基于模糊控制的冷凝器自動轉(zhuǎn)臺焊機的研制

杜俊遠,蔣 慶,余海慶,張 旺

(中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院,杭州 310018)

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基于模糊控制的冷凝器自動轉(zhuǎn)臺焊機的研制

杜俊遠,蔣 慶,余海慶,張 旺

(中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院,杭州 310018)

針對工業(yè)生產(chǎn)中平行流冷凝器接管焊接自動化程度低，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點，提出了以PLC為核心控制器的新型自動轉(zhuǎn)臺式火焰焊接系統(tǒng);采用4工位轉(zhuǎn)臺的工作方式，各工位同步運行且銜接緊密;利用組態(tài)軟件完成界面設(shè)計，人機交互簡潔，操作方便;控制算法采用模糊控制，利用PLC，流量傳感器和調(diào)節(jié)閥構(gòu)成反饋單元，依靠實時流量信息來調(diào)整模糊邏輯系統(tǒng)參數(shù)，并通過在線計算得到的最佳控制參數(shù)對空氣及燃氣流量進行調(diào)節(jié);實驗結(jié)果表明模糊控制較常規(guī)的流量控制穩(wěn)態(tài)誤差小，穩(wěn)定周期短;通過機器能力指數(shù)Cmk分析，流量控制滿足系統(tǒng)設(shè)計要求;實際生產(chǎn)中運行穩(wěn)定且可靠，焊接合格率達到99.5%。

冷凝器；轉(zhuǎn)臺；火焰釬焊；模糊控制

0 引言

20世紀80年代，平行流管冷凝器開始取代汽車空調(diào)的管帶式冷凝器并得到廣泛應(yīng)用。近年來，由于銅價較高，其材質(zhì)逐漸由銅轉(zhuǎn)鋁。冷凝器接管是冷媒進出口連接的通道，其焊接是冷凝器制作工藝中一道重要工序。然而由于鋁件氧化性強、熔透性高，焊接時易產(chǎn)生裂紋、氣孔、燒穿等缺陷[1]。目前國內(nèi)大多采用手工釬焊焊接，致使燃氣和空氣流量控制不穩(wěn)，加熱區(qū)波動大，火焰溫度不穩(wěn)定。隨著科學(xué)新技術(shù)的發(fā)展，低效的手工焊接方式已經(jīng)不能滿足工業(yè)自動化的要求。針對上述問題，本文介紹了一套冷凝器接管自動火焰焊接系統(tǒng)，它是以PLC作為控制核心[2],能夠精確調(diào)節(jié)燃氣和空氣流量，滿足焊接溫度的要求，實現(xiàn)了高效的自動化焊接。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)生產(chǎn)要求，系統(tǒng)技術(shù)指標如表1所示。

表1 冷凝器轉(zhuǎn)臺焊系統(tǒng)技術(shù)指標

本系統(tǒng)采用4工位轉(zhuǎn)臺工作方式，如圖1：上/下料工位、預(yù)熱工位、焊接工位、冷卻工位，批量生產(chǎn)時各工位間銜接緊密，具有低成本、高效率等優(yōu)勢。

圖1 轉(zhuǎn)臺整體結(jié)構(gòu)示意圖

系統(tǒng)主要包括控制單元、執(zhí)行單元和燃氣單元。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制單元是系統(tǒng)的核心單元，包括PLC和人機交互。PLC(可編程控制器)是一種穩(wěn)定高效的控制器，用于系統(tǒng)動作的控制和數(shù)據(jù)的采集、分析與處理。人機交互采用MCGS組態(tài)軟件完成系統(tǒng)界面設(shè)計，一方面用于顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，另一方面用于修改系統(tǒng)和工藝參數(shù)以適用于不同系列的產(chǎn)品的焊接。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

執(zhí)行單元執(zhí)行的是自動焊接過程的各個動作，主要包括轉(zhuǎn)盤部分、預(yù)熱部分、焊接部分和冷卻部分。轉(zhuǎn)盤部分主要由轉(zhuǎn)盤、電機、分度裝置和工裝組成。系統(tǒng)按照90°分度通過分度裝置將轉(zhuǎn)盤對應(yīng)4個工位，每個工位都有一套用于固定焊件的工裝，當每個工位動作都執(zhí)行完畢后，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動90°，各工位繼續(xù)動作。

預(yù)熱工位主要由氣缸、火焰槍和擺動電機組成。預(yù)熱過程具有以下兩個作用：1)降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度和裂紋發(fā)生率，且利于焊縫中氫氣的逸出；2)利于焊料在毛吸作用下填滿焊縫[3]。預(yù)熱前，氣缸帶動火焰槍對準焊接位置。預(yù)熱時，擺動電機帶動火焰槍來回擺動促使焊件充分均勻預(yù)熱。

焊接工位包括氣缸、火焰槍、送絲機和擺動電機。其作用是完成送絲焊接的動作。

冷卻工位包括氣缸和冷氣管等。其主要作用是對焊接部位快速降溫，避免長時間高溫下焊接部位的氧化。

燃氣單元是火焰原料的供給單元，也是系統(tǒng)焊接時流量控制的執(zhí)行單元。本系統(tǒng)共有4支火焰槍，其中每支火焰槍所對應(yīng)的氣路如圖3所示。燃氣和空氣分別經(jīng)過減壓閥、調(diào)節(jié)閥、壓力傳感器和流量計后進入混合器內(nèi)混合均勻后形成具有一定空燃比的混合氣，最后通過火焰槍輸出[4]。減壓閥和調(diào)節(jié)閥分別用于調(diào)節(jié)氣體壓力和流量，壓力傳感器和流量計分別用于監(jiān)視氣體壓力和流量。

圖3 氣路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序完成初始化后進入自動運行界面。自動運行流程是該系統(tǒng)實現(xiàn)自動焊接的主體。圖4為自動焊接流程圖。

圖4 自動焊接流程圖

首先裝夾產(chǎn)品，按下啟動按鍵，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到預(yù)熱工位。

預(yù)熱工位檢測到產(chǎn)品到位信息后，氣缸帶動火焰槍對準焊接位置，并且電機帶動火焰槍搖擺加熱焊件。預(yù)熱完成后，火焰焊槍升起，電機停止，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到焊接工位。

焊接動作和預(yù)熱動作類似，只是增加了送絲動作。由氣缸將送絲機推出，焊絲對準焊接位置后進行脈沖送絲。送絲過程須先慢后快，保證完全熔化。送絲完成后，送絲電機停止并復(fù)位。整個焊接動作完成后，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到冷卻工位。

冷卻工位檢測到產(chǎn)品到位信息后，氣缸帶動空冷裝置到位，然后電磁閥打開進行冷卻。冷卻完成后，關(guān)閉電磁閥，氣缸復(fù)位，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到裝夾工位。最后取下焊接產(chǎn)品，自動運行流程結(jié)束。

3 流量控制算法設(shè)計

燃氣和空氣流量的穩(wěn)定性是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。焊接過程中，燃氣和空氣流量的波動將直接導(dǎo)致混合器中空燃比的變化，進而火焰燃燒不穩(wěn)定，溫度忽高忽低，最終嚴重影響到產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。流量計可以采集燃氣和空氣管路中的流量，調(diào)節(jié)閥通過脈沖控制其開度的改變可以對流量進行調(diào)節(jié)，因此燃氣單元構(gòu)成了一個反饋系統(tǒng)。常規(guī)流量控制方法：系統(tǒng)根據(jù)流量計每隔2秒采集一次管路實時流量，脈沖控制調(diào)節(jié)閥微調(diào)其開度，使流量達到目標值。這種方法的優(yōu)點是實現(xiàn)方式簡單。然而由于從流量的采集到調(diào)節(jié)存在很大的滯后性，入口壓力具有波動性,易出現(xiàn)流量超調(diào)、誤差偏大等現(xiàn)象。

本文引入“模糊-流量/開度”的控制算法旨在提高流量調(diào)節(jié)的精度，保證空氣和燃氣的比例?？刂七^程如圖5所示。

圖5 模糊控制原理圖

圖5中，yr(t)為設(shè)定的目標流量值，y(t)為當前流量檢測值，e(t)為流量誤差，ec(t)為流量誤差變化量(當前流量檢測值-前一刻流量檢測值)，對流量誤差e和流量誤差變化量ec做如下定義：

(1)

(2)

e(t)和ec(t)兩個輸入量經(jīng)模糊控制器處理，得到流量調(diào)節(jié)開度所對應(yīng)的脈沖數(shù)V，系統(tǒng)以此驅(qū)動調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)流量/開度的控制。

定義流量誤差的模糊變量E和流量誤差變化量的模糊變量EC，根據(jù)實際需要分別取5個模糊子集：(A1、A2、A3、A4、A5)和(B1、B2、B3、B4、B5)，相應(yīng)的模糊語言為：負大(NB)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)。調(diào)節(jié)開度所對應(yīng)的脈沖數(shù)V為輸出調(diào)節(jié)因子，對應(yīng)7種類型：+K(大開)、+Z(中開)、+M(小開)、-M(小關(guān))、-Z(中關(guān))、-K(大關(guān))和T(不變)，模糊控制規(guī)則見表2。

表2 模糊控制規(guī)則表

針對流量模糊控制的原則是：流量誤差大時，流量調(diào)節(jié)開度的變化應(yīng)使誤差迅速減??；流量誤差小時，一方面要減小誤差，另一方面要防止系統(tǒng)產(chǎn)生流量超調(diào)。

表1中的模糊控制規(guī)則可用以下模糊條件語句表示：If e is Aiand ec is Bjthen V is Cij。其中，i=1,2…5，j=1,2…5；Ai，Bj和Cij分別表示論域e、ec和V上的模糊子集[5]。

利用模糊推理求出V的一個模糊集合，采用最大隸屬度法將模糊量清晰化，得出調(diào)節(jié)開度V查詢表。

表3 V查詢表

該模糊控制算法是將模糊控制查詢表存放于PLC內(nèi)存中，在流量實時調(diào)節(jié)過程中，PLC根據(jù)采樣誤差和誤差變化率從模糊控制查詢表中找出控制輸出量，以減小流量的波動。

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果對比

為驗證流量算法的有效性，本實驗采用空氣作為介質(zhì)，將目標流量設(shè)為4個點Q1=20 L/min，Q2=40 L/min，Q3=60 L/min，Q4=80 L/min。分別通過常規(guī)算法和模糊控制算法進行測試，其流量隨時間變化如圖6所示。

圖6 測試數(shù)據(jù)分布曲線

由圖6可知，常規(guī)流量調(diào)節(jié)方法數(shù)據(jù)波動較大，距離目標值的最大偏差達到2.1 L/min，這種波動將嚴重影響混合器中空氣與燃氣的比例，導(dǎo)致火焰忽大忽小，最終影響到產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。而采用模糊控制算法對流量進行調(diào)節(jié)，距離目標偏差較常規(guī)算法要小很多，且穩(wěn)定性好，滿足了系統(tǒng)對空氣及燃氣流量的穩(wěn)定性要求。

4.2 機器性能指數(shù)評定

為進一步對流量控制精度進行評定，采用機器能力指數(shù)Cmk進行評估。

Cmk反映了在工序穩(wěn)定情況下，設(shè)備所具有的保證被測件質(zhì)量的能力，目前企業(yè)對新設(shè)備驗收時的要求為Cmk>1.67[6]。計算公式如下：

(3)

(4)

根據(jù)焊接工藝，將燃氣流量設(shè)為15 L/min，空氣流量設(shè)為60 L/min，待流量穩(wěn)定后，每隔1秒自動記錄一次流量值，實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 流量單位：L/min

根據(jù)表4可知，利用模糊算法控制流量其機器能力指數(shù)Cmk均大于1.67，滿足新設(shè)備驗收要求，準確性達標。

5 結(jié)束語

本文研制的冷凝器接管自動火焰焊接系統(tǒng)，實現(xiàn)了多工位同時動作，實際生產(chǎn)節(jié)拍達到25秒/個，工裝可適用多種類型產(chǎn)品，高效且經(jīng)濟。利用模糊控制算法調(diào)節(jié)燃氣和空氣流量，保證了焊接火焰溫度，極大地降低了各種焊接缺陷的產(chǎn)生，焊接合格率達99.5%。目前該系統(tǒng)已在冷凝器生產(chǎn)中投入使用，運行狀態(tài)穩(wěn)定且可靠。

[1] 俞梅梅. 鋁件產(chǎn)品的火焰釬焊的缺陷分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計改進[J]. 科技信息,2009(21): 87-88.

[2] 馬俊龍, 候勇英, 宋守云. PLC在環(huán)縫焊接裝置中的應(yīng)用[J]. 河南機電高等?？茖W(xué)校學(xué)報, 2004, 12(2): 45-46.

[3] 李俊光,徐 凱,孫 強.藥芯焊絲電弧焊工藝在掘進機截割頭制造中的設(shè)計及應(yīng)用[J]. 煤礦機械,2014, 35(11): 145-147.

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Development of Automatic Swilunvel Turntable Welding Machine for Condenser Based on Fuzzy Control

Du Junyuan, Jiang Qing, Yu Haiqing, Zhang Wang

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A new automatic turntable flame welding system based on PLC is put forward to solve the problems of low degree of automation, low production efficiency and poor flame stability in parallel flow condenser welding. Every station can run synchronously and link up tightly by a four-station turntable. Human-computer interaction is easy to operate by using the configuration software to complete the system interface design. Control algorithm uses fuzzy control. System uses PLC, flow sensor and regulator to form a feedback unit and rely on real-time flow information to adjust the parameters of the fuzzy logic system. Besides, system adjusts air and gas flow through optimal control parameters calculating online. The experimental results show that comparing with conventional control, fuzzy control has smaller steady state error, shorter stable cycle. Through the analysis of the machine capability index Cmk, the flow control precision meets industry requirement. The system is stable and reliable in actual production and the welding qualification rate reaches 99.5%.

condenser; turntable; flame brazing; fuzzy control

2015-11-22；

2015-12-28。

杜俊遠(1989-)，男，碩士研究生，主要從事檢測自動化方面的科研工作方向的研究。

1671-4598(2016)06-0087-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.024

TP216

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