模糊邏輯操縱在焊接中的應(yīng)用進(jìn)展

PAGE15/NUMPAGES15模糊邏輯操縱在焊接中的應(yīng)用進(jìn)展1引言

焊接過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，存在著時(shí)變、非線性及干擾因素多等特點(diǎn)，難以建立起精確的數(shù)學(xué)模型。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的迅速進(jìn)展，對焊接質(zhì)量的要求越來越高，這就要求對焊接動(dòng)態(tài)過程能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)操縱和智能操縱，以確保焊接過程的穩(wěn)定性，提高焊接質(zhì)量和焊接自動(dòng)化水平。模糊操縱能夠在沒有精確數(shù)學(xué)模型的情況下，模仿專家和熟練焊接工人的經(jīng)驗(yàn)對焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)操縱。國內(nèi)外焊接界的專家學(xué)者較早認(rèn)識到模糊操縱在焊接過程中有著寬敞的應(yīng)用前景，積極將模糊操縱用于焊逢跟蹤、焊接質(zhì)量及焊接電源設(shè)備的操縱中。

2焊縫跟蹤的模糊操縱

焊縫的自動(dòng)跟蹤，是通過傳感器獵取焊炬與焊縫中心的偏差信息，對這些信息處理后，采納不同的操縱算法得到操縱信號，驅(qū)動(dòng)焊炬使其對中焊縫。為此，國內(nèi)外開發(fā)了機(jī)械、電弧和視覺等類型的傳感器。隨著傳感器和信號處理技術(shù)的進(jìn)步，多傳感器信息融合將與弧焊機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，在焊縫自動(dòng)跟蹤中得到廣泛應(yīng)用。

電弧傳感器的原理是從電弧電流和電壓的變化中獲得焊縫橫向與高低偏差信息，當(dāng)焊炬與工件距離變化時(shí)，電流相應(yīng)改變，以保持原有的熔化率。因此，電弧電流的變化反映了焊炬高度的變化，通過電弧振動(dòng)掃描焊縫的坡口，從電流波形特性中可獲得焊炬橫向?qū)χ械男畔?。電弧電流與焊炬高度變化量之間是時(shí)變非線性的關(guān)系，其精確的數(shù)學(xué)模型較難建立。盡管國內(nèi)外學(xué)者研究了一些弧焊工藝的動(dòng)靜態(tài)模型，但由于施焊現(xiàn)場存在強(qiáng)烈的電磁干擾等，這些模型的自適應(yīng)和魯棒性受到限制。模糊操縱具有專門好的魯棒性和非線性映射能力，因此，適用于電弧傳感跟蹤操縱。

J.W.Kim等在CO2氣體愛護(hù)焊中，研制了一套電弧傳感器，采納簡單模糊操縱和自組織模糊操縱方法進(jìn)行焊縫跟蹤。試驗(yàn)表明：自組織模糊操縱器在偏差角度為10°時(shí)，系統(tǒng)仍有專門強(qiáng)的跟蹤能力。

日本學(xué)者通過測量電弧電流(I)、電壓(U)和送絲速度(V)來計(jì)算坡口和焊炬之間的距離(H)，即H=F(I，U，V)來操縱焊縫的跟蹤，模糊邏輯被用于這種電弧傳感器的跟蹤操縱。

S.Murakami等研究了弧焊機(jī)器人焊縫跟蹤的模糊操縱，設(shè)計(jì)采納基于語言規(guī)則的模糊濾波器和模糊操縱器。

河海大學(xué)姚河清等研究了一種CO2氣愛護(hù)焊焊槍高度操縱系統(tǒng)，采納燃弧占空比電弧傳感器檢測焊槍高度，用模糊操縱器對焊槍高度進(jìn)行操縱，操縱系統(tǒng)選擇燃弧占空比的偏差e和偏差的變化ec作為模糊輸入變量，焊槍高度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的輸出步數(shù)u作為模糊輸出值，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有良好的操縱效果。

天津大學(xué)胡繩蓀等進(jìn)行了焊縫跟蹤系統(tǒng)中的自調(diào)整比例因子Fuzzy-P操縱器的研究，利用非接觸超聲傳感，在理論分析和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定焊縫跟蹤系統(tǒng)的模糊操縱規(guī)則，研制出焊縫跟蹤系統(tǒng)中的自調(diào)整比例因子Fuzzy-P操縱器，并設(shè)計(jì)了操縱器的硬件及軟件。實(shí)驗(yàn)證明，該操縱器提高了焊縫跟蹤系統(tǒng)的響應(yīng)速度和跟蹤精度，能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要。

近年來，光學(xué)傳感器由于其信息量大、慣性小、非接觸性的特點(diǎn)，在國內(nèi)外已受到普遍重視。華南理工大學(xué)宋永倫等設(shè)計(jì)了一種用于焊縫跟蹤的自組織模糊操縱器，并與CCD視覺傳感及圖象信息處理技術(shù)相配合，在TIG焊、平板對接條件下，獲得了比簡單模糊操縱器更好的在線跟蹤效果，對焊縫軌跡的變化具有較好的自適應(yīng)能力。其自組織部分具有三個(gè)功能：性能測量，操縱量校正，操縱規(guī)則的修正。天津大學(xué)王剛等研究了基于BP的機(jī)器人擺動(dòng)焊接視覺跟蹤模糊操縱，在建立機(jī)器人擺動(dòng)焊接視覺跟蹤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了用于焊接糾偏的模糊操縱系統(tǒng)，并提出利用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來模擬模糊操縱量之間的映射關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了基于BP的機(jī)器人擺動(dòng)焊接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊操縱。

當(dāng)前CCD視覺跟蹤系統(tǒng)的研究在國內(nèi)外都專門活躍，它與弧焊機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，代表著弧焊過程自動(dòng)化和智能化的要緊進(jìn)展方向。在弧焊機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中，各軸的慣性矩是時(shí)變的、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。視覺傳感要緊應(yīng)解決的問題有：（1）CCD的小型化和有用化;（2）視覺信息快速有效的處理。小波變換技術(shù)在降噪、圖象處理等方面表現(xiàn)出卓越的性能，是當(dāng)前國際上信號處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

3弧焊電源的模糊操縱

弧焊電源的操縱逐漸向智能化進(jìn)展，電子操縱弧焊逆變器為實(shí)現(xiàn)智能操縱提供了可能性。

天津大學(xué)趙舉東等提出自適應(yīng)模糊操縱方案對脈沖MIG/MAG焊接熔滴過渡進(jìn)行在線實(shí)時(shí)操縱，建立了以全數(shù)字操縱IGBT逆變弧焊電源為核心的自適應(yīng)模糊操縱系統(tǒng)，對自適應(yīng)模糊操縱系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和8098單片機(jī)程序操縱。

洛陽工學(xué)院朱錦洪等設(shè)計(jì)了一種以ADuC812微處理器為核心的新型電阻點(diǎn)焊裝置。

華中理工大學(xué)朱六妹等采納模糊集合理論中的系統(tǒng)辨識技術(shù)建立了以焊接電弧模糊模型的8031單片機(jī)操縱系統(tǒng)。

甘肅工業(yè)大學(xué)李鶴岐等采納模糊邏輯設(shè)計(jì)埋弧焊的送絲系統(tǒng)，在焊接電流300～1000A內(nèi)，焊接過程穩(wěn)定，操縱系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)。

西安交通大學(xué)王雅生等研制了一種以80C196KC數(shù)字單片機(jī)為核心器件，通過軟件方式實(shí)現(xiàn)CO2短路過渡焊電壓與電流自動(dòng)形成最優(yōu)匹配的智能操縱系統(tǒng)。

日本T.Mita等采納模糊邏輯來自動(dòng)設(shè)置CO2焊機(jī)的電壓。

日本Panosonic公司已推出第二代機(jī)器人用智能型IGBT弧焊逆變器AAII-350、500。其中350A實(shí)現(xiàn)恒定焊縫寬度操縱，500A實(shí)現(xiàn)恒定熔深操縱。AAII能自動(dòng)識不焊接電流改變時(shí)，焊絲伸長的變化量，利用模糊邏輯，建立焊縫寬度或熔深與合適的供絲速度和輸出電壓之間的關(guān)系，從而穩(wěn)定焊接質(zhì)量。為了提高模糊操縱的響應(yīng)速度，采納了16位的單片機(jī)。通過工藝實(shí)驗(yàn)，對CO2焊短路過渡過程優(yōu)化組合出400萬種電流波形，作為模糊知識庫，保證輸出最佳焊接規(guī)范，實(shí)現(xiàn)高速、高質(zhì)量的焊接。

4焊接質(zhì)量的模糊操縱

由于焊接過程存在物理化學(xué)冶金反應(yīng)，并伴隨劇烈的傳熱傳質(zhì)過程，在強(qiáng)烈的弧光下，焊接質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測亦專門困難。焊接工藝是一個(gè)大滯后、多輸入多輸出、本質(zhì)非線性的系統(tǒng)，焊接過程參數(shù)之間存在著不確定性，專門難建立起對象的精確數(shù)學(xué)模型，采納常規(guī)PID操縱方法，操縱效果往往不理想。熟練的操作人員依照肉眼觀看得到的焊縫信息，歸納出焊接質(zhì)量變化的大或小等一些模糊語言變量，用手工調(diào)節(jié)焊接速度、電弧及熱量輸入等操縱量可將焊接質(zhì)量精確地操縱在要求范圍內(nèi)。模糊操縱正是基于模糊語言變量提出來的，差不多證明模糊操縱器是一個(gè)與模型無關(guān)的可能器，適用于這種場合。日本學(xué)者Shimakenji等將模糊邏輯用于脈沖MIG焊接的熔寬操縱，建立了一套弧焊機(jī)器人的模糊專家系統(tǒng)；LangariG等采納自適應(yīng)算法修正模糊子集的特征函數(shù)，用模糊子集來描述操縱規(guī)則，每條規(guī)則的內(nèi)容隨焊接過程動(dòng)態(tài)變化。依照輸出量的變化在線修正規(guī)則，來建立弧焊過程的自組織模糊操縱系統(tǒng)；G.Startke在PC微機(jī)平臺上，采納模糊邏輯對弧焊機(jī)器人的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，工藝參數(shù)包括焊炬姿態(tài)、導(dǎo)電嘴到工件的距離、焊接速度、焊接電壓和電流、送絲速度。

清華大學(xué)陳強(qiáng)系統(tǒng)地研究了弧焊過程的模糊操縱。對單變量MIG焊的熔透操縱，采納CCD傳感器提取熔池圖象信息，將焊工的操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成模糊操縱規(guī)則，實(shí)驗(yàn)研究表明MIG焊的模糊操縱方法對散熱引起的熔寬變化作出了專門好的響應(yīng)。關(guān)于多變量CO2焊接的模糊操縱也做了初步的研究，操縱目標(biāo)為：熔池寬度、冷卻時(shí)刻、飛濺率、焊接效率。操縱量為：電弧電流、短路電流、焊接速度。多變量系統(tǒng)的模糊操縱較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)要借助于專家的經(jīng)驗(yàn)，并通過試驗(yàn)，不斷調(diào)整模糊規(guī)則，才能完善模糊操縱系統(tǒng)。黃石生等研究了一種應(yīng)用于GTAW焊接質(zhì)量操縱中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模糊推理的操縱器，采納兩個(gè)BP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)自調(diào)整模糊與積分混合操縱，采納對輸入進(jìn)行“編碼”的方式，減少了BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時(shí)刻并增強(qiáng)了操縱實(shí)時(shí)性，仿真試驗(yàn)和工藝試驗(yàn)都表明了該操縱方法的合理性和有效性。華南理工大學(xué)將參數(shù)自調(diào)整模糊操縱與PI操縱結(jié)合，成功地用于GTAW焊的熔寬操縱。張軍等將模糊技術(shù)用于焊接材料質(zhì)量信息的判讀。為了在線判讀弧焊焊接過程的質(zhì)量信息，開發(fā)了焊接電流、電弧電壓信號采集和分析系統(tǒng)。通過特征信息的分析，利用知識的支持分不完成焊接過程質(zhì)量各性能指標(biāo)的評判。利用模糊綜合評判法得到多性能指標(biāo)綜合考慮的質(zhì)量分析。

5結(jié)論

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)操縱技術(shù)以及信息和軟件技術(shù)迅速地引入焊接領(lǐng)域，焊接生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化差不多成為21世紀(jì)焊接技術(shù)進(jìn)展的重要方向。采納最新的計(jì)算機(jī)視覺理論，開發(fā)焊接機(jī)器人視覺傳感與操縱技術(shù)，研制能夠識不目標(biāo)環(huán)境、實(shí)時(shí)精確跟蹤軌跡并調(diào)整焊接參數(shù)的智能焊接機(jī)器人差不多成為焊接領(lǐng)域的重要進(jìn)展趨勢之一。采納傳統(tǒng)操縱方法和智能操縱方法相結(jié)合，在粗調(diào)時(shí)利用開關(guān)進(jìn)行傳統(tǒng)的PID操縱，在非線性、多耦合、沒有精確數(shù)學(xué)模型的場合運(yùn)用智能操縱。理論上差不多證明模糊操縱能夠任意精度逼近任何非線性函數(shù)，但受到當(dāng)前技術(shù)水平的限制，模糊變量的分檔和模糊規(guī)則數(shù)都受到一定的限制，隸屬函數(shù)的確定還未有統(tǒng)一的理論指導(dǎo)，帶有一定的人為因素，因此，模糊操縱的精度還有待提高。模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)出現(xiàn)融合的趨勢，展示了模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)相輔相成優(yōu)勢互補(bǔ)的強(qiáng)大生命力。模糊邏輯和專家系統(tǒng)結(jié)合，可充分利用專家系統(tǒng)知識推理機(jī)制和知識抽取能力，模糊操縱技術(shù)將成為21世紀(jì)的核心技術(shù)。攪拌磨擦焊接的應(yīng)用一、概述

1991年英國焊接研究所（TWI）發(fā)明了攪拌磨擦焊（FSW），從此以后，基于這種固相連接技術(shù)的明顯優(yōu)越性，例如：優(yōu)良的接頭力學(xué)生能，不需要填充焊接材料，沒有焊接煙法和飛濺，專門少的焊前預(yù)備和焊接變形等，在世界范圍內(nèi)的國際合和中開展了大量的研究和開發(fā)工作。另外，攪拌磨擦焊鋁合金材料都能焊接，如應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域的2000系列、5000系列和7000系列高強(qiáng)鋁合金，也能夠利用這種先進(jìn)的焊接方法得到高質(zhì)量的連接。英國焊接研究所的DaveNICHOLAS訂為，攪拌磨擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生革命性的進(jìn)步。

2002年4月，北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所（TWI）關(guān)于攪拌磨擦焊專利技術(shù)正式簽約，同時(shí)取得了攪拌磨擦焊專利技術(shù)的獨(dú)占性二級許可授予權(quán)，為中國市場開啟了攪拌磨擦焊技術(shù)的研究、開發(fā)以及大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用之門。

二、鋁合金攪拌磨擦焊的應(yīng)用現(xiàn)狀

攪拌磨擦焊技術(shù)擁有諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，關(guān)于輕合金材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接在焊接方法、力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性。攪拌磨擦焊是一種固相連接方法，焊縫接頭具有優(yōu)良的力學(xué)性能和小的焊接變形，焊接過程中不需要添加愛護(hù)氣和焊絲，沒有熔化、煙塵、飛濺及弧光，是一種環(huán)保型的新型連接技術(shù)。實(shí)際情況也的確如此，在FSW技術(shù)問世后的短短幾年內(nèi)，在焊接機(jī)理、適用材料、焊接設(shè)備以及工程化應(yīng)用方面均取得了專門大的進(jìn)展。攪拌磨擦焊技術(shù)最初要緊用于解決鋁合金、鎂合金及鋅合金等材料的焊接。關(guān)于攪拌磨擦焊工藝的特點(diǎn)和應(yīng)用等，英國焊接研究所進(jìn)行了較多的研究，關(guān)于1993年、1995年申請了世界范圍內(nèi)的專利愛護(hù)。目前，該所要緊是與航空、航天、船舶、高速列車及汽車等焊接設(shè)備制造廠和國際性的大公司聯(lián)合，以團(tuán)體贊助或合作的形式（TWI的GSP項(xiàng)目）研究、開發(fā)攪拌磨擦焊技術(shù)，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

目前由工業(yè)企業(yè)贊助的研究項(xiàng)目包括：大厚度鋁合金的攪拌磨擦焊、鋼的攪拌磨擦焊、鈦合金的攪拌磨擦焊、汽車輕型構(gòu)件的攪拌磨擦焊等。美國的愛迪生焊接研究所（EWI）與TWI緊密協(xié)作，也在進(jìn)行FSW工藝的研究。美國的洛克希德。馬丁航空航天公司、馬歇樂航天飛行中心、美國海軍研究年、Dartmuth大學(xué)、德國的Stuttgart大學(xué)、澳大利亞的Adelaide大學(xué)及澳大利亞焊接研究所等都有從不同的角度對攪拌磨擦焊進(jìn)行了專門研究。

1.鋁合金攪拌磨擦焊在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著攪拌磨擦焊的研究進(jìn)一步走向深入，攪拌磨擦焊設(shè)備也逐漸從試驗(yàn)室走向商用。TWI應(yīng)用此技術(shù)為波音公司生產(chǎn)了3個(gè)2000系列鋁合金航天飛機(jī)燃料箱；美國洛克希德。馬丁公司、波音-麥道公司、洛克韋樂集團(tuán)、愛迪生焊接研究所等多家機(jī)構(gòu)目前正在致力于攪拌磨擦焊接的研究、應(yīng)用評估和開發(fā)。在航空航天領(lǐng)域適于用FSW技術(shù)焊接的結(jié)構(gòu)包括：軍用或民用飛機(jī)的蒙皮、航天器中的低溫燃料箱，航空器油箱、軍用機(jī)的副油箱、軍用或科技探測火箭等；美國洛克希德。馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接了航天飛機(jī)外部儲存液態(tài)氧的低溫容器；在馬歇樂航天飛行中心，也已用該技術(shù)焊接了大型圓筒形容器。

Boeing公司投資幾百萬美元，制造了用于Delta運(yùn)載火箭的大型低溫燃料容器的大型專用攪拌磨擦焊機(jī)，BAE空中客車公司正在對FSW技術(shù)進(jìn)行方法、性能和可行性驗(yàn)證，目的是用來生產(chǎn)中型和大型商用客機(jī)，所采納的攪拌磨擦焊機(jī)由地處合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，據(jù)講是歐洲功率最大的焊機(jī)。美國ECLIPSE（月蝕）航空公司將利用FSW來制造一架10.86m長、翼展11.88m的中型飛機(jī)，圖1確實(shí)是美國ECLIPSE公司耗資3億美元研制成功的E500型新型節(jié)能小型噴氣高務(wù)飛機(jī)。公司可能，采納FSW能夠?qū)C(jī)身壁板上的加強(qiáng)肋、框架的裝配時(shí)刻減少80%，使飛機(jī)成本降低為83.7萬美元。此飛機(jī)的要緊結(jié)構(gòu)件、蒙皮等全部采納國際上最新的連接技術(shù)——攪拌磨擦焊技術(shù)制造，客機(jī)的機(jī)身差不多上全部利用攪拌磨擦焊制造，其中包括飛機(jī)蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機(jī)地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等。

攪拌磨擦焊的應(yīng)用要緊用來提高生產(chǎn)效率和降低制造成本，會(huì)對航空結(jié)構(gòu)件的攪拌磨擦焊工藝是由TWI與美國ALCOA公司聯(lián)合進(jìn)行試驗(yàn)開發(fā)，然后應(yīng)用于ECLIPSE500型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的焊接。公司在2000年9月通過了飛機(jī)安全委員會(huì)的初步設(shè)計(jì)評估和認(rèn)證，2001年6月確定攪拌磨擦焊的飛機(jī)制造中的可行性，2001年開始制造攪拌磨擦焊飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，2002年6月首飛，并在6月29日~7月1日向公眾展示了這種新型飛機(jī)的目前差不多有上百家客戶爭相訂購這種新型的謙價(jià)、切能的商務(wù)飛機(jī)。

2.鋁合金攪拌摩擦焊在船舶制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，基于攪拌摩擦焊在焊接方法、力學(xué)性能、制造成本以及環(huán)境等方面的巨大優(yōu)越性和潛在的工業(yè)應(yīng)用前景，在船舶制造領(lǐng)域里，攪拌摩擦焊得到了深入細(xì)致的研究和開發(fā)。船舶制造不僅要求速度的增加，而且要求單位價(jià)格載荷性能的提高，因此艦艇制造要盡可能的鋁合金材料來降低船舶重量。但鋁合金材料的傳統(tǒng)連接方法為鉚釘連接和弧焊連接，鉚接增加了制造時(shí)刻、人力和物料的使用量，而鋁合金熔焊時(shí)容易產(chǎn)生變形、缺陷及煙塵等，也限制了弧焊在鋁合金構(gòu)件上的使用，因此隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的進(jìn)展，用攪拌摩擦焊來實(shí)現(xiàn)高集成度的預(yù)成型模塊化制造來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的船舶來板-加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)的制造，是船舶制造技術(shù)進(jìn)展的必定和革命性的進(jìn)步。

攪拌摩擦焊在船舶輕合金預(yù)成形結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，在外觀、重量、性能、成本以及制造時(shí)刻上具有明顯的優(yōu)越性，不僅能夠用于船舶輕合金結(jié)構(gòu)件的制造，還能夠用于現(xiàn)場裝配，為現(xiàn)代船舶制造提供了新的連接方法通知攪拌摩擦焊代替熔焊實(shí)現(xiàn)輕合金結(jié)構(gòu)件的制造，是現(xiàn)代焊接技術(shù)進(jìn)展的又一