CN111496371A - 一种搅拌摩擦焊的压力控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，包括压力传感器和执行单元，和括模糊单元，所述模糊单元接收所述压力传感器的实时信号并将其模糊化，将模糊化后的模糊值作为模糊控制器的输入，根据模糊规则执行模糊推理，将推理后得到的模糊输出量经过模糊判决后，得到最终调整量输出到执行单元，执行单元的绝对进给量为设定进给量与最终调整量的加值。本发明能够实现对于搅拌摩擦焊的搅拌针在z方向上的精确控制，提升焊接可靠性和焊接质量。

Description

一种搅拌摩擦焊的压力控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊领域的搅拌摩擦焊的压力控制方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding，FSW)具有接头应力低、变形小、绿色、低能耗等显著特点，在铝、镁等有色金属焊接中得到越来越多的应用，FSW接头的力学性能和表面质量对焊接条件变化和焊接过程的工艺参数大小十分敏感。FSW主轴在焊接过程中会对工件施加较大的压力，焊接设备和被焊工件在下压力的作用下会发生变形，引起FSW前设定的工艺参数偏离预期值，使得在无压力控制的开环方式下，无法保证焊接工艺的稳定性。这将导致一些焊接问题：当焊接压力过小时，焊接接头无法形成致密的组织，导致接头强度降低；当焊接压力过大时，搅拌针与工件摩擦产热过高，易在接头内部形成孔洞等缺陷。因此FSW焊接过程中如何进行压力控制，降低焊接载荷的波动，对于保护焊接主轴以及提高工件焊接质量有着重要的现实价值。

FSW的压力控制主要通过下压量的控制实现，下压量是指搅拌针的轴肩垂直压入工件表面的深度。由于搅拌针安装于主轴上，搅拌摩擦焊的运动控制系统通过增减主轴轴线在z方向的进给量，达到搅拌深度调节的目的。与通用的运动控制系统类似，目前搅拌摩擦焊的闭环压力控制方法是通过PID(比例-Proportion，积分-Integral，微分-Differential)控制器控制焊接压力。

请参阅图1，PID控制器1是系统的核心，其主要的技术特征是基于模型的控制，通过压力传感器2感知实时压力，与压力参考值进行比较，输入到PID控制器1，然后输出调整量调整执行单元3。但是在搅拌摩擦焊的过程中，焊接工件表面形状变化具有不确定性，而且下压力与下压量是非线性关系，由于图1控制系统的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，这种方法在外界干扰下将无法实现快速响应的恒压力控制要求，从而引起飞边过多、试件过热问题，严重时使得搅拌针与工件垫板碰撞，损坏搅拌针。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，它能够实现对于搅拌摩擦焊的搅拌针在z方向上的精确控制，提升焊接可靠性和焊接质量。

实现上述目的的一种技术方案是：一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，包括压力传感器和执行单元，所述执行单元执行搅拌摩擦焊动作，通过与作业面垂直方向的进给向搅拌摩擦焊作业面输出压力，所述压力传感器接收作业面反馈的压力实时信号并向外输出：

本搅拌摩擦焊的压力控制方法还包括模糊单元；

本搅拌摩擦焊的压力控制方法包括如下步骤：

步骤1：所述模糊单元接收所述压力传感器的实时信号并将其模糊化；

步骤2：将模糊化后的模糊值作为模糊控制器的输入，根据模糊规则执行模糊推理，得到模糊输出量；

步骤3：将推理后得到的模糊输出量经过模糊判决后，得到最终调整量输出到执行单元，执行单元的绝对进给量为设定进给量与最终调整量的加值。

进一步的，对应所述执行单元的进给均给定一个压力参考值y_ref，所述压力传感器获取的实际值y与压力参考值的误差值为e，对e进行时间微分得到误差变化率ec，该两个值为所述压力传感器对于所属模糊单元的实时信号的输入值，有如下计算公式：

进一步的，所述模糊单元的模糊化为分别对误差值e和误差变化率ec进行转换因子转换，误差值e转换因子为ke，误差变化率ec转换因子为kec，定义误差值e的取值范围为[eL,eH],误差变化率ec的取值范围为[ecH,ecL]，ke和kec的取值为

误差值e和误差变化率ec通过下式进行模糊化：

上式中，<>表示取整运算，从而得到模糊值，其中模糊误差值为E,模糊误差变化率为EC。

进一步的，所述模糊控制器将模糊误差值E和模糊误差变化率为EC转换为误差语言值A和误差变化率语言值B的输入，根据设定的模糊规则进行模糊推理得到模糊输出量C，模糊规则库为R，对应规则库的第i条规则Ri有：

Ri＝(Ai×Bi)×Ci

模糊输出量

进一步的，模糊判决采用加权平均法通过模糊输出量C计算模糊精确量U，如下式：

其中，μ表示对应第i条规则的模糊量C的加权因子，<>表示取整操作，然后通过下式计算出向执行单元输出的最终调整量u：

u＝K_uU

其中，Ku为量化比例因子。

本发明采用了模糊控制器运用到搅拌摩擦焊的下压力控制系统，克服了现有的基于PID的控制系统抗干扰能力差的缺点。由于搅拌摩擦焊工况复杂，下压力受影响变量因素多，往往难以精确的描述系统建模，传统的控制模式下，由于响应不及时和准确，下压力控制性能不稳定，焊接质量不理想。模糊控制系统通过建立知识库，根据系统的输入参数量，形成快速控制值，对于搅拌摩擦焊这种负载时变系统具有一定的鲁棒性，实现了搅拌摩擦焊下压力的精确控制。

附图说明

图1为现有的搅拌摩擦焊的压力控制方法的流程示意图；

图2为本发明的一种搅拌摩擦焊的压力控制方法的流程示意图；

图3位应用本发明的一种搅拌摩擦焊的压力控制方法的系统的结构示意图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例进行详细地说明：

为了提高焊接质量，使得主轴在焊接过程中与工件保持恒力接触，需要系统实时地采集控制过程的状态信息，确定被控对象当前的实际工作状态，及时调整控制参数，从而保证搅拌摩擦焊接系统达到理想控制效果。

随着智能控制算法的发展，模糊理论与具有自学习和非线性映射能力的神经网络大量应用，搅拌摩擦焊中的下压力非线性预估可以模仿人大脑的运行机制，建立系统输入输出的关系模型，即使在系统模型不确定的情况下也能获得良好的结果。搅拌摩擦焊测量的下压力Fz，要求焊接进给的过程中，z轴方向上的主轴下压力值控制在参考值的附近，由于控制过程中存在多个影响因素，如工件与搅拌针的材料特性、工件表面外形、主轴转速、主轴下压深度、进给速度等，精确的搅拌摩擦焊数学模型难以建立，故适宜采用模糊控制方案。

请参阅图2，本发明的一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，包括压力传感器2、执行单元3和模糊单元4。包括如下步骤。

步骤1：输入模糊化，是指把实测压力与参考压力的偏差精确量e、ec根据转换因子转化为相应的变量——误差E、误差变化EC。

步骤2：将模糊误差值E、模糊误差变化值EC输入模糊控制器后经过模糊化成为模糊语言值A、B。模糊控制器中包含有模糊规则R和模糊推理2个核心环节，从而得到经过推理的模糊输出量C。

步骤3：最后模糊判决是把模糊输出量C转换为控制量U，再转化为用于实际控制的精确量u。

对应执行单元3的进给量均给定一个压力参考值y_ref，压力传感器获取的实际值y与压力参考值的误差值为e，对e进行时间微分得到误差变化率ec，该两个值为压力传感器对于所属模糊单元的实时信号的输入值，有如下计算公式：

模糊单元的模糊化为分别对误差值e和误差变化率ec进行转换因子转换，误差值e转换因子为ke，误差变化率ec转换因子为kec。ke、kec是量化因子。ke值影响误差值e对模糊控制器作用的大小，增大ke相当于增强了误差值对控制系统的作用，从而导致系统的超调量增大，收敛速度减慢，甚至可能导致震荡或发散；反之，减小ke，控制作用削弱；若ke过小，则可能致使系统响应时间增大，系统甚至出现较大的稳态误差。Kec值影响着误差率对模糊控制器的作用。增大Kec,相当于提高了系统的灵敏度，有助于抑制超调，但Kec过大，又不利于系统的稳定。

定义误差值e的取值范围为[eL,eH],误差变化率ec的取值范围为[ecH,ecL]，ke和kec的取值为

误差值e和误差变化率ec通过下式进行模糊化：

上式中，<>表示取整运算，从而得到模糊值，其中模糊误差值为E,模糊误差变化率为EC。该两个模糊值输入模糊控制器。

模糊控制器将模糊误差值E和模糊误差变化率为EC转换为误差语言值A和误差变化率语言值B的输入。模糊输入通过隶属度函数定义，如三角形隶属函数、正态分布隶属函数等，也可用向量表进行清晰的给定。

模糊控制器的模糊规则和模糊推理使得模糊控制器具有了推理功能，它的优劣直接关系着模糊控制器性能的好坏，是模糊控制器设计中最重要的部分。模糊规则基于专家知识或者控制专家的经验，经过反复的实验和修正，用人的直觉推理语言进行表达，用模糊语言描述被控过程的输入输出关系来得到过程的模糊模型，并给出适合的控制量。在搅拌摩擦焊中，规则库选取的基本原则是：当下压力偏差极大时候，要报警并快进或者停机；当下压力偏差较大时，模糊控制器要增大或者减小输出量以尽快地降低偏差；当偏差值较小时，输出量要适当减小或者增大以减小压力偏差。

模糊控制规则由一组if…then…结构的语句组成，形式如下：

R1：if Eis A1 and ECis B1,then Uis C1；

………

Rn：if Eis An and ECis Bn,then Uis Cn；

其中，Ri为模糊规则库R中的第i条规则。有

Ai是对应第i条规则的误差语言值A,Bi是对应第i条规则的误差变化率语言值，Ci为是对应第i条规则的模糊输出量。即

Ri＝(Ai×Bi)×Ci

为了清晰和直观的表达模糊控制规则，本发明采用矩阵表形式给出控制规则，其中列向量是E的语言变量，行向量是EC的语言变量。

模糊控制器的输出量为：

模糊判决为对模糊输出量进行精确化的过程，采用加权平均法通过模糊输出量C计算模糊精确量U，如下式：

其中，μ表示对应第i条规则的模糊量C的加权因子，<>表示取整操作，然后通过下式计算出向执行单元输出的最终调整量u：

u＝K_uU

其中，Ku为量化比例因子。最终调整量u即对于搅拌摩擦焊的z深度调节增量值，此调节值与设定值的和即得到z向的深度绝对控制值。

下面为本发明进行实际应用时的具体实施方式：

本发明针对搅拌摩擦焊工艺，可以是龙门结构或者机器人传动结构，采集的反馈下压力数据来源于传感器，安装方式如下图3，可以选择安装于刀柄或者工件安装平台。压力传感器2至少有20000N的量程；数据采集卡的动态响应要达到ms级别,以便及时获取实时数据,如基于PC机的LabView数据采集系统等。模糊单元3由信号放大器、数据采集器、和后台电脑等组成。

力传感器获取的实际值与给定参考值的误差值为e，并对时间进行微分得ec，是模糊控制器的两个输入。设模糊控制器的误差E的论域X＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}共7档，模糊子集是Ai(i＝1,2,…,7),对应语言值为{PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}，分别表示当前下压力相对于设定值为：极低、很低、偏低、正好、偏高、很高、极高；误差变化EC的论域Y＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}共7档，模糊子集是Bi(j＝1,2,3,4,5)，则相应语言值为{PB，PS，Z，NS，NB}，分别表示当前下压力变化为快速上升、上升、不变、下降、快速下降；系统输出控制量u，其语言变量为U，论域Z＝{-3,-2,-1,0,1,2,3}共7档，模糊子集是Ck(k＝1,2,3,…,7),则相应语言值为{N＝PB，PM，PS，Z，NS，NM，NB}，分别表示执行机构的进给速度为：发高速报警并停止、速度降低量大、速度降低量小、速度不变、速度增加量小、速度增加量大、发低速报警并速度最大。

如果误差e的取值范围为[-m,m]，误差变化率ec的取值范围为[-n,n],则量化因子ke、kec可取初值如下：

在确定了量化因子后，误差e和误差变化率ec可通过下式转换为模糊控制器的输入E和EC。

上式中，<>表示取整运算。

A、B、C的语言值隶属度符合三角形隶属度函数，其向量表可表示如下表1、2、3：

	-3	-2	-1	0	1	2	3
								PB A1	0	0	0	0	0.3	0.65	1
PM A2	0	0	0	0.3	0.65	1	0.6
								PS A3	0	0	0.3	0.65	1	0.65	0.3
Z A4	0	0.3	0.65	1	0.65	0.3	0
								NS A5	0.3	0.65	1	0.65	0.3	0	0
NM A6	0.6	1	0.65	0.3	0	0	0
								NB A7	1	0.65	0.3	0	0	0	0

表1模糊集合A的隶属度向量表

	-3	-2	-1	0	1	2	3
								PB B1	0	0	0	0.25	0.5	0.75	1
PS B2	0	0	0.3	0.65	1	0.7	0.4
								Z B3	0	0.3	0.65	1	0.65	0.3	0
NS B4	0.4	0.7	1	0.65	0.3	0	0
								NB B5	1	0.75	0.5	0.25	0	0	0

表2模糊集合B的隶属度向量表

表3模糊集合C的隶属度向量表

模糊控制规则需要经过专家和过程控制知识生成，如下表4控制规则为:

表4控制规则

表4中，若规则表中的第i条控制规则为：

R_i:IF E is A_i AND EC is B_i THEN U is C_i,即可得

则控制量

采用加权平均法得到模糊控制查询表5。

表5模糊控制查询表

而对于控制量u的取值范围是[uL,uH]，这比例因子ku可定义为

则模糊控制器的输出U可通过下式转换为实际的输出值u：

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，包括压力传感器和执行单元，所述执行单元执行搅拌摩擦焊动作，通过与作业面垂直方向的进给向搅拌摩擦焊作业面输出压力，所述压力传感器接收作业面反馈的压力实时信号并向外输出，其特征在于：

本搅拌摩擦焊的压力控制方法还包括模糊单元；

本搅拌摩擦焊的压力控制方法包括如下步骤：

步骤1：所述模糊单元接收所述压力传感器的实时信号并将其模糊化；

步骤2：将模糊化后的模糊值作为模糊控制器的输入，根据模糊规则执行模糊推理，得到模糊输出量；

步骤3：将推理后得到的模糊输出量经过模糊判决后，得到最终调整量输出到执行单元，执行单元的绝对进给量为设定进给量与最终调整量的加值。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，其特征在于，对应所述执行单元的进给均给定一个压力参考值y_ref，所述压力传感器获取的实际值y与压力参考值的误差值为e，对e进行时间微分得到误差变化率ec，该两个值为所述压力传感器对于所属模糊单元的所述实时信号的输入值，有如下计算公式：

3.根据权利要求2所述的一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，其特征在于，所述模糊单元的模糊化为分别对误差值e和误差变化率ec进行转换因子转换，误差值e转换因子为ke，误差变化率ec转换因子为kec，定义误差值e的取值范围为[eL,eH],误差变化率ec的取值范围为[ecH,ecL]，ke和kec的取值为

误差值e和误差变化率ec通过下式进行模糊化：

上式中，<>表示取整运算，从而得到模糊值，其中模糊误差值为E,模糊误差变化率为EC。

4.根据权利要求3所述的一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，其特征在于，所述模糊控制器将模糊误差值E和模糊误差变化率为EC转换为误差语言值A和误差变化率语言值B的输入，根据设定的模糊规则进行模糊推理得到模糊输出量C，模糊规则库为R，对应规则库的第i条规则Ri有：

Ri＝(Ai×Bi)×Ci

模糊输出量

5.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦焊的压力控制方法，其特征在于，模糊判决采用加权平均法通过模糊输出量C计算模糊精确量U，如下式：

其中，μ表示对应第i条规则的模糊量C的加权因子，<>表示取整操作，然后通过下式计算出向执行单元输出的最终调整量u：

u＝K_uU

其中，Ku为量化比例因子。

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