welcome to www.chinaweld.com.cn   [英文版]
 
焊接工艺
   您现在的位置是:中国焊接网
 
焊接过程控制
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:7/16/2007 阅读:11620

 

 

 

焊 接 过 程 控 制

 

 

焊接过程控制一直是焊接领域的研究热点,焊接过程控制水平的提升是焊接技术发展的关键要素之一。

近代焊接过程控制

自从19世纪出现真正的焊接技术,最早的焊接过程控制也随之而来。这种控制是由铁匠简单地用手工来完成的,其通过感觉器官来获取焊接过程中火焰及焊缝信息,从而进行控制。这种焊接过程控制方法一直为现在的焊接工人所沿用。

现代焊接过程控制

随着科技的发展,各种电子产品的不断升级,焊接过程的控制开始由人工控制升级到半人工控制、焊接过程自动控制。

ù 用于焊接过程控制的传感器

焊接过程控制的传感器主要有:声学传感器、电弧传感器、光学传感器。

●声学传感器

20世纪70年代,Kaskinen等用声学传感器控制GTAW的弧长;Lewis等用声学信号监视激光焊时等离子体的生成情况,并根据等离子体与熔深的关系判断焊缝的熔透情况;M C John则进一步利用上述方法实现了对激光焊的实时检测。

●电弧传感器

20世纪80年代,J W Kim等利用电弧电压对焊炬的高度进行了控制;哈尔滨工业大学的杨春利等利用熔池谐振信号作为熔透信息进行熔透控制;清华大学的潘际銮等利用旋转电弧传感器获取焊接过程姿态信息对焊炬姿态进行控制;JohnsonCMAW中用电弧电压传感器探测熔滴在焊丝端部的粘着时间,分辨出了大滴过渡、喷射过渡和射流过渡3种方式,并观察到了单个熔滴的分离情况;Rewick施加正弦振荡电压对电弧进行干扰,在给定平均电流的情况下测量电弧的电阻增量。

●光学传感器

A C Guu等人采用X射线检测出熔池表面的下塌量,并建立了熔池表面下塌量与熔深的关系以及熔池表面下塌量与焊接电流的关系。红外传感用于焊接,可以追溯到20世纪80年代的熔化自动焊红外温度传感系统,哈尔滨工业大学焊接教研室的吴林、陈定华等利用红外测温的原理,应用计算机图像法,将红外摄像系统、伪着色处理系统与计算机连接,研制成红外摄像机伪着色系统,实现了实时检测TIG焊未熔透情况下的背面温度场检测。

1991年,哈尔滨工业大学焊接教研室的李严等人使用PSD二维位置传感器和激光扫描器组成的焊缝跟踪传感器,可以对焊缝的几何形状、空间位置和尺寸进行检测;R J Beattie等人为了实现弧焊机器人多道焊时的焊缝自动跟踪,专门设计了双激光二极管的视觉传感器;牛津大学的C G Morgan等人为了减少弧焊机器人焊接时的位置偏差,设计了焊枪-视觉传感器一体式的视觉弧焊机器人引导系统;哈尔滨工业大学焊接教研室的张裕明等人采用National V-260电视摄像机和可调Nd:YAG激光器,利用光截断方式设计了结构光三维视觉传感器,检测了熔池正面的下塌量;N R Corby以激光为辅助光源,在CCD摄像机视场内产生4条光纹,根据每条结构光纹在摄像机视场内的形状,提取出焊接中心线的位置和焊接接头间隙等信息。美国肯塔基大学的R Kovacevic和张裕明等人专门设计了1套强脉冲激光栅格状多结构光条纹和高电子快门摄像机组成的视觉检测系统,发现熔池尾部包含有丰富的熔透信息。

R W RichardsonD A Gutow研制了熔池同轴观测试验系统;R NiepoldBruemmer采用窄带滤光片设计观测窗口,获取熔池的多个几何参数;李鹤歧等人利用带有CCD摄像机的计算机控制系统对脉冲MIG/MAG焊焊接熔池行为进行了观测;清华大学机械工程系的王克等人采用CCD摄像机,通过周期性地减少焊接电流,排除电弧光的干扰,摄取到MIG焊焊接熔池的图像,利用计算机进行图像处理,撮熔宽作为控制量,从而控制焊接熔深;R Niepold等人则利用MIG/MAG焊短路过渡时电弧几乎熄灭的瞬间拍摄熔池区图像;刘玉池等人利用TIG脉冲焊基值期间成功获取了熔池图像,并对2mm厚低碳钢板脉冲TIG焊熔宽进行了实时检测和控制;山东大学的高进强根据焊接电源的大小实时调节图像采集时的亮度,减少了连续电流TIG焊时的弧光干扰,检测出了清晰的熔池图像;哈尔滨工业大学的娄亚军将降低焊接电流和选择观测窗口的窄带滤光方法结合,研制了熔池正反面视觉图像同时同幅传感系统;上海交通大学的陈善本等人利用不同的观测角度和滤光片的结合制作了双目视觉系统,用于检测熔池信息。

ù 用于焊接过程控制的控制方法

PID控制方法

在早期的焊接过程控制中,对于系统的精度要求不高,主要采用比例调节方法。随着传感器精度的逐步提高,在20世纪80年代,焊接过程控制领域引入了PIDProportional Integral Differential)、自适应PID控制等调节方法以提高系统的性能。1990年,日本的N Nayak等人采用控制方法设计了自适应、实时和智能焊缝跟踪控制器ARTIST,该系统能够对未知的三维焊缝采用电弧传感的方式进行识别和跟踪。

●模糊控制方法

20世纪80年代,国内外开始研究模糊控制在焊接中的应用,并取得了较好的成果。在20世纪80年代后期逐渐有人将PID控制与模糊控制相结合,至今有很多的焊接控制仍然用这种方法。1985年,保加利亚的D Lakov提出用模糊模型描述弧焊过程的不确定性过程,借助于配置的非接触式的激光传感器,采用模糊集概念可以对示教机器人的运动进行在线评估、预测和控制;1989年,日本学者S Murakami等人通过测量焊接电流(I)、电弧电压(U)和送丝速度(υ)来计算坡口和焊炬之间的距离(H),即HF(IU,υ)来控制焊缝的跟踪,模糊逻辑被用于这种电弧传感器的跟踪控制。

此外,J W Kim 等在CO2气体保护焊中,研制了1套电弧传感器,采用简单模糊控制和自组织模糊控制方法进行焊缝跟踪;S Murakami等研究了弧焊机器人焊缝跟踪的模糊控制,设计采用基于语言规则的模糊滤波器和模糊控制器;河海大学的姚河清等研究了一种CO2气焊焊枪高度控制系统,采用燃弧占空比电弧传感器检测焊枪高度,用模糊控制器对焊枪高度进行控制,控制系统选择燃弧占空比的偏差e和偏差的变化ec作为模糊输入变量,焊枪高度调节步进电机的输出步数u作为模糊输出值,试验表明,该系统具有良好的控制效果;天津大学的胡绳荪等进行了焊缝跟踪系统中的自调整比例因子Fuzzy-P控制器的研究,利用非接触超声传感,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Fuzzy-P控制器,并设计了控制器的硬件及软件。试验证明,该控制器提高了焊缝跟踪系统的响应速度和跟踪精度,可以满足实际工程应用的需要;日本学者Shimakenji等将模糊逻辑用于脉冲MIG焊的熔宽控制,建立了1套弧焊机器人的模糊专家系统;Langari G等采用自适应算法修正模糊子集的特征函数,用模糊子集来描述控制规则,每条规则的内容随焊接过程动态变化。根据输出量的变化在线修正规则,来建立弧焊过程的自组织模糊控制系统;G Startke PC微机平台上,采用模糊逻辑对弧焊机器人的焊接工艺参数进行优化研究,工艺参数包括焊炬姿态、导电嘴到工件的距离、焊接速度、电弧电压和焊接电流、送丝速度;清华大学的陈强系统地研究了弧焊过程的模糊控制。

●人工神经网络建模

20世纪90年代开始,人工神经网络对于焊接过程的建模开始被应用到焊接过程控制中。目前应用最为广泛的神经网络模型有BP网络,Hopfield网络,ART网络及CRAC网络。其中BP神经网络理论比较成熟,应用也最广泛,具有算法简单、结构明了的优点,并已证明了3层以上网络具有对任意函数的逼近能力,具有很强的鲁棒性,在焊接领域中应用较多。

1994年,日本的Y Suga等人将神经网络运用到焊缝跟踪控制中,能很好地跟踪焊缝;同期J KarelS Riko 进行了一种神经网络型跟踪控制,设计了机器人关节空间和笛卡尔空间2种神经风格控制器,通过在一个两关节的SCARA机器人上的试验表明,神经网络型控制器的路径跟踪精度比传统的机器人计算力矩控制法高得多,并用李亚普诺夫原理证明了神经网络控制器的稳定性。1995年,H B Smartt将人工神经网络和模糊控制技术同时应用于焊缝跟踪的控制,通过激光飞点测量焊炬和焊缝的位置与方向偏差,应用模糊控制概念,实现焊炬的位置控制。

此外,韩国的T G Lim等人采用ANN建立了TIG焊熔池尺寸佑测系统;华南理工大学的黄石生等人对熔透情况下2mm低碳钢无间隙GTAW焊接过程进行了静态建模和动态建模,2种模型均采用了BP网络;娄亚军建立了脉冲CTAW平板对接过程单变量自学习神经网络控制器,该控制器由A-H8层网络构成;天津大学的王刚等研究了基于BP的机器人摆动焊接视觉跟踪模糊控制,在建立机器人摆动焊接视觉跟踪系统的基础上,构造了用于焊接纠偏的模糊控制系统,并提出利用3BP神经网络来模拟模糊控制量之间的映射关系,从而实现了基于BP的机器人摆动焊接神经网络模糊控制。

未来焊接过程控制的发展趋势

随着焊接技术的发展,智能机器人的不断应用,未来焊接过程控制的发展趋势是:不在人的直接参与下,由焊接机器人自主完成预期焊缝焊接过程的控制。

 
 
打印本页 | 关闭窗口
把中国焊接网作为我的首页    把中国焊接网放入收藏    和中国焊接网联系
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
地址:大连市甘井子区东纬路472-2号1单元1层6号公建
电话: 0411-86851981 86851956
传真:0411-86851835 技术支持:中易互联
辽ICP备05012178号