模糊逻辑控制在焊接中的应用进展(doc 13)

模糊逻辑控制在焊接中的应用进展

1 引 言

焊接过程是一个复杂的过程，存在着时变、非线性及干扰因素多等特点，难以建立起精确的数学模型。随着现代生产的迅速开展，对焊接质量的要求越来越高，这就要求对焊接动态过程能实现自适应控制和智能控制，以确保焊接过程的稳定性，提高焊接质量和焊接自动化水平。模糊控制可以在没有精确数学模型的情况下，模仿专家和熟练焊接工人的经验对焊接过程进行实时控制。国内外焊接界的专家学者较早认识到模糊控制在焊接过程中有着广阔的应用前景，积极将模糊控制用于焊逢跟踪、焊接质量及焊接电源设备的控制中。 2 焊缝跟踪的模糊控制

焊缝的自动跟踪，是通过传感器获取焊炬与焊缝中心的偏差信息，对这些信息处理后，采用不同的控制算法得到控制信号，驱动焊炬使其对中焊缝。为此，国内外开发了机械、电弧和视觉等类型的传感器。随着传感器和信号处理技术的进步，多传感器信息融合将与弧焊机器人技术相结合，在焊缝自动跟踪中得到广泛应用。

电弧传感器的原理是从电弧电流和电压的变化中获得焊缝横向与上下偏差信息，当焊炬与工件距离变化时，电流相应改变，以保持原有

的熔化率。因此，电弧电流的变化反映了焊炬高度的变化，通过电弧振动扫描焊缝的坡口，从电流波形特性中可获得焊炬横向对中的信息。电弧电流与焊炬高度变化量之间是时变非线性的关系，其精确的数学模型较难建立。尽管国内外学者研究了一些弧焊工艺的动静态模型，但由于施焊现场存在强烈的电磁干扰等，这些模型的自适应和鲁棒性受到限制。模糊控制具有很好的鲁棒性和非线性映射能力，因此，适用于电弧传感跟踪控制。

J.W.Kim等在CO2气体保护焊中，研制了一套电弧传感器，采用简单模糊控制和自组织模糊控制方法进行焊缝跟踪。试验说明：自组织模糊控制器在偏差角度为10°时，系统仍有很强的跟踪能力。

日本学者通过测量电弧电流(I)、电压(U)和送丝速度(V)来计算坡口和焊炬之间的距离(H)，即H=F(I，U，V)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。

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那么的模糊滤波器和模糊控制器。

河海大学姚河清等研究了一种CO2气保护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，试验说明该系统具有良好的控制效果。

天津大学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根底上，确定焊缝跟踪系统的模糊控制规那么，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。实验证明，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。

近年来，光学传感器由于其信息量大、惯性小、非接触性的特点，在国内外已受到普遍重视。华南理工大学宋永伦等设计了一种用于焊缝跟踪的自组织模糊控制器，并与CCD视觉传感及图象信息处理技术相配合，在TIG焊、平板对接条件下，获得了比简单模糊控制器更好的在线跟踪效果，对焊缝轨迹的变化具有较好的自适应能力。其自组织局部具有三个功能：性能测量，控制量校正，控制规那么的修正。天津大学王刚等研究了基于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根底上，构造了用于焊接纠偏的模糊控制系统，并提出利用三层BP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。 当前CCD视觉跟踪系统的研究在国内外都很活泼，它与弧焊机器人技术结合，代表着弧焊过程自动化和智能化的主要开展方向。在弧焊机器人运动中，各轴的惯性矩是时变的、强耦合、非线性的复杂系统。视觉传感主要应解决的问题有：〔1〕CCD的小型化和实用化;〔2〕视觉

信息快速有效的处理。小波变换技术在降噪、图象处理等方面表现出卓越的性能，是当前国际上信号处理领域的研究热点。 3 弧焊电源的模糊控制

弧焊电源的控制逐渐向智能化开展，电子控制弧焊逆变器为实现智能控制提供了可能性。

天津大学赵举东等提出自适应模糊控制方案对脉冲MIG/MAG焊接熔滴过渡进行在线实时控制，建立了以全数字控制IGBT逆变弧焊电源为核心的自适应模糊控制系统，对自适应模糊控制系统进行了设计和8098单片机程序控制。

洛阳工学院朱锦洪等设计了一种以ADuC812微处理器为核心的新型电阻点焊装置。

华中理工大学朱六妹等采用模糊集合理论中的系统辨识技术建立了以焊接电弧模糊模型的8031单片机控制系统。

甘肃工业大学李鹤岐等采用模糊逻辑设计埋弧焊的送丝系统，在焊接电流300～1000A内，焊接过程稳定，控制系统的鲁棒性强。 西安交通大学王雅生等研制了一种以80C196KC数字单片机为核心器件，通过软件方式实现CO2短路过渡焊电压与电流自动形成最优匹配的智能控制系统。

日本T.Mita等采用模糊逻辑来自动设置CO2焊机的电压。 日本Panosonic公司已推出第二代机器人用智能型IGBT弧焊逆变器

AAII-350、500。其中350A实现恒定焊缝宽度控制，500A实现恒定熔深控制。AAII能自动识别焊接电流改变时，焊丝伸长的变化量，利用模糊逻辑，建立焊缝宽度或熔深与适宜的供丝速度和输出电压之间的关系，从而稳定焊接质量。为了提高模糊控制的响应速度，采用了16位的单片机。通过工艺实验，对CO2焊短路过渡过程优化组合出400万种电流波形，作为模糊知识库，保证输出最正确焊接标准，实现高速、高质量的焊接。 4 焊接质量的模糊控制

由于焊接过程存在物理化学冶金反响，并伴随剧烈的传热传质过程，在强烈的弧光下，焊接质量的实时检测亦很困难。焊接工艺是一个大滞后、多输入多输出、本质非线性的系统，焊接过程参数之间存在着不确定性，很难建立起对象的精确数学模型，采用常规PID控制方法，控制效果往往不理想。熟练的操作人员根据肉眼观察得到的焊缝信息，归纳出焊接质量变化的大或小等一些模糊语言变量，用手工调节焊接速度、电弧及热量输入等控制量可将焊接质量精确地控制在要求范围内。模糊控制正是基于模糊语言变量提出来的，已经证明模糊控制器是一个与模型无关的估计器，适用于这种场合。日本学者Shimakenji等将模糊逻辑用于脉冲MIG焊接的熔宽控制，建立了一套弧焊机器人的模糊专家系统；LangariG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那么，每条规那么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那么，来建立弧焊过程的自组织模糊控制系统；G.Startke在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、焊接电压和电流、送丝速度。

清华大学陈强系统地研究了弧焊过程的模糊控制。对单变量MIG焊的熔透控制，采用CCD传感器提取熔池图象信息，将焊工的操作经验总结成模糊控制规那么，实验研究说明MIG焊的模糊控制方法对散热引起的熔宽变化作出了很好的响应。对于多变量CO2焊接的模糊控制也做了初步的研究，控制目标为：熔池宽度、冷却时间、飞溅率、焊接效率。控制量为：电弧电流、短路电流、焊接速度。多变量系统的模糊控制较为复杂，设计时要借助于专家的经验，并通过试验，不断调整模糊规那么，才能完善模糊控制系统。黄石生等研究了一种应用于GTAW焊接质量控制中，利用神经网络进行模糊推理的控制器，采用两个BP网络实现了参数自调整模糊与积分混合控制，采用对输入进行“编码〞的方式，减少了BP网络的训练时间并增强了控制实时性，仿真试验和工艺试验都说明了该控制方法的合理性和有效性。华南理工大学将参数自调整模糊控制与PI控制结合，成功地用于GTAW焊的熔宽控制。张军等将模糊技术用于焊接材料质量信息的判读。为了在线判读弧焊焊接过程的质量信息，开发了焊接电流、电弧电压信号采集和分析系统。通过特征信息的分析，利用知识的支持分别完成焊接过程质量各性能指

标的评判。利用模糊综合评判法得到多性能指标综合考虑的质量分析。 5 结 论

随着电子技术、计算机技术、自动控制技术以及信息和软件技术迅速地引入焊接领域，焊接生产自动化、智能化已经成为21世纪焊接技术开展的重要方向。采用最新的计算机视觉理论，开发焊接机器人视觉传感与控制技术，研制能够识别目标环境、实时精确跟踪轨迹并调整焊接参数的智能焊接机器人已经成为焊接领域的重要开展趋势之一。采用传统控制方法和智能控制方法相结合，在粗调时利用开关进行传统的PID控制，在非线性、多耦合、没有精确数学模型的场合运用智能控制。理论上已经证明模糊控制可以任意精度逼近任何非线性函数，但受到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规那么数都受到一定的限制，隶属函数确实定还未有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此，模糊控制的精度还有待提高。模糊逻辑与神经网络和专家系统出现融合的趋势，展示了模糊逻辑、神经网络和专家系统相辅相成优势互补的强大生命力。模糊逻辑和专家系统结合，可充分利用专家系统知识推理机制和知识抽取能力，模糊控制技术将成为21世纪的核心技术。 搅拌磨擦焊接的应用

一、概述

1991年英国焊接研究所〔TWI〕创造了搅拌磨擦焊〔FSW〕，从此以后，基于这种固相连接技术的明显优越性，例如：优良的接头力学生

能，不需要填充焊接材料，没有焊接烟法和飞溅，很少的焊前准备和焊接变形等，在世界范围内的国际合和中开展了大量的研究和开发工作。另外，搅拌磨擦焊铝合金材料都能焊接，如应用于航空、航天领域的2000系列、5000系列和7000系列高强铝合金，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。英国焊接研究所的Dave NICHOLAS订为，搅拌磨擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生革命性的进步。 2002年4月，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所〔TWI〕关于搅拌磨擦焊专利技术正式签约，并且取得了搅拌磨擦焊专利技术的独占性二级许可授予权，为中国市场开启了搅拌磨擦焊技术的研究、开发以及大规模工业化应用之门。 二、铝合金搅拌磨擦焊的应用现状

搅拌磨擦焊技术拥有诸多独特的优点，对于轻合金材料〔如铝、铜、镁、锌等〕的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比较的优越性。搅拌磨擦焊是一种固相连接方法，焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。实际情况也确实如此，在FSW技术问世后的短短几年内，在焊接机理、适用材料、焊接设备以及工程化应用方面均取得了很大的进展。搅拌磨擦焊技术最初主要用于解决铝合金、镁合金及锌合金等材料的焊接。关

于搅拌磨擦焊工艺的特点和应用等，英国焊接研究所进行了较多的研究，关于1993年、1995年申请了世界范围内的专利保护。目前，该所主要是与航空、航天、船舶、高速列车及汽车等焊接设备制造厂和国际性的大公司联合，以团体赞助或合作的形式〔TWI的GSP工程〕研究、开发搅拌磨擦焊技术，不断扩大其应用范围。

目前由工业企业赞助的研究工程包括：大厚度铝合金的搅拌磨擦焊、钢的搅拌磨擦焊、钛合金的搅拌磨擦焊、汽车轻型构件的搅拌磨擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所〔EWI〕与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的洛克希德。马丁航空航天公司、马歇乐航天飞行中心、美国海军研究年、Dartmuth大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学及澳大利亚焊接研究所等都有从不同的角度对搅拌磨擦焊进行了专门研究。

1.铝合金搅拌磨擦焊在航空航天领域中的应用

随着搅拌磨擦焊的研究进一步走向深入，搅拌磨擦焊设备也逐渐从试验室走向商用。TWI应用此技术为波音公司生产了3个2000系列铝合金航天飞机燃料箱；美国洛克希德。马丁公司、波音-麦道公司、洛克韦乐集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前正在致力于搅拌磨擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱、军用或科技探测火箭等；美国洛克希德。马丁航

空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器；在马歇乐航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。 Boeing公司投资几百万美元，制造了用于Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌磨擦焊机，BAE空中客车公司正在对FSW技术进行方法、性能和可行性验证，目的是用来生产中型和大型商用客机，所采用的搅拌磨擦焊机由地处合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，据说是欧洲功率最大的焊机。美国ECLIPSE〔月蚀〕航空公司将利用FSW来制造一架10.86m长、翼展11.88m的中型飞机，图1就是美国ECLIPSE公司耗资3亿美元研制成功的E500型新型节能小型喷气高务飞机。公司估计，采用FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减少80%，使飞机本钱降低为83.7万美元。此飞机的主要结构件、蒙皮等全部采用国际上最新的连接技术——搅拌磨擦焊技术制造，客机的机身根本上全部利用搅拌磨擦焊制造，其中包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等。

搅拌磨擦焊的应用主要用来提高生产效率和降低制造本钱，会对航空结构件的搅拌磨擦焊工艺是由TWI与美国ALCOA公司联合进行试验开发，然后应用于ECLIPSE500型飞机结构件的焊接。公司在2000年9月通过了飞机平安委员会的初步设计评估和认证，2001年6月确定搅拌磨擦焊的飞机制造中的可行性，2001年开始制造搅拌磨擦焊飞机结构件，2002年6月首飞，并在6月29日~7月1日向公众展示了这

种新型飞机的目前已经有上百家客户争相订购这种新型的谦价、切能的商务飞机。

2.铝合金搅拌摩擦焊在船舶制造领域中的应用

目前，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造本钱以及环境等方面的巨大优越性和潜在的工业应用前景，在船舶制造领域里，搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发。船舶制造不仅要求速度的增加，而且要求单位价格载荷性能的提高，所以舰艇制造要尽可能的铝合金材料来降低船舶重量。但铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用，所以随着搅拌摩擦焊技术的开展，用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶来板-加强件结构的制造，是船舶制造技术开展的必然和革命性的进步。

搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、重量、性能、本钱以及制造时间上具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，还可以用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术开展的又一次飞跃。

FSW技术在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、

铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。目前已用该技术焊接快艇中上长为20m的铝合金结构件，焊缝总长度超过500Km。

三、铝合金搅拌摩擦焊的开展趋势

在中国，北京航空制造工程研究所和英国TWI的搅拌试探焊技术合作中心——中国搅拌摩擦焊中心在搅拌摩擦焊的根底方法研究，材料应用研究、开发，搅拌摩擦焊设备的设计、制造和销售等方面，都取得很大的进展。

〔1〕目前，中心正在针对搅拌摩擦焊在航天火箭筒体制造，航空飞机框架、蒙皮和结构间的搅拌摩擦焊制造，船舶轻合金制造以及高速列车的铝合金型材的快速制造等方面正在展开全面的研究和工程攻关。另外，在承揽国防科研和总装课题的同时，还加强了和企业、大学的横向联合及技术合作。

〔2〕在搅拌摩擦焊设备的制造方面已经设计出三大类6类种形式的搅拌摩擦焊设备，并且在2003年3月为哈尔滨工业大学和华东船舶工业学院制造交付了两台专业化的搅拌摩擦焊设备〔图2为中国搅拌摩擦焊中心设计制造的中国首台专业化的搅拌摩擦焊设备〕。

〔3〕在工程应用方面，铝合金搅拌摩擦焊将在输变电、高速列车、新一代战斗机及新型运载火箭等方面首先得到应用。 四、结语

搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接技术将对铝合金等轻合金材料的连接制造产生革命性的影响，基于这种连接技术在焊接方法的突破，预计搅拌摩擦焊技术将对飞机、火箭、高速列车、导弹快艇、全铝合金战车等军、民品的设计和制造基线产生根本上的变革。