基于模糊PID控制方式的焊槍伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王瓏，張嘉，賈慶功

（西安聚能裝備技術(shù)有限公司，陜西 西安 710018）

隨著我國(guó)焊接行業(yè)的不斷發(fā)展，在模糊PID控制方式的應(yīng)用背景下，焊槍伺服控制系統(tǒng)逐漸替代了傳統(tǒng)的焊槍控制系統(tǒng)，并在稀有金屬焊接領(lǐng)域中取得了良好的應(yīng)用效果，不僅提高了焊接生產(chǎn)效率和效果，還保證了焊縫的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了焊槍位置的精確化、智能化控制。因此，為了進(jìn)一步發(fā)揮模糊PID控制方式的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)焊槍伺服控制系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)是相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須思考和解決的問題。

1 焊槍伺服控制系統(tǒng)組成

焊槍伺服控制系統(tǒng)在具體的設(shè)計(jì)中，主要通過使用上位機(jī)、PLC和圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)集散控制系統(tǒng)的構(gòu)成和應(yīng)用，焊槍伺服控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。

從圖1中可以看出，焊槍采用起弧電壓的方式，通過使用弧壓傳感器，對(duì)產(chǎn)生的弧壓信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集好的弧壓信號(hào)傳送給模糊控制器中，由模糊控制器自動(dòng)處理弧壓信號(hào)，并形成最終的計(jì)算結(jié)果，然后，將該計(jì)算結(jié)果作為伺服控制器的重要指標(biāo)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)焊槍向操作行為的自動(dòng)化控制。此外，在工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過使用相關(guān)通訊協(xié)議，可以對(duì)控制器通訊工程進(jìn)行跟蹤和控制，以達(dá)到采集伺服運(yùn)行參數(shù)、模糊PID參數(shù)等相關(guān)參數(shù)信息的目的。

圖1 焊槍伺服控制系統(tǒng)組成

2 焊槍伺服控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

為了確保焊槍伺服控制系統(tǒng)運(yùn)行性能，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重視對(duì)該系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)部分組成，分別是上位計(jì)算機(jī)、下位過程控制機(jī)、交流伺服電機(jī)和圖像傳感器。

2.1 上位計(jì)算機(jī)

在對(duì)上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員通過應(yīng)用該上位機(jī)內(nèi)部的通訊接口，并配置相應(yīng)的通訊版卡，充分利用和發(fā)揮組態(tài)軟件的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)硬件的開發(fā)和設(shè)計(jì)，確保組態(tài)軟件能夠井然有序地采集和整理信息數(shù)據(jù)。這樣一來，不僅可以保證人機(jī)交互界面的簡(jiǎn)潔性和直觀性，簡(jiǎn)化程序操作流程，提高焊接的質(zhì)量和效率，而且還能顯示焊槍故障信息，為及時(shí)有效地監(jiān)控焊槍相關(guān)故障信息打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2 下位過程控制機(jī)

下位過程控制機(jī)選用西門子S7-300系列的PLC，利用其強(qiáng)大的控制功能，確保相關(guān)數(shù)字信息的快速輸出和輸入，以達(dá)到提高系統(tǒng)集成度的目的。從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的快速組網(wǎng)，發(fā)揮CPU模塊的優(yōu)勢(shì)，提高伺服電機(jī)處理和檢測(cè)相關(guān)脈沖信息的效率和效果。同時(shí)，還要重視對(duì)接口協(xié)議的使用，確保工業(yè)組態(tài)軟件能夠在通訊領(lǐng)域中體現(xiàn)出非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 交流伺服控制及伺服電機(jī)

為了更好地提高交流伺服控制水平，設(shè)計(jì)人員需重視對(duì)伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)。在借助交流伺服控制器的基礎(chǔ)上，確保交流伺服系統(tǒng)運(yùn)行性能，使得交流伺服系統(tǒng)能夠最大化地凸顯出精確度高、可靠性強(qiáng)、運(yùn)行速度快等特征。此外，交流伺服系統(tǒng)要盡可能避免外界不良因素的干擾，能夠在短時(shí)間內(nèi)，快速完成相應(yīng)的調(diào)整操作，保證該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。

2.4 弧壓傳感器

對(duì)于弧壓傳感器而言，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要盡可能采用焊接檢測(cè)的方式，利用電弧電壓實(shí)現(xiàn)將工件與焊槍的有效連接，并做好對(duì)弧壓傳感器相關(guān)參數(shù)的科學(xué)設(shè)置，從而進(jìn)一步提高該傳感器的靈敏度，確保焊縫弧壓檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和全面性。同時(shí)，還要充分利用焊接傳感器，完成對(duì)相關(guān)控制信息的采集和整理，以達(dá)到精準(zhǔn)控制焊槍位置的目的。

2.5 CDD 圖像傳感器

在對(duì)CDD圖像傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)做好對(duì)焊接圖像的有效收集和整理，將最終整理好的焊接圖像發(fā)送到上位機(jī)中，由工上位機(jī)對(duì)這些焊接圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將焊接實(shí)際工況信息全面、真實(shí)地顯示在上位上，一旦發(fā)現(xiàn)圖像傳感器運(yùn)行出現(xiàn)異常問題，需要在第一時(shí)間內(nèi)，采用調(diào)整和變換焊槍位置的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍速度的科學(xué)控制，直到圖像傳感器能夠正常、可靠地運(yùn)行。

3 焊槍伺服控制方式

為了保證焊槍位置的精準(zhǔn)控制，在模糊PID閉環(huán)方式的采用下，可以準(zhǔn)確算出輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的差值，并將最終的差值作為一種偏差值，輸入模糊控制器中，并計(jì)算出各個(gè)偏差值的變化率，將這些偏差值的變化率輸入模糊控制器中，以達(dá)到有效控制焊槍位置的目的。為了保證模糊控制器的運(yùn)行性能，應(yīng)采用輸入和輸出相結(jié)合的方式，充分利用和發(fā)揮模糊PID控制模式應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，科學(xué)調(diào)整焊槍伺服控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以提高焊槍位置和速度控制的有效性和針對(duì)性，從而進(jìn)一步提高焊縫質(zhì)量。

在模糊PID控制方式的應(yīng)用背景下，設(shè)計(jì)人員要重視對(duì)焊槍伺服控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)定值的控制，避免該系統(tǒng)因設(shè)定值控制不合理而出現(xiàn)運(yùn)行異常問題，從而不斷提高該系統(tǒng)的外界抗干擾能力。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)根據(jù)焊槍伺服控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，科學(xué)選用合適的PID參數(shù)，確保焊槍位置和速度控制的有效性和精準(zhǔn)性，發(fā)揮模糊PID控制方式的應(yīng)用價(jià)值。

4 焊槍伺服控制軟件設(shè)計(jì)

焊槍伺服控制系統(tǒng)在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的過程中，為了實(shí)現(xiàn)主程序的精準(zhǔn)控制，需重視STEP7V5.3軟件的應(yīng)用，以確保該軟件能夠在PC機(jī)上正常、穩(wěn)定、可靠地編寫程序，并將編寫好的程序下載到指定的PLC中，對(duì)于控制系統(tǒng)程序而言，主要包含以下幾個(gè)環(huán)節(jié)，分別是系統(tǒng)初始化、焊縫檢測(cè)、模糊推理和伺服調(diào)整等環(huán)節(jié)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在模糊PID控制方式的應(yīng)用背景下，焊槍伺服控制系統(tǒng)在開發(fā)和應(yīng)用方面取得了很大的突破和創(chuàng)新，該系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)大，通用性強(qiáng)，具有良好的用戶體驗(yàn)，還在鈦及稀有金屬相關(guān)焊接生產(chǎn)領(lǐng)域中取得了顯著的應(yīng)用效果，因此，深受廣大用戶的青睞和喜愛。為了方便后期系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，需要設(shè)計(jì)人員再接再厲，用更加完善合理的程序擴(kuò)充更多使用的功能，從而為促進(jìn)焊槍伺服控制系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展，提高其應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景提供有力的保障。