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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.模糊逻辑控控制在焊接接中的应用用进展1 引 言言焊接接过程是一一个复杂的的过程，存存在着时变变、非线性性及干扰因因素多等特特点，难以以建立起精精确的数学学模型。随随着现代生生产的迅速速发展，对对焊接质量量的要求越越来越高，这这就要求对对焊接动态态过程能实实现自适应应控制和智智能控制，以以确保焊接接过程的稳稳定性，提提高焊接质质量和焊接接自动化水水平。模糊糊控制可以以在没有精精确数学模模型的情况况下，模仿仿专家和熟熟练焊接工工人的经验验对焊接过过程进行实实时控
2、制。国内外焊焊接界的专专家学者较较早认识到到模糊控制制在焊接过过程中有着着广阔的应应用前景，积积极将模糊糊控制用于于焊逢跟踪踪、焊接质质量及焊接接电源设备备的控制中中。2 焊焊缝跟踪的的模糊控制制焊缝缝的自动跟跟踪，是通通过传感器器获取焊炬炬与焊缝中中心的偏差差信息，对对这些信息息处理后，采采用不同的的控制算法法得到控制制信号，驱驱动焊炬使使其对中焊焊缝。为此此，国内外外开发了机机械、电弧弧和视觉等等类型的传传感器。随随着传感器器和信号处处理技术的的进步，多多传感器信信息融合将将与弧焊机机器人技术术相结合，在在焊缝自动动跟踪中得得到广泛应应用。电弧传感感器的原理理是从电弧弧电流和电电压的变化化
3、中获得焊焊缝横向与与高低偏差差信息，当当焊炬与工工件距离变变化时，电电流相应改改变，以保保持原有的的熔化率。因此，电电弧电流的的变化反映映了焊炬高高度的变化化，通过电电弧振动扫扫描焊缝的的坡口，从从电流波形形特性中可可获得焊炬炬横向对中中的信息。电弧电流流与焊炬高高度变化量量之间是时时变非线性性的关系，其其精确的数数学模型较较难建立。尽管国内内外学者研研究了一些些弧焊工艺艺的动静态态模型，但但由于施焊焊现场存在在强烈的电电磁干扰等等，这些模模型的自适适应和鲁棒棒性受到限限制。模糊糊控制具有有很好的鲁鲁棒性和非非线性映射射能力，因因此，适用用于电弧传传感跟踪控控制。J.W.Kim等等在CO22气
4、体保护护焊中，研研制了一套套电弧传感感器，采用用简单模糊糊控制和自自组织模糊糊控制方法法进行焊缝缝跟踪。试试验表明：自组织模模糊控制器器在偏差角角度为100时，系系统仍有很很强的跟踪踪能力。日日本学者通通过测量电电弧电流(I)、电电压(U)和送丝速速度(V)来计算坡坡口和焊炬炬之间的距距离(H)，即H=F(I，UU，V)来来控制焊缝缝的跟踪，模模糊逻辑被被用于这种种电弧传感感器的跟踪踪控制。SS.Murrakammi等研究究了弧焊机机器人焊缝缝跟踪的模模糊控制，设设计采用基基于语言规规则的模糊糊滤波器和和模糊控制制器。河海海大学姚河河清等研究究了一种CCO2气保保护焊焊枪枪高度控制制系统，采采
5、用燃弧占占空比电弧弧传感器检检测焊枪高高度，用模模糊控制器器对焊枪高高度进行控控制，控制制系统选择择燃弧占空空比的偏差差e和偏差差的变化eec作为模模糊输入变变量，焊枪枪高度调节节步进电机机的输出步步数u作为为模糊输出出值，试验验表明该系系统具有良良好的控制制效果。 天津大学学胡绳荪等等进行了焊焊缝跟踪系系统中的自自调整比例例因子Fuuzzy-P控制器器的研究，利利用非接触触超声传感感，在理论论分析和试试验的基础础上，确定定焊缝跟踪踪系统的模模糊控制规规则，研制制出焊缝跟跟踪系统中中的自调整整比例因子子Fuzzzy-P控控制器，并并设计了控控制器的硬硬件及软件件。实验证证明，该控控制器提高高了
6、焊缝跟跟踪系统的的响应速度度和跟踪精精度，可以以满足实际际工程应用用的需要。近年来，光光学传感器器由于其信信息量大、惯性小、非接触性性的特点，在在国内外已已受到普遍遍重视。华华南理工大大学宋永伦伦等设计了了一种用于于焊缝跟踪踪的自组织织模糊控制制器，并与与CCD视视觉传感及及图象信息息处理技术术相配合，在在TIG焊焊、平板对对接条件下下，获得了了比简单模模糊控制器器更好的在在线跟踪效效果，对焊焊缝轨迹的的变化具有有较好的自自适应能力力。其自组组织部分具具有三个功功能：性能能测量，控控制量校正正，控制规规则的修正正。天津大大学王刚等等研究了基基于BP的的机器人摆摆动焊接视视觉跟踪模模糊控制，在在
7、建立机器器人摆动焊焊接视觉跟跟踪系统的的基础上，构构造了用于于焊接纠偏偏的模糊控控制系统，并并提出利用用三层BPP神经网络络来模拟模模糊控制量量之间的映映射关系，从从而实现了了基于BPP的机器人人摆动焊接接神经网络络模糊控制制。当当前CCDD视觉跟踪踪系统的研研究在国内内外都很活活跃，它与与弧焊机器器人技术结结合，代表表着弧焊过过程自动化化和智能化化的主要发发展方向。在弧焊机机器人运动动中，各轴轴的惯性矩矩是时变的的、强耦合合、非线性性的复杂系系统。视觉觉传感主要要应解决的的问题有：（1）CCCD的小小型化和实实用化;（22）视觉信信息快速有有效的处理理。小波变变换技术在在降噪、图图象处理等等
8、方面表现现出卓越的的性能，是是当前国际际上信号处处理领域的的研究热点点。3 弧弧焊电源的的模糊控制制弧弧焊电源的的控制逐渐渐向智能化化发展，电电子控制弧弧焊逆变器器为实现智智能控制提提供了可能能性。天津津大学赵举举东等提出出自适应模模糊控制方方案对脉冲冲MIG/MAG焊焊接熔滴过过渡进行在在线实时控控制，建立立了以全数数字控制IIGBT逆逆变弧焊电电源为核心心的自适应应模糊控制制系统，对对自适应模模糊控制系系统进行了了设计和88098单单片机程序序控制。洛洛阳工学院院朱锦洪等等设计了一一种以ADDuC8112微处理理器为核心心的新型电电阻点焊装装置。华中中理工大学学朱六妹等等采用模糊糊集合理论
9、论中的系统统辨识技术术建立了以以焊接电弧弧模糊模型型的80331单片机机控制系统统。甘肃工工业大学李李鹤岐等采采用模糊逻逻辑设计埋埋弧焊的送送丝系统，在在焊接电流流30010000A内，焊焊接过程稳稳定，控制制系统的鲁鲁棒性强。西安交通通大学王雅雅生等研制制了一种以以80C1196KCC数字单片片机为核心心器件，通通过软件方方式实现CCO2短路路过渡焊电电压与电流流自动形成成最优匹配配的智能控控制系统。日本T.Mitaa等采用模模糊逻辑来来自动设置置CO2焊焊机的电压压。日本PPanossonicc公司已推推出第二代代机器人用用智能型IIGBT弧弧焊逆变器器AAIII-3500、5000。其中
10、3350A实实现恒定焊焊缝宽度控控制，5000A实现现恒定熔深深控制。AAAII能能自动识别别焊接电流流改变时，焊焊丝伸长的的变化量，利利用模糊逻逻辑，建立立焊缝宽度度或熔深与与合适的供供丝速度和和输出电压压之间的关关系，从而而稳定焊接接质量。为为了提高模模糊控制的的响应速度度，采用了了16位的的单片机。通过工艺艺实验，对对CO2焊焊短路过渡渡过程优化化组合出4400万种种电流波形形，作为模模糊知识库库，保证输输出最佳焊焊接规范，实实现高速、高质量的的焊接。 4 焊接接质量的模模糊控制由于焊焊接过程存存在物理化化学冶金反反应，并伴伴随剧烈的的传热传质质过程，在在强烈的弧弧光下，焊焊接质量的的实
11、时检测测亦很困难难。焊接工工艺是一个个大滞后、多输入多多输出、本本质非线性性的系统，焊焊接过程参参数之间存存在着不确确定性，很很难建立起起对象的精精确数学模模型，采用用常规PIID控制方方法，控制制效果往往往不理想。熟练的操操作人员根根据肉眼观观察得到的的焊缝信息息，归纳出出焊接质量量变化的大大或小等一一些模糊语语言变量，用用手工调节节焊接速度度、电弧及及热量输入入等控制量量可将焊接接质量精确确地控制在在要求范围围内。模糊糊控制正是是基于模糊糊语言变量量提出来的的，已经证证明模糊控控制器是一一个与模型型无关的估估计器，适适用于这种种场合。日日本学者SShimaakenjji等将模模糊逻辑用用于
12、脉冲MMIG焊接接的熔宽控控制，建立立了一套弧弧焊机器人人的模糊专专家系统；LanggariGG等采用自自适应算法法修正模糊糊子集的特特征函数，用用模糊子集集来描述控控制规则，每每条规则的的内容随焊焊接过程动动态变化。根据输出出量的变化化在线修正正规则，来来建立弧焊焊过程的自自组织模糊糊控制系统统；G.SStarttke在PPC微机平平台上，采采用模糊逻逻辑对弧焊焊机器人的的焊接工艺艺参数进行行优化研究究，工艺参参数包括焊焊炬姿态、导电嘴到到工件的距距离、焊接接速度、焊焊接电压和和电流、送送丝速度。清华华大学陈强强系统地研研究了弧焊焊过程的模模糊控制。对单变量量MIG焊焊的熔透控控制，采用用C
13、CD传传感器提取取熔池图象象信息，将将焊工的操操作经验总总结成模糊糊控制规则则，实验研研究表明MMIG焊的的模糊控制制方法对散散热引起的的熔宽变化化作出了很很好的响应应。对于多多变量COO2焊接的的模糊控制制也做了初初步的研究究，控制目目标为：熔熔池宽度、冷却时间间、飞溅率率、焊接效效率。控制制量为：电电弧电流、短路电流流、焊接速速度。多变变量系统的的模糊控制制较为复杂杂，设计时时要借助于于专家的经经验，并通通过试验，不不断调整模模糊规则，才才能完善模模糊控制系系统。黄石石生等研究究了一种应应用于GTTAW焊接接质量控制制中，利用用神经网络络进行模糊糊推理的控控制器，采采用两个BBP网络实实现
14、了参数数自调整模模糊与积分分混合控制制，采用对对输入进行行“编码”的方式，减减少了BPP网络的训训练时间并并增强了控控制实时性性，仿真试试验和工艺艺试验都表表明了该控控制方法的的合理性和和有效性。华南理工工大学将参参数自调整整模糊控制制与PI控控制结合，成成功地用于于GTAWW焊的熔宽宽控制。张张军等将模模糊技术用用于焊接材材料质量信信息的判读读。为了在在线判读弧弧焊焊接过过程的质量量信息，开开发了焊接接电流、电电弧电压信信号采集和和分析系统统。通过特特征信息的的分析，利利用知识的的支持分别别完成焊接接过程质量量各性能指指标的评判判。利用模模糊综合评评判法得到到多性能指指标综合考考虑的质量量分
15、析。55 结 论论随随着电子技技术、计算算机技术、自动控制制技术以及及信息和软软件技术迅迅速地引入入焊接领域域，焊接生生产自动化化、智能化化已经成为为21世纪纪焊接技术术发展的重重要方向。采用最新新的计算机机视觉理论论，开发焊焊接机器人人视觉传感感与控制技技术，研制制能够识别别目标环境境、实时精精确跟踪轨轨迹并调整整焊接参数数的智能焊焊接机器人人已经成为为焊接领域域的重要发发展趋势之之一。采用用传统控制制方法和智智能控制方方法相结合合，在粗调调时利用开开关进行传传统的PIID控制，在在非线性、多耦合、没有精确确数学模型型的场合运运用智能控控制。理论论上已经证证明模糊控控制可以任任意精度逼逼近任
16、何非非线性函数数，但受到到当前技术术水平的限限制，模糊糊变量的分分档和模糊糊规则数都都受到一定定的限制，隶隶属函数的的确定还未未有统一的的理论指导导，带有一一定的人为为因素，因因此，模糊糊控制的精精度还有待待提高。模模糊逻辑与与神经网络络和专家系系统出现融融合的趋势势，展示了了模糊逻辑辑、神经网网络和专家家系统相辅辅相成优势势互补的强强大生命力力。模糊逻逻辑和专家家系统结合合，可充分分利用专家家系统知识识推理机制制和知识抽抽取能力，模模糊控制技技术将成为为21世纪纪的核心技技术。搅拌磨擦焊焊接的应用用一、概述 19911年英国焊焊接研究所所（TWII）发明了了搅拌磨擦擦焊（FSSW），从从此以
17、后，基基于这种固固相连接技技术的明显显优越性，例例如：优良良的接头力力学生能，不不需要填充充焊接材料料，没有焊焊接烟法和和飞溅，很很少的焊前前准备和焊焊接变形等等，在世界界范围内的的国际合和和中开展了了大量的研研究和开发发工作。另另外，搅拌拌磨擦焊铝铝合金材料料都能焊接接，如应用用于航空、航天领域域的20000系列、50000系列和77000系系列高强铝铝合金，也也可以利用用这种先进进的焊接方方法得到高高质量的连连接。英国国焊接研究究所的Daave NNICHOOLAS订订为，搅拌拌磨擦焊工工艺是自激激光焊接问问世以来最最引人注目目的焊接方方法，它的的出现将使使铝合金等等有色金属属的连接技技术
18、发生革革命性的进进步。 22002年年4月，北北京航空制制造工程研研究所与英英国焊接研研究所（TTWI）关关于搅拌磨磨擦焊专利利技术正式式签约，并并且取得了了搅拌磨擦擦焊专利技技术的独占占性二级许许可授予权权，为中国国市场开启启了搅拌磨磨擦焊技术术的研究、开发以及及大规模工工业化应用用之门。 二、铝合合金搅拌磨磨擦焊的应应用现状 搅拌磨擦擦焊技术拥拥有诸多独独特的优点点，对于轻轻合金材料料（如铝、铜、镁、锌等）的的连接在焊焊接方法、力学性能能和生产效效率上具有有其他焊接接方法不可可比拟的优优越性。搅搅拌磨擦焊焊是一种固固相连接方方法，焊缝缝接头具有有优良的力力学性能和和小的焊接接变形，焊焊接过
19、程中中不需要添添加保护气气和焊丝，没没有熔化、烟尘、飞飞溅及弧光光，是一种种环保型的的新型连接接技术。实实际情况也也的确如此此，在FSSW技术问问世后的短短短几年内内，在焊接接机理、适适用材料、焊接设备备以及工程程化应用方方面均取得得了很大的的进展。搅搅拌磨擦焊焊技术最初初主要用于于解决铝合合金、镁合合金及锌合合金等材料料的焊接。关于搅拌拌磨擦焊工工艺的特点点和应用等等，英国焊焊接研究所所进行了较较多的研究究，关于11993年年、19995年申请请了世界范范围内的专专利保护。目前，该该所主要是是与航空、航天、船船舶、高速速列车及汽汽车等焊接接设备制造造厂和国际际性的大公公司联合，以以团体赞助助
20、或合作的的形式（TTWI的GGSP项目目）研究、开发搅拌拌磨擦焊技技术，不断断扩大其应应用范围。 目前由由工业企业业赞助的研研究项目包包括：大厚厚度铝合金金的搅拌磨磨擦焊、钢钢的搅拌磨磨擦焊、钛钛合金的搅搅拌磨擦焊焊、汽车轻轻型构件的的搅拌磨擦擦焊等。美美国的爱迪迪生焊接研研究所（EEWI）与与TWI密密切协作，也也在进行FFSW工艺艺的研究。美国的洛洛克希德。马丁航空空航天公司司、马歇乐乐航天飞行行中心、美美国海军研研究年、DDartmmuth大大学、德国国的Stuuttgaart大学学、澳大利利亚的Addelaiide大学学及澳大利利亚焊接研研究所等都都有从不同同的角度对对搅拌磨擦擦焊进行
21、了了专门研究究。 1.铝合金搅搅拌磨擦焊焊在航空航航天领域中中的应用 随着搅拌拌磨擦焊的的研究进一一步走向深深入，搅拌拌磨擦焊设设备也逐渐渐从试验室室走向商用用。TWII应用此技技术为波音音公司生产产了3个22000系系列铝合金金航天飞机机燃料箱；美国洛克克希德。马马丁公司、波音-麦麦道公司、洛克韦乐乐集团、爱爱迪生焊接接研究所等等多家机构构目前正在在致力于搅搅拌磨擦焊焊接的研究究、应用评评估和开发发。在航空空航天领域域适于用FFSW技术术焊接的结结构包括：军用或民民用飞机的的蒙皮、航航天器中的的低温燃料料箱，航空空器油箱、军用机的的副油箱、军用或科科技探测火火箭等；美美国洛克希希德。马丁丁航
22、空航天天公司用该该技术焊接接了航天飞飞机外部储储存液态氧氧的低温容容器；在马马歇乐航天天飞行中心心，也已用用该技术焊焊接了大型型圆筒形容容器。 BBoeinng公司投投资几百万万美元，制制造了用于于Deltta运载火火箭的大型型低温燃料料容器的大大型专用搅搅拌磨擦焊焊机，BAAE空中客客车公司正正在对FSSW技术进进行方法、性能和可可行性验证证，目的是是用来生产产中型和大大型商用客客机，所采采用的搅拌拌磨擦焊机机由地处合合利伐克斯斯的GRAAWFORRD-SWWIFT公公司制造，据据说是欧洲洲功率最大大的焊机。美国ECCLIPSSE（月蚀蚀）航空公公司将利用用FSW来来制造一架架10.886m
23、长、翼展111.88mm的中型飞飞机，图11就是美国国ECLIIPSE公公司耗资33亿美元研研制成功的的E5000型新型节节能小型喷喷气高务飞飞机。公司司估计，采采用FSWW可以将机机身壁板上上的加强肋肋、框架的的装配时间间减少800%，使飞飞机成本降降低为833.7万美美元。此飞飞机的主要要结构件、蒙皮等全全部采用国国际上最新新的连接技技术搅搅拌磨擦焊焊技术制造造，客机的的机身基本本上全部利利用搅拌磨磨擦焊制造造，其中包包括飞机蒙蒙皮、翼肋肋、弦状支支撑、飞机机地板以及及结构件的的装配等。 搅拌磨磨擦焊的应应用主要用用来提高生生产效率和和降低制造造成本，会会对航空结结构件的搅搅拌磨擦焊焊工艺
24、是由由TWI与与美国ALLCOA公公司联合进进行试验开开发，然后后应用于EECLIPPSE5000型飞机机结构件的的焊接。公公司在20000年99月通过了了飞机安全全委员会的的初步设计计评估和认认证，20001年66月确定搅搅拌磨擦焊焊的飞机制制造中的可可行性，22001年年开始制造造搅拌磨擦擦焊飞机结结构件，22002年年6月首飞飞，并在66月29日日7月11日向公众众展示了这这种新型飞飞机的目前前已经有上上百家客户户争相订购购这种新型型的谦价、切能的商商务飞机。 2.铝铝合金搅拌拌摩擦焊在在船舶制造造领域中的的应用 目目前，基于于搅拌摩擦擦焊在焊接接方法、力力学性能、制造成本本以及环境境等
25、方面的的巨大优越越性和潜在在的工业应应用前景，在在船舶制造造领域里，搅搅拌摩擦焊焊得到了深深入细致的的研究和开开发。船舶舶制造不仅仅要求速度度的增加，而而且要求单单位价格载载荷性能的的提高，所所以舰艇制制造要尽可可能的铝合合金材料来来降低船舶舶重量。但但铝合金材材料的传统统连接方法法为铆钉连连接和弧焊焊连接，铆铆接增加了了制造时间间、人力和和物料的使使用量，而而铝合金熔熔焊时容易易产生变形形、缺陷及及烟尘等，也也限制了弧弧焊在铝合合金构件上上的使用，所所以随着搅搅拌摩擦焊焊技术的发发展，用搅搅拌摩擦焊焊来实现高高集成度的的预成型模模块化制造造来代替传传统的船舶舶来板-加加强件结构构的制造，是是
26、船舶制造造技术发展展的必然和和革命性的的进步。 搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，还可以用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术发展的又一次飞跃。 FSW技术在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。目前已用该技术焊接快艇中上长为20m的铝合金结构件，焊缝总长度超过500Km。 三、铝合金搅拌摩擦焊的
27、发展趋势 在中国，北京航空制造工程研究所和英国TWI的搅拌试探焊技术合作中心中国搅拌摩擦焊中心在搅拌摩擦焊的基础方法研究，材料应用研究、开发，搅拌摩擦焊设备的设计、制造和销售等方面，都取得很大的进展。 （1）目前，中心正在针对搅拌摩擦焊在航天火箭筒体制造，航空飞机框架、蒙皮和结构间的搅拌摩擦焊制造，船舶轻合金制造以及高速列车的铝合金型材的快速制造等方面正在展开全面的研究和工程攻关。另外，在承揽国防科研和总装课题的同时，还加强了和企业、大学的横向联合及技术合作。 （2）在搅拌摩擦焊设备的制造方面已经设计出三大类6类种形式的搅拌摩擦焊设备，并且在2003年3月为哈尔滨工业大学和华东船舶工业学院制造交付了两台专业化的搅拌摩擦焊设备（图2为中国搅拌摩擦焊中心设计制造的中国首台专业化的搅拌摩擦焊设备）。 （3）在工程应用方面，铝合金搅拌摩擦焊将在输变电、高速列车、新一代战斗机及新型运载火箭等方面首先得到应用。 四、结语 搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接技术将对铝合金等轻合金材料的连接制造产生革命性的影响，基于这种连接技术在焊接方法的突破，预计搅拌摩擦焊技术将对飞机、火箭、高速列车、导弹快艇、全铝合金战车等军、民品的设计和制造基线产生根本上的变革。