（材料加工工程专业论文）复合控制强迫成形自动立焊系统的研制.pdf

摘要 强迫成形自动立焊技术是一种高效焊接方法。本文将温度传感器引入到自动 立焊系统中，研制了新型牵引式强迫成形自动立焊系统。自动立焊系统主要包括 机械系统、焊接电源及电气控制系统等，其中机械系统包括焊机机头、提升机构 等。 在研究中，提出了熔池液面高度复合控制的思想，复合控制中的检测信号包 括温度传感信号和电弧电压或电流检测信号，其中温度传感信号作为自动立焊熔 池液面高度控制的主要检测信号。综合考虑系统中各种影响因素，研制了相应的 信号检测和焊速自动调节系统。 本文研制了新型的焊接参数显示系统，可以显示焊接电压，电流和焊接速度。 系统研制中采用了变结构控制方式，实现了参数预置和实时检测。 实验证明，采用温度传感、电弧电压或电流检测的复合控制能够满足立焊过 程自动控制的需要。本文研制的新型强迫成形自动立焊系统具有良好的可靠性和 实用性。该项研究必将促进高效自动立焊的应用和发展。 关键词：温度传感电弧电压检测复合控制变结构熔池液面 a b s t r a c t t h ee n c l o s e dv e r t i c a l a u t o m a t i cw e l d i n gt e c h n o l o g yi sah i g he f f i c i e n c yw e l d i n g m e t h o d i nt h i sp a p e r , t h e r m o s e n s o ri si n t r o d u c e dt ot h ev e r t i c a l 。a u t o m a t i cw e l d i n g s y s t e ma n dt h en e we n c l o s e d v e r t i c a l a u t o m a t i c w e l d i n gs y s t e mw i t h at r a c t o ri s d e v e l o p e d t h i ss y s t e mc o n s i s t so f t h em e c h a n i c a lp a r t ，w e l d i n gp o w e rs o u r c ea n d e l e c t r i cc o n t r o l s y s t e m a n di nt h em e c h a n i c a lp a r t w e l d i n gh e a da n dh o i s t i n g m a c h i n ea r ee m p h a s i z e d i nt h es t u d y , a ni d e ao fc o m p l e xc o n t r o li sp r e s e n t e df o rc o n t r o l l i n gt h ef s p ( f l u i d s u r f a c ep o s i t i o no fm e t a lp 0 0 1 ) t h ed e t e c t i o ns i g n a l s o fc o m p l e xc o n t r o l c o n s i s to ft h et h e r m o s e n s o rs i g n a la n da r cv o l t a g e o rc u r r e n t s i g n a l ，a n d t h e t h e r m o s e n s o rd e t e c t i o ni su s e da sam a i ns i g n a l i n t e g r a t i n go fa l lt h ef a c t o r so f i n f l u e n c i n g t h ef s p , t h e s i g n a ld e t e c t i o ns y s t e m a n dw e l ds p e e da u t o a a j u s t i n gs y s t e m t oc o n t r o lt h ew e l d s p e e da l ed e v e l o p e d i nt h i st h e s i sa l s op r o v i d e san e wt y p eo f w e l dp a r a m e t e rs h o w s y s t e m ，s u c ha s w e l d i n gs p e e d ，c u r r e n ta n dv o l t a g e i nt h es y s t e m ，t h es w i t c h i n gc i r c u i ts t r u c t u r e i s u s e di np r e s e l e c t i o na n d p r a c t i c a ld e t e c t i o n t h e e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ec o m p l e xc o n t r o lm e t h o dw i t ht h e r m o - s e n s o ra n d a l cv o l t a g eo rc u r r e n ts i g n a ld e t e c t i o nc a nb es a t i s f i e dt h er e q u e s to fa u t o c o n t r o lt h e p r o c e s so f v e r t i c a lw e l d i n g t h en e w e n c l o s e dv e r t i c a l - a u t o m a t i cw e l d i n gs y s t e mh a sg o o d r e l i a b i l i t y a n dp r a c t i c a l i t y t h i sr e s e a r c hw o r kw i l lp r o m o t et h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n t o ft h eh i g he f f i c i e n tv e r t i c a lw e l d i n g k e y w o r d s ：t h e r m o s e n s o r a r c v o l t a g ea n d c u r r e n td e t e c t i o n c o m p l e x c o n t r o l s w i t c h i n g c i r c u i ts t r u c t u r ef s p l i 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，也不包含为获得叁盗盘堂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：翮：；多与签字日期：卯；年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盎洼盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘茔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： 滁否鸿 导师签名 签字日期：) 力；年7 月日 签字日期 掘涵毵 & 叼年7 月同 ， 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高效立焊技术的发展“7 2 3 当前，随着钢铁冶炼及焊接技术的发展，在工程建设及设备制造中采用低合 金厚板结构的工程正日益增多，冶金工业的各种工业炉窑，高层建设中的粱、柱， 造船业的船体以及重型机械等均不同程度的采用了3 0 1 3 0m m 厚板和特厚板。 因此，在大型金属结构焊接中如何提高焊接生产率成为人们普遍关心的问题。 长期以来，立焊焊缝一方面主要依赖手工电弧多层焊焊接工艺。它虽有焊接 接头韧性高，热影响区过热少等优点，但对于厚大焊件的焊接，由于手工电弧焊 焊接效率低，且焊接质量须靠相当熟练的焊工来保证，往往延误工期，难以满足 实际焊接生产的需要。另一方面采用电渣焊。电渣焊虽然焊接效率高，但是由于 其焊接的线能量大，加热和冷却速度低，焊缝结晶组织常是粗大的树枝状组织， 热影响区则常出现严重过热，这些因素导致焊后必须进行热处理。因此，电渣焊 的应用也受到很大限制。 8 0 年代初，随着药芯焊丝的发展，出现了气保护或自保护气电立焊等一些高 效的立焊技术，并且得到实际的应用。气保护或自保护气电立焊是一种高效的焊 接方法。它采用实芯或药芯焊丝做熔化极，能实现自动焊接，并且能单面焊双面 一次成型。气保护气电立焊与手工电弧焊相比较，具有焊速高、熔深大且稳定， 焊接缺陷少等优点。由于采用细丝焊接，可减少工件坡口断面积，既减少了焊接 材料的消耗，又提高了焊接生产率，特别适用于大型石油储罐、化工容器和船舶 等产品的制造，因而受到普遍欢迎。 l _ 2 高效立焊技术的特点与应用 1 2 1 高效立焊技术研究方向 从国外产品的发展来看，高效立焊技术的研究围绕如下几个关键问题的解决 展开的： 1 2 1 1 高效立焊的焊接方法 根据不同的焊缝成形控制方法，可分为自由成形和强迫成形两种立焊技术。 自由成形焊接方法在薄板的立焊中得到了广泛应用，但在大厚度板的自动立焊 中，如果采用大电流，熔池体积大，液体金属极易下坠溢流，因此只能采用低电 压、小电流的焊接工艺参数，而且还要配合焊炬的摆动，以控制焊接熔池形状。 第一章绪论 因此，其焊接生产率不能令人满意。 强迫成形自动立焊技术是在焊接中采用随动的水冷装置，强迫冷却熔池来形 成焊缝“4 1 。由于采用了水冷装置，并同时受到冷却装置的机械限制，因而溶池 金属冷却速度快，熔池及焊缝的形状得到了控制，克服了自由成形中熔池金属容 易下坠溢流问题，焊接熔池体积可以适当扩大。因此，可以选用较大的焊接电压 和电流，提高了焊接生产率。在强迫成形气电立焊中还往往采用专用的药芯焊丝， 以此提高焊缝的质量和焊缝的成形，避免水冷铜滑块与焊缝金属的粘连。通过上 述措施使立焊水平达到高效、优质。目前该种焊接方法在中厚度板及大厚度板的 自动立焊中体现出广泛的应用前景。 强迫成形自动立焊主要有两种方法：单面水冷强迫成形和双面水冷强迫成 形。单面水冷强迫成形是一面采用水冷铜滑块，另一面采用焊接衬垫承托，实现 单面焊双面成形。该种方法焊接设备简单，但是，由于焊缝两面的冷却条件不同， 焊缝结晶组织不均匀，从而影响了焊缝的机械性能。另外，由于采用了衬垫，提 高了焊接成本，增加了焊前辅助时间。双面水冷强迫成形是从两面采用水冷铜滑 块进行冷却，因此，虽然其焊接设备复杂性增加，但克服了单面水冷强迫成形的 缺点 1 2 1 2 焊接机头及焊接方式的选定 对于不同的焊接条件，常常需确定采用何种立焊方式及相应的装置，以使焊 接机头沿焊道方向垂直向上运动，常用的机头装置及焊接方式有以下几种： 1 熔嘴式机头装置 该装置以美国林肯公司为代表，采用自保护药芯焊丝n r 4 3 1 进行熔嘴方式 单道焊，工装简单，对坡口要求低，焊接的板厚可达1 0 0 m m 以上。( 当板厚大于 2 0 r a m 时，需配合焊丝摆动) 2 轨道式机头装置0 3 该种运动形式是借助预设轨道完成的。轨道有刚性轨道和柔性轨道两种。刚 性轨道用于直线型焊缝，柔性轨道既可应用于直线型焊缝，又可用于带有一定曲 率的弧线焊缝焊接。该种装置在日本、美国、加拿大等国已有产品问世。轨道式 自动立焊设备装置也比较简单，大都采用自由成形焊接或单面水冷强迫成形焊 接，焊接厚板采用摆动式机头以控制熔池形状。但因轨道和衬垫需预先敷设，造 第一章绪论 成辅助工序费时多，而衬垫的一次性使用使得工艺成本较高。 3 牵引式机头装置“ 该方式不设轨道，通过动力系统，采用链条提升机头，并在接触或非接触式 跟踪下实现机头沿焊缝的运动。此方法多采用双面强追水冷成形。应用该法可节 省装配时间，成本低。该装置不仅可用于立焊，而且还可以用于具有一定倾斜角 的斜焊缝和有一定曲率的弧线焊缝的焊接，大大方便了造船、球罐制造等行业的 焊接作业，是一种较为先进的方法。目前，瑞典e s a b 公司”3 、曰本大阪公司均 有产品问世。相对而言，此类装置要复杂些。 1 2 1 3 熔池液面高度的跟踪控制 在强迫成形立焊的焊接过程中，由于坡口大小不均、间隙宽窄变化、熔池溢 流等原因，造成了液面相对于铜滑块位置高度的变化。这就要求必须随时检测熔 池液面的相对位置高度，并根据其变化及时补偿焊速，也即相应改变机头、滑块 的上升速度。从而使焊接过程和质量得以稳定。目前，各公司依据不同测控原理， 基本上采用如下所述的几种跟踪系统： 】弧压反馈系统“2 1 该系统是根据熔池液面高度变化时，弧长会相应变化的原理研制的。它通过 检测弧压变化来判断弧长及液面位置的变化。目前，日本神户制钢公司的 s e g a r c 系统中应用了此控制方式。 2 电流反馈系统“3 川 该系统的工作原理是依据熔池液面高度变化时，会引起弧长和焊接电流的改 变。由此通过检测实际的焊接电流变化来判断熔池液面相对高度的变化，并进而 采用相应的措施进行焊速补偿。目前，美国b u g - o 公司将这一系统应用于该公 司的s u p e r - f l e x 机头的控制中。加拿大的g u l l c o 公司也将此方法用于自己 的k a t 机头控制中。 3 光电监控系统“” 该方式是利用光学系统来检测弧长的变化。由于熔池液面位置的变化会反映 到弧长的变化上，故通过检测电弧长度，就可判断液面的相对高度，从而相应调 整焊速，使熔池液面位置得以维持。目前，瑞典e s a b 公司的产品采用了这一方 法，并应用于生产中。 第一章绪论 1 2 2 目前存在的问题及研究方向 根据国外气电立焊技术的应用研究可知，强迫成形自动立焊技术是一种正在 发展中的高效焊接技术。目前，它在国外大型金属结构的焊接中已经得到了广泛 的应用。采用该技术制造的产品在应用中的不足之处也受到科研、生产领域的关 注，有关这方面的研究正在不断深入。 研究的焦点之一就是熔池液面高度跟踪系统的传感检测方法“。尽管采用 电压、电流、光电监控的方法在应用中得以实现，但这些方式均存在着一些缺陷， 比如电压检测易受如电极材料，电极表面形状等弧长以外因素的影响，混淆了这 些因素产生的电压变化成分，降低了控制精度和灵敏度。而电流检测误差易受工 艺参数选取的影响，且两者调节线性度不很好。光电检测则存在弧光、高温熔池 双光源的相互干扰问题，且焊接烟尘、焊接电流变化也会影响系统的调节性能。 因而有必要对多种因素综合考虑，进行深入的研究。 研究的焦点之二是焊机高效率和高适应性的实现“2 。高效率不仅体现在焊 接过程本身，更体现在焊接辅助操作时间的长短。高适应性则可以满足不同场合 立焊焊接的需求。进入九十年代初，无轨式强迫成形自动立焊机的出现正体现了 这种趋势，这方面的研究将不断深入。 在我国，强迫成形自动立焊技术也开始得到了应用，但是我国的强迫成形自 动立焊设备及焊接材料的发展比较落后，整个自动立焊产品的配套能力不强，产 品的系列化、市场化与国外相差较远。所有这些使得该项技术的应用推广受到限 制，不得不依赖进口。因而自行研制开发和生产符合我国国情的强迫成形自动立 焊成套设备和专用药芯焊丝是在我国应用此高效立焊技术的关键。 1 3 天津大学近年来研究进展与问题 近年来，天津大学在国内外同行研究成果的基础上，自行研制了一种新型的 无轨道式强迫成形自动立焊系统，把变结构控制和热电偶传感引入到气电立焊熔 池液面高度的跟踪控制中。 l 。3 1 立焊系统的工作原理及构成 天津大学研制的气电立焊系统是借助悬挂机构将焊机机头提升，悬挂机构包 括牵引电机、减速机构等，采用链传动带动焊接机头上移，进而实现机头上铜滑 块的随动水冷功能。同时焊丝连续送进、熔池液面高度自动跟踪，并根据需要调 4 第一章绪论 节焊速来实现液面在铜滑块上相对位置高度的控制。 图1 - 1 焊机系统图 焊机系统如图卜1 所示，主要构成为： ( 1 ) 焊接电源一送丝系统：包括焊接电源、送丝机、送丝机调速电路、焊 接参数( 电压、电流) 的预置及显示电路。 ( 2 ) 焊速调整及熔池液面高度补偿系统：包括调速电机、焊速的控制电路、 熔池液面高度的控制电路、传感器电路等。 ( 3 ) 焊机工作控制及检测系统：包括自动焊接顺序控制电路、手动调整电 路、焊接故障检测电路。 ( 4 ) 循环水冷子系统和供气子系统。 ( 5 ) 机械系统：包括悬挂牵引机构、焊接机头机构、控制箱、面板等。 1 3 2 天津大学立焊系统研究的主要进展与问题 提出了采用温度信号进行熔池液面高度自动跟踪的新思想，并进行了有益的 理论和实验试验研究，取得了一些进展。但是，研究中发现，单一的温度信号控 制很难满足复杂的工艺过程跟踪要求。因此需要采用复合控制方法，进一步深入 研究。 l ，4 本文研究内容 第一章绪论 本文研究的主要内容有： 】需进一步完善气电立焊的机械部分、电气控制部分。 2 设计新型的综合温度信号检测与焊接电压和电流的复合控制系统。把变 结构控制方法应用于熔池液面高度跟踪控制中。 3 进行系统的总体调试与焊接试验。 在大量的国内外资料收集和产品调查分析的基础上，综合国外多种立焊焊机 的特点，并结合国内应用状况和产品配套水平进行了系统的重新设计。在研究中， 结合了电子技术的新发展，积极采用新器件和新方法进行熔池液面高度跟踪系统 和焊接程控系统的研究。该研究课题于实际应用密切相连，具有十分重要的实用 价值和理论意义。 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 熔池液面高度自动跟踪控制系统是自动气电立焊技术中的关键环节。液面高 度的控制，是通过调节焊速来实现的。本章着重论述熔池液面高度控制系统的研 制，并对与之相关的焊速调节系统进行了论述。 2 1 热电偶传感熔池液面高度信号的检测 2 1 1 热电偶传感熔池液面高度信号的检测原理 熔池液面高度控制的原理是通过直接或间接检测熔池液面位置的变化，将检 测信号经过放大等处理后加入调速电路中，从而对焊速进行相应的调节，达到对 熔池液面高度变化的跟踪控制。 目前常用的熔池液面高度跟踪控制系统有弧压反馈系统，电流反馈系统，光 电监控系统等。这几种方法都是采用间接检测方法，通过对弧压、电流及弧长光 学信号的检测来判断熔池液面高度的变化。而采用热电偶进行温度检测则可以直 接对熔池液面高度进行检测。 热电偶与其它温度传感器的不同点在于它直接输出电压信号。热电偶的最高 使用温度决定于热电偶直径。热电偶的工作原理是利用塞贝克效应，即结合于一 点的两种不同金属，当结点处于同一温度处，由于热电效应不同，两种材料之间 将产生电势差，其电势差的大小仅由两种金属材料的种类和温度大小决定。当检 测点温度变化时，热电偶输出的电势差不同，因此可以用来检测温度。 由于，在强迫成型气电立焊过程中，焊接熔池被限制在水冷铜滑块中，当熔 池高度发生变化时，铜滑块上各点温度会发生变化。如果将热电偶固定一合适的 位置，当熔池高度发生变化时，则热电偶所处的温度也会发生变化，其输出的热 电势也会发生变化，从而实现熔池高度的检测。 本文采用热电偶进行气电立焊熔池夜面高度检测的方法是利用两个热电偶 分别安置在水冷铜滑块中，图2 ，1 是热电偶安装位置的示意图。 如图2 - 1 所示，在水冷铜滑块中心附近，上、下两处埋入热电偶( k 型铠 装热电偶，检测温度可以达到7 5 0 。c ) 。正常焊接时，熔池液面应位于两个热电 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 偶之间的中间，此时上、下热电偶输出电势处于平衡状态，牵引电机维持设定的 焊接速度；当熔池液面高于( 或低于) 平衡位置时，上、下热电偶输出电势处于 不平衡状态，上边( 或下边) 的热电偶将输出较高电势，根据设定的控制规则， 将对焊接速度即牵引电机的速度进行调节，使液面重新回到原来平衡位置。 t 热电隅 7 7 群啊d 蚣 嘲 l下热电偶 ，、 一 ! = = 一 黪 ，、 ，、 莶 ，、 匕上 ，、 ，、 图2 - 1 热电偶安装位置示意匿 2 1 2 热电偶的安装位置 为了得到较为灵敏的温差检测信号，并保证热电偶能够工作在较好的线性温 度区i n 】，必须合理安排热电偶在铜滑块上的埋入深度及两只热电偶的相对位置。 只有这样才能把热电偶的工作温度区间控制在较好的线性段，并使温差信号灵敏 而精确地对熔池液面高度的波动做出反应。 根据文献。”的研究，确定了铜滑块上热电偶的埋入位置为距离铜滑块表面即 焊缝熔池2 m m 处，两个热电偶之间的距离为3 6 r n m ，其热电偶安装位置示意图 如图2 一l 所示。 2 ，1 3 热电偶温差检测及信号处理 由于热电偶所输出的热电势一般很小，每度只有几十微伏。而且热电偶在其 测量温度范围内，其输出的热电势与温度之间的关系一般是非线性的。因此，在 使用热电偶温度传感器温度测量、控制时，往往需要进行信号放大、线性校正等 处理，本系统采用了美国模拟公司生产的k 型热电偶信号处理的专用芯片a d 5 9 5 进行热电偶信号的放大和线性校正。其电路原理如图2 2 所示。 图z 一2 中a 、b 是热电偶的输入端，c 为信号处理后的输出端。a d 5 9 5 提 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 供l lpv 的基准接点补偿电压，同时对温差电势进行放大。其输出电压w 可 以用式( 2 一1 ) 表示： v o u r = ( k 型热电偶的温差电势+ 1 1 ) 2 4 7 3 ( u v ) ( 2 - 1 ) 通过信号处理，该电路的输出电势1 0 m v 对应所测温度l 。c “。 abcd 图2 - 2 热电偶信号处理电路原理图 采用a d 5 9 5 芯片为核心的热电偶信号处理电路不仅可以完成热电偶的温度 补偿，信号放大，而且能进行热电偶断线检测工作。热电偶断线检测电路置于 a d 5 9 5 内部，1 2 脚为断线检测输出，可将1 2 脚直接与发光二极管相连显示，但 发光二极管的电流会使i c 发热，产生温度误差，所以在实际电路中采用三极管 作为缓冲，如图2 - 2 ，d 端接直流电源，供给发光二极管能源。 2 1 4 热电偶传感熔池液面高度信号的检测电路 温度检测熔池液面高度控制方法是利用了两个热电偶传感器，通过检测两者 的温度差进行熔池液面高度的检测。当液面高度不满足焊接要求时，通过调节焊 接速度来调节熔池液面的高度，其基本控制电路的方块图如图2 3 所示。 由图2 - 3 可见，上下两个热电偶的测量信号分别进行信号放大及零点补偿， 以及非线性校正，然后送入减法器求出其偏差。该偏差送入跟踪控制器进行判断， 当偏差超出预定调节的门槛值时，控制器输出信号为高电平，接通模拟开关，使 偏差信号进入焊接速度控制电路，对焊接速度进行调节；如果偏差没有超出预定 调节的门槛值时，控制器输出信号为低电平，模拟开关处于断路状态，偏差信号 9 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 不能进入焊接速度控制电路，焊接速度维持不变。 热电偶信号处理电路包括信号放大和零点补偿以及非线性校正，采用热电偶 专用芯片a d 5 9 5 实现，具体电路原理如图2 2 。 图2 - 3 熟电偶检测调节熔池液面高度系统方块图 采用运算放大电路实现对上下热电偶温差电势差的计算。跟踪控制器采用了 窗口比较电路。窗口比较电路用于对检测、计算结果值的判断，当热电偶温差检 测值高于设定区间的上限和下限时，电路均输出高电平，导通模拟开关，把温度 偏差信号送入焊速控制电路中，调整焊接速度。否则，维持预置时设定的焊接速 度。其电路原理如图2 - 4 。 图2 4 热电偶温差检测系统电路原理图 如图2 - 4 所示，a 、b 为经过处理后的上下热电偶检测信号输入端。a ( u p ) 端为上热电偶的输入，b ( d o w n ) 为下热电偶的输入，经运算放大器a r l a 构 1 0 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 成的差模放大电路，可以求出上下热电偶温度信号的偏差。运算放大器a r l b 、 a r i d 、与非门u 1 a 、u 1 b 及其外围电阻等构成的窗口比较电路”2 “作为跟踪的 控制器。通过p 3 、p 4 电位器对窗口的上限电位( u o h ) 和下限电位( u o ) 进行 设定，当上下热电偶温度偏差信号( u ) 超过上下门限时，即仉 - u o l 时，与非门u 1 b 输出高电平，从而导通模拟开关( m 1 a ) ，使温度偏差信号输出， 作为焊速补偿信号加入到调速控制电路中。当输入信号( 巩) 处于上下门限之f n j 时，即坛 摧 2 5 2 0 51 01 52 02 53 03 54 04 55 0 电源输出电压u y ，v 图2 - 9电源输出电压与焊接速度的关系曲线 1 4 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 2 2 5 速度控制信号接口 一般电源的给定电压信号可以直接输入到s g 3 5 2 3 芯片的脚2 或脚l ，从而 使p w m 控制器输出相应的脉冲宽度的控制脉冲信号，得到所需要的电机转速。 但是，本系统中，要求焊接速度在焊接过程中根据熔池液面高度的变化不断进行 调节，也就是说，在焊接过程中，“给定电压”信号要变化。根据现有电源电路 的特点，在p w m 控制器的输入端，加入了一个做可变电阻用的三极管电路作为 焊速控制信号的接口电路，电路原理如图2 一l o 所示。在焊接过程中，当“给定 电压”信号变化时，三极管的基极电流信号随之变化，因此三极管c e 之间的电 阻发生变化，相应的集电极电流尼发生变化，使p w m 控制器的输入端的给定电 压发生变化，从而对焊速进行调节。 掣 扣 4 书。 i 蜜 图2 - 1 0 调速信号接口电路 2 3 焊速的预置、调节、显示电路 2 3 1焊速调节、补偿及显示电路的要求及原理 1 电路设计要求 该电路设计指导思想是使该电路能满足如下要求： 一通过面板的“预置一焊接”开关可以进行两种状态的功能选定，即焊前 的焊速值预簧调整和焊接时焊接速度的检测； 一在“预置”时，又可以通过“焊速调节钮”给定焊接速度： 在“焊接”时，能实现“预置”到“焊接”状态的切换，且通过面板上的 “跟踪”开关来选择是否把熔池液面高度的补偿信号作为焊速调整信号加入。若 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 选择“跟踪”控制状态时，当熔池液面高度发生变化，将通过加入一个速度补偿 信号使预置速度的给定信号发生变化，从而进行速度补偿控制。这时，可以通过 检测给定信号的变化，对焊接速度进行显示。 一无论是在“预置”时还是在“焊接”时，焊接速度值都可以通过数显表显 示，且两者对应值的误差应在系统设计许可范围内。 2 焊速预置、补偿及显示电路的方框图 2 一1 1 为焊速预置、补偿及显示电路的方框图。 图2 - 1 1 焊速预置、补偿及显示电路方框图 2 3 2 电路设计及参数的说明 根据图2 一l l ，预置焊速与焊接过程中的调节采用了变结构电路设计。即预置 与实际焊接时的速度显示采用同一块数显表，根据转换开关所处的位置，接通不 同的电路，进行相应状态的焊速显示。 1 焊速数显表( d i s p l a y ) 介绍 系统中的数显表采用了l k 5 1 3 5 型数字面板表，该表显示数字为1 9 9 9 ，输 入电压位o 一2 0 v 。该面板表的显示小数点位可以调整，作为焊速显示，调节显示 数字为1 9 9 9 。 2 。焊速预置、补偿信号合成电路原理图设计及计算 焊速预置、补偿信号电路原理如图2 1 2 所示。 1 ) 焊速预置电路原理 由于牵引机头上升的力矩电机的额定驱动电压为4 8 v ，而相应的电机电源可 以提供的最高电压为6 2 5 v ，因此必须对电源的输出进行限定，使其最大输出为 4 8 v 。由图2 - 9 可知，对应焊速将被箝定在o 。2 4 1 m h 。 1 6 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 图2 - 1 2 焊速预置、补偿信号电路原理圈 图2 - 1 2 中电路用于在开关置于预制位时进行焊速的预置。焊速预置设定信 号加入a r l ：c ，并通过a r l ：d 反相变换极性输出。当预制为高电平时，至数显 表( d i s p l a y 端) 。 在开关置于焊接位时，p r e v 为低电平，预置输入m n 2 ：a ( 4 0 6 6 ) 关断，而w e l d 为高电平。使m n 2 ：a ( 4 0 6 6 ) 开通，实际焊速信号由此切入输入端，并产生实际 焊速显示。 2 ) 焊速调节补偿电路原理 焊速调节补偿电路作用是实现设定焊速信号和补偿信号的合成，满足焊接中 进行焊速跟踪调节的需要。 图中，p r e vs p d 端输入预置时设定的焊速信号。当“预置一焊接”转换开关 置于“焊接”位置，且速度“跟踪”转换开关置于“跟踪”位置时，预定焊速 给定信号和焊速补偿信号将合成为实际焊速给定信号，以此调节力矩电机的转 速。预定焊速给定信号和焊速补偿信号两者的合成信号引入运算放大器a r 2 ：a ， 并通过a r 2 ：b 反相变换极性输出。然后输入调速开关电源的输入接口三极管( n i 基极) 。同时，输出的实际焊速信号通过已经打开m n 2 ：a ( 4 0 6 6 ) 输出，引入焊速 显示电路中。 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 2 4 系统测试实验 厂西旧 i l f 鎏 斛 售 酾勋 篷 d 参 姜 、 _ ，一 兀 l 舻电 二 鼬 j ，、 li钐 ， ， 、 ，、 ，、 示渡器 图2 1 3 实验装置示意图 工件 熔池 滑块 焊鹱金属 本实验( 实验装置如图2 1 3 ) 的实验目的是： 1 在实际焊接中验证传感、补偿、焊速调节及数显电路反应一致性。 2 观察该熔池液面高度跟踪方法的效果。 3 为整个系统的改进提供参考依据。 实验借助示波器对实际焊接熔池液面高度跟踪的有关数据进行锁定，分析计 算其焊速输出结果，与电路焊速显示值对比。 本试验的实验步骤如下： 1 调整铜滑块的位置，使起弧点位于铜滑块下热电偶的下方1 2 m m ，记录其 位置，并固定住铜滑块。 2 设定焊速为6 m h ，焊接电流3 4 0 a 。 3 。焊接一开始打开示波器记录传感输出曲线，随时观察电弧是否达到铜滑块 上预先标好的位置线。同时记录示波器上相应时刻的数值和数显表的显示值。图 2 一1 4 、2 1 5 分别是焊接过程中不同时刻检测到的温差信号。 4 过程结束时，立即锁定示波器图象。 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 5 记录、分析对应电弧位置下示波器上及数显表的数值，数据填入下表2 - 3 。 图2 1 4 焊接开始阶段温差信号 图2 1 5 熔池液面在上下热电偶之间时温差信号 表2 3 的数据说明： 1 ) 由热电偶信号处理芯片a d 5 9 5 输出的电压信号与测量温度的对应关系为： 1 v 相当于1 0 0 。c 。由表2 可见，实验检测的温度最高达2 4 0 6 0 c ，热电偶工作在 低温线性段。 2 ) 由于焊速显示接口的放大倍数均为0 5 ，数显表本身放大倍数为1 0 ，故 补偿信号，输出1 v 相当于补偿焊速5m h - 1 。故能够得出输出焊速( v w ) 的计 算公式： = 5 u - 6 ( m 。h - 1 ) 1 9 ( 2 3 ) 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 3 ) 坐标零点是焊接起始点，位于下热电偶下方l o m m 处； 4 ) “输出焊速”与“显示焊速”中的值小于等于0 时，电机的实际速度为0 。 表中“输出焊速”出现的负值是评定实验的数据计算结果，在本文特意为评定电 路而设计的焊速显示方式下，“显示焊速”可以显示负值。 表2 - 3 焊接实验数据表 电弧位置热电偶的信号输出 输出焊速 焊速补偿显示焊速 距离上热电偶下热电偶温差信号 v w 广 标号 m h - 1 m h 锄v v u o ，v m h l0- 1 1 1 3+ 2 2 0 4+ 1 0 9 l一5 5 + 0 5+ 0 8 2 o 7 5 - 1 3 5 5+ 2 2 4 1+ 0 8 8 64 5+ 1 5 + 1 2 32 2 5 - 1 6 0 3 + 1 8 6 5 + o 2 6 2一1 3+ 4 7+ 4 6 43 7 5- 2 4 1 7+ 1 9 0 7_ o 5 l+ 2 5 + 8 5+ 8 4 54 5- 4 3 2 0+ 2 4 0 6 - i 9 1 4+ 9 6+ 1 5 6+ t 5 4 依据表2 - 3 得到上、下热电偶信号输出曲线如图2 - 1 6 。由图2 一1 6 可知： 寐 脚 簧 匿 髓 簇 0 2345 液面位置c m 图2 1 6 不同液面高度下热电偶反应的温度值 拍卸：2佃皓们艄硼舶们!竿 第二章熔池波面高度跟踪系统的研制 1 ) 图2 1 6 中曲线c 表示上热电偶的湿度输出。随着液面位置的上移，曲线 函数的绝对值变大，斜率绝对值也变大。这说明热源越接近上热电偶位置，温度 梯度越大，温度变化率也越大。 2 ) 图2 1 6 中曲线a 表示下热电偶的温度输出。随着液面位置的上移，曲线 的热温电势值仅在一小范围内波动，不出现明显的温度变化趋势。这说明下热电 偶检测的温度受到焊缝金属及工件蓄热作用的影响，与冷却散热作用处于动态平 衡之中。 3 ) 图2 一1 6 中曲线b 表示上、下热电偶的温差输出，说明随着液面从下热电 偶移向上热电偶时，温差补偿值相应变化。另外，曲线b 中间段的线性度很好， 这表明此段温差信号可以与熔池液面有良好对应。 4 ) 分析对比三条曲线的变化趋势可知，上热电偶附近的温度梯度变化决定 了合成的温差检测信号的变化率。熔池液面越靠近上热电偶位置，温差输出值的 变化越大，从而相应的焊速补偿值也越大，液面位置的恢复也越快， 5 ) 在3 c m 处，即两个热电偶中间位置处，理论上输出温差信号应接近为o v ， 按公式2 - 3 ，输出焊速必然等于设定的焊速( 6m h - ) 。 依据表2 - 3 数据，焊速计算值与实际数显值对比的关系曲线如下图2 1 7 ： 3 0 2 5 2 0 5 恻 蚓1 0 始 驶 02 345 液面位置c m 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 分析图2 1 7 可知： 1 ) 图2 - 1 7 中需要指出的是，预定的焊速值是6 m t h - 1 ，也就是液面处于正常 位置时的焊速。当液面低于该正常位置( 3 c m 处) 时，补偿焊速值为负值，与预 定焊速值叠加后产生的提升速度将小于预定值。当液面高于该正常位嚣( 3 c m 处) 时，补偿焊速值为正值，与预定焊速值叠加后产生的提升速度将大于预定值。另 外，图中的拐点是由数据处理造成的。 2 ) 图2 - 1 7 中实线表示实际焊速的数显值。从曲线上分析，随着液面位置的 上移，提升速度也不断加大，而且相对液面位置改变提升速度的变化率也逐渐加 大。这说明随着液面位置接近上热电偶，上、下热电偶的温差电势加大，从而焊 速补偿加大。另外也说明相对于下热电偶附近温度场的温度梯度变化而言，上热 电偶附近温度场的温度梯度变化较大，所以液面越接近上热电偶，产生的温差电 势越大，相应的焊速补偿也越大，从而焊速的变化率越大。 3 ) 图2 1 7 中虚线表示焊速的计算值。由曲线可知，随着液面位置的上移， 其曲线与实际测量曲线的一致性很好，从而可证实本课题设计的焊速跟踪、设定 及焊速数显系统的整体一致性很好。 通过系统的实验结果，对实验进一步分析和讨论如下： 首先，在热电偶相对位置的测定上，必须考虑热电偶的实际应用条件。实验 的测定应该充分考虑到热电偶是在特定水冷铜滑块上工作，受此特定条件下传 热、散热以及工件、焊缝金属的蓄热作用的影响。此外，还受到机加工的限制， 因而相对位置的确定是一个具体条件下优化的问题。 其次，溶池液面位置变化时，热电偶附近的温度梯度也随着不断变化并出现 差别。实验表明，随着熔池液面上移，下热电偶附近的温度梯度由于蓄热作用而 临近稳态，而上热电偶附近的温度梯度则从逐渐增加直至加速变化。此时温差变 化的趋势主要由上热电偶附近的温度梯度决定。而熔池液面下移时，相应温差变 化也主要是由上热电偶附近的温度梯度变小决定的，此时蓄热作用仍会使下热电 偶附近的温度梯度处于临近稳态。 第三，由于液面高度的补偿趋势主要决定于上热电偶附近的温度梯度，因而 熔池越向上移，温差补偿就越大。 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 2 5 熔池液面高度复合跟踪控制 由气电立焊系统自动控制的要求可知，为了保证焊缝中液态金属始终处于前 后滑块之间，并且电弧处于特定弧长范围内，滑块必须和液态熔池处于同步上移 状态。如图2 - 1 8 所示，当由于各种因素的影响，熔池液面高度位置偏离了正常 的b 位置而处于a 、c 位置时，则需要进行调节。在以前的研究中，对于熔池液 面跟踪仅采用了熟电偶温差检测控制的单一方法。实践证明，当熔池液面高度在 上、下热电偶之间时，热电偶传感器温差控制焊接速度的控制方法是可行的，但 是，当由于某种原因，熔池液面高于上热电偶或低于下热电偶时，则不能进行很 好的控制。为此，本文提出了复合控制方法，采取变结构复合实时检测控制系统。 图2 1 8 焊缝熔池位置示意圈 n ：i 自j 复合控制方法，就是将原来单一的温度传感，改为包括电压和温度传感， 将单一的温度传感控制，改为电压、温度的复合控制。例如， 1 ) 焊接开始时，熔池位置比较低，处于图2 - 1 8 中c 位置，由于烙池没有处 于温度传感控制范围，弧长较大，因此，采用电弧电压控制，牵引电机开关电源 处于关停状态。焊接熔池很快上升，当熔池液面进入温度传感控制范围，即进入 到上、下热电偶之间时，依据电弧电压信号和上热电偶的检测信号，启动牵引电 机开关电源，机头开始按照预先设定的焊接速度提升，进入正常焊接阶段。 2 ) 熔池液面处于温度传感控制范围时，即熔池液面处于图2 - 1 8 中b 附近时， 采用热电偶温差检测控制。 3 ) 如果焊速过快，弧长变长，电压变大，此时根据电弧电压信号，关断牵 引电机开关电源。 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 如图所示，热电偶温度检测信号由比较器a r l b 正端管脚6 同电弧电压信号 一同输入与非门u 1 a ，反向后经过施密特触发器输出到芯片s g 3 5 2 5 管脚8 控制 开关电源的启动。热电偶检测信号的门限电压由比较器a r l b 管脚5 设定。电路 中电弧电压检测信号输入比较器a r l c 负端8 脚经与非门u 1 a ，反向后经过施 密特触发器输入j i ! ；片s g 3 5 2 5 管脚8 控制开关电源，门限电压由a r l c 管脚9 设 定。热电偶检测信号在焊接开始时小于给定值，比较器a r i b 输出低电平0 ，开 关电源系统关断。当熔池上升到一定高度，信号大于给定值，比较器输出高电平 1 ，开关电源系统启动。电弧电压检测信号在正常焊接时，小于电压预设值，比 较器a r l c 输出高电平1 ，开关电源启动。当焊速过快超过给定值对比较器a r i c 输出为0 ，系统关断。由与非门真值表可知，只要两个信号有一个低电平，系统 关断。当两个信号都为高电平时，系统启动。 图2 一1 9 电弧电压与热电偶温度复合控制电路原理图 由此可知，该复合控制采用了模拟控制与数字控制相结合的控制方法，在温 度传感控制范围，采用的是模拟控制，超出温度传感控制范围则采用了数字控制。 为了进一步研究复合控制的方法，电路中还设计了电流控制反馈电路，即将 焊接电流反馈信号通过i 1 n 引入，来代替电压反馈信号。因为，当弧长变化时， 不仅电弧电压会发生变化，焊接电流也会发生比较明显的变化，所以采用焊接电 流信号来代替电压信号是可行的。但是，是采用电弧电压信号还是焊接电流信号 第二章熔池液面高度跟踪系统的研制 进行复合控制有待于进一步的研究。 2 6 小结 本章通过理论及实验分析，小结如下： l 、设计了温度传感熔池液面高度检测系统，确定了特定传热条件下，热电 偶相对距离定为3 6 r a m 较为合理。 2 、设计了温度传感焊接速度预置、自动调节及显示系统，实验证明，理论 计算与实测结果相吻合。 3 、提出了自动立焊温度与电弧电压传感熔池波面高度复合控制方法，设计 了变结构复合控制系统。 第三章焊接参数显示系统及焊接程控系统 第三章焊接参数显示系统及焊接程控系统 在无轨道自动立焊焊接过程中除了对焊接速度要进行预置、显示外，对焊接 电源输出电压、焊接送丝速度( 焊接电流) 往往也需要预置和显示。在自动焊接 中，必须对焊接过程进行程序控制，以保证焊接过程按照一定的要求来完成。本 章介绍了无轨道自动立焊系统的焊接电源输出电压、焊接送丝速度( 焊接电流) 的预置和显示系统；介绍了自动立焊的焊接程序要求和程序控制系统。 3 1 焊接电源及送丝系统 无轨道强迫成形自动立焊采用的是专用的药芯焊丝进行焊接，通常采用平特 性电源配等速送丝系统。本文采用天津电焊机总厂生产的n b a 5 0 0 a 型气保护 焊接电源 a l - 3 4 ，该电源外特性为平特性，额定输出电流5 0 0 a ，空载电压7 0 v ， 额定负载持续率1 0 0 ，适用焊丝直径1 2 一1 6 m m 。因此，该焊接电源能满足造 船等行业实际焊接要求。送丝机采用目前应用