（材料加工工程专业论文）窄间隙埋弧焊送丝和行走系统的数字化研究.pdf

沈阳大学硕士学位论文 摘要 送丝和行走系统是窄间隙埋弧焊的一个重要组成部分，其送丝性能的好坏直接 影响到焊接质量。数字化送丝和行走系统是采用高性能的控制芯片为核心控制器， 通过软件来实现对送丝和行走系统的控制，具有定位准、控制简单、响应快速、灵 活性突出等优势，大大提高送丝和行走系统的稳定性和准确性。 本文深入的分析了窄间隙埋弧焊焊接过程中的送丝和行走控制模式，并在此基 础上设计了以d s p i c 3 0 f 6 015 为核心控制器的窄间隙埋弧焊送丝和行走控制系统。 根据窄间隙埋弧焊对送丝和行走系统精度的要求，本设计送丝系统采用电枢电 流，送丝电动机转速、焊接电弧电压三闭环反馈，行走系统采用电枢电流配合电机 转速的双闭环反馈，并结合了广泛使用的p i 算法，实现了对送丝和行走速度的精确 控制。 根据窄间隙埋弧焊送丝和行走系统所要实现的功能，设计了符合送丝和行走系 统要求的驱动机构，硬件电路和软件程序。送丝驱动电机采用d cs e r v om o t o r 11 0 s z 0 3 直流伺服电动机，传动机构采用直齿圆柱配合涡轮蜗杆的两级减速设计， 实现了送丝速度在0 4 m m i n 一- 4 m m i n 范围内的任意调节。行走驱动电机采用d c s e r v om o t o r11 0 s z 0 1 直流伺服电动机，传动机构采用两级的涡轮蜗杆减速设 计，实现了行走速度在0 0 7 5 m m i n - - - i 3 r n m i n 范围内的任意调节。送丝和行走系统 的硬件部分设计围绕d s p i c 3 0 f 6 0 1 5 核心控制器展开，包括+ 5 v 、+ 1 5 v 电源，电机 h 式驱动电路，电弧电压和焊接电流的采样电路，转速和电枢电流的采样电路，r s 4 8 5 的通信网络和显示界面的设计。送丝和行走系统的软件部分采用的是模块化设 计，完成了焊接电流的采样模块，电枢电压的采样模块，电机转速的采样模块，电 枢电流的采样模块，焊接参数的显示模块，总线的通信模块，并在此基础上，完成 了引弧、熄弧、焊接过程的送丝控制程序和焊接过程的行走控制程序。 送丝和行走系统的软件部分编写、调试和软硬件的测试主要在w i n d o w s 操作界 面下的m p l a b 集成开发系统中实现。送丝和行走实验结果表明：实现了窄间隙埋 弧焊数字化送丝和行走。 关键词：送丝系统，行走系统，d s c ，窄间隙埋弧焊 1 沈阳大学硕士学位论文 i i 。 沈阳大学硕士学位论文 一 t h es t u d yo ft h ed i g i t a l i z a t i o no f n a r r o wg a ps a ww i r e f e e d i n ga n dr u n i n gs y s t e m a b s t r a c t w i r ef e e d i n ga n dn m 血n gs y s t e mi s a ni m p o r t a n tp a r to fn a r r o wg a ps a w ，i t s p e 怕r n l a l l c ea f f e c t st h ew e l d i n gq u a l i t ys t r a i g h t l y d i g i t a l i z e dw i r ef e e d i n ga n dr u n n l n g s v s t e ma p p l i e dt h ep r o c e s s o rw i t hh i g hp e r f o r m a n c e sa st h ec o r ec o n t r o l l e r ，w h e n r e a c h e d t h ea i mo fc o n t r o l l i n gt h ew i r ef e e d i n ga n dr u n n i n gb ys o f t w a r e ，w i t ht h eo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e so fp o s i t i o na c c u r a t e l y 、 c o n t r o ls i m p l y 、r e s p o n s er a p i d l y 、 f l e x i b i l i t y ，w h i c h s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e st h es t a b i l i t ya n da c c u r a c yo f w i r ef e e d i n ga n dm 】珊n g t h i sp a p e re x p l i c i t l ya n a l y z e dt h ew i r ef e e d i n ga n dr u n n i n gc o n t r o lm o d e o tn a h d w g a ps a w ，t h e nc o r r e s p o n d i n g l yc o n t r i v e d as p e c i f i cw i r ef e e d i n ga n dr u n n i n gs y s t e m 、1 t h t h ed s p i c 3 0 f 6 0 15t ob et h ec o r ec o n t r o l l e r d u et ot h ed e m a n do fh i g ha c c u r a c yo ft h ew i r ef e e d i n ga n dr u n n i n gs y s t e m o fn a r r o w g a ps a w ，t h ew i r ef e e d i n gs y s t e mc h o s ea r m a t u r ec u r r e n t ，w i r e f e e d i n gm o t o rs p e e d ， w e l d i n ga r cv o l t a g et h r e ec l o s e 1 0 0 pf e e d b a c k ，m e a n t i m et h er u n n i n gs y s t e ma p p l l e d t h e d u a lc l o s e - 1 0 0 pf e e d b a c kw i t ha r m a t u r ec u r r e n tg o i n gw i t hm o t o rs p e e d ，e v e n t u a l l yb y i n t e g r a t i n gt h ee x t e n s i v eu s e dp ia l g o r i s m ，o b t a i n e d t h ea c c u r a c yo fw i r ef e e d l n ga n d r u n n i n g t oa c h i e v et h ew i r ef e e d i n ga n dr u n n i n go fn a r r o wg a ps a w ，d e s i g n e d t h ed r i v i n g c o m p o n e n tr e q u i r e d ，t h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n dt h es o f t w a r ep r o g r a m s t h ed r i v i n gm o t o r f o rw i r ef e e d i n gi sd cs e r v om o t o r o fd cs e r v om o t o r 110 s z 0 3 ，t r a n s m i t t i n g c o m p o n e n ta d o p t e dt h et w os t a g ed e c e l e r a t ed e s i g no fs t r a i g h tt e e t hw i t hc y l i n d r i c a lw o m t u l 七i n e t oo b t a i nt h er a n d o ma d j u s to fw i r ef e e d i n gs p e e da t t h er a n g eo f0 4 m m i n 4 m m i n t h ed r i v i n gm o t o rf o rr u n n i n gs y s t e mi sd c s e r v om o t o r110 s z 0 1w h i c hi s d cs e r v om o t o r ，t h et r a n s m i t t i n g s t r u c t u r ea p p l i e dt h ec y l i n d r i c a lw o r l nt u r b l n e d e c e l e r a t ed e s i g nw i t ht w os t a g e ，t oa l l o wt oa d j u s t t h er u n n i n gs p e e dr a n d o m l ya tt h e r a n g eo f0 0 7 5 州m i n 1 3 m m i n t h ed e s i g no fh a r d w i r eo fw i r ef e e d i n ga n dr u n n i n g s v s t e mw a sc o m p l e t e da r o u n dt h ec o r ec o n t r o l l e rd s p i c 3 0 f 6 015 ，i n c l u d e d + 5 v 、士1 5 v i i i 沈阳大学硕士学位论文 p o w e rs o u r c e 、m o t o rd r i v i n gc i r c u i to fhm o d e 、s a m p l i n gc i r c u i to fa r cv o l t a g ea n d w e l d i n gc u r r e n t ，s a m p l i n g c i r c u i to f s p i n n i n gs p e e d a n da r m a t u r ec u r r e n t ， c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fr s 一4 8 5a n dd e s i g no fd i s p l a yi n t e r f a c e t h es o t 蕾w a r eo fw i r e f e e d i n ga n df e e d i n gs y s t e mw a sc o m p l e t e db yb l o c kd e s i g n ，i n c l u d e dt h es a m p l i n gb l o c k o fw e l d i n gc u r r e n t 、d i s p l a yb l o c ko fw e l d i n gp a r a m e t e r 、b l o c ko fb u sc o m m u n i c a t i o n ， e v e n t u a l l yb a s e d o nt h ed e s i g nc o m p l e t e dt h ew i r ef e e d i n gc o n t r o l p r o g r a mo fa r c i g n i t i o n 、w i r ef e e d i n gc o n t r o lp r o g r a mo fw e l d i n gp r o c e s s 、t h ew i r ef e e d i n gc o n t r o l p r o g r a mo f a r cd y i n g ，a n dt h er u n n i n gc o n t r o lp r o g r a mo fw e l d i n g p r o c e s s t h ee d i t i o n 、t h ed e b u ga n dt h et e s to fs o f t w a r eo ft h ew i r ef e e d i n ga n dn m n i n g s y s t e mw a sc o m p l e t e dm a i n l yb yt h em p l a ba tw i n d o wo p e r a t i n gi n t e r f a c e t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t si l l u s t r a t e d ：t h a ta c h i e v e dt h ed i g i t a l i z a t i o na n dh i g ha c c u r a c yo f f e e d i n ga n dr u n n i n gs y s t e mo fn a r r o wg a ps a w k e yw o r d s ：w i r ef e e d i n gs y s t e m ，r u n n i n gs y s t e m ，d s c ，n a r r o wg a ps a w 沈阳大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一。但是，随着各种装置规模 的扩大，大型容器壁厚和厚板厚度不断增加，传统埋弧焊焊接难度加大，因此采用 了窄间隙埋弧焊。窄间隙埋弧焊是由窄间隙气电焊演变而成，是近年来发展起来的 一种高效、省时、节能的埋弧焊方法，基于窄间隙埋弧焊的众多突出的优势，广泛 的应用于各种工业领域。 窄间隙埋弧焊是一种用于厚板对接接头的焊接，焊前焊件不开坡口或者开小角 度而留下窄而深的间隙，采用多层埋弧焊进行焊接的方法。窄间隙埋弧焊通常由焊 接机头、摆动器、焊剂输送系统、焊剂回收系统、送丝系统、行走系统、视觉系统 等组成的高自动化的焊接设备【l 】，如图1 1 所示。出现于上世纪8 0 年代，主要应用 领域是低合金钢厚壁容器及其它重型焊接结构。窄间隙埋弧焊不仅具备了传统埋弧 焊焊接的等众多优点，而且还具有焊材消耗量少、热输入量低、焊接时间短等优 点，实现了高效率、低成本、高质量焊接。据统计，总效率可提高5 0 8 0 ，可节 约焊丝3 8 5 0 ，焊剂5 6 6 4 7 2 1 。现在，窄间隙埋弧焊已有各种单丝，双丝和 多丝的成套设备出现，主要用于水平或接近水平位置的焊接。窄间隙埋弧焊所用的 焊丝直径在2 5 m m 之问。可以采用单焊道或多焊道两种方案。工业中应用比较成熟 的n g s a w 技术有：n s a 技术，它是日本川崎制钢公司为碳钢和低碳钢压力容 器、海上钻井平台和机器制造而开发的。e s a b 技术，它是瑞典n g s a w 设备和焊 接材料制造厂家e s a b 为压力容器和大型结构件的碳钢和低合金钢焊接而开发的。 m a n g h h 技术，它是由西德m a n g h hs t e r k r a d e 为核反应堆室内部件制造而开发 的【3 】。目前窄间隙埋弧焊的技术难题是：第一必须有窄缝内容易脱渣的焊剂；第二 必须采用机头能自动跟踪焊缝的焊接设备。更重要的是窄间隙埋弧焊对送丝和行走 速度的要求十分精确，这也是窄间隙埋弧焊重点研究的环节之一1 4 】，如图1 1 所示。 沈阳大学硕士学位论文 图1 1 双丝窄间隙埋弧焊 f i g u r e1 1d o u b l e w i r en a r r o wi n t e r v a ls u b m e r g e da r ew e l d i n g 送丝和行走系统是窄问隙埋弧焊接设备的重要组成部分，其性能的好与坏直接 关系到焊接质量，进而影响焊接电流的稳定和熔滴过渡过程，所以，如何保证送丝 和行走系统的稳定和准确一直是焊接设备研究的一个重要内容。目前，提高送丝和 行走系统性能的主要途径是通过改进送丝和行走的硬件电路和控制方法【5j 。近年来 随着计算机技术的不断成熟，软件上算法的更加高效，电机的驱动力提高和微电子 技术的飞速发展，焊接装备进行大量的数字化改造，并因此带来了焊接装备整体水 平的大幅度提高。数字化送丝和行走系统就是采用单片机为控制器，通过程序控制 实现信息流的传递，使送丝电机按输入的指令要求作定向、定量运动。所以同模拟 控制方式相比，它具有控制精度、结构的复杂程度、灵活性、稳定性和一致性等方 面显著优势。目前，送丝和行走系统的数字化改造是人们关注的热点问题。 酵f 谬：毳哪谬晖翠繁噼i 露1 鬻 l 沈阳大学硕士学位论文 1 2 送丝和行走系统的概念和技术发展现状 目前，实行焊接过程的自动化是我国的焊接行业的重要战略目标，而送丝和行 走系统的自动化是重要的目标环节之一。送丝系统通常是由送丝装置( 包括电动机、 减速器、矫正轮、送丝轮) 、送丝软管、焊丝盘等组成。行走系统通常是由电动机、 传动机构、行走轮、离合器和车架等组成。一套完整的送丝和行走系统由二部分组 成：机械部分( 驱动机构) 和控制电路【刚。 1 2 1 传统的控制阶段 传统的控制方式是采用模拟电路的控制，主要由晶闸管，触发器等电子元件构 成。在模拟控制方式中，为实现转速的自动调节，通常采用电驱电压负反馈、电流 正反馈、电驱转速反馈等方式来组成闭环控制系统，通过调节电驱电压实现送丝速 度的调节，保证送丝的稳定7 1 。早期的控制系统通过晶闸管的导通角大小控制电机 的转速，并通过两个接触器切换电流的极性来控制电机的正反转，从而改变方向。 这种方法简单、经济，但在接触器切换的时候，动作噪声大，长期的高频率的吸合 会产生弧光并烧坏触点，而且会造成吸合导通的假象，从而损坏电机。这种采用模 拟电路的控制方式的起动时间比较长，系统响应的速度比较慢，极大地影响了控制 效果 8 。9 1 。 此外，传统的控制方式预置参数给定通常使用手动电位器【1 0 】。因此，定位精度 会受到限制，无法准确定位。电位器调节对于干扰的影响比较敏感，输出电压便会 产生一定的波动，这样必然会影响送丝和行走速度的稳定。而且，模拟控制器件的 温度稳定性较差，产品一致性也难以得到有效保证【1 1 1 。另外，采用模拟控制系统所 构成的产品其接口兼容性较差。随着数字化焊接电源的发展及应用对送丝控制系统 和行走控制系统的灵活性及接口兼容性提出了更高的要求。 1 2 2 数字化控制阶段 随着电子、微电子行业的飞速发展，出现了数字化送丝和行走系统。单片机因 其集成度高、体积小、抗干扰能力强、可靠性高等优点广泛应用于仪器、仪表和工 业控制等领域。 沈阳大学硕士学位论文 硬件数字化控制，就是用微型计算机即单片机来控制1 2 】，驱动电机输出的角位 移转化为送丝和行走速度。通常为了能够输出精确、稳定的速度，采用闭环反馈的 控制方法。单片机接收到上位机指令后，输出控制信号给硬件驱动电路，硬件驱动 电路再传递给驱动电机，同时输出各种反馈的信息给单片机。然后单片机进行反馈 信号的处理，调整输出的信号，矫正输出的误差【1 3 】，这就是数字化控制基本方法。 软件数字化控制，单片机数控系统作为一个独立的运动控制单元，广泛的应用 于工业自动化生产中，因此系统软件必须完成以下几个任务： 1 ) 实时检测坡口宽度，并传给上位机，以便设定送丝和行走速度的准确值。 2 ) 实现送丝和行走的反馈控制。 3 ) 尽量快的对反馈信息处理，把送丝和行走速度调整到允许范围之内。 4 ) 对送丝和行走系统起到保护作用【1 4 】。 1 2 3 数字化控制优势 用单片机或d s p 作为控制器的数字伺服控制系统，其性能同模拟伺服系统相比 有较明显的优势【1 5 - 1 6 】，主要体现在下面几个方面： 1 ) 准确的定位。单片机的精度由内部分频决定，因此单片机能够达到的精度远 远要高于模拟系统的所能达到的精度。 2 ) 电路的设计和控制简单。由单片机组成的系统结构简单，很大程度上简化了 模拟电路，而且有益于维修和保护。 3 ) 灵活性突出。根据不同的焊接工艺要求，数字化系统可以采用不同的算法进 行控制，实现送丝的速度控制1 7 。9 1 。而且，随着算法的不断的更新，控制精度也就 不断的提高。而模拟系统结构、参数一旦确定，就只能按照设计好的唯一一种控制 方法进行控制。 因此，送丝和行走系统采用了数字化控制将大大提高送丝和行走的稳定性和送 丝的准确性，提高了焊接质量和增加了焊接效率，而且为新型焊接工艺的实现提供 了前提和保障。 沈阳大学硕士学位论文 1 3 数字化送丝和行走系统国内外的研究现状 窄间隙埋弧焊的送丝和行走系统数字化的改造涉及到计算机、微电子、机械制 造、现代控制等多种学科的知识与技术，与传统的模拟电路控制的方式相比，产生 的效果有了很大的提高。 窄间隙埋弧焊出现于上世纪8 0 年代，主要应用领域是低合金钢厚壁容器及其它 重型焊接结构。现在，窄间隙埋弧焊已有各种单丝，双丝和多丝的成套设备出现， 主要用于水平或接近水平位置的焊接。窄间隙埋弧焊所用的焊丝直径在3 - - - 4 m m 之 间。可以采用单焊道或多焊道两种方案。 目前，艾美特( a m e t ) 公司采用先进的同步数字控制技术x m 、林肯电源 p o w e r w a v e l0 0 0a c d c 、m e t a 一激光跟踪等先进技术，并配备其自身研发的特殊焊 接机头设计出了多种埋弧焊焊机，其性能已经成为生产先进焊接设备的佼佼者。 a m e t 窄间隙双丝埋弧焊接系统可以在一个控制器上实现所有参数和逻辑关系的设 定，并且这些设定在焊接过程中实时可调；实现多丝实时相序控制，焊接过程稳 定，电弧间干扰小；每个电弧的参数都可以根据坡口和熔敷量的需要独立编程设 置；焊接过程中的数据采集和过程监视能力使得故障的排查与分析变得十分容易【2 m 2 1 1 ，如图1 2 所示。 沈阳大学硕士学位论文 图1 2a m e t 双丝窄间隙埋弧焊 f i g u r e1 2a m e td o u b l ew i r en a r r o wi n t e r v a ls u b m e r g e da r cw e l d i n g 伴随着高精度机床的出现，机械加工的精度越来越高，u o l 械系统的误差越来 越小。在现有的技术条件下，无沦是提高电机性能，还是改造传动装置都将是一个 长期而艰巨的任务，因此送丝和行走系统的控制方式、算法以及控制电路的研究就 成为了快速提高送丝和行走性能的有效途径。 目前，已有基于可编程逻辑控制器( p l c ) ，p i c 、m c s 一5 1 、a v r 、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 、a r m 等为系统的控制芯片的研究， 部分已有成果。因为它们具有运算速度快，性能高，稳定可靠，具有体积小、功耗 低、易于移动、应用广泛、通用性强等优点，广泛应用。j 二控制行业中，这也是数字 化送丝和行走系统的最新研究方向。 国外，最有代表性的是f r o n i u s 公f 习的数字化送丝机【2 2 】，乓代表性的产r f | l l 为 v r 一4 0 和v r - 4 0 0 0 c 序列。采只 译片机作为控制器，使川5 5 v 的直流f 乜机。送丝速 度范围为0 5 m m i n - 2 2 m m i n 。住整个焊接过秸，操作者只需操作面板按键，即 馨删熙爹警孵辑卵黪 ； 沈阳大学硕士学位论文 可启动程序来控制送丝机的动作。它还采用4 8 5 总线方式与d s p 中央控制单元进行 通信联络。根据d s p 的指令对直流电机进行启、停控制及速度调节。 另一个有代表性的是m i l l e r 公司的7 0s e r i e s 和s 3 2 序列。它采用2 4 v 直流电 机，用微处理器作控制器，通过操作面板进行参数编程来调用其内置的多套脉冲焊 程序。在单、双丝模式方式下，对0 6 3 2 m m 的焊丝，送丝速度可达1 3 19 8 r r d m i n 。 就目前的情况，美国，日本等发达国家，已经实现了对交流伺服电机数字化控 制，替代了传统的直流电机控制并应用在高档焊机的送丝和行走系统中。由此可见 逆变焊机的数字化控制从电源部分扩展到送丝和行走系统也是一种发展趋势2 3 。2 6 1 。 国内，根据目前掌握的情况，高校的研究主要有北京工业大学、上海交通大 学、兰州理工大学、天津大学和哈尔滨工业大学等单位，国内企业的研究则以北京 时代集团、哈尔滨焊接研究和成都焊接研究所为代表，目前已经有多种数字电源产 品投入市场2 7 1 。国内对送丝和行走的数字控制主要采用专用的p w m 控制芯片，通 过芯片输出不同占空比的脉冲来调节电机两端的电枢电压，从而达到调节速度的目 的【2 8 。0 1 。 山东大学研究所，采用双芯为控制系统为控制中心，采用电压负反馈和传统 p i d 算法进行闭环控制直流电动机，实现了送丝和行走的速度的实时和准确控制。 通过调试，很好的达到了最大限度的排除干扰以保证控制系统的稳定、可靠【3 1 1 。 中南大学研究所，以8 0 c 1 9 6 k c 为控制芯片，基于一种基于模糊p i d 控制的双闭 环p i 调速系统，并建立了送丝和行走机构的数学模型，对电流内环和电压外环进行 了分析，并进行了仿真和试验分析，达到了较好的控制效果【3 2 】。 从2 0 0 9 年的焊接展上可以看出，焊机的主要差距不在电源方面，而是在送丝、 行走等辅助方面3 3 1 。目前，我国大多还在使用电压反馈控制送丝和行走系统。而同 类产品国外使用的是速度反馈控制。在电机使用方面，国内使用的是直流伺服电机 比较多，国外已经开始大批使用交流伺服系统控制。可以看出，国内的研究正处于 硬件电路设计和完善阶段，控制软件和控制策略基本沿袭传统思想，研究较深入的 则正在向焊接工艺的精确控制方向发展【3 4 1 。 沈阳大学硕士学位论文 1 4 数字化系统研究的目的与意义 随着科学技术和市场经济的不断发展，对焊接产品的质量、生产效率、寿命、 可靠性和生产成本的要求也越来越高，数字化的焊接设备能够更好的满足这种需 求。目前，实行焊接过程的自动化和数字化已成为焊接行业的重大战略目标。在焊 接领域里，埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一。但是，近年来，由 于各种装置规模的扩大，大型容器壁厚和厚板厚度不断增加，传统埋弧焊焊接难度 加大，窄间隙埋弧焊以其高效、省时、节能的等众多优势被大量应用工业生产中。 据统计，通常总效率可提高5 0 8 0 ，可节约焊丝3 8 5 0 ，焊剂5 6 6 4 7 。 因此，对窄间隙埋弧焊的研究必将带来巨大经济和社会效益。送丝和行走系统是窄 间隙埋弧焊重要的辅助组成部分。在窄间隙埋弧焊焊接控制系统中，送丝和行走系 统的性能影响焊接过程的稳定和焊接质量，只有确保焊丝的精确送给和行走速度的 稳定，才能产生有规律的熔滴过渡，从而提高焊接质量。 1 5 本课题主要研究内容 本文以m i c r o c h i p 公司生产的d s c 芯片为主控芯片，通过p w m 脉宽调制的方 法，使用专门设计的直流伺服电机驱动电路进行m o s 管的通断控制，实现电动机起 停，正、反转和多速度的控制，然后通过传感器进行信息检测，实时反馈，并配合 闭环的p i 控制，实现电动机平稳，精确，快速的转动，完成窄间隙埋弧焊焊接引 弧、焊接、熄弧过程中的送丝和焊接过程中的行走控制。主要研究的内容如下： 1 ) 采用d s p i c 3 0 f 6 0 15 芯片作为窄间隙埋弧焊送丝系统的核心控制器，直流伺 服电机为驱动对象，设计出满足送丝和行走控制系统要求的硬件电路。包括直流伺 服电机驱动器，多路电源，多种信号采样电路，显示界面、通信网络和保护电路。 2 ) 根据窄问隙埋弧焊焊接对送丝系统的送丝速度变化范围的要求，设计出可在 0 4 m m i n - 4 r n m i n 范围内任意调节送丝速度的驱动机构。 3 ) 根据窄间隙埋弧焊焊接过程的送丝和行走控制模式要求，借助d s p i c 3 0 f 开 发环境m p l a b 对焊接过程的送丝控制程序进行模块化编写和调试。 4 ) 根据窄间隙埋弧焊送丝和行走系统的要求，对设计的控制系统的硬件部分和 软件部分进行仿真测试和在线测试并进行实验，得出实验数据并分析，得出结论。 沈阳大学硕士学位论文 2 焊接过程的送丝和行走控制策略 焊接电弧的稳定性直接影响焊缝的性能和焊接产品质量，因此在焊接过程中， 通过改变送丝和行走速度对电弧进行调节，以达到使电弧稳定燃烧的目的。焊接过 程主要包括引弧过程，焊接过程和熄弧过程，而焊丝的送给贯穿于整个焊接过程， 因此，对于三种不同的环节，应该分别整定出三种送丝策略来焊接系统的要求。 2 1 焊接过程中的送丝控制策略 2 1 1 变速送丝控制的必要性 在焊接过程中，要保持焊接速度不变相对容易，而要保持焊接电流和电弧电压 始终不变，则比较困难，因为在焊接过程中经常受到外界各种因素的干扰而导致焊 接电流和电弧电压偏离预定值，无法保证焊接质量。 电弧的稳定燃烧时的焊接电流和焊接电压是由焊接的外特性曲线和电弧的静特 性曲线的交点确定的35 1 。但在焊接过程中，电弧会收到外界的干扰，这些干扰会使 得电弧的静特性曲线变化或电源的输出特性曲线变化，那么就会使静态工作点发生 变化。例如：焊件表面不平，焊丝打滑等这种干扰会引起电弧静特性发生变化。又 如：大容量电气设备启动和切断，电源内器件受热特性改变等，这类干扰就会引起 电源外特性曲线变化【3 6 _ 3 7 1 。 实际焊接过程中，干扰不可避免，因此需要系统有自动调节功能，减弱或消除 干扰带来的影响，保证焊接参数稳定。 2 1 2 电弧电压负反馈送丝控制策略 电弧电压反馈调节系统与电弧自身调节系统不同，电弧自身调节系统是依靠电 弧自身的调节作用来保持电弧长度不变，当电弧因外界干扰而变长时，电弧电压会 变大，焊接电流会变小，那么焊丝的熔化速度会慢，送丝速度大于焊丝的熔化速 度，促使电弧长度变短，达到调节电弧的目的。而电弧电压反馈调节是靠电压负反 馈作用来保持电弧长度大小，属于强制执行的控制。其实，在电弧电压反馈调节过 程中，也有电弧自身的调节作用，但是自身调节作用相对于电压反馈调节作用较 小。因此，主要体现的是电弧电压调节【3 引。 9 沈阳大学硕士学位论文 电弧电压反馈调节系统的原理是：电弧长度波动而引起焊接参数偏离原来的稳 定值，利用电弧电压作为反馈量，通过改变送丝速度，使得电弧长度恢复到原来的 长度。控制方法模拟电路控制法和数字电路控制，模拟电路控制通常采用电弧电压 反馈调节器，而数字电路通常采用控制算法，但本质上是一致的。数字式电弧电压 反馈调节结构如图2 1 所示。 图2 1 数字式电弧电压反馈调节结构 f i g u r e2 1d i g i t a la r cv o l t a g ef e e d b a c ka d j u s t i n gs t r u c t u r e 上位机通过总线与送丝控制系统进行通信，传入焊接参数，例如焊接电压，焊 接电流，焊接速度等。送丝控制系统对控制量( 焊接电压) 进行采样，并通过反馈 环节和a d 转换，传回控制器。在控制器中，与给定值进行差值运算，得出偏差 量。然后按照设定好的控制算法进行计算，得出能够满足控制要求的占空比，输出 p w m 控制信号，接着p w m 信号对驱动电路的开关的持续时间进行控制，也就调整 了电枢电压，从而控制了送丝电机的转速。 在电弧电压负反馈焊接过程中，为保证焊接电弧能够稳定的燃烧，必须使焊接 电弧工作的静态工作点。然而对于电弧电压负反馈焊接系统来说，在电弧稳定燃烧 时，还必须保证送丝速度v t 与焊丝熔化速度v m 相等。那么，电弧电压负反馈系统 的电弧稳定燃烧的静态工作点应该是电弧静特性曲线，电源输出外特性曲线和等熔 化曲线的交汇处，如图2 2 所示。因此，送丝的给定速度是根据焊丝的熔化速度来 确定的。 1 0 沈阳大学硕士学位论文 u 0 图2 2 电弧稳定工作条件 f i g u r e2 2a r cs t a b i l i t yc o n d i t i o n s 焊丝的熔化方程为： v m = 砖l 一吒眈 ( 2 1 ) 式中，k i 为焊丝的熔化速度随焊接电流的变化系数，其数值取决于焊丝直径、 焊丝电阻率、焊丝的伸出长度及电焊接流大j 、 c l t i ( s 术a ) ；k u 为焊丝熔化速度随电 弧电压的变化系数，其数值取决于弧柱电位的梯度及弧长的大j 、 c 1 t i ( s 术v ) ；v m 为 焊丝的熔化速度；i 。为焊接电流；u 。为电弧电压【3 9 1 。 因此对于变速送丝的窄间隙埋弧焊控制系统来说，只要给定了焊接参数，那么 数字化送丝系统就会按照给定的送丝速度进行电弧的自动调节，使焊接电弧稳定燃 烧，保证了焊接质量。 2 2 引弧过程送丝控制策略 可靠引弧是保证焊接质量和焊接效益的前提条件。引弧一般有三种方式，划擦 式引弧、反抽式引弧和慢送丝引弧。 划擦式引弧就像是划火柴一样，在焊接开始之前，先调整焊丝的位置，使得焊 丝和工件接触，焊接开始的时候，使得焊丝侧滑或者前滑，引燃电弧。这种方式引 弧效率不高，而且随着时间的推移，越来越低。 沈阳大学硕士学位论文 反抽式引弧的过程是先将焊丝的工件接触，通常采用的方法是手动送丝和抽 丝，然后接通电源，焊接开始，送丝电机回抽焊丝使得电弧引燃。电弧燃烧后迅速 使电机改变方向，使得焊丝送进，进入到正常的焊接状态。 慢送丝引弧的过程，不需要人工的调整焊丝和工件的相对位置，通常焊丝都是 处在工件的上方，当接通焊接电源时，送丝机构以远远小于正常送丝速度的速度进 行送丝，当检测到与工件接触时候，反馈信号反馈给控制系统，控制系统使送丝电 机反抽，当电弧稳定后，再以正常的送丝速度进行送丝【3 5 】。 本系统结合传统的引弧方式，拟采用改进式慢送丝引弧模式。改进式慢送丝引 弧模式是在慢送丝引弧方式的基础上改进得出，引弧过程是在焊接开始时，缓慢送 进焊丝，当检测到焊丝与工件接触瞬间，马上停止送丝，随着电流的突变在慢送丝 引弧，当电弧稳定后，改为正常送丝速度。因为在停止送丝的时问里，焊丝和工件 接触电阻维持了一段时间，增大了起弧阶段的电阻热，因此，大大提高了一次性引 弧的成功率。 2 3 收弧过程送丝控制策略 良好的收弧是保证焊接工件的工艺要求和焊件质量要求的前提。通常采用的方 法有焊丝反烧式熄弧和电流衰减式熄弧方法。 焊丝反烧式熄弧，这种方法是在停止焊接时，先停止送丝机构送丝和焊接电弧 的移动，送丝处于自由模式，经过一段时间后再断开焊接电源熄灭电弧。 电流衰减式熄弧，此方法是停止焊接时，先将焊接电流慢慢降低到一定的数 值，然后再断开焊接电源( 3 9 】。 在熄弧的过程中，当停止了送丝电机送丝后，送丝系统处于自由模式，逐渐填 充弧坑，但是由于送丝电机停止后，送丝仍然有较大的惯性，容易产生焊丝栽入熔 池，造成粘丝的现象，影响下次焊接引弧。基于以上的原因，结合了传统焊接熄弧 方式，本系统拟采用一种改进的熄弧方式，变速熄弧方式。变速熄弧方式是焊接过 程停止时，控制送丝速度逐渐减慢，当弧坑填满时，反接制动停止送丝，有效防止 粘丝现象。 沈阳大学硕士学位论文 2 4 焊接过程中的行走机构控制策略 焊接的行走控制只存在于焊接过程中，因此对行走控制相对于送丝控制要简单的 多，只需要对行走机构的速度进行稳定控制即可。传统的行走速度控制采用行走电机的 电枢电压负反馈控制，但这种方式抗外界的干扰( 如负载的变化) 能力较差，而且行走 速度精度不是很高。因此，本设计结合传统的控制模式，采用行走转速的负反馈对行走 速度进行控制，这种方式将提高行走速度的准确性和抗干扰能力。 2 5 本章小结 本章通过对送丝系统与焊接过程关系的分析，整定出3 种送丝策略：引弧过程 采用改进式慢送丝引弧模式；焊接过程中采用电压负反馈闭环送丝策略；熄弧过程 采用变速熄弧策略。以及行走机构的控制策略为转速负反馈控制。 沈阳大学硕士学位论文 1 4 沈阳大学硕士学位论文 3 送丝系统的硬件设计 3 1 窄间隙埋弧焊控制系统 送丝和行走系统是窄间隙埋弧焊控制系统的重要组成部分，由于它是以整个控 制系统为载体工作的，因此需要先对整个控制系统的结构和控制方式进行分析，然 后才能确定送丝和行走系统的控制方案。 窄问隙埋弧焊机通常由是焊缝自动跟踪系统、焊接机头、焊剂送迸与回收系 统，电气控制系统、林肯焊接电源、焊接操作架、焊接送丝机构等组成。与传统的 埋弧焊相比，窄间隙埋弧焊加入了焊接机头的焊枪摆动机构，焊剂的回收系统，和 先进的激光跟踪系统，以及改进的数字化送丝和行走系统。窄间隙埋弧焊的控制系 统的总体结构如图3 1 所示。 图3 1窄间隙埋弧焊整机结构 f i g u r e3 1n a r r o wi n t e r v a ls u b m e r g e da r cw e l d i n gc o n t r o ls y s t e m 沈阳大学硕士学位论文 传统的控制模式是一套的计算机设备控制和监控所有的外部设计和传感器，系 统通讯时间被外设分配掉了。也可以认为系统处理模式是单一事件处理，当处理一 个外设或传感器时，其它部分处于屏蔽状态【2 0 】。因此，系统通信是有先后顺序的， 不是同步通信，这样在大量外设的情况下，系统处理时间非常紧张，容易出现错 误。 基于这种不同步安全隐患，新型的窄间隙埋弧焊同步系统设计如图3 2 所示。 图3 2 窄间隙埋弧焊同步系统 f i g u r e3 2n a r r o wi n t e r v a ls u b m e r g e d a r cw e l d i n gs y n c h r o n i z a t j o ns y s t e m s 这种设计采用了多处理器控制方法，使得每个部分形成一个独立的闭环控制， 而主处理器在同一平台同时向各个分处理器同步发送信息。这种网络的采用，使得 信息同步的同时，大大减轻了主处理器因繁忙而造成错误信息的传递，提高了系统 的稳定性，加大了系统的灵活性。 通过以上的分析，窄间隙埋弧焊数字化送丝和行走系统分别采用独立的芯片控 制，通过总线进行数据和命令传递的新型数字化控制模式。 沈阳大学硕士学位论文 3 2 送丝控制系统的设计要求和总体设计方案 根据窄间隙埋弧焊焊接工艺参数的要求，采用m i c r o c h i p 公司生产的 d s p i c 3 0 f 6 0 1 5 型号1 6 位高性能单片机作为送丝控制系统的核心控制芯片，通过控 制直流伺服电机的正、反转运动，多速度转动和快速制动等运动模式，达到窄间隙 埋弧焊的送丝要求，完成自动引弧，稳弧的变速送丝，自动熄弧三大主要焊接过程 的送丝控制，并且能够实时的动态显示焊接现场信息并保持与上位机数据交换。 窄间隙埋弧焊数字化送丝系由送丝控制系统，送丝驱动机构，电源系统组成。 送丝驱动机构在以后的章节详细介绍，电源系统采用的是美国林肯公司生产的林肯 电源，不在设计范围内，只做简单的介绍。送丝控制系统是整个送丝系统的核心部 分，它包括了核心控制器，送丝电机驱动器，执行电机，液晶显示，信号采集电路 和检测电路等组成。送丝电机驱动器的设计要综合考虑电机控制芯片d s c 性能和直 流伺服电机的型号。液晶的选用要考虑到系统多种的信息的显示要求和时间要求， 做到实时、全面和直观。信号采集和检测电路的设计要根据传感器的控制特性和送 丝系统的控制要求来完成，包括电弧电压信号、焊接电流信号、送丝速度信号、电 枢电流信号的采集。此外，系统还要包括故障的检测和处理，如过流、过压、欠压 保护电路。送丝控制系统整体设计如图3 3 所示。 沈阳大学硕士学位论文 图3 3 窄间隙埋弧焊送丝控制系统 f i g u r e3 3n a r r o wi n t e r v a ls u b m e r g e d a r cw e l d i n gw i r ec o n t r o ls y s t e m 3 3 送丝核心系统设计 3 3 1 送丝系统核心控制器选择 控制芯片是整个控制系统的核心器件，对系统运行的快速性、稳定性和安全性 起到了至关重要的作用。窄间隙埋弧焊送丝系统对芯片性能提出以下要求： 信息的处理速度快，能够实时的对系统随机性突然变化做出快速的反应。信息 处理功能要强大，必须具有多种控制引脚，如p w m 脉宽调制引脚，多种通信引 脚，高速数据计算引脚等。芯片集成程度要高，尽量减少外围器件的复杂程度。具 有很强的抗干扰能力和较低的成本等特点。此外，芯片的通用性强，编程环境易于 开发也是芯片选择所要考虑的因素。 沈阳大学硕士学位论文 基于控制系统对芯片的要求，综合考虑到市面上生产的微控置器，本控制系统 采用由m i c r o c h i p 公司生产的d s p i c 数字信号控制器( d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ，简称 d s c ) 。d s c 系列芯片具有强大的中断处理能力，丰富的外设等高性能1 6 位单片 机所具有的所有功能，另外还采用的是1 6 位改进哈佛结构，具有增强型指令集，因 此具有了更高的性能。最高速度为3 0 m i p s ，温度范围可扩展到4 0 1 2 5 。c ，工作电压 2 5 5 5 v ，具有了更加广阔的工作范围。最多1 4 4 k 的f l a s h 程序存储器，4 k 的 e e p r o m 数据存储器和8 k 的s r a m 数据存储器，具有更大容量的存储空间。更