（材料加工工程专业论文）基于能量调节的dsp主控短路过渡gmaw焊智能控制研究.pdf

摘要 基于能量调节的d s p 主控短路过渡g m a w 焊智能控制研究 摘要 采用c o ：气体保护焊的短路过渡方式进行焊接时，由于c o ：气体的 性质造成了焊接过程稳定性及工艺性能较差( 主要是飞溅大和焊缝成 形差) 的缺陷。本文结合c 0 2 气体保护短路过渡焊控制方式的研究现 状，以及对短路过渡各阶段控制逐渐细化及精确化的发展趋势，将先 进的数字化技术引入到控制过程中，同时采用更加体现焊接过程本质 的能量调节方式对焊接过程的各阶段进行精确控制，获得稳定的焊接 过程，并同时达到减少飞溅及改善焊缝成形的目的。 理论分析及实验结果表明，短路过渡c 0 2 焊接过程中短路期和燃 弧期的能量分配是与焊接过程的稳定性及焊接质量有直接影响的，不 同的能量分配形式会引起焊接工艺性能的很大变化。以往任何一种以 减少飞溅率和改善焊缝成形为目的的波形控制方式的实质就是对焊 接电源提供能量的一种分配过程。 在一定的焊接规范下焊接电源在每一个过渡周期之内所提供给 负载的总能量q 是一定的。并且以燃弧能量q 。和短路能量q 。的形式 体现出来并对焊接过程产生不同的影响；燃弧能量q a 中包含加热工 件形成熔池的能量q b ，维持电弧稳定燃烧的能量q ，及熔化焊丝形 成熔滴所需的能量q d 。短路能量q 。主要是熔滴在向熔池过渡过程中 上海交通大学博士学位论文 系统所提供的能量。 同时c 0 2 短路过渡焊的稳定性与焊接过程能量的匹配有很大关 系，经大量实验结果证明在一个给定的规范下存在着使焊接过程保持 稳定的最佳短路过渡频率，在该过渡频率下燃弧与短路过程的重复性 好，因而焊接过程具有较高的稳定性。 通过调节燃弧能量q 8 及短路能量q s 的匹配及其比值对焊缝尺寸 及过渡频率的影响实验，得出结论：燃弧能量q 。主要对焊缝的宽度 ( 熔宽) 影响较大，q 。值越高则熔宽较大、电弧稳定性高，反之熔深 较浅，且电弧不稳定；短路能量q s 主要是短路阶段中熔滴向熔池过 渡时熔滴内部积聚能量的释放，该能量的大小直接影响到焊接过程的 飞溅率，q 。值越大则飞溅率越高、反之则飞溅率减少。而燃弧能量与 短路能量比( q j q ；) 对焊接质量及短路过渡频率都有较大的影响， 当( q 。q 。) 较大时焊缝成形平坦而且光滑，反之则焊缝成形窄而高。 同时( q a ，q 。) 与短路过渡频率有很强的对应关系，当( q a q s ) 合适 时短路过渡频率最高焊接过程最稳定。 由此可见获得良好的焊接质量和稳定焊接的过程就是焊接电源 提供的诸能量之间的合理匹配的过程。 利用基于能量调节的波形控制方式通过统计分析的方法验证了 各控制参数对焊接过程稳定性的影响。通过大量的工艺实验确定了可 以利用改变再燃弧电压e i 的方式调节短路过渡过程中的燃弧与短路 阶段的能量比( q a q 。) ，从而提高焊接过程的稳定性及改善焊缝成形。 同时由于短路过渡的过渡频率，与能量比( q q 。) 之问有很强的线性 摘要 对应关系，因此可以用短路过渡频率厂作为控制目标而实现基于能量 调节的波形控制方式。并由此可以制定出在不改变系统规范参数的情 况下，完全可以通过调节能量比( 眠) 来调整短路过渡频率，使 焊接过程保持稳定。 以此设计出基于能量调节的波形控制方案及具体控制区间，采用 p i 控制与模糊自寻优控制相结合的控制方式，在保持燃弧阶段的恒压 控制对弧长波动的抗干扰能力的同时，采用模糊自寻优控制对再燃弧 脉冲电压觐的调节以保证在不改变规范的前提下合理调节能量比 ( q a q 。) 调整短路过渡频率使其最优。 在数字化逆变电源的具体设计中，首先对电源系统的p i 调节参 数进行精确的调节，并最后确定恒压控制的比例系数k p 、积分系数 k i 使控制波形稳定。根据d s p 控制系统的特点，设计适于数字化程 序控制的易于编程的具体p i 算法公式。 在本设计中把再燃弧脉冲电压e i 作为模糊控制的调节量，把最 佳短路过渡频率，作为被控量，采用基于短路过渡频率，的模糊自寻 优控制方式，在其他焊接参数给定的情况下，通过调整燃弧能量与短 路能量比( q j q 。) 的方式来获得最佳短路过渡频率值，在保持焊接 过程稳定性的前提下同时获得满意的焊缝质量。 关键词：能量调节；短路过渡；智能控制；数字信号处理器；比例积 分控制；模糊自寻优控制 上海交通大学博士学位论文 s t u d yo ni n t e l l i g e n t 圮ec o n t r o lo fs h o r l 二c m c u i t t r a n s f e rg d 哺wu s i n gd s pb a s e do ne n e r g y a d j v s ，【m e n t a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e ro fc a r b o nd i o x i d e , t h e r ea l w a y sh a v es o m ed e f e c t s d u r i n gt h es h o r t c i r c u i tt r a n s f e rg m a w w h i c hc 0 2a st h es h i e l d i n gg a ss u c ha s w e l d i n gp r o c e s ss t a b i l i t y , t e c h n o l o g yc a p a b i l i t y i nt h i sd i s s e r t a t i o ni no r d e rt oc o n t r o l t h ew e l d i n gp r o c e s sm o r ea c c u r a t e l y , a n dt h o u g h to ft h ep r e s e n ts t a t eo ft h ec 0 2 s h i e l ds h o r t c i r c u i tw e l d i n gc o n t r o lm o d e l ，a n dt h et r e n do ft h e s ec o n t r o lm e t h o d s b e c a m em o r ep r e c i s i o n ，w ei n t r o d u c et h ed i g i t i z e dt e c h n i c a li n t ot h ec o n t r o lp r o c e s s , a n da d o p tt h ee n e r g ya d j u s tm o d e lt h a tc a le m b o d i m e n tt h ew e l d i n gp r o c e s sm o r e e s s e n t i a l l y , d u r i n gt h i s c o n t r o lm o d e las t a b i l i t yw e l d i n gp r o c e s s i o nw o u l db e a c h i e v e d ，a n dt h es p a t t e rr a t es h o u l d b er e d u c e da n dt h ew e l db e a dw o u l db e i m p r o v e da tt h es a m et i m e t h et h e o r ya n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e dt h a t , t h ee n e r g yd i s t r i b u t e i nt h ea r ca n ds h o r tt i m ed u r i n gw e l d i n gp r o c e s s i o nw i l li n f l u e n c et h ew e l d i n g s t a b i l i t ya n dw e l d i n gq u a l i t yd i r e c t l y , d i f f e r e n td i s t r i b u t em o d e lc a ng e n e r a t ev a r i e t y o fw e l d i n gc a p a b i l i t y a n dt h ee s s e n t i a lm a t - t e l w h i c hw a v e f o r mc o n t r o lm e t h o d si n t h ep a s tt i m eu s e dt or e d u c et h es p a t t e ra n di m p r o v et h ew e l db e a dq u a l i t yi st h e d i s t r i b u t ep r o c e s s i o no f t h ee n e r g yt h a ts u p p o r tb yt h ew e l d i n gp o w e rs o u r c e t h et o t a le n e r g yqt h a ts u p p o r t e db yt h ew e l d i n gp o w e rs o u r c ei ne v e r yt r a n s f e r p e r i o du n d e ras t a t e dw e l d i n gc o n d i t i o ni sc o n s t a n t b u tt h ee f f e c to fqd u r i n gt h e w e l d i n gp r o c e s s i o ni sd i s p a r a t e l yb yw h i c hi te m b o d i m e n ta sa r ce n e r g yq aa n ds h o r t e n e r g yq s ；q ai n c l u d et h ee n e r g yt h a th e a tu pt h ew o r k p i e c ea n de n e r g yq bt h a t f o r m e dt h ew e l d i n gp o o l ，e n e r g yq pt h a tm a i n t a i nt h ea r cs t a b i l i z a t i o n , a n de n e r g yq d w h i c hm e l tt h ew i r ea n df o r m e dw e l dd r o p l e t t h es h o r te n e r g yq si st h ee n e r g y s u p p o r t e db yt h ew e l d i n gp o w e rs o u r c ed u r i n gt h ep r o c e s s i o no f t h ed r o p l e tt r a n s f e rt o t h ew e l dp 0 0 1 t v 摘要 t h e r ea l s os h o w nad e e pr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a b i l i t y o fc 0 2g a ss h i e l d w e l d i n ga n de n e r g ym a t c h i n gd u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s i o n ，f r o mt h ee x p e r i m e n tw e k n o w nt h a tt h e r ee x i s t e n c eao p t i m a l l yt r a n s f e rf r e q u e n c yfw h i c hc a l l k e e pt h e w e l d i n gp r o c e s s i o ns t a b i l i t yu n d e ras t a t e dw e l d i n gc o n d i t i o n ，b yt h i sf r e q u e n c yt h e a l t e r n a t eo fa r cp h a s ea n ds h o r tp h a s es h o wag o o dr e p e t i t i o n s ot h ew e l d i n g p r o c e s s i o nw i l lk e e p sa w e l ls t a b i l i t y t h r o u g ht h ei n f l u e n c ee x p e r i m e n to fa r ce n e r g yq aa n ds h o r te n e r g yq sa c to n t h ew e l db e a ds i z ea n dt r a n s f e rf r c q u e n c y ，w ed r o w nt h ec o n c l u s i o nt h a t ：t h ea r c e n e r g yq ah a st h eo b v i o u se f f e c to nt h ew e l db e a dw i d t h ：t h em o r et h eq ai n c r e a s e d t h em o r ew i d e rt h ew e l db e a dw i d t hw i l lb eg o ta n ds t a b i l i t yw e l dp r o c e s s i o nw i l lb e o b t a i n e d t h es h o r te n e r g yq si st h ee n e r g ya c c u m u l a t e dd u r i n gt h ep r o c e s sw h e nt h e d r o p l e tt r a n s f e rt ot h ew e l dp o o l ；a n dt h em a g n i t u d eo fq si n f l u e n c et h es p a t t e rr a t e d i r e c t l y ：t h em o r et h eq si n c r e a s e dt h em o r et h es p a t t e rg e n e r a t e d a n dt h er a t i oo f t h e q aa n dq s ( q a q s ) p l a yai m p o r t a n tr o l eo nt h ew e l dq u a l i t ya n dt r a n s f e rf r e q u e n c y , t h eh i g h e rq a q sr a t i ow i l lb eg a i naf l a ta n ds l i c kw e l db e a d ，a n do t h e r w i s et h e n a r r o w , h i g h n e s sw e l db e a dw i l lb eg o tc o n t r a r y a n dt h e ( q a q s ) h a sad i r e c t l y c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pw i t ht h ef r e q u e n e y f li ft h e ( q a q s ) i ss u i t a b l et h eh i g h e r f r e q u e n c yw o u l db ea c h i e v e da n dt h es t a b i l i t yo fw e l dp r o c e s s i o nw o u l db eo b t a i n e d a tt h es a m et i m e t h u sc a nb es e e nt h a tt h ep r o c e s s i o no ft h ee n e r g i e ss u i t e dr e a s o n a b l yi st h e p r o c e s s i o no fa c h i e v e m e n tt h eo p t i m a lw e l d i n gq u a l i t ya n ds t a b i l i t yw e l d i n gp r o c e s s a n dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n to f t h ei n f l u e n c eo f t h ec o n t r o lp a r a m e t e r sa c to nt h e w e l d i n gs t a b i l i t yw ek n o w nt h a t ：t h es t a ra n a l y t i cm e t h o dt h r o u g ht h ew a v e f o r m c o n t r o lm e t h o db a s e do nt h ee n e r g ya d j u s t f r o mt h et e c h n i c a le x p e r i m e n tc o n f i r m t h a tw ec a na d j u s tt h ee n e r g yr a t i o ( q a q s ) b yc h a n g et h er e i g u l t ea r cv o l t a g ee i ， b e c a u s eo ft h e r eh a v eag r e a tl i n e a r i t yr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r a n s f e rf r e q u e n c y f a n de n e r g yr a t i o ( q a q s ) ，s ow ec a nm a k et h ef r e q u e n c yfa st h ec o n t r o lo b j e c tt o r e a l i z a t i o nt h ec o n t r o lm e t h o do fe n e r g ya d j u s t m e n t f r o mt h a tw ec a nc o n s t i t u t ea m e t h o dt h a tk e e pt h ew e l ds t a b i l i t yb ya 由u s t ( q a q s ) t or e g u l a t et h et r a n s f e r f f e q u e n c y f a n dw i t h o u tc h a n g et h ew e l d i n gc o n d i t i o n v 上海交通大学博士学位论文 s ow ed e s i g nan e wp m j e e tb a s e do ne n e r g ya d j u s ta n das p e c i f i cc o n t r o li n t e r v a l i nt h i sp r o j e c tt h ep ia n df u z z yc o n t r o lm e t h o di sa d o p t e d ，a tt h et i m eb yh o l d i n g t h ec o n s t a n tv o l t a g ec o n t r o l d u r i n g t h ea r ct i m ei no r d e rt oe n h a n c et h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , t h ef u z z ys e l f - o p t i m a lm e t h o di s a d o p t e dt or e g u l a rt h e e n e r g yr a t i o ( q a q s ) i no r d e rt ok e e pt h ef r e q u e n c yo p t i m u mb ya 由u s tt h ee i o nt h es p e c i f i cd e s i g no fd i g i t a lc o n t r o li n v e r t e rp o w e rs o u r c e ，t h ep ip a r a m e t e r s h o u l db ea d j u s t e da c c u r a t e l ya tf i r s ta n dt h e nc o n f i r mp r o p o r t i o nc o e f f i c i e n tk p ， i n t e g r a l c o e f f i c i e n tk it om a k et h ew a v e f o r ms t a b i l i t ya tl a s t b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i co fd s pc o n t r o ls y s t e map ia r i t h m e t i cf o r m u l ai sd e s i g n e di no r d e rt o m a k et h ea r i t h m e t i ce a s yt op r o g r a m m a b l eb yt h ed i g i t a ls y s t e m i nt h i sp r o j e c t 、ea c c e p t e dt h er e i g n i t ea r cv o l t a g ee ia st h er e g u l a t e dq u a n t i t y , t h et r a n s f e rf r e q u e n c y f a st h eo b j e c to r l e ，f u z z ys e l f - o p t i m a lc o n t r o lm e t h o db a s e d o nt h ef r e q u e n c y f i sa d o p t e d i nt h ee n da st h ec o n d i t i o no fo t h e rw e l d i n gp a r a m e t e r s a r es e ta l r e a d y , u n d e rt h es t a b i l i t yw e l d i n gp r o c e s s i o nas a t i s f a c t o r yw e l db e a dq u a l i t y w i l lb eo b t a i n e dt h r o u g ha d j u s t i n gt h e ( q a q s ) t og e tt h eo p t i m a lf r e q u e n c yv a l u e k e yw o r d s ：e n e r g ya d j u s t m e n t ；s h o r t - c i r c u i tt r a n s f e r ；l m e l l i g e n t i z ec o n t r o l ；d s p ；p i c o n t r o l ；f u z z ys e l f - o p t i m i z i n gc o n t r o l v l 上海交通大学学位论文答辩决议书 l 申请者孙广| 所在学科( 专业) l j材料加工工程 j l i 论文题目 基于能量调节的d s p 主控短路过渡g m a w 焊智能控制研究 l 答辩日期 2 0 0 5 - 0 8 - 2 2 | i 答辩地点 教三楼2 2 0 室 l。 i答辩委员会成员 担任职务l姓名f职称所在工作单位备注0 签名 主席i徐庆鸿i教授 哈尔滨工业大学焊接国家重点 无l 敞训 i 。实验室 委员陈家本 研究员上海船舶工艺研究所 无i馏：萨曩 委员黄海谷研究员江南造船集团技术中心无剧 委员i陈立功教授上海交通大学焊接所0无惮懒，锣 委员陈善本。l 教授上海交通大学焊接所 无 l 懒曼名 委员 0 姚舜教授上海交通大学焊接所 无，嘲。 6 委员0 吴毅雄 教授上海交通大学焊接所 无 第扬克删 评语和决议： 孙广的博士论文选题对数字化焊接电源研究方向的发展具有重要的理论意义和应用前 景。论文主要创新在于：1 设计和研制了一套由d s p 控制的短路过渡g m a w 焊接的全数字 式能量调节的电流、电压波形控制系统。2 采用调整燃弧能量与短路能量的比值实现了对短 路过渡频率和焊缝余高系数及飞溅率的控制。3 设计了短路过渡频率模糊自寻优控制法实现 恒频短路过渡频率控制提高了焊接过程的稳定性。论文条理清晰，实验数据可信，理论分 析充分，结论正确，答辩中作者表述清楚，能正确回答问题，论文达到了博士论文的要求 答辩委员会经无记名投票一致同意通过孙广的博士论文答辩，并建议授予工学博士学位。 一孜，稚趟寺唷汔友辔摔并啐嘲工墨譬t 擎p 答辩委员会主席歹盏鲥哈( 签名) o 5 - 年占月2 2 ，日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：慈，、广 日期：渺年7 月7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 i 不保密画。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：、卯歹年7 月7 日 难j ，猕乃 鬏” 轹 车 签 移 师 h 狮 沙 露 期 、厂 第一章绪论 第一章绪论 c o ：气体保护焊自诞生之曰起，就因其具有高效节能、抗锈低氢、成本低、 变形小、便于实现半自动和自动化焊接、全位置焊接适应性好及可焊工件厚度范 围宽等诸多优点，得至了普遍重视。被广泛应用于汽车、农机、船舶、石油化工 等众多机械制造业，已成为钢结构生产中的主要焊接方法。 然而，众所周知，当采用c 0 2 气体保护焊的短路过渡方式进行焊接时，由于 c 0 2 气体的性质造成了飞溅大和焊缝成形差这两大缺点，因而限制了c 0 2 焊的进 一步应用。其中除焊接参数不合适及焊材方面的原因外，飞溅的主要原因是：短 路末期熔滴液桥破断电爆炸飞溅及短路初期的瞬时短路飞溅；焊缝成形差的原因 是：母材熔化不足，而且短路期间的能量对熔深没有贡献，即燃弧能量比例不合 适。 长期以来焊接工作者和研究人员采用各种方法来解决这一问题，从材料方面 主要有：通过焊接材料来改进电弧形态和熔滴过渡形式，如在c 0 2 气体中加入一 定比例的氩气或采用活化焊丝、药芯焊丝等。这些方法虽然可以取得显著的效果， 但却失去t c 0 2 焊固有的经济、简便的特点，况且此时电弧的电场强度小，如果 再使用短路过渡形式将会造成工件融合不足、堆高过大、焊缝成形过窄等缺陷， 故只适宜于熔滴自由过渡的焊接方法。 另一方面，由焊接设备和电源方面入手，对电弧及熔滴过渡行为加以控制。 在保留短路过渡形式及使用纯c 0 2 气体的自 f 提下，通过电控的方法来减小飞溅、 改善焊缝成形、提高焊接质量及劳动生产率是人们更加努力追求的目标。随着焊 接电弧物理理论的不断丰富和完善、对c 0 2 焊短路过渡过程认识的不断深入以及 现代电力电子技术和数字化控制技术的不断发展，这种控制方式表现出越来越明 显的优势。从早期控制回路电感量、优化电源参数的方法，到目前已发展出多种 更高水平的控制方法，如比较典型的各种电源输出特性控制及波形控制方法等。 实践证明。利用i g b t 逆变电源中动特性好及控制的灵活性，采用c 0 2 气体保 护焊短路过渡过程控制技术可以较为理想地解决焊接过程中短路过渡所带来的 飞溅等问题，提高焊接质量【2 1 。 上海交通大学博士学位论文 1 1数字化逆变焊接电源控制技术的发展 现代弧焊电源是以逆变式弧焊电源为代表的。逆变式的焊接电源具有高效节 能、轻巧省料、控制性能好等特点，在消除网侧电流谐波、改善网侧功率因数、 逆变输出波形控制、提高系统的动态控制性能方面有很大的发展，已成为现代焊 接电源的发展主流之- - 1 3 1 “【1 8 。 控制系统的数字化是指传统的模拟技术完全由数字技术所取代，控制信号也 随之由模拟信号转换为0 1 编码的数字信号。数字电路具有模拟电路无比优越的 特点，如电路的稳定性、可靠性、一致性、灵活性等特点。因此焊接电源传统的 模拟控制系统转变为数字控制系统已成为一种必然趋势【2 4 】。数字控制系统结构主 要由单片机( m c u ) ，数字信号处理芯片( d s p ) 或单片机加数字信号处理芯片 组合构成。 ( 1 ) 单片机控制的逆变焊接电源 随着控制技术的发展，在模拟控制的基础上出现了单片机控制的逆变焊接电 源，力求能更快速地将各种信号加以处理来实现所设计的控制目标。图1 2 是单 片机控制的逆变焊接电源系统框图。 图l _ 1 单片机控制逆变焊接电源系统框图 f i g 1 1s y s t e m d i a g r a mo f m c u c o n t r o l i n v e r t e r w e l d i n g p o w e r s o u r c e 同模拟控制相比，在这个系统中单片机主要完成了控制信号的给定功能以及 焊机的总体管理。单片机虽然在控制系统中仅仅完成了信号的给定，但是已经使 得弧焊逆变电源在实现焊接工艺控制时，如c 0 2 波形控制等，获得极大的灵活 第一章绪论 性。例如可以通过单片机给出多种斜率、不同幅值的c 0 2 短路电流波形，使得 c 0 2 焊接的工艺效果在不同的电流范围内都能接近于最佳。利用单片机进行弧 焊逆变电源的控制在信号的给定部分实现了数字化，但是受到单片机自身处理能 力的限制，电源的p i 控制器和p w m 信号的产生仍然采用了模拟电路。因此单 片机控制的逆变焊接电源并不是完全意义上的数字化焊接电源。 ( 2 ) 数字信号处理器( d s p ) 控制的逆变焊接电源 近年来，随着数字信号处理器( d s p ) 的出现，产生了以d s p 控制的数字 化焊接电源。充分发挥了d s p 较强的数据处理功能，代替了模拟控制的p i 控制 器，并逐步摆脱了对p w m 信号发生模拟器件( 如s g 3 5 2 5 等) 的依赖，与逆变 电源相结合完全实现了焊接电源的数字化控制。 图1 21 ) s p 和单片机双机控制系统框图 f i g 1 2 s y s t e m d i a g r a m o f d s pa n d m c u c o n t r o l i n v e r t e r w e l d i n gp o w e r s o u r c e 图1 2 是采用d s p 控制的逆变焊机控制系统框图。电流和电压经过采样、 a d 转换，由d s p 读取反馈值。电流、电压的给定值则由控制面板输入传送给 d s p 。d s p 根据电流、电压的给定量与反馈量进行运算，得到相应的i g b t 导通 时间，产生p w m 脉宽。 由于焊接电源的电流、电压的给定量与反馈量以及最后的控制量输出都完全 实现了数字化，因此以d s p 为核心的控制系统可以通过对短路过渡c 0 2 焊的电 流、电压进行精确的划分实现更加复杂的控制。 上海交通大学博士学位论文 1 2 焊接电源数字化控制的优点 焊接电源的数字化研究意义重大。从工艺效果上面来说，由于数字化的焊接 电源具有控制策略灵活、控制精度高以及控制参数稳定等特点，它具有更好的工 艺稳定性和工艺效果。同时方便的通讯接口功能为现代化的网络生产提供了良好 的硬件基础。从工艺研究的角度来说，为创新性的工艺策略和实现功能的集成化 提供了全新的途径。从技术发展的角度来说，时机是成熟的。首先是数字信号处 理理论和计算机技术经过半个世纪的发展和完善，为弧焊领域的数字化的控制技 术提供了坚实的基础，积累了丰富的经验19 】一例。 由于数字化技术优越的特点，数字化产品已深入到我们生活的各个领域。目 前，国外已有数字化焊接电源的产品问世，最具代表性的如奥地利的f r o n i u s 公司生产的t r a n s p l u ss y n e r g i c 系列t p s 2 7 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 全数字化焊接电 源，它的核心部分是一个数字信号处理器( d s p ) ，由它集中处理所有焊接数据， 控制和检测整个焊接过程【2 5 】；又如德国e w m 公司生产的i n t e g r a l 系列和 p h o e n i x 系列数字化焊接电源，同样由数字处理系统处理所有焊接数据，控制 整个焊接过程 2 6 7 2 7 】；澳大利亚的w o l l o n g 大学利用美国1 1 公司生产的 t m s 3 2 0 c 3 2 数字信号处理器高速采样率控制g m a w 焊接过程【2 8 1 。以上国外的 研究成果主要采用d s p 和m c u 相结合的控制方案、主回路均采用逆变式的全数 字化焊接电源。 在国内，数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段，某些高校和科研机构已在 这方面开展了工作。上海交通大学焊接工程研究所在1 9 9 9 年提出了数字化焊接 电源研究课题，并进行了较深入的研究，取得了一些研究成果，已成功地把数字 信号处理器应用在熔化极气体保护焊接电源系统的控制，并已成功实现了商品化 的数字化可控硅焊接电源，取得了较好的经济效益1 2 9 1 - - 1 3 1 】；并采用十二相可控整 流方法设计了以d s p 控制的焊接电源，该电源的特点是利用d s p 处理数字信息 的精确性实现每一个控制周期中对角度为3 0 0 的1 2 个波头的控制，该方式提高 了整流电压的响应速度、整流电压平稳，整流电压的基波为十二次谐波，有效的 减小了对电网的谐波污染。而且因为主电路的自感系数小，电磁惯性小，反应速 度快、动特性好。作为平特性电源时，可以满足较大的短路电流增长速度，这样 4 第一章绪论 就可以在一定的范围内提高短路过渡频率，使焊接过程更加稳定。 北京工业大学材料学院分析了数字化电源的特征，提出了全数字化控制焊接 电源的方案【1 9 1 1 2 0 l ；华南理工大学提出了基于d s p 的弧焊逆变电源数字化控制系 统，给出了利用单片机和数字信号处理器实现弧焊逆变电源数字化控制的解决方 案，探讨了应用前景。文献 3 5 1 介绍了数字化焊接电源的特点、结构和应用。 数字化焊接电源式将数字化技术运用于焊接电源的控制环节中，尤其是焊接 电源的核心控制。将数字化控制环节拓展将可以实现核心控制环节与外围电路之 间数字化的信息流通。上海交通大学研究的基于数字信号处理器( d s p ) 控制的数 字化焊接电源是涵盖更多焊接信息流通、处理、评价、控制的数字化焊接电源系 统。 1 3 短路过渡过程飞溅的控制策略 对短路过渡过程飞溅的控制经历了弧焊电源输出特性控制在焊接电源 回路中串连直流电感来限制短路电流上升速度以及短路峰值电流；电源外特性控 制基于c 0 2 焊接过程各阶段需要不同的外特性，针对特定阶段，定时切换 电源外特性以实现对电弧的不同调节作用；波形控n t 4 9 1 【6 伽控制三个阶段。 1 ) 表面张力过渡控制( s t t ) 美国l i n c o l n 电器公司的e k s t a v a 于1 9 9 3 年提出了利用短路液桥的表面张 力实现短路过渡的控制方法( s u r f a c et e n s i o nt r a n s f e r ) 5 2 】，该方法是精细波形控 制中最具代表性的一种。就其技术而言是在逆变频率2 0 k h z 的场效应管逆变焊 机的基础上，附加了一些检测及控制功能，使电源在整个焊接过程中精确的控制 焊接电流。该电源采用了一种复杂的电压、电流波形，区别于以往的波形控制方 法，是第一例实时控制短路过渡电流的焊接电源，但开环的控制特性使得方法适 用的焊接规范范围较窄。 2 ) 智能控制 焊接电弧有非线性、时变性，难以建立精确的数学模型。而智能控制通过神 经网络、专家系统、模糊控制等技术无需建立精确的模型而实现最佳控制。 t j n a c e y 采用了一种人工智能的方法【5 4 1 ，控制短路过渡焊接过程，电流波形的 上海交通大学博士学位论文 参数，如燃弧电流、短路峰值电流及其作用时间都以降低飞溅为目标进行了离线 优化【5 6 】。该控制法共有7 个可控参数，其中短路峰值电流、短路峰值电流持续时 间、电弧燃烧时间、电弧重燃时刻的电流、基值电流等5 个参数是通过智能控制 来实现预制及控制的。这些参数值的确定需经过大量的工艺试验得到他们相对于 飞溅量最小的优化值，然后将最优值存于c p u 中，实际控制中由智能控制器根 据这些值确定动态控制过程。 1 4 对短路过渡稳定性的控制方法【孙【8 0 】 短路过渡过程的电弧燃烧是不连续的，存在着电弧熄灭与复燃的周期性交替 转换。若这种交替转换是连续稳定的并且具有周期的再现性，则表明焊接过程稳 定，反之，则焊接过程失稳，造成焊缝成形的不美观，甚至焊接过程的中断。 ( 1 ) 细丝短路过渡c 0 2 焊的频率特性 短路过渡时，每秒种的短路次数称为短路过渡频率。短路过渡时，过渡熔滴 越小，短路频率越高，金属飞溅越小，焊缝波纹越细密，焊接过程越稳定。在稳 定的短路过渡情况下，要求尽量高的短路频率，短路频率的大小常作为短路过渡 稳定性的标志。据此，可以以短路频率最高为依据选择焊接规范来保持焊接过程 的稳定。 k i m ys , e a g a r t w 和m o d e n e s ipj ，n i x o njh 的研究中k 1 】吲指出短路过渡频 率是评价焊接过程稳定性的一个指标。北京石油化工学院的俞建荣等对细丝 c 0 2 弧焊的熔滴过渡及其电弧行为进行了试验研究胪8 】 【7 “，分析了弧焊过程的稳 定性和分散性，得到了主要焊接规范弧压、电流对熔滴短路过渡频率影响的统计 规律和二维稳定域，由此规律得到的给定电流的弧压初选推荐值，可用于建立 短路过渡过程自寻优控制的初始状态。 ( 2 ) 自适应恒频短路过渡控制【7 2 】【7 3 】 清华大学吴文楷、朱志明等针对短路过渡c 0 2 焊接工艺的特殊性，基于熔 滴与熔池短路阶段电源输出回路电阻的变化特征，确定了有利于消除瞬时短路及 提高熔滴过渡规则性的焊接电源输出电流波形。在对短路过渡频率及焊丝伸出长 度进行实时检测的基础上，采用m c 6 8 h c l l a l 单片机为主控c p u ，建立了焊丝 6 第一章绪论 伸出长度变化前馈补偿一短路过渡频率负反馈控制的波控短路过渡c o ：焊接恒 频自适应控制系统，以提高焊接工艺过程的稳定性、抑制焊丝伸出长度变化对焊 接工艺过程的扰动恒频短路过渡控制。如能控制熔滴以恒定频率过渡，可获得以 下效果： 送丝速度确定时，恒定过渡频率可控制熔滴尺寸及弧长处于相对合理的大 小，使熔滴尺寸及弧长在扰动出现时有较大的变化裕量，有利于焊接过程的稳定； 调节目标频率可控制熔滴尺寸及弧长的大小，适应对焊缝成形、焊速、焊接位置 等不同工艺控制的要求：恒定的过渡频率使得焊缝上波纹均匀，成形美观，有利 于提高接头质量； ( 3 ) 短路过渡频率模糊自寻优智能控制 根据模糊控制原理，对于细丝c 0 2 焊，以通过规范配合寻找最高频率为出 发点，可采用模糊自寻优控制方式，在电流给定的条件下，把短路过渡频率作为 反馈量，通过调整电弧电压，使焊接电流和电弧电压获得最佳规范配合，从而使 短路频率最高。 随着科学技术领域中计算机技术和自动化技术的飞速发展，智能控制越来越 受到人们的重视并成为高级自动化系统的主要控制方式。 吉林工业大学的唐耀武和盖晓晖分别在1 9 9 3 年1 7 4 与1 9 9 4 年【7 5 在一台以 8 0 5 1 单片机为控制核心的晶闸管整流焊接电源上以短路过渡频率为目标、以电 源控制电压为调节量的最高短路过渡频率自寻优模糊系统，实现了对短路过渡 c 0 2 焊接电源的网压补偿及焊接过程的稳定性控制。 西安交通大学的王雅生利用单旋钮将影响短路过渡频率的主要规范参数电 弧电压和焊接电流有机结合在一起，通过单旋钮调节焊接电流，电弧电压随电流 相应变化，形成最佳匹配而获得最高短路过渡频率，研究了一种以1 6 位 8 0 c 1 9 6 k c 数字单片机为核心器件通过软件方式实现的c 0 2 短路过渡焊电弧电 压自寻优模糊控制系统7 6 卜【7 9 】。系统以操作者所选择的焊接电流为唯一设定参数， 自动对电弧电压