唐建武　付虹

摘要：電弧傳感原理是利用焊炬高度變化引起的焊接電流（電弧參數）變化，然后通過左右兩邊電流積分和的差值得到偏差值，因此焊縫偏差值的處理對于焊縫跟蹤系統(tǒng)有至關重要的作用。文章采用模糊控制的方法，以提取到的偏差與偏差變化率作為輸入、偏差補償作為輸出很好地實現了擺動弧焊的跟蹤。

關鍵詞：電弧傳感；焊縫跟蹤；模糊控制；焊接

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

1 概述

焊縫自動跟蹤就是利用傳感器檢測出焊槍相對于焊縫的位置，通過信號處理后，利用控制器計算出偏差量，推動執(zhí)行機構調節(jié)焊槍，回到焊縫中心。焊縫跟蹤過程是一個多參數影響的復雜系統(tǒng)，其中存在著大量不確定因素的影響，如焊接工件坡口的加工精度、裝配精度等等，這導致提取出來的偏差存在波動，并且精度不高。針對這種情況，采用不依賴被控對象的精確數學模型的模糊控制方法計算焊炬偏差補償量能夠取得比較理想的效果，這也是近年來焊縫跟蹤偏差補償策略研究的一個熱點。

2 電弧傳感原理

電弧傳感器是一個由焊炬、電弧電源、送絲機等組成的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)工作時，焊接電源作為電源供電，電弧作為負載用電，為了保證焊接電弧穩(wěn)定燃燒和焊接參數的穩(wěn)定，必須保證這個系統(tǒng)的穩(wěn)定。當無干擾時，在給定負載電壓和焊接電流下，電弧穩(wěn)定燃燒，系統(tǒng)保持靜態(tài)平衡狀態(tài)；當系統(tǒng)受到瞬態(tài)干擾時，負載電壓和焊接電流發(fā)生變化，在干擾消失后，系統(tǒng)能自動恢復到原來的平衡狀態(tài)或達到新的平衡狀態(tài)，這就是電弧的自調節(jié)作用原理。

從信號分析處理的角度可將掃描電弧傳感檢測焊縫原理描述為掃描調制、信號傳遞、信號處理三個過程，如圖1所示：

2.1 掃描調制

如圖2所示焊縫的位置是相對焊炬而言的，由焊炬高度H、焊炬與焊縫坡口中心線橫向距離e決定，e反映焊縫的偏離情況。由于電弧傳感原理是利用焊炬高度變化引起的焊接電流（電弧參數）變化來獲得傳感信息，所以只有通過對坡口掃描，焊炬高度隨之的變化，才能反映焊縫坡口的截面幾何信息，反映焊縫的偏離情況，從信號處理角度來說，這一過程可以表述如下：焊炬的位置（H，e）和坡口形式在焊炬的掃描激勵下被調制成焊炬的高度變化h（t）。h（t）經過電源——電弧系統(tǒng)的傳感作用，焊接電流I（t）要隨著h（t）產生相應的變化。在信號處理過程中對焊接電流I（t）進行濾波處理濾除干擾和噪聲，再根據掃描激勵位置信號解調獲得焊炬位置（H，e），最后調整焊炬的位置實現焊縫跟蹤。

2.2 焊炬高度與電弧參數間的對應關系

在電弧傳感系統(tǒng)中，為了從電弧信號中獲取焊接的高度信息，需要建立唯一的輸入輸出對應關系，因此焊接電源應選擇恒壓或者緩降的外特性，送絲系統(tǒng)的送絲速度恒定。通過文獻了解得出了電弧傳感的靜態(tài)物理數學模型，并分析了該模型的非線性程度，加以適當簡化。該簡化模型指出，當焊接過程中電弧穩(wěn)定燃燒，熔滴過渡為射流過渡時，焊炬高度H與電弧電流I的關系滿足關系式

H=KI+C（K、C為常數）。當熔滴過渡為短路過渡時，由于有短路峰值電流存在，關系式H=KI+C不再成立，但是短路峰值電流和維弧電流的變化趨勢是一樣的，通過有限削波等處理方法同樣能夠提前得出焊炬的高度信息。對于脈沖GMAW焊，由于弧焊電源輸出的為脈沖電流，關系式H=KI+C同樣不

成立。

3 模糊控制器

模糊控制器的結構設計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。模糊控制器的輸入變量個數稱為模糊控制器的維數，一維模糊控制器只以誤差為輸入變量，很難反映過程的動態(tài)特性品質。從理論上講，控制器的維數越高，控制越精細，但模糊規(guī)則過于復雜，算法實現相當困難。而以誤差和誤差的變化作為輸入變量的二維模糊控制器，由于能夠較嚴格地反映受控過程中輸出變量的動態(tài)特性，而控制規(guī)則和算法又相對簡單，因此這類結構的模糊控制器目前被廣泛采用。從系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性來考慮，本方案選用二維模糊控制器，以焊槍左擺周期和右擺周期的焊接電流離散積分差值計算的橫向偏差值E和偏差值的變化率EC作為輸入量，以焊炬位置的橫向調整補償量為輸出量，整個系統(tǒng)的結構如圖3所示：

3.1 精確量的模糊化

模糊控制器的建立首先是要去模糊化，即根據變量的精確值，分別確定它們的隸屬函數。將模糊控制器的輸入設定為偏差E和偏差變化率EC。

系統(tǒng)中的偏差和偏差變化率的實際變化范圍稱為這些變量的基本論域。焊縫跟蹤系統(tǒng)某時刻的采樣偏差類別為{-20mm，-15mm，-10mm，-5mm，0mm，5mm，10mm，15mm，20mm}，可建立一個映射，使上述集合與{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}一一對應。這樣，輸入誤差的基本論域變?yōu)閧-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}。取誤差E、誤差變化率EC和控制量U的論域為[-6，+6]，并使之離散化，即為：

因此，還需要通過量化因子進行論域變換，量化因子Ke的計算公式為：

焊縫偏差變化率EC可由下式計算得出：

3.2 模糊量的賦值以及隸屬函數的確定

在[-6，+6]之間變化的連續(xù)量需分成若干等級，每個等級作為一個模糊變量，并對應一個模糊子集或者隸屬函數。本文中，對于誤差和誤差變化率以及控制量的變化等均用7個語言變量來描

4 模糊控制規(guī)則的建立

本文采用二維模糊控制器，這類模糊控制器的控制規(guī)則通常由模糊條件語句“If E and EC then U”來描述。

模糊控制是以運行者的知識和操作者的經驗為基礎的控制技術?？偨Y手工焊接時焊工跟蹤焊縫的經驗并通過模糊推理，可以得出模糊控制規(guī)則。控制規(guī)則一共可以歸納出49條，如下所示：

5 輸出信息的模糊解析

輸出信息的模糊解析即為去模糊化，其目的是將模糊推理得到的模糊控制量轉化為執(zhí)行機構所能接受的精確量。常用的幾種方法有：最大隸屬度法、取中位數法和加權平均法。一般而言，加權平均法比取中位數法具有更好的靜態(tài)性能，動態(tài)性能則略遜于取中位數法，而兩種方法都優(yōu)于最大隸屬度法。由于系統(tǒng)的實時性要求較高，因此采用最大隸屬度法進行去模糊化，計算出焊炬位置的偏差補償量用于焊縫跟蹤控制。最終得到模糊解析查詢表如表5所示：

6 結語

通過電流采樣得到焊縫跟蹤系統(tǒng)焊炬偏離焊縫中心的偏差信息，將偏差進行模糊控制處理輸出相應的控制量，可以較好地實現焊接過程中焊炬的實時性跟蹤，提高系統(tǒng)的控制精度，取得比較理想的控制效果。

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作者簡介：唐建武（1989-），湖南永州人，長春工業(yè)大學電氣學院測試專業(yè)在讀研究生，研究方向：測試技術及儀器。

（責任編輯：黃銀芳）