（材料加工工程专业论文）智能型电弧模拟综合试验台.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 弧焊电源是焊接系统的重要组成部分，将直接影响焊接过程的稳定性及焊接 工艺性能。而有效地评估其动特性一直是焊接领域的研究热点和难点。由于焊接 电弧不同于一般负载，并且焊接电弧过程是一种快速、大范围变化的动态过程， 因此要求弧焊电源必须能够适应及响应其变化过程，才能确保电弧过程的稳定性。 由于电弧一电源系统属于复杂时变系统，因而决定了对弧焊电源动特性的描述不 仅困难而且复杂，因此迄今为止还没有一个有效的描述方法和统一的国际标准。 本文通过深入研究多种弧焊电源的动特性及对比国内外现有的描述弧焊电源动特 性的方法的优缺点后，首次提出了采用外特性动态扫描的办法来研究和描述弧焊 电源动特性的新方法，并研制出了实验装置给出了满意的实验结果。为最终获得 弧焊电源的动特性定量评价指标提供一个有力的手段和途径。实验表明所研制的 系统是成功的，所提出的定量描述弧焊电源动特性的新方法是可行的，并具有理 论意义和实际价值。 本文以工控机为控制核心，控制工作在放大状态下的晶体管组构成能够大范围 高速变化的可控负载，从而构成能够对待测弧焊电源进行动态扫描的智能型电弧 综合试验台。通过对被测焊机沿“水平”( 动态内阻为“c o ”) ，“纵向”( 动态内阻为0 ) ， “t g a ”( 动态内阻为“0 一0 0 ”) 方向进行动态行扫描，就可以获得相应的动特性曲线， 从而为比较和评价弧焊电源动特性提供一种简洁而有效的方法和手段。 本文基于美国国家仪器公司的l a b w i n d o w s 的编程环境开发系统软件并与相应得 硬件系统还构成了具有相应功能的虚拟仪器，除了为用户提供除动态扫描功能以 外，还提供了其它辅助功能，方便用户以此为平台进行相应的数据采集和处理工 作。 关键词：弧焊电源，动特性，动态扫描，计算机控制，晶体管组，虚拟仪器 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ei si m p o r t a n tp a r to fw e l d i n gs y s t e m i ti sd i f f i c u l tt o e f f e c t u a l l ye v a l u a t ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ei nt h ef i e l do f w e l d i n g d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ed e c i d ec r a f i w o r ke f f e c t a n dq u a l i t y i ti ss i m p l et od e s c r i b es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e s t a t i cc h a r a c t e r i s t i co fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ec a l lu s ev o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i ct o e v a l u a t ei t a r cw e l d i n gi sd i f f e r e n tf r o mt h eo t h e rl o a d t h ec h a n g eo fa r cw e l d i n gi s l a r g e s c a l ea n dh i g h s p e e d i no r d e rt ok e e ps t a b i l i z a t i o no fa r cw e l d i n g ，t h ea r cw e l d i n g p o w e rs o l i r c cs h o u l da d a p ta n dr e s p o n dt h ec h a n g eo f a r cw e l d i n g d e s c r i b eo f d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ed o n th a v ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i nt h i s p a p e r , t h en e ww a yt h a te v a l u a t ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c ei s p u tf o r w a r d i no r d e rt or e s e a r c ha n dd e s c r i b et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f a r cw e l d i n g p o w e rs o u r c e ，t i f f sp a p e r a d o p tt h en e ww a yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cs c a n t h i sp a p e r h a v em a n u f a c t u r e de x p e r i m e n te q u i p m e n t t h er e s u l to f e x p e r i m e n ti ss a t i s f a c t o r y i n d u s t r i a lc o m p u t e ri sc o n t r o lc e n t e ri nt h i ss y s t e m p o w e rt r a n s i s t o rg r o u pw h i c hi s i n a m p l i f i c a t o r ys t a t ei sc o n t r o l l e db yt h ec o m p u t e r p o w e rt r a n s i s t o rg r o u pf o r m l a r g e s c a l em a dq u i c kl o a d a tt h es a l n et i m e ，p o w e rt r a n s i s t o rg r o u pm a k eu po f i n t e l l i g e n ta r cs i m u l a t ei n t e g r a t e dt e s t b e d d y n a m i cr e s i s t a n c ea c ta sl o a do fa r c w e l d i n gp o w e rs o u r c ew h i c hi st e s t e d i no r d e rt ot e s ta r cw e l d i n gp o w e rs o u t c e t h e v a l u eo fd y n a m i cr e s i s t a n c es e ta s n 0 “0 一。o 0 r c o ”p r o g r a me n v i r o n m e n tm a k eu s e o fl a b w i n d o w sw h i c hi sd e v e l o p e db yn a t i o n a li n s t r u m e n t sc o m p a n y t h es y s t e m s o f t w a r ea n dc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r ef o r mv i r t u a li n s t r u m e n t s t h es y s t e ms o f t w a r ei s p r o v i d e dw i t hf u n c t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cs c a na n dt h eo t h e rf u n c t i o n u s e rc a n t a k eu s eo f t h es o f t w a r et op r o g r e s sd a qa n dd a t ap r o c e s s i n g k e y w o r d s ：a r cw e l d i n gp o w e rs o n r c e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cs c a n , c o m p u t e rc o n t r o l ，t r a n s i s t o rg r o u p ，v i r t u a li n s t r u m e n t s l i 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 焊接电弧是一种不断大范围变化的特殊负载，在所有电弧焊接过程中均存在 着几个共同的阶段： 空载一短路一电弧放电过程； 电弧放电一短路一电弧放电过程。 这就决定了弧焊机的核心一弧焊电源必须能够有效地适应各种电弧过程，因 此要保证焊接电弧过程连续性和稳定性，对弧焊电源就提出了比普通电源高得多 的要求。 弧焊电源是组成焊接自动控制系统中的一个重要环节，对其特性的研究一直 是焊接领域研究中的一个重要课题。不同的弧焊方法对弧焊电源特性的要求具有 很大的差别，而弧焊电源特性在很大程度上决定着焊接过程能否顺利进行、能否 获得满意的工艺效果和满意的焊接质量，因此准确评价弧焊电源的各种特性指标 特别是准确评价其焊接工艺性能具有重要的意义。目前，对于焊接工艺性能这项 指标主要是由高级焊工通过试焊来进行评价的，因此在很大程度上制约了焊机生 产厂家对焊机工艺性能及其相关性能指标改进和提高，制约了高性能指标焊机的 研发和生产进程。这就是为什么同样是逆变焊机，不同厂家生产的逆变焊机的工 艺性能及其工艺适应性存在着相当大的差别的重要原因，也是我国所生产的焊机 对新型焊接材料适应性远远落后于国际上优秀焊机生产厂家的重要原因。因此， 找出焊机的定量描述指标，特别是找出动特性定量描述指标，对于提高焊机的研 发和生产水平，特别是对于提高我国焊机的研发和生产水平具有理论意义和实用 价值。 目前对弧焊电源特性的描述主要包括两方面的内容，即弧焊电源的静特性和 动特性。弧焊电源静特性的描述相对比较简单，并且已经是一种成熟的技术。而 对弧焊电源动特性的描述迄今没有统的国际标准。随着弧焊电源技术的发展及 新电源、新工艺的出现，对弧焊电源动特性的研究也就显得愈来愈重要。关于弧 焊电源动、静态特性的描述和测试，前人已做了大量的工作i 】”5 j 。早在几十年前， 人们通过解析的方法来了解焊接电源的动特性，并且对交流弧焊机、直流旋转式 弧焊发电机及简单的直流下降特性电源等少数几种弧焊电源的动特性进行了解 析，直接求出了其动态时的焊接电流对时间等参数的变化规律。然而，由于弧焊 电源本身结构的复杂性，解析的方法有着很大的局限性，它只能定性的了解弧焊 电源特性，而对其进行定量的计算是很困难的。因此，为研究弧焊电源的动特性， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 人们发展了实验研究方法。最通常的方法是阶跃响应测试方法，即测定电源在空 载一短路、负载一短路等过程中的电流或电压的响应，并以某些特定的时域指标 来描述弧焊电源的动特性。在实验研究的基础上，虽然各国均相继制定了各自的 标准来考核弧焊电源的动特性，但均没有得到一个全面、满意而有效的结果。 本文将在研究现有的对弧焊电源动特性指标试验及描述的各种方法及手段的 基础上，探索并提供一种新型的试验手段和思路，为定量描述弧焊电源的动特性 提供一种新的探索和尝试。 1 2 国内外研究现状 弧焊电源是焊接系统的重要组成部分，其动特性的评估一直是焊接领域中的 研究热点和难点。 弧焊电源动特性的是指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与 电流的响应过程1 2 】，可以用弧焊电源的输出电流和电压对时间的关系，即“钡，) ， f 钡f ) 来表示。它说明了弧焊电源对负载瞬变的适应能力，而对于具有熔滴短路过 渡的熔化极弧焊，电弧负载是一个短路一燃弧一短路不断重复的动态负载，因此 对弧焊电源的动态特性有很高的要求。所以，动态特性的测定在弧焊电源的评估 中占有很重要的地位。 综述目前弧焊电源动特性的测定方法，大体上可分为三种。 1 2 1 解析法 早在几十年以前，人们用解析的方法来了解焊接电源的动特性，对交流弧焊 机，直流旋转式弧焊发电机及简单的直流下降外特性电源等的动态特性进行了了 e 图1 1 简单下降外特性电源的等效电路图 e 图1 2 弧焊发电机等效电路 f i g1 2e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo f w e l d i n gd y n a m o 解，直接求出了动态焊接电流对时间的变化规律。如对于简单下降外特性电源， 通过理论分析，可求出当输出电压阶跃变化时，输出电流的变化规律： 重庆大学硕士学位论文 i 绪论 越= 等( 1 矿) ( 1 1 ) 式中：u 一输出电压阶跃变化幅度；一输出电流阶跃响应，简单下降外特性 电源的等效电路图如图1 1 所示；r 一电源内阻；三一电源内部包含的电感，文献 1 7 ，1 8 】对旋转式直流弧焊发电机的动态过程作了较为详细的理论解析，研究对象为 具有串联去磁绕组、采用他激绕组激磁的弧焊发电机，等效电路见图1 2 所示，工 和r 分别为他激激磁绕组的自感和电阻，m 为激磁绕组与串联绕组间的互感，r 和 分别为焊机主回路中的电感和电阻，u i 为他激激磁的电源电压。设足为发电机 常数，r m 为电动机磁路的磁阻，l ，c 分别为他激磁绕组和串联去磁绕组的匝 数。发电机的电动势方程为； e ：孚一华j ( 1 2 ) 凡1如 、。 由电路原理可以列出以下动态方程，激磁回路为 u 堋+ 厶鲁一m d 出 ( 1 3 ) 焊接回路为 k 一k ，= r + 上等一i d 击l , + u ( 1 4 ) k = 等，k = 等 ( 1 s ) 由上可以推导出下述微分方程式： ( 厶三一m 2 ) 箬+ ( 五+ k c ) ，一k m 。 西d i + ( r + k c ) r l i = - r u - l 警t ( 1 6 ) 当u 发生阶跃变化时，对此微分方程求解，即可解析出电流的变化规律： i = 4 p + a z e “( 1 7 ) 式中b ，p ：一微分方程特征多项式的根；a 1 4 一由初始条件确定。 文献 1 7 ，1 8 还对几种特殊情况下电流的变化规律进行了讨论，如若mz0 时， 可解析出空载一短路时的变化规律如下所示： ，= k ( 1 一p 一”川) ( 1 8 ) 式中，k = i = 与为稳态短路电流( g o 为空载电压) 。 r , 4 - 由上述介绍的解析法可以看出，由解析法来研究弧焊电源的动态性能是可行 的，然而却有很大的局限件，因为它只能对弧焊申源的动态性能进行定性的了解， 重庆大学硕士学位论文l 绪论 要对其进行定量计算很困难的。尤其是现代电源技术的发展，由于电源本身结构 的复杂性，采用解析的方法对其动特性进行分析已是非常困难的，若要进行定量 的计算是不可能的。因此，各国发展了各种弧焊电源动特性实验研究方法。现在 弧焊电源动特性实验研究方法又可分为直接测定法和间接测定法两种形式。 1 2 2 直接测定法 直接测定法中有主观法和客观法之分。主观直接测定法，即由有经验的焊工经 试焊后做出评价。所谓动特性好，一般指焊接过程稳定、飞溅小、焊缝成形好，但 评定的结果具有很大的主观成分和不确定性，因此采用这种方法来评定弧焊电源的 动态性能指标不科学1 3 l 。客观直接测定法是指从实际焊接过程中直接测得的电弧电 流和电压等动态参数，并提取反映弧焊电源动态性能的特征信息，从而对弧焊电源 的动特性做出判断。 下面介绍几种最近几年来总结出来的有效特征信息提取法。 统计分析法 由于焊接过程中的电信号是各种电弧物理现象的丰富信息的载体 13 1 ，因此可以 采用统计分析法从中提取出与实际焊接效果相关的特征信息。统计分析法是通过 对焊接过程电信号的各种参数进行统计，找出各种参数的概率分布规律，将各种 参数的分布规律与人的经验相结合，再对统计结果进行分析，从而提取电弧的各 种特征信息1 4 】。运用统计分析方法对c 0 2 电弧焊电源的动特性可阻在一定程度上和 一定层面上进行客观的评定。 川、 ，f ，、 t ，f k 儿 、 弋 卜 u n l t l ( h m i 。) t lf i ( t l 。) 图l _ 3时间变量的定义及信号瞬时值统计方法 f i 9 1 3s k e t c hf o rd e f i n i t i o no f t h et i m ev a r i a t i o n sa n dt h e s t a t i s t i c a la n a l y s i sm e t h o do f t h es i n g a la m p l i t u d e 根据焊接过程电信号，进行统计分析的变量主要有【1 4 】： 电弧电压瞬时值u 0 ) ； 焊接电流瞬时值，o ) ；短路时间t l ；燃弧时间，2 ；周期时间t 。图1 3 是上述焊接过程电信号的时间变量的定义及其瞬时值统计方法的示意图，图中左 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 边部分为电弧电压瞬时值的概率密度分布直方图，各方柱反映了电弧电压值落在 各分组中的采样点数占总采样点数的百分率，它们的总和为1 ，f 。表示两个采样 点间的时问间隔，u 。为区分燃弧与短路的电弧电压阈值，其值常选在1 0 1 5 v 之 间，为区分瞬时短路时问与正常短路时间的阈值，其值一般取在2m s 左右， 在短路时【q ( ，) 】期间，熔滴过渡到熔池中去【f l 。】时或仅仅与熔池接触一 段很短的时间ms 。】时。上述变量经统计分析后，能够得到下列统计分布： 电弧电压的概率密度分布h ( u ) ；焊接电流的概率密度分布玎( ，) ；短路时间的 频率分布n ( t 1 ) ；燃弧时间的频率分布瓴) ；周期时间的频率分布( ) 。此 外，还能得到以下的统计值：平均值( m ) 、标准偏差( s ) 、变异系数( s m ) 、分布 的最大值、众数、事件的总数、被检测变量的最大值和最小值。在上述的各统计 量中，电弧电压、焊接电流的概率密度分布、短路时间的频率分布对弧焊电源的 动特性的变化较敏感，所以它们被用来作为评定弧焊电源的动特性的主要依据。 综合所提取的各特征信息，可以得到一统计特征向量d s ，每一焊接过程都可 以用这一特征向量来表征。实验研究结果表明，通过分析d s 的变化可以在一定程 度上评定弧焊电源的动特性。 子波分析法 由于电弧电压、焊接电流是由长时低频成分和短时高频部分组成的非平稳信 号，对于非平稳的奇异信号，在信号的突变部分包含有丰富的信息，通过对信号 的奇异性检测，渴望提取信号的特征。被称之为“数学显微镜”的子波分析方法由于 在时、频上具有良好的局域化特征，利用其来分析非平稳信号的局部奇异性是比 较有效的。 子波分析又称为小波分析，其基本思想是用一子波函数。( r ) 代替博立叶变换 中的正交基e 2 ，“去表示或逼近信号。函数，( f ) 【e l 2 ( r ) 】的连续子波变换定义为6 ： 了百 哆( 以6 ) = ( ，o = 瓦而厂o ) a t = 击吵 等 厂( f ) a t ( 1 9 ) 式中虬，6 ( ，) 为子波基函数，虬。( f ) ：下1 矿螋，口r + ，6 r 是由一母子波 y ( f ) 经伸缩和平移得到的。平移得大小由平移参数b 决定，伸缩大小由尺度因子 a 决定。该式定义的是连续子波变换，为减小计算时的计算量，在实际应用中，需 将其离散化。较常用的是对其进行二进制离散，称之为u - 进制予波变换，即取 口= 2 ”，b = 尼2 ”，t 7 ，m z 。则子波及函数为： ：去y f 譬1 _ 2 _ “2 - t _ n 2 少( 2 t - n )( 1 1 0 ) h2 万y l 丁j ( 1 _ 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 子波分析可用于电源电信号的滤波、消噪等预处理嘶】。如图1 4 a 为c 0 2 焊电 一毒! 吐 图1 4 子波变化滤波电压波形图 f i g1 4a r cv o l t a g ew a v e f o r mb y w a v e l e tt r a n s f o r m “蝴 b 图1 5 焊接电流子波变化示意图 f i g1 5 a r cc u r r e n tw a v e f o r mb y w a v e l e tt r a n s f o i l l l 弧电压原始波形，图1 4 b 为采用子波变换对c 0 2 焊电弧电压滤波后得到的波形， 如图所示，采用子波变换消噪不但可以滤除信号中的噪声，而且保留信号中的特 征信息。另外，用子波变换模极大值，不仅能够检测信号的局部奇异性，而且还 可以将其作为信号的信息特征提取出来1 3 。图1 5 为c 0 2 焊接电流信号经5 级子波 变换后所得的结果。对于熔滴短路过渡c 0 2 气保焊焊接电流信号，应用基数& 一 样条双正交小波b i o r 2 4 ，在尺度2 5 时，可以由细节部分的模极大值较好地检测信 号的局部奇异性，将其中与电弧重燃时相应的模极大值取出来，定义为电流信号 的波形特征，它携带有瞬时短路过渡、短路峰值电流过大、正常短路飞溅的信息。 天津大学的张晓囡等作了利用小波变换评估弧焊电源工艺动特性的实验，结果表 明：由焊接电流波形特征概率密度分布图中可以到瞬时短路过渡特性信息尸，平 均正常短路波形特征g 。，正常短路波形特征的标准偏差d 。、，短路峰值电流过大 特征信息b ，它们组成特征矢量k ，当弧焊电源工艺动特性发生变化时，k 中各 特征信息亦按一定规律发生变化，则就为根据特征矢量中特征信息的变化评定弧 焊电源的工艺动特性奠定了基础，验证了小波分析法提取工艺动特性评定特征信 息的有效性【l “。 对于直接测试法中的统计分析法和子波分析法来说，统计分析法的直观性好， 但提取特征信息多依赖于人的经验，同时还会丢失信号的时变信息；子波分析法 能够有效地分析信号局部信息，但会丢失信号在时域内缓变的特征信息。如果同 时采用两种方法，那么所提取的动特性评定信息会更充分。另外，不论是用专家 系统模糊推理，还是人工神经网络系统，在对特征信息处理后的评价都只能是定 性，难以达到定量分析的程度。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 l 。2 2 间接测定法 即不进行实际的焊接，而是采用某些装置模拟焊接过程中的负载，它只对弧 焊电源本身进行研究，并且是把弧焊电源本身作为一个独立的系统来考察和研究 的。这样能够对弧焊电源本身的特性作全面的了解，可以使用某些较为成熟的方 法和指标描述弧焊电源的动特性。模拟电弧负载的装置其电气性能指标虽然难以 与真实电弧一样，但是可以避免熔滴过渡等随机因素的干扰【7 l ，为摸索相关的描述 指标提供了一种条件更为优越并且更为简洁的手段。 间接测定法中，按测试方法又可分为时域法、频域法和模拟电弧法。 时域法 时域法通常指的是阶跃响应测试法，即测量弧焊电源在空载一短路、负载一 短路等过程时的电流响应，并以某些特定的时域指标来描述电源的动特性。文献【6 】 综合介绍了几种描述电源动特性的指标，见图1 6 所示。 o 圈1 6 手工弧焊时弧焊电源的电流、电压波形图 f i g1 6 w a v e f o r mo f a r c v o l t a g ea n dc u r r e n t f o ra r c w e l d i n g p o w e rs o u r c e 图1 6 中岛为引弧融瞬时电流峰值，矗d 为稳态短路电流， 哥为焊接电流，t ，为 经0 0 5 s 时瞬时短路电流，矾为短路电压，嘶为电弧电压【，m 。为恢复电压最低值， ，。为下跌电流最低值，岛为熔滴短路电流。 1 ) 用岛k ，岛，1 ，z 。l , 等指标来描述弧焊电源的动特性。 2 ) 规定的短路时间为，= 1 0 m s l o r e s 3 0 和电弧燃烧时间为 t 2 = 3 0 0 m s + 3 0 0 m s x3 0 时的，。来描述电源的动特性。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 ) 用动态斜率s d , = 。k ，s d z = u o 乙来评定电源的动特性 4 ) 用短路瞬时电流下跌最低值l 。，和电弧功率下跌最低值阡二。一来评定电 源的动特性，其中k i 。= ，m ，。x u ：，孵为电弧功率。 5 ) 采用从短路电压恢复到工作电压2 5 v 的时间作为电源的动特性指标之一。 在实验研究的基础上，各国相继制定了各自的标准来考核弧焊电源动特性，对 弧焊电源动特性的指标要求，各国的标准不同，至今尚未有统一的国际标准。中国 制定的标准如下l l9 j ： 1 ) 药皮焊条手工焊电源的动态性能( 见表1 1 ) 表1 1 弧焊整流器动态特性考核指标 t a b l e1 1 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro f a r cw e l d e r 序号项目整定值指标 峰值s d h ： ( 3 额定值 持续时问0 0 3 0 1 s 1 空载至短路 峰值风伢 ! ，5 5 2 0 额定值 持续时间o 0 3 o 1 5 峰值1 c a l 立5 额定值 持续时间0 0 1 - - 0 0 4 s 2负载至短路 峰值i r a i f$ 2 0 额定值 持续时间 0 0 1 0 0 4 s 助一空载至短路时间的瞬态短路电流峰；加一负载至短路时间的瞬态短路电流峰值 在德国制定了如下标准i ”l ： 1 日s l c 觑由上述介绍的动特性描述方法第二种方式定义。五是瞬时短路电流的临界值，其 大小根据焊条的直径的大小来确定，见表1 。2 表1 2 不同焊条直径的尼值 t a b l e1 , 2t h e 厶v a l u eo f d i f f e r e n tw e l d i n gr o dd i a m e t e r l 焊条直径，m m 22 53 。2 5456 l 尼脯1 4 51 7 52 1 53 0 04 0 06 0 0 由于以上各指标的建立大多是一种经验的选择而不具有严格的物理意义，因 而对电源特性缺乏全面的了解，如我国采用的i f d l 这一特征参数来描述弧焊电源 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 的动特性( 助的测定一般使用电阻器作负载，采用磁力开关短接电路，测得负载 ， 貉l 飞 ； l 图1 7 电流波形示意图 f i g1 7s c h e m a t i cd r a w i n go f c u r r e n tw a v e 至短路过程中的最大冲击电流值，豇为负 载电流) 。对此指标稍作分析，见图1 7 所 示，图中所示的是两种不同焊机的负载至 短路时的电流波形示意图，由图中可以看 出两种焊机的特征参数h a ，l ：是一样的，然 而其动态性能却有很大的差别，由此说明， 用剧厅这一指标不能正确地反映电源的动 态性能，对此文献 2 1 2 22 3 对此也进行了 较详细的论述，指出西加作为描述电源动特性指标是不合理的，并提出熔滴短路 过渡概率最大的短路时间t o 时的i r a ，i f 作为描述电源动特性的指标。用i a i f ( 如) 是 否就能够准确地描述电源的动特性，这也是有问题的，由于焊条的直径、材料的 不同，不同焊接电流短路电流波形的差别，都会导致l f d l f ( f 0 ) 不能客观、准确全 面地描述电源的动态特性。就是文献【2 1 】本身也指出，用此方法来评定可控硅弧焊 电源和磁放大器弧焊电源时，即使l f a l f ( f 0 ) 数值相同，这两种电源的动态性能并 不相同，由此也说明用l ：a i r ( 岛) 评定电源特性是不准确的。用短路过程来测试弧 焊电源的动特性存在很大的问题，该方法问题就在于企图用短路电流波形上的某 个点来描述电源的动特性。显然这种方法是不全面的。 频域法 该方法是通过用传递函数来描述电源的静、动特性。传递函数摇述了输入与 输出之阃的关系，表征了系统的动、静态性能，若把弧焊电源的输出电压视为输 入信号，电流视为输出信号，则可借用传递函数的概念来研究电源输出电压与电 流之间的关系，把弧焊电源外特性曲线与传递函数的概念相结合，就可形成一套 比较科学的电源描述方法f 3 8 , 3 9 , 4 5 1 。 1 ) 实验装置 弧焊电源特性的测试，可以通过测试负载上的电流、电压来进行。负载阻值 从o _ 一缓慢扫描，可测得电源的静态外特性。而在某一工作点处控制负载并使其 上的压降按正弦信号变化，此时观察电流的响应，由此可测得电源的传递函数。 进行传递函数的测试时，负载应设计成受控负载，其上的压降或电流能够由某个 信号来控制使之按正弦规律变化。受控负载可由晶体三极管来实现，通过电压或 电流信号反馈控制三极管，可以得到恒压、恒流、上升、下降等各种不同的负载 特性。由于恒压负载特性基本上不受外部电路的影响，其频率响应可以达到 1 5 0 _ - 2 0 0 k h z 这样高的频晌足可以满足研究弧焊电源特性的需要。基于上述原因， 除了具有上升特性的电源不能用恒压负载特性进行稳定测试外，其它电源均可以 9 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 采用恒压负载特性来进行研究。 2 ) 电源特性的频域测试方法 通过控制受控负载使其上的电压降在工作点处按正弦规律变化，并且其频率 从畦h z 作缓慢扫描，观察其电流的响应，分别测出其幅值比与相位差，即得 电源的幅频特性和相频特性，测试框图如图1 8 所示。当然也可用采用随机信号输 入系统观察其响应。应用现代控制理论，并用专用的信号处理机对信号进行处理 和分析，即可以求出其幅频特性和相频特性。对不同电源的测试结果一频率特性 曲线如图1 9 所示。然后应用自动控制原理中的有关理论，对测试结果进行综合分 析，从而得到表征弧焊电源动特性的传递函数。 图l ，8 弧焊电源传递函数测试框图 f i g1 8t e s t i n gb l o c kd i a g r a mo f a r c w e l d i n gp o w e r s o l l r c e sp o w e rs o u r c e 纷h t i 一鹑单羊薄祷毪瓣撵电弹# 2 一接i | i 雏赫搏箭平辑槛强搏 电薄秘1 ：3 一鲺攒爨晶摊繁华特蛙擘王蹲l l 皇薄潮一镬鲢型晶 体蕾土舟椅茌蔼磐i 龟舞舀 ；j 一蠛弑型蠡l 末蕾上拜静鞋讴揖 电辣汹：6 一拜美爱霸蒋蕾搬藏特挂撼姆电瓣2 7 - - 攘瓤型露 蕾i 赞悄羲符性甄嚣电鞲 ，t s 一攫撑墅菇梅臂恒藏静拄拄挥 也簿 赫9 一 x i 醛黧璇转髓弹茬电概。 图1 9 实测的不同弧焊电源的频率特性 f i gi 9a c t u a jt e s t e df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c c h i v e so f v a r i o u sa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e 用频域法来描述弧焊电源的动态特性，可以比较准确、全面地描述弧焊电源的 特性。但是传递函数不易获得，而且运用实验测试法获取频率特性曲线也比较复 杂。同时，对传递函数与焊接工艺性能之间的联系缺乏了解，还有待进一步的研 究工作。还有该方法只能定性的评估弧焊电源的动特性，不能给出一个定量的指 标，因此，频域法的应用还存在着一定的局限性。 模拟电弧法 由于电弧是一种特殊的负载，必须与弧焊电源构成“电弧一电源”系统才能发 挥其应有的作用。为了研发出工艺性能优良的弧焊电源，就必须对电弧自身的特 性有一个比较深入的了解。因此人们除了不断地研究和探索弧焊电源本身的特性 外，还投入了大量的人力和物力来研究和探索电弧本身的电特性，并且取得了长 1 0 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 足的进步。 电弧是弧焊方法的热源，它与焊接电源共同组成“电源一电弧”控制系统。焊接 电弧是该系统的供电对象( 负载) 和控制对象。若要定量地分析该系统和对焊接 电弧进行预定的控制，首先要深入地了解电弧的电物理特性。众所周知，电弧是 一种气体放电过程。焊接电弧是接在电源上的两个电极之间产生的气体介质的强 烈放电现象。对于任一电弧，其两端都有一定的电压及一定的电流通过，因此， 电弧可以看成是一个动态变化的电阻，因此描述电弧特性同样要采用伏安特性法， 即要获得焊接电弧的伏安特性。 据了解德国汉诺威大学首先提出用可控的电阻箱模拟焊接电弧，并作了大量 的工作，取得了大量的成果。但可控电阻箱的动态响应速度过低，难以得到精确 的结果，特别是当电弧动态频率高、动态变动范围大( 如c 0 2 气体保护焊) 时情况 更为严重。 文献 4 7 】介绍了华南理工大学提出了一种模拟电弧动态特性的新方法。该方法 栅射极电压u n ，v 图1 1 0 i g b t 转移特性 f i g1 1 0 t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c o f i g b t 是采用绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 作为可变负载来 模拟实际焊接过程中电弧的动态变化。该方法利用 了绝缘栅双极晶体管的可变电阻区来模拟焊接电弧 的动态电阻，当i g b t 工作在不饱和区时，射极与集 电极之间的伏安特性可以看作是一个受栅极电压 v g s 控制的可变电阻，因此可以将该区域称为可调 电阻区。图1 1 0 为i g b t 的转移特性，由图可知，随 着v g s 的增大，i g b t 的阻值是逐渐减小的。当通过 微机给定信号控制v g s 焊接过程中电弧的阻值变化 相同变化时，可以使得i g b t 的阻值变化与焊接过 程中电弧的阻值变化相同。即将事先已测得的电弧阻值变化通过可编程波形发生 器控$ 4 i g b t 的阻值变化，再采用汉诺威分析仪测出模拟负载的实际电流、电压波 形，再运用小波分析、统计分析等方法对波形进行分析，从而可以判断出弧焊电 源的动态特性。 通过设定、模拟不同焊接条件下的负载变化动态曲线，可以测定分析出弧焊 电源对不同焊接方法的动态反应。建立起标准动态特性数据库，可为弧焊电源动 态特性提供参考和评判标准。该方法与客观直接测试法相比，这种新方法将电源 看作是一个独立的系统，滤掉各种随机因素的干扰，使得实验结果的重复性和直 观性都很好；与间接测试法相比，时域法只能模拟“空载一短路”，“短路一空载” 这两个瞬时的过程，而且选取的电阻阻值和变化时间等参数是人为选取的，具有 一定的主观性，而该方法则通过微机控制可以模拟整个弧焊的实际过程，不会丢 集电极电流_ 重庆大学硕士学位论文1 绪论 失弧焊过程中时域和频域上的变化信息，同时也可以避免复杂的传递函数的测定 过程。另外，该方法还可以作为一个客观评定依据，对焊机进行性能测试。 1 3 本研究的内容及意义 本文以工控机为核心，控制工作在放大状态下的晶体管组，构成能够大范围 高速变化的可控负载，并构成智能型电弧模拟综合试验台。使用所研制的可控负 载作为被测焊机的负载，并使其动态内阻分别设置为o o ，0 ，“0 一o o ，通过沿 “水平”，“纵向”，“t g a ”方向以一定的速度进行扫描，同时采集和显示被测焊机输 出的电流和电压波形，并进行离线分析和处理。通过大量测试并深入分析和认识 所获得的数据及处理结果，找到定量描述弧焊电源动特性指标的核心参数，建立 考核弧焊电源动特性的定量标准。 所研制的智能型电弧模拟综合试验台，不仅能够为定量描述弧焊机的动特性 指标提供一种新的探索和尝试，而且还可以为具有波形控制功能这一类具有复杂 外特性曲线焊机的调试与检测提供一个有力平台，具有实用意义和学术价值。 2 重庆大学硕士学位论文2 弧焊电源动特性测试新方法的设计思想 2 弧焊电源动特性测试新方法的设计思想 2 1 引言 分析上述文献综述可知，无论是将弧焊电源作为一个独立系统通过外加策动 信号来考察和分析弧焊电源的相关动、静态指标，还是采用模拟电弧取代实际电 弧并将电弧与电源作为一个系统来进行考察和分析的方法，其思想的出发点均是 以自动控制理论基础作为研究工具，并试图借助相关的自动控制理论以及现有的 数据采集及分析方法来获得一个尽可能精确的描述指标，但由于电弧一电源系统 的极其复杂性，因此所作的工作仅解决了某些层面上的局部问题。除上述工作以 外，采用另一种重要技术途径是统计分析法，该方法对分析和比较类似c 0 2 短路 过渡焊接方法有一定的理论和参考价值，但难以成为为一种有效的和综合性的分 析手段。 2 2 弧焊电源动特性测试的新方法 试验和考察大量的弧焊机后发现，即使工艺性能再差的焊机，大电流段( 降 特性焊机) 或高电压段( 平特性焊机) 均具有较好焊接工艺性能，而使焊机在小 电流段或在低电压段仍具有优良的焊接工艺性能则是一件困难的工作，也是焊机 研发的难点和技术水平所在。而前述所有的评价方法均没有并且难以考察同一台 焊机在全电流调节范围内( 降特性焊机) 或在全电压调节范围内( 平特性焊机) 的动态指标的差别，这与实际情况不符，这也从一个重要侧面说明了前述评价方 法存在着严重的缺陷和不足，因此可以在一定程度上认为前述所有的评价方法无 论在评价思想方法上还是在具体的技术路线上存在着严重的偏差，是难以获得全 面、准确和有效的判断结果。 通过实际测试某种整流式中频交流弧焊发电机后发现，其输出的静态曲线是 一条较为完美的降特性曲线，而在同一条曲线不同的工作点( 即电弧电压不同) 上快速加载时发现，当工作点较高时曲线较硬，而当工作点较低时( 如 2 0 v = 曲 线变软，并且出现严重的内甩，即加载时焊接电流不是增加而是瞬间减小。当调 节其输出电流，电流越小时情况越严重。测试同类型的平特性发电机后能得出相 似的结论，动态加载时出现了严重的下甩，当调低输出电压后或同一条曲线上的 小电流段情况更为严重。实际焊接后发现这种整流式中频交流降特性弧焊发电机 在焊接碱性焊条时，可以焊接的最小电流必须超过1 1 0 a ，在酸性焊条焊接时可以 焊接的最小电流可以下降到6 0 a ，而焊接纤维素焊条时可以使用的最小焊接电流 则要高达1 4 0 a 以上。使用整流式中频交流平特性弧焊发电机进行自保护药芯焊丝 重庆大学硕士学位论文2 弧焊电源动特性测试新方法的设计思想 半自动焊时，所输出的电弧电压必须调高至2 4 伏以上才能正常焊接，而规范要求 其电弧电压应低于1 9 v 。而优秀焊机，如美国林肯公司所生产的直流弧焊发电机 在使用纤维素焊条焊接时，最小可使用的电流可以低到4 0 a 。在进行自保护药芯 焊丝半自动焊时，能够焊接的最低电弧电压可以达到1 7 v 。美国林肯公司所生产 的直流弧焊发电机工艺性能优良，试焊时发现其最重要一个特征是其所输出的外 特性曲线比较硬，而之所以某种整流式中频交流弧焊发电机工艺性能差，其最重 要一个特征是其所输出的外特性曲线比较软。因此可以得出一个大胆的结论，评 价弧焊电源的焊接工艺性能及动特性指标，较为全面而有效的评价方法应该是考 察其动特性曲线与静特性曲线之间的差别，即两者差别越小，所输出的外特性曲 线越硬，动特性越好。反之两者差别越大，特别是形状上差别越大，则说明所输 出的外特性曲线软，动特性差。 因此准确而全面地测试和反映动特性曲线与静特性曲线之间的差别将成为正 确考察与描述弧焊电源动特性的一个重要途径和手段，也是本文将要着手进行的 核心工作之一和重要技术特征。 2 3 本文的设计思想 为了能够全面地测试和反映动特性曲线与静特性曲线之间的差别，本文以工 控机为核心，控制工作在放大状态下的晶体管组，构成智能型电弧模拟综合试验 台。通过采用适当控制电路使晶体管组构成的测试的装置的动态内阻可以分别设 置为“m ”，0 ，“0 一m ”，以此作为被测焊机的负载，并使之分别沿“水平”，“纵 向”，“t g 口”方向以一定的速度进行扫描。当扫描速度较慢时，焊机所输出的外特 性曲线即为静特性曲线，当扫描速度快到一定程度时，焊机所输出的外特性曲线 将由静特性曲线转变为动特性曲线，因此只要考察不同焊机在相同规范参数条件 下，以同一扫描方式及同一扫描速度下所输出的动特性曲线与静特性曲线在工作 点处的差别，以及通过考察整条动特性曲线与整条静特性曲线之间的差别，就可 以给出一个准确较为全面的评价指标。 为了方便地进行上述工作，所研制的智能型电弧模拟综合试验台将同时采集 和显示被测焊机输出的电流和电压波形，然后对采集到的数据进行离线分析和处 理，并根据上述设计思想给出弧焊电源动特性的定量指标。 重庆大学硕士学位论文3 系统硬件构成及其工作原理 3系统硬件构成及其工作原理 3 1 引言 为了能全面地测试和反映动特性睦线与静特性曲线之间的差别，设计并制作 能够输出分别为o o 、“0 ”及“0 一o 。”的动态内阻，不但能够沿“水平”，“纵向”，“t g a ” 方向进行扫描而且还具有很高的响应速度的测试装置是本文的重要工作之一。当 系统用于检测平特性焊机时能够输出阻值为“d 的动态内阻，并能够进行水平扫 描。当系统用于检测恒流特性的