（材料加工工程专业论文）基于msp430单片机的埋弧焊电源数字化控制器的研制.pdf

天津大学硕士学位论文中文摘要 摘要 埋弧自动焊具有生产效率高、焊接质量好、劳动条件好等优点，其作为最早 获得应用的机械化焊接方法在工业中应用非常广泛。随着科技的发展，焊接过程 的自动化和智能化是未来焊接技术的发展方向，所以将数字控制技术引入到埋弧 自动焊机的控制系统，具有重要的理论意义和实际应用价值。尤其是采用单片机 为控制器，配合有效的算法、合适的软件，能够很好的控制整个弧焊过程，提高 焊接质量。 本论文针对埋弧自动焊过程控制及焊接操作机控制的特点和工艺要求，在 m z 10 0 0 a 晶闸管式埋弧自动焊机主电路的基础上设计了以单片机m s p 4 3 0 f 14 9 为控制核心的埋弧焊数字控制系统。 设计了埋弧自动焊机数字控制系统的硬件电路和软件程序。硬件电路主要包 括焊接电压、焊接电流采样电路；同步和晶闸管触发电路；焊接操作机控制驱动 电路、电机电枢电压采样电路；保护电路等。编写了同步触发脉冲控制程序模块， 在引弧程序设计中运用分离式控制思想，采用移相异步触发晶闸管的方法解决同 步信号3 0 。相位差的软件补偿问题，使控制角移相范围达0 0 1 4 8 0 。 模块化设计系统软件，根据各个模块功能划分，包括整流电源同步触发控制、 焊接过程控制、人机对话、系统参数设置与备份等。焊接电源控制和焊接过程控 制算法均采用p i 控制算法，利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 模块对系统进行 了建模仿真，根据仿真结果和实验确定了p i 控制参数。 采用异步延时触发晶闸管的方法编写收弧控制程序，使负载波形基本呈线性 变化衰减，通过调节延时触发时间来控制收弧时电流衰减时间，能够满足不同的 焊接电流和焊速等工艺条件下对焊缝成形的要求。 对所设计的控制器与焊机进行脱机与联机、空载与负载调试，经过工艺实验 表明，当空载电压为6 5 v 、电流反馈控制参数为k 。一0 0 5 5 ，k i = 0 9 5 、焊接速度 2 0 c m s 的情况下，焊接引弧平稳，焊接过程稳定。最后对电流柔性衰减收弧控 制的控制效果进行实验验证，结果表明能够改善焊道收尾处的成型质量。 关键词：埋弧焊电源；数字控制；晶闸管整流电源；单片机 天津大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i cs u b m e r g e d a r cw e l d i n g ( s a w ) h a sm u c hm e r i t ，s u c ha sh i g h e f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，e x c e l l e n tq u a l i t yo fw e l d i n gp r o d u c t ，s a wi s t h ee a r l i s t m e c h a n i z e dw e l d i n gm e t h o da n dn o wi sw i l d l yu s e di ni n d u s t r y a l o n gw i t ht h e d e v e l o p i n gs c i e n c e ，t h ea u t om a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n c eo fw e l d i n gp r o c e s si s t h e d e v e l o p m e n tt e n d e n c y o fw e l d i n gt e c h n o l o g y s oa p p l y i n gt h ed i g i t a l c o n t r o l t e c h n i q u ei n t ot h ec o n t r o ls y s t e mo fs a w m a c h i n eh a si m p o r t a n ta c a d e m i cm e a n i n g a n dp r a c t i c a lp u r p o s eo fa p p l i a n c e i np a r t i c u l a r , t h et e c h n o l o g yo fm c uc o n t r o lo f t h ea r cw e l d i n gr e c t i f i c a t i o n ，w i t ha ne f f e c t i v ea l g o r i t h ma n dt h er i g h ts o f t w a r e ，c a n b ev e r ye f f e c t i v ec o n t r o lo ft h ew e l d i n gp r o c e s s ，i m p r o v et h ew e l d i n gq u a l i t y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fs a w ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mf o rs a w o nt h eb a s eo ft h em a i nc i r c u i to fm z 10 0 0 as c ra u t o m a t i cs a w m a c h i n e ，a n dt h ec o n t r o lc o r ei sm s p 4 3 0 f 14 9m c u t h ep a p e rh a sd e s i g n e dt h es y s t e mc i r c u i ta n ds o f t w a r ep r o g r a mf o rt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e mf o rs u b m e r g e d a r cw e l d i n gm a c h i n e t h es y s t e m c i r c u i tc o n t a i n sw e l d i n g v o l t a g ea n dw e l d i n gc u r r e n ts a m p l i n gc i r c u i t ，s y n c h r o n i z a t i o na n dt r i g g e rc i r c u i t ， w e l d i n gm a c h i n eo p e r a t o rc o n t r o ld r i v i n gc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t ，e t c p r e p a r e d s i m u l t a n e o u s l ya n dt r i g g e rp u l s ec o n t r o lp r o c e d u r e sm o d u l e ，i nd e s i g np r o c e s so f i g n i t i n ga r cu s e ds e p a r a t ec o n t r o lo ft h i n k i n g u s e dt h em e t h o do fp h a s es h i f ta n d a s y n c h r o n o u st r i g g i n gt h y r i s t o rt or e s o l v et h e3 0 。p h a s es o f t w a r ec o m p e n s a t i o n o f s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l m a k et h ec o n t r o la n g l eap h a s e - s h i f t i n gr a n g e o f0 。14 8 。 d e s i g n i n gs y s t e ms o f t w a r em o d u l a r i z l y ，c a r v i n gu pm o d u l ea c c o r d i n gt ov a r i o u s f u n c t i o n ，i n c l u d ew e l d i n gr e c t i f i e rs y n c h r o n i z a t i o na n dt r i g g e rc o n t r o l ，m a n m a c h i n e i n t e r f a n c e ，s y s t e mp a r a m e t e rs e t i n g ，p a r a m e t e rp r e s e t i n g ，e t c p o w e rs o u r c ec o n t r o l a n dw e l d i n gp r o c e s sc o n t r o la l g o r i t h m sa r eu s e dp ic o n t r o la l g o r i t h m s ，u s e ss i m u l i n k i nm a t l a bt oe m u l a t et h es y s t e m ，t h er e s u l to ft h ee m u l a t i o nc a nh e l pt oa d j u s tt h e p ic o n t r o lp a r a m e t e r s u s e da s y n c h r o n o u sa n dd e l a yt r i g g i n gt h y r i s t o ra p p r o a c ht ot h ep r e p a r a t i o no f a r ce x t i n g u i s h i n gc o n t r o lp r o c e d u r e s ，t ol o a dw a v e f o r mc h a n g e si nt h eb a s i cl i n e a r a t t e n u a t i o n ，b ya d j u s t i n gt h et i m ed e l a yt r i g g e rt oc o n t r o lt h et i m eo f c u r r e n td e c a yi n t h ea r ce x t i n g u i s h i n g ，m e tt h ed i f f e r e n tw e l d i n gc u r r e n ta n dw e l d i n gt e c h n o l o g y ，s u c h a ss p e e du n d e rt h ec o n d i t i o n so ff o r m i n gt h er e q u e s to ft h ew e l d i n gt e c h n o l o g y d e b u gt h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e ra n daw e l d i n gm a c h i n eo f f i i n e a n do n l i n e ， i i n o 1 0 a da n dl o a d ，a f t e rs t a t i cl o a dt e s t i n ga n dt e c h n o l o g i c a le x p e r i m e n t ss h o w t h a t t h e s v s t e mh a v es t a t i co u t p u tc h a r a c t e r i s to f c u r r e n td e s c e n d i n g ，w h e nt h en o l o a dv o l t a g e o f6 5 v c u r r e n tf e e d b a c kc o n t r o lp a r a m e t e r sf o rt h ek p = 0 0 5 5 ，k 1 20 9 5 ，w e l d i n g s p e e do f2 0c r n sc a s e ，m s k et h ep r o c e s so fi g n i t i n ga r ci s s m o o t h ，w e l d i n gp r o c e s s m o r es t a b l e f i n a l l y ，c u r r e n tl i n e a ra a e n u a t i o na r ce x t i n g u i s h i n gc o n t r o lc a na c h i e v e g o o dc r a t e rm o l d i n g e f f e c t k e yw o r d s ： s u b m e r g e d a r cw e l d i n gp o w e r ，d i g i t a lc o n t r o l ，s c r r e c t i f i e r ， m c uc o n t r o l 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤望盘堂一或其他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。 学位论文作者签名：1 束州 签字日期：幽。岔年6 月斗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：啄阆t j 导师签名： 甥纵 签字日期：b 。g - 年6 月斗日签字日期：夕们譬年月1 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 埋弧焊概述 第一章绪论 埋弧自动焊具有生产效率高、焊缝质量好、劳动条件好等优点，在造船、锅 炉、化工容器、桥梁、以及冶金机械等制造业中得到广泛应用。1 9 3 5 年，出现了 埋弧焊( s a w ) 生产过程上的第一项专利，其中包括了位于颗粒化焊剂下的电弧。 这项专利是由前苏联e0p a t o n 焊接协会研发的。作为最早获得应用的机械化焊接 方法，埋弧自动焊是当今焊接生产效率较高的机械焊接方法之，在生产使用方 面仅次于手工电弧焊。埋弧焊最著名的应用是在第二次世界大战期间，用于t 3 4 坦克的制造。 埋弧焊接是在连续送丝的电极和工件之间形成电弧，其特点是用焊剂产生保 护气体和熔渣，并可以通过焊丝向熔池中添加合金元素，不再需要其他保护气体。 焊前，在工件表面放置一层很薄的焊剂药粉，当电弧沿着焊缝移动时，形成熔渣 层和其覆盖下的焊缝，多余未熔化的焊剂可通过漏斗回收，焊接完成后，残余的 熔渣层也可被方便地清除，如图1 1 。由于焊剂层完全覆盖了电弧，所以热耗极 低，这样可使热效率达到6 0 以上( 手工焊条电弧焊的热效率为2 5 ) 。焊接时不 会看到弧光，没有飞溅，也不需要气体和烟尘过滤。 埋弧焊通常是全机械化或全自动化的操作过程，但它也能进行半自动化操 作。其主要焊接参数有：电流、电弧电压、焊接速度等。埋弧焊是适用于纵缝环 缝对接焊的理想焊接方法。但是，由于焊接熔池、熔渣和疏松焊剂层的高流动性， 通常对对接接头进行平焊，角接头进行横焊和立焊。在焊接环形接头时，工件将 被固定在焊接机头下进行旋转平焊。根据材料厚度，可以选择采用单道、双道或 多道焊接程序进行焊接。通常大部分采用的焊接的材料还是低碳钢，低合金钢和 不锈钢。近年来，由于国家政策的倾斜，能源、电力等工业的迅猛发展，埋弧自 动焊机在造船、锅炉与压力容器、桥梁、重型机械、石油机器、海洋结构、武器 等制造部门得到了大力推广和应用。然而埋弧焊存在焊接设备复杂、灵活性差， 主要适宜水平面俯位焊缝焊接，难以焊接铝、钛等氧化性强的金属及合金( 由于 埋弧焊焊剂的成分主要是m n o 、s i 0 2 等金属及非金属氧化物) 以及难以焊接厚度 低于1 m m 的薄板等不足【i 。j 。 随着埋弧焊接在我国的普及和广泛应用，国内的埋弧焊接也得到快速发展。 在焊接工艺方面，为适应一些特定的焊接要求( 如工字钢、螺纹钢管的焊接及立 焊、横焊等) ，派生出双丝和多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊、多电源多丝埋弧焊、 填丝埋弧焊、添加粉末埋弧焊，及在焊接过程中添加磁性焊剂等焊接方法【4 】。 天津太学硕士学位论文第童绪论 在埋弧焊接电源方面，其发展经历了4 个阶段：机械调节犁电源、磁饱和放大 器电源、晶闸管整流电源和i g b t 逆变电源。随着电力电子技术的发展，埋弧焊 设备的电路、器件及其控制技术向集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制 数字化以及多功能化的方向 发展。埋弧自动焊的控制系统 的发展也经历了3 个阶段：机 械控制、硅整流元件控制、集 成电路数字控制或微机控制。 目前大容量的数字控制晶闸 管整流电源、埋弧焊逆变电 源，以其高效节能、良好的动 特性和弧焊工艺性能等优点 成为常规埋弧焊电源的更新 换代产品。 图1 1 埋弧自动焊示意图 2 数字化埋弧焊接电源的特点与研究现状 焊接电源是实现焊接的最重要设备，随着电子技术、数字化技术和自动控制 技术的发展数字化焊接电源开始问世。在埋弧自动化焊接电源方面，目前国内 工业生产中埋弧焊投备多为传统机型，且控制系统仍然采用模拟电路。电源不仅 耗电大、耗材多，而且送丝电路复杂，整机性能、功能、易用性都有待提高 j 。 随着现代电子和数字控制技术的不断成熟，埋弧自动焊机采用数字拄制技术成为 其发展的趋势。 2 1 数字化焊接电源 所t 目数字化” ，是指按照一定的规则把连续的物理变量用0 九编码的数字形式 来表不。将数字化技术应用于焊接电源控制系统，能更加灵活有效地实现模拟电 路所无法实现的控制方案，因此目前数字化焊接电源技术成为焊接电源领域的一 种发展趋势。 一般来讲，数字化焊接电源是指焊机主要的控制电路由数字控制技术替代传 统的模拟控制技术，日存控制电路中的控制信号也由模拟信号过渡0 0 1 编码的 数字信号。焊接电源在经历丁弧焊发电机、交流焊接变压器、硅弧焊整流器之后， 现在己经发展到了弧焊电源逆变技术p “】，从焊机系统角度出发，所谓的数字化 焊机主要包括四个方面”】：弧焊电源主电路的数字化；控制电路的数字化：人 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 机交互系统的数字化：系统网络化。 数字化焊机之所以一问世就得到广大焊接工作者的青睐，是因为数字化焊接 电源与模拟控制的焊接电源相比有无可比拟的优越性1 1 3 1 7 j 。 ( 1 ) 数字化焊接电源有更大的灵活性，易于实现柔性化控制数字化焊接电 源的外特性控制是由软件编程来实现，因此可以设计多种外特性适应不同焊接方 法的要求，实现焊机的一机多用。在采用波形控制的熔化极气体保护焊接中，对 于不同的板厚、焊丝直径，不同的熔滴过渡形式，波形控制中的最佳的电流波形 会有所区别，采用模拟控制时，往往是按照兼顾整个工艺区间的原则来选取电流 波形，这样就必然造成部分区间的工艺效果的不理想。而数字化焊机则可以根据 不同的板厚、焊丝直径，不同的熔滴过渡形式来精确的选择工艺参数，这样就可 以大大改善焊接的效果。数字化焊机的灵活性同时也体现在数字化焊机控制软件 的在线升级功能上。由于采用f l a s h 作为存储器，同时在电路设计上增加了在线 的f l a s h 编程功能，因此，数字化焊接电源的控制程序升级或在线调试修改，只 需要简单地通过串行通讯接口进行。 ( 2 ) 数字化焊接电源有更好的稳定性在模拟控制系统中，信号的处理往往 是通过有源或无源的电路网络进行的，信号处理参数的设定通过电阻、电容参数 的选择来确定。这样在模拟控制系统中阻容参数的容差、漂移必然导致控制器参 数的变化，因此模拟控制系统的温度稳定性较差，同时模拟控制的产品一致性难 以保证，这样，模拟控制焊机的稳定性就不能得到保证。而在数字化控制中，信 号的处理或控制算法的实施是通过软件的加、减、乘、除等运算来完成的，因此 其稳定性好，产品的一致性也能得到很好的保证。 ( 3 ) 数字化焊接电源具有更高的控制精度 数字化焊接电源具有更高的控 制精度。模拟控制的误差一般由元件参数值引起的误差和运算放大器非理想特性 参数引起的误差所决定。而数字化控制的精度仅仅与模一数转化的量化误差及系 统有限字长有关，因此数字化控制可以获得很高的精度。 ( 4 ) 良好接1 2 1 兼容性和为焊接电源的智能控制提供了可行性 由于数字化 焊机大量采用了单片机、d s p ( 数字信号处理器) 等数字芯片，因此数字化焊机 与其它设备间就可以非常方便地实现大量的信息交换。利用微控制器强大的控制 能力和事件管理能力使焊机控制引入自适应控制、模糊控制、神经网络控制等智 能控制方法成为可能。 1 2 2 数字化埋弧焊接电源的特点 传统埋弧焊生产中有两种自动调节方法：一是电弧自身调节系统，它采用缓 降特性或平硬特性电源配等速送丝系统，通过改变焊丝熔化速度进行调节，该系 天津大学硕士学位论文第一章绪论 统主要用于4m m 以下细丝埋弧焊接；二是电弧电压反馈变速送丝调节系统，它 采用陡降特性或垂降特性电源配变速送丝系统，利用电弧电压反馈改变送丝速度 进行调节。目前国内大多数埋弧自动焊机及焊接操作机仍是采用模拟控制，由于 埋弧自动焊动态过程是一个具有高度非线性、时变性及多变量耦合作用的复杂系 统。固定的控制模式和控制参数难以保证各种焊接条件下的焊接性能，难以适应 整个调节范围内参数的优化。在较强、较弱的焊接规范下，往往焊接性能不理想。 数字化单片机控制的焊机有以下特点f 1 8 1 。 ( 1 ) 电源功能拓宽同一电源采用不同的算法，能很好地实现一机多用。通 过灵活地软件编程使电源外特性可获得恒电流特性、恒电压特性、斜率不同的输 出外特性和恒功率的任意控制。 ( 2 ) 动特性控制好借助于p i 调节器组成的电子电抗器对焊接过程的短路电 流上升率d i d t 进行控制，从而得到较好的动特性。 ( 3 ) 操作性好微机控制的弧焊机通常具有较好的操作界面，根据不同的焊 丝直径、焊接的板厚进行焊接参数预置、再现、记忆，监控各焊接参数，根据不 同需要变换参数，并且具有数字显示等功能。 ( 4 ) 稳定性好 电源特性由控制算法决定，不会出现因模拟控制中零漂及元 件分散性等因素造成性能下调或不一致。 ( 5 ) 工艺程序的控制和焊接故障的诊断微机控制可以满足各种焊接工艺 程序的要求，如电流的递增和衰减，收弧的柔性控制等，并能够对焊接过程的各 种故障进行诊断和报警。 ( 6 ) 易于开发微机系统采用积木式结构模块化设计，其开发周期短，开发 成本低。 图1 2 是采用单片机控制的数字化埋弧焊接电源的系统框图。通过该图可以 发现以m c u ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，微控制器) 为控制核心的控制系统实现了 焊接电源的数字化闭环控制。m c u 负责给定值存储和加载、p i d 计算和p w m 信 号产生的全过程。控制器提供功能全部由软件产生，克服了模拟硬件的种种缺点， 使得控制的灵活性有了本质的提高。 l 一一? 图1 2 单片机控制的埋弧焊电源控制系统框图 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 3 数字化埋弧焊接电源研究状况 我国焊接设备制造业起步较晚，到目前为止，我国已有多家焊接装备生产企 业，但生产水平却不容乐观。而世界工业发达国家，微机控制的弧焊机早己进入 实用化阶段，并朝着采用高档单片机系统，进行全数字、多功能、多参数控制、 波形控制方向发展，且在焊缝跟踪、焊后检验、多丝焊等方面己经得到广泛的应 用 埋弧自动焊机主要由主电源、控制箱、小车三部分组成。在埋弧焊机主电路 方面，和大多数焊接设备电源一样，埋弧焊电源主电路的数字化也是采用大功率 开关器件来实现开关电源和逆变电源的控制，靠脉宽调制、频率调制来控制焊接 电源。在这方面，我国已经有很大一部分教授学者进行了研究，如兰州理工大学 的李鹤岐教授等在单片机控制i g b t 逆变埋弧焊机设计中，系统采用i g b t 全桥逆 变拓扑结构，a c d c a c d c 的逆变形式，输入三相交流电首先经整流桥整流、 电容滤波后变成平整的直流电，再经开关管的交替轮流导通逆变成高频方波交流 电，经高频变压器降压后，最后由桥式整流和电抗器滤波输出。实现功率的转换， 供给电弧。通过脉宽调制电路调节占空比来控制焊接能量的输出【19 i 。整个逆变 电路与其他焊接设备的原理和结构相似。 关于脉冲埋弧焊接国内相关的研究目前还比较少。我校李桓教授等研制开发 了以单片机为核心的脉冲电流控制器，该控制器在单片机的控制下，按照直流脉 冲埋弧焊的控制要求，生成频率、占空比可调的脉冲控制信号，将焊机输出峰值 给定和基值给定，通过高速电子开关送往受控制的直流自动埋弧焊机外接端子 板，以脉冲峰值电流促进熔滴过渡，基值电流改善电弧力的分布。试验表明能够 很好地改善了焊接温度场和电弧力的分布，大幅提高了焊接速度，明显改善了焊 缝成形，有效地提高了电弧的热效率，在相同熔敷速度的前提下有效减小了热输 入，可以在满足焊接质量要求的前提下提高焊接速度1 2 0 。综合国内外脉冲埋弧 焊的研究现状以及我校的相关研究成果，可以预见埋弧焊接有着很大研究发展空 间。 图卜3 脉冲埋弧焊接电流电压波形2 玎 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在埋弧焊机控制电路方面，目前埋弧焊机控制电路数字化主流是采用单片机 控制为主，通过采样电路采集焊接电流、焊接电压信号，经比例放大处理由单片 机接口电路送入单片机内部，再与给定值进行比较、控制算法运算等数据处理， 从而得到所需控制信号来控制焊接电源输出外特性，从而达到稳定焊接电流焊接 电压的目的。在埋弧焊接过程控制方面，微机被广泛运用于弧焊规范参数的控制、 焊接工件的自动定位和埋弧焊焊缝自动跟踪、埋弧焊的过程控制以及焊接生产线 的自动化1 2 2 2 3 。 关于埋弧焊机人机交互系统的数字化，上海交通大学焊接工程研究所设计了 基于单片机控制的数字化埋弧焊机人机界面系统，系统由a t 8 9 c 5 2 单片机、图 形式液晶显示器、数字化编码器、铁电存储器等构成，用户通过人机界面不仅可 设置和保存焊接电流、焊接电压、焊接速度等工艺参数，而且可在焊接过程中动 态显示焊接电流、焊接电压 2 4 1 。 与其他焊机的数字化人机交互系统的设计并无二异，埋弧焊机人机交互系统 应具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可靠性等特点，人机交互的 常用方法有问答式对话、菜单交互等，它们在焊机中的应用可分为焊前准备的人 机交互和焊接过程中的人机交互，属于过程控制现场的人机交互情7 兄【2 5 j 。 1 3 焊接过程控制技术概述 作为现代工业的一个重要加工环节，焊接过程的自动化和智能化是保证焊接 质量、提高生产效率、改善劳动条件的重要手段，也是未来焊接技术的发展方向。 焊接过程控制技术随着科学技术的不断进步，尤其是计算机技术的迅速发展得到 了很快的发展。目前，在焊接生产过程中得到了广泛的应用以及正在研究开发并 逐步用于生产的焊接过程控制方法有：经典控制方法、现代智能控制中的专家系 统控制方法、模糊控制方法和人工神经网络控制方法等。 1 3 1 经典控制方法在焊接中的应用 经典控制方法中在工程应用最多的是p i d ( 比例、积分、微分) 控制方法。根 据不同的情况可以组成不同的组合模式如p i 控制、p d 控制等。这些控制方法的 实质是从被控对象中检测出状态变量，以此检测值期望值比较，得出偏差量，输 送到特别设计的控制器，按照已建立的控制过程和数学模型进行运算，得出控制 量，输送到焊接过程，调节相应参数，获得新的焊接结果，使焊接质量保持在允 许偏差范围之内。p i d 由于其结构简单、参数调节方便等优点在实际焊接过程控 制中得到了广泛运用，但由于p i d 控制自身的局限性使得通常只适合于单变量常 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 系数线性系统和简单的控制过程，而现代焊接的焊接过程是一个复杂的过程，焊 接电弧是一个多变量、非线性及干扰因素多等优点，因而很难建立起精确的数字 模型。使用经典控制理论和现代控制理论难以实现自动控制或控制效果不佳。因 此为了克服p i d 控制方法的局限性，人们还发展了积分可分离p i d 、自适应p i d 、 智能p i d 等方法，使之也能成功用于想焊接这样复杂的非线性、时变性、不确定 性的过程控制【2 6 2 7 j 1 3 2 现代智能控制方法在焊接中的应用 智能控制不完全依赖于受控对象的数学模型，能够针对系统环境和任务的复 杂性、模糊性和不确定性，有效实现复杂的信息处理功能。在不确定性、非线性 过程或对象的控制中，比现代控制理论中的系统辨识的自适应控制具有更好的鲁 棒性。所以在焊接过程中研究并应用了较多的智能控制方法，其中又以模糊控制、 神经网络、专家系统为代表。 焊接领域的专家系统( e s ) 的研究始于8 0 年代中期，最早见于报道的是美国科 罗拉多矿业学院( c s m ) 与美国焊接研究所( a w l ) 联合开发的焊接材料选择系统。 在弧焊过程控制中，专家系统主要用于熔深和熔宽控制、电弧稳定性控制、焊缝 跟踪和规范参数的专家知识优化等方面。 在国外，r er e e v e s 等人研制的船厂焊接专家控制系统( n e w c s ) 采用了基 于规则的专家系统，同时采用了把多目标简化为单目标的策略【2 8 】。随着应用领 域的拓宽专家系统e s 受到了广泛的关注，而且涉及的领域几乎包括焊接生产的 所有主要阶段和主要方面。从焊接e s 发展类别来看，焊接工艺选择和缺陷诊断 类的焊接e s 最多；从国内外焊接e s 的开发水平看，国外的焊接e s 起步早，发展 快，水平高；从焊接e s 的开发手段来看，国外以现成的专家开发工具s h e e l 作 为开发手段的居多，而国内大多采用p r o l o g 为主的a i 语言从头自行开发的办 法，工作量明显降低；从焊接e s 的操作平台上看，正在由早期的d o s 环境转向 w i n d o w s 环境；从焊接e s 的性能上看，只覆盖了人工智能三大分支中的两支， 即知识表示和智能推理，还未从根本上突破“知识获取”这一瓶颈，制约了专家 系统的发展；在焊接e s 的推广方面，各企业自行开发的e s 应用良好，通用型软 件应用相对低效1 2 9 , 3 0 。 神经网络技术在焊接过程控制中应用的研究始于9 0 年代初。神经网络技术在 焊接过程中的应用，大多是将网络应用于焊接过程，通过建立焊接电流、焊接速 度、母材厚度与熔宽及熔深之间的关系，应用神经网络控制器对焊接规范进行动 态控制。目前，人工神经网络在焊接工艺参数设计、焊接接头性能估测、m i g 焊 过程控制、热影响区( h a z ) 性能预测等方面都取得了较理性的效果。 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 目前国内外专家研究应用在焊接中的神经网络a r t 网络、多层感知网络和误 差反向传播网络模型：b p 网络。其中b p 网络是最常见，且应用最成功的。在国 外，k a n d e r s e n 等人用b p 神经网络离线和在线建立g t m w 模型【3 1 | ，神经网络的 输入层有四个节点，分别为焊接电流、电压、焊接速度和送丝速度；输出层有2 个节点，熔宽和熔深。在国内，华南理工大学黄石生等用b p 神经网络建立了 g t a w 的静态模型并应用于熔宽控制，获得焊接电流、电压及速度与熔宽的关系， 取得了满意的控制效果1 3 2 】。张忠典等在实验条件下，用l m m + l m m 点焊动态电阻 作为输入参量，焊点抗拉剪强度为输出参量，用三层b p 网络进行训练，建立起 低碳钢点焊力学性能估测模型，成功地实现了力学性能实时定量估测，达到了焊 点在线无损检测的目的p 引。 模糊控制( f c ) 是智能控制较早且应用比较成熟的分支。它是一种对系统控 制的宏观方法，其核心是用语言描述控制规则，它的最大特征是将专家的控制经 验、知识表示成语言控制规则，然后利用这些规则去控制系统。我国的模糊逻辑 理论研究处于世界领先地位。国内专家较早认识到模糊控制有着广阔的运用前 景，积极将模糊控制用于焊缝跟踪、焊接质量及焊接设备的控制。 在国外，d l a k o v 研究了自适应弧焊机器人的模糊控制，用模糊逻辑推理对 机器人的运动进行估计、预测和控制，实现了焊缝的自动跟踪。o s h i m ak e n j i 等 将模糊逻辑应用于脉冲m i g 焊接的熔宽控制，建立了一套弧焊机器人的模糊专家 系统，焊接效果良好。g s t a r t k e 在p c 微机平台上，采用模糊逻辑对弧焊机器人的 焊接工艺参数进行优化研究。在国内，天津大学胡绳荪教授等采用f u z z y p 控制 理论用于非接触超声波传感焊缝跟踪系统，满足了焊接工程应用的要求p 引。天 津大学用自适应模糊控制方案对脉冲m i g m a g 焊接熔滴过渡进行在线实时控 制，取得了较好的控制效果。华南理工大学将参数自调整模糊控制与p i 控制结合， 用于g t a w 焊的熔宽控制，采用单片微机系统模糊控制焊接电弧，取得了动态过 程快，焊接较为稳定控制效果p 引。 1 4 本文研究的意义和主要内容 埋弧焊在工业生产中应用广泛，它具有生产效率高、焊缝质量高、劳动条件 相对较好等优点。但传统的埋弧自动焊机大多数采用分离元件模拟控制，自身存 在诸多问题，这与当前微电子技术、计算机控制技术和电力电子技术发展水平不 协调。并且在一般的弧焊电源控制系统中，控制电路被设计一成具有简单闭环系 统，再进行近似计算的模拟控制方式。此控制方法存在如较大的稳态误差、焊机 输出特性较差、难以实现多特性实时控制等不足。同时，采用模拟控制，电路复 杂、抗干扰能力差，也为整个电源的调试和进一步开发带来困难。为此，本论文 8 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 采用单片机构成控制系统，既实现控制系统输出特性，又能实时控制焊接过程， 能很好地满足焊接工艺的要求。尤其是采用微机控制的弧焊整流技术，配合有效 的算法、合适的软件，能够很好的控制整个弧焊过程，提高焊接质量。 本课题的主要研究内容如下： 1 ) 针对焊接电源、埋弧焊工艺要求及送丝、行走装置，初步建立一个以 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为控制核心的数字化焊接电源控制器，实现电源外特性控制 和埋弧焊过程控制； 2 ) 以m z 1 0 0 0 a 埋弧自动焊机电源主电路为研究对象，设计实现数字化控 制系统的硬件电路，并逐一进行调试和制板； 3 ) 埋弧焊数字控制的研究，选定数字p i 控制算法作为焊接电源控制和焊接 过程控制的控制算法，通过s i m u l i n k 仿真和实验来确定p i 控制参数，设计了下 降的电源外特性的控制； 4 ) 系统软件的模块化设计，根据各个模块的功能划分，包括采样转换、人 机对话、系统设置、参数备份、埋弧焊过程控制等模块； 5 ) 完成整个系统的调试。 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件设计 第二章系统硬件设计 2 1 系统总体设计框架及原理 本文在埋弧自动焊机m z 1 0 0 0 a 主电路基础上设计了以单片机为控制核心的 埋弧焊数字控制系统。其中包括了埋弧自动焊数字电源控制系统和焊接小车控制 系统，埋弧自动焊控制器采用美国德州仪器( t i ) 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为控 制芯片，用于电源外特性控制和焊接过程控制( 包括送丝速度、小车速度控制) 。 在焊接过程中，采用数字p i 控制算法，由电流反馈控制电源输出，通过电弧 电压及电机电枢电压双反馈调节送丝速度，通过电机电枢电压反馈调节小车速 度。由单片机的控制软件在引弧后实现电源输出特性的p i 控制，收弧过程通过电 流柔性衰减方式实现填充弧坑，改进焊缝成型。由l e d 显示灯及l c d 显示模块构 成的人机交互界面，用于系统变量、工艺参数和焊接参数的设置、显示、焊前和 焊接过程中的调整。 系统总体结构框图如图2 1 所示，三相3 8 0 v5 0 的工频交流电经过变压器降 压、晶闸管和二极管斩波及电感平滑滤波后作为空载电压，通过控制晶闸管的导 通角产生移相来实现焊接功率的输出控制。整个数字化埋弧焊硬件系统可以分为 功率三相桥 r v l r n 变压器式整流 分山一 1 f r 订 分流器 磕一 一 ，l 一 却嘉南 送 走圭 f f fh i 挝 锺 电 v n n _ 行电 目三 同步 三路触发脉冲输 流 走枢 击l 变压器 出以及驱动电路 反 电电 h - 顶 仃 老l压 ji j 电 走 岳 压 电馈 象 墨驱动p w m 同步信号 压 ji 采集电路 1r 1r 高 i 一 饭 驱动纠 c 一 旋钮 3 0 f 1 4 9 外音 i 器l d l e d 萤1 u ll 系统结构框图 三个，分别为单片机最小系统模块、电源控制系统硬件电路、焊接过程控制1 0 天津大学硕士学位论文 第二章系统硬件设计 系统硬件电路。本文采用的数字化方法基本原理是：首先将焊接电压信号、焊接 电流信号和电机电枢电压信号通过分压、滤波、比例放大等转换成单片机采样端 口能够接受的电平范围。电源的特性控制由单片机对电流反馈信号进行a d 转 换，然后根据数字p i 控制算法与给定信号比较求出下一时刻晶闸管的控制角，换 算为时间常数m ，写入m s p 4 3 0 产生触发脉冲，用其控制同步触发脉冲信号的相 位来调节晶闸管的控制角大小，从而得到相应的输出功率，实现焊机的外特性、 动特性和调节特性。过程控制中由单片机对电弧电压的反馈信号进行a d 转换， 然后根据p j 控制算法与给定信号比较得到送丝电机电枢电压的目标值u t ，由电枢 电压反馈控制环节转化成p w m 波形输出控制送丝驱动电路中的m o s f e t 管的通 断，以此来控制送丝电机电枢两端的平均电压，从而控制送丝速度和弧长。 同时单片机采样i o 口对送丝速度和行走速度的反馈信号( 分别为送丝电机 电枢电压和行走电机电枢电压) 进行a d 转换，通过p i 算法与给定信号比较输出 电机驱动p w m 信号，由此控制送丝和行走电机转速的稳定。单片机输出小车和 送丝机方向控制信号来控制小车方向和送丝机转动方向。 在电源控制系统中，单片机具有两个1 6 位定时器t i m e r a 和t i m e r b ， 它是程序设计的核心，其中t a 参与主程序的循环和键盘输入、l c d 显示等； t b 与三路比较捕获通道构成同步数字触发器，实现焊接主电路的控制，同时 t b 与s m c l k 时钟源一起还作为电机驱动的p w m 信号发生器。其工作原理为： t b 的捕获比较寄存器c c r 2 、4 、5 工作在捕获模式，当互差1 2 0 0 相位的同步信 号正跳变到达时，t b 的捕获通道发生捕获中断产生触发方波脉冲，保证了在晶 闸管的自然换相点后对应输出触发脉冲，控制角的移相通过精确的延时程序控制 移相范围在0 0 到1 4 8 0 ( 触发脉宽占1 8 。) ，同步数字触发器不使用t a r 是因为 这样不影响t b 作为p w m 信号发生器对计数器t a r 计数模式和时钟源分频数的 要求。另外单片机系统通过将采样焊接电压、焊接电流信号转换还原成焊接电压 和电流数字量送入显示器实时显示，从而实现焊接参数的数字化实时显示。 2 2m z - 10 0 0 a 埋弧焊机主电路 本文所采用的是天津市东丽区合力电气设备厂生产的m z 1 0 0 0 a 晶闸管整流 弧焊机，该焊机由晶闸管弧焊整流器、弧焊电流控制器、埋弧自动焊机头( 小车) 等组成。本设计中只保留原焊机的主电路部分和埋弧自动焊机头的传动机械部 分，如图2 2 所示1 36 | ，焊机主电路的整流器采用晶闸管控制的三相半控桥整流电 路，与其它整流电路相比，三相半控桥整流电路有如下三大优点1 37 l 。第一，仅 用到三个可控硅，触发电路设计简单，且维修比较方便。第二，变压器的利用系 数最高，达到9 5 ，在输出相同整流功率下，变压器的计算容量就越小，因而变 天津大学硕士学位论文第二章系统硬件设计 压器最经济，从而设备的投资少。第三，控制角a 移相范围为0 。到18 0 0 ，可调范 围大。但是三相桥式半控整流电路输出电压脉动系数为0 0 5 7 ，输出脉动大，所 需滤波电抗器电感量l 要求大。 电感 图2 2 焊接电源主电路 在整流输出回路中串联滤波电抗器，使整流后的交流成分在电抗器上滤掉， 以减少负载的电流脉动，维持波形的连续。续流电阻使电感释放的能量能很快从 电阻上消耗，保证晶闸管及时关断。整流变压器、电感及晶闸管的选择都以额定 电流1 0 0 0 a ，额定焊接电压4 4 v ，额定负载持续率1 0 0 ，空载电压7 0 v 为依据，同 时保证焊接电流2 0 0 a ，电压2 8 v 时波形连续。实际焊机中晶闸管g 2 g 4 、二极管 z 1 z 3 取值为5 0 0 a 8 0 0 v ，续流电阻取值为0 1k 5 0 w 。 m z 1 0 0 0 a 焊机的弧焊电源具有下降外特性和恒压外特性，可用于手工电弧 焊和埋弧自动焊，在埋弧自动焊时采用下降的电源外特性匹配电弧电压反馈变速 送丝控制，在细丝焊接时采用恒压外特性匹配等速送丝来进行焊接。本文将进行 埋弧自动焊下降外特性的单片机控制焊机数字化的研究( 在细丝焊接情况下可以 采用平外特性) 。焊机主要参数及主要性能指标如表2 1 。 表2