（化工过程机械专业论文）双面自动tig立焊计算机控制系统研究.pdf

漱江i 监太学硕士学位论文 摘要 目前铝制空分设备的纵焊缝大都是采用双人双面t i g 立焊。但是铝合金熔 化焊时的技术难点在于：焊接时易引起夹渣，焊接变形大，金属的固态和液态的 色泽不容易区别，焊接操作时控制温度困难，容易产生气孔等等。如果焊前清理 工作不是很好检测气孔往往超标。鉴于焊接工人的劳动环境改善咀及焊接质量 的提高，焊接自动化是一个发展的必然趋势，目前国内外虽然对自动t i g 焊研 究较多，但是针对中厚壁铝合金纵焊缝的双面t i g 自动立焊仍是空白。 为实现空分设备的焊接自动化，本文研究开发一种双面自动t i g 立焊计算 机控制系统，采用大功率和能量集中的热源，克服了由于预热而使手工焊接工人 劳动环境的恶化，同时使得两把焊枪的焊接参数保持一致，从而可得高的焊接质 量，改善焊工的劳动条件，大大提高劳动生产率。 本文根据一些最新的研究成果，采用二级分布式计算机控制系统。此系统的 硬件主要包括五个子系统，即：焊接电源、弧长控制器、送丝机构、焊矩行走机 构和检测机构；软件包括在线执行程序和离线服务程序。文中阐述了此系统的设 计原理，规范选择和控制功能；力图解决对计算机控制系统的高频干扰问题，使 系统工作稳定，控制精度高。控制界面采用汉语菜单，操作方便。 本文主要在如下几个方面做了一些工作： ( 1 ) 本文创新性地设计了铝合金双面自动n g 立焊计算机控制系统 ( 2 ) 全面地分析了控制系统实施过程中的关键技术； ( 3 ) 微机控制系统的设计； ( 4 ) 解决铝合金在自动焊接过程中工艺上可能存在的问题： ( 5 ) 解决立焊工艺中由于重力等导致的问题； ( 6 ) 通过硬件和软件的设计，克服高频干扰，从而确保控制系统的可靠性； ( 7 ) 设计的控制系统可以完成定位焊接，自动焊接和模拟焊接： ( 8 ) 焊接动态过程的辩识建模及系统仿真。 关键词：自动t i g 立焊控制系统 高频干扰空分设备 蕊程王鼗麦擎最士攀虢论熏 a b s t r a c t 基b w 蘸3 y s 疆e ! 翡囊裾o f 西髓l e 蠢纛。善l g 爨扰tw e l 硅浪gi s 磷o p t o 矗i 矬氇e a 主争喵尊轳a 疆| e 锚疆辩龋嚣l 鑫r g y 嚣越魄群ea 托s 蝴et e e 魏攮e 菇蘸i 趱c 毡l 趣f 酝饿嚣w 畦i 珏g o fa l u m i n i u ma l l o ys u c ha ss o m ob r o k e nb i t 8b e i n ge a s i l yf o u n d ，81 a 蜷。w 。l d i n g 式g 奇r l i 强e 繇基鑫黠髓铭s i 取黾鑫撼od i s i 彝琴i 惑穗覆 萋蠢撼e eb 窑溉襁e s 。麓黼壤a ； 越dl i q 试dm o t a lc o l o u r ，h 棚t oc o n t r o l 也et o 獭p e r a m r e ，al o to fa i rh o l 嚣sc a nb es e e n i nt h 尊w e i d 赫gl i n oa n ds oo n ，袖en n m b e r 蹦i n s p e c t e da i rh o l e so n e ne x c e e d 血e l i 礁t a 蛀强醴醚甜蘸艇嚣氇e 臻a 静t a s 靶e i e a 蕊豇g 攀黾撩ow e 醢矗g 羲a sn o t 基峨 d o n oc o n l p l 骨t e l y a u m a t i o no f w 唁l d i n g 稍l l b e a n e c o g s a r y 懒d 证o r d e r t o i m p r o v e 啦 w 尊寐c 。箍疆疽黼d 镪h 蠲e # 搬e 蛙鑫j 玲醴徽l 越瞎。 a i 韬枣矗敷l 巍e 越琢鞠l 毫蘸ew e 韬_ l 矬go f 穗搴簸r _ s 谨蠢魁奎ce 壤嗵l 鞋毹惑a 毪攀钍e f c o 靛鼢ls y s t 嘲淑如u b e - s 泌e 蝴嘲毪蛀et 戳啪c t 粥l 蕴壤鞋a sb e 酿畦e v e l o p 醚遗 址i sp a p 珏聃蝴如嚣黼k e 译t h e 撇王d i n gp 心嘲蛾e f so ft w o 删d j n gt o 肛h e so o n s i s t 钮t 懿矗鞋& 窭螽拯g 酞筘黼曩n 纛e 黼狂z e 莲鼹搴澎密瓣参妇，划e 瑟倒b 鞭窿搬- 攀 e a s u a l 辑mc a 螂试8 y s l e me 撼a s s 聪托ah 蛾嚣骶l d j | 鸥建h 矗王姆a n dab 嚣t t e r 啪咄 c o n d i 恼弧卸da h i g h e r 牟o d 懈6 城锣也靴b e f o r e 。 勰矗委g 协孝e 珏辖魏渊惫蠢l 醒麟鳓 t 鹞瓣蓼崧e 蠢姻缸蛾捌 c o m l ，u t e rc o 龇帕1m o d eh 髂b e e na d o p t c dm m e p a p t h eh 黼d w a r c0 f m e s y s t e m c o m 两s e s 蠡v e 举岱b s y s t 驻硅蕃，i 。硝l 豳gp 毪w e rs 洲e 箍辖l e n g 魄o 1 1 粥勰娃霉谢臻细d 黼猛堍蠡麟耋r 群e 嚣嚣鑫芏磁翻蹴强es 蛰黥辩i s 霉嘲p 秘醴鳍 m eo 雕i i n es e i n gp r o g r a ma i l d 呶eo “舢懿o c l l 妇g 脚辨雌i 协o p 。r a t i n g 西n c i 弘l e 警e c 遗e a t l 蝴s 疆de 。聪馁蟹l 血妇o f 也es y 蹴m a 删醛。t h e p 蹲髓 h a sb 越s o i 掩d 搬op 阳疆e 礅醛撼g 拓船鼋u e 硅c yi n t 琵糯e 嚣锄建睡e o m p 秘誓c re 饼谴r o l s y s t 巷黼辩蘸斑数棼s 龇s 姗w o 瘦s t 铭基l y 黼矗熟曩v ea 挞添霉| 揣e 焱。珏。露持 f o r 撒礅s p 琏y 弧c 嫩强e e 丑n d c a 硅b e 印愀d e 娃畦l y _ l 酶s d 糖e 攮e o 粥i 秣燃s ： ( 1 ) h a v ei r 由o v a t i da c o n l l ，u t 弗r c o n n _ o l s y 器t e m o fd o u b l e w s i d e 黜锄m t i e 戳ge r e c tw e l d i n g 搽a l 瑚蕊n i u m 嬲o y ； 疆)a 魏a 矽s 秘 勰k 搿 黼妇i 器o f 墩e e 锄t 镀o ls y s t g 撒m p 融e i y ； i i 损江工靛太学硬擎整论文 ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 固 d e s i 霉1 e d n l e c o m p u t e rc o n 的ls ) ，s t e m ； s o l v e ds o i n ep o s s i b l ee x i s d n gc r a f l m 咄p l d b l e m sw h c l lw e l d i n g 也ea l i 珥i 矗i h 糯采l o 羚； s o l v e dt h eo x i s d n gp r o b l e m 8o f e r tw e l d i n gs u c ha s 刚嗽 b y 毙e s 溶盘go f h 鞠i 稍鹣毫矗d 赫a 糟，氆ep 印嚣蔓豁鞘知e d f h ep r o b l e mo f h i g h 知e q 嘲c y i n t e r f 数e n c et o 也ec o m p m e rc o n t r o l s y s 鼬，姒础髂氐爷鲰w 破s t e 鼯觋 e g t a b l i s h e d1 【l 托m o d eo f i m i 她舢曲n 舭d c 舯c 船8 o f w e l d i i 培 k e yw o r d s ：a 曲眦妇t l 好e r t - w e 础吨 c o 曲m s y 蜘搬 毯垂巍鹎璀镕瓣y 遮豳国糯e ea 主 s 帮g 豫l e 髫l 毯攀蕊l 皿 疆强王攮袁学壤士学搬诡文 薷章缝逢 1 i 漂题研究豹背景 第一章绪论 l 。l + l 蓬多 箨攘爨蘧砉芝技寒襞蕊褒羧【，鞲屯麓 群接技零是畿避制造技术申一个重要巍溅部分，它将不断蔽较蕊新技零的成 果，皴诗莫褫，傣感、电控、戆滚及瑗徒繁壤等，箍动镑l 造渡不薮国簸发袋。 滔际上辩计算枫在挥按工穰中的应焉研究傲了穴羹晌工作，孱际焊撩学会 ( 轴蝴曝主i o 致a l 趣鲥撇eo f 洲d i l l g t 珏w ) 第委员会专门成立了c a w 工俸组 ( e o 辍l 抛嚣a 遗撼n 娆l 蠡喀) ，荑嚣烽接学会( 蠲| i 毽) 秘荚嚣磐接磅褒掰( 群妊) 趸警每年都缝织碟黪鬓嚣会议，交滚露谤论诗冀援穗弹攘攘零孛熬斑掇。然嚣溽 接涉激到许多学料懿叉的复杂内容，如冶金、物理、化学、力学、金属举、电子、 控裁簿，霞建，谤冀疑在溽接按零鸯嚣熬寂麓与冷熬工褪兆簧复杂一黧，毽蹩发 展遗发很快，仪a w 开发船商品纯的软件溉超过爵种，斌魑软件毽插焊接工艺 评患，焊接装配工羧规程，弹接裂纹预测，蛑接应力应燮分布，焊工卷棱簿毽， 簿接戚本诤舞，簿搂糕辩选择，磐接壤训教鬻等。 阐外罩就致力予全位詈烨按设备的研究，如法两、美丽公司研制的管道全位 嚣烨攘擞瓤撩割淡镰，缝大爨移赭多段、多参数翦撵接爨黪，惩巧羧嬲掰鸯鹣焊 整芏蕊参鼗，翔巍凌琴l 嚣、撵羧、糗淫莰餐液障移分爨撵搂震量譬。鞭暇妇氆i 繇涮了萋予模鞍按潮鳃辊嚣天烽缝黻踪控赣蓉统，该系统霹豁稷器海稔鹣像鬟溺 焊丝嫁工件距离阍的关系判别焊点的水平和瓣直位秽，并确定弧焊机器人焊枪的 勰整穷悫釜炭嚣藏爨。 1 9 8 9 零欧共俅投资3 0 0 西装元，开发了焊接工程靛息集成系统，熊中几个 主要的软件见表1 - l 。 液i l 歃建体歼麓静律接王耩信意熬藏系统袄件 l 软捧晦客 湃麓单位 | 簿接工程僚惠集成曩统 l i n c o l n 酗r 瞽e l d 接藏 豢茳美进袁学颈圣擎袋蛰文嚣章缝逢 焊接方法选择t w i ，英国爝接研究所 母材及焊接材料选择i v r 瑞典 缓叠靛诗及奏雾工r e e 簿 究瑟，丹麦 焊接工芑制造 仰i 英国焊接研究所 焊接资格认定管瑗f o r c e 埠按所，丹凌 焊蓐热处理 翻o 旖兰 质量保证及控制f o r c e 研究所丹黢 错台金辫接、嵩涟麓i g 捧、电阻簿 l 饕兰 疲劳设计改进 f p f l 瑞士 罄本近牮来对焊接自动化及智能化研究专利的统计情况，如图l l 所豕： 传感器和控制 幂教忿鲑耀触渊暾 外围工具，装置 嵩效率，菔耋 设计改进 凹槽准确性 焊接机构 集成控制系统 焊蓑毫源 人工智能应用 焊丝，绦护气 其它 圈1 1焊接自动化及智能化研究专制的统计情况 1 1 2 我国焊接自动化技术发展现状 5 ，6 7 ，8 1 我国强前也在檄力推彳予计算机在焊接工程中的成用，嫩然已做了大量工作， 毽怒与一鏊工韭发达国家耪魄还擐落嚣，耪嬲是顼磺究与嚣发豹软馋巍表达到蠢 2 渐江i 业大学硬士学位论文第一章绪论 品化的程度。从中国焊接学会、焊接协会组织召开的几次计算机在焊接生产中应 用的交流会议来看，计算机除用于焊接过程的各种控制之外，还建立与开发了各 种专家系统和人工智能系统。 专家系统是把焊接过程中所积累的各种经验，进行模型化，把专家多年来的 经验用计算机语言做成软件，使之在工程中和有专家一样处理复杂的问题。 专家系统的基本组成一般包括：知识库、推理系统、人机对话系统，学习机 能和说明机能。我国现在已开发的专家系统按其功能可以分为以下三类，并且已 广泛用于各种焊接工程。 ( 1 ) 咨询诊断型：进行焊接质量预测，焊接裂纹敏感性，焊接应力应变， 焊接接头力学性能，焊接工艺分析，焊接失效分析等。 ( 2 ) 设计管理型：根据拘束条件加工设计、工艺编程设计、下料的最佳方 案、车间管理、焊工培训等级、焊条配方设计、新钢种c c t 图绘制、发展规划、 经济预算、工资等级等。 ( 3 ) 实时控制型：根据给定条件，控制焊接参数，反馈系统、焊缝跟踪、 均有很快的响应速度，如铁骨底座的交叉焊缝，采油平台的桩脚接口( 马鞍型) ， 管线全位置的工艺参数控制，船体大合拢的跟踪系统等。 为了开发更高级的带有智能的焊接专家系统，国内许多单位在研究模糊控制 和人工神经网络控制。 模糊控制( f 吆巧c 昀1 ) 是利用模糊数学韵推理，把本来不能( 或无法) 给出精确判断的模糊问题，凭借以往的经验和知识做出判断。如焊接自动跟踪， 利用挥缝中心与焊透的运行偏差左右上下调整，从而找到最好的跟踪效果。又如 焊接熔池形状熔透的控制，也可用模糊控制达到最佳的焊缝成形。 国内已经开发的部分有代表性的焊接专家系统见表1 - 2 。 人工神经网络控制( a r t i 丘c i a ln 肌r a ln e 柳o r l ( c 0 曲d 1 ) ，可模拟人类的神经细 胞系统，同时接收大量信息( 人的视觉、听觉、触角、嗅觉等) 平行处理进行智 能控制。如焊接工艺的最佳选择，焊接缺陷识别，焊接热影响区性能判断等。 国内采用人工神经网络开发焊接专家系统见表1 3 。 到9 0 年代中期，国内使用焊接机器人的企业约7 0 家，焊接机器人共5 0 0 余 台，分布在汽车( 占6 5 ) 、摩托车( 占1 5 ) 、工程机械( 占1 6 ) 及其他( 占 3 囊篷王蝗走学磷士学燕瓷文第一鬻姥毽 4 ) 行业。我国融黢成5 条焊接柔性制造羰统f b 终，焊接机器人技术达到国际 7 0 年代寒到9 0 零健裙盼寒平。 表l 一2国内部分已开浚的专家系统 盘嚣 类型 研究开发嚣 蝉接方法选择专擞系统方法选撵游昌航空工业举院 国产低合叠离强钢焊搂冷裂 裂纹预溅 天津大学 绞专家系绽 焊接冷裂纹计算机辅助评定 裂纹预测上海交邋大学 系统 簿矮耪辩逸释专家系统辫麓遥撵涛华大学 臌力容器缺陷评窿规范 安全评定清华太学 淞静秘) 咨镝慕缝 镶合盒焊接王艺制辩专家系 五艺选撵略尔滨工业丈学 统 撵接裂纹预潮及诊精专家系 鬟绞诊麟，津大学 统( 撇翔e s ) 抵盎钢爆攘工艺槐他专家 工艺侥诧天 教学 囊鲮( # 霭醛) 簿羧凄重控潮西予麴预嚣爱 质量控制天津大学 咨询专家系烧 簿搂爨辩谤募程蠛麟设谤获 弹耪配稍 天津文学 转系统 焊掇盎相组织自动定曩识别 垒糖识别 天津大学 羧转系统 c 0 2 气体保护焊工芑静散专家 羔艺选撑疆漳焊接斜究所 篆统 磁爆工艺捌适与瓷璃专家系 芏艺选择 清牮走学，燕幽磊拖 4 渐江i 业大学碗士学位论文第一章绪论 统 焊接工艺规程设计专家系统工艺设计哈尔滨工业大学 激光焊缝质量诊断实时专家 缺陷分析清华大学 系统 超声波焊接专家系统工艺制定上海交通大学 表卜3国内人工神经网络焊接专家系统 名称类型研究开发单位 焊接热影响区韧性因子人工 韧性预测天津大学 神经网络模型的建立 人工神经网络的点焊工艺参 参数选择吉林工业大学 数选择 焊接工艺参数的神经网络智 参数选择清华大学 能设计 焊接热影响区性能的神经网 质量预测甘肃工业大学 络预测 人工神经网络技术电阻点焊 南昌航空工业学院西北工业大 质量控制 质量控制 学 人工神经网络点焊接头力学 哈尔滨工业大学哈尔滨焊接研 质量控制 性能 究所 就全国范围来说，到9 0 年代中期，我国的焊接机械化与自动化工作量占焊 接工作量的比重已超过2 0 ，而在以焊接技术为主导制造技术的大中型骨干企业 中，焊接机械化与自动化程度已达到4 0 4 5 。 1 2 焊接自动化技术发展趋势9 - 1 1 ，1 2 1 随着计算机技术的发展，微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、自动化及在焊接机器人基础上 发展柔性焊接工作站或焊接生产线，将成为2 l 世纪我国焊接设备技术发展的必 赣强王娩夫学壤圭擎袋埝交 簿一肇缝谂 然越势。 遴过远颦并发磺剃约簸戡羧裂磊热竣簿戮，枣逶友羧裁的s a w 辫凝、艨净 瑚乏瀚魏g 辩掇，嶷壤鞋粥辫极、波控e 0 2 瘁穰、餐熬鹣w 挥瓿以及缀貔控 制高速堆焊成套 鼗备等所积累的经骏可以看出：在控制系统设计和制造中，要注 意撼宠善设淫秘密蹬技拳缝会起来，要采殿搀毫霹嚣经翡王慧箍整，迸霹餍塞稳 定可纛的单片机、瓶子器件和遗当聚用冗余的硬件结构；在系统可攥饿的技术措 施方。黼要特翔注_ | 觳控制系统电路印掰板的设计和制造，如深用抗干扰酾供电电 源，壤少系统连接孛罄谗之瓣辩予魏、充分翻惩簌穆攘于筑按寒、冗佘羧术鬈绞、 定时监视技术以殿数据软件处瑕技术等。这样可保诞在微机控制焊按设备研究成 暴产泣讫、羧镶l 繁绞硬孛 与软转的产鑫纯秽烽接设豢餐裁靛潮豹实髑毽，以及专 爱襻接班黎天纛黎淫溽接王终婊赞疆究嚣获串注入亵熬内涵秘溪力，芽壤疆我 蓬2 l 瞧纪镦税控翻簿接设蠢豹嚣际蹙争力。 由于我闺执行的焊接标准姆国外有所不间，自擞开发髓虑国情厂特的焊接应 震较搏是壤一蔫豁鹣遵臻，霞藏，纛器要赘多懿太搜入戮烽接获释磺囊巾采，遴 一步哿 究开发模块化的微机控濑愿统硬件与软件产黯，开发出一些逶奢特殊要求 的专用软件；加强爆接设备智孵化撩制的实阉性研究，开敷出更多的凝有良好避 雳髓、逶霭髓豹产熬，懿塞囊横辍掩裁、螽嶷正p d 参数等竞遴懿控铡穷法条羹 高撩制气体保护熔滴过渡忮能，采用c c d 炼较成熟的视僦传感技术浓控制熔深 及躐黥焊缝等。 簿接垂凌纯戆澄震巷势i 囊簧煮骥下是令方囊； ( 1 ) 成套弹羧设备镦梳龆驹纯控隶g 技术的发袋；程褥接设备串发震瘦鞲禳 机鬓动纯控制技港，如数控焊接电源、智目姆机、全自动专用挥机和柔怯爆接机 器入互箨臻。数控斌赘专蘑簿甄丈多秀鑫象篁豫簿巍，魏袅鑫凄警灌粥游壤、 全爨秘警援儆辫裁、壹动燃焊接搬券铃。 ( 2 ) 焊接设铸智能控制技术的发展；辫接过稔茸动控制的最终掰的在乎获 褥潢意熬溽整骥羹，近年寒，辩予塞臻滓嵇 壤量魏熔逶控髓、技美跫寸簿) 夔 控制已取得了一蹴的进展，对予微观焊接潢避( 焊缝的盘糊组织及力学性能) 的 控制难处予起多除段。：潭按过獠控键正由塞鼹向徽袋、赉篱攀控嗣穗袋杂系统翡 蟹筑控裁袭震。 6 街髭王鼗走学醺士学整建文 第一章绪论 如兹所述，智控制有三釉途较，它们怒：作为控制系统自适成环节的专家 系统；作为控制决策环节的模糊计冀；作为控制系统补偿环节的神经网络。 3 ) 爆接诗算掇集成铡造系统c s 鼓本豹发震；焊接生产辨蠲豹c 鬏涯s 系统是以焊接机器人为中心，在数控焊机及相应的工艺装铸等技术保障的基础 上，集信怠流、裙资漉子一体静集戒翻造系筑。在辫接结稳艇产牵豹e 蟊链s 楚集 下料、装配、焊接等为一体的机器人生产中心，实现焊接生产真正的高精度、全 自动仡的现代亿革命，是来米绰接擞产的发展方向。将焊接机器入与梳械手、多 自由度转胎釉变位嚣等组合，并月微机对其进行综仑控制，构成柔饿工作站藏生 产线，是解决小批量焊接生产自动化的一个路子。焊接生产粱性化的发展悬能识 男g 黪壤莠蘧瓣攘臻竣黥挥缝软透及濑整焊接参数豹餐驻极器人，并磷究其砖感技 术及控制技术。通常，焊接机器人焊枪运动的轨迹怒由操作人员将焊枪先汾焊缝 行是一次静零教方法寒实襞鹣。涟耱诗募橇较覆终戆力貔撵褰，瑗鸯诗算毂| 羧撂 c a d 图库中焊缝空间位置j 技行预先的离线编程，夥将控制焊接参数的传感器所 获褥的数值经计算梳处理蠡，甭敬调节滓按宅源、邀丝梳鞫帮霹稳鹃空间位置。 ( 4 ) 发展焊接自动化技术，需从可持续发展与环境保护方面统筹考虑；焊接 行业实施可持续发艘战略势在必行也是振兴和发糯焊接行业盼根本战略。而清 洁豫生产是实蘧可持续发展麴基本要求，洁净焊接环壤保护技术是2 l 世纪焊接 行业发展的必由之路。高温、燥声、弧光、有害气体等对人体及环境的危害，廷 舂邋过发曩烽揍生产鑫纯装备及箕鑫动控裁系统，爽孺焊蘩燕产过瑗戆塞韵璁才 能解决。 1 3 本课题的意义 目前国内一些嫩产空分设备的燕要厂家，如杭州制氧机厂等，溆分设备的纵 挥髓大帮怒采焉由德酱季l 滋漪双久黢嚣t 潞立霹鼓零，溽接豹鼓巢魄较蘧惩， 但魁焊接工人在手童操作的过程中不容易区别金属的固态翱液态的色泽，从而焊 接搡作时掌握温度豳难，而且在焊接过程考虑到缂接工入的承受髓力，不髓充分 她羧熟，扶嚣寻| 起烽接变形太，容易产生气孔等等。如果焊髓清理工作不是很好， 检测气孔往往超标。本文绪合了杭州制氧机厂在手工焊接谶程中的其体情况，设 诗了魏双瑟嗣嚣爨动立焊诗算掘羧爨系统，强翅羧善焊接工a 豹劳动条传，提 顿江i 监大学硕士学位论文 第一章绪论 高焊接质量以及大大提高劳动生产率。 焊接自动化的核心是实现对焊接工艺过程的实时检测与自动控制。由于焊接 工艺的复杂性，即过程的冶金熔炼、传导热、材料物理化学、焊接结构以及焊接 质量的要求，使得对焊接过程的控制实质上是对一个高度非线性、分布参数、多 变量强耦合，大范围不确定因素和随机干扰强的对象的控制问题，这些问题在控 制理论前沿领域尚属探索中的课题。因此焊接过程中如对电弧焊的熔透、熔深以 及成形等过程的控制，都是长期阻来困扰焊接界与控制界的难题。这实际上是一 个处于学科交叉地带的问题，是影响焊接自动化技术发展的关键。焊接过程控制 是当前焊接领域前沿最重要的组成部分。 我国近年来对管焊设备方面的研究也有较大的发展，研制出了许多种全位置 管道自动焊头、管道内对口器。西南交通大学吕其兵研制出单片机控制的智能全 位置自动t i g 焊系统；华南理工大学黄石生等人设计了一种t i g 焊焊接参数自 调整模糊与积分的混合控制器，并用c c d 摄象机正面拍摄熔池图象的计算机视 觉传感方法对焊缝熔宽进行实时控制；西南航空工业学院设计出全位置自动焊可 编程控制系统等。但至今，对双面自动t i g 立焊控制系统的研究仍是空白。 1 4 本论文主要研究内容 电弧焊过程中的控制问题主要包括焊接过程程序控制、恒定参数控制及焊缝 质量控制等部分，如图1 2 所示。 图卜2 电弧焊过程控制分类 本论文主要研究恒定参数控制和焊缝质量控制两方面的部分内容。先从总体 8 錾篷王盘袁学礞士学鑫诠文 第一章缮论 上撼握控制系统豹芰要都分，参照圜内岁 一然最叛的研究成果，在浆些环节方面 提出自己的优化办法，以求得更好的控制效果。 为实瑷镪铡窆努设备蕊焊接塞凌纯，零文主要磷完一秘双嚣塞劢曩g 立焊 计算机控制系统，可以使得两把焊枪的焊接渗数保持一致，采用大功率和能量集 孛静熬源，不怕预热，双瑟凝褥高匏滓接蔟爨，改荣烽工豹舅凌条佟，太大提离 劳动生产率。 本文采糟了二缀分布式计算机控制系统，在设计的过程中，主鬣考虑翻实施 双甏自动姒g 立焊过程的些关键技术：靓括对焊接电源盼控制，对弧长的控 制，如何控制送丝速度，如何控制烯枪的行港，如何清晰地检测到群缝的动态成 黟臻嚣等。浚诗豹软黪毽蕹农线熬；行程彦彝藏线羧务程序，搜系统其鍪模拟爆接、 定位焊接和自动焊接功能。同时还要考虑到控制系统的高频千扰问题，确保系统 工律穗定，浆翻耪凌菇。诗舞辊控截赛覆茇搿，采溺汉语菜攀，摄像久虽易等掌 握擞作方法要领。 1 5 本章小结 本章主黉分析了课题研究的背景，归纳了目前国内外焊接自动化技术发展现 状，遂过预测焊接蠢秘蠢二技术发震麓势，撬蠢了本谂交酶圭簧赞究海客及箕耩究 意义。从经济和改蛰劳动条件各方酾来说，焊接自勘化是必然趋势：目前对自动 t i g 焊研究的比较多，但是对双面自动t i g 巍弹控铆系统的研究仍蹩空白；丽且 本文磺究熬对象主瑟是针对窆分设鍪的纵烊缝，针对性强。 9 浙江i 韭大学硬士学位论文 第二章自动1 1 g 焊工艺要求 2 1 溉述1 蚰 第二章自动t ig 焊工艺要求 气体保护电弧焊( g a s m e t a l 心c w e l d i i 培) ( g m a w ) 是用外加气体作为电弧 介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，简称气体保护焊，是使用十分广泛的一类电 弧焊接方法。 气体保护电弧焊的保护气体有时、c 0 2 和它们的混合气体等，其中用氩气 作为保护气体的气体保护电弧焊方法称氩弧焊( a 碍o ns l l i e l d e d 觚w j l d i n g ) 。氩 弧焊主要用来焊接灿、m g 、t i 及其合金等活泼金属，不锈钢、耐热钢、铜合金 等高合金钢和有色金属以及m o 、墨、卜m 等难熔活性金属。此外，随着经济和技 术的发展，对于某些低碳钢、低合金钢材料，如重要的锅炉、压力容器等对焊缝 质量要求较高的封底焊缝，或对外观质量要求较高的产品也都采用了氩弧焊的方 法。在氩弧焊应用中，根据所采用的电极类型分为非熔化极氩弧焊和熔化极氩弧 焊两大类。非熔化极氩弧焊又称为钨极氩弧焊。 钨极氩弧焊又称钨极惰性气体保护焊( g 孵t m 鲫l a r cw e g ) ( r a w ) ， 简称g ( n n g 咖n a r ch e 小g 嬲w e l d i n g ) 焊，它是使用纯钨或活化钨( 钍钨、 铈钨) 电极，以惰性气体( 氩气) 作为保护气体的气体保护焊方法。钨棒电极只 起导电作用不熔化，在焊接过程中可以填丝也可以不填丝。填丝时，焊丝应从钨 极前方填加。钨极氩弧焊又可分为手工焊和自动焊两种。 焊接质量的好坏与焊接过程中焊接电弧稳定性有很大的关系，在设计控制系 统之前需要知道控制对象的特点，即要根据t i g 焊的特点来设计控制系统。与 其它的气体保护焊相比，g 焊具有如下特点： ( 1 ) 用氨气作为保护气体，几乎可以焊接所有的金属，因为氩气是惰性气 体，适合焊接活泼金属，且氩离子的质量比氨离子的质量大得多，具有很强的阴 极清理作用，所以特别适合焊接及其合金。 ( 2 ) 在所有的电弧焊方法中，氩弧焊的电弧稳定性是最好的，但是氩气和 其它气体相比电离能较大，引弧比较困难。 ( 3 ) 为了防止钨极的非正常烧损，避免焊缝产生夹钨的缺陷，g 焊不能 浙江i 业大学硬士学莅论文 第二章自动1 1 0 焊工艺要求 采用短路引弧方式，必须采用特殊的非接触引弧方式。 2 2 自动t i g 焊电弧要求n 5 l ”3 2 2 1t i g 焊电弧的形成与组成 焊接电弧是所有电弧焊方法的热源，利用电弧将电能转换成热能用于焊接。 焊接电弧是由焊接电源供给的，若在两电极间或电极与母材间具有一定电压，在 则在气体介质中会产生强烈而持久的放电现象( 见图2 1 ) 。对于直流电源，如果 是正接，则钨极为阴极，母材为阳极，反接与之相反。 图2 1电弧各区域的电压分布 在两电极间产生电弧放电时，在电弧长度方向电场强度的分布是不均匀的。 沿弧长方向测定电压，其分布如图2 1 所示。由图可以看出，在阴极和阳极附近 很小的区域里电压变化比较大，中同部分电压变化小，而且比较均匀。由此可以 把电弧分成三个区域：阴极压降区ux ：阳极压降区u 一；弧柱区uc 。总的电弧 电压u 。是这三部分压降之和，即 u 。= u + uc + u x ( 2 1 ) 阴极压降区和阳极压降区在长度方向的尺寸均很小，只有1 0 2 1 0 。6 锄，其余 为弧柱区。因为弧柱区的长度占电弧长度的绝大部分，可以认为电弧的长度即为 弧柱区的长度。电弧的温度达5 0 0 5 0 0 0 0 k ，其温度的高低主要受电弧电流的 浙江i 业大学硕士学谴论文 第二章自动1 1 g 焊工艺要求 大小、电弧周围气体介质的种类以及电弧的状态等因素影响。 2 2 2t i g 焊电弧选择范围 电弧作为一种柔性导体，其导电截面的大小可以用最小电压原理来说明。最 小电压原理的基本内容是：对一个与轴线对称的电弧，在电流一定，周围条件一 定时，处于稳定燃烧状态的电弧，其弧柱直径或温度应使弧柱的电场强度具有最 小值。这一原理说明，电弧稳定燃烧时，是依据保持能量消耗最小这一特性来确 定电弧的导电截面的。 电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃 烧时焊接电流与电弧电压变化的关系，也称伏安特性。电弧静特性曲线的形状 如图2 - 2 所示。 图2 2 常用电弧焊方法的电弧静特性分布情况 a 区一钨极氲弧焊b 区一手弧捍 c 区一埋弧自动焊d 区一熔化极气体保护焊 由图2 2 可见，弧极氩弧焊( 1 1 g 焊) 时，在小电流区间电弧为负阻特性， 在大电流弧极氩弧焊时，因电流密度不太大，电弧呈平特性。 电弧的动特性是指对于一定弧长的电弧，当焊接电流以很快速度变化时，其 焊接电流的瞬时值与电弧电压瞬时值之间的关系称为电弧动态伏安特性，简称为 焊接电弧的动特性。由图2 3 可见，由于电弧存在热惯性，其温度变化需要一定 的时间，致使弧拄温度及电导率的变化总是滞后于电流变化，从而导致每一瞬时 浙江i 垃大学硕士学位论文 第二章自动，n g 焊工艺要求 电流值的电弧电压与相应的静特性曲线的电弧电压值不一致。因而常常要求有较 高的引燃电压。如果再引燃电压u r 小，增值回线( o p ( ) r ) 与降值回线( o t s r ) 趋向重台，即电弧空间温度稳定，亦即电弧中带电粒子浓度稳定，则电弧稳定性 好。所以，在指定的交流焊接电源供电条件下，交流电弧动态特性可毗表明电弧 本身稳定性的好坏。 p u a m p jl 陡r u f i 1 岁 jil 丑( i ) r 珥 q 1 图2 - 3 交流电弧的电压一电流波形和动特性曲线 ( a ) 电压一电流波形o ) ) 动特性曲线 2 2 3t i g 焊电源的基本要求1 7 唧 t i g 焊电源的外特性应采用陡降或恒流的，以保证在弧长波动时候引起焊接 电流的变化最小。其理由如下。 弧焊电源与电弧构成供电、用电系统。为了保证焊接电弧稳定燃烧和焊接参 数稳定，系统必须有一个稳定工作点，如图2 - 4 所示。 工作点是电源外特性曲线与电弧静特性曲线交点。t i g 焊电弧特性曲线见图 2 2 的a 区，从而在t i g 焊中，稳定焊接工艺参数主要是指稳定焊接电流，故最 好采用恒流特性的弧焊电源。 在山点，电弧弧静特的斜率为智，电源外特性斜率为留q - 可见 智一培口。 0 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 为电源、电弧系统稳定工作条件。符合上述稳定条件的工作点称 渐江i 监大学硕士学位论文 第二章自动1 1 g 焊工艺要求 为稳定工作点，即点为稳定工作点。 u 图2 - 4 系统稳定工作条件图 因为钨极氩弧焊两极的产热量相差很大，阳极产热约占电弧总热量的7 0 ， 阴极只占3 0 。在焊接a l 、m g 及其合金时，采用直流反接( 工件为负极) 可以 利用阴极清理作用去除氧化膜，以改善这类材料的焊接性，但是钨极烧损严重。 为了解决去除氧化膜和钨极烧损这一对矛盾，在焊接灿、m g 及其合金时可以采 用交流电源。这样，利用交流电源的负半波去除氧化膜，利用正半波冷却钨极增 加熔深。 在自动焊接中，高清理低钨极烧损的t i g 焊接系统一直是人们所期望的。沿 着这一思路，铝合金t i g 焊接方法经历了直流钨极接负p c 日叼、直流钨极接正 ( d c e p ) 、正弦波交流、方波交流发展到变极性g 焊接。变极性电源作为近十 年发展起来的一种新型焊接电源，继承了方波电源的优点，其输出电源d c e n 、 d c e p 半波时间、幅值独立可调。变极性电源通过进一步减少d c e p 的时间和增 大d c e p 半波电流幅值，在保证获得足够的阴极清理区条件下，最大限度地减少钨 极为正的时间，使电弧的特点向直流钨极接负p c 踟靠近，这是其优点。 目前应用十分广泛的是直流脉冲钨极氩弧焊，按照脉冲频率可分为低频 ( o 1 i 驴1 5 h z ) 、中频( 1 0 弛 5 0 0 i z ) 、高频( 1 0 k m r 2 0 妊k ) ，其中以低频脉冲 氩弧焊应用最为普遍。 2 3 空分设备t i g 焊工艺要求1 蛐 随着空分设备的大型化，其中的铝制设备壁厚达3 汕5 0 姗，本文主要针对 空分设备的纵焊缝进行自动焊接控制系统的研究。根据工艺要求，不开坡口，采 用厚壁窄间隙脉冲t i g 立焊，利用两把焊枪内外双面同步焊接，外部焊枪为主 濒扛i 韭大学硬士学位论文 第二章自动o 焊工艺要求 枪，在外部焊枪前端进行送丝，内部为副枪，侧重预热保护，不送丝。南京晨光 机器厂和杭州制氧机厂等开展了双面t i g 焊的研究，它是从联邦德国引进的一 种特殊焊接技术，如图2 5 所示。由两名焊工分别在工件的正反面自上而下的同 时进行垂直的手工钨极氩弧焊，两枪间距保持一个熔池长度。利用电弧作用力和 氩气吹力形成一个向上的托力，并与熔池的表面张力对熔池起着支撑作用，从而 防止了熔池金属下淌而获得完美的焊缝，接口间隙大，焊接性好减小了夹渣和 气孔倾向，同时提高了生产效率。 方向 图2 5 双人双面同步立焊模式图 通常g 焊采用非接触的高频加高压方法引燃电弧，但此方法容易干扰自 身或其它控制设备的正常工作，所以，在设计中要采取一些抗干扰措施。或者在 使用t i g 焊的自动焊接设备中采用小电流接触引弧。解决接触引弧易造成钨极 烧损和焊缝夹钨的方法主要是采用电流切换法，即在钨极与工件接触时采用小电 流，当焊枪提起瞬时马上切换到大电流工作状态。 与其它的电弧焊方法相比，氩弧焊的抗气孔能力最弱，必须进行严格的焊前 清理。焊前清理主要是对被焊工件坡口两侧以及填充焊丝的清理。 r g 焊的焊接参数选择，主要包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、电极直 径、保护气流量和喷嘴口径等参数。合理选择这些参数将有利于保证焊接质量。 2 4 本章小结 本章主要根据手工1 1 g 焊的特殊工艺要求，提出了针对空分设备的自动t i g 焊过程中必须考虑的一些基本工艺要求，如电弧的选择范围，电源的特定要求， 糟嚣芝整天学璜学靛遵|第二章塞蘸疑g 辫王艺要求 采用非接触高频加高压方法引弧，利用电弧力和氩气吹力形成一个向上的托力， 防止斑于重力焉器致熔渣下塌润题，电源乡 特佳为陡降乡 特性，合理隽a 受钨投烧 损和利用阴极清疆作用的一对矛盾。 1 6 漱扛i 业大学强士学位论文 第三章双面自动g 焊过程中关键技术 第三章双面自动tl g 焊过程中的关键技术 3 1 硬件部分【2 2 _ “2 4 3 1 1 概述 在实现自动t i g 焊过程中，整个系统需要解决的关键技术主要包括软件和 硬件部分。在硬件方面，目前比较流行和实用的方法是采用二级分布式控制系统， 主机采用5 8 6 笔记本电脑，负责完成数据的输入和管理工作；各个现场控制级采 用m c s 5 l 单片机，完成各个功能模块的控制任务，它们之间采用标准的r _ s 一2 3 2 协议进行信息的交换。整个计算机控制系统包括：计算机、接口、执行机构和终 端，如图3 1 所示。 图3 一l 自动g 焊计算机控制系统模块图 此计算机控制系统要具有很强的抗干扰性和可兼容性，因此接口要通过光电 管隔离，主要是执行计算机和执行机构之间信号转变；终端主要包括远控盒、专 用键盘、监视器和打印机，是用来执行焊接参数的输入、修改、显示和输出的。 执行机构是最重要的部分，主要完成自动t i g 焊不同的操作要求。 本文将整个控制系统分成五个主要子系统，即：焊接电源，弧长控制器，送 丝机构、焊炬行走机构和检测机构。 3 1 2 焊接电源控制单元 1 1 浙江i 业大学硕士学位论文第三章双面自动1 i g 焊过程中关键技术 到目前为止，变极性t i g 焊为焊接铝及其合金等有色金属最理想的方法。 变极性电源主电路采用恒流电源加二次逆变桥结构，由计算机控制系统控制焊机 的输出电流波形。焊接电源控制系统是一个负反馈控制系统，预置信号，g 是一 个控制参数，焊接电流，是一个被控参数( 如图3 2 所示) 。它可以完成叵流控 制和脉冲输出。就是说，如果计算机通过d a 卡传输任何预置信号阿，焊接 电源就会提供一个相应的电流，( d c 或a c ) 。 图3 2 焊接电探控制系统模块图 因为在焊接开始时要有一高频震荡器用来引弧和稳弧，所以此计算机控制系 统就会受到它的严重干扰。为了解决这个问题，在硬件的设计过程中就采用了下 面的抗干扰措施： ( 1 ) 计算机应该放在一个金属保护盒里且应放在远离焊接电源的地方； ( 2 ) 计算机和焊接电源之间的接口处应通过光电管隔离i ( 3 ) 计算机的输入和输出电缆应该采用双绞线； ( 4 ) 计算机的保护盒和焊接电源的罩壳应该分别接地。 3 1 3 弧长控制单元 在自动t i g 焊过程中，弧长会随着壁的变形而变化，这样就会影响焊接表面 质量以及产生焊接缺陷例如烧穿和未焊透。为了解决这个问题，要设置弧长控制 系统( 如图3 3 所示) 。 本质上，弧长控制系统就是一个电弧电压负反馈控制系统，预置信号是 一个控制参数，而相对于弧长l 的电弧电压，是一个被控参数。因此，预置信号 巍程乏渣天学硬圭学整论文第三章双嚣鑫动猕撵遘瑕串美键接末 p 如与电弧电压u 或弧长l 有对应关系。也就是说，如果计算机通过d a 卡传 赣酝 霉预置售芍扩茹，系统藏会维持一令糖寂静电压毯畿弧长l 。 嘲3 0 弧长控制累浆模块豳 在这个蓉统巾，孤长羲控捌是遥蓬电弧嘏压接惑器= 聚宪残豹，掰璇弧长控制 的哭键就是获得一个反馈信号，即在交流t i g 焊复杂的电压波形中的正半波获 取，蛇正半波可以真正的代袭弧长l 。本文研究的电压传感器能够做列这一点， 而艇有预防高颓予扰静疆离功熊。 为了提高系统的动态响成速度，应该采用惯性小的步进电机。控制系统要达 到；静态糖度o + l ￥；正半波惫弧电压范围为 是2 0 】v ；动态响应时间o ，1 5 s ；弧 故调节速度2 赧s 。 3 1 4 送丝控制单元 豳3 _ 4 送丝控制系统模块圉 送丝控制系统是一个毫糕电压负反馈撩潮系统，箕巾预萋信号岛是一巾控 l 奎 赣江王泣轰学琰士学包论甏 第三章双嚣女动曩g 爆过程串关键鼓末 裁参数嚣送熊速疫是一个被控参数，( 如黧3 4 魇示) 。试骏表暖送丝速疫k 和 预爨信号p 茹呈线性关系，因此计算机可以通过d a 卡传送的预置惯号来控制送 丝滤度。 魏了季枣铡受载转矩对送丝速度骢影响，零系统聚翅了电撬电流戎反馈控制方 法。试验表明当负载转矩变化10 9 6 时送丝速度的变化不超过6 ，邀丝速度的稳 定藏围是1 0 0 2 0 0 0 嫩西畦n 。 3 。 行走羧潮单嚣 j 迦垂动烨接过黎霹以根据工转熬不同使鬟调节参数值，获以必须知道 亍走电 弧的确切位鼹。为了达到这个目标，使用伺服马达作为焊矩行走控制系统的执行 都 辛( 努图3 5 薪拳) 。 圈3 - 5 焊矩行走控制系统 在这个鬈统孛，旋转交篷器是令重要熬费惑嚣。它可麸壤嚣强这获褥地垃 和遗度信息，又把这些信息反馈给伺服电动机，这样就完成了一个位置和遴度双 重的溺循环羟制。 位置控制卡是计算机与伺服电动机的接口。通过这个接口，一方面计算机把 位鬣速度信号传送缭伺服电动视，翳一方面伺服电葫机又把遁过旋转交压嚣反馈 圜采豹信息煌遥给诗算机。这樽，计算机就能够对伺服电动机的实时控制以及根 据行走电弧的实际位置提供合适的焊接参数。 毒实骏表弱建系统熬定位豹撼对误蘩苓过o 0 3 ，烬炬行走速度蕊疆是 5 0 以4 0 0m m m i n 。 3 1 6 捡测梳构圈嘲” 在动态瓣焊接避程控制孛，酋先德知遂熔池的动态情况以及焊缝的孰逊。这 勘江i 监大学碗士学位论文 第三章双面自动1 1 g 焊过程中关键技术 就需要通过检钡机构获得这些信息，从而反馈给控制系统进行实时控制。 焊接过程质量控制主要有两个方面的内容：一是焊缝的自动跟踪；二是焊缝 的熔透及成形控制。实现这两个方面控制的前提条件是获得这两个方面的信息， 此就是检测系统所完成的任务。 在对焊缝的自动跟踪过程中，主要有两种解决方案：( 1 ) 最好的解决方案是 不需要示教，机器人能直接实现焊缝的实时跟踪；( 2 ) 另一种解决思路是先使示 教实现自动化，也就是对焊接轨迹进行预规划，然后实时焊接时进行纠偏跟踪。 第一种方案目前还不能达到，本文采用第二种方案，运用模式识别理论和技术 如图3 6 所示。 图3 _ 6 焊缝模式识别系统 获得焊缝的熔透和成形信息，其检测方法主要是基于以下原理： 从工件的正面利用c c d 传感器拍摄到了清晰的熔池图 l 利用快速有效的图像处理算法，对采集的熔池区图像进行处理，提取熔池 的几何参数( 如熔宽、髂池的半长、熔池面积、熔池后拖角等) l 根据熔池几何参数与焊逢熔透与成形良好的对 应关系( 知识库) ，获得熔池的物理参数 i 检测的信息反馈给控制系统，控制系统根据反馈 信息调节物理参数，实时控制焊接过程 3 1 7 钨极摆动机构 对于厚壁管窄间隙的焊接，焊缝两侧熔透情况好坏是一个重要问题，为确保 焊接质量，避免出现未焊透、夹渣等缺陷，需要增设本机构。在厚壁管窄间隙焊 过程中，钨极以焊缝中线为基准左右摆动，保证电弧对焊件两侧充分熔透，其控 濒江i 业大学疆士学位论文 第三章双面自动t 1 0 焊过程中关键技术 制参数包括：内端点停留时间，外端点停留时间，中间摆动时间，并安装一固定 中点传感器，以消除积累误差。 3 1 8 外围设备 外围设备包括专用键盘、监视器、打印机、远控盒等，是用来执行焊接参数 的输入、修改、显示和输出的。远控盒用异步串行通信方式和主机相互传送数据 和指令，远控盒先将控制指令下达给主机，再由主机去控制相应现场控制级计算 机。远控盒主要完成焊前焊机物理位置调整，焊接过程中各种焊接参数调整，并 可显示控制命令和焊接参数。 3 2 软件部分”_ 2 7 2 町 考虑到过程控制和人一机对话的需要，以及一台主机可以控制多台焊机的需 要，本软件系统是在w i n d o w s2 0 0 0 环境下，采用v c + + 6 o 和o p e n g l 作为开发 工具进行开发。系统的软件功能可以分为离线服务功能和在线执行功能两个方 面。系统采用汉化菜单进行人机对话，使操作者很快掌握计算机控制系统的操作 规则，减少了人员培训的时间，提高了效率。 3 2 1 离线服务功能 计算机控制系统的离线服务功能是通过中