（材料加工工程专业论文）晶闸管整流式手工弧焊电源工艺性能的智能评价与诊断.pdf

摘要 随着新技术在焊接电源中的应用，弧焊电源控制功能越来越强大，结构也越 来越复杂。与电源迅速发展相比，相应的测试、评价及诊断装置仍比较落后，目 前国内外在这方面所研制的测试评价系统一般只能针对弧焊电源的某项性能，远 远不能满足弧焊电源发展的需要开发功能完善的电源评价诊断系统势在必行。 顺应这一趋势，本文开发了晶闸管手工弧焊整流电源的测试、评价和诊断系统。 在经典控制理论基础上，本文建立了晶闸管手工弧焊整流电源的数学模型以 推导了典型电路的传递函数，针对电源电路结构和参数对电源输出特性及工艺性 能的影响进行了实验研究，在实验基础上得出了电路结构及参数对电源工艺性能 的影响规律，并以此作为品闸管手工弧焊整流电源评价和诊断的实验依据。 本文所开发的测试评价及诊断系统可对弧焊电源的输出电信号进行采集和 处理，可测试弧焊电源的外特性、调节特性、动特性。系统可将所测试数据存储 并可对其进行分析计算得到弧焊电源的各种静态、动态参数。在此基础上本文利 用人工神经网络对弧焊电源工艺性能的评价和智能诊断进行了研究与尝试。实验 结果表明采用本方法可以对弧焊电源的工艺性能进行较为准确的评价，对电源特 性可以进行参数设置合理性诊断。 本文所开发的晶闸管手工弧焊整流电源评价及诊断系统采用v b 和v c 语言 编写，功能完善，流程清晰，界面友好，使用方便，提高了弧焊电源测试、评价 及诊断的自动化和智能化水平。 关键词：弧焊电源测试评价诊断神经网络 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea p p l i c a t i o no fn e wt e c h n o l o g i e si nw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，w e l d i n g p o w e rs o u r c e c a nb ec o n t r o l l e dn e a t l y ，a n di t sc o n s t r u c t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e d h o w e v e r c o r r e s p o n d i n gs y s t e mu s e dt ot e s t ，e v a l u a t ea n dd i a g n o s ew e l d i n gp o w e r s o u r c ei s r e l a t i v e l yo l d - f a s h i o n e d ，w h i c hc a n ts a t i s f yt h ed e v e l o p m e n to fw e l d i n g p o w e rs o u r c e s oi t sn e c e s s a r yt od e v e l o paf u n c t i o n c o m p l e t e ds y s t e mf o rw e l d i n g p o w e rs o u r c e t h e r e f o r e ，as y s t e mu s e dt ot e s t ，e v a l u a t ea n dd i a g n o s ew e l d i n gp o w e r s o u r c ei sd e v e l o p e d t h i st h e s i sb u i l d su pm a t h e m a t i cm o d e l so fs c r a r ew e l d i n g p o w e r s o u r c ea n dt h e t r a n s f e rf u n c t i o n so f t y p i c a lc i r c u i t s i nt h i st h e s i st h ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et o m a k ei ts u r et h a tt h ei n f l u e n c eo fc i r c u i t c o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r s t o o u t p u t c h a r a c t e ro f p r o p e r t yo fs c r a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t ， t h er e g u l a t i o n so f c o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r so ft h ec i r c u i to nt e c h n i c a lp r o p e r t yo f s c ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c eh a v eb e e no b t a i n e d ，w h i c ha r em a d ea se x p e r i m e n t p r o o f sf o rt h ee v a l u a t i o na n dd i a g n o s i s t h es y s t e md e v e l o p e di nt h i st h e s i sc a nb eu s e dt oc o l l e c ta n dp r o c e s st h eo u t p u t e l e c t r i c s i g n a l so fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，a n dt ot e s tt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ， a d j u s tc a p a b i l i t ya n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c t h ed a t ac o l l e c t e db yt h es y s t e mc a nb e s a v e da n da n a l y z e db yc o m p u t e rt oo b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sa b o u tt h e o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，a d j u s tc a p a b i l i t ya n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o nt h i sb a s i s ，t h i s t h e s i sa l s or e s e a r c ht h ee v a l u a t i o na n d d i a g n o s i sp r o g r a mb ya r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k f o rp r o p e r t yo fs c ra r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e ，a n dt h i sp r o g r a mc a ng e tt h ep r e c i s e c o n c l u s i o n a sar e s u l t ，t h ed e v e l o p e ds y s t e mc a l le v a l u a t et e c h n i c a lp r o p e r t yo fs c r a r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e p r e c i s e l y ，a n dd i a g n o s er a t i o n a l i t y o fc i r c u i t p a r a m e t e r c o n f i g u r a t i o n t h es y s t e mi s d e v e l o p e db yv ba n dv cl a n g u a g e ，a n di t s f u n c t i o ni s r e l a t i v e l y c o m p l e t e d t h ef l o wi sv e r yc l e a r t h ei n t e r f a c eo ft h i ss y s t e mi sf r i e n d l y i t s a n i m p r o v e m e n tt o t h ea u t o m a t i o no ft e s t ，e v a l u a t i o na n dd i a g n o s i sf o ra r ew e l d i n g p o w e r s o u r c e k e y w o r d s ：a r c w e l d i n gp o w e rs o u r c e ，t e s t ，e v a l u a t i o n ，d i a g n o s i s a r t j f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 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，也不包含为获得叁鲞盘茔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：株：0 j 签字日期：如吗年月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鎏盘生有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤姿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：纷、艘j 签字e t 期：c 1 年7 月7 。l e t 翮躲婀刊 签字日期：2 岖年 1 月，d 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的意义和必要性 焊接是现代制造业中一种重要的n t 手段，有着极其广泛的用途。小到日 常用品，大到宇宙飞船、海洋工程开发都离不开焊接技术【l 】。在各种焊接方法中 最重要的焊接方法是电弧焊。电弧焊机由弧焊电源及其辅助装置组成，弧焊电 源是电弧焊机的主要部分，弧焊电源的电气性能直接影响到焊机工艺性能和最 终的焊缝质量。 在焊接技术发展的初期，弧焊变压器结构简单，技术水平和复杂程度较低， 其结构设计和性能评价没有引起人们去过多地关注。随着工业的发展，对焊接 技术提出了更高的要求【2 1 ，特别是由于电力电子技术的发展。弧焊电源已由机 械或电磁控制向电子控制方向转变【3 【4 】。目前对于电源的研究已经达到较高的水 平，电源的控制更为灵活，并且向着智能化方向发展。随着这些新型弧焊电源 的出现，使弧焊电源结构越来越复杂，电源的设计、生产和维修却愈来愈需要 各种测试和评价手段支持。随着我国改革开放的进展，我国主要的电焊机生产 厂正在积极地进行技术改造，以迅速提高我国的电焊机生产和技术水平，并已 从国外引进了九条电焊机生产线，但是仅有两条生产线同时引进了相应的出厂 检测设备，而其余的工厂依然使用传统检测设备进行电焊机的成品检查【5 1 。这种 检测方法无法满足现代工业多品种、小批量、快节奏的柔性生产要求，且传统 检测方法所测量的数据带有较大的人为误差，不够客观和准确【6 】；同时在焊机的 国际贸易中，进出口的商检也迫切地需要种自动检测设备。因此，研制新一 代的弧焊电源检测设备是刻不容缓的，已成为制约我国电焊机生产和产品质量 的提高，以及国际贸易顺利进行的一个重要因素。 自8 0 年代以来，计算机技术在焊接工程中逐渐得到应用1 7 】【8 】。为了汇集和 复现人类焊接专家有关弧焊电源诊断方面的经验知识和技能，使之成为广大焊 接工作者的共享资源，开发一个弧焊电源性能评价与诊断系统，由计算机对弧 焊电源工艺性能进行智能评价，并通过计算机将弧焊电源本身设计不合理的环 节诊断出来，实现弧焊电源工艺性能评价和设计修正的自动化和智能化是十分 必要的。 第一章绪论 由以上分析可以看出研制弧焊电源性能评价和诊断系统有重要的意义。 1 2 豳内外研究现状 1 2 1 弧焊电源测试技术 弧焊电源测试装置可大传上分为三令阶段。第一个发凝除段的测试装置大 多是各种模拟式仪表，如电流表、电压液、示波器等1 6 】。这些装置测量时需要操 作入员手工豫作，翻测读数，手工记录各个测爨参数洇而稔钡4 速度经，精度低。 第二除段磅测了备莘孛专瘸焊接测试装置 9 1 ，典型溅试装置妇荚重a l l i s c h a l m e r s 核装备部研制焊接监控器。这一阶段的测试装置内部电路仍是由分立 元器件组成，功能依赖于硬件电路设计，无法乖j 用计算机控制和操作，自动俄 秘智能纯程度不裹。 第三个阶段是从八十年代以开始。代表特征是微机技术与焊接测试设备研 究相结合，由此国内外出现了由微机控制的电源及烊接参数检测和分析装置。， 典型产瑟如德国的汉诺藏大学a h 系捌汉诺藏弧焊分辑铰【0 1 1 n l ，汉港威弧墀分 析仪示意图如图1 1 所示。此分析仪以焊接电弧为分析对象，可运用统计分析方 ii l 司竿田电现1 几一 菇 l 毫援 匕厂 强烽 搏 n l 工件 l p f 电源 电 淫 分辑 u 电流传惑器闯轴电缆2 仪a h x l l 图1 - 1汉诺威弧焊分析仪( a h x ) 示愿图 法耧模襁数学静方法分褥绰梳焊接过稷耱稳是性。嚣本稔下公司警产了一释y z a a 0 2 型弧焊电源微机巍动检测设备( 1 2 1 ，是专f 1 用采对弧焊电源进行出厂检查 的一种检测设备。此设备利用计簿机机控制弧焊电源检测螽、测试仪表、负载， 测试究毕螽霹将被溺强弹电添的静态和动态参数势嗣在显涿器霸灏量坟表上黧 示出来，并可将测试数据保存并打印出测试结果，此套设器已经被天津电焊枧 厂引进用于焊机出厂检验。t h e w e l d i n g i n s t i t u t e 公司、美国h o n e y w e l l 公司、英 国焊接研究所等也研镧遗孤焊分析仅 l ”。 避年来随着计算机技术螅发展和微型计算机性能进一步提裹，弧爆电源鲍 测试系统也在不断熙新换俐“l ，并且功能越来越完管。1 9 8 9 年，天津大学研制 盘多功能焊接参数测试议。1 9 9 5 年，谕尔滨工监大学与成都焊接研究骈和苏州 第一章绪论 电焊机厂合作研制了一套电焊机出厂检测系统【1 5 1 ，此系统的数据采集和控制软 件基于d o s 操作系统。1 9 9 7 年，杭州远方仪器有限公司研制了一种弧焊电源测 量仪i l “，该仪器采用单片机控制，能比较快的测试电流和功率因数等电参量， 能够解决因电流谐波失真问题而带来的测量误差，具有一定的智能性，但用于 弧焊电源的全面测试功能相对单一了一些。2 0 0 0 年，华中理工大学研制了基于 w i n d o w s 界面下的弧焊电源动态特性微机测试和分析系纠1 7 ，对电源动特性进 行测试，并对测试数据进行统计分析和频谱分析，图1 2 为这一系统的原理图。 2 0 0 0 年，重庆大学也研制了一套w i n d o w s 9 5 9 8 操作系统下的焊机出厂检测系统 图1 - 2 微机控制弧焊电源动态性能测试系统原理图【l ” 1 8 】，功能比较完善，可测量焊机动特性、外特性各种参数，并能对焊接过程电 信号进行统计分析，测试数据存入数据库和打印输出。 由以上论述可以看出，弧焊电源测试装置发展比较快，正在逐渐适应弧焊 电源发展的要求。但国内外所研制出的弧焊电源测试装置功能不太完善，比较 单一化，智能化程度低，基本上只有测试功能。 1 2 2 弧焊电源工艺陛能评价诊断现状及存在的问题 弧焊电源评价就是在对弧焊电源外特性和动特性测试基础上，通过人工智 能系统的支持对电源的性能给出科学客观的评定，以代替现有的人工评定弧焊 电源的方法。文献 1 9 】研究了几种典型手工焊外特性曲线形状变化对焊接飞溅的 影响，指出手工弧焊电源不同的外特性曲线形状以及在每种曲线形状时不同的 参数取值对焊接飞溅有影响，并得出了电流外拖量对焊接飞溅影响的曲线规律。 文献【2 0 】对晶阐管手弧焊机的引弧性能和电弧推力进行了研究，提出了从引弧能 量参数来作为评价引弧的指标。 第一章绪论 弧焊电源动特性评价相对比较复杂，弧焊电源动特性评价方法主要有两种： 第一种方法是电阻负载模拟法【2 l 】，就是用电阻负载模拟实际焊接时电弧负载的 变化，测试在负载动态变化时焊接电压和电流的响应，求出某些特定的时域指 标来评定电源的动特性。 第二种方法是实测评价。在实际焊接过程中通过测试装置提取电压和电流 信号m i 2 3 1 【24 1 ，对所测试的数据和波形进行分析和计算，求出与弧焊电源工艺性 能相关的特征参量，以对焊接过程或电源动特性做出评价。文献 2 5 就是利用 实测的评价方法从c o 。焊接电信号中提取反映电源动特性的特征信息对c o ：弧焊 电源动特性作出评价。 在有关弧焊电源诊断方面开展的研究比较少。实际上弧焊电源诊断系统也 是一个专家系统，就是通过计算机依靠人工智能设计方法对焊机的某些特征参 数进行采集处理，然后进行判断。国内关于弧焊电源诊断方面做的多为弧焊电 源常内见故障的诊断，在文献 2 6 r 9 就是利用计算机搜索知识库的方法实现氩弧 焊机故障的确认。国外在弧焊电源诊断这方面的专家系统也比较少，且一般用 于特定的焊接设备【”，如美国m i l l e r 公司开发的m i l l e re x p e r tp r o g r a m ，专为该 公司生产的m a x t r o n 3 0 0 ，d e l t a w e k d 4 5 1 及6 5 1 等产品服务。法国f r a m a t o m e 公司 的h o t w i r et i ge x p e r ts y s t e m ，用于热丝t i g 堆焊设备，可分析2 0 0 种故障原 因。 由以上分析可以看出，国内外弧焊电源测试装置的开发研究丰富了弧焊电 源测试的手段和效率，提高了测试的准确程度和自动化水平。但从总体上来看， 所开发的装置多是针对弧焊电源电参量的测试，电源的评价技术相对落后，仍 需人工评价，即使有些仪器具有一些评价功能，也只是针对某一具体指标的评 价，全面智能评价系统仍需继续研究开发。对于弧焊电源的工艺性能诊断方面 国内外目前开展的工作比较少，焊接工艺性能涉及很多因素，如焊接飞溅就可 能受电流调节器的放大倍数、调节器积分环节的积分时间常数、微分环节的时 间常数、主回路电感等多个因素的综合作用，利用专家系统不易作出判断。近 些年神经网络应用日趋广泛，神经网络具有非线性、自学习和自记忆功能【2 8 】， 比较适合弧焊电源的工艺性能诊断。智能化是各学科发展的必然趋势，对于弧 焊电源评价与诊断领域也需要实现智能化，以减少人为干预，减轻测试者的负 篇一章绪论 担，提高测试评价诊断的自动化和智能化水平。 1 3 本课题主要研究内容 麓于弧烽电源评价稻诊断黼前存在的闯繇，奉课题拟建立一套弧弹电源评 价及诊凝系绫，并开展以下工终： 1 建立晶闸管式手工弧焊电源系统的数学模型并分析系统中各环节电源电路参 数对系统性能的影响。 2 。在述理论分蜒基礁上设| 卡实验，邋过实验寻找电源特牲参数毫源龟路参数 对晶闸管手工电弧焊电源工艺性能的影响规律。 3 完藩弧焊电源测试系统软硬件平台，对弧群电源的静态特性和动态特性进行 测试。 4 开发界面友好、使用方便的数据分析处理软件，对采集的弧焊电源电压、电 流信号进行滤波处理、统计分析、频谱分析和相荚分析，得到弧焊电源的有 关特锰参数。 5 建立弧焊电源工艺性能评价及诊断系统，用v b 和v c 设计开发数据分析软 件，并建立评价及诊断神经网络，实现对弧焊电源工艺性能的评价和诊断。 第二章弧焊电源测试系统的软硬件平台 第二章弧焊电源测试系统的软硬件平公 避幸亍谨徐诊断静基穑蓄先簧建立一套完藩静测试软硬 牟平台。硬件平台由 前向通道和后向通道组成，完成弧焊电源电压电漩的采集、滤波处理、电压电 流信号的数模转换以及实现对电阻负载箱的自动控制。软件进行数据的处理得 萄毫源酌特征参数并霹电源豹工艺萑畿进行评价和渗酝。 2 。1 疆馋乎叁 2 1 1 测试系统的功能与技术指标 电源测试系统的技术指标如下： l 。甄洚电源输密毫流、邀篷测量范围致表示方法冤袭2 - l 。 表2 _ l 参数的测量范围和表示方法 i 参数类型测量范围表示方法误差( ) 壹流0 - 2 0 0 a ，2 0 0 l o o o a平均萑【0 5 i 交流e 2 a ，2 0 0 l o o o a毒效毽0 。5 直流o 一1 0 0 v平均值0 。5 u 交流0 - 1 0 0 v有效值o 5 2 。测试系绞装提供了四个输入逶道，嗣于计算毫蓬采黛数据，1 3 个浚塞逶邀 用于计算机控制电阻箱。 2 1 2 硬件平台的缩构 测试系统硬 孛乎台绪梅愿骜翅圈2 * l 瑟示，其主要缀残部分说翳螽表2 - 2 。 第二章弧焊电源测试系统的软硬件平台 表2 - 2 测试系统组成表 编号 名称功能与用途型号戚说明 由| 3 个无薅电疆并联，最大测试电 电阻负载糟模拟电弧负载 流1 0 0 0 a 屯聪、电流传感器检测电压、电流霍尔电流、电压传感器 委寒尔( b e s s e l ) 多反馈绦通滤波， 滤波放火电路信号放大及滤波 截止频率3 5 k t t z p c 7 4 8 3 8 位1 0 0 k h z ，8 通 数摄采集卡数据采集及a d 转换 道，1 0 u s 1 0 0 k p m - 1 0 0 0 - 1 4 ，用于嶷漉信号 l e d 数字显示表头显示电流、电压值 p m - 1 0 0 0 - 3 5 ，用于交流信号 光电隔离电路输出开关倍母p c - 6 4 0 8 ，1 6 位，1 6 通道 诗冀辍过程羧裁、镶号处理 主频3 0 0 m h z , 3 2 位pl l 系裂诤算瓿 打印机数据及图形打印 c a n o nb j c - 2 5 5 s p 喷墨打印机 测试时通过霍尔电流( h 1 ) 、电压( h u ) 传感器检测弧焊电源在不同负载( 呶 弧或电阻) 下输出的电流( i ) 、电压( u ) 信号，信号经滤波放大、a d 转换厝 送入诗算援，在专 葵桃孛出鬯踩溅浮软咎楚臻数据。 2 2 软件平企 l 主界面 融特效溅试攮块l 翰特牲弱试模块l 敞撼处理辏决l 泌赞诊凝模决l 辩驹模块l l 图2 - 2 软件系统总体构架示意图 本测试系统软件平台主要由五部分组成：外特性测试模块、幼特性测试模 块、数据处耀模块、工艺蛙戆译赞帮诊新模块、穗麓鼹务凌能模块。较 孛平台 是在w i n d o w s 操作系统下采用v b 编穰，界巅是通用的w i n d o w s 可视化界厦， 人机交互方面非常友好。其对低层的控制如a d 卡和i o 的驱动则由v b 调用 - 第二二章弧焊电源测试系缆的软硬件平台 v c 编写的d i 上程序实现f 3 2 】 3 3 】。软件系统采用m d i ( m u l t i p l ed o c u m e n ti n t e r f a c e ) 窗体技术1 3 4 】，软件系统的总体构架如图2 - 2 所示。 系统主界面魏图2 - 3 所示。系统静功能选择界西如图2 4 所示。 圈2 - 3 评价及诊断系统主界面 系统启动后，罄先进入主界覆，由主界蘑进入功选择爨亟，使用嚣在功熊 圈2 - 4系统功能选择界面 选择爨露上选择进入相应模块。 2 2 1 外特性和调节性能测试模块 电源的外特性是指在电源内部参数一定的情况下，改变负载时，电源输出电 压的稳定毽u ，l 与输出电浚熊稳定僮b 之闯的关系篷线l 沪，( 劲。乡 特性稳 第二章弧焊电源测试系统的软硬件平台 调节特性测试功能相似，故放在一个界面内，本文开发的外特性和调节性能测 试模块程序界面如图2 5 所示。图2 5 中为外特性及调节特性图形曲线显示区， 为外特性测试数据显示区，外特性参数及调节特性参数显示区，为菜单 栏，为自动手动档切换区，为手动档位选取区。 图2 5 外特性及调节特性测试抖血 此模块可以通过计算机送出控制信号控制测试台电阻继电器的闭合和断 丌，通过电阻继电器的依次动作模拟实际焊接过程中电阻的变化，使电源输出 端自空载至短路变化，由测试台将电压电流信号通过a d 卡的转换送入计算机 中，在计算机中记录下不同电阻负载下的电压电流值，将各点连线平滑后可得 所测试电源的外特性曲线，测试过程中为了得到较为准确的电源外特性曲线， 外特性测试点数应尽量多一些，最少不可少于8 点。本电源测试系统的负载电 阻箱中的1 3 个电阻组合成3 0 个档位，足以满足外特性测试要求。测试过程中 为了测试人员使用方便，将测试方式设为自动和手动两种。自动测试时，在界 面上选中自动档，程序给出指令控制测试台负载电阻箱中电阻由大至l j d , 依次接 通断丌，自动测试时共2 2 个电阻档位，每个档位的电阻继电器接通时间为1 秒， 然后自动断开，所以总共测试时间小于3 0 秒，这样有利于提高电源的测试速度 和测试的自动化程度，而且还可以防止短路时大电流停留时间过长而对电源和 第二章弧焊电源测试系统的软硬件平台 测试台造成损坏。手动测试时选中手动档，可以在操作界面上手动选择电阻档 位，以对外特性晌线补点或重新确认莱一点。测试完毕，点击界面上的结束援 锾，程摩擦掰测试毫源豹步 特搂麴线绘在匿片搓中。 程序允许最多一次测试1 2 条外特性曲线。只要在测试时调节弧焊电源的电 流范围，测试出电流最小值时和电流最大值时的外特性曲线，然后在程序菜单 中选铎调苓特性予菜单，程序簸霹绘密电源受载麴线，缮遗与趣滚最大和最小 值的交点，并用红线示出，在界面下方的调节特性参数列表中列出电、濂最大最 小值以及与电流额定值的比值。弧焊电源负载线按照焊接方法的有关国家规定， 手工电弧辫麓负载特性必： 当i f 6 0 0 a 时，u f = 4 4 ( v ) 受载线在溅试软 孛中标绘鸯籍圈2 8 掰示。考虑到使霜上豹方便，在诧模块孛 同时编制了调节性能评价子程序，在褥出电流最大值和最小值之后，褥出与额 定电流之比值，若最小比值大于2 0 ，程序给出电源电流调节范围最小值过大 的评价：若最大值小子8 0 ，程序给邂电源电流谲节范瀚最大俊不是的评价。 在此模块中缡制了数据存镶和数据调用予程序。该子程序在外特性积调节 性能测试完毕后，可将所测试的外特性数据、外特性参数和调节特性参数变为 数据文件分剐存镛；对蠢存储豹数据文 牟再戳重耨诵瑶，以进行二次分析。 夕 特饿及调节特性的测试软 牛使耀步骤如下： 如图2 ，5 所示，在菜单栏测试类型菜单项中选择外特性测试，在电源类型菜 单臻中选择手工弧焊电源，在区中选择自动或手动测试，若楚手动测试，需 要在区选择手动档位，单壹赛厦右下角的瑟始按镪，计募攫裁送出控刳僖号 控制负载电阻箱进行测试，测试完毕后，单击结束按钮，在区显示出外特性 益线，在区显示出测试数据，重复以上步骤可测出多条外特性曲线。在测试 类型菜单矮中选择调节特娃矮，在区孛就绘出彀滚受载趋线，共将与夕 特牲 曲线的交点用红点标出。在电源分析菜单项中选择外特性特征参数项绒调节特 性颈，则外特性特征参数或调节特性特征参数就在区中显示出来。 在踅模块中运秀发了求取乡 特毪备矮参数懿予程序，妇空载电蓬、步 将牲 曲线斜率、拐点电压等，这些渗数的求取是为后面的弧焊电源工艺性自评价和 第二章弧焊电源测试系统的软硬件平台 诊断服务的。在此模块中还可以生成引弧评价、电弧弹性评价、焊缝成形评价、 飞溅评价四个评价神经网络所需要的外特性特征参数。在本模块界面的菜单中 有项就是神经网络特征参数的生成。 2 22 弧焊电源动特性测试程序 弧焊电源动特性是指电弧负载状态突然变化时弧焊电源输出电压与电流的 响应过程。进行弧焊电源的动特性测试采用测试台负载电阻箱中电阻模拟焊接过 程。动特性测试模块程序界面如图2 - 6 所示。图2 - 6 中，区为数据采样时间 图 2 _ 6 动特性测试界向 设置区，用于空载、短路时间的设定，区为负载档位设置区，用于设置短路时 负载电阻箱短路电阻的设定，区为打开数据文件区，区为菜单栏，区为动 特性电流、电压波形显示区，区为电流、电压有效值显示区，区为电流、电 压波形坐标值显示区。 在进行动特性测试时，在动特性测试界面菜单中选择动特测试方式，模拟动 特性测试有两种方式：“空载一短路，空载”和“负载短路负载”。短路时电流较 大，为了防l e 长时间通过大电流而烧坏电源和测试台，程序设计了短路时间设置 子程序，可以根据实际目的预设短路时间，如图2 - 6 界面左方所示。 测试开始后，程序发出控制指令使电阻按预设值置位，启动采集卡进行数 第二章弧焊电源测试系统的软硬件平台 据采集，同时将电阻短路，经延时，一般设为1 0 0 m s ，再将电阻复位，保存数 据，采集过程结束，采样结束艏电压电流波形便可驻示在动特性测试界面上。 电整簇的最小电难舞0 。0 3 q ，透经隽短翡状态。焊接过程波形采繁在蓬辫蔫设鬟 采样时间，在焊接时选择焊接过程选项进行数据采集。采样频率控制为 6 k h 护15 k h z 。 褒犍模块中设霍了一些基本统 凌能，霹踱稳滚压耪毫流瓣平均毽求出菸 显示在界面上。由于动特性波形谐波成分丰富，波形不是很清晰，为此程序中 编制了波形放大予程序，可以对波形放大，以利于波形细节的观察分析。 傻蠲步骤：奁动特瞧测试菜革矮孛选择空载惹瓣空载疆，送行空裁一短路一 空载测试，在选项菜单项中选择短路电阻或在区中设置，单击采集按钮，计 算机送出控制信号控制负载箱动作，进行数据采集，采集结束后，电流、电压 波形在区湿示密来，当鬣标农基移动对，在嚣藏会显示当藩垒舔缓。测 试完毕，可选择菜单保存项，保存数据和图形。医可将计算机中存储的数据 提到此模块中。 2 2 3 数据赴理模块 乍为个比较完善的软 牛，电源测试结束后，要能对电源测试的原始数撰 进行分析，得出电源的各种参数。图2 。7 为数据处理模块的界面。 在图2 7 中，为菜零栏，为数据文件存取嚣，为二次数据显示区， 炎电流、电压波形鼹示区，为信号频谱分撰区，在北区可以显示时域信号的憾 立叶变换等。 数据分析模块的功能如下所述。 2 2 3 1 统计分析 数握处理模块霹鞋逡孬敷下统诗凌戆：浓取壹浚电源瓣电爨电滚平均筐， 求取交流电源的电压电流有效慎，电滕电流动特性波形的一阶导数、二阶导数， 电源的功率函数等。 2 2 。3 2 频潦势掾 此模块可求出电源输出电压、电流信号的功率谱、幅德谱、相位谱的分布， 从而将时域转换到频域去分析 第：章弧焊电源测试系统的软硬什平台 。“”。= 。“”一 图2 7 数辗处理赛薤 2 2 33 电源动态特参数 在此模块中可以求出短路电流上升率、超调量、短路电流峰值、空载电疆 恢复速度等电源动态参数，这是压瑟糖经鼹终特廷参数的准冬。在此模块菜肇 中有一项就是神经网络动态特征参数的提取。 使用步骤：在界面区将计算机中存的数据文件打开，数据所对应的电流 电压波形袋在医显示爨来，在菜单栏中选摆分攒魂能，翅要求取短鼹电渡上 升率，便选择负载动特性参数柒单项的短路电流上升率子菜单项，所求取的特 征参数会在区表格中显示。 2 3本颦小续 本章介绍了弧焊电源谖馀及诊叛系统的硬件耱敬 牛平台。该系统嫒l 牛设计 合理，可适用于直流和交流弧焊电源的测试，操作方便，为计算机留有硬件接 口，便于实现测试的计算机自动控制。软件系统采麓v b 和v c 编程，软件系统 器嚣友好，程序袋明模块化设计，滤稷凌| ； ，埂予操终。系统可实理弧烬电源 各电参量及外特性和动特性的测试，对保存的数据可进行分析并提取特征参数。 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影响 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影晌 进行弧焊电源的评价，是通过测试弧焊电源的外特性曲线和动特性波形， 从外特性曲线和动特性波形上经分析得到弧焊电源的输出特性参数，从这些特 性参数反映出电源的工艺性能的优劣：弧焊电源诊断是从弧焊电源的输出特性 参数出发，从这些输出特性参数来反映弧焊电源结构设计及参数配置的合理性。 本章主要讨论弧焊电源结构及参数对电源输出特性的关系，为后面的实验及评 价诊断进行理论上的准备。 本文实验所用的弧焊电源是z x 4 0 0 b 晶闸管式整流弧焊电源，其电路图如 图3 - 1 所示。如图3 一l 所示，此电源由主电路和控制电路两部分构成，控制电路 又由同步电路、移相触发电路和外特性控制电路构成。外特性控制电路采用电 流反馈，在低电压时采用电流电压反馈，因此能够形成恒流带外拖的外特性。 对晶闸管式手工弧焊电源的评价和诊断涉及外特性和动特性两个方面，因 此对晶闸管式弧焊电源的理论分析也从外特性和动特性两个方面来着手。 3 1 晶闸管式手工弧焊电源外特性分析 对手工弧焊电源来说，其外特性曲线大体上分为三段：自然下降段、陡降 段和外拖段 3 6 1 。手工弧焊电源的外特性对于电源的引弧性能、电弧弹性、熔滴 过渡、飞溅具有很大的影响，如空载电压对引弧和电弧弹性有影响，外拖对引 弧和飞溅产生影响，外拖段拐点对成形会产生影响。具体电源的电路参数不同 导致电源外特性曲线形状也不同，应该从电源电路的数学模型进行分析。 晶闸管式弧焊电源的开环系统方框图如图3 2 所示。 图3 - 2 晶闸管式整流弧焊电源的开环系统方框图 图3 2 中各符号意义如下： u k ：控制电压 a o ：移相触发电路近似用一个比例环节来表示，比例系数为a o 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影响 ；肚自， ” 自。 s 0 一 ；! e 牛；丰； a 圭土a目二 拄 鲁窿量垂 自 ；竹 司乒耨 - l j 、 孔硼列h it r t ： 。白j”垠 八鬲 野； 1 1 l 7 i h e 胃轴m i j ；0t 0i ；亡 e 】 徐 咄。 ，黔黔i 兢献k i 目 2 陆i面舻”i l 曲4 4 ： j b 罐驸 目 a 叫j l i z l r 匕亨，甲“广尹妒广肆p ： c 3 ；【 b !a ! a 丰峙 z 氛。篇。瓣 划： h 牛4 f i ；- ；- 1 s 一i 罐! 罐：罐? “；鞋 冀 l 。j 幕一焉一马一b i ：l ，i 兰：l ， ；0 。婚 豁。豁豁+ 芊 碍 = o1 晒 ”蝌 一节 _ 制 压 雨盈 车肄号一 啦蔓u 匝导看脚聪脚驶景惯蠕测瓤厘咄oo寸”)(n i c 匝 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影响 u o ：电源空载电压 u f ：电源输出电压 ：邀源等效蠹陋 i f ：输出电流 则开环系统的外特性方程为： u ，= a o u t l y r o ( 3 - 1 ) 磊阕管式弧辫整滚豹趣嚣系统方框藿舞灏3 3 掰示。 匿3 - 3晶黼管式整流孤浮电源的闭环系统方框图 图3 3 申各符号鲍意义如下： r f ：电源输出端的负载电阻 m ：电压反馈系数 1 1 ：电淡反馈系数 u “电压给定量 u g i ：电流给定量 a m ：惫压反馈珏节误差放大锫数 a 。：电流反馈环节误差放大倍数 u k 、a o 、u o 、u f 、r 0 、i f 意义同图3 1 。 凌圈3 。3 可攥爨鑫瓣譬式手工弧簿毫深溺环反馈系统懿舞特毪方程麓： 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影响 得： u f = a 秽i i r 4 ( 3 2 ) u k = u “q - u 缸= 4 。( u 觯一m u ，) 十“。( u 孽f n l ，) ( 3 - 3 ) 式( 3 3 ) 中沈是电压反馈和电流反馈的综合结果，将阢代入式( 3 2 ) 中， u i = 蠢泓。f 叫u j j + a 。唧功呻西 ) 对式( 3 - 4 ) 进行整理，得电源外特性的撼本形式： u i ：鱼生坠垫垒堡一n a o a + r o ， ( 3 5 ) l + 噶厶1 + m a 。颤。 在式( 3 - 5 ) 中，设矗= 0 ，则可得空载电压u o 为： u o ：a o a , , u g “+ a o a u g i ( 3 6 ) l + m a 。a m 由式( 3 6 ) 可知；通过a 。和a n 的改变来调整空载电压，但怒改变调 节器的放大倍数会影响外特性的形状和系统的稳定性，所班一般不采用这样 戆调节方式，瑟是逶l 篷浞节交压嚣毫压来调整空载毫逶，变嚣器空载遣垂反 映在式( 3 6 ) 中就怒参数a 0 。 从式( 3 5 ) 中可得出外特性曲线反馈下降段斜率为： 牛篇荣 ( 3 - 7 ) 由( 3 7 ) 可知，a 。和a 。的改变将影响电源外特性曲线陡降段的斜率。 翻子手工弧簿您了毫流巍藏豹稳定零毫嚣静弹毪一般采震蕤降带辨拖静辩 特性。在陡降段没有电压反馈，即a m _ o ，则陡降段斜率为： g n = n a o a 。+ r o ( 3 - 8 ) 由式( 3 - 8 ) 可知，1 1 、a 。增大，则外特性斜率增大，殿之外特性斜率 减小。在终撼段电滚反馈帮毫压爱镶共闲辖窝，枣式( 3 。7 ) 可知；由于泡 压反馈的加入使电源外特性曲线斜率减小，且a 。越大，外搬段曲线斜率越 小，外撒量越大。在实际电路结构中，a 。由电难反馈通道的可变电阻决定， 在蚕3 。 中戈可交毫糙w 2 。 外特性曲线的转折拐点由外特性自然下降段和陡降段的交点决定，如 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影响 图3 - 4 所示。 图3 - 4 外特性曲线示意圈 图3 - 4 中，1 为自然下降段，2 为陡降段，3 为外拖段，自然下降段与陡降段 熬交点z 蕊乡 特投麴线转辑携悫，睫簿段与铃拖段交点g 为夕 将性蘧线韩戆携 点。外特性曲线的转折拐点电雁、电流表达式为： 爿o a 。u 一( n i l o a 。+ r o ) ，= u o r o ， 整理得： ，焉z 。一致 ，叫。以 驴”笔学如 ， 由( 3 。9 ) 可得；转折拐点电压、电流由空载电压和调节器放大倍数决定， 空载电压越高，转折拐点电压也越高。 为了有聪予鬣路弓l 弧_ 帮调苇奄强力，当圭电路魄压低予菜一穰靖，鞭浑宅源 外特性曲线便出现外拖，外拖拐点电压与电压反馈回路误差调节器的绘定电压 有关，给定电压按误差调节器i c 4 a 的反相端，电臁反馈阐路从主电路得到的反 馈龟运接谈羞调节器i c 4 a 静鬻稳灞，翔图3 5 辑示。 图3 - 5 电压反馈电路电路嘲 警反馈电压大于给定电压时，误蓑调节器输出为正，二极管d 2 8 不通，电 压反馈不越作用，夕 特性些线处于陡降段，当采捞逸压小予给定电压渺，误差 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影响 调节器输出为负，二极管d 2 8 导通，此时电路中电流与电压反馈同时起作用， 外特性曲线进入外拖段。外拖拐点由误差调节器的给定电压和采样电压的关系 决定，在外特性曲线上为外特性陡降段和外拖段的交点。误差调节器的给定电 压为0 ，采样电压为m p 这时p 是指误差调节器对同相端输入电压的放大倍 数。由此得外拖拐点电压为： u ，= u g , , m p ( 3 - 1 0 ) 由式( 3 1 0 ) 可知：m 越小，外拖拐点电压值越高，在图3 - 5 中i t i 为r 5 8 、 r 5 9 、r 6 0 构成的分压电路的分压比。 3 2 晶闸管式手工弧焊电源动特- 性分析 弧焊电源的动特性研究的是电弧负载状态突然变化时弧焊电源输出电压与 电流的响应过程。弧焊电源的动特性合适，才能获得良好的引弧，熔滴过渡才 会柔顺，才能保证燃弧稳定，才能减少飞溅。在研究电源的动特性时由于有负 载的突然变化和其他的干扰，所以在系统模型中把给定电压和给定电流合起来 作为电压给定值。通过简化，晶闸管手工弧焊电源的一般系统模型方框图如图 3 图3 - 6 晶闸管手工弧焊电源的一般系统模型方框图 图3 - 6 中模型采用的是一般晶闸管手工弧焊电源所用的电流负反馈。 在图3 - 6 中， g f f s ) = k 。( 1 + 1 t i s + t d s ) ，误差调节器电路的传递函数 g 2 ( s ) = k 2 ，移相电路放大倍数 g ，( s ) 2 志，主回路近似传递函数 g 4 ( s ) = k 4 ，电流反馈系统放大倍数 v 。( s ) ：给定信号 e ( s ) ：误差信号 第三章电源结构与电路参数对输出特性的影响 u k ( s ) ：控制电压信号 u d ( s ) ：电源输出电压 n ( s ) ：干扰信号 i o ( s ) ：输出电流 3 2 1 比例调节 首先讨论纯比例调节时的情况，当电路为比例调节时，g 1 ( s ) 可简化为k l ， 其中k l 为调节器的比例放大倍数。则系统的传递函数为 张加矗器黼驰卜丽丽瓣1 丽忡) 本节研究的是系统在动态下的响应，而给定信号为定值，经拉氏变换后为 零，所以上式可简化为 l o ( j ) = 一_ 7 鬲号鬲_ i ( 5 ) (3-12)1g + l ( j ) g 2 ( j ) g 3 ( s ) g 4 ( s ) 、 将g i ( s ) 2 k l ，g 2 ( s ) 2 k 2 ， g 3 ( s ) “i