一种基于模糊控制的激光焊机温控方法、系统及其装置

技术领域

本发明涉及激光焊机技术领域，具体涉及一种基于模糊控制的激光焊机温控方法、系统及其装置。

背景技术

激光焊接机，又常称为激光焊机、镭射焊机，是材料加工激光焊接时用的机器。其工作原理为：利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。作为一种新型的焊接方式，其主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，同时具有深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化的优点。

而手持焊接机在满功率开机时，1秒内热功率由0变化到4000W，关机时热功率瞬间由4000W变化到0，功率存在大的突变。如果在开机几秒内不能把热量带走，就会造成光学器件超温甚至损坏。但是，传统的激光焊机温控方法使用PID调节温度，很难实现功率剧烈变化时的调节，很难实现有滞后性系统的调节，同时，传统的激光焊机温控方法通常使用水作为换热媒介，水由于比热容较大，热的缓冲作用较强，温度波动较小，控制要求低，但是换热效率慢，无法满足上述热功率突变的客观需求。

综上所述，传统的激光焊机温控方法存在无法适应功率突变、温控效果差的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于模糊控制的激光焊机温控方法，通过改进数据采集、数据处理及控制策略，解决了传统的激光焊机温控方法存在的无法适应功率突变、温控效果差的问题。

为解决以上问题，本发明的技术方案为采用一种基于模糊控制的激光焊机温控方法，包括：持续获取激光焊机内部冷板的温度参数及激光焊机的出光参数；将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为模糊控制器的输入，输出第一温控策略；基于第一温控策略调控用于与激光焊机内部换热的冷媒流量后，PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节阀门开度的第二温控策略，其中，调节阀门开度用于微调所述冷媒流量。

可选地，所述阀门被配置为包括主阀门和辅阀门时，所述冷板与主阀门、外部换热装置、压缩机构成主温控回路；所述冷板与辅阀门、压缩机构成辅温控回路；其中，所述主温控回路中经过外部换热装置降温的冷媒与所述辅温控回路中未降温的冷媒，在外部换热装置与压缩机之间的通路中混合。

可选地，在阀门被配置为包括主阀门和辅阀门的情况下，生成所述第二温控策略的方法包括：PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节主阀门开度的控制信号；PID控制器基于冷板两端的冷媒的温度差值生成用于调节辅阀门开度的控制信号。

可选地，输出第一温控策略的方法包括：所述模糊控制器将所述温度参数和所述出光参数模糊化后，生成模糊集合数据；基于所述模糊集合数据在模糊控制规则表调用对应的模糊控制规则；将所述模糊控制规则解模糊后生成所述第一温控策略。

可选地，所述第一温控策略被配置为包括：压缩机频率参数与阀门开度，从而调控冷媒流量。

可选地，所述激光焊机温控方法还包括：在首次获取的所述温度参数低于最佳工作温度区间时，启动冷板一侧的电辅热装置，加热冷板远离所述电辅热装置的另一侧的激光元器件，直至当前时刻更新的所述温度参数属于最佳工作温度区间，关断所述电辅热装置后，开启激光焊机并将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为模糊控制器的输入，输出第一温控策略。

可选地，所述激光焊机温控方法还包括：在检测到激光焊机的出光参数改变后，将更新后的所述出光参数和首次获取的所述温度参数作为模糊控制器的输入，输出更新后的第一温控策略

相应地，本发明提供，一种基于模糊控制的激光焊机温控系统，包括：温控回路，用于与激光焊机内部进行换热；检测单元，持续获取激光焊机内部冷板的温度参数及激光焊机的出光参数；数据处理单元，将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为数据处理单元的模糊控制器的输入，输出第一温控策略，并基于第一温控策略调控用于与激光焊机内部换热的冷媒流量后，数据处理单元的PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节阀门开度的第二温控策略，其中，调节阀门开度用于微调所述冷媒流量。

可选地，在阀门的数量为1时，所述温控回路包括所述冷板与阀门、外部换热装置、压缩机构成的温控回路；在阀门被配置为包括主阀门和辅阀门时，所述温控回路包括所述冷板与主阀门、外部换热装置、压缩机构成的主温控回路，以及所述冷板与辅阀门、压缩机构成的辅温控回路，其中，所述主温控回路中经过外部换热装置降温的冷媒与所述辅温控回路中未降温的冷媒，在外部换热装置与压缩机之间的通路中混合。

相应地，本发明提供，一种基于模糊控制的激光焊机温控装置，包括：所述冷板与主阀门、外部换热装置、压缩机构成的主温控回路；所述冷板与辅阀门、压缩机构成的辅温控回路；其中，所述主温控回路中经过外部换热装置降温的冷媒与所述辅温控回路中未降温的冷媒，在外部换热装置与压缩机之间的通路中混合。

本发明的首要改进之处为提供的基于模糊控制的激光焊机温控方法，通过使用比热容较小的冷媒作为导热介质，能够有效快速平抑大幅的激光功率波动，同时，由于冷媒的比热容较小，存在冷媒温度波动大的问题，本发明通过在激光焊机启动的初始阶段，将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为模糊控制器的输入，输出第一温控策略以实现系统温度的快速调节，有效防止出现过高的温度波动后，PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节阀门开度的第二温控策略，实现了系统温度的精确调节，进一步提高温控效果，解决了传统的激光焊机温控方法存在的无法适应功率突变、温控效果差的问题。

附图说明

图1是本发明的基于模糊控制的激光焊机温控方法的简化流程图；

图2是本发明的基于模糊控制的激光焊机温控系统的简化单元连接图；

图3是本发明的基于模糊控制的激光焊机温控装置的简化结构连接图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种基于模糊控制的激光焊机温控方法，包括：

S1：持续获取激光焊机内部冷板的温度参数及激光焊机的出光参数。

进一步的，考虑到可能存在的环境温度低于激光焊机的最佳工作温度区间的情况，本发明通过预设最佳工作温度区间，并在首次获取的所述温度参数低于最佳工作温度区间时，启动冷板一侧的电辅热装置，加热冷板远离所述电辅热装置的另一侧的激光元器件，直至当前时刻更新的所述温度参数属于最佳工作温度区间，关断所述电辅热装置后，开启激光焊机并将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为模糊控制器的输入，输出第一温控策略。从而实现了在激光焊机工作前，通过检测激光焊机内部冷板的温度参数表征激光焊机内部激光器相关元器件温度，从而通过电辅热装置加热使得激光器相关元器件处于最佳工作温度区间，保证激光器的出光效率进而保证激光焊机的工作可靠性。同时，利用在激光焊机工作前，激光焊机内部冷板的温度参数与环境温度基本一致的特性，复用首次获取的温度参数来表征环境温度，并将其与出光参数共同作为模糊控制器的输入，使其能够用于快速调节系统温度。

S2：将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为模糊控制器的输入，输出第一温控策略。其中，所述第一温控策略被配置为包括：压缩机频率参数与阀门开度，从而调控冷媒流量。

进一步的，输出第一温控策略的方法包括：所述模糊控制器将所述温度参数和所述出光参数模糊化后，生成模糊集合数据；基于所述模糊集合数据在模糊控制规则表调用对应的模糊控制规则；将所述模糊控制规则解模糊后生成所述第一温控策略。

更进一步的，所述阀门被配置为包括主阀门和辅阀门时，所述第一温控策略被配置为包括：压缩机频率参数、主阀门开度与辅阀门开度，从而调控冷媒流量。

S3：基于第一温控策略调控用于与激光焊机内部换热的冷媒流量后，PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节阀门开度的第二温控策略，其中，调节阀门开度用于微调所述冷媒流量。其中，冷媒可以是R410A。

由于发明人在初始设计温控回路时，发现传统的单温控回路在温控策略的控制下时常会存在过度平抑导致温度过低的问题，而传统应对该问题的方式为通过四通阀实现制冷、制热切换，但是该方式下系统建立平衡，需要时间较长，在切换到形成稳定的热传输平衡时间较长，状态不可控，易产生冷板过热或过冷，造成冷板温度控不住，因此，为解决上述问题，本发明将阀门配置为包括主阀门和辅阀门，所述冷板与主阀门、外部换热装置、压缩机构成主温控回路；所述冷板与辅阀门、压缩机构成辅温控回路；其中，所述主温控回路中经过外部换热装置降温的冷媒与所述辅温控回路中未降温的冷媒，在外部换热装置与压缩机之间的通路中混合。从而通过控制辅阀门的开度实现过度平抑时的快速校正。

同时，发明人在实际使用中发现，由于激光焊机的使用场景的多变性，会导致环境温度存在较大差异，而在同样的控制策略下，温控效果会在不同使用场景下存在较大差异。经控制不同影响因素作为自变量及对应的多组对照组进行实验后，发现其原因在于使用场景的环境温度会一定程度上影响换热效率，因此本发明通过检测环境温度变化，进一步调整压缩机频率和阀门开度以消除环境温度对换热效率的影响，进一步提升温控效果，具体的，本发明在阀门被配置为包括主阀门和辅阀门的情况下，生成所述第二温控策略的方法包括：PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节主阀门开度的控制信号，具体的，PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值，以及上一时刻的温度参数与目标温度的差值，计算得到差值变化率后，基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值及差值变化率生成用于调节主阀门开度的控制信号；PID控制器基于冷板两端的冷媒的温度差值生成用于调节辅阀门开度的控制信号，具体的，PID控制器基于当前时刻的冷板两端的冷媒的温度差值，计算当前时刻的温度差值与目标温度差值的数值差后，基于当前时刻的数值差与上一时刻的数值差计算得到数值差变化率后，PID控制器基于当前时刻的数值差以及数值差变化率生成用于调节辅阀门开度的控制信号。其中，目标温度差值由用户根据使用环境自行选择所需换热效率后确定，本发明不作具体限定。同样的，目标温度亦由用户根据激光焊机设备参数自行设定，本发明不作具体限定。

更进一步的，PID控制器的基本工作原理为：基于输入的差值计算差值变化率后，基于差值与差值变化率确定Kp、Ki、Kd后输出最终的控制策略，其中，基本调节规则为：提高控制系统稳定性，积分作用减小，取比较小的Ki。当偏差与偏差变化率的大小，相差中等水平时，应该选择大小适中的Kp、Ki、Kd，避免产生比较大的超调量。偏差较小时，应选取较小Kp的和较大的Ki，可以提高系统的稳定性，但是，为了避免产生振荡现象，当偏差变化率的值较小时，Kd取较大，反之，则取较小。

本发明通过使用比热容较小的冷媒作为导热介质，能够有效快速平抑大幅的激光功率波动，同时，由于冷媒的比热容较小，存在冷媒温度波动大的问题，本发明通过在激光焊机启动的初始阶段，将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为模糊控制器的输入，输出第一温控策略以实现系统温度的快速调节，有效防止出现过高的温度波动后，PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节阀门开度的第二温控策略，实现了系统温度的精确调节，进一步提高温控效果，解决了传统的激光焊机温控方法存在的无法适应功率突变、温控效果差的问题。

相应的，如图2所示，本发明提供，一种基于模糊控制的激光焊机温控系统，包括：温控回路，用于与激光焊机内部进行换热；检测单元，持续获取激光焊机内部冷板的温度参数及激光焊机的出光参数；数据处理单元，将首次获取的所述温度参数和所述出光参数作为数据处理单元的模糊控制器的输入，输出第一温控策略，并基于第一温控策略调控用于与激光焊机内部换热的冷媒流量后，数据处理单元的PID控制器持续基于当前时刻更新的温度参数与目标温度的差值生成用于调节阀门开度的第二温控策略，其中，调节阀门开度用于微调所述冷媒流量。

进一步的，在阀门的数量为1时，所述温控回路包括所述冷板与阀门、外部换热装置、压缩机构成的温控回路；在阀门被配置为包括主阀门和辅阀门时，所述温控回路包括所述冷板与主阀门、外部换热装置、压缩机构成的主温控回路，以及所述冷板与辅阀门、压缩机构成的辅温控回路，其中，所述主温控回路中经过外部换热装置降温的冷媒与所述辅温控回路中未降温的冷媒，在外部换热装置与压缩机之间的通路中混合。

相应的，如图3所示，本发明提供，一种基于模糊控制的激光焊机温控装置，其特征在于，包括：所述冷板与主阀门、外部换热装置、压缩机构成的主温控回路；所述冷板与辅阀门、压缩机构成的辅温控回路；其中，所述主温控回路中经过外部换热装置降温的冷媒与所述辅温控回路中未降温的冷媒，在外部换热装置与压缩机之间的通路中混合。

进一步的，所述外部换热装置可以由冷凝器和风扇构成；主阀门与辅阀门均可以是电子膨胀阀。

更一步的，所述激光焊机温控装置还包括用于检测冷板的温度参数的第一温度传感器、用于检测压缩机一端冷媒的温度的第二温度传感器和用于检测压缩机另一端冷媒的温度的第三温度传感器，以及用于激光焊机预加热的电辅热装置。

以上对本发明实施例所提供的一种基于模糊控制的激光焊机温控方法、系统及其装置。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。