材料加工与自动化.docx

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材料加工与自动化

【摘要】自动控制属现代科技体系中的高新科技领域，被广泛应用于社会生产的各个方面。

本文介绍了材料加工及焊接的基本概念，自动控制的基本原理，焊接过程的自动控制，以及焊接机器人的相关概念，对未来材料加工和焊接的智能化发展方向做出了展望

【关键字】材料加工焊接自动控制焊接机器人

1.材料加工及材料加工的自动化

材料是直接制造成产品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。

近几年来，各种新材料的不断涌现，带动了包括制备技术（高分子材料合成和粉体制备技术等）、成形与加工技术（如凝固成形、塑性加工和连接技术等）、改质改性技术（如各种热处理和三束改性技术等）、防护技术（如涂镀层处理技术等）、评价表征技术、模拟仿真技术等在内的材料技术的发展。

通过改变和控制材料的外部形状和内部组织结构，将材料制造成为人类社会所需要的各种零部件和产品的过程成为材料加工，也成为材料成型制造。

把材料加工成产品的方法有好多种，第一类方法，如液态浇铸，塑性变形加工等，不仅使材料的形状发生了改变，而且材料的内部组织和性能也发生了巨大变化，这一类方法称为材料加工或者材料成型，又因为这一类加工需要在一定的温度下进行，因而通常称这一类加工方法为热加工；另一类加工方法，如车，削，刨等切削加工，加工的目的只是获得一定的形状、尺寸和表面光洁度，这种加工一般在常温下，甚至在强制冷却到常温下进行，所以习惯上称之为冷加工。

从整个人类历史发展的观点来看待材料加工技术的发展，材料的加工技术发生5次革命性的变化。

材料加工技术从公元前4000年开始，人类从漫长的石器时代进入青铜器时代。

以铜的熔炼技术和铸造技术的出现为契机，人类开始掌握对自然资源进行加工的技术，一直发展到近现代，以材料加工技术的自动化和性能设计与工艺设计的一体化为特征的新材料的设计和制备加工工艺时代。

自动化技术的推广和应用是材料加工技术发展的趋势，充分利用自动化装备及其柔性生产系统可以大幅度提高产品质量和生产率，推动材料加工产业的发展。

在材料加工过程中广泛地采用包括工业机器人、自动化专机及其相互组合而成柔性生产系统，由于具有通用性强、工作可靠、生产效率高、加工工件质量稳定等优点，受到人们越来越多的重视。

在代替人完成繁重而危险的加工作业过程中发挥着越来越大的作用。

2．焊接及焊接过程的自动化

在种类繁多的材料加工方法中，金属的焊接在现代化工业中具有最为重要的意义。

焊接是指利用加热和加压等手段，使分离的材料（同种或者异种）在设计连接区通过原子（分子）间结合和扩散形成构件的工艺方法。

焊接作为一门独立的学科，广泛的应用于石油化工，电力，航空航天等领域。

近年来随着制造业的蓬勃发展，提高焊接生产的生产率，保证产品质量，实现焊接生产的自动化和智能化越来越受到焊接生产企业的重视。

自动化技术涉及到多个交叉学科，因此，焊接的自动化的发展必然带来整个制造业生产效率的提高，其综合应用的分析和研究，对促进现代科技体系的发展，具有一定的理论意义和实际意义。

2.1自动控制系统

所谓自动控制系统，是指在没有人直接参与的情况下，利用自动控制装置（简称控制器），使整个生产过程或工作机械（简称被控对象或对象）自动的按预定的规律运行，或是他的某些参数（或称被控量）按预定的要求变化。

任何一个自动控制系统都是由被控对象和自动控制装置有机构成的，被控对象一般是指生产过程中需要进行控制的工作机械、装置或生产过程。

描述被控对象工作状态的、需要进行控制的物理量就是被控量。

自动控制装置一般包括测量元件，比较元件，执行元件，调节元件，校正元件。

2.2自动控制系统的分类

自动控制系统的种类很多，可以从不同的角度进行分类，若按信号传递途径或信息反馈分类，可以分成开环控制系统和闭环控制系统；从程序控制的角度上，可分为线性系统和非线性系统；从各环节信息的传递方式上，又分为连续系统和离散系统；从输入输出的关系上，分为单输入——单输出系统以及多输入——多输出系统；若按系统给定输入信号随时间变化的情况来分类，可分为恒值控制系统、随动系统和程序控制系统。

2.3自动控制系统的稳定性

对于一个自动控制系统，一般要求稳定、准确、快速。

稳定性是控制系统的重要性能，也是决定系统能否正常工作的首要条件。

任何不稳定的系统，在工程上都是毫无实用意义的。

系统的稳定性是指系统受到扰动作用偏离平衡状态后，当扰动消失，系统经过自身调节能否以一定的准确度恢复到原平衡状态的性能。

若当扰动消失后，系统能逐渐恢复到原来的平衡状态，则称系统是稳定的，否则称系统为不稳定。

当线性系统特征方程的所有根的实部都必须是负数时，这是系统稳定的充分必要条件。

在工程应用上，一般多采用不必求根的间接方法来研究系统的稳定性。

利用Hurwritz代数稳定判据。

设线性系统的特征方程式为：

D（s）=ansn+an-1sn-1+……+a2s2+a1s+a0=0

当：

（1）特征方程的各项系数均为正值。

——必要条件

（2）特征方程的Hurwritz行列式△k（k=1，2，……n）均大于0。

——充分条件

这两个条件都满足时，则系统达到稳定状态。

2.4自动控制系统的误差分析及计算

控制系统的稳态误差，是系统控制精确度的一种度量，也是系统设计系统时使用的一项重要的性能指标。

在跃阶函数的作用下没有稳态误差的系统称为无差系统，反之则为有差系统。

系统的误差信号e（t）一般定义为理想值与实际值之差。

输入量r（t）表征了输出量c（t）的理想值，反馈量b（t）反映了被控量c（t）的实际值。

图3

误差存在两种定义：

（1）采用从系统输入端定义误差的方法，他等于系统输入信号与住反馈信号之差

e（t）=r（t）-b（t）

（2）采用从输出端定义误差的方法，它等于系统期望输出值与实际输出信号之差

e（t）=Cd（t）-C（t）=r（t）-c（t）

对于高阶系统，求解误差信号与输出信号是很困难的，我们只关心当时间趋于无穷大，误差响应的瞬态分量消失后的稳态误差。

所以，对于图所示的系统给定信号R（S）作用下的误差信号

为：

在扰动信号N（S）作用下的误差信号

为：

在给定信号R（S）和扰动信号N（S）共同作用下的误差信号E（S）为：

稳态误差可以用拉普拉斯变换的中值定理来计算

2.5自动控制系统传递函数

传递函数是控制理论中最重要的数学模型之一，在控制系统中引入传递函数，可以大大简化对系统动态性能分析和研究过程。

若线性定常系统由下面的

阶线性微分方程描述：

式中，

是系统的输出量，

是系统的输入量，

假设系统的初始条件为零条件下，即:

对上式两端进行拉普拉斯变换，可得到

的代数方程

根据传递函数的定义，由式描述的线性定常系统的传递函数

所以，控制系统的传递函数可以定义为：

在零初始条件下，线性定常系统（或元件）的输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比，称为线性系统（或元件）的传递函数。

3.焊接过程的控制

过程控制是自动控制技术的重要分支，在电力、冶金、轻工业等领域有着广泛的应用，在提高劳动生产率，保证产品质量，改善劳动条件以及保护生态环境等方面起着非常重要得作用。

所谓的过程控制技术是指利用测量仪表、控制仪表、计算机、通信网络等技术工具，自动获取各种过程变量的信息，并对影响过程状况的变量进行自我调节和操作，以达到控制要求等目的的技术。

过程控制系统具有生产过程的连续性，被控过程的复杂性，控制方案的多样性等特点。

目前，在连续型流程生产自动控制或习惯称为工业过程控制中，有三大控制系统，即可编程序控制器，分散控制系统和现场总线控制系统。

可编程序控制器（PLC）是60年代末研制成功的，它是从模仿原继电器控制原理发展而来，采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的；分散控制系统（DCS）指的是危险分散、数据集中的计算机控制系统。

它是在运算放大器的基础上得以发展的，是把所有函数，各过程变量之间的关系都设计成功能块，通过使用功能块封装模拟运算和逻辑运算；现场总线控制系统即现场智能仪表结合现场总线技术构成的过程控制系统。

是继集散型控制系统后的新一代控制系统，它的出现打破了原有控制系统的结构与模式，使控制系统趋向分散化、网络化、智能化，一经产生，便成为工业自动化技术的焦点。

焊接作为单一的加工工艺发展而来的综合性先进技术，其过程的自动化可以广义的理解为包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的一个焊接产品生产全过程的自动化。

焊接过程控制系统一般均为闭环反馈系统，由被控对象、检测环节、比较器及控制器、执行机构等组成。

该系统具有2个显著特点：

1）由负反馈构成闭环，具有闭环系统结构的显著特点；2）由偏差产生控制作用，使系统沿着减少或消除偏差的方向运动，是闭环系统结构的另一特点。

因此，不管什么原因引起被控量偏离其给定值而产生偏差时，就一定有相应的控制作用产生并纠正偏差，使被控量趋近或恢复到原来的要求值。

4.焊接机器人

工业机器人作为自动化技术的典型代表，其从诞生和发展到现在，在加工领域的研究及应用经历了三个阶段，即示教再现、离线编程和自主编程与传感修正。

焊接是工业机器人应用最重要的领域之一，从世界上工业机器人的应用统计上来看，尤其是在汽车生产大国，焊接机器人已占总数的65％，其中弧焊和点焊机器人分别占了53％和46％。

焊接机器人系统一般由以下几部分组成：

机器人操作机、变位机，控制器，焊接系统（专用焊接电源、焊枪或焊钳等）焊接传感器，中央控制计算机和相应的安全设备等。

焊接机器人控制系统如下图所示

随着神经网络技术和模糊控制系统的不断发展，使焊接机器人向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。

所谓模糊控制（FUZZYContro1）是利用模糊数学的推理，把本来不能（或无法）给出精确判断的模糊问题，凭借以往的经验和知识做出判断。

如焊接自动跟踪，利用焊缝中心与焊透的运行偏差左右上下调整，从而找到最好的跟踪效果。

又如焊接熔池形状熔透的控制，也可用模糊控制达到最佳的焊缝成形。

人工神经网络控制（ArtificialNeuralNetworkCOil．tm1）．可模拟人类的神经细胞系统，同时接收大量信息（人的视觉、听觉、触角、嗅觉等）平行处理进行智能控制。

如焊接工艺的最佳选择，焊接缺陷识别，焊接热影响区性能判断等。

目前，我国在焊接机器人的应用方面主要集中在汽车后桥的焊接，工程机械零部件的焊接，塔吊升降机的焊接，铝合金油箱的焊接，摩托车车架的焊接等方面

由于我国在工业机器人的研究和开发上较晚，使得我国整体落后于欧美和日本等国家。

面对当今经济形式，必须通过引进、消化和吸收一些现有的先进技术，尽快缩短与国外的差距。

5.材料加工技术（焊接智能化）的展望

进入2l世纪后，材料成形加工技术的发展面临环保、资源、消费观念变革、市场竞争、制造全球化和信息技术等挑战。

同时也面临制造业持续增长、我国加入WTO等机遇。

这就促使新世纪材料成形加工技术在发展中形成了自己新的特征，并且不断向着精密化、优质化、快速化、复合化、绿色化、信息化的方向前进。

随着机器人的不断发展，焊接过程的自动化和智能化已经成为未来的发展趋势。

目前，实现焊接自动化与智能化的根本困难在于实现对焊接熔池动态行为，如熔池的尺寸、熔深、熔透及焊缝成形的实时检测与有效控制。

在我国，智能控制在焊缝跟踪和焊缝质量控制（基于模糊神经网络的焊缝形状的控制、基于模糊神经网络的焊缝熔池动态控制、基于专家系统和神经网络的焊接质量控制）的方面均有重要的应用。

但我国的焊接自动化和智能化水平与国相比还有一定的差距，主要表现在焊接自动化率不足，智能化水平较低。

焊接作为未来一种重要的金属连接工艺，其智能化和自动化的发展趋势：

（1）专家系统与人工神经网络、面向对象技术、模糊控制的技术集合起来，克服单一技术的缺陷与不足。

（2）充分利用焊接的数据库，研究以当前获得快速发展焊接数据作为知识源的自动知识获取机制。

（3）多媒体技术以其生动的图文效果，强大的感染力有着广阔的发展空间，将在焊接专家系统中有着进一步的应用。

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