（机械电子工程专业论文）基于xc164cs单片机mig焊机控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 当前，新材料的应用，薄板焊接的增多，为满足更高焊接质量要求而产生的新 工艺等都对焊接设备提出了更高的要求从全数字控制的角度对脉冲焊进行研究以 提高逆变焊机控制性能，进而进一步提高焊接工艺性能是焊接领域中的重要任务之 一 弧长控制是焊接过程稳定的核心问题。对薄板铝焊而言，脉冲电流波形的精确控 制，弧长的及时调整及有效控制：防止自动焊回烧、短路等现象的发生，是获得稳 定的焊接过程的关键。本文提出一种新的电弧控制思路，在脉冲电流后期，即熔滴 过渡前的瞬间采样电弧电压，然后提供一个表明弧长的信号，采用一定的弧长控制 算法使在弧长发生变化的当前脉冲周期就得到有效的控制，如果弧长变短，脉冲频 率增加，期间脉冲宽度保持不变，只减小基值电流宽度。实现了全电流范围内对弧 长的快速稳定调节，取得了良好的工艺效果。 焊接电流和电弧电压是保证焊接质量的重要因素，而焊接电流的大小又取决于送 丝速度，所以送丝速度的稳定性是十分重要的，近年来，数字化焊接发展很快，除 了焊接电流的数字控制外，还要求送丝机的数字化，以便获得数字化控制系统和良 好的控制效果。随着数字化脉冲m i g 焊研究的深入，送丝速度对焊接工艺的影响得 到了越来越多的关注。本文设计了基于速度负反馈的送丝调速系统，实验证明该系 统的性能较一般系统有了明显的提高，在送丝阻力变化、电网波动或电机性能存在 一定差异的情况下，该系统均可以稳定输出，为进一步提高脉冲m i g 焊接工艺质量 打下了基础。 实验证明，本文以英飞凌公司的x c l 6 4 c s 单片机为控制核心，设计开发的一套 脉冲m i g 焊过程控制系统，不仅实现了焊接参数调节显示、焊接顺序控制、焊接过 程中等速送丝配合恒流特性的电源控制等，而且良好的弧长控制作用防止了飞溅的 发生，获得了稳定的焊接过程，无回烧、顶丝现象发生( 目前铝自动焊中常发生的 现象) 。 关键词单片机；脉冲m i g 焊；弧长控制算法；速度负反馈 a b s t r a c t a bs t r a c t i ti si m p o r t a n tt o6 l r t h e ri m p r o v ep m i g p m a gw e l d i n gc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dc o r r e s p o n d i n g p r o c e s sp e r f o r m a n c eb yf u l ld i g i t a lc o n t r o ld e s i g ni nw e l d i n gm a c h i n er e s e a r c h t h ef u l ld i g i t a l c o n t r o l l e dp m i gw e l d i n gi n v e r t e r ( b a s e do nm c l di ss t u d i e da n dan e ws h e e tm e t a la l u m i n u mw e l d i n g p r o c e s s - d o u b l ep m i g i st r i e di nt h i sp a p e r a r c l e n g t hc o n t r o li st h ec o r eo fw e l d i n gp r o c e s ss t a b i l i t y an e wa r c l e n g t hs y n c h r o n i z a t i o np u l s e c o n t r o lm e t h o di sp r e s e n t e da n dt h eh i g h e ra r c - l e n g t ha d j u s t m e n tp e r f o r m a n c ei sa c h i e v e dw i t h i na w i d er a n g e f o rs h e e tm e t a la l u m i n u mw e l d i n g ，t i m e l ya d j u s t m e n ta n de f f e c t i v ec o n t r o lo fa r c - l e n g t hi s v e r yi m p o r t a n ti no r d e rt oa v o i dm e l tb a c ke v e n bi nt h eg m a wm a s sp r o d u c t i o ni na na u t o m a t e d p r o d u c t i o nl i n e t h i sp a p e rf o u n da ni n t e r e s t i n gs o l u t i o nt ot h ep r o b l e m ，e n a b l i n gb o t hs e l f c o r r e c t i o n a n dc o n t r o lo ft h ep u l s ep a r a m e t e r st ob eu s e dt o g e t h e r 倘si n v o l v e sac h a r a c t e r i s t i cw h i c hc o n s t a n t c u r r e n td u r i n gb o t ht h ep u l s ea n dt h eb a c k g r o u n dc u r r e n tp e r i o db e t w e e np u l s e s 。t h ea r cv o l t a g ei s m e a s u r e da tt h ee n do ft h ec u r r e n tp u l s e ，t h u sp r o v i d i n gas i g n a lt oi n d i c a t et h ea r cl e n g t h i ft h ea r ci s t o os h e 吒t h ep u l s ef r e q u e n c yi si n c r e a s e d , w h i c hi sd o n ei np r a c t i c eb ym a i n t a i n i n gt h ep u l s ew i d t hb u t r e d u c i n gt h eb a c k g r o u n dc u r r e n td u r m i o n t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dc o r r e s p o n d i n gp r o c e s sr e s u l t s i m p r o v e dg r e a t l y t h ew e l d i n gc u r r e n ta n da r cv o l t a g ea r et h ei m p o r t a n tf a c t o r so fw e l d i n gq u a l i t yc o n t r o l l i n g , t h e n u m b e ro fw e l d i n gc u r r e n ti sd e t e r m i n e db yt h es p e e do fw i r e - - f e e d , s ot h es t a b i l i z a t i o no fw i r e f e e d s p e e di sv e r yi m p o r t a n tf o rw e l d i n gq u a l i t y i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a lw e l d i n g m a c h i n ei sv e r yf a s t , b e s i d et h ed i g i t a lc o n t r o l l i n go f w e l d i n gc u r r e n to ft h ew e l d i n gm a c h i n e ，i t a l s oa c q u i r e st h ew i r e - f e e dm a c h i n et ob ed i g i t a li no r d e rt oo b t a i nt h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e ma n dt h e b e t t e rr e s u l t w i t l lt h ed e p t hd e v e l o p m e n to ft h ed i g i t a lp u l s em i gw e l d i n g t h ei m p a c to fw e l d i n g t e c h n o l o g yb yt h ew i r e f e e ds p e e dh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s t h ew i r e - f e e ds p e e d c o n t r o ls y s t e mb a s e do nn e g a t i v ef e e d b a c ko fs p e e di sd e s i g n e d t h et e s tp r o v e st h a tt h ep e r f o r m a n c e o ft h i ss y s t e mh a sb e e nn o t i c e a b l yi m p r o v e dt h a nt h ec o m m o ns y s t e m s t h es y s t e mc a l lb eo u t p u t s t e a d i l yu n d e rt h ef a c t o r so fw i r e - f e e dr e s i s t a n c ec h a n g i n go rc e r t a i nd i f f e r e n tp e r f o r m a n c eo fm o t o r s ， a n dt h i ss y s t e mi st h eb a s ef o rt h ef u r t h e ri m p r o v i n go f t h eq u a l i t yo f t h ep u l s em i gw e l d i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv a l i d a t e dt h a tt h ed e s i r a b l ec o n t r o lp e r f o r m a n c ei sa c h i e v e dw i t ht h e r e p e a t a b l ep u l s ec u r r e n tw a v e f o r m ，h i g h - s p e e da n ds t a b l ea r c - v o l t a g ea d j u s t m e n t e v e ni fa r cl e n g t h v a r i e sw i t hh i g h e rf r e q u e n c ya n dl a r g ea m p l i t u d ei nt h ew e l d i n gp r o c e s si sv e r ys t a b l e s p a t t e rc a l lb e a v o i d e dw i t hn e wa r cl e n g t hc o n t r o ld e s i g na n ds u i t a b l ep r o c e s sp a r a m e t e r s i na d d i t i o n ，棚i g n i t i o n p r o g r a mi sd e s i g n e da n dt h es t a b l ea r ci g n i t i o np r o c e s si sa c h i e v e d k e yw o r d sm c u ；p m i g ；a r c - l e n g t hs y n c h r o n i z a t i o np u l s ec o n t r o lm e t h o d ；n e g a t i v ef e e d b a c ko f s p e e d 1 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 童! l 型墩日期：玺翌墨：q 墨：堕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：。建邋撬导师签名：重鱼查堕日期：碰垒：哆 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 铝合金焊接技术的研究现状 铝合金因具有比重小、强度高、耐蚀性优良、无磁性、成形性好及低温性能 好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中，采用铝合金代替钢板材料焊 接，结构重量可减轻5 0 以上。因此，铝及铝合金除广泛应用于航空、航天和电 工等领域外，同时还越来越多地应用于石油化学工业n 吗1 。铝合金材料因表面有 一层致密的氧化物保护膜，其表面无需如一般碳钢材料那样进行镀层处理即可获 得满意的抗腐蚀性。而电镀、热镀锌的镀层处理，不仅工艺复杂、成本高，还严 重污染环境。因此，采用铝合金材料是2 1 世纪汽车制造业发展的趋势。铝合金 具有独特的物理、化学性能，使其在焊接过程中有以下特点： ( 1 ) 极强的氧化能力； ( 2 ) 较大的导热系数和比热容； ( 3 ) 线膨胀系数大； ( 4 ) 容易形成气孔； ( 5 ) 高温下的强度和塑性低； ( 6 ) 加热时无色泽变化。 特别是近些年来科学技术及工业经济的迅速发展，对铝合金焊接构件的需求 日益增多，使铝合金的焊接性研究日益深入。基于其相应的焊接工艺和方法的焊 接技术也不断发展，除了直流单脉冲m i g 焊接铝技术以外，还有以下几种： 1 ) 激光焊激光焊( l a s e rw e l d i n g ) 是利用高能量的激光束作为热源的一种 高效精密焊接方法嘲是近十几年来发展起来的一项新技术，与传统焊接工艺 相比，它具有功能强、可靠性高、无需真空条件及效率高等特点。其功率密度大、 热输入总量低、同等热输入量熔深大、热影响区小、焊接变形小、速度高、易于 工业自动化等优点，特别对热处理铝合金有较大的应用优势。可提高加工速度并 极大地降低热输入，从而可提高生产效率，改善焊接质量。现在应用的激光器主 要是c o ：和y a g 激光器，c o ，激光器功率大，对于要求大功率的厚板焊接比 较适合。但铝合金表面对c o ，激光束的吸收率比较小，在焊接过程中造成大量的 能量损失。y a g 激光一般功率比较小，铝合金表面对y a g 激光束的吸收率相对 c o ，激光较大，可用光导纤维传导，适应性强，工艺安排简单等口1 。 2 ) 电子束焊电子束焊是一种能量密度非常高、焊接效果特别好、适应范围 北京工业大学工学硕士学位论文 遍及各工业部门的现代焊接方法。在航空航天部门、汽车制造业有很多要求高质 量的铝合金零部件就是采用电子束焊加工h 1 。在实际应用中， 由于铝合金容易 被氧化，故焊铝所用焊接设备以真空电子柬机居多( 但在汽车工业中，有相当一 部分的铝合金部件的焊接是采用非真空电子束焊) 。电子束焊时，在几十到几百 千伏加速电压的作用下，电子可被加速到1 2 2 3 的光速，高速电子流轰击 焊件表面时，被轰击的表层温度可达1 0 以上，表层金属迅速被熔化。然后， 随着电子束功率密度的增加，金属蒸汽量增多，在金属纵深形成独特的小孔，产 生小孔效应此时电子束焊接产生的热量在横向几乎不传导，随着电子束斑的移 动，形成深宽比很大的焊缝。电子束焊的主要焊接参数是加速电压、电子束流、 聚焦电流、焊接速度及工作距离。 3 ) 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊( f s w ) 是一种固态连接过程，原理如图1 1 所示璐1 。与熔焊相比铝合金摩擦搅拌焊具有如下优点：( 1 ) 焊接接头性能好； ( 2 ) 焊后无变形，残余应力小；( 3 ) 不产生飞溅、烟尘，也不产生紫外线或红外线 等有害光线；( 4 ) 应用范围广，几乎可以焊接所有铝合金材料，并且易于形成自动 化；( 5 ) 成本低。搅拌摩擦焊由于其原理的限制，焊接铝合金也存在一定的缺点： ( 1 ) 由于搅拌摩擦焊焊头尺寸和性能的影响，使被焊工件的厚度受到影响，且搅 拌头磨损快。同时影响焊接效率，速度明显低于熔化焊；( 2 ) 焊件夹持要求高，焊 接过程中必须对焊件施加一定的压力，防止焊接过程产生的残余应力，反面要 求有垫板；( 3 ) 焊缝端部存在钥孔，一般需要补焊或机械切除，并且难以对焊缝 进行修补；( 4 ) 工艺还不成熟，目前限于结构简单的构件，如平直的结构、圆形结 构。虽然如此，但新兴的摩擦搅拌焊一出现就显示了其焊铝的巨大优势， 不久 以后很可能会代替m i g 焊，承担大部分铝合金焊接工作量阻1 。 4 ) 激光一电弧复合焊当前，国际上铝合金激光焊接的研究热点是采用所谓 的复合工艺，即将激光与电弧焊接结合起来。这种复合工艺早在2 0 世纪7 0 年代 末就已经提出，它具有很多优点：( 1 ) 焊接性能好；( 2 ) 热量利用率高；( 3 ) 焊接 稳定。这些优点使得激光一电弧复合焊得到了极大的发展，极可能成为解决铝合 金激光焊的最佳方法。目前该工艺在德国和日本等发达国家的汽车业得到了一定 的应用。图1 2 所示为大众汽车工程公司v wp h a e t o n 的所有车门都应用了激光 一电弧复合焊接。但因为电弧的引入增加了焊接的热输入，从而必然使焊接热影 响区和热变形增大。因此，“激光与电弧 这种复合工艺在铝合金的焊接方面是 否具有工业应用前景还需深入研究哺。 另外，还有人采用辅助电流的铝合金激光焊接技术。即通过附加电极或通过 填充焊丝向焊接熔池提供辅助电流，借助辅助电流在熔池中产生的电磁力控制 熔池的流动状态，实现熔池中热量的重新分配，达到强激光能量的有效利用率、 提高加工效率之目的。同时利用辅助电流在焊接熔池中形成的磁流体效应使熔池 2 $ 1 * 动荡不定的运动变得有序和可控，从而改善焊接过程的稳定性，提高焊缝质量。 当前，可持续发展战略己成为各国经济发展的重要战略，节能、环保已成为科研 工作的两大主题。因此，铝合金成为航空、航天、汽车工业中种非常有竞争力 的材料，德国和日本等公司都己投入巨资进行激光焊接铝合金的研究。 财# 图l - 1 搅拌摩擦焊原理 f i g 1 1t h es k e t c h o f f s w 12 脉冲g 焊接技术的研究现状 图l 屯p h a e t o n 前车门 f i gl - 2p h a e t o nf o r e - d o o r 脉冲氢弧焊的方法首先由英国焊接研究所于1 9 6 3 年提出。脉冲焊是人为使 焊接电源输出的9 量接一定的规律变化。这种变化可以明显地改善屯弧的稳定 性，控制焊丝的熔化及熔滴过渡，可以控制对熔池及母材的热输入量和控制焊缝 成形。同时，可以改善焊缝组织及外观成形而得到高质量的焊缝，较适合于薄件、 全位置焊接等场合“。特别在铝台金m i g 焊中，由于铝合金具有导热性好、热 膨胀系数大、热敏感性太、熔点低等特点使得在直流m i g 焊铝过程中易出 现焊缝余高大、焊缝成形差，易出现气孔，薄板焊接时易出现烧穿等现象。为此， 国内外均出现了大量的铝合金脉冲m i g 焊专用焊机。脉冲m i g 焊电源一般分为 一体式和分体式。配台等速送丝用脉冲电流控制熔滴过渡及母材的热输入量。 目前，常用的实现脉冲m i g 焊的电源有单相一体式脉冲电源、三相不平衡 一体式脉冲电源、并联式脉冲电源、串联直流断续器的脉冲电源、开关式晶体管 脉冲电源、逆变式脉冲电源等“。脉冲m i g 焊接生产率高、易实现自动化，是 铝合金焊接生产的主要工艺方法之一。为了进一步提高传统的脉冲m i g 焊工艺 方法的焊接质量，美化焊缝外观，研制开发了低频调制型脉冲m i g 焊接方法”。 该焊接方法用低频脉冲来调制频率较高的熔滴过渡脉冲的峰值电流和峰值持续 时问，使电弧力和热输入随低频调制频率而变化。在得到美观的鱼鳞状焊缝表面 的同时，能扩大可焊接头间隙的范围，减少焊接气孔发生率，细化焊缝晶粒，降 低裂纹敏感性。为进一步提高电弧的稳定性、改善焊缝成形和增加熔深以及实现 北京工业大学工学硕士学位论文 厚板铝合金的高效焊接，近几年国外发展了单丝复合脉冲m i g 焊和双丝t a n d e m m i g 焊方法汹。 图1 3t a n d e m 双丝焊原理图 f i g 1 3t h es k e t c ho f t w i nw i r e w e l d i n go f t a n d e m 图l - 4 复合脉冲焊接的电压波形 f i g 1 - 4t h ev o l t a g ew a v e f o r mo f c o m p o s i t ep u l s ew e l d i n g t a n d e m 双丝焊是将两根焊丝按一定角度放在一个特别设计的焊枪里，两根 焊丝分别由各自独立的电源供电，原理图如图1 3 所示。除送丝速度可以不同外， 其它参数，如焊丝的材质、直径、是否加脉冲等都可彼此独立设定，从而保证了 电弧工作在最佳状态。单丝复合脉冲焊接工艺是采用一个低频的协调脉冲对另一 个高频单位脉冲的峰值和时间进行调制，使单位脉冲的强度在强、弱之间低频周 期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群，其电压波形如图l - 4 所示。 随着现代焊接技术的不断发展和应用，越来越多的焊接方法譬如激光焊 ( l a s e rw e l d i n g ) 、搅拌摩擦焊( f s w ) 、电阻焊( r e s i s t a n c ew e l d i n g ) 以及脉冲熔化 极气体保护焊( m i g ) 将逐渐应用到铝合金焊接中来。但受发展现状、工艺特性以 及生产成本等因素的制约，前两种焊接方法在新型铝合金车体的制造中尚处于起 步阶段，电阻焊因其焊接特性不适用于铝合金车体的焊接而很少在铝合金车体上 得到大规模的应用n 纠盯。脉冲m i g 焊以其成熟稳定的技术、良好的焊缝质量、 广泛的工艺适应性和容易实现自动化等特性在世界各国的铝合金车体制造中被 广泛采用。据资料表明，国内外现有铝合金车体制造中9 0 以上的焊缝采用脉冲 m i g 焊。因此总结和开发铝合金车体的脉冲m i g 焊工艺也更符合目前公司铝合 金车体制造工艺的发展需要，具有更高的实用价值。然而，脉冲m i g 焊焊接过 程中电弧的稳定性和焊接质量的稳定性是国内外关心的热点。尽管国内外的专 家、学者在脉冲m i g 焊过程控制方面取得了一些进展但都有一定的局限性， 如设备复杂、昂贵抗干扰能力差、可靠性低等。因此在脉冲m i g 焊过程和 质量控制方面开发简单、实用、可靠而且成本低的检测装置和控制技术是有待解 决的问题。 4 1 3 脉冲焊接弧长控制的发展现状 脉冲m i g 焊是一种焊接电流周期性变化的熔化极惰性气体保护焊“”。脉冲 峰值期间，峰值电流大于产生喷射过渡的临界电流值此时的电弧形态与一般喷 射过渡的电弧形态相似，对焊丝和工件进行强烈的加热使之熔化，促使熔滴处于 射流过渡状态，同时建立熔池：在脉冲基值期间，由于基值电流很小，其主要作 用是维护电弧的燃烧，并对焊丝起一定的预热作用，但不产生熔滴过渡，如图 l 一5 所示。因此，脉冲m i g 焊能在焊接平均电流低于临界电流情况下，实现射滴 过渡；并且通过控制脉冲峰值电流大小和峰值电流时间，就能有效控制脉冲能量， 在小电流条件下，可咀焊接薄板和空间焊缝”3 。 圈l - 5 脉冲m i ( 3 熔滴过渡示意图 f i 9 1 - 5 t h es k e t c h o f p m i gd r o p l e t t r a n s f e r 由于脉冲m i g 焊的峰值电流及熔滴过渡是间歇而又可控的，因而与其他焊 接方法相比，在工艺上具有以下特点“1 ： l 有较宽的电流调节范围 普通的射流过渡和短路过渡焊接，因受熔滴形式的限制，它们所采用的焊接 电流范围都是有限的。采用脉冲电流后，由于可在平均电流小于临界电流值的条 件下获得射流过渡，因而同一种直径焊丝随着脉冲频率的变化，能在高至几百 安培，低至几十安培的电流范围内稳定地进行焊接。脉冲m i g 焊的工作电流范 围包括了从短路过渡到射流过渡所有的电流区域，可用于射流过渡和短路过渡所 能焊接的一切场合。既能焊接厚板又能焊接薄板。 2 有利于全位置焊接 采用脉冲电流后，可用较小的平均电流进行焊接，因而熔池体积小。加上熔 滴过渡和熔池金属的加热是间歇的所以不易发生流淌。此外由于熔滴的过渡力 与电流的平方成正比，在脉冲峰值电流作用下，熔滴的轴向性比较好，焊缝成形 好，飞溅损失小。进行全位置焊接时，在控制焊缝成形方面脉冲m i g 焊要比普 通氩弧焊有利。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 可有效的控制输入热量，改善接头性能 焊接高强度钢以及某些铝合金时，由于这些材料热敏感性大，因而对母材输 入的热量有一定的限制。若采用普通的焊接方法，只能采用小规范，其结果是熔 深较小，在厚板多层焊时容易产生熔合不良等缺陷。而采用脉冲电弧后，既可使 母材得到较大的熔深( 因脉冲电流幅值大) ，又可控制总的平均焊接电流在较低的 水平。焊缝金属和热影响区金属过热都比较小，从而使焊接接头具有良好的韧性， 减少了产生裂纹的倾向。 脉冲m i g 焊接是近年来发展最迅速的一种弧焊方法，近年来，为了研究和 实现对焊接弧长控制，国内外的学者做出了大量贡献。 1 s y n e r g i c 的控制方法啪1 为简化m i g 脉冲焊的规范参数调节步骤，英国焊接所发明了一种s y n e r g i e 的控制方法。如图l - 6 所示。该控制方法的焊接电源的外特性采用恒流控制，通 过两根恒流外特性的切换实现脉冲焊接，根据送丝速度的变化自动匹配电流脉冲 参数，从而使熔化速度和送丝速度相适应，实现了m 【g 脉冲焊的单旋钮控制。但 是当遇到除送丝速度以外的干扰时，弧长将改变，熔滴的喷射过渡将会受到破坏， 抗干扰能力差，因为它对弧长( 电弧电压) 的扰动而言是开环控制。 图1 - 6s y n e r g i c 控制系统 f i g 1 - 6s ”e 哂cc o n t r o l l i n go fp m i gw e l d i n g 2 闭环控制法 为了改善m i g 脉冲电弧的自调性能，国外还在m i g 脉冲焊的弧长闭环控制 方面也做了大量的研究。如日本三菱电气公司采用了开环控制和闭环控制并用的 方法控制m i g 脉冲电弧，获得了欧洲专利权。该控制方法首先根据送丝速度按 照一定的数学模型来控制脉冲频率，使熔化速度与送丝速度基本相等，再引入电 弧平均电压的负反馈来调整脉冲参数以适应条件的变化和随机干扰。但该系统具 有以下缺点： 6 第l 章绪论 1 ) 由于闭环反馈信号取自电弧平均电压，当遇到弧长干扰电流变化时，电 弧电压并不代表弧长； 2 ) 电弧平均电压时通过积分缓解获得的，而且时间常数较大，弧长调节和 恢复的动态品质较差； 3 ) 由于该系统是采用晶体管开关和电感滤波方式来控制输出电流，电流的 脉动波纹大，动态性能差 采用电弧电压闭环负反馈来控制m i g 焊弧长的方法，由于电流的变化和焊 接过程各种随机干扰，要在焊接过程中准确而迅速地获得瞬时弧长信号是十分困 难的；另一方面从熔化极气体保护焊的特点来看，由于熔滴过渡弧长是变化的 所以任何企图控制瞬时弧长不变的做法都是与其特点相违背的，其结果必然引起 系统的弧长振荡。所以，现有的m i g 焊闭环弧长连续系统只能对电弧的平均弧 长进行控制。但是，由于m i g 脉冲焊的脉冲频率变化范围很广，为了保证在最 低频率下系统不发生振荡，必须对电弧电压信号加入具有较大时间常数的滤波或 积分环节，这就是这种闭环弧长连续控制系统动态品质较差的根本原因。 为了改善电弧闭环控制系统的动态性能。日本京都大学等单位研制出一种离 散闭环控制系统。它以每周期的对应点的弧长来代表该周期的弧长，通过计算机 闭环控制使该点的弧长不变。但是由于它使通过调节维弧电流来控制弧长，维弧 电流过小会引起断弧现象；维弧电流过大又会引起大滴过渡。所以这种控制方法 的弧长控制性能和抗干扰能力是有限的，而且这种方法的弧长采样周期是固定不 变的，当焊接规范改变时，不仅需要重新调整焊接电流的脉冲参数，而且还要调 整相应的采样周期。归纳以上所述的电弧控制发展主要有以下特点： 1 ) 利用电子技术发展高精度，高动态的电流，产生精确的静态外特性和可控 的动态特性； 2 ) 利用自动控制理论进行闭环控制； 3 ) 利用电子技术简化规范调节，实行单旋钮控制 3 q h - a r c 控制法口妇 8 0 年代由清华大学潘际銮教授等人发明了“q h - a r c 焊接电弧控制法， 经过三次改进，q h - a r c l 0 3 为其最新的控制法。首次提出用电源的多折线外特 性，陡升外特性及扫描外特性控制电弧的概念，为焊接电弧的控制及焊接自动化 开辟了新途径。 4 脉冲m g 焊门限控制系统砼田 脉冲m i g 焊门限控制系统是通过设立电弧电压的门限值来实现其控制，当 焊丝的熔化或焊丝的送进使电弧工作点移动时，电弧电压也随之变化，当电弧电 压达到设置的上、下门限值时，控制系统迫使电流发生突变，使电弧电压不超过 7 北京工业大学工学硕士学位论文 设置的上、下门限值，在门限值内则按闭环控制处理，从而使弧长得到控制。如 图1 7 所示。 l a 2 l a l i 图1 7 门限控制系统 f i g 1 - 7t h r e s h o l dc o n t r o ls y s t e m 焊接时，电弧工作点位于两条恒流外特性i b 或i p 上，当电弧工作点工作在 维弧阶段时，焊丝送进速度大于熔化速度，电弧工作点沿i b 恒流线向下移动， 当到达设定的门限值a 点时，控制系统使电源外特性切换到i p ，即脉冲阶段， 此时焊丝送进速度小于熔化速度，电弧工作点沿恒流线向上移动，当移动到设定 的门限值b 时，控制系统使电源外特性又切换到，即维弧阶段，如此循环就实 现了脉冲m i g 焊脉冲参数的自动控制。其弧长控制在l a l 和l a 2 之间，适当地 选择a 和b 点的值就可以实现稳定的焊接。 该类方法是以调节脉冲频率而克服弧长的扰动来调节焊丝的熔化速度，在 脉冲峰值阶段可能未停留足够时间，所以熔滴过渡不能确保一脉一滴的情况。 5 模糊控制法 由于脉冲m i g 焊接过程是个非线性、时变的复杂系统，常规的控制方法不 能更好的满足控制要求，而对非线性系统的控制则是模糊控制器的优点所在。为 了获得满意的控制特性，文献 2 3 - 2 4 设计了以电弧电压为被控制量，基值时间 和送丝速度为控制量的自调整因子的模糊控制系统，以实现对电弧电压的稳定控 制。 理论上已经证明模糊控制可以很好的对脉冲m i g 焊接过程进行控制，但受 到当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到一定的限制，隶属 函数的确定还未有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此，模糊控制的精 度还有待提高。 第1 章绪论 1 4 数字化送丝系统的研究背景及意义 1 4 1 送丝系统研究背景 送丝系统通常是由送丝装置( 包括送丝电动机、减速箱、送丝轮) 、送丝软 管、焊丝盘等组成。即完整的送丝系统由两部分组成枷械部分( 包括驱动电 机及机械传动装置) 和控制电路。目前，送丝机的驱动电机广泛采用直流伺服电 机或转动力矩大、电枢惯性小的印刷电机，该电机的定子由永久磁铁和磁轭组成， 转子为覆有印刷绕组的圆盘。它是一种低惯性量的电机，其动态响应速度快，由 于电机转速较高，需经过数级齿轮减速。而传动装置多采用两轮或四轮压紧机构 根据送丝方式的不同，送丝机通常有三种方式：推丝式、拉丝式和推拉式。 伴随着数字化焊接电源的研究、生产和应用，作为焊接设备重要组成部分， 送丝机的控制方式也应得以变革，传统的模拟控制方式正逐步被数字控制方式所 取代。特别是随着全数字化焊接电源研究热潮的兴起，数字化送丝机的研究开发 已是大势所趋。 ! 目前，与数字化焊机相配套的数字化送丝机也都实现了系列化和产品化。新 型化的送丝机最具有代表性的是f r o n i u s 公司的数字化送丝机，其代表性的产品 是v r - 4 0 0 0 和v r - 4 0 0 0 c 序列。采用单片机作为控制器，使用5 5 v 的直流电机， 适用0 8 r a m 1 6 m m 的焊丝。送丝速度范围为o 5 m r a i n 2 2 m m i n 。 另一个有代表性的是m i l l e r 公司的7 0s e r i e s 和s 3 2 序列。它采用2 4 v 直流 电机，用微处理器作控制器，通过操作面板进行参数编程来调用其内置的多套脉 冲焊程序。在单、双丝模式方式下，对0 6 m m 3 2 r a m 的焊丝，送丝速度可达 1 3 - 1 9 8 n g m i n 但是，总体看国内数字化弧焊电源研究却还处于起步阶段。研究还主要集中 在如何实现主控制电路的数字化，以及数字控制器算法等方面。数字化焊机作为 一个独立的控制小系统，它还需要在人机交互、电弧控制和送丝速度调节之间建 立起一种协调统一的时序关系。这必然要求把送丝机也纳入数字化控制的范畴。 目前，国内对送丝机的数字控制主要采用专用的p w m 控制芯片，通过芯片 输出不同占空比的脉冲来调节电机两端的电枢电压，从而达到调节送丝速度的目 的。采用的p w m 控制芯片主要有t i a 9 4 ，s g 3 5 2 6 ，u c 3 6 3 7 等。如图1 8 所示， 为采用p w m 芯片控制的送丝机框图。国内在采用单片机作为控制器进行送丝机的 数字化控制方面也作过一些探索，但由于缺乏数字化焊接电源的配套支持，其数 字化控制的优势得不到充分体现删 9 北京工业大学工学硕士学位论文 图1 - 8p w m 芯片控制的送丝机框图 f i g 1 8d i a g r a mf o rf e e d e rc o n t r o l l e db yp w mc h i p 1 4 2 送丝系统研究意义 现代社会的重要特征之一是数字化的应用，如今以电子计算机为代表的信息 技术已经渗透到经济和社会的各个方面，因此信息流的传递和处理过程的数字化 是数字化技术的最显著特征。 数字化送丝机的概念由此得出：即采用微处理机( 或单片机) 为控制器通 过程序控制实现信息流的传递，使送丝电机按输入的指令进行运转。 图1 - 9 数字化焊机结构框图 f i g 1 - 9d i a g r a mo fd i g i t a lw e l d e r 图1 - 9 为全数字化焊机的整体结构框图。从图中可看出，数字化的焊机主电 路控制部分主要采用“d s p + m c u 相结合的控制技术。同时，将送丝机控制、 参数的输入及显示等单元模块化技术进行单独设计，各控制单元通过内部总线互 连，从而形成一个整体。各个单元的控制器均拥有各自的控制程序，彼此之间通 过内部协议来进行通信联络和协调，共同完成整个的焊接过程。 由于各个控制单元均采用程序控制，因此，通过编写不同的焊机控制程序就 可以实现焊接工艺规范优化、多功能、多种焊接材料的适用性以及焊接工艺参数 的离线处理。还可以实现起收弧阶段对送丝速度的变速控制等等。这就要求送丝 1 0 第l 章绪论 机的性能应能够适应数字化控制的要求。 目前，我国在焊机研究的整体水平上同世界先进国家相比还有相当差距。在 数字化焊机研究领域虽说取得了较大进展，但在焊接设备的系统集成，特别是离 实用化和产品化还有相当距离。 送丝机作为焊接设备的重要组成部分，对其实现数字化控制，使其在抗干扰 能力、送丝稳定性和送丝电机的调速方面都能得到改善和提高，这不仅能加快数 字化焊机的研究进程，也可以实现普通送丝机的升级换代。从而提高焊接产品质 量，更好地为经济建设服务。 1 5 铝合金脉冲m i g 焊研究的意义 基于铝合金自身的优点适合于焊接之外，又便于回收再利用，近年来在汽车、 高速列车、船舶等行业的应用越来越广泛。脉冲m i g 焊接生产率高、易实现自 动化，是铝合金焊接生产的主要工艺方法之一。由于铝的独特性能，在焊接应用 中依然存在着一些问题，为了获得好的焊接质量，需要对脉冲m i g 焊焊铝的工 艺特点进行深入研究。另外由于与钢相比铝对焊接过程中的扰动( 电流或送丝速 度变化) 更为敏感。铝自动焊时更容易发生回烧、短路等现象，因此铝自动焊对 脉冲焊设备提出了更高的要求。尤其是薄板铝焊，焊接平均电流较小，一般相应 的基值电流也较小，基值期间控制电流稳定，才能保证电弧稳定不易熄弧：峰值 期间电流稳定，保证不烧穿铝板，同时一旦焊矩高度等发生变化要求调节要及时、 恢复过程要稳定。本文在铝脉冲焊设备的数字控制系统设计中就对这些都有设计 考虑，通过提高对电弧的控制水平，来获得稳定的自动焊过程和更好的工艺效果。 1 6 本课题研究的主要内容 本文是以英飞凌x c l 6 4 c s 为控制单元，设计了m i g 焊机的控制系统，通过 对国内外铝合金脉冲m i g 焊接技术研究现状的分析，针对数字化脉冲m i g 焊机存 在的问题，本文做了如下工作： 1 ) 建立基于英飞凌x c l 6 4 c s 单片机数字化脉冲m i g 焊机的控制系统 2 ) 采用速度负反馈调速方式设计送丝机调速系统，完成调速系统和单片机 系统的接口电路设计 3 ) 本文通过大量的工艺实验。证明了本系统采用的弧长调节系统具有良好 的弧长调节性能，且设计简单，方便实用。 4 ) 通过网压波动及速度稳定性试验，对数字化送丝系统进行性能测试。 第2 章m i g 焊机硬件系统设计 第2 章g 焊机硬件系统设计 2 1 系统总体设计 以英飞凌公司的x c l 6 4 c s 芯片为控制核心，设计了单片机控制脉冲m i g 焊 接控制系统，原理框图如图2 1 所示 2 1 1 主电路部分 图2 - 1 焊机总体方案设计 f i g 2 - 1d i a g r a mo fw e l d i n gp o w e r 本课题所使用的p m i g 焊接电源由以下四部分组成：主电路部分、控制电路 部分、面板显示部分、送丝机及控制电路。 主电路采用i g b t 全桥式逆变形式，逆变频率为2 0 k h z 。主控制电路部分由 北京工业大学工学硕士学位论文 x c l 6 4 c s 单片机构成。逆变器部分为主功率部分，三相工频交流电经三相整流 模块的全波整流，把交流电变成直流电，再经过滤波变为平稳的直流电，输入逆 变电路。高压直流电通过电力电子器件的开关作用和高频变压器的隔离与降压， 变为2 0 k h z 左右频率的低电压大电流交流电，之后再采用超快恢复二极管模块 对电源进行二次a c d c 整流，二次整流后经电感滤波变成低电压、大电流输出。 可见，逆变式焊接电源进行了两次a c d c 的整流，一次d c 。a c 的逆变环节。 电源的电压和电流采样均采用霍耳传感器，使控制电路与输出回路隔离，提 高了控制电路的抗干扰能力，保证控制系统的稳定工作。本课题电源的控制方法 采用脉冲宽度调制( p w m ) 方式，使焊接电源的动态品质大幅度提高，保证了 焊接质量。驱动电路是功率开关器件i g b t 可靠工作的重要保证，本电源的驱动 电路采用i g b t 专用驱动器e x b 8 4 1 ，其关断时栅极施加反压、过流后降压延迟 关断等特点提高了i g b t 的运行可靠性。 2 1 2 单片机控制系统电路 本文设计的数字p m i g 焊控制系统是由单片机( x c l 6 4 c s ) 及其外围电路 组成。单片机控制系统主要负责系统的总体管理。依靠软件和硬件的共同作用实 现波形给定和焊机的管理。软件程序通过o c d s 接口由p c 机下载到目标板。单片 机系统经过输出p w m 信号到驱动电路以驱动i g b t 。由电压l e m 和电流l e m 采样， 电流电压信号反馈至单片机控制系统，完成闭环控制。包括基值电流闭环控制部 分、峰值电流闭环控制部分、弧长闭环控制部分等。 单片机系统主要实现以下几个功能： 1 ) 对脉冲m i g 焊接的工艺过程进行控制。由单片机发出控制信号，控制焊 接过程从系统初始化一提前送气一引弧程序一脉冲程序一结束焊接一熄弧程序 一返回，自动进行，实现整个焊接过程的程序控制。 2 ) 信号处理。包括焊接参数和焊接电源工作情况的检测。焊接参数检测是利 用霍尔电流和电压传感器，采样焊接电流、焊接电压，这些信号经滤波后送入单 片机进行a d 转换。焊机工作情况的检测主要是实现对逆变器的保护，如欠压 保护、过流保护、过热保护等。 3 ) 显示电路作用。显示电路完成焊接参数的设定及焊接电压、电流的显示， 并把所设定的参数传到单片机系统，控制系统产生相应的送丝速度传给送丝电 路，从而完成焊接参数的匹配。 1 4 第2 章m i g 焊机硬件系统设计 量皇曼皇寡鲁曼皇皇烹曼曼置曼皇量曼皇篡舅皇曼鲁暑皇曼鼍曼量曼曼曼