摩擦搅拌焊接机油压伺服机构之参考模式设计-昆山科技大学.PDF

摩擦攪拌焊接機油壓伺服機構之參考模式設計 1 3 4 2 魏榮輝 ，徐孟輝，謝興達與徐博詩 摘 要 本文探討模式追蹤PID 控制器應用於摩擦攪拌焊接機油壓伺服機構焊接銷垂直位置之控 制，以適應性控制法則改善傳統PID 控制器於負載擾動時之不確定性。其目的希望摩擦攪拌 焊接機油壓伺服機構受到負載變動時產生之系統性能不穩定，利用適應性控制法則使受控系 統追蹤參考模式，令受控制系統獲得精確且快速穩定之反應。首先選用摩擦攪拌焊接機油壓 伺服機構上的焊接銷垂直位置參考輸入，配合Matlab/Simulink 軟體模擬摩擦攪拌焊接過程運 動軌跡。本文重點在於建構適應性控制之參考模式，規劃控制對象之閉迴路系統，達到需求 的性能，例如：暫態響應（如最大超越量與上升時間）與穩態響應（穩態誤差）。 關鍵字：PID控制器、適應性控制、摩擦攪拌焊接 1 1. 前言 術。如圖1[2]所示的FSW技術主要是在於摩擦攪拌銲接過程中，首先使用強而有力的夾治 主軸(Spindle)上的工具沿著工件欲接合位置移動。由於材料受到壓力與摩擦熱的作用後將 會使其產生塑化，因此可藉由銲接探針來傳送此接合部位所需的熱能，進而完成工件的接 合。摩擦攪拌銲接技術早期主要應用在鋁及其合金的接合技術[3]。然而在最近幾年，摩擦 攪拌銲接製程則已被廣泛地應用在其它輕金屬及其合金的接合技術[4]。 圖1 摩擦攪拌銲接原理示意圖[2] 摩擦攪拌銲接技術主要是利用摩擦攪拌運動機構來實現其運動功能。簡單的摩擦攪拌運 動機構示意圖則如圖1所示，其主要是由主軸(Spindle)及馬達控制單元組成。另一立式摩擦 只有一件則焊道的寬度是固定的。因此為了焊道的寬度是可變化的需求，可利用多件且彼此 可伸縮的柄設計[6]，來改變主軸與工件的接觸面積，以達到隨時改變焊道寬度的需求。 有關摩擦攪拌銲接技術的研究大部分是探討旋轉主軸上的工具形狀，工件金屬受熱晶相 的變化等主題，甚少探討摩擦攪拌運動機構的拓樸構造與運動設計的研究。於是國內工具機 業者對摩擦攪拌機設計將面對設計上的瓶頸。 2 圖2 摩擦攪拌運動機構及其控制單元示意圖[5] 因此本文的目的在於設計新型的摩擦攪拌運動機構以協助業者設計摩擦攪拌機。本 文則將利用機構學與創意性機構設計方法[7, 8]來完成摩擦攪拌運動機構的拓樸構造與 運動設計。此機構主要係採雙迴路(伺服)油壓馬達與線性油壓驅動系統組合機構設計， 主要分成主軸轉速控制系統與焊接銷垂直位置伺服控制系統兩部份。主軸轉速控制系統 採用油壓馬達進行轉速控制[9,10]，而焊接銷垂直位置伺服控制系統則採用線性油壓缸 驅動，控制法則可依據摩擦攪拌銲接實際狀況採用PID或適應性控制器執行控制過程， 以適應實際焊接過程之變化[11,12,13]。 本文採適應性控制為基礎，最常用的可分成兩類:自調式適應性控制(Self Turning Control) 與模式參考型適應性控制(Model Reference Adaptive Control) 。前者偏於隨機統計，後者則偏 於選定參考模式，分別於對系統誤差的補償設計。模式參考型適應性控制理論在追蹤控制上 應用最廣的方法，即所謂適應性模式追蹤控制理論(Adaptive Model-Following Control 統稱 AMFC) 。其目的希望當受控系統(Plant)受到外界負荷擾動使系統性能發生變化時，仍能利用 適應性調整機構使受控系統追蹤參考模式(Model) 。合成控制系統輸入信號較容易實現於伺服 控制系統上，因其適應性調整機構產生之修正信號很容易與其它控制信號(如PID 信號 )結合 而不影響原先之硬體設構，此型控制的設計方式，對於穩定性的要求較之傳統控制來得嚴格。 Wei 等人[11]利用超穩定性理論對 AMFC+PID 控制器進行分析，並稱此控制器為模