學將參數(shù)自調(diào)整模糊控制與PI控制結(jié)合，成功地用于GTAW焊的熔寬控制。張軍等將模糊技術(shù)用于焊接材料質(zhì)量信息的判讀。為了在線判讀弧焊焊接過程的質(zhì)量信息，開發(fā)了焊接電流、電弧電壓信號采集和分析系統(tǒng)。通過特征信息的分析，利用知識的支持分別完成焊接過程質(zhì)量各性能指標的評判。利用模糊綜合評判法得到多性能指標綜合考慮的質(zhì)量分析。5 結(jié) 論隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)以及信息和軟件技術(shù)迅速地引入焊接領域，焊接生產(chǎn)自動化、智能化已經(jīng)成為21世紀焊接技術(shù)發(fā)展的重要方向。采用最新的計算機視覺理論，開發(fā)焊接機器人視覺傳感與控制技術(shù)，研制能夠識別目標環(huán)境、實時精確跟蹤軌跡并調(diào)整焊接參數(shù)的智能焊接機器人已經(jīng)成為焊接領域的重要發(fā)展趨勢之一。采用傳統(tǒng)控制方法和智能控制方法相結(jié)合，在粗調(diào)時利用開關(guān)進行傳統(tǒng)的PID控制，在非線性、多耦合、沒有精確數(shù)學模型的場合運用智能控制。理論上已經(jīng)證明模糊控制可以任意精度逼近任何非線性函數(shù)，但受到當前技術(shù)水平的限制，模糊變量的分檔和模糊規(guī)則數(shù)都受到一定的限制，隸屬函數(shù)的確定還未有統(tǒng)一的理論指導，帶有一定的人為因素，因此，模糊控制的精度還有待提高。模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)出現(xiàn)融合的趨勢，展示了模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡和專家系統(tǒng)相輔相成優(yōu)勢互補的強大生命力。模糊邏輯和專家系統(tǒng)結(jié)合，可充分利用專家系統(tǒng)知識推理機制和知識抽取能力，模糊控制技術(shù)將成為21世紀的核心技術(shù)。攪拌磨擦焊接的應用一、概述 1991年英國焊接研究所（TWI）發(fā)明了攪拌磨擦焊（FSW），從此以后，基于這種固相連接技術(shù)的明顯優(yōu)越性，例如：優(yōu)良的接頭力學生能，不需要填充焊接材料，沒有焊接煙法和飛濺，很少的焊前準備和焊接變形等，在世界范圍內(nèi)的國際合和中開展了大量的研究和開發(fā)工作。另外，攪拌磨擦焊鋁合金材料都能焊接，如應用于航空、航天領域的2000系列、5000系列和7000系列高強鋁合金，也可以利用這種先進的焊接方法得到高質(zhì)量的連接。英國焊接研究所的Dave NICHOLAS訂為，攪拌磨擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生革命性的進步。 2002年4月，北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所（TWI）關(guān)于攪拌磨擦焊專利技術(shù)正式簽約，并且取得了攪拌磨擦焊專利技術(shù)的獨占性二級許可授予權(quán)，為中國市場開啟了攪拌磨擦焊技術(shù)的研究、開發(fā)以及大規(guī)模工業(yè)化應用之門。 二、鋁合金攪拌磨擦焊的應用現(xiàn)狀 攪拌磨擦焊技術(shù)擁有諸多獨特的優(yōu)點，對于輕合金材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接在焊接方法、力學性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性。攪拌磨擦焊是一種固相連接方法，焊縫接頭具有優(yōu)良的力學性能和小的焊接變形，焊接過程中不需要添加保護氣和焊絲，沒有熔化、煙塵、飛濺及弧光，是一種環(huán)保型的新型連接技術(shù)。實際情況也的確如此，在FSW技術(shù)問世后的短短幾年內(nèi)，在焊接機理、適用材料、焊接設備以及工程化應用方面均取得了很大的進展。攪拌磨擦焊技術(shù)最初主要用于解決鋁合金、鎂合金及鋅合金等材料的焊接。關(guān)于攪拌磨擦焊工藝的特點和應用等，英國焊接研究所進行了較多的研究，關(guān)于1993年、1995年申請了世界范圍內(nèi)的專利保護。目前，該所主要是與航空、航天、船舶、高速列車及汽車等焊接設備制造廠和國際性的大公司聯(lián)合，以團體贊助或合作的形式（TWI的GSP項目）研究、開發(fā)攪拌磨擦焊技術(shù)，不斷擴大其應用范圍。 目前由工業(yè)企業(yè)贊助的研究項目包括：大厚度鋁合金的攪拌磨擦焊、鋼的攪拌磨擦焊、鈦合金的攪拌磨擦焊、汽車輕型構(gòu)件的攪拌磨擦焊等。美國的愛迪生焊接研究所（EWI）與TWI密切協(xié)作，也在進行FSW工藝的研究。美國的洛克希德。馬丁航空航天公司、馬歇樂航天飛行中心、美國海軍研究年、Dartmuth大學、德國的Stuttgart大學、澳大利亞的Adelaide大學及澳大利亞焊接研究所等都有從不同的角度對攪拌磨擦焊進行了專門研究。 1.鋁合金攪拌磨擦焊在航空航天領域中的應用 隨著攪拌磨擦焊的研究進一步走向深入，攪拌磨擦焊設備也逐漸從試驗室走向商用。TWI應用此技術(shù)為波音公司生產(chǎn)了3個2000系列鋁合金航天飛機燃料箱；美國洛克希德。馬丁公司、波音-麥道公司、洛克韋樂集團、愛迪生焊接研究所等多家機構(gòu)目前正在致力于攪拌磨擦焊接的研究、應用評估和開發(fā)。在航空航天領域適于用FSW技術(shù)焊接的結(jié)構(gòu)包括：軍用或民用飛機的蒙皮、航天器中的低溫燃料箱，航空器油箱、軍用機的副油箱、軍用或科技探測火箭等；美國洛克希德。馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接了航天飛機外部儲存液態(tài)氧的低溫容器；在馬歇樂航天飛行中心，也已用該技術(shù)焊接了大型圓筒形容器。 Boeing公司投資幾百萬美元，制造了用于Delta運載火箭的大型低溫燃料容器的大型專用攪拌磨擦焊機，BAE空中客車公司正在對FSW技術(shù)進行方法、性能和可行性驗證，目的是用來生產(chǎn)中型和大型商用客機，所采用的攪拌磨擦焊機由地處合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，據(jù)說是歐洲功率最大的焊機。美國ECLIPSE（月蝕）航空公司將利用FSW來制造一架10.86m長、翼展11.88m的中型飛機，圖1就是美國ECLIPSE公司耗資3億美元研制成功的E500型新型節(jié)能小型噴氣高務飛機。公司估計，采用FSW可以將機身壁板上的加強肋、框架的裝配時間減少80%，使飛機成本降低為83.7萬美元。此飛機的主要結(jié)構(gòu)件、蒙皮等全部采用國際上最新的連接技術(shù)攪拌磨擦焊技術(shù)制造，客機的機身基本上全部利用攪拌磨擦焊制造，其中包括飛機蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等。 攪拌磨擦焊的應用主要用來提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，會對航空結(jié)構(gòu)件的攪拌磨擦焊工藝是由TWI與美國ALCOA公司聯(lián)合進行試驗開發(fā)，然后應用于ECLIPSE500型飛機結(jié)構(gòu)件的焊接。公司在2000年9月通過了飛機安全委員會的初步設計評估和認證，2001年6月確定攪拌磨擦焊的飛機制造中的可行性，2001年開始制造攪拌磨擦焊飛機結(jié)構(gòu)件，2002年6月首飛，并在6月29日7月1日向公眾展示了這種新型飛機的目前已經(jīng)有上百家客戶爭相訂購這種新型的謙價、切能的商務飛機。 2.鋁合金攪拌摩擦焊在船舶制造領域中的應用 目前，基于攪拌摩擦焊在焊接方法、力學性能、制造成本以及環(huán)境等方面的巨大優(yōu)越性和潛在的工業(yè)應用前景，在船舶制造領域里，攪拌摩擦焊得到了深入細致的研究和開發(fā)。船舶制造不僅要求速度的增加，而且要求單位價格載荷性能的提高，所以艦艇制造要盡可能的鋁合金材料來降低船舶重量。但鋁合金材料的傳統(tǒng)連接方法為鉚釘連接和弧焊連接，鉚接增加了制造時間、人力和物料的使用量，而鋁合金熔焊時容易產(chǎn)生變形、缺陷及煙塵等，也限制了弧焊在鋁合金構(gòu)件上的使用，所以隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，用攪拌摩擦焊來實現(xiàn)高集成度的預成型模塊化制造來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的船舶來板-加強件結(jié)構(gòu)的制造，是船舶制造技術(shù)發(fā)展的必然和革命性的進步。 攪拌摩擦焊在船舶輕合金預成形結(jié)構(gòu)件上的應用，在外觀、重量、性能、成本以及制造時間上具有明顯的優(yōu)越性，不僅可以用于船舶輕合金結(jié)構(gòu)件的制造，還可以用于現(xiàn)場裝配，為現(xiàn)代船舶制造提供了新的連接方法通知攪拌摩擦焊代替熔焊實現(xiàn)輕合金結(jié)構(gòu)件的制造，是