基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于等离子弧焊接质量控制技术领域，特别是涉及一种基于熔池温度测量 的等离子弧焊接模糊控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 等离子弧是一种高能量密度的压缩电弧，是现代发展起来的一种高温新热源。由 于等离子弧的弧柱被压缩，使得气体达到高度的电离，而产生很高的温度，又使得能量集中 于一个很小的柱体，因此可以用它作为各种用途的高温热源。如用于切割，可调节"刚性 弧"，以产生大的冲击力；如用于焊接，可减少气流，改成"柔性弧"，用以减少冲击力。等离子 焊接具有焊接速度快，生产效率高，热影响区小，质量好等特点。这是等离子弧焊的主要特 点，也是能够得到广泛应用的主要原因。由于等离子焊接具有热能集中、焊缝深/宽比大， 以及电弧和熔池稳定等特点，与其它高能束流焊接方法相比，具有设备简单、成本低以及加 工效率高的优势。在汽车、造船、航空航天工业中均已得到了成功的应用。因此对其进行研 宄有较好的实际意义。
[0003] 焊接熔池温度场实时检测一直未能解决，这主要是熔池温度场检测本身就十分困 难，它存在对检测距离、目标材料发射率等依赖性比较大的问题，而焊接过程中热过程的瞬 时性、局部性、热源运动及熔池液体金属激烈运动等使得焊接熔池温度场检测更加困难。目 前焊接过程的研宄已从宏观过程控制深入到焊接微观质量控制中，同焊接宏观质量控制一 样，微观质量控制的主要困难是获得表征这些微观质量的传感技术。焊接熔池温度场的分 布，决定了焊接的热循环，在材料成分一定的情况下也决定了焊接微观组织及其变化，决 定了焊缝及其热影响区的宏观性能，因此焊接熔池温度场能够比较全面和深入反映焊接质 量，它的实时检测及热循环参数的提取对实现焊接微观质量控制具有重要的意义。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于熔池温度测量的等离子 弧焊接模糊控制系统及方法，它能够对熔池温度场进行实时监测的温度测量，从实时检测 的熔池温度场中可以获得焊接区域任意一点的热循环参数，为焊接微观质量控制提供了基 础。控制系统具有良好的响应性能和抗干扰性能，可以在焊件厚度、焊接速度、工件缝隙等 变化时仍可获得全熔透比较均匀的背面焊缝宽度。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 本发明一种基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统，包括焊机系统、熔 池温度测量系统及模糊控制器，其中焊机系统包括等离子焊枪和焊接电源；熔池温度测量 系统包括电子盒和至少四个红外测温仪，所述各红外测温仪与等离子焊枪以相同速度运 动，采集的数据通过电子盒与模糊控制器相连；模糊控制器输出端连接等离子焊机，调节其 焊接电流。
[0007] 进一步地，所述熔池温度测量系统的各红外测温仪与等离子焊枪安装于同一个法 兰盘上，各测温仪均匀布置于法兰盘的内圈，其测温仪圆心连接后形成一个正多边形，其顶 点处分别设置红外测温仪，焊枪中心位于所构成的正多边形外切圆圆心处。
[0008] 进一步地，所述模糊控制器是一个双输入、单输出的模糊控制器。
[0009] 进一步地，所述的模糊控制器包括采样转换电路、计算机、单片机、LED输出显示器 以及模拟开关，计算机通过采样转换电路连接单片机，单片机分别连接LED输出显示器和 模拟开关，通过单片机输出值控制模拟开关，所述模拟开关的每路输出分别串联一个不同 阻值的电阻，其输出端连接焊机，通过模拟开关的不同组合实现串联在电路中的电阻阻值 发生变化，实现调压。
[0010] 进一步地，所述电阻为电位器。
[0011] 本发明基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统的控制方法，包括如下步 骤：
[0012] (1)初始化系统，焊接电源通电，红外测温仪通电预热，焊枪摆放至焊接初始位置； 通过操作人机交互平台，输入焊接工件模型；
[0013] ⑵根据焊接工件情况，调整好焊接频率F、焊接电流I、占空比Tm、上升时间1\和 下降时间T2;
[0014] (3)选取并设定好参数后，开始焊接，红外测温仪实时对熔池温度进行采样，然后 将采样数据传输至计算机，通过计算机对采集到的数据进行处理，得到熔池温度的测量值， 并计算与设定值的偏差E以及偏差变化率SE，然后依据E和SE的变化，根据控制规则对 焊机电流进行控制；其中E是第k次采样时实际熔池温度与设定值之间的偏差。
[0015] 7、根据权利要求6所述的基于熔池温度测量的等离子弧焊接模糊控制系统的控 制方法，其特征在于：所述第（3)步中控制规则为：首先将输入变量E和SE模糊化为离散 模糊变量E'和SE'，再根据模糊规则进行推理，决策出本次控制量AU';最后将AW 反模糊化，得到控制对象的控制增量AU。
[0016] 本发明的有益效果：
[0017] 本发明从工件正面测量熔池温度；经过数据处理，获得熔池的温度场分布情况； 根据建立起的模糊控制规则，在线调整等离子焊机电源的焊接电流，主动的控制等离子弧 的热-力作用；实现等离子弧焊接质量的自动控制。
[0018] 本发明在系统过热、电压不足或空载时，系统能够发出停机信号。
[0019] 本发明采用模糊控制方法控制焊接电源，避免了由于焊接过程是一个非线性过 程，在自动控制中不易建立数学模型的缺点，因此性能稳定，效率高，功耗小；本发明采用单 片机控制焊接电流，省去了大量的模拟电路，结构简单，可以设定焊接参数并且监控电源工 作。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明模糊控制系统框图。
[0021] 图2是本发明单片机控制系统。
[0022] 图3是本发明焊接系统流程图。
[0023] 图4是本发明焊枪与测温仪安装示意图。
[0024] 图5是本发明E清晰值的模糊化示意图。
[0025] 图6是本发明SE清晰值的模糊化示意图。
[0026] 图7是本发明AU清晰值的模糊化示意图。
[0027] 图8是本发明经近似推理输出的模糊子集。
[0028] 图9是本发明焊接试验的焊接电流及熔池温度曲线。
[0029] 图中：1.法兰盘，2.焊机，3.红外测温仪。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
[0031] 实施例：如图1所示，本发明模糊控制系统包括焊机系统、熔池温度测量系统及模 糊控制器，其中焊机系统为现有结构，包括等离子焊枪和焊接电源，焊接电源上连接有水冷 箱；熔池温度测量系统包括电子盒和至少四个CTXL3MH激光加工专用红外测温仪和电子 盒，本例选择四个红外测温仪，所述各红外测温仪与等离子焊枪以相同速度运动，采集的数 据通过电子盒与模糊控制器相连；模糊控制器输出端连接等离子焊机，调节其焊接电流。
[0032] 如图4所示，所述熔池温度测量系统的各红外测温仪与等离子焊枪安装于同一个 法兰盘上，各测温仪均匀布置于法兰盘的内圈，其各圆心连接后形成一个正方形，其四个顶 点处分别设置红外测温仪，焊枪中心位于所形成的正方形对角线交点处。
[0033] 如图2所示，所述的模糊控制器包括采样转换电路、计算机、单片机、LED输出显示 器以及模拟开关，计算机通过采样转换电路连接单片机，单片机分别连接LED输出显示器 和模拟开关，通过单片机输出值控制模拟开关，所述模拟开关为3个，其输出为8路，所述模 拟开关的每路输出分别串联一个不同阻值的电阻，其输出端连接焊机，通过模拟开关的不 同组合实现串联在电路中的电阻阻值发生变化，8个电阻可以组合出256种值，从而实现电 压调节功能。
[0034] 串联的电阻也可以用电位器代