（材料加工工程专业论文）新型埋弧自动焊机控制系统的研究.pdf

兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：f 分劣彳； 日期：盯年归月i g 日 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。本人授权兰州理工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。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囝。 ( 请在以上相应方框内打“”) 4 餐害暑毛 勖孕啊 夕 日期： 日期： 巧每 o s 鹊叶 喇7 丁程硕：l 论文 摘要 人工智能技术、计算机视觉技术、数字化信息处理技术、机器人 技术等现代高新技术的融入，促使了弧焊技术正向着焊接工艺高效化、 焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化 的方向发展。为此，本论文针对埋弧自动焊机的具体特点，做了以下 几个方面的研究工作： 1 、研制了一套以8 0c l9 6 k b 高速微处理器为核心的电源和 过程数字控制系统，适应于各种主电路形式的焊接整流器和直流电机 驱动的送丝机构，能较好满足埋弧自动焊控制的要求。该控制器具有 焊接参数预置、记忆、锁定、数显以及自动引弧、收弧等功能。 2 、焊接电源采用三相半控桥晶闸管整流电路，用不同方法计 算偏差进行多变量数字解耦p i 调节获得恒流、恒压、陡降和缓降四 种输出静特性。送丝速度通过两个p l 调节器进行双闭环控制，分澍 进行电枢电压反馈和电弧电压反馈。 3 、采用设计的2 0m a 电流环进行电源与过程控制器数据交 换，满足埋弧焊实时控制要求。采用电流衰减收弧控制方案，改善了 弧坑的焊缝成形。设计的人机界面丰富了埋弧自动焊机的功能。 4 、根据各个模块功能划分为埋弧焊过程控制、采样转换、人 机对话、系统参数设置、参数备份、联机通讯等。并设计了算术平均 值滤波p i 控制等多种算法，保证系统的实时性和精确性。 关键词：埋弧自动焊机数字控制单片机晶闸管 p 控制控制系统 3 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r is t i co fs a w ，t h em a i nr e s e a r c hw o r k f o c u s e do na sf o l l o w e d ： 1 、 t o m e e tt h ed e m a n do ft h es a wc o n t r o l ， t h is p a p e r i n t r o d u c e sad e s i g no ft h ed i g i t a ic o n t r o ls y s t e mf o rs u b m e r g e da r c w e l d i n g ( s a w ) a p p l i c a b l et ov a r i o u ss o r t so fw e l d i n gr e c t i f i e ra n df e e d w i r ed e v i c edr o v e db yd cm o t o r ac o n t r o ls y s t e l f no fp o w e ts o u r c ea n d d i g i t a lp r o c e s sw i t h8 0 cl9 6 k ba st h e c or ew a s d e s i g n e d t h e d e v e l o p e d w e l d e r pr e s e n t e dm a n ya d v a n t a g e ss u c h a s w e l d i n g p a r a m e t e r s pr e s e t ，s t o r e ，l o c k ，d is p l a y ，a n d a u t o m a t i ca r cs t a r t i n ga n d s t o p p i n gf u n c t i o n s ， 2 、 t h ew e l d i n gp o w e rs o u r c em a d eo ft hr e e p h a s eh a lf c o n t r o l b r i d g et h y r i s t or r e c t i f i e rp r o v i d e d f o u rk i n do fs t a t i c o u t p u t c h a r a c t e r j s t i c sw h i c hw e r ec o n s t a n tc u r r e n t ，c o n s t a n tv o l t a g e ，q u i c k a n ds l o w l yc u r r e n td e s c e n d i n g t w op ia d j u s t o f sw e r ea p p l i e df orw i r e f e e d i n gv e l o c i t yc o n t r o l ， o n ep e r f o r m e dm o t o ra r m a t u r ev o l t a g e f e e d b a c k ，t h eo t h e ro n ee x e c u t e da r cv o l t a g ef e e d b a c kt od e t er m i n et h e g i v e nv e l o c i t y 3 、 e x c h a n g i n gd a t ao fp o w e rs o u r c ea n dp r o c e s sc o n t r o 【i e rb y a d a p t i n g2 0 m a c u r r e n tl o o pb yas e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，w h i c h s a t i s f vr e a lt i m ec o n t r o id e m a n d t h em a n n e ro fa r cs t a r t i n gc o n t r o l i n c r e a s e ss u c c e e dr a t e ，c u r r e n ta t t e n u a t i o na r cs t o p p i n gc o n t r o l i m p r o v e sw e l d i n gs h a p e d o fa i cp i t t h ei n t e r f a c eo fm a n 。m a c h i n e a b u n d a n c e st h ef u n c t i o no fs a w 4 、 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 p m o d u l e a c c o r d i n g t ov a r i o u s f u n c t i o n ， i n c l u d e s a m p l l n g c o n v e r s i o n ， m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，s y s t e mp a r a m e t e rs e t t i n g ，p a r a m e t e rp r e s e t t i n g ， o n l i n ec o m m u n i c a t i o ne t c d e s i g l l i n gm a n i f o l da r i t h m e t i co fa r i t h m e t i c m e a nv a l u ef i l t e rt h ew a v e sp lc o n t r o le t c ，g u a r a n t e e i n gc h a r a c t e r i s t i c o fr e a lt i m ea n dp r e c i s i o no ft h es y s t e m k e y w o r d s ： s u b m e r g e da r cw e i d i n gd i g i t a i c o n t r o lm c u s c rr e c t i f i e r p ic o n t r o lc o n t r o ls y s t e m = = ! = = = = _ = = = = = ! ! ! ! ! ! ! ! 一= = = = = = = = ! = ! ! = = = = ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! = ! ! ! = = = = = = ! = = 一 4 丁程硕一i = 论立 1 1 埋弧自动焊综述 第一章绪论 1 1 1 埋弧焊基本原理 埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法图l l 为最常 见的埋弧焊接装置的示意图。各组成部分的工作是：焊剂漏斗1 在 焊接区前方不断输送焊剂8 于焊件9 的表面上：送丝机构2 由电 动机带动压轮，保证焊丝3 不断地向焊接区输送；焊丝经导电嘴5 而带电保证焊丝与工件之间形成电弧：通常焊剂漏斗、送丝机构、 导电嘴等安装在一个焊接机头或小车上( 图中没示出) ，通过机头或 小车上的行走机构以一定的焊接速度向前移动，控制盒( 箱) 6 对送 丝速度和机头行走速度以及焊接工艺参数等进行控制与调节，小形的 控制盒常设在小车上，大的控制箱则作为配套部件而独立设置电源 7 向电弧不断提供能量。 图卜1 埋弧焊接装置示意图 1 1 2 埋弧焊基本焊接过程 焊接过程如图1 2 所示。焊接电弧1 是在焊剂3 层下的焊丝4 与母材2 之间产生电孤热使其周围的母材、焊丝和焊剂熔化以致 部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形成一个气泡，电强就在这个气泡 内燃烧。气泡的上部被一层熔化了的焊剂一一焰渣7 构成的外膜所 包围，这层外膜以及覆盖在上面的未熔化焊剂共同对焊接起隔高空 气、绝热和屏蔽光辐射作用。焊丝熔化的熔滴落下与已局部熔化的母 材混合而构成金属熔池8 ，部分熔渣因密度小而浮在熔池表面随 着焊丝向前移动，电弧力将熔池中熔化金属推向熔池后方，在随后的 冷却过程中，这部分熔化金属凝固成焊缝1 0 熔渣凝固成渣壳9 ， 覆盖在焊缝金属表面上。在焊接过程中，熔渣除了对溶池和焊缝金属 起机械保护作用外，还与熔化金属发生冶金反应( 如脱氧、去杂质、 渗合金等) ，从而影响焊缝金属的化学成分。 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 1 1 3 埋弧焊的分类 图1 2 埋弧焊焊接过程 9 1 0 埋弧焊桉焊接过程机械化程度分，有自动埋弧焊和半自动埋弧 焊。前者从引弧、送丝、焊丝移动、保持焊接工艺参数稳定，到停止 送丝熄强等过程全部实现机械化：后者仅焊丝向前移动由焊工通过焊 捡来操作，其余均由机械操作 按焊丝的数目分有单丝埋弧焊和多丝埋弧焊。前者只使用一根焊 丝，在生产中应用最普遍：后者则采用双丝、三丝和更多焊丝，目的 是为了提高生产率和改善焊缝成形。大多数情况是每一根焊丝由一个 电源来供电。有些是沿着同一焊道多根焊丝以纵向前后排列，一次完 成一条焊缝有些是横向平行排列，同时一次完成多条焊缝的焊接， 如电热锅炉生产中的水冷壁( 膜式壁) 焊缝的焊接。 按送丝方式分为等速送丝埋弧焊和变速送丝埋强焊两大类，前者 焊接过程焊丝送进速度恒定它适用于细焊丝、高电流密度焊接的场 合，它要求配备具有缓降的、平或稍为上升的外特性弧焊电源：后者 焊接过程焊丝送进速度随弧压变化而变化，它适用于粗焊丝低电流密 度焊接场合，它要求配备具有陡降的或恒流的外特性弧焊电源。 按电极形状分有丝极埋弧焊和带极埋弧焊后者作为电极的填充 材料为卷状的金属带，它主要用于耐磨、耐蚀合金表面堆焊 1 1 4 埋弧焊的优点 1 ) 生产率高。埋弧焊时，焊丝从导电嘴伸出长度短，可以提高 焊接电流( 或电流密度) ，一般可提高4 5 倍。因此，熔透能力 和焊丝熔敷率大大提高，一般不开坡口单面一次焊，熔深可达2 0 m m ：另一方面，由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧热散失少，飞溅 少，故热效率高，可提高焊接速度。厚度8 lom m 钢板对接，单 丝埋弧焊速度可达3 0 5 0m h ，而焊条电弧焊不超过68m h 。 2 ) 焊缝质量高。埋弧焊时，焊剂和熔渣能有效地防止空气侵入 熔池而免受污染，还可以降低焊缝冷却速度，从而可以提高接头的力 学性能：由于焊接工艺参数可以通过自动调节保持稳定，焊缝表面光 洁平直，焊缝金属的化学成分和力学性能均匀而稳定：对焊工技术水 平要求不高。 3 ) 节省焊接材料和能源。较厚的焊件不开坡口也能焰透，从而 6 工程碰一论文 焊缝中所需填充金属一一焊丝量显著减少，省去了开坡口和填充坡口 所需能源和时间：熔渣的保护作用避免了金属元素的烧损和飞溅损 失：不像焊条电弧焊那样，有焊条头的损耗。 4 1 劳动条件好由于焊接过程的机械化和自动化，焊工劳动强度 大大降低；没有弧光对焊工的有害作用；焊接时放出的烟尘和有害气 体少，改善了焊工的劳动条件。 1 1 5 埋弧焊的发展 电力电子技术的高速发展，促进了器件、电路及其控制技术向着 集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制技术数字化及多功能化 的方向发展。埋弧焊也得到快速发展。在工艺方面，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、带极电极埋孤焊、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：在焊接设备方面，传 统的埋弧焊电源多为磁饱和放大器或双反星主电路，可控硅整流焊接 电源r 上 未完全成为主流产品，可控硅焊接电源因其线路简单、工作可 靠、维修方便等优点，得到越来越广泛的应用。埋弧焊过程控制方面， 在国外埋弧焊过程控制已经实现微机控制、模糊控制、专家系统等， 并用人工神经网络进行理论分析，为埋弧焊过程的智能化开辟了广阔 的前景。 随着埋弧自动焊机在大型锅炉与压力容器等领域的广泛应用，焊 接操作机的作用越显突出。焊接操作机从最早的横臂、台车及转台控 制，发展到横臂、小臂、台车、焊接机头及转台等控制。虽然焊接操 作机的功能越来越多，但绝大多数操作机控制系统仍采用简单的模拟 控制，其控制性能很不稳定，从而影响焊接性能。 1 2 焊接过程自动化的一般要求 电弧焊接过程包括引燃电弧、焊接和熄弧三个阶段，若要实现焊 接过程自动化，则这三个阶段的动作须通- 过机电控制系统自动地来完 成 对于引燃电弧，一般要求是先使焊丝与焊件接触短路，焊机启动 后焊丝立即自动地向上回抽而引燃电弧。 电弧引燃后，要求焊机能自动地按预先选定的焊接工艺参数，如 焊接电流、电弧电压、焊接速度等进行焊接，井能保证这些参数在整 个焊接过程中保持稳定 焊接即将结束时，要求焊机能先停止送丝再切断焊接电源( 熄 弧1 ，这样既能填满弧坑，又不致于焊丝与焊件粘住， 显然，引燃电弧和熄弧的自动过程比较简单，在实际中也容易实 7 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 现但是，要保证在焊接过程中使所选定的焊接工艺参数保持稳定， 却困难和复杂得多，因为在实际生产中受到许多因素干扰而使工艺参 数发生变化 焊接电流是直接影响焊缝成形的主要工艺参数，在埋弧焊接过程 中它的变化主要是由于弧长变化而引起，而3 e 长的变化多是受到诸 如网络电压波动、焊件表面起伏不平、焊接接头坡口加工不规则、在 焊道上有定位焊点的存在等外界因素所干扰，而这些因素在生产中往 往难以避免因此，保持弧长稳定就成为实现埋弧焊接自动控制中的 关键。于是要求在焊接过程中当出现干扰引起弧长变化时，埋弧焊机 能自动调整，使弧长立即恢复到原来的长度。 1 3 焊接控制技术的现状与发展 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和复合控制方法等。 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。如1 1 1 节所述，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，焊接电弧是一个多输入多输 出、强耦合、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 、多变量解耦p 1 d 、自适应p i d 、智能p i d 等方法，使之 8 - 亡程硕士论文 也能成功用于想焊接这样复杂的非线性、多输入多输出、时变性、不 确定性的过程控制。 1 3 2 现代智畿控制在焊接中的应用 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。 1 3 2 1 专家系统在焊接中的应用 焊接领域的专家系统( e s ) 的研究开始于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 i ) 联合开发的焊接材料选择系统。我国与国外几乎同时进行了焊接专家 系统的研究工作，最早见于报道的是南昌航空工业学院的焊接方法选 择专家系统。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。焊接 过程实时控制专家系统是焊接专家系统发展的一个重要的方向，但目 前已开发的系统不是很多。 在国外，r e r 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，采用了把多目标简化为单 目标的策略。w e l d e x c e l 虽已将离线工艺设计与在线实时控制结合起 来，但只是按已经拟订的工艺对工艺参数进行调整。而c a m t e c h1 0 0 0 a n d a d a p t i t e c h1 0 0 0 则具有真正的实时性，可完成零件的定位、焊接 操作、质量检查等功能。e x p e r t s y s t e m f o rc o n t r o lo fw e l d i n g p a r a m t e r s 还可给出最优焊接参数，从而控制焊接设备，保持恒定的 熔深和焊道高度。随着其应用领域的拓宽受到了广泛的关注，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 9 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 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。专家系统能实现对时变和非线性系统的控制，可克服焊 接过程多参数目标难以协调的缺点，容易实现系统的自动化，具有较 大的经济效益，在焊接过程中发挥了重要的作用。 1 3 2 2 神经网络在焊接中的应用 人工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。 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一一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，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。英国利物浦大学进行了大量人工神经网络在t i g 焊接中的研究， 建立了一个可根据焊接参数对焊缝质量进行较准确地预测人工神经 网络系统，它适用于非熔化极t i g 焊，简称t q n 网络。在此基础上 建立一个优化t i g 焊参数的神经网络。u d i l t h e y 等采用神经网络优 化g m a w 焊接参数。j j o n e s 将b p 神经网络应用于g m a w 焊接过程 的建模，输出量为焊缝特性。g e c o o k 等将b p 神经网络应用于变极 性等离子弧焊的过程建模、控制和焊缝轮廓分析。 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。张忠典等在实验条件下，用1 m m + 1 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 l o 工程硕士论文 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。 1 ：3 2 3 模糊控制在焊接中的应用 模糊控制是智能控制应用较成熟的一个分支，我国的模糊逻辑理 论研究处于世界领先地位，但应用水平比较落后。国内外焊接界的专 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 ar 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。l9 9 0 年英国的k o u a t l i 等以弧焊机器人焊接不规则焊缝为 例，介绍了模糊逻辑理论的基本原理和模糊控制器的设计技巧及规 则。19 9 1 年k o u a t l i 等人又将模糊控制应用于t i g 焊智能机器人裂纹 补焊，取得了良好的效果。 在国内，清华大学的陈强教授系统地研究了弧焊过程的模糊控 制。华南理工大学将参数自调整模糊控制与p i 控制结合，成功地用 于g t a w 焊的熔宽控制。华中理工大学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。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。华中理工大学设计的模糊控制器，用于 c o2 焊波形控制，在控制c o 2 短路熔滴过渡中获得明显的效果。天津 大学采用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，能 满足焊接工程应用的要求。 1 3 2 4 复合控制方法在焊接中的应用 由于每种控制方法都有其自身的优点以及不可避免的缺点，所以 单独采用一种控制方法往往得不到理想的控制效果。如果采用上述两 种或三种方法复合的控制，就可以获得最佳的控制效果。目前在理论 上，研究比较成功的复合控制方法有：人工神经网络一专家系统、人 工神经网络一模糊逻辑复合控制方法、人工神经网络一模糊逻辑一专 家系统复合控制方法以及模糊逻辑p i d 复合控制方法、专家系统 新型埋弧自动焊机控制系统的母f 究 p i d 复合控制方法等。其中入工神经网络一专家系统复合控制方法利 用神经网络自适应、自学习能力强，信息容量大，处理速度快、容错 性好的优点有效地弥补了专家系统知识获取困难、容错和协调能力差 的缺点；人工神经网络一模糊逻辑复合控制方法利用神经网络擅长从 输出数据学习有用的知识，模糊逻辑擅长模糊信息处理和决策的优 点，比传统的模糊控制需要更少的专家经验知识；人工神经网络一模 糊逻辑一专家系统的复合控制方法解决了专家系统参量模糊的状况。 综上可知，经典控制以其结构简单，参数调节方便，稳定性及可 靠性高的特点在弧焊过程控制中获得广泛的应用。而专家系统、人工 神经网络、模糊控制及其复合控制为代表的现代智能控制方法以其不 依赖或不完全依赖被控对象的数学模型，而主要利用人的操作经验、 知识和性能得出相应的控制操作特点，在焊接这样一个参数相互耦 合、时变性及非线性系统中显示出良好的发展潜力，目前，专家系统 主要用于焊接接头性能分析、熔深和熔宽控制、焊缝跟踪和规范参数 的优化等方面：模糊控制和神经网络结合多用于熔深、熔宽和焊缝跟 踪上，神经网络应用于熔深和熔宽的检测，再与模糊控制器结合，完 成焊接质量和焊缝的跟踪。 1 4 我国常用的典型埋弧焊机 1 4 1m z 10 0 0 自动埋弧焊机 m z 10 0 0 型自动动埋弧悍机是国内应用最广泛的一种它是根 据电弧电压自动调节原理设计的变速送丝式埋弧焊机，属焊车式通用 型能焊接各种有坡口和无坡口的对接焊缝、搭接焊缝、角焊缝等， 这些焊缝可位于水平面或与水平面成不大于15 0 的斜面上。 整机由m z t 1o o o 型焊接小车( 又叫自动焊机头) 、m z p 一10 0 0 型控制箱和弧焊电源组成。控制箱内装有电动一发电机组、中间继电 器、交流接触器、变压器、整流器、镇定电阻和丌关等；强焊电源可 以配用交流电源，一般选用b x 2 一一10 0 0 型弧焊变压器，也可配用直 流电源，如z x 系列强焊整流器等。 1 。4 。2 强z i 一10 0 0 型自动埋弧焊机 m z i 一1o o o 型自动埋强焊机是根据电弧自身调节原理设计的等 速送丝式埋弧焊机。其控制系统较变速送丝式埋弧焊机简单，可使用 交流或直流电焊接可焊接开坡口及不开坡口的对接烽缝、搭接焊缝、 “船形”位置焊件的角焊缝、容器的环形或直线焊缝整机由焊接小 车、控制箱和焊接电源三部分组成，其特点是用一台电动机同时驱动 送丝和行走机构，因而结构紧凑，体积小，重量轻。控制箱内安装中 1 2 工程硕士论文 问继电器、接触器、降压变压器、电流互感器或分流器、转换开关和 接线板等。 1 5 国内外埋弧自动焊机的发展现状 我国焊接设备制造业起步较晚，五六十年代我国焊接装备大部分 从苏联引进。到了7 0 年代，我国才组建一批专门生产焊接装备的制 造厂，如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂。进入8 0 年代，随 着国内焊接设备需求量的增长，各地相继建立了多家中小型成套焊接 装备生产厂。迄今为此，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已进入实 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 面已经得到广泛的应用。 埋弧自动焊机主要由主电源、控制箱、小车三部分组成。其主电 源的发展经历了四个阶段：机械调节型电源、磁饱和放大器电源、可 控硅整流电源及i g b t 逆变技术。机械调节是借助于机械移动装置来 实现对弧焊电源的外特性调节；电磁控制靠励磁电流大小调节铁心饱 和程度来实现对外特性曲线和参数的控制。无论是机械调节还是电磁 控制的弧焊电源，它们的电气特性( 外特性和动特性) 主要都取决于 自身的结构，其特点结构简单、工作可靠、耐用，但控制参数少，调 节精度低，动态响应速度慢、稳定性差，而且为了获得良好的动特性 往往需要增加电抗器的体积，使弧焊电源做得既笨重又耗电大。 因 而，工业发达国家正在不断淘汰其中一些产品，例如机械调节型电源 已被淘汰，磁放大器式弧焊电源整流器也正在淘汰之中，准备逐步减 少弧焊变压器，只有在较低的的场合才使用这些“粗糙”的弧焊电源。 我国也有同样的趋势，但目前弧焊发电机、弧焊变压器、磁放大器式 弧焊整流器的应用仍占6 0 7 0 。i g b t 技术的出现，对焊接设备 领域产生了一定的影响，但i g b t 逆变电源因其容量受到元器件本身 的限制，其最大电流在数百安范围内。虽能它对手工电源将是一场新 的革命，但还无法满足大电流埋弧焊的要求。 随着焊接电源的不断发展，埋孤自动焊机的控制系统的发展经历 了三个阶段：机械控制、分离元件控制、集成电路数字控制或微电脑 控制。在国内，大多数埋弧自动焊机及焊接操作机仍采用分离元件模 拟控制，在生产中存在如下一些不足： 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 1 1 可靠性、互换性差。分离元件性能分散线性度差，容易老化。 且控制板调试复杂，常需在线调试，难以互换，个人生产带来很大不 便。 2 1 稳定性差。埋弧焊过程的稳定性受送丝速度、焊接电源等诸多 因素影响，在外界电网电压扰动和时，难以快速恢复。 3 】适应范围窄。由于埋弧自动焊动态过程是一个具有高度非线 性、时变性及多变量祸合作用的复杂系统。固定的控制模式和控制参 数难以保定各种焊接条件下的焊接性能。在较强、较弱的焊接规范下， 往往表现焊接性能不理想。 4 ) 焊接操作性能不好。如静态工作点不能精确预置，生产中还需 要通过引弧板进行电流、电压的调节、给操作带来不便。 电力电子技术的发展，促进了微型计算机的不断发展，微型计算 机在焊接设备控制中的应用日益广泛与深入，应用微机控制技术使焊 接设备实现数字化、智能化与自动化。目前，微机控制的焊机特点主 要有以下几点： 1 )拓宽功能 针对同一电源，能很好地实现一机多用。采用不同的算法，通过 灵活地软件编程使电源外特性可获得恒流特性、恒压特性、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温上升 率d i ；d d t 进行控制，从而得到d i 。d ，d t 的一个优化范围。 3 1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 )实现协同控制 根据工件厚度不同，同时按所需的电弧电压、电流( 送丝速度) ， 甚至电感量的一元化调节，而不必逐个调节这些焊接参数。 5 )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。 6 )工艺程序的控制和焊接故障的诊断好 工程硕士论文 微机控制可以满足各种焊接工艺程序的要求，如提前供气、电流 的递增和衰减，并能够对焊接过程的各种故障进行诊断和报警。 7 )易于开发 微机系统采用积木式结构，其开发周期短，而且开发成本低。 纵观当今世界埋弧自动焊机的发展趋势，可以规为如下几个特 点： a )高精度、高质量、高可靠性； b )数字化、集成化和智能化控制； c )大型化、组体化及管控一体化： d )多功能化。为发挥大型自动化焊接设备的效率，通常设 计成适用于多种焊接方法和焊接工艺，如单丝、多丝埋弧焊，m i g m a g 焊及手工电弧焊气体保护焊、电渣焊等。 1 6 课题立项背景及研究意义和目的 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。 本文采用较为成熟的微机技术和晶闸管整流技术，研制一套功能 齐全，能输出缓降、陡降、恒流、恒压外特性的埋弧焊设备。利用埋 弧自动焊整流电源良好的动特性和焊接工艺性能，控制整个弧焊过 程，提高焊接质量。尤其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，进一步提高了控制效果和焊接质量。 1 7 本课题主要研究的内容 通过对国内外焊接过程控制、弧焊电源、计算机控制技术及埋弧 焊的研究现状的分析，针对目前国内埋弧焊电源及过程控制存在的问 题，结合晶闸管整流电源的特点，本文做了如下的工作： 1 ) 研制了额定电流10 0 0 a 、额定电压4 4 v 的晶闸管整流埋弧焊电 源主电路。 2 ) 针对焊接电源、埋弧焊工艺要求及送丝装置，研制出电源外特 性控制和埋弧焊过程控制的双单片机数字控制系统。双单片机之问采 用串行异步通讯方式，实现命令和参数的交流。 3 ) 系统软件的模块化设计，根据各个模块的功能划分为采样转 1 5 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 换、人机对话、系统设置、参数备份、联机通讯、埋弧焊过程控制等 模块。并设计了四种电源外特性的p i 控制算法，实现恒流、恒压、 陡降及缓降的控制。设计多种抗干扰措施，保证控制系统能够在复杂 的干扰环境中正常工作。 4 ) 对所设计的焊机进行空载与负载调试，测试各种静特性、动特 性以及调节特性。 研究过程中，采用理论与实验并重的方法。由于埋弧焊过程的复 杂性，许多因数相互影响，难以建立精确的模型，故更侧重工艺试验 方法。许多工作的完成都进行了反复的试验、改进、再试验的过程。 在整个设计过程中，电路的设计力求简单、可靠、实用，为项目的产 品化打下坚实的基础。 设计的焊机基本参数如下： 输入额定电压：3 8 0 v 士0 15 0 h z 空载电压： 7 5 v 额定输入容量：8 0 k v a 输入电源相数：3 额定焊接电压：4 4 v 负载持续率： 10 0 额定焊接电流： 10 0 0 a 焊接电流调节范围：2 0 0 1 2 5 0 a 焊接电压调节范围：l5 5 5 v 焊接速度调节范围：15 9 9 m h 1 6 工程硕士论文 第二章控制系统硬件设计 2 1 新型埋弧自动焊机控制系统的总体设计思路 传统的模拟控制系统被设计成具有电流反馈和电压反馈的简单 的模拟控制系统。其控制电路工作结构图如2 1 所示。这种控制系统 存在以下四点不足：1 、闭环系统中没有理想的调节器，控制系统产 生较大的稳态误差：2 、由于采用的是近似算法，焊机输出特性较差： 3 、难以实现多特性实时控制。4 、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。 图2 1 埋弧焊机控制电路工作结构图： 为此，本论文依据现代智能控制技术的发展，采用单片机实现埋 弧自动焊机由模拟控制向数字化控制的迈进。所设计的这个控制系统 用了两个单片机，一个控制电源外特性并安装在电源内部；一个控制 送丝速度、小车速度等焊接过程。两个系统之间通过串行接口交换数 据和命令。 2 2 弧焊电源主电路设计 2 2 1 电源整流形式的选择 常用的埋弧自动焊的电源整流形式有三相半控桥，三相全控桥， 六相半波，带平衡电抗器的双反星形等四种形式。其中三相半控桥整 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 流电路只用三个可控硅，触发电路相对简单，在输出相同整流功率的 情况下，变压器的容量又最小。因此，在本系统设计中，电源主电路 采用三相半控桥式整流电路。 2 2 2 电源主电路的设计 主电路采用如图2 2 所示的形式。其主要由变压器、晶闸管、二 极管、电抗器等构成。整流变压器、电抗器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 7 5 v 为依据。电路的工作原理为 额定负载持续率1 0 0 ，空载电压 模拟地4 2 点、焊接电流4 0 点、焊 接电压信号4 3 点与单片机控制系统的放大采样环节相连。控制系统 产生的触发脉冲触发t l p 一5 4 1 ，使承受正向阳极电压最高的晶闸管 首先导通，并与一个阴极电压最低的二极管串联构成控制回路。控制 系统通过电流负反馈数字p i 控制触发脉冲的输入时刻来控制焊接电 源的外特性。 u 3 2” 电抗器 ：s c r ljf l c 耻jf _ c r 】 l n l n 2 2 l lo r 7 国 l 一 o “ 电压器 一ld 3 图2 2 弧焊电源主电路 2 3 控制系统硬件设计 2 3 1 控制系统设计的总要求 晌i b 表 输出 如前所述，整流器件晶闸管、二极管的额定反向峰值电压、 额定正向电流分别定为8 0 0 v 和5 0 0 a ，主电路又定为三相半控桥整流 电路，同时考虑到埋弧自动焊的工艺机理，我们选用i n t e i 公司高性 能的1 6 位8 0 c l9 6 k b 单片机为主控芯片，所设计的控制系统应具有 以下五方面的功能： 1 电源外特性的控制功能 1 8 工程硕士论文 根据不同的焊接方法，能选择合适的电源外特性。 2 焊接规范调节与显示功能 焊接过程开始之前，该系统可根据用户输入的焊材及板厚自动选 择焊接规范参数，并通过液晶显示器实时显示焊接参数。 3 埋弧自动焊过程控制的功能 由于焊接时，在引弧和收弧处很容易出现焊接缺陷，因此该系统 能在引弧阶段采用慢送丝，送丝速度约为正常焊接速度的1 3 ；在收 弧阶段能采用电流衰减进行收弧处理。 4 焊接监测功能 重要焊接参数，如焊接电流、电压、焊接速度等能实时监测，为 焊接过程的控制提供必要的依据。 5 故障诊断与处理功能 在焊接时可能出现各种故障，该系统能及时监控，随时处理，确 保焊接设备的安全及焊接过程顺利进行。 2 3 2 晶闸管式弧焊整流电路控制系统基本工作原理 晶闸管式弧焊整流器基本原理框图如图2 3 所示三相5 0 6 0 h z 网路电压由降压变压器t 降为几十伏的电压，借助晶闸管v t h 的整 流和控制，经输出电抗器l d 滤波和调节动特性，从而输出所需的直 流焊接电压和电流 利用电子触发控制电路和闭环反馈系统来控制外特性及实现焊 接电压和电流的无级调节图2 3 中m 为电流、电压反馈检测电路： o 为给定电压电路；k 为运算放大电路，它把反馈电压信号和给定电 压比较后的电压进行放大并送到脉冲移相电路，从而实现对外特性的 控制和工艺参数的调节 图2 3 晶管式弧焊整流器控制系统基本原理框图 1 9 新型埋弧自动焊机控制系统的研究 2 3 3 电源控制系统硬件设计 2 3 3 1 电源控制系统的结构 根据我们所采用的主电路形式而设计的电源控制系统，其电气原 理如图2 4 所示。控制器核心为i n t e l16 位8 0 c 1 9 6 k b 单片机，其片 内10 位a d 转换器扩展为4 通道采样电路，用于实时采样电源的输 出电压和电流，并通过电位器读入设定值，电压、电流分辨率分别为 o 1 v 和2 a 。其p o 4 p 0 7 和p 1 4 p 1 7 构成开关量输入接口，用于 选择外特性类型和工作模式。p 2 5 p 2 7 通过固体继电器构成开关量 输出接口，用来驱动交流接触器，控制主电源通断。单片机的u a r t 由高速光耦扩展为2 0 m a 电流环通讯接口。p 1 o p 1 3 模拟s p l 工作 方式扩展x 5 0 4 3 ，用于系统复位、电源监控和提供看门狗定时器，并 利用其内部的e p r o m 进行焊接规范参数的记忆。系统采用8 位外部 总线，扩展1 6 k 字节的程序存储器2 7 c 12 8 、并行接口8 2 55 、以及16 位计数器8 2 c 5 4 。其中8 2 55 用于驱动6 位( 电压3 位、电流3 位) l e d 显示器。 控制器关键部分是8 2 c 5 4 与8 0 c 1 9 6 k b 的高速输入口h s i 、高速 输出口h s o 以及定时器t 2 一起构成同步数字触发器，它用于产生整 流器晶闸管的同步触发脉冲。其工作原理为：8 2 c 5 4 的计数器o 工作 于分频输出方式，计数脉冲c l k o 来自单片机的时钟输出c l k o u t ， 其脉冲输出o u t 0 作为计数器l 、2 以及单片机t 2 的计数时钟。计数 器l 、2 工作于硬件触发单拍脉冲输出方式，由门控g a t 巨的正跳变 触发减l 计数，计数器回零时其0 u t 端将输出一个低电平脉冲，如 接在g a t e 端信号的正跳变对应于晶闸管自然换相点，则输出脉冲经 功率放大即可作为晶闸管的同步触发脉冲。系统时钟8 m h z ，c l k o u t 时钟频率为4 m h z ，故晶闸管控制角为f d f 0 2 5fs ，其中f d 为写 入计数器o 的时间常数，f 为计数器1 或2 的时间常数。由于级联计 数器中各计数器的工作周期( f d 或r j 的最大值) ，小于单个计数器( ，d f