專利名稱：閃光對焊機的自適應在線控制系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種例如閃光焊型的用于棒、錠或坯段的對焊機的在線控制方法，這些棒、錠及坯段被插入到一個用于加工錠或坯段的連續(xù)過程中。本發(fā)明還涉及為實施該方法而特別設計的一種控制系統(tǒng)。
背景技術：
在現(xiàn)有技術中已知，閃光焊型的對焊過程包含以下幾個步驟。
第一個步驟是預熱步驟，該步驟在焊接機接收到外部的啟動命令以開始焊接操作時開始。該步驟中，坯段被夾具夾緊，同時，兩接頭通過所產(chǎn)生的一個流過它們之間的高強度電流往復地靠近或遠離。
坯段的預熱采用短持續(xù)時間的脈沖進行以防止坯段兩個端面粘連的力大于夾具可提供的使其分離的力。如果預熱的電壓過高則可能會導致產(chǎn)生電弧。在預熱過程中，對電流的控制一般使其保持在電源在短路狀態(tài)能夠維持的最大電流。預熱的目的與其說是加熱坯段，不如說是燒灼坯段，從而消除電流將被集中于其上的接觸表面上可能存在的不規(guī)則。事實上，考慮到坯段的低電阻，當通過30000A的電流時，不可能提供大于幾千瓦(3-5KW)的熱能，而這正好產(chǎn)生低于1攝氏度/秒的適度加熱。
一旦預熱步驟結束，通常在一段預設時間之后，進行被稱為閃光的第二個步驟。在該第二步驟的開始，該過程的電氣及機械曲線旨在使得以一種規(guī)則的方式在接頭之間產(chǎn)生電弧并使之擴散。接下來，在熔融過程中，將提供給接頭的電弧的幾何形狀及熱能保持在預設的曲線上，該曲線使焊接操作的結果達到最優(yōu)。在“閃光”過程中可以提供的最大功率通過作用于供電電壓而設定，該電壓可以通過作用于變壓器的變比(定義為“抽頭轉換”)及作用于存在于在初級繞組中的相位偏置器(partializer)的觸發(fā)角來調節(jié)。提供了位置控制，其通過一個液壓缸來調節(jié)夾具之間的相對距離。通常地，調節(jié)所述距離是為了保持電弧電流恒定。典型地，為夾具設定的位置曲線是拋物線型，因為“閃光”步驟被分為三個時間段，必須要用夾具的相互接近的不同速度來控制。
在第一個時間段，使坯段的表面溫度升到1500℃。這個步驟中，夾具的速度甚至可以為零，只要金屬還沒有被熔化。
在第二個時間段，通過保持所使用的功率恒定，鋼開始熔化。最初，鋼是冷的，一直到靠近坯段表面處，接下來熱量向坯段內(nèi)部擴散至一個很大的范圍，因而鋼慢慢熔化。當坯段被加熱時，鋼內(nèi)部的溫度分布圖趨向于一個恒定界限的形狀，并且熔化的速度變?yōu)楹愣?。在這個時間段里，夾具的移動速度必須能夠跟隨被消耗的表面的移動。
如果焊接系統(tǒng)配有一個恒壓、低阻抗的發(fā)電機，那么這種對被消耗表面的移動的跟隨就不是一個關鍵因素了，因為，如果夾具的速度增加，則距離將縮短，從而電流及熱能增加，這樣，熔融的速度將自動適應夾具的速度。夾具的速度越快，電流及焊接功率越大，電弧電壓越低且焊接的時間越短。然而，如果夾具的速度增加過快，則功率的增加不再能夠補償坯段接近的速度，這會產(chǎn)生短路，從而導致不希望發(fā)生的不穩(wěn)定焊接的現(xiàn)象。
在焊接的過程中，熔化的鋼在焊接區(qū)域的附近燃燒氧氣，這就帶來了以下好處即焊接發(fā)生在一種幾乎是惰性的氣體中。然而，如果電弧熄滅了，氧氣將會進入，這將產(chǎn)生危害焊接的氧化物。在這種情況下，進一步的弊端是隨著電弧熄滅，接頭表面的冷卻速度太快，從而產(chǎn)生再凝固的問題。另外，如果在接下來的頂鍛步驟之前緊接著發(fā)生了大約100毫秒的短時間的電弧熄滅，就會危害焊接。
另一方面，在“閃光”步驟期間，熔化的鋼從縫隙中流出并帶著可能產(chǎn)生的氧化物。因此，在遠離頂鍛階段發(fā)生的可能出現(xiàn)的短暫的斷弧，并不總會危害焊接操作的結果；然而，在任何情況下，都應當防止斷弧的產(chǎn)生，因為在斷弧的情況下，焊接接收到的功率較少而且存在著焊接操作的結果的離散。這種情況會在采用了觸發(fā)角太大的偏置器的情況下發(fā)生，因為這樣導致的電流下降會使電弧不穩(wěn)定并引起頻繁的斷弧，從而危害到焊接的質量。
最后，閃光步驟也會進入第三個時間段，在該時間段中，坯段兩個末端之間的縫隙將閉合以啟動頂鍛步驟。非常重要的一點是，應當以非常快的速度閉合這個縫隙，以便在從滅弧到端面相互接觸之間的一段時間中，空氣將沒有時間進入，從而不會引起鋼的氧化及坯段表面的冷卻。在閉合縫隙的操作中，小心不使滅弧，這樣，頂鍛操作的第一部分將在有高電流的情況下進行，以便根據(jù)焦爾效應，用提供能量的方法來補償由于熱量在坯段內(nèi)部擴散所導致的冷卻。電流只是在短路發(fā)生后大約100毫秒才中斷。
電弧燃燒時鋼的消耗速度是一個關鍵的參數(shù)，且其正比于焊接功率。所述速度應該平均在1.8-2毫米/秒。焊接過程的起始速度為平均速度的一半。
對于高功率焊接，存在另一個弊端即，鋼的燒灼很快，從而導致“可塑”的區(qū)域變薄，該區(qū)域即在1400℃-1500℃的溫度范圍內(nèi)的用于頂鍛的區(qū)域。這將引起冷隔現(xiàn)象。相反，在功率太低的情況下，焊接的時間變長，從而導致閃光階段形成的氧化物不能完全排出。
電弧點火的時間通常以這樣的方式選擇，即至少相當于產(chǎn)品的原始最大不規(guī)則度的鋼的厚度將被熔化，而且要考慮最保守的平均熔融速度(大約為1.8毫米/秒)。
規(guī)定電流最大閾值是為了通過加大待焊接的端面之間的距離而很快消除短路。然而，對所述閾值的標定要求很苛刻。當標定不準確時，在閃光最后一個步驟中產(chǎn)生的短路會危害焊接的質量。即使在閃光步驟的開始階段產(chǎn)生的短路不會很嚴重的危害焊接(如果短路在大約100毫秒內(nèi)被消除的話)，然而，這種短路的確將引起供給接頭的能量的減少，并且這將導致結果出現(xiàn)離散。
從上面分析可以看出，閃光步驟中對焊接操作質量影響最大的是最后一個部分(最后2-3秒)，在這段時間內(nèi)，要絕對避免出現(xiàn)斷弧或功率下降。
焊接過程的第三個步驟是在閃光步驟之后的頂鍛步驟。在這個步驟中，坯段之間的壓力以及使用的電流將按照預設的函數(shù)曲線進行控制，該曲線將最優(yōu)化接頭的質量。在熔融的最后，為了使任何可能仍是冷的并被氧化的區(qū)域(這些區(qū)域將在兩個表面接近時產(chǎn)生阻力)都能夠熔融，電流被設為最大值，并且控制焊接機夾具定位的伺服閥被完全打開，以達到最大的縫隙閉合速度。壓力由供給液壓回路的膨脹箱PH(高壓)決定。在斷弧發(fā)生之后，重要的是盡可能快地將縫隙閉合以防止空氣進入焊接區(qū)域及端面冷卻。
只有當有效功率降至低于一個給定的閾值(例如50KW)或者控制系統(tǒng)中出現(xiàn)超時(例如200毫秒)情況時，電流才變?yōu)榱恪?br> 從對使用一些為人所熟知的閃光焊機所加工的產(chǎn)品的分析可以看出，被送達軋臺的接頭中很大比例出現(xiàn)了焊接缺陷，而這些接頭并沒有通過質量控制檢測出來。這些焊接很差的接頭引起了最終產(chǎn)品中的質量問題，而且最壞的情況甚至會造成軋機卡住。
基于數(shù)百次焊接所獲得的數(shù)據(jù)，通過對有關該問題的深度研究可以得出以下結論焊接結果巨大的統(tǒng)計離散度源于焊接過程中涉及的某些干擾因素的巨大的離散度。已確認的最重要的干擾現(xiàn)象為待焊接的接頭表面的幾何形狀所呈現(xiàn)出的不規(guī)則度，這常常使兩坯段端面的不匹配的區(qū)域彼此相隔很遠，以及鋼的初始溫度不同。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，機器中用來調整焊接過程的根據(jù)現(xiàn)有技術的控制系統(tǒng)無法處理該過程中主要的參數(shù)變化(當這些變化出現(xiàn)時)，這將導致焊接過程的結果出現(xiàn)離散。
更進一步的，在控制交流焊接機器焊接的系統(tǒng)之中，所知的控制器都不能滿足在某些不利條件下操作所需的耐用性要求。大多數(shù)為人所知的焊接控制器(見以下出版物A.P.Chekmarev et al.，“Determining the flashallowance for welding hot billets in continuous rolling mills”，Svar.Proiz.，1970，No.8，p.p.5-7和“A new control system for the K-190P rail flashwelding machine”；N.V.Podola，V.P.Krivenos，B.L.Grabchev，“Automatic Welding”，Vol.36，No.8，Aug.1983，p.p.40-43，F(xiàn)igure 1，Table 3，ref.“ATUOMATIC WELDING”)基于一種可以使夾具沿著開環(huán)位置的一條拋物線運動的系統(tǒng)，也就是不考慮電壓及電弧電流的測量值。該曲線只有在發(fā)生短路的情況下才會被修改，在這種情況下，對于預定義位置的拋物線，增加張開夾具的一個小步驟。
以這種方式，移動的系統(tǒng)不能夠穩(wěn)定電弧的幾何形狀，因為它不考慮該幾何形狀。
專利US-A-4.940.876描述了一種用于交流焊接機的電弧阻抗控制器。該致動器通過對液壓位置控制的作用將電弧阻抗保持恒定。短路回路的阻抗在采用的計算系統(tǒng)中是一個很重要的參數(shù)，該參數(shù)在每個焊接周期結束的頂鍛步驟中被測量和重新更新。然而，通過這種方式，該控制系統(tǒng)并未以任何方式考慮這樣一個事實，即在焊接過程的初始時刻，電弧的特征變化很大，并因此無法在焊接周期的過程中保持恒定。尤其當存在不規(guī)則端面時，該變化的發(fā)生是由于電弧首先在接頭上相互之間的距離較近的一點處起弧，隨后逐漸地擴散到端面的其余部分，但要用幾秒鐘擴散到整個接頭。在該步驟中為了在電弧特征發(fā)生改變的情況下仍保持電弧阻抗恒定，該控制系統(tǒng)將無法防止在點火期間短路發(fā)生。由于在每個短路中將會出現(xiàn)滅弧從而導致供給接頭的熱能減少，這種類型的控制器使為焊接提供的能量不穩(wěn)定，并由此導致結果出現(xiàn)離散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過根據(jù)權利要求1的一種控制閃光焊型的對焊機方法，并根據(jù)本發(fā)明第二方面，通過具有權利要求3的特性的一種控制系統(tǒng)，來消除上面提到的種種弊端。
根據(jù)本發(fā)明所述的一種診斷系統(tǒng)，可以通過同時控制在焊接操作的不同步驟起作用的可變參數(shù)，使所述操作的結果最優(yōu)化。
更具體的說，本發(fā)明克服了熟知的控制器遺留的未解決的一些問題，特別是，在這些控制器中有在前面提到的US-A-4940876中描述的阻抗控制器，其構成了更先進的實施例之一，但并不通過控制供電電壓來改進焊接控制。
為了達到最優(yōu)的結果，根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)在閃光步驟中不僅控制電弧阻抗而且控制很多其它的變量，其中首要控制電弧長度。由于這個事實，短路發(fā)生的可能性被極大的減小，因為對電弧長度的控制有效地防止了接頭之間的相互接觸。這是通過使用一個數(shù)學模型(該數(shù)學模型依據(jù)決定該過程行為的物理定律的知識及直接的測量)估計電弧長度來完成的。更進一步地，為了保證在電弧阻抗變化的情況下的功率供給也滿足期望，通過控制偏置器的觸發(fā)角來控制初級電壓。如果在閃光步驟的開始階段在起弧時，由于待焊接的相對表面的不規(guī)則，使得所產(chǎn)生的電弧被限制在所述表面的一小部分面積內(nèi)，則電弧在相同的給定長度下會表現(xiàn)也高阻抗。控制系統(tǒng)增加供給電壓，以便不管怎樣都供給電弧充足的功率，使該產(chǎn)生在表面不規(guī)則處的電弧更快地熔化表面的不規(guī)則。這樣，通過使待焊接的端面變平坦有利于快速消除表面的不規(guī)則。
接下來，在閃光步驟的最后，供給的熱能逐漸減少，以在端面附近的坯段區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生一個更大范圍的“可塑”層，這將提高焊接的質量。
在條件變化極大的情況下，控制系統(tǒng)將沒有足夠可用的時間余量以及可以供給的功率余量使焊接操作適當?shù)亟Y束，為了也克服這一問題，本發(fā)明有利地提供了一種在線診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)用一種可靠的方式識別焊接接頭，并且可以將其從加工線上去除。
根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的進一步的優(yōu)勢在于存在一個動態(tài)狀態(tài)觀測器，該觀測器考慮了到當前時刻為止整個焊接過程的歷史，能夠再現(xiàn)并且也可以為以后的時刻預測大量狀態(tài)和性能變量的趨勢，而控制和診斷的動作正是基于這種趨勢。通過對這些變量同時進行控制，以使其遵循預先設定的曲線，將導致與現(xiàn)有的控制系統(tǒng)相比有一個性能上的改進，因為現(xiàn)有技術僅基于檢測一些可以直接測量的變量，這一事實將導致其焊接過程的不夠可靠。
根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)中考慮的所有這些因素的組合決定了坯段可以得到優(yōu)異的焊接質量。
該控制系統(tǒng)所可能實現(xiàn)的主要目的有，在焊接操作的每一步驟中使焊接系統(tǒng)的電氣、熱力以及機械狀態(tài)變量的趨勢更可靠和可重復，并可能不允許焊接操作未完全成功的接頭進入后續(xù)加工步驟。


本發(fā)明可以實現(xiàn)的更多的優(yōu)點將通過以下參照附圖對一種對焊機的在線控制系統(tǒng)的一個具體和非限制性的實施例的詳細描述，更加清楚地展示給本領域的技術人員。在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的方法的功能邏輯圖；圖3展示了某些性能變量的最優(yōu)曲線的若干圖像。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明的用于解決所述技術問題的解決方案，提供了一種用于控制和在線診斷“閃光焊”型的對焊機的方法，該對焊機適于包括在錠和坯段制造的連續(xù)過程中。
根據(jù)本發(fā)明的方法充分地考慮了基于在隨后的描述中將更加詳細說明的預定的標準，控制兩個致動器，這兩個致動器分別作用于用來控制向焊接提供熱能的電機的偏置器的觸發(fā)角以及控制焊機夾具定位的閥門的開口。
具體參考第一圖，其中使用了下列符號U＝控制信號；Ym＝直接測量值；Z＝性能變量；Zset＝Z的理想曲線；Zspec＝Z曲線的特性；X＝估計狀態(tài)變量；
Sync＝焊接時序狀態(tài)；以及Ydiag＝診斷報警，根據(jù)本發(fā)明的方法通過一個包含多變量動態(tài)控制律(塊C)的控制系統(tǒng)實施，該控制律基于多目標優(yōu)化和魯棒綜合技術以便能夠將決定焊接過程質量的變量的所有曲線維持在精確的控制下(即使在定義電弧特性和接頭的幾何形狀的參數(shù)具有不確定性的情況下)，以便從焊接操作的一開始，就使得所有電氣、機械和熱力量的趨勢快速會聚到理想的數(shù)值，盡管在焊接過程中會出現(xiàn)較寬的參數(shù)變化。
根據(jù)本發(fā)明一個特別有優(yōu)勢的方面，控制系統(tǒng)同樣也考慮了一個診斷系統(tǒng)，它能夠識別出由于干擾現(xiàn)象的極值的出現(xiàn)而未能被正確焊接的接頭。
動態(tài)控制律(塊C)通過維持焊接過程中的電氣、機械和熱力的各值的實際趨勢逼近最優(yōu)趨勢，來同時作用于調節(jié)供電的偏置器的觸發(fā)角以及控制夾具移動的液壓控制上。由于并不是所有決定焊接過程趨勢的變量都可以被測量，所以提供了一種根據(jù)數(shù)學和試探模型的估計方法，所述模型在線再現(xiàn)用于使焊接狀態(tài)信息完整所必須的變量。根據(jù)這些狀態(tài)變量，決定過程質量的變量被確定，這些變量的趨勢決定了焊接整體結果的優(yōu)良度。對于這些變量(我們將稱之為“性能變量”)，通過測試，其在焊接操作時所應當遵循的最優(yōu)曲線已經(jīng)被確定。根據(jù)由一個動態(tài)狀態(tài)觀測器提供的性能變量，也開發(fā)了一個診斷系統(tǒng)，其能檢測到焊接是否由于出現(xiàn)的某個問題而沒有達到要求的質量。由該診斷系統(tǒng)產(chǎn)生的報警使有缺陷的接頭不會進入后續(xù)的處理步驟中。
根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括下面具體參考圖1說明的功能塊。
系統(tǒng)包括一個動態(tài)狀態(tài)觀測器(塊A)，它用來檢測焊接過程X的狀態(tài)，也檢測沒有被直接測量但其變化趨勢對最終結果有重要影響的要素。動態(tài)觀測器(塊A)使用直接測量值Ym、輸入控制U、以及一組定義焊接過程趨勢的物理定律和實驗規(guī)則(f(X，U，Ym，Sync))來獲得焊接過程所在的狀態(tài)的圖像，以及預測其在時間中的變化dX/dt。動態(tài)狀態(tài)觀測器(塊A)提供了代表這樣的變量的多個性能輸出Z，這些變量的曲線定義了優(yōu)良的焊接操作結果。在這多個性能變量Z中還包含了這樣一些量，因為它們不可被直接測量，所以是通過使用適當存儲在動態(tài)觀測器A中的物理和實驗定律解釋焊接過程的動態(tài)進展來獲得的。由于有所述多個性能變量Z，控制系統(tǒng)的控制和在線診斷活動得以進行。在各步驟中具有識別焊接過程的狀態(tài)和結果的功能的變量是由動態(tài)狀態(tài)觀測器A再現(xiàn)的。
在所考慮的性能變量中有利地包括液壓缸中的壓力；液壓缸的位置；液壓缸的速度；伺服閥的位置；偏置器的觸發(fā)角；變壓器的變比(僅當控制器可以自動對它進行控制時使用)；網(wǎng)絡所吸收的電功率；提供給變壓器端子的直流電壓；電弧電壓；電弧電流；提供給接頭的熱能；傳遞給接頭的熱功率；接頭的熱圖；接頭之間縫隙的寬度；熔化金屬的量；接頭熔融的速度；電弧功率；電源提供的電功率；以及電弧阻抗。
動態(tài)狀態(tài)觀測器(塊A)，響應于控制輸入并通過使用考慮了物理和實驗定律的算法來預測焊接過程的趨勢，并且僅將測量值用于更新所做的預測和更正那些隨時間變化的參數(shù)的值。
在那些可隨時間變化的并在焊接的執(zhí)行過程中被動態(tài)狀態(tài)觀測器(塊A)在線識別的參數(shù)中有與電壓-電流-電弧長度特性相對應的參數(shù)，電弧的熱效率(定義為提供給接頭的熱能和提供給電弧的電能之比)，電源效率，直流電路的電阻以及焊接操作開始時接頭的位置。當直接測量一變量的某個系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，動態(tài)狀態(tài)觀測器A仍會繼續(xù)預測所述變量的趨勢，而且，即使后者不再被測量，動態(tài)控制律(塊C)仍能夠調整焊接過程，盡管是以稍微下降的性能進行的。
控制系統(tǒng)中包括的另一個元件是用于性能變量的曲線動態(tài)發(fā)生器(塊B)，它使用了基于g(X，U，Ym，Sync)型的物理定律和實驗規(guī)則的算法。曲線動態(tài)發(fā)生器提供所希望的最優(yōu)曲線Zset供性能變量Z遵循。該路些徑是通過一組由設計者適當選擇的參數(shù)Zspec來配置的。
在控制系統(tǒng)中提供了前面已提到的動態(tài)控制律(塊C)，它根據(jù)性能變量Z的值和最優(yōu)曲線Zset來計算用于致動器的控制U。
此外還提供了一個動態(tài)診斷裝置(塊D)，它通過將性能變量的曲線與希望的曲線進行比較來生成焊接質量指數(shù)Xdiag。如果這些質量指數(shù)落在預定區(qū)間之外，則產(chǎn)生一個報警信號，該信號將使得動態(tài)控制律(塊C)采用一焊接恢復策略，該策略將考慮到在頂鍛步驟前中斷焊接操作。在極特殊的情況下，其中在頂鍛步驟中產(chǎn)生了報警，則下一步將是把所焊接的接頭切掉。動態(tài)診斷裝置D也控制測量和致動裝置的效率。在出現(xiàn)故障時，將產(chǎn)生報警，這將促使動態(tài)控制律(塊C)采用一個合適于在較差環(huán)境下工作的控制策略。
系統(tǒng)還包括一個同步信號發(fā)生器，其由塊E表示(也稱為時序管理器)，它促使動態(tài)控制律(塊C)在焊接操作的每一步中采用合適的操作策略，將合適的信號發(fā)送到控制系統(tǒng)的所有塊中。
根據(jù)本發(fā)明的動態(tài)狀態(tài)觀測器(塊A)的工作模式按下述方式進行。在整個焊接過程中，狀態(tài)觀測器(塊A)跟蹤待焊的接頭的輪廓。通過檢測致動器U(包括一個電源和一個液壓閥)的行為，動態(tài)狀態(tài)觀測器A計算電路中電壓和電流的狀態(tài)，計算接頭中熱能的平衡并檢測坯段的熱圖、電弧的幾何形狀以及液壓運動系統(tǒng)的運動狀態(tài)。通過把變量的估計值和各自的有效測量值相比較，狀態(tài)觀測器A將通過執(zhí)行參數(shù)的在線識別來更新所估計的狀態(tài)以及易于變化的參數(shù)的值。
根據(jù)由同步信號發(fā)生器(塊E)定義的工作模式，觀測策略在焊接過程的不同步驟中改變。通過過程的被再現(xiàn)的狀態(tài)，狀態(tài)觀測器產(chǎn)生性能變量Z，所述性能變量Z代表為獲得好的焊接效果而要被控制的主要曲線，在其上執(zhí)行診斷推理的變量，以及使能同步發(fā)生器建立從焊接過程中一個步驟到另一個步驟的轉移和工作模式改變的變量。
最優(yōu)曲線發(fā)生器(塊B)的工作模式敘述如下最優(yōu)曲線Zset隨時間變化并從機器的某些設置參數(shù)Zspec開始計算。
被指定了用來控制預熱步驟的的曲線的性能變量Z包括待焊接坯段的壓力，接頭移位的速度，將在接頭中流動的電流以及接頭間接觸的時間。
被指定了用來控制閃光步驟的曲線的性能變量Z包括電弧長度，電弧提供的熱功率，電弧電壓，電弧阻抗，以及接頭上的溫度分布。
被指定了用來控制頂鍛步驟的曲線的性能變量Z包括坯段頂鍛的壓力，將在接頭中流動的電流以及接頭的位置。
性能變量Z的最優(yōu)曲線是時間和性能變量Z本身的動態(tài)函數(shù)，并且是使用適當?shù)乃惴?該些算法結合了一組來自于物理定律和實驗數(shù)據(jù)的規(guī)則)產(chǎn)生的。
由于性能變量是相互依賴、由精確的關系連接起來的，例如，電弧阻抗、電弧電壓、電弧電流，有少數(shù)設置參數(shù)Zspec就足以定義性能變量Z的無數(shù)條曲線。
動態(tài)控制律(塊C)的工作模式描述如下。動態(tài)控制律(塊C)促使根據(jù)焊接過程的步驟選擇的性能變量Z的一個子集，遵循各自的最優(yōu)曲線。如果不可能精確的遵循所有指定的曲線，動態(tài)控制律(塊C)將最小化各曲線的跟蹤誤差的加權平均值，該平均值的權重由控制增益確定并使用一個多目標優(yōu)化技術計算。通過這種方法，最大的誤差將是對控制動作產(chǎn)生最大貢獻的誤差。
動態(tài)診斷裝置(塊D)的工作模式按如下進行。診斷裝置的主要目的是當動態(tài)診斷裝置檢測到的某一無法預料的干擾因素將會降低焊接質量時中斷焊接操作。一個劣質的焊接會非常危險，因為它可能在后續(xù)加工步驟中，尤其是在軋機中，引起卡住。
最常見和最嚴重的干擾因素在于待焊接的接頭輪廓中的顯著的不規(guī)則；然而，也可能出現(xiàn)其它的干擾，例如與夾具接觸處的高電阻導致不能將所需的能量傳導給電弧、線電壓的變化等。
動態(tài)診斷裝置D執(zhí)行的另一個功能是檢測焊接系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的故障。
動態(tài)診斷裝置(塊D)的輸入為性能變量Z和曲線特性Zset。從這些輸入變量開始，它動態(tài)地在內(nèi)部通過一種算法(該算法基于一組物理規(guī)則和值Xdiagn的實驗區(qū)間)產(chǎn)生多個診斷變量Ydiagn。如果診斷變量Ydiagn脫離了各自的實驗預置的數(shù)值區(qū)間，則診斷裝置D將發(fā)出特定的報警。報警被送到同步信號發(fā)生器(塊E)，它們將相應地實施適當?shù)捻憫呗浴?br> 同步信號發(fā)生器(塊E)的工作模式描述如下。同步信號發(fā)生器的主要任務是將焊接時序狀態(tài)值告知控制系統(tǒng)的功能塊。焊接時序主要包括所提及的三個步驟預熱，閃光和頂鍛。每個步驟又進一步分成子步驟。焊接周期的起始由使能信號決定，該信號由軋機的中央控制系統(tǒng)發(fā)出；在待焊的坯段已正確地定位到焊接機器上時，如果需要，可以將該中央控制系統(tǒng)集成到用于控制焊接的系統(tǒng)中。
從焊接周期的一個步驟到另一個步驟的轉變根據(jù)時間或根據(jù)已達到性能變量Z的某些特定條件來決定。
同步信號發(fā)生器(塊E)通知控制系統(tǒng)的各塊它所處的焊接周期的步驟和子步驟。
控制過程各步的工作模式可以在診斷裝置(塊D)發(fā)出報警時被修改。同步發(fā)生器接收所述的診斷報警，解釋它們，并將命令發(fā)送到控制系統(tǒng)各塊，以在正確的降級操作的模式下進行。
圖3的圖像作為有利的例子示出了閃光期間設置的某些非直接測量的性能變量的多個最優(yōu)曲線。
根據(jù)上述本發(fā)明的用于控制對焊機的系統(tǒng)可以通過特別設計的計算機化系統(tǒng)來獲得，或者也可以用一種特別有利的方式，即，通過一個用于通用電子處理機如PC的程序來獲得。在這種情況下，上述功能塊，即動態(tài)狀態(tài)觀測器A、動態(tài)曲線發(fā)生器B、動態(tài)控制律C、同步信號發(fā)生器E及動態(tài)診斷系統(tǒng)D對應于軟件塊，這些軟件塊用適合于在用于控制焊接機的處理器上最優(yōu)地使用的編程語言適當?shù)鼐帉憽?br> 圖2所示的圖表示焊接過程的流程圖或邏輯功能圖，同時指示了使能焊接過程從一個階段轉變到另一個階段的量。非常明顯，根據(jù)本發(fā)明的診斷系統(tǒng)的存在提供了相對于已知控制系統(tǒng)的優(yōu)點，由此，在閃光步驟中，通過在線檢查，根據(jù)接頭的質量可以區(qū)別選擇后續(xù)的狀態(tài)。通過這種方法，有缺陷的焊接可以被舍棄從而不會在后續(xù)的處理操作中產(chǎn)生問題。
權利要求
1.一種用于在焊接周期中在線控制用于棒、錠或坯段的對焊機的方法，其包括以下步驟控制用于打開控制該焊接機的夾具定位的閥門的第一致動器(U)的致動；以及控制用來控制提供給該焊接過程的熱能的偏置器的觸發(fā)角；所述控制步驟根據(jù)動態(tài)狀態(tài)觀測器(A)對在每個焊接循環(huán)執(zhí)行期間的該焊接過程的歷史所做的分析來調節(jié)，所述分析用來估計將被用做控制該焊接周期本身以及后續(xù)焊接周期的動作的基礎的多個狀態(tài)變量(X)以及性能變量(Z)的趨勢。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中為了調節(jié)所述控制步驟，提供了以下步驟由所述動態(tài)狀態(tài)觀測器(A)觀測焊接周期的狀態(tài)變量(X)；通過性能變量(Z)的動態(tài)曲線發(fā)生器(B)定義將由多個性能變量(Z)遵循的預定的最優(yōu)曲線(Zset)；根據(jù)所述性能變量(Z)、最優(yōu)曲線(Zset)以及由該焊接過程正在執(zhí)行的步驟所決定的操作策略的值執(zhí)行動態(tài)控制律(C)；以及由信號發(fā)生器(E)產(chǎn)生同步信號(Sync)，動態(tài)控制律(C)基于所述同步信號采用所述給定的操作策略。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其中，由所述動態(tài)控制律(C)控制的所述性能變量(Z)包括電弧阻抗、電弧長度以及電弧電流的主電壓。
4.根據(jù)權利要求3的方法，其中，在該焊接過程的閃光步驟中，所述動態(tài)控制律(C)維持電弧長度恒定，并根據(jù)電弧阻抗的變化改變電弧電流的主電壓。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其中，由動態(tài)診斷系統(tǒng)(D)提供在線診斷，為此所述動態(tài)診斷系統(tǒng)(D)將所述性能變量(Z)的曲線和所希望的曲線(Zset)進行比較，從而生成焊接質量指標。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其中，提供了用于對對焊機供電的變壓器的變比的自動在線改變(抽頭轉換)。
7.一種用于控制用于棒、錠或坯段的對焊機并用于實現(xiàn)根據(jù)權利要求1的方法的系統(tǒng)，其中，該機器包含用于打開控制該對焊機夾具定位的閥門的致動器(U)以及偏置器，其中該控制系統(tǒng)包括動態(tài)狀態(tài)觀測器(A)，其適用于觀測由該機器執(zhí)行的焊接過程的多個狀態(tài)變量(X)；性能變量(Z)的動態(tài)曲線發(fā)生器(B)，其適用于為所述性能變量(Z)定義預定的要遵循的最優(yōu)曲線(Zset)；動態(tài)控制律(C)，其適用于根據(jù)所述性能變量(Z)和所述最優(yōu)預定曲線(Zset)的值來控制致動器(U)和偏置器；以及同步信號發(fā)生器(E)，其適用于產(chǎn)生同步信號(Sync)。
8.根據(jù)權利要求7的系統(tǒng)，其中，提供了變比變換器(抽頭轉換器)，其適用于控制變比。
9.根據(jù)權利要求8的系統(tǒng)，其中，提供了動態(tài)診斷系統(tǒng)(D)，其適用于將所述性能變量(Z)的曲線和所希望的曲線(Zset)相比較，生成焊接質量指標。
10.根據(jù)權利要求9的系統(tǒng)，其中，所述動態(tài)狀態(tài)觀測器(A)、動態(tài)曲線發(fā)生器(B)、動態(tài)控制律(C)、同步信號發(fā)生器(E)以及動態(tài)診斷系統(tǒng)(D)是通過計算機程序實現(xiàn)的。
11.根據(jù)權利要求10的用于控制用于棒、錠或坯段的對焊機的系統(tǒng)，其中所述機器為閃光焊型。
全文摘要
一種用于棒、錠或坯段的對焊控制系統(tǒng)通過作用于一個致動器(該致動器(U)用于打開閥門以控制焊接機夾具的定位)及偏置器來控制焊接操作，該控制是基于以下部件的操作實現(xiàn)的動態(tài)狀態(tài)觀測器(A)，其觀測焊接過程的狀態(tài)變量(X)；性能變量(Z)的動態(tài)曲線發(fā)生器(B)，其定義了性能變量(Z)要遵循的預定的最優(yōu)曲線(Zset)；基于性能變量(Z)及最優(yōu)曲線(Zset)的值的動態(tài)控制律(C)，其用于根據(jù)性能變量(Z)和希望曲線(Zset)的值控制給夾具(U)定位的閥門及偏置器；以及用于為觀測器(A)、動態(tài)曲線發(fā)生器(B)以及動態(tài)控制律(C)產(chǎn)生同步信號(Sync)的同步信號發(fā)生器。
文檔編號B23K11/25GK1761548SQ200480007666
公開日2006年4月19日 申請日期2004年3月24日 優(yōu)先權日2003年3月25日
發(fā)明者F·德留斯, F·瓜斯提尼, D·韋尼爾, G·布齊 申請人:達涅利機械工業(yè)有限公司, 達涅利自動化有限公司