用于先进焊接机构的气动力/位置复合伺服系统及其控制方法的研究

Welding drive mechanism based on pneumatic control system is an important part of resistance spot welding gun. In order to improve the welding quality, precisely composite servo control of driving force and position during the welding process is required. To disadvantatages of pneumatic welding gun in the current welding applications including large impact force, large electrode wear and uncontrollable electrode force, this study proposes pneumatic multiplexed force-displacement servo system and control method for advanced welding drive mechanism. The system makes it possible for welding drive mechanism to servo control the position and force simultaneously. Electro-pneumatic servo valve with high response and boosting cylinder with sensing function are studied. The servo valve consists of two parts, the pilot valve and the main valve. The pilot valve is designed by nozzle-flapper type structure driven by voice coil motor and the main valve is the shape of poppet. The cascade control method of multiple chambers is adopted in boosting cylinder. Also position sensor, pressure sensor and force sensor are added to the boosting cylinder. Impedance control is used to adjust the position and output force at the same time. In order to further improve the robustness and accuracy of the system, the impedance control and intelligent control are combined. Non-contact impedance control is applied to realize the soft contact between the pneumatic servo system and the welding object. The study lays theoretical foundation for practical application of pneumatic servo welding drive mechanism. This study also introduces a design method of drive servo system.

基于气压控制系统的焊接驱动机构是电阻点焊中的重要组成部分，高质量焊接需要在焊接过程中对焊接压力和位置进行精确的复合伺服控制。本研究针对当前焊接工艺中使用的气动焊枪对焊接件的冲击较大，电极磨损较大，电极力在焊接过程中不能改变等缺点，提出用于先进气动焊接驱动机构的力位置复合控制系统及控制策略，使焊接驱动机构能够同时对位置和输出力进行伺服控制。研发高响应电/气伺服阀和带传感功能的增力气缸，伺服阀采用音圈电机驱动喷嘴挡板式先导结构和提升式主阀结构；增力气缸采用多个容腔串级控制方式，并在气缸中加入位置、压力、力等多种传感器，使之具有传感功能；采用阻抗控制与智能控制相结合的控制策略对位置和输出力同时进行伺服控制，以提高系统的鲁棒性和精度；采用非接触阻抗控制方法实现气动系统与焊接对象的软接触。该研究为气动伺服技术在先进焊接驱动机构中的应用奠定理论基础的同时提出驱动伺服系统的设计方法。

目前现代汽车制造工厂的生产线，已普遍采用气动执行机构来驱动焊枪设备。针对现有气动驱动系统应用中的对柔性焊接件的冲击较大、控制精度不高等问题，提出采用气动伺服焊接驱动机构的方案。研究的思想是根据焊接机构的特殊应用场合，研发特殊的气动伺服系统如高响应电气比例阀和带传感功能的增力气缸，同时研究先进的控制算法进一步提高气动伺服系统的性能。为气动伺服技术在先进焊接驱动机构中的应用奠定理论基础的同时，提出了气动伺服驱动系统的设计方法。. 气动伺服系统组成方面的研究主要包括控制元件的研究，执行元件的研究，伺服控制器的研究。研发了高响应的电/气比例阀，设计了音圈电机驱动喷嘴挡板先导式电/气比例阀的结构，提出了颤振补偿的方法消除比例阀阀芯受摩擦力影响造成的流量输出滞环和死区等不良影响。研发了带传感功能的增力气缸，通过实验测试的方法得到了增力气缸的摩擦力模型。为提高气动伺服系统的实时性，研发了基于DSP的伺服控制器。设计了一套气动伺服焊接驱动机构的实验系统，为系统的性能测试及实用化打下了坚实的基础。. 先进控制算法的研究主要从干扰观测器、线性自抗扰控制器、分段滑模变结构控制、非接触阻抗控制和基于广义逆模型的复合控制五个方面进行了研究。干扰观测器通过测量实际系统输出和名义模型输出之间的误差，估计摩擦力等干扰信号，并将此估计值作用于系统，达到消除干扰的目的。线性自抗扰控制器通过线性扩张状态观测器对系统的不确定因素及外扰进行实时补偿，从而使系统具有良好的鲁棒性。分段滑模变结构控制是在保证加载过程时间较短的基础上，减小焊枪电极对焊件的冲击采用非接触阻抗控制，通过调节非接触阻抗中虚拟惯性、虚拟阻尼和虚拟刚度等阻抗参数实现加快接近运动的同时减小发生碰撞接触产生的冲击力。采用基于广义逆模型的复合控制，反馈控制采用PID控制，前馈控制采用广义PI逆模型，提高了逆模型对焊接系统迟滞特性的补偿效果。仿真和现场实验验证了上述算法的有效性并具有一定的应用性。