万方数据高精度数控焊接变位机控制系统设计与实现焊接学报樊丁。王政2控制结构及算法序言系统的硬件组成石圩，第24卷第4期3年8月WELDING0近年来，为了适应快速变化的市场需求，生产商频繁地更换产品的品种和批量，这就对生产设备的自动化程度和柔性化程度提出了很高的要求。弧焊机器人柔性加工单元正是一种具有柔性化特点的高度自动化焊接设备。它不仅能提高焊接生产率、产品的焊接质量和可靠性、加工柔性和制造精度，而且还能改善工人的劳动环境，降低劳动强度，提高经济效益u-。目前，我国研制的焊接机器人尚未产业化，焊接柔性加工单元技术尚处于探索阶段，国内生产、应用主要靠全套引进。弧焊机器人在国外已经批量化，价格相对较低，而与机器人相配套的数控变位系统却因加工对象而异，多属单件生产，因此价格往往是机器人本身价格的3～7倍。作者的研究目的是在进口弧焊机器人的基础上，再根据特定产品，自行研制焊接变位机等机器人的外围设备及控制系统，可以节约大量外汇，实现低成本焊接自动化。高精度数控焊接变位机控制系统必须具有合理的体系结构、较强的数据运算和处理能力、良好的信息融合控制功能，以及开放的软硬件接口。l根据设计要求，变位机载重500b，能在两旋转轴所确定的空间旋转并可在任意位置定位，且要保持速度均匀，这就要求对电机实行速度和位置控制。作者选用了交流伺服控制系统，并采用二l：业控制计算机作为核心，应用全闭环控制方案，保证在恶劣条件下系统的控制精度与工作可靠性。图l为控制系统的硬件结构框图。2．1控制结构按伺服系统的反馈控制方式来分，可分为开环TRANSACTl0NS0FTHECHINAINS7nTUTl0N(甘肃：[业大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州730050)摘要：研制弧焊机器人用数控焊接变位机对弧焊机器人柔性加工单元(wEMc)的设计具有重要的意义。作者以基于数字信号处理器(DsP)的研华多轴运动控制乍PcL一832}为设计核心，采用基于模糊规则的智能双模协调控制器，即采用比例积分微分控制器(P1D)和模糊控制器的加权合成算法，控制过程中模糊控制器和PID控制器同时输出控制量，当控制误差较大时模糊控制器的输出权重较大，而当控制误差较小时PID控制器的输出权重较大，有效避免了变结构控制器切换过程中的震荡，实现了焊接变位机的高精度位置控制。作者对实时控制软件的结构设计和实时性要求进行了详细的理论分析，提出了基于DOs(Disksystem)系统下的高精度数控焊接变位机多任务实时控制软件的设计与实现方法。进行了多种工件的焊接试验，试验表明该控制系统工作可靠，效果良好。关键词：数控焊接变位机；智能双模控制器；实时多任务控制系统；弧焊机器人中圈分类号：TG43l文献标识码：A基金砺目：甘肃省“九·五”攻关项目(J曲74218IB)圩图1系统硬件框图v。1．24N。42OA“gust3文章编号：0253—360x(2003)04—21一04收稿日期：2002石System∞nst八lctionoperationFi昏1ofhardware12一05万方数据“加』等，。⋯e；p。(x)={l+e～’⋯～’c∞蛐B恤蟾ⅧtmII"3控制系统软件结构C吣t瑚c舶n学报控制、半闭环控制和全闭环控制三种方式。由于全闭环结构的位置检测元件安装于主轴上，理论上可以消除机械传动误差如齿轮间隙等引起的控制误差，可以获得很高的到位精度，因此数控焊接变位机控制系统采用全闭环控制方案。2智能双模控制算法”p]在数控焊接变位机的位置控制中，由于系统传动链中有的运动副如齿轮等存在间隙或失动量，使得变位机的位移与指令之间出现非线性关系。同时当变位机工作台倾斜运动时，由于工件及工作台的重心高及偏心矩不断变化，造成电机的输出转矩不断改变，而且焊接工件的形状及重量多变，使得变位机的控制存在严重的非线性；再加上交流电机是一个高阶次、强耦合、参数时变的非线性控制对象，尤其是调速方式更增加了其动态过程的复杂性。因此，被控的交流伺服驱动系统具有很复杂的多重非线性关系，难以建立起准确的数学模型。传统的比例积分微分控制器(PID)智能化程度不高，其参数整定后就不再改变，自适应能力差，对于高度非线性、时变的系统不能满足控制要求，但PID控制器在小偏差范围内有较高的控制精度。模糊控制是一种模仿人类思维方式的智能控制算法，它不需要被控对象的精确模型，对非线性系统有很好的适应能力，但是由于缺少积分环节，稳态静差难以消除。结合二者优点，作者采用了加权合成算法的智能双模模糊一PID控制器。控制过程中，采用Fuzzy—PID型的变结构控制，或者采用其它类型的多控制器变结构控制时，对确定的系统，适当选取切换点可以解决变结构控制问题，但切换点的选取有时并不准确，而且不同控制器之问的切换，容易导致控制量的