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1、电阻点焊机精密电流控制方法王道顺，柳光伟 ( 大连交通大学 机械工程学院机械电子工程教学与研究中心，大连 230711)摘 要：针对电阻点焊机在焊接时给定的规范输入电流与电流互感器反馈电流相比存在误差的问题，本文提出一种运用前馈控制对下半个焊接周波进行预判的方法，在焊接过程对输入电流与反馈电流进行实时监测，通过前馈控制预测下半个周波电流变化规律。对给定板厚为0.05mm、规范输入电流值为6kA的低碳钢进行点焊，在前馈控制部分对低碳钢的动态特性曲线进行模糊控制算法，结果表明，根据糊控制算法建立的模糊控制表可以预判出下个10ms节拍应该输出电流平均值的大小，输入电流值与反馈电流值相比误差接近于零，
2、因此，可以实现对电阻点焊机焊接电流的精密控制。关键词：前馈控制；模糊控制算法；精密控制 中图分类号：（自查） 文献标识码： 文章编号：0253 - 360X(2010)00 - 0000 - 000 序 言目前，电阻点焊机电流控制最常用的方法有恒流控制法、动态电阻法和电极间电压法等1。在普通数字控制中，当反馈输出模拟量跟不上输入模拟量的节拍时，节拍时间可以调整的很小，控制计算机使其尽量跟上输入模拟量的思路。如果节拍时间调节足够快的话，计算机计算出的电流值可以达到输入模拟量控制的效果。但是在电阻点焊机电流控制中，点焊时焊接材料电阻的大小在不断变化，而且导通角控制晶闸管导通需要时间为10ms一个节
3、拍。和其它控制方式不同的是，由于晶闸管导通特性最小节拍为10ms,控制晶闸管导通的节拍时间无法缩短,焊接时间总是有延迟，无法实时跟踪下一个节拍的动态电阻的变化，导致反馈回来的焊接电流总是与输入给定的规范电流之间存在误差，影响加工精度。基于焊接材料动态电阻不断变化和控制晶闸管导通的节拍时间无法缩短这两点，本文引入前馈控制，根据给定的规范输入电流和上一个节拍的误差，通过运用前馈模糊控制算法控制下一个节拍的动态电阻。分析下个节拍焊接材料动态电阻的变化情况，预判下个节拍动态电阻变化的平均值，提前增加或减小晶闸管的导通角，由此得到点焊时下个节拍导通角的精确值，减小误差。因此，本文有效地解决了由于动态电阻
4、不断变化和控制晶闸管导通的节拍时间较慢无法缩短，导致每10ms反馈回来的输出电流与给定的规范输入电流之间存在误差的问题，实现电阻点焊机精密电流的控制。1 点焊过程动态电阻规律的研究在电阻点焊过程中，电阻是由焊件间接触电阻、电极与焊件间接触电阻和焊件本身电阻组成。随着温度升高，电阻的大小在不断的变化。点焊时，电极压力、电流大小和被焊材料的差异等均影响着动态电阻变化的大小。不同的金属材料在焊接时，动态电阻的变化不同。1.1 低碳钢动态特性曲线本文以低碳钢为例，在低碳钢点焊过程中，电阻的大小在不断变化。从图1可以看出，点焊开始时焊接区金属未熔化但被预热，接触电阻迅速下降。随着温度升高，低碳钢电阻率增
5、大，同时因加热导致接触面积增加而使电阻减小，其中电阻率增加占主导地位，因此曲线上升。当温度达到一临界值时，电阻率增长减小，低碳钢由固态向液态转变4。由于低碳钢加热软化使接触面积增大导致电阻值下降，因此曲线再次下降。最后，由于温度场和电流场基本进入稳态，熔核尺寸基本保持不变，动态电阻趋于稳定。图1 低碳钢动态特性曲线Fig.1 Dynamic resistance curve of low carbon steel2 前馈控制在电流精密控制的应用前馈控制在电阻点焊机中起到了对下个节拍动态电阻进行预判的作用，从而实现对焊接电流的精密控制。2.1 点焊机前馈控制工作原理 图1所示为点焊机前馈控制原理
6、示意图，根据给定的规范输入电流通过电流控制器计算出导通角。然后，通过公式（1）利用逐点积分法计算出焊接电流1，即现场实际的焊接电流的大小。 反馈回来的焊接电流与给定的规范输入电流之间存在误差，从而引入前馈控制预判下个节拍动态电阻变化的平均值和上一个节拍的误差，重新计算出新的导通角控制晶闸管导通，等到下个节拍时判断焊接电流大小是否准确。如果不准确，再继续对晶闸管导通角调节。 图1 点焊机前馈控制原理示意图 Fig.1 Schematic of test block and B-scan direction2.2 前馈控制在焊接材料上的实现本文以低碳钢为例，给定板厚为0.05mm、输入规范电流值为
7、6kA。在点焊过程中，前馈控制器运用模糊控制算法分析下个节拍低碳钢动态电阻变化平均值大小的情况，计算出新的导通角调整晶闸管导通。当前馈控制器预判出在下个节拍低碳钢实际动态曲线高于理论动态特性曲线时，降低该节拍的电阻平均值，控制晶闸管延迟导通，通过预判出下个节拍动态电阻的平均值使得电流互感器反馈出来的焊接电流值为6kA，从而实现电流精密控制的目的。3 模糊控制算法在前馈控制上的建立 本文运用模糊控制算法实现前馈控制器对下半个周波焊接电流值的预判功能。以低碳钢为例，在相同加工工艺条件下，对实际焊点的动态特性曲线与理论动态特性曲线进行实时跟踪。图2所示为在给定规范电流流经前馈控制器时，前馈控制器采用
8、模糊控制设电流误差为Z，电流误差的变化为ZC,ZC设为变压器的次级电流和电脑流互感器反馈电流之间的相位差。由图3所示经过模糊化处理、模糊控制规则和非模糊化处理后，最后得到输出焊接电流的变化U。动态电阻电流U模糊控制器z(I)=I实 I理ZC=|12|图2 模糊控制器双输入单输出示意图动态电阻z(I)=I实 I理模糊器模糊控制规则非模糊化处理Fig.2 Fuzzy controller to one-way input and output diagramZC=|12|图3 模糊控制器结构示意图Fig.3 Fuzzy controller to one-way input and output
9、diagram3.1 模糊控制规则建立（1） 若运用前馈控制器预判出下半个周波实际电阻值小于理论电阻值时，即R实R理，则增加输出电阻的平均值，否则降低输出电阻的平均值。（2） 若运用前馈控制器预判出下半个周波实际电阻值小于理论电阻值时，即R实R理，且电阻有继续增加的趋势，则降低输出电阻平均值。3.2 建立模糊控制表本文采用双输入单输出模糊控制器输出的下个节拍电阻平均值来调节晶闸管导通角的大小，得到新的导通角反馈出实际的焊接电流值，与给定要求的输入电流相等。如果两者不相等，再通过上述方法进行调节，最终实现电阻点焊机电流精密控制的目标。根据模糊控制建立由表1所示归纳出模糊控制表，针对此表可以预测出
10、下个10ms应该输出电阻平均值的大小，通过得到的新的电阻值得到新的导通角在进行计算，从而可以实现对电流的准确控制。表1 模糊控制表Table 1 Fuzzy control table-5-4-3-2-10+1+2+3+4+5-566666644200-467777744200-3666666320-1-1-2444444100-1-1-1444441000-3-20444110-1-1-1-4-4+122200-1-4-4-3-4-4+221100-4-4-4-3-4-4+3000-3-3-6-6-6-6-6-6+4000-4-4-7-7-7-6-7-6+5000-4-4-6-6-6-6-6
11、-64 结 论(1) 基于焊接材料动态特性曲线模型，运用模糊控制算法在前馈控制处实现对下个焊接半周波的预判功能。(2) 经过模糊控制算法处理后建立模糊控制表，根据模糊控制表预判下个半周波10ms的电阻平均值的变化情况，再通过调整晶闸管导通角的大小，实现对焊接电流的精密控制。 参考文献： 1 王捷. 点焊智能控制系统研究D. 西北工业大学, 2005.Wang Jie. Study of intelligent control system in spot weldingD. Northwestern Polytechnic University, 2005. 2李斌. 智能化点焊机控制器的设计
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