焊接过程控制

第6章焊接过程控制2017年3月6.1焊接过程控制特点6.2焊接质量自动控制必要性6.3焊接过程传感与控制6.4焊接过程智能控制主要内容2024/2/212焊接过程控制与其他加工过程有着不同的特征。一般控制系统中，首先需选择恰当的被控制量，其次确定合理的检测元件和手段，再次需确定控制元件和操作量。6.1焊接过程控制特点6.1.1焊接过程控制一般特点2024/2/213（1）由于电弧发出的光、热、声波、飞溅等的干扰，在其它领域可使用的测量技术在近弧区无法使用。另外，埋弧焊时因为熔渣的存在也妨碍了有效的测量。（2）电弧焊多半是工件固定电弧移动，要在有电弧的一面检测，必须使检测器与焊炬连接在一起同时移动。这样就必须使用能沿焊缝移动的长探测头，这是相当麻烦的。另外，使用垫板也会使焊缝背面的检测性能变坏。（3）因为近缝区金属处于不稳定的过程与不平衡状态，所以对它的检测要测得很准确也是困难的。因此，在考虑电弧焊的自动控制时，就产生了被控制量检测的困难问题。1.被控制量选择的特点2024/2/214电弧焊的控制对象是电弧本身，但选取什么量作为被控制量？（1）可作为直接变量的被控制量：焊缝熔深、熔宽、焊缝截面面积和形状，加强高，焊缝缺陷状态等。但上述能直接测量的几乎没有。所以只能测量间接变量（二次量）。（2）间接变量：熔池附近温度及温度梯度、熔池及其周围的凝固部分和工件形状，熔池金属的流动特性，电弧形状、大小和辉度（辉度(Luminance,L)单位：坎德拉每平方米(cd/㎡)一光源或一被照面之辉度指其单位表面在某一方向上的光强度密度，也可说是人眼所感知此光源或被照面之明亮程度。）等。6.1焊接过程控制特点间接变量与直接变量的动态特性必须一一对应。2024/2/215

间接测量的困难：a、由于电弧光、热、声波、飞溅等干扰，近弧区无法使用测量技术。b、电弧焊工件固定，电弧移动，在电弧上检测就要使检测器与焊炬连接在一起。c、近缝区金属处于不稳定过程和不平衡状态，准确检测很困难。电弧焊时可供操作量：电弧电压、电弧电流、电弧形状、焊接速度、送丝速度、保护气体流量、焊剂供给量、焊炬倾角、焊件位置及倾斜度等。6.1焊接过程控制特点2024/2/216干扰：（1）一种是作用于控制元件的，使操作量发生变化。如：电源波动引起电弧电压、焊接电流、电弧形状、焊接速度、送丝速度变化等。气体速度变化。（2）另一种是焊接工艺和材料自身存在的。工件厚度，形状、组成改变，焊丝成分变化，坡口形状变化等。干扰的特点：（1）影响大。如焊缝中心线变化（2）易检测。与被控制量的检测相比，容易检测的干扰居多，如电源电压波动（3）事先可预测。多为事先能预想得到的干扰，如管环焊缝焊接。6.1焊接过程控制特点2.干扰因素多2024/2/217出于电弧焊过程中干扰因素多和被控制量的检测又较困难(检测性不好)。迄今为止，电弧焊工艺所采用的自动控制方式属于完全的反馈系统的例子较少，而多数是属于干扰控制或前馈控制。一般说来，它多用在反馈系统中，这时的框图如图6.1所示。6.1焊接过程控制特点3.控制方式的特点图6.1

反馈控制系统附加的前馈控制框图

2024/2/218干扰检测出后容易直接控制的系统如图6.2a所示。可以利用干扰检测元件和干扰调节元件，在干扰作用达到控制对象以前，将干扰消除。这种控制方式适合于弧焊中焊缝变动时使用。对于容易预见的干扰，检测元件也就不必要了。可用图6.2b的方式使干扰调节元件按照事先编制程序曲给定值工作，就能对干扰进行补偿。图6.2中的两种方式都属于干扰控制。6.1焊接过程控制特点

图6.2干扰控制系统框图

2024/2/219

1.钨极氩弧焊控制特点钨极氩弧焊是以不熔化材料钨作电极、采用惰性气体氩气为保护气体的一种电弧焊方法。很好的控制热输入，故非常适合焊接薄板金属和打底焊。适合焊接所有金属，尤其适合焊接铝、镁、钛等金属及其合金，焊缝质量高，但焊接速度较低。6.1焊接过程控制特点6.1.2电弧焊过程控制特点2024/2/2110影响TIG焊接质量的因素：（1）弧长变化：对燃弧过程稳定性和焊缝成形有很大影响。L大，电弧漂移，加热不集中，L太大可能熄弧；L过小，热量集中，焊缝成形窄而深，易短路，熄弧，钨极端部受损，夹钨。弧长控制较容易。（2）钨极烧损（端部形状）（3）保护气体成分变化（4）工件表面清洁状态变化等。6.1焊接过程控制特点2024/2/21112.二氧化碳气体保护焊控制特点二氧化碳焊是以熔化材料作电极、采用二氧化碳或二氧化碳和氧气为保护气体的一种电弧焊方法。电弧穿透力强，焊丝熔化率高，抗锈能力强，不可能实现射流过渡，通常采用短路过渡方式。短路过渡：采用较小电流和低电压焊接时，熔滴在未脱离焊丝端头前就与熔池直接接触，电弧瞬时熄灭短路，熔滴在短路电流产生的电磁收缩力及液体金属的表面张力作用下过渡到熔池中。短路过渡属于自由过渡的一种，熔滴经电弧空间自由飞行，焊丝端头和熔池之间不发生直接接触。例如，熔化极气体保护焊时，焊丝短路并重复引燃电弧，这就属于短路过渡，短路过渡主要表现在二氧化碳气体保护焊中，其中在铝合金MIG焊氩射流过渡中也含有短路过渡成分。6.1焊接过程控制特点2024/2/2112短路过渡优点：成本低，熔池容量很小不易流失，从而可以很方便地进行全位置焊接，短路过渡缺点：飞溅大,成型不佳,熔深不大,堆高很大。改善方法：（1）实时控制二氧化碳短路熔滴过渡稳定性技术（2）一元化控制方式。6.1焊接过程控制特点2024/2/21133.MIG/MAG焊控制特点MIG焊（熔化极惰性气体保护焊）英文：metalinert-gaswelding使用熔化电极，以外加惰性气体（Ar或He）作为电弧介质，并保护金属熔滴、焊接熔池和焊接区高温金属的电弧焊方法，称为熔化极惰性气体保护焊，简称MIG焊。MIG焊广泛应用于有色金属及黑色金属焊接。MAG(MetalAativeGasAREWelding)焊是熔化极活性气体保护电弧焊的英文简称。它是在氩气中加入少量的氧化性气体（氧气，二氧化碳或其混合气体）混合而成的一种混合气体保护焊。我国常用的是80%Ar+20%二氧化碳的混合气体，由于混合气体中氩气占的比例较大，故常称为富氩混合气体保护焊。控制主要方面：熔滴过渡、磁偏吹等。6.1焊接过程控制特点2024/2/21144.埋弧焊控制特点埋弧焊以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。埋弧焊可以采用较大的焊接电流。与手工焊相比，埋弧自动焊具有埋弧焊焊接电流较大、焊缝质量高、生产率高、劳动条件好等优点，但不如手工焊灵活。特别适合于焊接大型工件的直缝和环缝。对接接头分为平板对接焊缝（两面焊接）和角接焊缝。6.1焊接过程控制特点2024/2/21155.等离子弧焊控制特点1）穿孔型等离子弧焊接穿孔型等离子弧焊接实质是等离子弧穿透工件形成小孔（见图6.3），被熔化的金属依靠表面张力和电弧后推的力量形成熔池。焊枪前进时，小孔在电弧后闭合，形成完全穿透的焊缝。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫实现单面焊双面一次成形的好方法。图6.3空孔型等离子弧焊接原理示意图

6.1焊接过程控制特点2024/2/21162）熔入型等离子弧焊接熔入型等离子弧焊接方法基本上和钨极氩弧焊相似，适用于薄板、多层焊缝的盖面及角焊缝的焊接。3）熔化极等离子弧焊接熔化极等离子弧焊接是等离子弧焊和熔化极气体保护焊相结合的一种方法（见图6.4）。图6.4（a）为钨极结构，等离子弧在钨极与工件之间燃烧，适用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。图6.4（b）为水冷喷嘴结构，等离子弧在喷嘴与工件之间燃烧，适用于堆焊。6.1焊接过程控制特点2024/2/21171—焊丝；2—导电嘴；3—等离子气；4—铜喷嘴；5—保护气；6—保护罩；7—等离子弧；8—过渡金属；9—钨极图6.4熔化极等离子弧焊枪结构示意图6.1焊接过程控制特点2024/2/21184）微束等离子弧焊接与普通等离子弧焊接的主要区别是工作时转移弧和非转移弧同时存在，使小电流的等离子弧十分稳定。目前成为焊接薄件、微型件的有效方法。5）脉冲等离子弧焊接穿孔型、熔入型及微束等离子弧焊接均可以采用脉冲电流法。基值电流用来维弧，峰值电流用来熔化金属。脉冲频率一般在15HZ以下。脉冲电流法可以提高焊接过程稳定性、控制全位置焊接焊缝成形、减小热影响区宽度和焊接变形。6）变极性等离子弧焊接变极性等离子弧焊接是为了解决铝及其合金的等离子弧焊而提出来的焊接方法。其电源的原理与交流方波电源相同。6.1焊接过程控制特点2024/2/21192.电阻焊工艺控制特点控制问题包括焊接过程程序控制及焊点质量控制两部分。（1）焊接过程控制完成电阻点焊工作是由设备的程序动作完成的。而程序动作是由程序控制电路给出的程序动作信号驱动相应的执行机构完成的。电阻点焊中的程序控制电路是典型的数字式程序控制电路。本文是以CMOS集成电路器件为例介绍。6.1焊接过程控制特点6.1.3电阻焊过程控制特点2024/2/2120点焊机的主要程序动作完成一个焊点的焊接过程，主要包括：加压：焊机电极（一般上电极）压下的程序动作，工件被压在上下电极之间。焊接：焊接通电的程序，即向工件通电，使工件在焊点处产生电阻热并形成熔核。维持：断电后工件继续保持电极的压力，即对工件焊点熔核进行加压。休止：上电极抬起，操作人员将工件向下一焊点位置移动。6.1焊接过程控制特点2024/2/2121（2）焊点质量控制焊点质量实时控制方法。早期寻找能反映熔核形成的参量作为质量控制的依据。不断发展，但始终没有一种方法可补偿各种因素影响，未圆满解决。2024/2/2122点焊影响因素主要来自以下几个方面：（1）焊机通电回路:包括网压波动、焊接回路感抗及阻抗变化。（2）焊机加压系统:主要是电极压力波动。（3）电极材料及形状:包括电极磨损、电极表面玷污、电极材料与所焊材料不匹配等问题。（4）工件:包括被焊材料的表面质量、厚度及其它焊点分流的影响。（5）冷却条件:包括冷却水冷却状况及电极、工件的散热等因素。6.1焊接过程控制特点2024/2/2123电子束焊接特点电子束焊接具有焊接质量好、焊缝深宽比大、焊接速度高等优点。但是，电子束焊接设备具有成本高、接头准备和加工要求精确、工件受真空室尺寸限制等缺点。6.1焊接过程控制特点6.1.4其它熔焊工艺控制特点真空电子束焊机组成

2024/2/21242.激光焊接控制特点激光焊接是利用原子受激辐射的原理，使工作物质受激励而产生的一种单色性高、方向性强、亮度高的光束。它是经过光学系统会聚成很小的、高能量的光点，作为一高能量密度的热源进行焊接的一种方法。把激光束聚焦到焊件上，光能被焊件吸收后转换成热能，在焦点处产生数万度高温，使金属瞬间熔化，冷却凝固后形成焊接接头。6.1焊接过程控制特点2024/2/2125激光焊的特点①激光束能量密度很高，焊速快，热影响区和焊接变形很小，尺寸精度高。在大气中焊接，也不需外加保护，就能获得高质量焊缝。②可焊多种金属、合金、异种金属及某些非金属材料。如各种钢材、铜、铝、银、钼、镍、钨以及玻璃钢等的焊接。③激光可透过透明材料对封闭结构内部进行无接触焊接(如电子真空管、显像管的内部接线等)。④可焊接直径为1mm的金属丝到厚度为50mm的板材。⑤激光焊设备投资大，养护成本高，焊机功率受限。⑥对激光束波长吸收率低和含有大量低沸点元素的材料一般不宜采用。6.1焊接过程控制特点2024/2/2126激光焊接设备由激光器、光学系统、电气系统及高精度控制多坐标工作台等四个主要部分组成，如图6.7所示。激光焊机组成

6.1焊接过程控制特点2024/2/21273.电渣焊控制特点电渣焊是利用电流通过液态熔渣产生的熔渣电阻热作为热源熔化母材和电极(填充金属)，利用熔渣保护熔池进行焊接的熔焊方法。电渣焊可以一次焊透很厚的工件，生产率高，并且焊缝缺陷少。但要求焊缝为垂直或近似垂直位置，接头冲击韧性较低。6.1焊接过程控制特点2024/2/2128电渣焊工作的全过程包括：1）焊前准备(工件备料及装配，焊接工卡具准备、焊前设备调试等)。2）焊接过程的操作(引弧造渣阶段。正常焊接阶段、引出阶段)及工艺参数的控制。电弧产生→焊剂熔化形成渣池→电弧熄灭、熔渣导电产生电阻热→金属熔化形成熔池→凝固结晶、形成焊缝。3）焊后工作(割去起焊槽、引出板、装配后及时进炉，进入热处理工序)。2024/2/2129电渣焊时除开始阶段有一个电弧过程外，其余均为稳定的电渣过程，故与埋弧焊有实质的区别，此外，电渣焊总是以立焊方式进行，不能平焊。液态熔渣既是焊接热源，又是熔池的良好保护层，其保护作用比埋弧焊的更强。电渣焊的熔渣需有一定的导电性，故有专用的电渣焊焊剂。但有的埋孤焊焊剂如焊剂-431也可用于电渣焊。6.1焊接过程控制特点2024/2/2130各种形式电渣焊焊接过程示意图1—工件；2—熔池；3—渣池；4—导电嘴；5—焊丝；6—强迫成型装置；7—引出板；8—金属熔滴；9—焊缝；10—引弧板；11—板极；12—导电丝；13—熔嘴；14—导电板；15—涂料管极6.1焊接过程控制特点2024/2/2131焊接质量：采用焊接工艺制造产品的焊接接头满足产品设计要求的使用性能的程度。（1）直接焊接质量：现阶段无法在线和实时直接检测和控制。一般性能：力学性能、内外部缺陷、产品焊后几何尺寸等。特殊性能要求：抗腐蚀、抗高温、导电导磁性能、抗辐射性能、记忆性能等。6.2焊接质量自动控制必要性6.2.1焊接质量的概念2024/2/2132（2）间接焊接质量：可在线和实时直接检测和控制。在焊接过程中能够被焊工的感官或特制的传感器检测到的，间接地决定直接焊接质量的有关因素。与焊接过程稳定性有关的：引弧稳定性、燃弧电流和电压、送丝速度、弧长、干伸长、熔滴过渡、飞溅、气体保护等。与力学性能有关的：准确的焊缝起始点和终止点、焊缝对中、熔宽、熔深、熔透、余高、热影响区尺寸与组织等。6.2焊接质量自动控制必要性2024/2/2133焊接产品投产前，未获得产品要求的直接焊接质量，需做大量前期准备工作，确定焊接参数和条件，如图6.9。6.2.2焊接质量检测与控制的必要性6.2焊接质量自动控制必要性2024/2/2134图6.9确定焊接条件及参数的焊前准备环节图6.2焊接质量自动控制必要性但这并不表示就可获得满意的焊接质量。在实际焊接过程中可能会出现许多无法预知的干扰因素，主要有：1、实际焊接工件产生的干扰因素：工件形状精度；组装精度；对缝或坡口加工精度；预焊点等

2024/2/21352、焊接过程出现的干扰因素：（1）焊接电弧形状、电弧斑点运动（2）网络电压波动、导电嘴接触状况引起I变化，热输入变化（3）焊枪运动过程，引起弧长变化、焊缝对中变化及焊枪速度变化（4）工件结构或家具固定引起局部导热状态变化（5）送丝，送丝偏离，阻力变化引起送丝速度变化。（6）焊接变形引起对缝间隙变化，错边，电极与工件距离变化（7）焊工疲劳所以，在选用合理的焊接参数和条件后，必须在焊接过程中采用实时焊接质量检测与控制来达到控制目的。6.2焊接质量自动控制必要性2024/2/2136直接焊接质量由焊接接头冶金和力学行为决定，无法在焊接过程进行直接实时检测和控制，只能通过检测与控制间接焊接质量因素以达到在一定程度上保证直接焊接质量的目的。间接焊接质量均可成为实时传感与控制对象。间接焊接质量的实时传感与控制可在一定程度上抵消或补救干扰因素的破坏，但是焊后的非破坏性实验或破坏性实验也是必要的。若焊后检验不合格，需分析并提出改进意见，再进行焊接，在焊后检测，直至焊接质量达到要求的指标。所以焊接生成过程存在两个质量检测与控制系统：一是在线实时检测与控制系统，二是离线直接焊接控制系统。6.2焊接质量自动控制必要性6.2.3焊接质量传感与控制对象2024/2/2137图6.10传统焊接生产过程焊接质量控制环节框图传统过程：某些间接质量实时检测是由焊工完成，影响较大6.2焊接质量自动控制必要性2024/2/2138图6.11现代焊接生产过程焊接质量控制环节框图

现代：实时检测由人工智能系统完成。6.2焊接质量自动控制必要性2024/2/21391.焊接过程传感必要性焊接质量是焊接过程的结果，决定于焊接过程。满意的焊接过程必需以研究和发展自动化、智能化焊接过程控制系统为基础，而焊接传感器作为焊接过程控制系统重要组成部分，其作用主要有两个方面：

（1）焊接过程的自动跟踪是实现焊接自动化的前提，是提高焊接质量、改善劳动条件、提高生产率的关键问题。传感器的作用越来越重要。（2）焊接质量的实时控制实时监测焊接过程坡口形状，及时调整焊接参数，保证良好的焊接质量。6.3焊接过程传感与控制6.3.1焊接过程传感器的作用2024/2/21402.焊接过程传感器的定义和分类所谓传感器，应该是一个完整的测量装置，它能将被测的物理量（非电显）转换为与之有确定对应关系的有用的电量（电阻、电容、电感、电压）输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。焊缝自动跟踪系统包括传感器、控制器和执行机构组成。传感器是整个系统中的关键部分，在检测过程中，环境恶劣，受到各种干扰，如弧光、高温、烟雾、飞溅等，对传感器可靠性、精度等提出很高的要求。

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2141在电弧焊中，焊接传感器按照使用目的，可分为三类：第一类传感器主要用于检测构件位置、坡口位置或焊缝中心线位置以达到焊缝位置自动跟踪的目的，简称为焊缝位置自动跟踪传感器。它约占焊接传感器使用总量的80％。第二类传感器主要是在焊接过程中用以自动检测焊接条件（例如坡口尺寸等）以实时自动控制焊接工艺参数来适应每一时刻的焊接状况，称为焊接条件实时跟踪传感器。它仅占焊接传感器使用总量的10％。第三类传感器可同时完成上述两项功能，它仅占焊接传感器使用总量的10％。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2142图6.12焊缝跟踪传感器的类型

6.3焊接过程传感与控制跟踪传感器也可分为直接电弧式、接触式和非接触式3大类。按传感方式可分为附加式传感器和电弧传感器两大类2024/2/2143电弧传感器的基本工作原理：当电弧位置变化时，电弧自身电参数相应发生变化，从中反映出焊枪导电嘴至工件坡口表面距离的变化量，进而根据电弧的摆动形式及焊枪与工件的相对位置关系，推导出焊枪与焊缝间的相对位置偏差量。电参数的静态变化和动态变化都可以作为特征信号被提取出来，实现高低级水平两个方向的跟踪控制。6.3焊接过程传感与控制图6.13电弧传感器示例图2024/2/2144电弧传感器的特点：最大优势在于它的抗弧光、高温及强电磁能力很强，同时它与焊接电弧总是统一的整体，结构简单紧凑，响应速度快，成本也较低，目前得到了广泛的应用。但是，它只适用于角焊缝、开坡口对接焊缝和窄间隙焊缝，这些接头形式的共同特点是具有对称侧壁。而对于那些无对称侧壁或根本就无侧壁的接头形式，如搭接接头、不开坡口的对接接头等形式，现有的电弧传感器则不能识别。这使电弧传感器焊缝跟踪系统在生产中的应用受到限制。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2145典型的接触式焊缝跟踪传感器是依靠在坡口中滚动或滑动的触指将焊枪与焊缝之间的位置偏差反映到检测器内,并利用检测器内装的微动开关判断偏差的极性，除微动开关式外，检测器判断偏差的极性和大小的方法还有电位计式、电磁式和光电式接触传感器适用于X型、Y型坡口窄间隙焊缝及角焊缝等有可靠接触面的场合。6.3焊接过程传感与控制图6.14接触式传感器示例图2024/2/21466.3焊接过程传感与控制该系统结构简单，操作方便，价格便宜且不受电弧烟尘及飞溅等干扰，也是目前使用比较广泛的一种焊缝跟踪传感器。存在的问题是：对不同的坡口需要不同的探头；探头磨损大，易变形；点固点障碍难以克服，不适于高速焊接。接触式焊缝跟踪传感器的特点2024/2/2147图6.15激光视觉传感器示例图视觉传感器具有获取信息量大、灵敏度高、测量精度高、响应快、与工件无接触等特点，并结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了弧焊机器人的外部适应能力。6.3焊接过程传感与控制2024/2/21481.焊接过程控制的内容（1）焊接过程程序控制利用控制装置代替操作人员实现焊接过程的系列程序操作。如自动TIG焊整个焊接过程只需按启动按钮即可全部完成。（2）焊接过程电弧稳定性控制包括恒定参数控制和熔滴过渡控制。恒定参数控制通过保证主要焊接参数稳定的方法，来确保焊接过程稳定和焊接质量。不同焊接方法参数也不同。主要包括焊接电流I、弧长L、焊接速度V等。熔滴过渡控制是通过采用合适的熔滴过渡形式和控制方式，使熔滴平稳而均匀的过渡到熔池，确保焊接过程稳定和焊缝成形良好的焊缝质量。6.3焊接过程传感与控制6.3.2焊接过程自动控制系统2024/2/2149（3）焊缝位置自动跟踪控制以电弧（焊枪）相对于焊缝（坡口）中心位置的偏差作为被调量，以焊枪与工件的相对位移量作为操作量，实时调整其相对位置，使之准确的对中焊缝。经常要去调节焊枪左右位置和上下高低位置。（4）焊接条件实时跟踪控制焊接过程中实时检测焊件坡口状况，如宽度、深度、面积等以及检测焊接熔池的状况如熔宽、熔深和背面焊道成型等，以便实时调整焊接参数，保证良好焊接质量。如检测焊缝宽度调整焊接电流和焊接速度等。6.3焊接过程传感与控制2024/2/21502.焊接过程自动控制系统组成（1）焊接自动控制主要目的①提高焊接生产效率。②保持焊接参数一致及提高焊接质量稳定性。③使焊接生产实现柔性自动化。④改善劳动安全卫生条件。⑤增强生产管理的计划性和可预见性。⑥可准确预算材料的消耗量和生产成本。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2151（2）一般焊接自动控制系统的组成特点：a、由负反馈构成闭环控制b、由偏差产生控制作用，使系统沿着减少或消除偏差的方向运动。不管什么原因引起被控量偏离给定值而产生偏差，就有相应的控制作用产生并纠正偏差，使被控量趋近或恢复到原来要求值。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2152图6.16焊接过程自动控制系统6.3焊接过程传感与控制a、监测系统：包括测量被控对象状态的传感器及其相应的信号转换装置。b、比较器：将监测系统所输入的电信号与理想设定值进行比较以求出被控对象实际状态的偏差。通常与控制器合二为一，即完成比较任务又完成控制器任务。c、控制器：对实际值和理想设定值之间的偏差进行运算，从而求出恰当的信号传送到执行机构。线性系统中：如按P、PD、PID方法进行运算，实现反馈控制。非线性系统中：采用非线性控制器运算。d、执行机构：根据控制器的信号驱动被控对象以纠正其状态上的偏差，是执行系统控制命令的执行元件。任务是将信号转换成轴上的角位移或角速度变化，并驱动控制对象的运转。可能是急性、电器和液压等不同装置。e、被控对象：可能是电弧的电参量或其运行轨迹，电焊焊接条件或熔核大小、熔池尺寸等。组成：2024/2/2153电弧过程包括起弧、燃弧和收弧三个内容。起弧和收弧过程由设备及相应控制程序保证。燃弧过程稳定性受很多因素干扰，需要对影响因素进行传感和反馈控制，以保证正常燃弧过程。6.3焊接过程传感与控制6.3.3非熔化极氩弧焊弧长控制2024/2/2154

图6.17TIG焊电弧电压与电弧长度的统计关系6.3焊接过程传感与控制1.电弧电压传感弧长控制电弧电压传感弧长控制法是指利用电弧长度与电弧电压之间有较好的正比关系，通过电弧电压来控制电弧长度。2024/2/2155电弧电压信号的提取方法是用一根导线接工件，另一根导线接到焊枪上尽量靠近电弧的一点（如图6.18所示），通过这两根导线则可提取到电弧电压信号。将提取的电弧电压信号送到AVC控制器，进行数据处理，AVC控制器向焊枪垂直运动机构发出指令，按处理结果进行弧长调节，直至提取到的电弧电压信号与给定电弧电压信号的偏差为零。图6.18电弧电压法弧长传感与控制系统示意图

6.3焊接过程传感与控制2024/2/21562.弧光传感弧长控制弧光传感弧长控制法是指利用弧光总强度与弧长之间的定量线性关系，通过弧光总强度来控制电弧长度。图6.19光总强度与弧长之间的统计关系。图6.19弧长与电弧总光强的统计关系

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2157图6.20弧光传感弧长控制系统示意图

6.3焊接过程传感与控制控制原理：电弧长度发生变化，弧光长度也发生相应变化，弧光传感器将监测到的弧光总强度转换为电压信号，经过采用与放大电路处理，送到控制器进行比较、分析、判断，向焊枪调节机构输出调节方向和调节量的指令，焊枪运动机构执行调节，直至弧长被控制在所要求的长度为止。2024/2/2158弧光传感器任务为进行光电转换，并能较准确的检测出弧长信号。可利用光电三极管实现。需要特别考虑：弧光强度的动态变化范围应处于弧光传感器线性工作段，以保证灵敏度。安放位置应使传感器断头与电弧间距在100-300mm之间，传感器轴向与工件间夹角在15-45°之间。弧光传感器的冷却与保护。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2159熔滴过渡稳定是熔化极焊接过程稳定的前提，也是决定焊缝成形是否均匀、飞溅多少、焊缝内部缺陷是否合格的重要因素。MIG/MAG熔滴过渡方式主要有短路过渡和自由过渡（主要是射滴过渡）。

6.3焊接过程传感与控制6.3.4熔化极电弧焊熔滴过渡控制2024/2/2160短路过渡6.3焊接过程传感与控制熔化极短路熔滴过渡控制短路熔滴过渡实质是利用电弧热将焊丝端头加热、熔化，形成悬挂在焊丝端头的熔滴后，通过熔滴与工件上熔池的接触（即短路），而将焊丝熔化金属过渡到焊缝中去。形成条件：U较低，I较小2024/2/2161形成原因：细丝气体保护焊（φ0.8-0.6mm）时，在小电流、低电压情况下，焊丝端部在电弧热作用下形成熔滴，由于弧长短，熔滴还没有完全长大就接触到了熔池，导致电路短路并产生熄弧，然后在重力、表面张力、电磁力等各种力的作用下，熔滴离开焊丝，使电路短路中断，电弧重新引燃。随焊丝继续送进和熔化，不断重复上面的过程，就能实现稳定的短路过渡。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2162焊接特点：熔滴过渡频率高，电弧稳定，飞溅少、熔深浅、焊缝成形美观，适合于薄件的全位置焊接。影响因素有：焊丝干伸长变化、焊接速度变化，必须通过实时传感和反馈控制解决，以保证熔滴过渡温度。可用来控制熔滴过渡稳定性的电弧传感信息有：熔滴过渡瞬时电弧电压变化、熔滴短路后因缩颈逐渐变细而形成的短路电压变化率变化、液态金属桥断开瞬间的电弧电压变化等。6.3焊接过程传感与控制2024/2/21631）多外特性控制方法多外特性控制方法是利用一种特殊焊接电源来实现的。它拥有两组输出外特性，一组为下降外特性，另一组为上升外特性，如图6.21所示。焊接过程中，焊接电源工作状态可根据熔滴过渡控制需要利用电子控制电路，快速切换外特性。图6.21一个焊接电源的两套外特性曲线

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2164整个控制系统的目的是使焊丝熔化金属，通过短路过程平稳而均匀地过渡到溶池，焊缝成形良好、飞溅很小。达到这一目的的动作过程（图6.22）都是由电弧本身传感的电弧电压信息来决定和指挥的。6.3焊接过程传感与控制优点：稳定性明显提高，焊缝成形明显改善，飞溅显著降低。2024/2/2165焊丝端头被电弧加热、熔化，形成一定体积的熔滴，随着熔滴不断增大及焊丝连续送进，熔滴与熔池接触，电弧短路，电弧熄灭，电弧电压等于零（1点），此时外特性由上升转换为陡度较大的下降特性，焊接电流随之减小到较小水平。经过一段时间延时，熔滴在表面张力作用下形成缩颈，焊接电压由陡度较大的下降外特性转换为陡度较小的下降外特性，短路电流迅速升高（2点），产生大电磁收缩力，使缩颈进一步变细。变细到一定程度就断开，细颈阻抗变化率显著增大，使电压变化率显著增大，增大到3点，由低陡度变为高陡度特性，短路电流下降到很大数值，缩颈在电流很低的条件下平静断开，避免产生飞溅。断开同时，电极两端电压急速上升引燃电弧。使电源特性变为上升特性。6.3焊接过程传感与控制图6.22多外特性控制法原理短路期间：焊接电源下降外特性组工作。燃弧期间：焊接电源上升外特性组工作。2024/2/21662）表面张力控制方法（STT方法）

飞溅最主要原因是短路后，形成小桥，此时较大的短路电流经过逐渐变细的小桥产生较大的电阻热，使小桥剧烈汽化、爆断，产生飞溅。

STT可消除飞溅。实质是在焊丝与熔池直接形成液态金属小桥后，将流经小桥的电流尽量降低，不造成小桥汽化和爆断的条件，充分创造出让表面张力拉断小桥的条件。

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2167图6.23STT法控制过程示意图6.3焊接过程传感与控制

STT法具体控制过程：2024/2/2168t0-t1：基值电流工作，形成熔滴t1：短路，电压0，电流10A，不形成缩颈，表面张力作用下润湿，熔滴摊开。t2：电流上升，施加较大的电磁力，形成缩颈并逐渐变细，t3：缩颈断开瞬间，电流瞬间下降，电磁收缩力减弱，缩颈靠表面张力自动破断。t4：缩颈断裂，电压向空载电压变化，恢复到引弧电压，重新引弧。t5：提供大电流，产生较大热量，使焊丝端部熔化产生新熔滴。t6：较大电流以对数形式下降，抑制搅拌引起的飞溅t7：下降到基值电流水平，重复。6.3焊接过程传感与控制2024/2/21693）实时回抽焊丝表面张力控制方法不回抽时，焊丝连续送进对缩颈产生压缩作用，阻止缩颈自动破断。当表面张力破断作用大于压缩作用时，缩颈才能被表面张力自动拉断。否则失稳破断，即非表面张力破断，效果不好。所以产生了回抽式STT。表面张力拉断缩颈的过程实际上是一种液态圆柱体的失稳自动破断过程。当材料种类、温度、周围介质、液态物质质量、与固态物体接触面积等条件一定时，则主要决定缩颈稳定的条件是r/l（缩颈直径r与缩颈长度l的比）。这两个外界影响因素就是缩颈长度和缩颈最小直径。一般r是决定于施加电流量提供的电磁收缩力大小，但电流一般较小。所以外界影响条件主要是缩颈长度L。所以在一定条件下，存在一个缩颈失稳破断极限长度值[L]，L≥[L]，自动破断。实时回抽法就是通过焊丝以满足条件，更容易实现可靠表面张力过渡焊接过程。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2170图6.24焊丝瞬时回抽对缩径失稳影响的示意图大量工艺实验证明，实时回抽焊丝表面张力控制方法不但可以显著降低飞溅率，而且可以在较低的平均电流区间获得稳定的、低飞溅率的短路过渡过程和较满意的焊缝成型。6.3焊接过程传感与控制2024/2/21712.熔化极自由熔滴过渡的传感与控制（1）弧光传感脉冲电流稳定射滴过渡适时控制方法建立弧光信号和熔滴过渡过程对应关系，如图6.25.弧光强度下凹信号是熔滴过渡的特征信号。图6.25熔滴过渡弧光信号与熔滴过渡过程的对应关系6.3焊接过程传感与控制2024/2/2172实验研究表明：稳定的射流过渡是在电流值达到某一射流过渡临界电流值后（不同焊接直径，临界焊接值不同）产生的。但在提高电流达到临界电流后，并不能直接产生射流过渡，而是先产生一个或数个射滴过渡，然后再很快由射滴过渡转变为稳定的射流过渡。同时发现熔滴过渡弧光信号与熔滴过渡过程的对应关系如图6.25所示，其中弧光强度下凹信号是熔滴过渡的特征信号。采用弧光传感器受控稳定射滴过渡闭环控制的过程，如图6.26所示。图6.26弧光传感熔滴过渡控制示意图

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2173（2）弧光传感附加惯性力稳定射滴过渡控制方法熔滴形成靠电弧的加热，而熔滴过渡主要由函数瞬时快速回抽动作对熔滴施加的惯性力完成。6.3焊接过程传感与控制2024/2/21741．电弧传感焊接对缝跟踪控制电弧传感焊接对缝跟踪控制是利用焊接电弧本身（U、I、弧光辐射、电弧声等）提供有关电弧轴线是否偏离焊接对缝的信息，实时控制焊接电弧，从而始终跟踪焊接对缝。

那么如何从焊接电弧参数的变化中获知电弧相对焊接对缝位置是否偏离的信息呢？6.3.5焊缝自动跟踪传感与控制6.3焊接过程传感与控制2024/2/2175通过电弧在焊接坡口中相对焊接对缝的摆动所引起的电弧焊接电流的变化，可得到摆动电弧的中心是否偏离对缝的信息。根据焊接电弧的物理概念可知，当电弧电源电压为缓降输出特性、焊丝等速送进时，焊接电弧具有较强的弧长自身调节作用（即电弧自身调节）。当导电嘴端面与工件表面的间距H发生变化时，电弧长度l因自身调节作用保持基本不变，而焊丝伸出长度L将产生与H相对应的变化。因弧长基本保持不变，其阻抗也基本不变，H的变化所引起的电弧电流变化则主要是由焊丝伸出长度变化所带来的阻抗变化来决定。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2176当焊枪在V型坡口中进行摆动扫描并同时沿焊接方向运动时（图6.28），电弧将一方面沿焊接方向作正弦曲线轨迹运动，另一方面沿V型坡口边缘运动，结果产生H、电弧电流I及喷嘴—工件电压UH的周期性变化。图6.28焊枪在V型坡口中摆动时电弧运动情况这种方法必须通过电弧的横向摆动才能获得电弧是否偏离焊接对缝的信息。优点：电弧即是传感器、便于实时跟踪控制、不受弧光等影响，适用焊接接头广。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2177图6.29焊枪沿V型坡口摆动时L、I及l的周期性变化6.3焊接过程传感与控制当弧长变大（电压变大），工作点左移，电流减小。反之，弧长减小，电流变大。2024/2/21782．视觉传感焊接对缝跟踪与控制焊工在焊接过程中判断所需信息大部分是视觉信息。（1）控制原理视觉传感器的功能是把光学图像转换成电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、激光、X射线、红外线、紫外线或电子轰击等）转换为按时序串行输出的电信号——视频信号，而该视频信号能再现入射的光辐射图像。固体视觉传感器有三种：a、电耦合器件（CCD）b、MOS图像传感器（自扫描光电二极管阵列SSPA）c、电荷注入器件（CID）6.3焊接过程传感与控制2024/2/2179视觉传感器摄取的图像经空间采样和模数转换后变成一灰度矩阵，送入计算机存储器中，称为数字图像。由于摄取原始图像过程中受各种条件限制和干扰，所以要对其进行图像变换、增强或恢复等预处理，从而过滤噪声、校正灰度和畸变等。经预处理后的数字图像，可借助快速傅里叶变换、小波变换、概率统计等数学工具进行分析和理解、特征提取和模式识别，再根据一定的控制算法产生相应的控制量，发送到执行机构，从而实现对焊缝的跟踪。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2180目前在焊接中应用较广的是CCD摄像机(如图6.30)，它具有光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体积小、重量轻、低电压、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、可以长时间工作于恶劣环境、便于进行数字化处理和与计算机连接等优点。图6.30CCD摄像机结构示意图6.3焊接过程传感与控制2024/2/2181（2）视觉传感类型a、主动光视觉使用特定的辅助光源，向工件透射特种光束、光面或编码图形，然后CCD拍摄焊接区图像，获取信息。采用外加辅助光源并基于三角测量原理。分为结构光法（采用单激光）和激光扫描法（采用扫描激光束）。结构光法原理：激光源发出的光经过经过圆柱透镜形成一个平面光照射在工件表面上，焊缝上形成一条宽度很窄的光带，光带经过反射或漫发射，通过带通滤光片，把不需要的波长光过滤掉，最后进入CCD摄像机成像。激光扫描法原理：6.3焊接过程传感与控制2024/2/2182图6.32三角测量原理图在实际应用中，采用外加辅助光源并基于三角测量原理(如图6.32)的方法，即主动光视觉应用更为广泛。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2183b、被动光视觉不使用辅助光源，直接用CCD拍摄在弧光或普通光源背景下的焊接区图像。主要是采用电弧光作为光源，CCD直接摄取焊接熔池图像，通过图像处理检测出熔池中心位置，并将焊接熔池中心位置和焊炬位置的偏差送入控制器，控制之下结构调整偏差，直至偏差消除为止。电弧光太强，而焊接熔池热辐射相对较弱，熔池内部信息易被图像噪声淹没，所以需采取以下措施：a、采用特殊滤光片或遮光方法；获得较清晰的焊接区图像。b、采用滤光片与瞬时降低电流取象的方法获得较清晰的焊接区图像。c、采用激光频闪摄像法获得较清晰的焊接区图像。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2184图6.31焊接区图像传感焊接对缝跟踪控制原理图

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2185c、红外热传感焊接对缝跟踪控制基于对焊缝区表面温度场热像对称性的检测来实现实时跟踪控制的。电弧正对焊接对缝时，焊接对缝两侧的工件表面温度分布状态对称，反之，温度分布不对称，而且温度分布不对称的程度与电弧偏离焊接对缝的程度有直接的关系。熔池及其周围的温度分布一般用等温线组成的温度场描述，而温度场伴随有红外辐射，故采用非接触红外辐射的测温方法可以实时检测到熔池周围金属的表面温度场。

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2186如何量化偏离程度？等温线半径比较法。从热象图的标定电弧中心位置向电弧运行的后方，在与电弧行走路径成45°夹角的方向引出两条直线，并将与某一条等温线在两侧相交，形成两个线段。如果等长，则说明表面温度场是对称的，电弧未偏离。若不等长，偏离，较长线段一侧是电弧偏离对缝的一侧，较短线段是对缝偏离电弧的一侧。其差值大小代表电弧偏离程度。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2187焊接条件实时跟踪传感与控制是对焊道形状（高度和宽度）、背面焊形状、熔透深度、容敷量等控制量实施检测和控制。控制参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度和电弧位置。焊缝尺寸是决定焊接接头强度及有关性能的重要因素，因此也是焊接质量控制的重要内容。

6.3焊接过程传感与控制6.3.6焊缝溶透与熔深的传感与控制2024/2/2188

图6.38焊缝尺寸控制的主要内容

6.3焊接过程传感与控制焊缝尺寸主要包括焊缝宽度B，焊缝熔深H或熔透b（用焊缝背面宽度来表示），焊缝余高h（亦称焊缝加强高）如图6.38所示。2024/2/2189熔池振荡法溶透与熔深的传感与控制根据液态物体体积与液面自然振荡频率之间的关系，实现从熔池正面来检测熔池的熔透或熔深，从而达到控制它们的目的。全熔透焊接时，熔池自然振荡频率将由液态金属的表面张力、材料密度及熔池金属体积所决定，而熔池金属体积则由工件厚度及正反面熔池宽度（B和b）决定。稳定焊接过程中，一些随机干扰熔透的因素引起B的变化较小，而引起b的变化较大。若材料一定（表面张力、材料密度一定）、工件厚度一定，则b的而变化主要决定着熔池金属体积的变化。熔池液态金属振荡频率与反面熔宽之间的关系为f透=K透/b6.3焊接过程传感与控制2024/2/2190通常f透=10-100Hz。因此，通过从熔池正面检测和控制f透可间接获得并控制b，即实现焊缝熔透控制。焊接过程中，采用基值电流加热工件形成一定体积的熔池，在基值电流之上再施加瞬时激振脉冲电流激起熔池振荡，从而产生弧长变化及弧光强度的变化，利用弧长与弧光强度或弧长与电弧电压直接正比关系，以提取弧光强度或电弧电压信号实现控制。只要频率确定，反面熔透即可确定。熔透控制：频率范围较低，幅值较高；熔深控制：频率范围较高，幅值较低；6.3焊接过程传感与控制2024/2/2191在基值电流之上间断地施加瞬时激振脉冲电流激起熔池振荡的方法中，比较成功地应用于生产的方案为“检测熔池谐振实现熔透与熔深的控制”。图6.30为熔池谐振方案的原理示意图。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2192图6.39熔池谐振方案原理示意图6.3焊接过程传感与控制2024/2/21932.熔池图像法熔透与熔深的传感与控制熔池图像法熔透与熔深传感控制方案的提出是基于焊工在焊接时，就是根据通过焊接面罩观察熔池图像，获得熔透与熔深信息的，通过手工操作，控制电弧位置、角度、运行速度等，达到控制熔透与熔深的目的。图6.40反映熔透的二维图像几何特征参量6.3焊接过程传感与控制2024/2/2194频闪高速摄影熔池图像法熔透传感与控制：频闪高速摄影机捕捉的熔池图像送到计算机，通过专门的软件进行图像处理，可实时地得到清晰熔池边缘图像。通过实际焊件的大量试验分析获知，二维熔池图像的熔池长度l及拖尾夹角θ与焊缝熔透（焊缝反面熔宽b）（图6.40）有良好的对应关系，故取l与θ作为反映熔透的二维熔池图像的几何特征参量。利用神网络原理，通过试验得到大量熔池二维图像l、θ及焊缝反面熔宽b的数据，对神经网络模型进行训练学习，最后得到能准确反映熔池二维图像几何特征参量（l、θ）与焊缝熔池背面熔宽b关系的神经网络模型。只要实时检测到l与θ，作为模型的输入参量，就可以实时地得到输出参量b。6.3焊接过程传感与控制2024/2/21953.熔池红外检测法熔透与熔深的传感与控制焊接时，接头各区的温度不同，所发出的辐射量不同。由于温度不同的金属所发出的红外线波长也不同，故可通过选取适当的波长范围，滤去所有低于一定温度的辐射能，而仅仅检测熔化和接近熔化金属发出的辐射能。基于此原理，采用对红外光谱段敏感的热释电型红外传感器，与特定的滤光器结合，配合电路上模拟和数字滤波，可以成功地监测焊缝的熔透情况。根据以上原理建立的焊缝熔深红外控制系统框图见图6.41。6.3焊接过程传感与控制2024/2/2196图6.41红外检测微机TIG焊熔深控制系统框图

6.3焊接过程传感与控制2024/2/2197典型应用简图图6.42TIG焊熔透系统应用简图6.3焊接过程传感与控制2024/2/2198一、厚壁管全位置焊接变增益PID弧长调节的必要性全位置TIG管在焊接过程中，由于钨极的烧损、前道焊缝的成型、熔池变化、焊件几何形状及全位置空间变化等因素的影响，只有采用弧长调节功能，才能维持电弧长度的恒定。弧长过短，则电极和工件容易短路而损坏电极，也会使电极金属落进熔池造成夹钨；弧长过长，电弧的有效加热面积增大，使熔深减小，熔宽增加，从而影响焊缝成型。使用脉动添丝时，弧长调节的重要性就更为突出。6.4焊接过程智能控制6.4.1常规控制方法在焊接中的应用2024/2/2199管道焊接弧长调节有三种方法：1、弧光传感通过测量弧光的整体光强来测量弧长，与给定值相变，差值经过一段的算法输出信号来控制弧长。2、电磁传感根据弧长变化引起电磁变化，再将电磁信号转化为电信号来控制弧长。3、弧压传感上述两种方法辅助装置复杂，使用受限。而弧压传感成本低，符合习惯，应用较广。6.4焊接过程智能控制2024/2/21100图6.43焊接电流和弧长控制系统结构图弧长调节系统的硬件组成由焊接电源、弧长调整机构、弧压信号采样系统和单片机接口电路、力矩电机驱动电路组成。6.4焊接过程智能控制2024/2/21101在本控制系统中，电机的控制是采用脉宽调制（PWM）方式进行的。位置控制是采用控制弧压来间接控制弧长的。当单片机采样到弧压偏差后，采用一定的控制算法，给定控制电压（0～5V）来控制脉宽调制芯片TL494输出脉冲的占空比，经功率放大为力矩电动机电枢上的电压来控制其转速，辅助以位控方式控制转动方向和转动与否，从而实现弧长控制（即位置控制）。力矩电动机驱动电路原理如图6-44所示。图6.44力矩电动机驱动电路原理图6.4焊接过程智能控制2024/2/21102三、弧长调节可变增益PID控制器的设计在电弧长度与弧压之间的线性关系基础上，可以用线性数字PID控制来实现弧长的自动调节。数据采集、判断和控制均由计算机完成。弧长控制应力求超调量小，而调节时间短，因而采用PID调节。连续PID控制器的理想方程为：式中，e(t)——控制器输入信号,一般为输入信号与反馈信号之差；u(t)——控制器输出信号,一般为给予受控对象的控制信号；Kp——控制器放大系数；Ti——控制器积分时间常数；Td——控制器微分时间常数。6.4焊接过程智能控制2024/2/21103随着计算机技术的发展，PID控制规律已能用微机进行简单的实现，形成所谓数字PID控制方法。用矩形积分代替连续积分的基本数字PID方程如下：化为增量式PID算式，得：6.4焊接过程智能控制2024/2/21104通过微机编程实现以上算式，即能实现PID控制功能。工程实践中所应用的PID参数整定方法很多，该系统采用扩充临界比例度法整定出PID参数的初值，即采用纯比例控制，逐渐增加放大系数，直至系统出现等幅振荡（见图6-45），并记录此时的放大系数和振荡周期，按表2-4计算PID参数。在不同的空间位置，由于重力的影响，即使在相同的输入功率下其转速也是不一样的，所以不同焊接位置的最佳PID参数是不相同的。实验在12Cr1MoV钢的钢管表面进行，管壁厚35mm，管径400mm，焊接规范为：焊接电压U=10V，焊接电流I=60A，氩气流量qv=6.5l/min。6.4焊接过程智能控制2024/2/21105图6-45系统的临界振荡过程表6-1扩充临界比例度法PID参数计算公式控制度调节规律参数Ts/TcrKp/KcrTi/TcrTd/Tcr1.50PID0.090.340.430.20s6.4焊接过程智能控制2024/2/21106测得Tcr=0.205s，Kcr=7.5，按控制度Q=1.5，选取采样周期Ts=0.018s，将表6-1中各值代入式（6-5）中，得：按Kp/Kcr=0.34，取Kp初值2.55。考虑全位置焊过程中，弧长调节的首要问题是防止钨极与工件短路，所以在调节过程中，焊枪远离工件的调节速度要快，而靠近工件的调节超调要小，并且要在两个方向弧长调节中采用不同的放大系数Kp，靠近工件调节过程的放大系数应适当小一些。同时应该考虑，该焊机全位置焊过程中不同的焊接位置的最佳PID参数是不相同的，因此，系统采用根据实时的调节情况适当改变PID控制器放大系数的方法。其基本原理是：如果调节中发现调节速度过慢，即往该方向调节困难，则应增加该方向的控制器放大系数Kp；相反则减小。6.4焊接过程智能控制2024/2/21107为改善系统的控制品质，在上述可变增益PID调节上做了一些改进，这里主要考虑三方面的情况并采取相应措施。1）采用快速控制快速控制即在偏差很大的情况下，用开关控制的方式快速调节，使系统迅速减小偏差。本控制系统设计当弧压偏差大于1.5V时，采用快速调节，即：6.4焊接过程智能控制2024/2/211082）采用积分分离的PID控制偏差较大时，在积分项的作用下，将引起系统过量的超调和不停的振荡。为此，可采用积分分离对策。本系统设计当偏差大于0.8V时，取消积分作用，即：式（6-5）取消积分项后为：6.4焊接过程智能控制2024/2/211093）采用带不灵敏区的PID控制为避免调节频繁而引起系统振荡，采用带不灵敏区的PID控制，使偏差在一定范围内不调，即：在TIG焊过程中，即使电流恒定，弧长稳定，电弧电压也要受到一些因素（如熔池的振荡、阳极斑点的漂移等）的干扰，会在一定范围内波动，确定一定范围的不灵敏区，可防止焊矩频繁调节和误调。不灵敏区不能过大，过大将使系统反应麻木，静态误差偏大；但如果太小又难以达到预期的目的。作者考虑系统调节稳定的同时，充分考虑到系统最大允许的静差，即弧长偏差的最大容忍度。经多次焊接实验，将不灵敏区定为|△u|≤0.2V。编程实现上述控制，控制软件流程图如图2-16所示。6.4焊接过程智能控制2024/2/21110图6.46弧长调节程序流程图6.4焊接过程智能控制2024/2/21111一、系统框图

采用8031单片微机的模糊控制系统硬件结构如图6.47所示。该系统主要有三部分组成，即8031单片机系统，焊接电弧取样电路和给定值电路，步进电机控制及驱动电路。图6.47微机模糊控制系统硬件框图6.4焊接过程智能控制6.4.2模糊系统理论在焊接中的应用2024/2/21112工作时，高达80V的电弧电压经双光耦隔离处理后，再经限幅器进入A/D通道，与给定的弧压值进行比较，CPU根据其偏差和偏差率，运行固化在EPROM中的模糊控制程序，由D/A输出控制信号。V/F转换器将D/A输出的模拟信号转换成频率信号，作用在环形分配器的CP端。环形分配器的方向受8031的P1口控制，其输出经光耦隔离、功率放大后控制步进电机的方向和频率。步进电机选用四相马达，可根据实际情况使其运行在双四拍或单八拍情况下。当电弧引燃后，焊枪在步进电机的带动下受到8031的控制，使焊接电弧保持在电弧电压给定值的水平上。当弧长发生变化时，该系统自动完成模糊控制过程。6.4焊接过程智能控制2024/2/21113二、设计步骤（1）模糊控制器组成本系统采用二输入单输出的模糊控制器，其结构如图6.48所示，主要由三部分组成：精确量的模糊化，模糊控制规则的构成（模糊算法器），输出信息的模糊决策。图6.48模糊控制器结构图6.4焊接过程智能控制2024/2/21114（2）语言变量的确定本设计中以电弧电压的偏差e及其偏差变化率作为输入语言变量E和C，输出控制量u作为语言变量U，分别对应三个模糊集E，C和U。为了减少超调量和避免振荡现象，保证系统的稳定性，将系统输出的偏差及偏差变化率同时作为反馈信息。E，C，U的变化范围（即论域）均设定为[-6,+6]。将E，C，U分别划分为7档，形成7个模糊子集，分别为NL，NM，NS，0，PS，PM，PL。每个模糊子集的论域为[-6，-5，…，0，…，+5，+6]。语言变量的隶属函数取为正态分布函数，即则E，C，U从属于每个模糊子集的隶属函数，如表6-2所示。6.4焊接过程智能控制2024/2/21115表6-2E，C，U的隶属度表E，C，UμE，C，U-6-5-4-3-2-10123456E1C1U1NL1.000.880.610.320.140.040.010.000.000.000.000.000.00E2C2U2NM0.610.881.000.880.610.320.140.040.010.000.000.000.00E3C3U3NS0.140.320.610.881.000.880.610.320.140.040.010.000.00E4C4U400.010.040.140.320.610.881.000.880.610.320.140.040.01E5C5U5PS0.000.000.010.040.140.320.610.881.000.880.610.320.14E6C6U6PL0.000.000.000.000.010.040.140.320.610.881.000.880.61E7C7U7PM0.000.000.000.000.000.000.010.040.140.320.610.881.006.4焊接过程智能控制2024/2/21116（3）模糊算法器模糊控制规则的选择是模糊控制器的核心，主要以人的经验为依据。本系统采用的弧长控制规则为：若弧压高于给定值，则使焊枪向下运动，差值越大，则