焊接機器人電弧（hú）長度控製建模仿真與算法研究-機器人-數控機床市場網

您現在的位置：機（jī）器人> 技術前沿>焊接機器人電弧長度控製（zhì）建模仿真與算法研究（jiū）

焊接機器人電弧長度控（kòng）製建模仿真與算法研（yán）究

2017-3-30 來源：深圳大學（xué）機（jī）電與控製工程學院作者：杜建銘，陳禮安，麥焯偉

摘要: 在闡述弧焊機器人焊接工藝的（de）電弧特性的基礎上，分（fèn）析了電弧長度（dù）控製係統的原理，采用模塊化（huà）建模思想建立弧焊機器人電弧控製係統（tǒng）模型。基於所建模型進行了焊接機器（qì）人恒（héng）壓、恒流送絲模型集成、仿真與分析，通過對比普通PID 控製算（suàn）法和增益調整（zhěng）型模（mó）糊 PID 控（kòng）製（zhì）算法在弧（hú）焊機器人弧長控製中的效果的基（jī）礎上，提（tí）出了一種有效的焊接（jiē）機器人恒壓（yā）、恒流送絲的控製算法。所建模（mó）型（xíng）和弧長控（kòng）製算法的（de）研究對於弧焊機器（qì）人熔（róng）池深度智（zhì）能化過程控製的進一步深入研究具有一定的參考價值（zhí）。

關鍵詞: 機器人; 弧長控製; PID 控製; 模糊控製

1.弧焊電弧特性（xìng）分析

電（diàn）弧電壓是指在焊接回路中焊槍導電嘴與焊接工件之間的電壓。在正（zhèng）常工作範圍內（nèi），熔化極氣體保（bǎo）護（hù）焊的自由過渡和（hé）短路過渡形式下平均電流與平均電壓呈線（xiàn）性關係。當電（diàn）弧長度一定時，電弧電壓與焊接電流呈線（xiàn）性關係。電流和電壓之間的關係可以（yǐ）通（tōng）過式( 1) 來表示［4］:

變化。可知電弧燃燒過程中電弧電壓與焊接電流成正（zhèng）比，與電弧長度成正比。

2. 弧（hú）焊機器人弧長控製模（mó）型（xíng）建（jiàn）立與仿（fǎng）真

對於具（jù）有焊縫跟蹤（zōng）功能的機（jī）器人來說，焊縫掃描模塊、焊接電源模塊以及電弧模塊組成了電弧控製係統的（de）主要結構。根據模（mó）塊化劃分原則，弧焊（hàn）機器人電弧（hú）控製係統主要劃（huá）分為（wéi） 3 個模塊: 坡（pō）口（kǒu）掃描模塊、電（diàn）弧（hú）過渡模塊及電源模塊，可通過係統集成得（dé）到弧長控製整體模型。

坡口是以（yǐ）保（bǎo）證工件的（de）焊縫厚度為目的，焊接前在工件的焊接部位采（cǎi）用機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域坡口表麵高度隨時間變（biàn）化關係式，本文作者（zhě）選擇比較（jiào）典型的V 型坡口旋轉掃描方式進行坡口掃描模塊建模。如圖1 所示安裝在（zài）焊炬前方的測距傳感器隨焊炬和電弧旋（xuán）轉，機器人控製係統通過（guò）傳感器得到垂直距旋轉周期的積分信號辨析（xī）焊（hàn）縫偏差方向（xiàng）和距（jù）離來（lái）控製焊炬的位置。

圖 1 V 型（xíng）坡（pō）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學模型為（wéi）:

焊接電弧建模的目的是為了建（jiàn）立電弧長度 La在焊炬高度 h 變化的情況（kuàng）下，隨時間 t 的變化規律。文中選取熔化極氣體保護焊的典型的過渡方（fāng）式之一（yī）的射流過渡為研究進行焊接（jiē）電弧建模。在進行焊縫掃（sǎo）描時（shí），當炬相對坡口表麵高度h變化時，導致電弧長度 La也跟著變化。由於傳統弧焊機器人焊接采用的是平特性恒（héng）壓電源，電弧長度變化勢必會帶來焊接電流的（de）變（biàn）化，焊接中焊絲的（de）熔（róng）化速度不再（zài）等於送絲速度。這種（zhǒng）情況下焊（hàn）炬相對高（gāo）度 h、熔化速度 vm、送絲速度 vf之間的動態（tài）關係滿足:

如（rú）圖 3 的等效電路，由一個包括電壓源、電阻以及電感組成的電路（lù）與焊接工件形成回路，通過電弧放電。

圖 3 電源等效電路

設電源輸出電壓為係統的（de）輸入量，輸出（chū）電流作為輸出（chū）量，齊鉑金等［23］通過實驗測試擬合的傳遞函數如式 ( 14) 所示，其中 K 為增益係數，T1和 T2為時間常數。

3. 弧焊機器人弧長控製算法研究（jiū）

送絲電機的速度調節是弧焊機器人恒電流變速送絲弧長調節係統的關鍵環節，控製效果的優劣（liè）直接影（yǐng）響到整個弧長控製係統的性能。針（zhēn）對焊接過程中（zhōng）電（diàn）弧長度波動的現象，並結合焊接過（guò）程的特殊（shū）性，分別對（duì） PID 算法和增益調整型模糊 PID 算法（fǎ）不同控製參數進行仿真對（duì）比（bǐ）分析，建立使係統達到較佳控製效果的控製策略，有效降低電弧長度波動範（fàn）圍。

如圖 4 所示，根據（jù） PID 控製器工（gōng）作（zuò）原（yuán）理，設（shè）計PID 控（kòng）製器。其中兩個輸入量分別為弧長初始設（shè）定值La0以（yǐ）及弧長實時反饋（kuì）值（zhí） La( s) ，弧長設定值與實際值（zhí）作比較後得到偏差值 e( t) ，控製器分別（bié）對偏差值進（jìn）行比例、積分和微分處理後進行相加，為了防止（zhǐ）控製信號過大，在控製器（qì）輸出前加入限幅模塊，最終輸出電機的控製信號 Vf( s) 。

圖 4 PID 控製器子模型內部結構圖

根據式 ( 13) 可得（dé），弧長（zhǎng）變化由三部分因素（sù）組成。分別是: 左（zuǒ）邊第一項為焊炬離工件高度的變化，第二項為變速（sù）送絲導致的幹伸長（zhǎng）變化而引起的焊絲（sī）熔化速度變化，以及第三項為對送（sòng）絲速度積分而補償弧長的變化。為（wéi）此，在 Matlab/Simulink 中利用坡口掃描（miáo）子模（mó）型和集（jí）成建立如圖 5 所示弧焊機器人恒電（diàn）流－變速送絲 PID 弧長控製模型。

圖（tú） 5 弧焊機器人 PID 弧（hú）長控製模型

控製模型的主要參（cān）數包括: La0、Kp、Ki、Kd。其中 La0為（wéi）設定初始弧長（zhǎng），Kp、Ki和 Kd均為 PID 控製器相應的控製參（cān）數。現取初（chū）始設定標準弧長的值 La0=7，現利用該 PID 弧長控製仿真模型進行不同控製參數 ( 比例、積分、微分（fèn）) 在弧長控製中的控製效果，分別進行如下 4 組參數（shù）的仿真可得到弧長度的變化規律曲線 ( 見（jiàn）圖（tú） 6) 。從以上仿真結（jié）果以及（jí）大（dà）量並未在文中陳列的數據可以得出以下結論，PID 控製器中的 3 個參數對電弧長度的控製效果產生很大的影響，不（bú）同的控製參數組合會影響係統進入穩定波動範圍的時間以及電弧長度的波動幅度。

例如使用第一組參數時，係統的振蕩比較劇烈（liè），且係統進（jìn）入相對穩定狀（zhuàng）態的時間比較長; 而使用第二組參數時，電弧長度的波動範圍比其它三組都要大，控製效果較差; 第三組和第（dì）四組參數的（de）弧長波動幅度（dù）相對前麵兩組較小，但是第四組比第三組使係統更快進入穩定狀態。因此，對 PID 參數的整定對整個恒電流（liú）變（biàn）速送絲係統（tǒng）的弧長（zhǎng）調節起到及其重要的效（xiào）果。

焊接過程中，電（diàn）弧參數（shù）受到熔滴過渡等多種因素影響，電（diàn）弧信號本身產生劇烈的變化，而且還受到不同程度的幹擾信號。在焊接的不同階段（duàn）和弧長的不同誤差（chà）工況，所需要的 PID 參數也將會有所區別。針對單一 PID 控製參數在電弧長（zhǎng）度控製中效果不（bú）是十（shí）分（fèn）理（lǐ）想的情況，結合焊接（jiē）工藝的深（shēn）入分析，進（jìn）一步改進（jìn）控製算法。在上述的工作基礎上，將模糊控製與 PID控製相結合，利用模糊控製器進行 PID 控製參（cān）數的在線自調整。

圖 6 PID 控製算法仿真（zhēn）結果

經（jīng）過（guò）綜合考慮，結合（hé）焊接過程的時變（biàn）性，熔滴過渡使得電（diàn）弧長度存在不同程度的（de）瞬變，文中采用基於誤差驅（qū）動的增益調整型模糊 PID 控製策略作為弧焊機器人電弧長度控製算法，其（qí）組合結構框圖如圖 7 所示。控製器主要（yào）由模糊控（kòng）製器和 PID 控製器兩部分以並聯方式組成。其中 PID 控製中采用傳統的（de） PID控製器，其控製參數 ( 比例（lì）係數 Kp0、積分係數 Ki0和微分係數 Kd0) 為通過大量調節後所（suǒ）選取的控製效果較優 PID 控製參數。模糊控製根據弧長實際變化（huà）情（qíng）況（kuàng）對 PID 控製器做適當參數調整，實現弧（hú）長控製係統能夠根據實際工況進行在（zài）線調（diào）整控製參數。具體設計方法如下:

圖 7 增益調整型模糊 PID 控製框圖

在 Simulink 中建立如圖 8 所示的增（zēng）益調整型模糊PID 弧長控製係統模型，並（bìng）把建立的模糊推理模型輸出 Matlab 工作環境中供仿真模型調用。增益調（diào）整型模糊 PID 弧長控製係統的（de）仿真結果如圖 9 所（suǒ）示，其中左圖為仿（fǎng）真完整曲線，右圖為局部放大曲線。從仿真結果可以看出，雖然從整體（tǐ）來看（kàn）弧長波動的幅度改善不明顯; 但是在（zài）局部區域，例如每個旋轉掃（sǎo）描周期的第二個波峰偏差量一定程度的改善（shàn）。

圖 8 增益調整型模糊 PID 弧長控製係統模型

圖 9 增益調整型模糊 PID 弧長控製係統仿真結果

4.總結（jié）

建立弧焊機器人平（píng）特性恒壓電源－恒速送絲焊（hàn）接（jiē）弧長控製模型和陡降特性恒流電源變速送（sòng）絲弧長控製模（mó）型，並在 Matlab/Simulink 中搭建了仿真模型，對兩種（zhǒng）不同的焊接過程參（cān）數變化規律進行了仿（fǎng）真研究;提出（chū）了弧焊機器人電弧長度閉環控製方案，利用所建立的仿真模型進行了傳統 PID 控（kòng）製和基於誤差（chà）驅動的增益調整型模糊 PID 控製算法的仿真研究。所建模型（xíng）和弧長（zhǎng）控製算法的研究（jiū）對於弧焊機（jī）器人熔池深度智能化過程控製的進一步深入研究具有一定的參考價值。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關（guān）新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編（biān）輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相（xiàng）關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多