焊接機(jī)器人電弧長(zhǎng)度控制建模仿真與算法研究
2017-3-30 來(lái)源： 深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院 作者：杜建銘，陳禮安，麥焯偉
摘要: 在闡述弧焊機(jī)器人焊接工藝的電弧特性的基礎(chǔ)上，分析了電弧長(zhǎng)度控制系統(tǒng)的原理，采用模塊化建模思想建立弧焊機(jī)器人電弧控制系統(tǒng)模型。基于所建模型進(jìn)行了焊接機(jī)器人恒壓、恒流送絲模型集成、仿真與分析，通過(guò)對(duì)比普通PID 控制算法和增益調(diào)整型模糊 PID 控制算法在弧焊機(jī)器人弧長(zhǎng)控制中的效果的基礎(chǔ)上，提出了一種有效的焊接機(jī)器人恒壓、恒流送絲的控制算法。所建模型和弧長(zhǎng)控制算法的研究對(duì)于弧焊機(jī)器人熔池深度智能化過(guò)程控制的進(jìn)一步深入研究具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞: 機(jī)器人; 弧長(zhǎng)控制; PID 控制; 模糊控制
1.弧焊電弧特性分析
電弧電壓是指在焊接回路中焊槍導(dǎo)電嘴與焊接工件之間的電壓。在正常工作范圍內(nèi)，熔化極氣體保護(hù)焊的自由過(guò)渡和短路過(guò)渡形式下平均電流與平均電壓呈線性關(guān)系。當(dāng)電弧長(zhǎng)度一定時(shí)，電弧電壓與焊接電流呈線性關(guān)系。電流和電壓之間的關(guān)系可以通過(guò)式( 1) 來(lái)表示［4］:
變化。可知電弧燃燒過(guò)程中電弧電壓與焊接電流成正比，與電弧長(zhǎng)度成正比。
2. 弧焊機(jī)器人弧長(zhǎng)控制模型建立與仿真
對(duì)于具有焊縫跟蹤功能的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，焊縫掃描模塊、焊接電源模塊以及電弧模塊組成了電弧控制系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。根據(jù)模塊化劃分原則，弧焊機(jī)器人電弧控制系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃?3 個(gè)模塊: 坡口掃描模塊、電弧過(guò)渡模塊及電源模塊，可通過(guò)系統(tǒng)集成得到弧長(zhǎng)控制整體模型。
坡口是以保證工件的焊縫厚度為目的，焊接前在工件的焊接部位采用機(jī)加工等方法加工的溝槽。坡口掃描建模的目的是建立焊炬與焊接件焊接區(qū)域坡口表面高度隨時(shí)間變化關(guān)系式，本文作者選擇比較典型的V 型坡口旋轉(zhuǎn)掃描方式進(jìn)行坡口掃描模塊建模。如圖1 所示安裝在焊炬前方的測(cè)距傳感器隨焊炬和電弧旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人控制系統(tǒng)通過(guò)傳感器得到垂直距旋轉(zhuǎn)周期的積分信號(hào)辨析焊縫偏差方向和距離來(lái)控制焊炬的位置。
圖 1 V 型坡口掃描原理示意圖
圖 2 邊界條件示意圖
因此，根據(jù)上述分析，可知坡口掃描模塊數(shù)學(xué)模型為:
焊接電弧建模的目的是為了建立電弧長(zhǎng)度 La在焊炬高度 h 變化的情況下，隨時(shí)間 t 的變化規(guī)律。文中選取熔化極氣體保護(hù)焊的典型的過(guò)渡方式之一的射流過(guò)渡為 研 究 進(jìn) 行 焊 接 電 弧 建 模。在 進(jìn) 行 焊縫掃描 時(shí)，當(dāng)炬相對(duì)坡口表面高度h變化時(shí)，導(dǎo)致電弧長(zhǎng)度 La也跟著變化。由于傳統(tǒng)弧焊機(jī)器人焊接采用的是平特性恒壓電源，電弧長(zhǎng)度變化勢(shì)必會(huì)帶來(lái)焊接電流的變化，焊接中焊絲 的熔化速度不再等于送絲速度。這種情況下焊炬相對(duì)高度 h、熔化速度 vm、送絲速度 vf之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系滿足:
如圖 3 的等效電路，由一個(gè)包括電壓源、電阻以及電感組成的電路與焊接工件形成回路，通過(guò) 電 弧放電。
圖 3 電源等效電路
設(shè)電源輸出電壓為系統(tǒng)的輸入量，輸出電流作為輸出量，齊鉑金等［23］通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試擬合的傳遞函數(shù)如式 ( 14) 所示，其中 K 為增益系數(shù)，T1和 T2為時(shí)間常數(shù)。
3. 弧焊機(jī)器人弧長(zhǎng)控制算法研究
送絲電機(jī)的速度調(diào)節(jié)是弧焊機(jī)器人恒電流變速送絲弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，控制效果的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)的性能。針對(duì)焊接過(guò)程中電弧長(zhǎng)度波動(dòng)的現(xiàn)象，并結(jié)合焊接過(guò)程的特殊性，分別對(duì) PID 算法和增益調(diào)整型模糊 PID 算法不同控制參數(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，建立使系統(tǒng)達(dá)到較佳控制效果的控制策略，有效降低電弧長(zhǎng)度波動(dòng)范圍。
如圖 4 所示，根據(jù) PID 控制器工作原理，設(shè)計(jì)PID 控制器。其中兩個(gè)輸入量分別為弧長(zhǎng)初始設(shè)定值La0以及弧長(zhǎng)實(shí)時(shí)反饋值 La( s) ，弧長(zhǎng)設(shè)定值與實(shí)際值作比較后得到偏差值 e( t) ，控制器分別對(duì)偏差值進(jìn)行比例、積分和微分處理后進(jìn)行相加，為了防止控制信號(hào)過(guò)大，在控制器輸出前加入限幅模塊，最終輸出電機(jī)的控制信號(hào) Vf( s) 。
圖 4 PID 控制器子模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)式 ( 13) 可得，弧長(zhǎng)變化由三部分因素組成。分別是: 左邊第一項(xiàng)為焊炬離工件高度的變化，第二項(xiàng)為變速送絲導(dǎo)致的干伸長(zhǎng)變化而引起的焊絲熔化速度變化，以及第三項(xiàng)為對(duì)送絲速度積分而補(bǔ)償弧長(zhǎng)的變化。為此，在 Matlab/Simulink 中利用坡口掃描子模型和集成建立如圖 5 所示弧焊機(jī)器人恒電流－變速送絲 PID 弧長(zhǎng)控制模型。
圖 5 弧焊機(jī)器人 PID 弧長(zhǎng)控制模型
控制模型的主要參數(shù)包括: La0、Kp、Ki、Kd。其中 La0為設(shè)定初始弧長(zhǎng)，Kp、Ki和 Kd均為 PID 控制器相應(yīng)的控制參數(shù)。現(xiàn)取初始設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)弧長(zhǎng)的值 La0=7，現(xiàn)利用該 PID 弧長(zhǎng)控制仿真模型進(jìn)行不同控制參數(shù) ( 比例、積分、微分) 在弧長(zhǎng)控制中的控制效果，分別進(jìn)行如下 4 組參數(shù)的仿真可得到弧長(zhǎng)度的變化規(guī)律曲線 ( 見(jiàn)圖 6) 。從以上仿真結(jié)果以及大量并未在文中陳列的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論，PID 控制器中的 3 個(gè)參數(shù)對(duì)電弧長(zhǎng)度的控制效果產(chǎn)生很大的影響，不同的控制參數(shù)組合會(huì)影響系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定波動(dòng)范圍的時(shí)間以及電弧長(zhǎng)度的波動(dòng)幅度。
例如使用第一組參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的振蕩比較劇烈，且系統(tǒng)進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間比較長(zhǎng); 而使用第二組參數(shù)時(shí)，電弧長(zhǎng)度的波動(dòng)范圍比其它三組都要大，控制效果較差; 第三組和第四組參數(shù)的弧長(zhǎng)波動(dòng)幅度相對(duì)前面兩組較小，但是第四組比第三組使系統(tǒng)更快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。因此，對(duì) PID 參數(shù)的整定對(duì)整個(gè)恒電流變速送絲系統(tǒng)的弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)起到及其重要的效果。
焊接過(guò)程中，電弧參數(shù)受到熔滴過(guò)渡等多種因素影響，電弧信號(hào)本身產(chǎn)生劇烈的變化，而且還受到不同程度的干擾信號(hào)。在焊接的不同階段和弧長(zhǎng)的不同誤差工況，所需要的 PID 參數(shù)也將會(huì)有所區(qū)別。針對(duì)單一 PID 控制參數(shù)在電弧長(zhǎng)度控制中效果不是十分理想的情況，結(jié)合焊接工藝的深入分析，進(jìn)一步改進(jìn)控制算法。在上述的工作基礎(chǔ)上，將模糊控制與 PID控制相結(jié)合，利用模糊控制器進(jìn)行 PID 控制參數(shù)的在線自調(diào)整。
圖 6 PID 控制算法仿真結(jié)果
經(jīng)過(guò)綜合考慮，結(jié)合焊接過(guò)程的時(shí)變性，熔滴過(guò)渡使得電弧長(zhǎng)度存在不同程度的瞬變，文中采用基于誤差驅(qū)動(dòng)的增益調(diào)整型模糊 PID 控制策略作為弧焊機(jī)器人電弧長(zhǎng)度控制算法，其組合結(jié)構(gòu)框圖如圖 7 所示。控制器主要由模糊控制器和 PID 控制器兩部分以并聯(lián)方式組成。其中 PID 控制中采用傳統(tǒng)的 PID控制器，其控制參數(shù) ( 比例系數(shù) Kp0、積分系數(shù) Ki0和微分系數(shù) Kd0) 為通過(guò)大量調(diào)節(jié)后所選取的控制效果較優(yōu) PID 控制參數(shù)。模糊控制根據(jù)弧長(zhǎng)實(shí)際變化情況對(duì) PID 控制器做適當(dāng)參數(shù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行在線調(diào)整控制參數(shù)。具體設(shè)計(jì)方法如下:
圖 7 增益調(diào)整型模糊 PID 控制框圖
在 Simulink 中建立如圖 8 所示的增益調(diào)整型模糊PID 弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)模型，并把建立的模糊推理模型輸出 Matlab 工作環(huán)境中供仿真模型調(diào)用。增益調(diào)整型模糊 PID 弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖 9 所示，其中左圖為仿真完整曲線，右圖為局部放大曲線。從仿真結(jié)果可以看出，雖然從整體來(lái)看弧長(zhǎng)波動(dòng)的幅度改善不明顯; 但是在局部區(qū)域，例如每個(gè)旋轉(zhuǎn)掃描周期的第二個(gè)波峰偏差量一定程度的改善。
圖 8 增益調(diào)整型模糊 PID 弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)模型
圖 9 增益調(diào)整型模糊 PID 弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果
4.總結(jié)
建立弧焊機(jī)器人平特性恒壓電源－恒速送絲焊接弧長(zhǎng)控制模型和陡降特性恒流電源變速送絲弧長(zhǎng)控制模型，并在 Matlab/Simulink 中搭建了仿真模型，對(duì)兩種不同的焊接過(guò)程參數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了仿真研究;提出了弧焊機(jī)器人電弧長(zhǎng)度閉環(huán)控制方案，利用所建立的仿真模型進(jìn)行了傳統(tǒng) PID 控制和基于誤差驅(qū)動(dòng)的增益調(diào)整型模糊 PID 控制算法的仿真研究。所建模型和弧長(zhǎng)控制算法的研究對(duì)于弧焊機(jī)器人熔池深度智能化過(guò)程控制的進(jìn)一步深入研究具有一定的參考價(jià)值。
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