鎢級惰性氣體保護焊（TIG焊）由于其電弧穩定、無飛濺、焊縫成形美觀等優點，在小直徑薄壁筒體環縫焊接領域得到日益廣泛的應用。對于薄壁TIG焊(單面焊雙面成形)，衡量焊縫成形質量最主要的指標是焊縫的熔透狀態，工程中大量使用的環縫一般要求完全熔透。但該類焊縫在焊接過程中容易受到焊接電流、電壓、焊接速度、工件坡口尺寸等眾多因素的影響，因此對TIG薄壁筒體焊縫熔透狀態的實時控制研究具有極其廣泛的工程應用價值。
　比例-積分-微分(PID)控制器在焊接領域已經得到了廣泛的應用,許多學者已經將PID控制器成功地應用于焊接過程的熔透控制中[1-2]。本文針對薄壁筒體環縫脈沖TIG焊接的特點，采用熔池背面的自熱光輻射圖像作為熔透狀態的實時輸入信號，利用一種新的PID參數自適應整定方法，通過背面熔寬信號實時調節焊接速度，從而實現對薄壁筒體環縫熔透狀態的閉環控制。結果表明，該控制系統能夠很好地實現薄壁簡體TIG焊熔透控制的目的，具有較好的穩定性、自適應性和控制精度。
1 系統組成
　設計的某薄壁筒體脈沖TIG自動焊接系統組成如圖1所示。

　熔透自適應控制系統主要包括視覺傳感、數據采集與控制平臺和執行機構三部分。焊接過程中，視覺傳感器對熔池背面的自熱光輻射圖像進行拍攝，圖像采集卡采集CCD傳感器的圖像信號，對其進行實時處理，并根據處理結果輸出控制信號到執行機構，執行機構接收控制信號，通過調節焊接速度作用于焊接過程，從而實現閉環控制。
2 熔透信息視覺檢測
　計算機視覺以其信息量大、精度高、通用性好、檢測范圍廣等特點，在熔透控制中得到越來越廣泛的應用[3-4]。在薄壁筒體單面焊雙面成形脈沖TIG焊條件下，相對于正面熔地圖像信號，采用熔池背面的自熱光輻射圖像的幾何信息來監控熔透狀態，不存在任何盲區。因為所有工藝參數和工件尺寸的波動都將很快被熔池背面的圖像信息直接且準確地反映出來，所以用熔池背面尺寸信息表征薄壁筒體單面焊雙面成形條件下的熔透狀態更準確且更直接。
　本研究條件下的脈沖TIG焊熔池的背面圖像為一前部寬后部窄的近橢圓形,如圖2所示。采用的熔池背面最大長度為Lb，最大寬度為Wb，并作為熔池背面幾何特征量來描述熔池的幾何特征,如圖3所示。根據圖像計算熔池特征參量的實際尺寸，對視覺傳感系統進行標定，系統標定后，獲得圖像系X和Y兩個方向上的單位像素分別代表實際物體同方向上的寬度W和長度L。標定結果如下：

    W=0.046 0 mm/pixel，L=0.049 5 mm/pixel
    為實現熔透狀態的控制，還需要從熔池背面圖像中提取熔池邊緣，獲得背面寬度的準確信息。檢測熔寬的算法如下：
　(1)熔池背面圖像的灰值化處理。將CCD攝像機及視頻采集卡采集到的24 bit真彩位圖采用加權平均法轉換為256級灰度。
　(2)利用邊緣具有較大響應的3×3非線性最小值濾波法對圖像進行增強處理，突出熔池邊緣。
　(3)對熔池背面圖像進行灰度直方圖最大灰度值的90%進行閾值分割,分割成對象物和背景物兩個區域，并檢測出熔池邊緣。
　(4)用逐列搜索圖像的邊緣點算法，計算當前熔池的大小：
   最大寬度：
   W_b=width_max=max{width[i]}×W( mm)
   最大長度度：Lb=lengththmax=max{lengthth[i]}×L (mm)
   經理后的熔池背面圖像如圖4所示。

3 自適應PID控制

   從圖5可以得到如下控制規則：
    (1) 在系統響應初始階段e非常大，K_p也比較大，K_i、K_d非常小，PID控制退化為PD控制,可以在初始階段快速地跟蹤誤差的變化。
    (2) 隨著控制過程的進行，Kp逐漸變小，Ki、Kd逐漸變大，PD控制器退化為PI控制器，可以使系統消除靜差，且保持一定的抗干擾性。
    (3) 當誤差逐漸接近零的時候，Kp逐漸接近最小值，Ki、Kd逐漸接近最大值，控制器恢復為PID控制器。
4 自適應PID控制在薄壁筒體熔透控制中的應用
　在進行PID控制器的設計之前，需要通過工藝試驗確定在保證薄壁筒體正常熔透時，以熔池背面圖像的正常寬度范圍作為PID控制器的設定值。在本文的熔透狀態控制中，將焊接速度作為控制量，通過調節焊接速度來保證背面熔寬，從而實現控制熔透狀態的目的。
　通過下面的試驗確定焊縫背面熔寬范圍。試驗條件是:焊接速度在正常范圍值分別向上、向下適度延伸，環縫兩側母材分別為20鋼，35鋼,尺寸為Φ108 mm×1.4 mm，保護氣體為氬氣(8 L/min)，脈沖焊接電流參數分別為：脈沖基值50 A，脈沖峰值160 A，頻率5 Hz，占空比50%，CCD攝像機與工件垂直距離為40 mm。測量焊后工件背面熔池寬度，最佳的熔寬范圍為3.2 mm~3.5 mm。
　焊接是復雜的熱作用過程，與熱相關的信號存在一定的慣性。整個過程存在由于機械慣性和熱慣性引起的時間上的滯后。依據傳統控制理論，考察脈沖TIG焊熔池動態特性，利用試驗數據采用系統辨識的方法求取其熔池特征動態性能的數學模型。其開環傳遞函數可以簡化為：

式中， s為傳遞函數的因子，這里輸入信號為熔池背面最大寬度，輸出為脈沖TIG焊的焊接速度。速度信號可以通過拖動筒體旋轉的伺服電機反饋的編碼器信號來獲取，熔池反面最大熔寬信號可以通過第2介紹的方法獲取。
    傳統PID控制的閉環系統響應圖如圖6所示，控制器參數的整定依據Ziegler和 Nichlos方法，采用增量式PID算法，仿真信號為階躍信號（0~0.5 s），正弦波加隨機干擾信號（0.5 s~1 s）來模擬熔池背面寬度的變化。由圖可得超調量為16.2%、t5%和t2%分別為0.110 8 s和0.166 5 s，輸出能夠在10個采樣周期內跟蹤輸入信號。

　圖7中的仿真條件同圖6，采用自整定PID控制器后系統的控制品質得到了很大的提升，超調量消除了，t5%、t2%調節時間縮短為0.01 s和0.047 s，系統呈現出很好的適應性和快速響應性，響應信號可以在3個采樣周期(0.015 s)內跟蹤輸入信號的變化。

5 實時控制試驗
    工件和工藝參數如前面所述，控制器依據第4部分的控制規律在線實時調整,以焊接速度為控制量，控制背面熔寬最大值在3.3 mm,其控制結果如圖8所示。圖中，縱坐標為熔池背面寬度最大值，由圖可以看到，整個焊接過程平穩、跳動很小,背面熔寬最大值基本保持在3.2 mm~3.5 mm之間。

    通過自適應PID控制器調節焊接的薄壁筒體TIG焊熔透控制研究，建立了基于熔池背面自熱光輻射的視覺傳感和熔透狀態實時控制系統；自適應PID控制算法在仿真環境下得到了驗證，結果顯示該算法具有很好的實時性、穩定性和強魯棒性；在薄壁筒體環縫脈沖TIG焊接過程中驗證了自適應PID控制器的有效性，以背面熔寬最大值為控制目標，采用調節焊接速度的方法獲得了良好的控制效果，獲得了熔透可靠、背面熔寬均勻的焊縫。
參考文獻
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