基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统及方法，模糊控制系统包括焊机系统、熔池温度测量系统及模糊控制器，其中焊机系统包括等离子焊枪和焊接电源；熔池温度测量系统包括电子盒和至少四个红外测温仪，所述各红外测温仪与等离子焊枪以相同速度运动，采集的数据通过电子盒与模糊控制器相连；模糊控制器输出端连接等离子焊机，调节其焊接电流。本发明采用模糊控制方法控制焊接电源，避免了由于焊接过程是一个非线性过程，在自动控制中不易建立数学模型的缺点，因此性能稳定，效率高，功耗小；能够实时的调整等离子弧焊机的焊接参数，使焊缝成型美观，提高了焊接质量，降低了功耗，提高了焊接效率。

说明书

技术领域

本发明属于等离子弧焊接质量控制技术领域，特别是涉及一种基于熔池温 度测量的等离子弧焊接模糊控制系统及方法。

背景技术

等离子弧是一种高能量密度的压缩电弧，是现代发展起来的一种高温新热 源。由于等离子弧的弧柱被压缩，使得气体达到高度的电离，而产生很高的温 度，又使得能量集中于一个很小的柱体，因此可以用它作为各种用途的高温热 源。如用于切割，可调节“刚性弧”，以产生大的冲击力；如用于焊接，可减少 气流，改成“柔性弧”，用以减少冲击力。等离子焊接具有焊接速度快，生产效 率高，热影响区小，质量好等特点。这是等离子弧焊的主要特点，也是能够得 到广泛应用的主要原因。由于等离子焊接具有热能集中、焊缝深/宽比大，以及 电弧和熔池稳定等特点，与其它高能束流焊接方法相比，具有设备简单、成本 低以及加工效率高的优势。在汽车、造船、航空航天工业中均已得到了成功的 应用。因此对其进行研究有较好的实际意义。

焊接熔池温度场实时检测一直未能解决，这主要是熔池温度场检测本身就 十分困难，它存在对检测距离、目标材料发射率等依赖性比较大的问题，而焊 接过程中热过程的瞬时性、局部性、热源运动及熔池液体金属激烈运动等使得 焊接熔池温度场检测更加困难。目前焊接过程的研究已从宏观过程控制深入到 焊接微观质量控制中，同焊接宏观质量控制一样，微观质量控制的主要困难是 获得表征这些微观质量的传感技术。焊接熔池温度场的分布，决定了焊接的热 循环，在材料成分一定的情况下也决定了焊接微观组织及其变化，决定了焊缝 及其热影响区的宏观性能，因此焊接熔池温度场能够比较全面和深入反映焊接 质量，它的实时检测及热循环参数的提取对实现焊接微观质量控制具有重要的 意义。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于熔池温度测量的等 离子弧焊接模糊控制系统及方法，它能够对熔池温度场进行实时监测的温度测 量，从实时检测的熔池温度场中可以获得焊接区域任意一点的热循环参数，为 焊接微观质量控制提供了基础。控制系统具有良好的响应性能和抗干扰性能， 可以在焊件厚度、焊接速度、工件缝隙等变化时仍可获得全熔透比较均匀的背 面焊缝宽度。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明一种基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统，包括焊机系 统、熔池温度测量系统及模糊控制器，其中焊机系统包括等离子焊枪和焊接电 源；熔池温度测量系统包括电子盒和至少四个红外测温仪，所述各红外测温仪 与等离子焊枪以相同速度运动，采集的数据通过电子盒与模糊控制器相连；模 糊控制器输出端连接等离子焊机，调节其焊接电流。

进一步地，所述熔池温度测量系统的各红外测温仪与等离子焊枪安装于同 一个法兰盘上，各测温仪均匀布置于法兰盘的内圈，其测温仪圆心连接后形成 一个正多边形，其顶点处分别设置红外测温仪，焊枪中心位于所构成的正多边 形外切圆圆心处。

进一步地，所述模糊控制器是一个双输入、单输出的模糊控制器。

进一步地，所述的模糊控制器包括采样转换电路、计算机、单片机、LED输 出显示器以及模拟开关，计算机通过采样转换电路连接单片机，单片机分别连 接LED输出显示器和模拟开关，通过单片机输出值控制模拟开关，所述模拟开 关的每路输出分别串联一个不同阻值的电阻，其输出端连接焊机，通过模拟开 关的不同组合实现串联在电路中的电阻阻值发生变化，实现调压。

进一步地，所述电阻为电位器。

本发明基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统的控制方法，包括 如下步骤：

(1)初始化系统，焊接电源通电，红外测温仪通电预热，焊枪摆放至焊接 初始位置；通过操作人机交互平台，输入焊接工件模型；

(2)根据焊接工件情况，调整好焊接频率F、焊接电流I、占空比T_on、上 升时间T₁和下降时间T₂；

(3)选取并设定好参数后，开始焊接，红外测温仪实时对熔池温度进行采 样，然后将采样数据传输至计算机，通过计算机对采集到的数据进行处理，得 到熔池温度的测量值，并计算与设定值的偏差E以及偏差变化率δE，然后依据 E和δE的变化，根据控制规则对焊机电流进行控制；其中E是第k次采样时实 际熔池温度与设定值之间的偏差。

7、根据权利要求6所述的基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统 的控制方法，其特征在于：所述第(3)步中控制规则为：首先将输入变量E和 δE模糊化为离散模糊变量E′和δE′，再根据模糊规则进行推理，决策出本次控 制量ΔU′；最后将ΔU′反模糊化，得到控制对象的控制增量ΔU。

本发明的有益效果：

本发明从工件正面测量熔池温度；经过数据处理，获得熔池的温度场分布 情况；根据建立起的模糊控制规则，在线调整等离子焊机电源的焊接电流，主 动的控制等离子弧的热-力作用；实现等离子弧焊接质量的自动控制。

本发明在系统过热、电压不足或空载时，系统能够发出停机信号。

本发明采用模糊控制方法控制焊接电源，避免了由于焊接过程是一个非线 性过程，在自动控制中不易建立数学模型的缺点，因此性能稳定，效率高，功 耗小；本发明采用单片机控制焊接电流，省去了大量的模拟电路，结构简单， 可以设定焊接参数并且监控电源工作。

附图说明

图1是本发明模糊控制系统框图。

图2是本发明单片机控制系统。

图3是本发明焊接系统流程图。

图4是本发明焊枪与测温仪安装示意图。

图5是本发明E清晰值的模糊化示意图。

图6是本发明δE清晰值的模糊化示意图。

图7是本发明△U清晰值的模糊化示意图。

图8是本发明经近似推理输出的模糊子集。

图9是本发明焊接试验的焊接电流及熔池温度曲线。

图中：1.法兰盘，2.焊机，3.红外测温仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。

实施例：如图1所示，本发明模糊控制系统包括焊机系统、熔池温度测量 系统及模糊控制器，其中焊机系统为现有结构，包括等离子焊枪和焊接电源， 焊接电源上连接有水冷箱；熔池温度测量系统包括电子盒和至少四个CT XL 3MH 激光加工专用红外测温仪和电子盒，本例选择四个红外测温仪，所述各红外测 温仪与等离子焊枪以相同速度运动，采集的数据通过电子盒与模糊控制器相连； 模糊控制器输出端连接等离子焊机，调节其焊接电流。

如图4所示，所述熔池温度测量系统的各红外测温仪与等离子焊枪安装于 同一个法兰盘上，各测温仪均匀布置于法兰盘的内圈，其各圆心连接后形成一 个正方形，其四个顶点处分别设置红外测温仪，焊枪中心位于所形成的正方形 对角线交点处。

如图2所示，所述的模糊控制器包括采样转换电路、计算机、单片机、LED 输出显示器以及模拟开关，计算机通过采样转换电路连接单片机，单片机分别 连接LED输出显示器和模拟开关，通过单片机输出值控制模拟开关，所述模拟 开关为3个，其输出为8路，所述模拟开关的每路输出分别串联一个不同阻值 的电阻，其输出端连接焊机，通过模拟开关的不同组合实现串联在电路中的电 阻阻值发生变化，8个电阻可以组合出256种值，从而实现电压调节功能。

串联的电阻也可以用电位器代替，输出电流是可变的量程，方便调节。

如图3所示，本发明的模糊控制方法，首先对系统进行初始化，再在人机 交互平台中输入焊接参数及控制参数，然后对温度数据进行处理，根据温度数 据的处理结果调整焊接参数，最后进行加工并对加工过程进行监控。

具体步骤如下：

(1)初始化系统，如图2所示，首先通过操作控制平台给焊接电源通电， 红外测温仪通电预热，焊枪摆放至焊接初始位置；然后通过操作人机交互平台， 输入焊接工件模型；

(2)根据焊接工件情况，调整好焊接频率F、焊接电流I、占空比Ton、上 升时间T1和下降时间T2；

具体：①直流电源选取基值电流I_B；②交流电源选取基值电流I_B及峰值电 流I_P以及占空比T_on，脉冲的上升及下降斜率以及过渡时间。

(3)选取并设定好参数后，开始焊接，红外测温仪实时对熔池温度进行采 样，然后将采样数据传输至计算机，通过计算机对采集到的数据进行处理，即： 对几个采样数据取均值，得到熔池温度的测量值，并计算与设定值的偏差E以 及偏差变化率δE，然后依据E和δE的变化，根据控制规则对焊机电流进行控 制；其中E是第k次采样时实际熔池温度与设定值之间的偏差。

本发明的模糊控制器采用模糊推理算法，图4是模糊控制器框图，由图4 可知该系统为一典型的串连校正控制系统，是一个双输入、单输出的模糊控制 器。输入量E是第k次采样时实际等温线宽度与预定值之间的误差，另一个输 入量δE是误差变化率；选用焊接电源输出电流为控制量。

为此，所述第(3)步中控制规则为：首先将输入变量E和δE模糊化为离 散模糊变量E′和δE′，再根据模糊规则进行推理，决策出本次控制量ΔU′；最后 将ΔU′反模糊化，得到控制对象的控制增量ΔU。

模糊控制系统结构，如图4所示。将四个红外测温仪均匀的和焊枪安装在 同一个法兰盘上，四个测温仪圆心分别处在一个正方形四个顶点处，焊枪中心 位于正方形对角线交点处。将四个红外测温仪测得的熔池温度取均值，得到测 量到的熔池温度T，经过计算得到与预设的熔池温度T_g与实际温度值T之间的偏 差E以及偏差变化率δE＝dE/dt。再根据E和δE确定焊接电源的输出电流调整 大小，从而实现对熔池温度的恒值控制。

本例以低碳钢板为例进行试验，板厚2.3mm，熔点温度1350℃，焊接速度 0.77cm/s，焊接电源选择直流等离子弧焊接电源，初始电流选择200A。

E的论域X＝[-350,350](℃)，δE论域Y＝[-20,20](℃)，ΔU论域Z＝[-20， 20](A)。用一个F控制器对它进行调节，要求E为±50℃，用7个等分三角形F 子集涵盖着E的变化范围：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、Z(零)、PS(正 小)、PM(正中)、PB(正大)，如图5所示；5个等分的三角形F子集涵盖着δE 的范围：NB(负大)、NS(负小)、Z(零)、PS(正小)、PB(正大)，如图6所 示；5个等分的三角形F子集覆盖ΔU的范围：NB(负大)、NS(负小)、Z(零)、 PS(正小)、PB(正大)，如图7所示。

根据人的焊接经验，可以形成以下五条模糊规则：

①若温度太低，则大大增加焊接电流；

②若温度太高，则大大减小焊接电流；

③若温度不太低，则稍微增大焊接电流；

④若温度不太高，则稍微降低焊接电流；

⑤若温度正好，且有增大趋势，则稍微降低焊接电流；

⑥若温度正好，且有减小趋势，则稍微增大焊接电流；

表1是根据上述模糊规则设立的模糊控制规则。

表1等离子弧焊的焊接控制规则表

注：表中的(1)，(2)，……，(35)，是规则的序号。

近似推理总输出为：设某时刻采样的清晰量输入为X＝200℃，Y＝12℃，根据 图5可知X＝200℃映射到模糊子集PM和PB上，根据图6可知Y＝12℃映射到模 糊子集PS和PB上，根据表1，输入量会激活四条模糊规则，将其写出：

If X is PB and Y is PS,then Z is NB(34)；

If X is PB and Y is PB,then Z is NB(35)；

If X is PM and Y is PS,then Z is NS(29)；

If X is PM and Y is PB,then Z is NS(30)。

每条规则推得的输出模糊量ΔU′为：

①对于控制规则“If X is PB and Y is PS,then Z is NB”，设其输出为 Z₁。根据图5和图6可知PB＝0.29，PS＝0.2，于是输出

按照上述步骤同理可计算出

最后总输出的模糊子集ΔU″是四个模糊子集的并：

ΔU″＝ΔU₁′∨ΔU₂′∨ΔU′∨ΔU₄′

把ΔU₁′、ΔU₂′、ΔU′、ΔU₄′画在图8上。

输出模糊量的清晰化：本发明采用最大隶属度平均值方法计算。

从图8中可以求出，在论域[-56/3，-4/3]上最大隶属度为0.7，与其对应 的电流调整范围是[-9，-5]。

平均值法电流调整量为ΔU″＝(-9-5)/2＝-7。

将每一个采样点都按上述步骤进行处理完成：映射到模糊子集-----找到激 活的模糊规则-----计算输出的模糊量-----将输出模糊量清晰化。

最后依据清晰化结果对焊接电流进行调整，调整量大小即是模糊化结果的 大小。

从图9看，仅在控制过程开始时，熔池温度曲线有一个不大的超调，之后 迅速趋于稳态，并始终保持在给定值附近。

最后应说明的是：以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限 制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理 解：在实现具体的等离子弧焊接时，对本发明中的参数进行修改或者等同替换 即可完成焊接。