CN113478056B - 一种新的电弧焊接的实时弧压跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接制造领域，具体涉及一种新的电弧焊接的实时弧压跟踪方法，包括：依托弧压模块以一定的频率采集直流脉冲TIG焊接的电弧电压；提取峰值弧压并S‑G滤波，以滤波后均值作为直流脉冲TIG焊接的表征弧压；结合变异系数评价的统计学分析方法，求出弧压跟踪的上边界弧压和下边界弧压。进一步地，提出边界弧压跟踪策略，将实时弧压分别与边界弧压进行比较，在弧压模块内部设计一种二维三段模糊控制器；依据前述两种弧压比较结果，即弧压误差及其变化率，分别作为上段和下段弧压模糊控制器的输入(中段无需控制)；制定模糊控制规则表，确定弧压跟踪方向和步长，输入到运动控制单元，实现对焊接弧压实时调节。

Description

一种新的电弧焊接的实时弧压跟踪方法

技术领域

本发明涉及焊接制造领域，特别涉及一种对管板环缝机器人焊接的弧压控制方法。

背景技术

管板焊接是生产制造换热器、蒸汽发生器、冷凝器等压力容器的主要加工方式，管板接头的焊接质量直接决定压力容器的服役性能和使用寿命。管板焊接以直流脉冲TIG全位置焊接为主，接头的焊缝全为环形焊缝，群缝密集、热输入集中，热变形会影响环缝与钨极之间焊接弧长的一致性。在机器人电弧焊接加入弧压跟踪功能，可调节电弧长度，有效提高焊缝质量。然而，环缝直流脉冲TIG全位置焊接是一种多变量耦合的复杂动态过程，环缝焊接弧长波动大，当前弧压跟踪方法存在采集频率低、跟踪质量和稳定性差等缺点，难以满足大规模管板环缝机器人焊接质量要求。

专利CN 100548558 C公布了一种管件焊炬控制装置，通过弧长控制电机自动控制摆臂，以及摆臂连带的焊炬与被焊管件间的高度，从而控制电弧长度，然而该装置可焊管子直径范围有限。专利CN 101811212 B公布了一种由电压负反馈电流正反馈电路、光耦隔离电路、AD转换电路和FPGA控制电路的气电立焊弧长控制器，该发明克服了模拟控制电路的缺点。专利CN 210731316 U公布了一种通过电弧电压反馈到焊接电源，进而控制步进电机运转，从而使弧长稳定在一定高度，该方法的跟踪效果受焊机性能影响较大。专利CN200420036039.0采用单片机和PWM电路根据弧压变化计算弧长的偏差，并实现弧长的调整，然而起弧产生的高频高压对单片机的稳定工作有较大的影响。

有鉴于此，本发明专利开发了一种基于弧压模块的实时弧压跟踪方法，以解决环缝焊接电压波动大、管板热变形、钨极磨损等导致的焊接弧长一致性差的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种管板TIG焊接的实时弧长控制方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种新的电弧焊接的实时弧压跟踪方法，其特征在于：

标定步骤：对管板环缝进行焊接，弧压模块按照设定频率采集直流脉冲TIG焊接的电弧电压；提取峰值弧压并进行S-G滤波，以滤波后均值作为直流脉冲TIG焊接的表征弧压，对表征弧压采用基于变异系数评价的统计学分析方法得到弧压跟踪的上边界弧压和下边界弧压；

实时焊接步骤：弧压模块按照设定频率采集直流脉冲TIG焊接的电弧电压，得到实时弧压，将实时弧压输入至边界弧压跟踪模型，模型将实时弧压分别与标定步骤中边界弧压进行比较，模糊控制器根据两者的数值大小选择不同的模糊控制方法并确定弧压跟踪方向和步长后，对弧压进行实时调节。

在上述的用于电弧焊接的实时弧压跟踪方法，标定步骤中，滤波后均值是提取峰值弧压并进行S-G滤波后，计算的滤波后峰值弧压均值，将滤波后的弧压均值作为直流脉冲TIG焊接的表征弧压。上边界弧压和下边界弧压的获取方法是：在管板上选择m个标定环缝，求出这m个环缝的表征弧压，采用变异系数评价方法对m个环缝的表征弧压进行统计学分析，具体是：求出m个表征弧压的均值，将m个表征弧压的最大值和最小值分别与该均值作差，将最大差值作为阈值，再将该均值分别与该阈值作和与作差，确定弧压跟踪的上边界弧压V_上边界和下边界弧压V_下边界。

在上述的用于电弧焊接的实时弧压跟踪方法，实时弧压的获取方法是：收到峰值信号并延迟设定的时间T，每隔设定时间t采集n个峰值弧压的均值，对这n个峰值弧压求均值即可得到该峰值阶段的实时弧压V_实时，峰值信号表示焊接电流进入脉冲峰值阶段。

在上述的用于电弧焊接的实时弧压跟踪方法，实时弧压跟踪的具体步骤包括：

收到基值信号后，将V_实时与V_上边界和V_下边界进行比较，计算弧压误差及其变化率，将计算结果输入至模糊控制器，所述模糊控制器包括上段弧压模糊控制器和下段弧压模糊控制器，其中，实时弧压分别与上边界弧压和下边界弧压的差值为弧压误差，将弧压误差除以设定的时间t为弧压误差变化率，基值信号表示焊接电流进入脉冲基值阶段。

在上述的用于电弧焊接的实时弧压跟踪方法，模糊控制器进行模糊控制的具体方法是，将V_实时与V_上边界和V_下边界进行比较，并根据比较结果进行选择执行：

若实时弧压V_实时大于等于上边界弧压V_上边界，则将二者的弧压误差及其变化率作为上段弧压模糊控制器的输入；

若实时弧压V_实时小于等于下边界弧压V_下边界，则将二者的弧压误差及其变化率作为下段弧压模糊控制器的输入。

若实时弧压V_实时大于下边界弧压V_下边界且小于上边界弧压V_上边界，则无需控制焊枪的走向。

在上述的用于电弧焊接的实时弧压跟踪方法，所述上段弧压模糊控制器的控制方法是：

定义上段弧压的弧压误差e₁及其变化率ec₁，隶属函数库u，控制规则库R，清晰化算法fd，经过各自的量化因子k_e1和k_ec1缩放后，输入到上段弧压模糊控制器，即二维输入。模糊化模块D/F将经过量化后的弧压误差e₁和ec₁分别转换为模糊量E和EC，并由推理模块M输出模糊量U，清晰化模块F/D将模糊量U转化为清晰化步长L₁，最终经上段弧压的比例因子k_u1缩放，计算出上段弧压跟踪步长s₁。

其中，量化因子k_e1的计算步骤为，弧压误差e₁的实际取值范围为[x_min，x_max]，弧压误差e₁模糊化后的取值范围在[y_min，y_max]，量化因子k_e1计算公式为：k_e1＝(y_max－y_min)/(x_max－x_min)，同理可求量化因子k_ec1。比例因子k_u1的计算步骤为，上段弧压模糊控制器输出进给步长的范围为[l_min，l_max]，进给步长s₁的实际取值范围为[s_min，s_max]，那么比例因子k_u1计算公式为：k_u1＝(s_max－s_min)/(l_max－l_min)。

根据上段模糊控制器计算的清晰化步长L₁，经比例因子k_u1缩放后，得到实际的进给步长s₁，此时执行机构调节焊枪进给，焊枪靠近管板，焊枪与管板之间的电弧长度j被减小，焊枪坐标变为z_i+1。

在上述的用于电弧焊接的实时弧压跟踪方法，所述下段弧压模糊控制器的控制方法是：

定义下段弧压的弧压误差e₂及其变化率ec₂，隶属函数库u，控制规则库R，清晰化算法fd，经过各自的量化因子k_e2和k_ec2缩放后，输入到下段弧压模糊控制器，即二维输入。模糊化模块D/F将经过量化后的弧压误差e₂和ec₂分别转换为模糊量E和EC，并由推理模块M输出模糊量U，清晰化模块F/D将模糊量U转化为清晰化步长L₂，最终经下段弧压的比例因子k_u2缩放，计算出下段弧压跟踪步长s₂。

其中，量化因子k_e2的计算步骤为，弧压误差e₂的实际取值范围为[x_min，x_max]，弧压误差e₂模糊化后的取值范围在[y_min，y_max]，量化因子k_e2计算公式为：k_e1＝(y_max－y_min)/(x_max－x_min)，同理可求量化因子k_ec2。

比例因子k_u2的计算步骤为，下段弧压模糊控制器输出进给步长的取值范围为[l_min，l_max]，进给步长s₂的实际取值范围为[s_min，s_max]，那么比例因子k_u1计算公式为：k_u2＝(s_max－s_min)/(l_max－l_min)。

根据下段模糊控制器计算的清晰化步长L₂，经比例因子k_u2缩放后，得到实际的进给步长s₂，此时执行机构调节焊枪进给，焊枪远离管板，焊枪与管板之间的电弧长度j被增大，焊枪坐标变为z_i+1。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：能实时有效的调节焊接弧长，补偿因管板焊接变形引起的焊接距离变化，避免焊接缺陷的产生，本发明的成功实施能有效提高焊接质量，是对环缝直流脉冲TIG焊接弧长控制的有力补充。

附图说明

图1为弧压跟踪硬件组成图。

图2为峰值弧压提取及S-G滤波。

图3为边界弧压跟踪策略。

图4为Mamdani型模糊控制器基本结构。

图5为二维三段模糊控制结构。

图6为弧压跟踪的整体流程图。

具体实施方式

本发明涉及弧压信号高频采集、弧压信号S-G滤波及表征、边界弧压跟踪策略和跟踪步长模糊控制方法。在表征阶段，弧压模块以一定的频率采集直流脉冲TIG焊接的峰值弧压，采用S-G平滑滤波的方法，设定滤波阶数和滑动窗口宽度，对采集的峰值电压数据进行处理，去除弧压信号的“毛刺”。将滤波后的峰值弧压均值作为直流脉冲TIG焊接的表征弧压，采用变异系数评价的方法对若干个环缝的表征弧压进行统计学分析，确定弧压跟踪的上边界弧压和下边界弧压。在跟踪阶段，设计一种基于边界弧压的跟踪策略：脉冲峰值阶段计算实时弧压、脉冲基值阶段调整钨极位置，实现1个脉冲方波完成1次实时弧压计算和1次弧压跟踪。设计一种Mamdani型二维三段模糊控制器，计算各段弧压量化因子和比例因子，将弧压误差及其变化率作为模糊控制的输入，跟踪步长作为模糊控制的输出，通过焊枪的进给运动实现实时弧压的跟踪。

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1为弧压跟踪硬件组成图，主要由弧压模块、工控机、运动控制单元等组成。钨极对管板环缝焊接时，弧压模块以设定的频率采集弧压信号，同时，弧压模块计算实时弧压，并与工控机设定的边界弧压对比，通过弧压模块计算弧压误差及其变化率，输入到内置的模糊控制器，确定焊枪的跟踪步长和跟踪方向，实现弧压的调节。同时，运动控制单元与工控机之间亦有信号通讯，工控机生成G代码到运动控制单元，实现焊枪对环缝的定位，而且两者之间还有寄存器读写功能。

图2为峰值提取及S-G滤波，弧压模块以1000Hz的频率采集直流脉冲TIG焊接的弧压信号，脉冲周期400ms，峰值和基值持续时间各200ms。以1个脉冲的弧压信号为例，提取峰值信号，得到200个采样点，采用S-G平滑滤波方法对峰值信号进行处理，滤波阶数为6阶，滑动窗口宽度为399，并以此为基础，对所有脉冲提取峰值信号，S-G平滑滤波，进一步地，将滤波后的弧压均值作为直流脉冲TIG焊接的表征弧压。在管板上选择m个标定环缝，求出这m个环缝的表征弧压，采用变异系数评价方法对m个环缝的表征弧压进行统计学分析，求出这m个表征弧压的均值，将这m个表征弧压的最大值和最小值分别与该均值作差，将最大差值作为阈值，再将该均值分别与该阈值作和与作差，确定弧压跟踪的上边界弧压V_上边界和下边界弧压V_下边界。

图3为边界弧压跟踪策略，弧压模块收到峰值信号延迟50ms，避开弧压“毛刺”，然后每隔1ms采集1个峰值弧压，一共采集n个，n的取值与峰值时间有关，对这n个峰值弧压求均值即可得到该峰值阶段的实时弧压V_实时。弧压模块收到基值信号后，将V_实时与前述求得的V_上边界和V_下边界进行比较，计算弧压误差及其变化率(实时弧压分别与上边界弧压和下边界弧压的差值为弧压误差，将弧压误差除以前述设定的时间t为弧压误差变化率)，将计算结果输入到后续的控制器。

图4为Mamdani型模糊控制器的基本结构，u代表隶属函数库，R代表控制规则库，fd代表清晰化算法，e和ec分别为弧压误差及其变化率，k_e和k_ec为各自的量化因子，模糊化模块D/F将经过量化后的弧压误差e和ec分别转换为模糊量E和EC，并由推理模块M输出模糊量U，清晰化模块F/D将模糊量U转化为清晰量L，并在比例因子k_u的作用下输出跟踪步长s。具体到上下段，包括：

上段弧压模糊控制器的控制方法：

定义上段弧压的弧压误差e₁及其变化率ec₁，隶属函数库u，控制规则库R，清晰化算法fd，经过各自的量化因子k_e1和k_ec1缩放后，输入到上段弧压模糊控制器，即二维输入。模糊化模块D/F将经过量化后的弧压误差e₁和ec₁分别转换为模糊量E和EC，并由推理模块M输出模糊量U，清晰化模块F/D将模糊量U转化为清晰化步长L₁，最终经上段弧压的比例因子k_u1缩放，计算出上段弧压跟踪步长s₁。

其中，量化因子k_e1的计算步骤为，弧压误差e₁的实际取值范围为[x_min，x_max]，弧压误差e₁模糊化后的取值范围在[y_min，y_max]，量化因子k_e1计算公式为：k_e1＝(y_max－y_min)/(x_max－x_min)，同理可求量化因子k_ec1。比例因子k_u1的计算步骤为，上段弧压模糊控制器输出进给步长的范围为[l_min，l_max]，进给步长s₁的实际取值范围为[s_min，s_max]，那么比例因子k_u1计算公式为：k_u1＝(s_max－s_min)/(l_max－l_min)。

根据上段模糊控制器计算的清晰化步长L₁，经比例因子k_u1缩放后，得到实际的进给步长s₁，此时执行机构调节焊枪进给，焊枪靠近管板，焊枪与管板之间的电弧长度j被减小，焊枪坐标变为z_i+1。

下段弧压模糊控制器的控制方法：

定义下段弧压的弧压误差e₂及其变化率ec₂，隶属函数库u，控制规则库R，清晰化算法fd，经过各自的量化因子k_e2和k_ec2缩放后，输入到下段弧压模糊控制器，即二维输入。模糊化模块D/F将经过量化后的弧压误差e₂和ec₂分别转换为模糊量E和EC，并由推理模块M输出模糊量U，清晰化模块F/D将模糊量U转化为清晰化步长L₂，最终经下段弧压的比例因子k_u2缩放，计算出下段弧压跟踪步长s₂。

其中，量化因子k_e2的计算步骤为，弧压误差e₂的实际取值范围为[x_min，x_max]，弧压误差e₂模糊化后的取值范围在[y_min，y_max]，量化因子k_e2计算公式为：k_e1＝(y_max－y_min)/(x_max－x_min)，同理可求量化因子k_ec2。

比例因子k_u2的计算步骤为，下段弧压模糊控制器输出进给步长的取值范围为[l_min，l_max]，进给步长s₂的实际取值范围为[s_min，s_max]，那么比例因子k_u1计算公式为：k_u2＝(s_max－s_min)/(l_max－l_min)。

根据下段模糊控制器计算的清晰化步长L₂，经比例因子k_u2缩放后，得到实际的进给步长s₂，此时执行机构调节焊枪进给，焊枪远离管板，焊枪与管板之间的电弧长度j被增大，焊枪坐标变为z_i+1。

图5为二维三段模糊控制结构，根据前述边界弧压跟踪策略，上边界弧压和下边界弧压将整个弧压区间分为三段，即上段弧压(大于等于上边界弧压)、中段弧压(大于下边界弧压小于上边界弧压)、下段弧压(小于等于下边界弧压)。以此为基础，可为上段弧压和下段弧压分别加入模糊控制器，中段弧压根据跟踪策略无需控制。每段模糊控制器均采用Mamdani型的模糊控制器结构，且上段弧压的弧压误差e₁及其变化率ec₁，经过各自的量化因子k_e1和k_ec1缩放后，输入到上段弧压模糊控制器，即二维输入，上段弧压模糊控制器经模糊控制规则表输出清晰量步长L₁，最终经上段弧压的比例因子k_u1缩放计算出上段弧压跟踪步长s_上。同理，下段弧压的模糊控制与此类似，不再赘述。执行机构根据模糊控制器的跟踪方向和跟踪步长实现对弧压的实时调节。

图6为本发明提出的实时弧压跟踪方法整体流程图，首先选择标定环缝，焊接过程采集电弧电压，然后提取电弧电压的峰值弧压，采用S-G滤波方法获得平滑弧压，计算标定环缝平滑弧压的均值，并将其作为直流脉冲表征弧压，以此类推，求出m个标定环缝的表征弧压，采用变异系数评价的方法对这m个环缝的表征弧压进行统计学分析，求出标定环缝的上边界弧压和下边界弧压。对目标环缝进行焊接，当收到峰值信号后，以1ms的间隔对峰值弧压进行提取，积累到n个峰值弧压后计算均值，将其作为该段脉冲的实时弧压，当收到基值信号后，依据边界弧压跟踪策略，将实时弧压与边界弧压进行比较，分别依据上段和下段弧压模糊控制确定跟踪方向和跟踪步长，输入到运动控制单元，实现弧压的调节。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种电弧焊接的实时弧压跟踪方法，其特征在于：

标定步骤：对管板环缝进行焊接，弧压模块按照设定频率采集直流脉冲TIG焊接的电弧电压；提取峰值弧压并进行S-G滤波，以滤波后均值作为直流脉冲TIG焊接的表征弧压，对表征弧压采用基于变异系数评价的统计学分析方法得到弧压跟踪的上边界弧压和下边界弧压；

实时焊接步骤：弧压模块按照设定频率采集直流脉冲TIG焊接的电弧电压，得到实时弧压，将实时弧压输入至边界弧压跟踪模型，模型将实时弧压分别与标定步骤中边界弧压进行比较，模糊控制器根据两者的数值大小选择不同的模糊控制方法并确定弧压跟踪方向和步长后，对弧压进行实时调节；

标定步骤中，滤波后均值是提取峰值弧压并进行S-G滤波后，计算的滤波后峰值弧压均值，将滤波后的弧压均值作为直流脉冲TIG焊接的表征弧压，上边界弧压和下边界弧压的获取方法是：在管板上选择m个标定环缝，求出这m个环缝的表征弧压，采用变异系数评价方法对m个环缝的表征弧压进行统计学分析，具体是：求出m个表征弧压的均值，将m个表征弧压的最大值和最小值分别与该均值作差，将最大差值作为阈值，再将该均值分别与该阈值作和与作差，确定弧压跟踪的上边界弧压V_上边界和下边界弧压V_下边界；

模糊控制器进行模糊控制的具体方法是，将V_实时与V_上边界和V_下边界进行比较，并根据比较结果进行选择执行：

若实时弧压V_实时大于等于上边界弧压V_上边界，则将二者的弧压误差及其变化率作为上段弧压模糊控制器的输入；

若实时弧压V_实时小于等于下边界弧压V_下边界，则将二者的弧压误差及其变化率作为下段弧压模糊控制器的输入；

若实时弧压V_实时大于下边界弧压V_下边界且小于上边界弧压V_上边界，则无需控制焊枪的走向；

所述上段弧压模糊控制器的控制方法是：

步骤6.1、定义上段弧压的弧压误差e₁及其变化率ec₁，隶属函数库u，控制规则库R，清晰化算法fd，经过各自的量化因子k_e1和k_ec1缩放后，输入到上段弧压模糊控制器，即二维输入，模糊化模块D/F将经过量化后的弧压误差e₁和ec₁分别转换为模糊量E和EC，并由推理模块M输出模糊量U，清晰化模块F/D将模糊量U转化为清晰化步长L₁，最终经上段弧压的比例因子k_u1缩放，计算出上段弧压跟踪步长s₁；

其中，量化因子k_e1的计算步骤为，弧压误差e₁的实际取值范围为[x_min，x_max]，弧压误差e₁模糊化后的取值范围在[y_min，y_max]，量化因子k_e1计算公式为：k_e1＝(y_max－y_min)/(x_max－x_min)，同理可求量化因子k_ec1，比例因子k_u1的计算步骤为，上段弧压模糊控制器输出进给步长的范围为[l_min，l_max]，进给步长s₁的实际取值范围为[s_min，s_max]，那么比例因子k_u1计算公式为：k_u1＝(s_max－s_min)/(l_max－l_min)；

步骤6.2、根据上段模糊控制器计算的清晰化步长L₁，经比例因子k_u1缩放后，得到实际的进给步长s₁，此时执行机构调节焊枪进给，焊枪靠近管板，焊枪与管板之间的电弧长度j被减小，焊枪坐标变为z_i+1；

所述下段弧压模糊控制器的控制方法是：

步骤7.1、定义下段弧压的弧压误差e₂及其变化率ec₂，隶属函数库u，控制规则库R，清晰化算法fd，经过各自的量化因子k_e2和k_ec2缩放后，输入到下段弧压模糊控制器，即二维输入，模糊化模块D/F将经过量化后的弧压误差e₂和ec₂分别转换为模糊量E和EC，并由推理模块M输出模糊量U，清晰化模块F/D将模糊量U转化为清晰化步长L₂，最终经下段弧压的比例因子k_u2缩放，计算出下段弧压跟踪步长s₂；

其中，量化因子k_e2的计算步骤为，弧压误差e₂的实际取值范围为[x_min，x_max]，弧压误差e₂模糊化后的取值范围在[y_min，y_max]，量化因子k_e2计算公式为：k_e1＝(y_max－y_min)/(x_max－x_min)，同理可求量化因子k_ec2；

比例因子k_u2的计算步骤为，下段弧压模糊控制器输出进给步长的取值范围为[l_min，l_max]，进给步长s₂的实际取值范围为[s_min，s_max]，那么比例因子k_u1计算公式为：k_u2＝(s_max－s_min)/(l_max－l_min)；

步骤7.2、根据下段模糊控制器计算的清晰化步长L₂，经比例因子k_u2缩放后，得到实际的进给步长s₂，此时执行机构调节焊枪进给，焊枪远离管板，焊枪与管板之间的电弧长度j被增大，焊枪坐标变为z_i+1。

2.如权利要求1所述的电弧焊接的实时弧压跟踪方法，其特征在于：实时弧压的获取方法是：收到峰值信号并延迟设定的时间T，每隔设定时间t采集n个峰值弧压的均值，对这n个峰值弧压求均值即可得到该峰值阶段的实时弧压V_实时，峰值信号表示焊接电流进入脉冲峰值阶段。

3.如权利要求1所述的电弧焊接的实时弧压跟踪方法，其特征在于：实时弧压跟踪的具体步骤包括：

收到基值信号后，将V_实时与V_上边界和V_下边界进行比较，计算弧压误差及其变化率，将计算结果输入至模糊控制器，所述模糊控制器包括上段弧压模糊控制器和下段弧压模糊控制器，其中，实时弧压分别与上边界弧压和下边界弧压的差值为弧压误差，将弧压误差除以设定的时间t为弧压误差变化率，基值信号表示焊接电流进入脉冲基值阶段。

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