基于熔池背面自熱光輻射的TIG焊熔透控制系統(tǒng)設(shè)計

鎢級惰性氣體保護(hù)焊（TIG焊）由于其電弧穩(wěn)定、無飛濺、焊縫成形美觀等優(yōu)點，在小直徑薄壁筒體環(huán)縫焊接領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。對于薄壁TIG焊(單面焊雙面成形)，衡量焊縫成形質(zhì)量最主要的指標(biāo)是焊縫的熔透狀態(tài)，工程中大量使用的環(huán)縫一般要求完全熔透。但該類焊縫在焊接過程中容易受到焊接電流、電壓、焊接速度、工件坡口尺寸等眾多因素的影響，因此對TIG薄壁筒體焊縫熔透狀態(tài)的實時控制研究具有極其廣泛的工程應(yīng)用價值。

比例-積分-微分(PID)控制器在焊接領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,許多學(xué)者已經(jīng)將PID控制器成功地應(yīng)用于焊接過程的熔透控制中。本文針對薄壁筒體環(huán)縫脈沖TIG焊接的特點，采用熔池背面的自熱光輻射圖像作為熔透狀態(tài)的實時輸入信號，利用一種新的PID參數(shù)自適應(yīng)整定方法，通過背面熔寬信號實時調(diào)節(jié)焊接速度，從而實現(xiàn)對薄壁筒體環(huán)縫熔透狀態(tài)的閉環(huán)控制。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)薄壁簡體TIG焊熔透控制的目的，具有較好的穩(wěn)定性、自適應(yīng)性和控制精度。

1 系統(tǒng)組成

設(shè)計的某薄壁筒體脈沖TIG自動焊接系統(tǒng)組成如圖1所示。

熔透自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要包括視覺傳感、數(shù)據(jù)采集與控制平臺和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分。焊接過程中，視覺傳感器對熔池背面的自熱光輻射圖像進(jìn)行拍攝，圖像采集卡采集CCD傳感器的圖像信號，對其進(jìn)行實時處理，并根據(jù)處理結(jié)果輸出控制信號到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收控制信號，通過調(diào)節(jié)焊接速度作用于焊接過程，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

2 熔透信息視覺檢測

計算機(jī)視覺以其信息量大、精度高、通用性好、檢測范圍廣等特點，在熔透控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。在薄壁筒體單面焊雙面成形脈沖TIG焊條件下，相對于正面熔地圖像信號，采用熔池背面的自熱光輻射圖像的幾何信息來監(jiān)控熔透狀態(tài)，不存在任何盲區(qū)。因為所有工藝參數(shù)和工件尺寸的波動都將很快被熔池背面的圖像信息直接且準(zhǔn)確地反映出來，所以用熔池背面尺寸信息表征薄壁筒體單面焊雙面成形條件下的熔透狀態(tài)更準(zhǔn)確且更直接。

本研究條件下的脈沖TIG焊熔池的背面圖像為一前部寬后部窄的近橢圓形,如圖2所示。采用的熔池背面最大長度為Lb，最大寬度為Wb，并作為熔池背面幾何特征量來描述熔池的幾何特征,如圖3所示。根據(jù)圖像計算熔池特征參量的實際尺寸，對視覺傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，系統(tǒng)標(biāo)定后，獲得圖像系X和Y兩個方向上的單位像素分別代表實際物體同方向上的寬度W和長度L。標(biāo)定結(jié)果如下：

W=0.046 0 mm/pixel，L=0.049 5 mm/pixel

為實現(xiàn)熔透狀態(tài)的控制，還需要從熔池背面圖像中提取熔池邊緣，獲得背面寬度的準(zhǔn)確信息。檢測熔寬的算法如下：

(1)熔池背面圖像的灰值化處理。將CCD攝像機(jī)及視頻采集卡采集到的24 bit真彩位圖采用加權(quán)平均法轉(zhuǎn)換為256級灰度。

(2)利用邊緣具有較大響應(yīng)的3×3非線性最小值濾波法對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，突出熔池邊緣。

(3)對熔池背面圖像進(jìn)行灰度直方圖最大灰度值的90%進(jìn)行閾值分割,分割成對象物和背景物兩個區(qū)域，并檢測出熔池邊緣。

(4)用逐列搜索圖像的邊緣點算法，計算當(dāng)前熔池的大?。?/p>

最大寬度：

Wb=widthmax=max{width[i]}×W( mm)

最大長度度：Lb=lengththmax=max{lengthth[i]}×L (mm)

經(jīng)理后的熔池背面圖像如圖4所示。

3 自適應(yīng)PID控制

從圖5可以得到如下控制規(guī)則：

(1) 在系統(tǒng)響應(yīng)初始階段e非常大，Kp也比較大，Ki、Kd非常小，PID控制退化為PD控制,可以在初始階段快速地跟蹤誤差的變化。

(2) 隨著控制過程的進(jìn)行，Kp逐漸變小，Ki、Kd逐漸變大，PD控制器退化為PI控制器，可以使系統(tǒng)消除靜差，且保持一定的抗干擾性。

(3) 當(dāng)誤差逐漸接近零的時候，Kp逐漸接近最小值，Ki、Kd逐漸接近最大值，控制器恢復(fù)為PID控制器。

4 自適應(yīng)PID控制在薄壁筒體熔透控制中的應(yīng)用

在進(jìn)行PID控制器的設(shè)計之前，需要通過工藝試驗確定在保證薄壁筒體正常熔透時，以熔池背面圖像的正常寬度范圍作為PID控制器的設(shè)定值。在本文的熔透狀態(tài)控制中，將焊接速度作為控制量，通過調(diào)節(jié)焊接速度來保證背面熔寬，從而實現(xiàn)控制熔透狀態(tài)的目的。

通過下面的試驗確定焊縫背面熔寬范圍。試驗條件是:焊接速度在正常范圍值分別向上、向下適度延伸，環(huán)縫兩側(cè)母材分別為20鋼，35鋼,尺寸為Φ108 mm×1.4 mm，保護(hù)氣體為氬氣(8 L/min)，脈沖焊接電流參數(shù)分別為：脈沖基值50 A，脈沖峰值160 A，頻率5 Hz，占空比50%，CCD攝像機(jī)與工件垂直距離為40 mm。測量焊后工件背面熔池寬度，最佳的熔寬范圍為3.2 mm~3.5 mm。

焊接是復(fù)雜的熱作用過程，與熱相關(guān)的信號存在一定的慣性。整個過程存在由于機(jī)械慣性和熱慣性引起的時間上的滯后。依據(jù)傳統(tǒng)控制理論，考察脈沖TIG焊熔池動態(tài)特性，利用試驗數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)辨識的方法求取其熔池特征動態(tài)性能的數(shù)學(xué)模型。其開環(huán)傳遞函數(shù)可以簡化為：

式中， s為傳遞函數(shù)的因子，這里輸入信號為熔池背面最大寬度，輸出為脈沖TIG焊的焊接速度。速度信號可以通過拖動筒體旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)反饋的編碼器信號來獲取，熔池反面最大熔寬信號可以通過第2介紹的方法獲取。

傳統(tǒng)PID控制的閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)圖如圖6所示，控制器參數(shù)的整定依據(jù)Ziegler和 Nichlos方法，采用增量式PID算法，仿真信號為階躍信號（0~0.5 s），正弦波加隨機(jī)干擾信號（0.5 s~1 s）來模擬熔池背面寬度的變化。由圖可得超調(diào)量為16.2%、t5%和t2%分別為0.110 8 s和0.166 5 s，輸出能夠在10個采樣周期內(nèi)跟蹤輸入信號。

圖7中的仿真條件同圖6，采用自整定PID控制器后系統(tǒng)的控制品質(zhì)得到了很大的提升，超調(diào)量消除了，t5%、t2%調(diào)節(jié)時間縮短為0.01 s和0.047 s，系統(tǒng)呈現(xiàn)出很好的適應(yīng)性和快速響應(yīng)性，響應(yīng)信號可以在3個采樣周期(0.015 s)內(nèi)跟蹤輸入信號的變化。

5 實時控制試驗

工件和工藝參數(shù)如前面所述，控制器依據(jù)第4部分的控制規(guī)律在線實時調(diào)整,以焊接速度為控制量，控制背面熔寬最大值在3.3 mm,其控制結(jié)果如圖8所示。圖中，縱坐標(biāo)為熔池背面寬度最大值，由圖可以看到，整個焊接過程平穩(wěn)、跳動很小,背面熔寬最大值基本保持在3.2 mm~3.5 mm之間。

通過自適應(yīng)PID控制器調(diào)節(jié)焊接的薄壁筒體TIG焊熔透控制研究，建立了基于熔池背面自熱光輻射的視覺傳感和熔透狀態(tài)實時控制系統(tǒng)；自適應(yīng)PID控制算法在仿真環(huán)境下得到了驗證，結(jié)果顯示該算法具有很好的實時性、穩(wěn)定性和強(qiáng)魯棒性；在薄壁筒體環(huán)縫脈沖TIG焊接過程中驗證了自適應(yīng)PID控制器的有效性，以背面熔寬最大值為控制目標(biāo)，采用調(diào)節(jié)焊接速度的方法獲得了良好的控制效果，獲得了熔透可靠、背面熔寬均勻的焊縫。