（材料加工工程专业论文）自动等离子喷焊控制系统研究.pdf

硕士学位论文 摘要 三偏心蝶阀因其具有零泄漏，密封副零摩擦、耐高温高压的特点，应用范围较为 广泛。三偏心蝶阀的密封面需要表面加工，通常是采用人工焊条堆焊的方法，因其焊接 技术难度高，生产效率低，生产成本高，故需要用其他的方法来实现。 等离子喷焊是一种先进的表面强化技术，它采用等离子弧作为高温热源，在金属 基体表面喷焊，形成具有耐磨、耐高温、抗腐蚀等特殊性能的喷焊层。等离子喷焊不仅 在工程修复方面有应用，而且在产品的表面强化方面也得到了广泛应用。等离子喷焊技 术能够提高三偏心蝶阀的密封性能，具有实际的应用价值。为了实现三偏心蝶阀喷焊工 艺，提高劳动效率，需要研制一套自动等离子喷焊跟踪控制系统。 所研制的三偏心蝶阀等离子喷焊控制系统包括等离子喷焊系统、电气控制系统、 跟踪控制系统三部分。这三部分系统均在单片机8 0 cl9 6 k c 的控制下工作，相对于p l c 控制系统降低了制造成本。 采用两只传感器进行跟踪是该设计的特色，文中详细说明了双传感器的设计思想。 阐述了等离子喷焊设备的组成，以及各组件在设计中应特别注意的问题，并设计了喷焊主 电路。详细介绍了控制系统与单片机跟踪系统软硬件设计。硬件设计包括位移传感器的 选型、单片机的选型、单片机最小系统、开关量输入输出电路、信号调理电路、7 2 1 9 实时显示电路、脉冲信号输出电路和直流电机调速电路。软件部分的设计包括主控程序 结构与程序流程框图和跟踪控制软件流程等。除此之外，由于喷焊系统工作环境恶劣， 还采取了一系列的措施来提高系统的抗干扰性能。 关键词：等离子喷焊；三偏心蝶阀；跟踪；双传感器 a b s t r a c t t h et r i p l ee c c e m r i cb u t t e r f l yv a l v ei sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t sc h a r a c t e f i s t i c so f n o 1 e a k a g e ，n o f r i c t i o n ，a n t i h i g ht e m p e r a t u r ea n da n t i _ h i g hp r e s s u r e t h es e a l i n gf a c e o ft h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v en e e dt ob es t r e n 鲈h e n e d ，t h em e t h o dm o s tu s e di s m a n u a lw e l d i n g ，b u ti ti sc o m p l i c a t e d ，l o we f n c i e n ta n dh i g hc o s t s ot h eo t h e rm e t h o d i sn e e d e d p l a s m at r a n s f e r r e da r cw e l d i n g ( pt a w ) i sa na d v a n c e ds u r f a c es t r e n g t h e nm e t h o d ， w h i c ha d o p t sp l a s m aa r ca sh i g ht e m p e r a t u r es o u r c ea n dw e l d so nt h eb a s e m a t e r i a lt o f o r ma na m i a b r a s i o n ，a n t i h i g ht e m p e r a t u r e ，a n t i - c o r r u p t i o nl a y e r ni su s e dn o to n l y i nr e p a i r i n gp r o j e c tb u ta l s oi ns u r f a c ec o n s 0 1 i d a t i o no fp r o d u c t t h u s ，t h et e c h n o l o g y o fp 1 a wc a ni m p r o v ea i r p r o o fp e r f o r m a n c eo ft h et r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r n yv a l v e i n o r d e rt om e e tw i t ht h et r i p l ee c c e m r i cb u t t e r n yv a l v ew e l d i n gc r a r ，t h ea u t o m a t i ct r a c k c o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：p l a s m at r a n s f e r r e da r cw e l d i n gs y s t e m ， e l e c t r i cc o n t r 0 1s y s t e m ，t r a c k i n gc o n t r o ls y s t e m c o m p a r e dw i t ht h ep l c - c o n t r o l s y s t e m ，t h e s et l l r e ep a r t sa r ea l lu n d e rt h ec o n t r o lo f8 0 c1 9 6 k c ，s o t h ec o s ti sl o w t h es p e c i a l t yo ft h ed e s i g ni su s i n gt w od i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r st or e a l i z e t r a c k i n g a n dt h ed o u b l e - t r a n s d u c e rd e s i g ni d e ai se x p l a i n e ds y s t e m a t i c a l l y t h e c o m p o n e n t so fp t a ws y s t e ma n dt h eh i g h l i g h tp r o b l e m si nd e s i g no fw e l d i n gs y s t e m a r ee x p a t i a t e d t h ed e s i g n i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea b o u tc o n t r o lt r a c i n gs y s t e m a r ei n t r o d u c e di nd e t a i l e d t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d et y p ec 血o o s i n go fc o n t r o n e r a n dd i s p l a c e m e n tt r a n s d u c e r ，m i c r o p r o c e s s o rm i n i m u ms y s t e m ， d i s c f e t ei n p u ta n d o u t p u tc i r c u i t ，s i g n a la d j u s t m e n tc i r c u i t ，m a x 7 2 l9d i s p l a yc i r c u i ti nr e a lt i m e ，p u l s e s i g n a lo u t p u t t i n gc i r c u i ta n dd cm o t o rs p e e da d j u s t m e n tc i r c u i t t h es o r w a r ed e s i g n i n c l u d em a i n p r o g r a m m a b l ef r a m e ，n o w c h a r to fm c ua n d t r a c i n g c o n t r o l s o r w a r e b e c a u s eo ft h eh a r dw o r k i n gc i r c u m s t a n c e ，s e r i o u so fe f f e c t i v em e a s u r e sa r e ta _ k e nt oi m p r o v et h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：p t i a w ；t r i p l ee c c e n t r i cb u t t e r f l yv a l v e ；t r a c k i n g ；d o u b l e - t r a n s d u c e r 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 伽易 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：加订年舌月，o 日 厂 日期：歹伊叼1 年乡月厂d 日超 硕士学位论文 1 1 喷焊技术 第1 章绪论 随着工业发展对机械产品的寿命提出了更高的要求，对于机械零件表面性能的要 求也越来越高。机械构件往往处于复杂和苛刻的条件下工作，大量的设备常常因磨损、 腐蚀等原因而失效、报废。据资料显示，美国由于磨损每年所造成的损失是：飞机产品 1 3 4 亿美元，船舶产品6 4 亿美元，汽车产品4 0 0 亿美元。我国根据电力、冶金、采矿、 农机等部门的不完全统计，每年在备件方面消耗的钢材达2 0 0 万吨以上。国家科委组织 的金属腐蚀情况调查表明，由金属腐蚀造成的损失每年达1 0 0 1 5 0 亿元之多。因此发展 金属表面工程技术，提高机械零件的耐腐蚀、耐磨损的性能，是当前非常重要的课题【l 捌。 喷焊技术是用专用喷焊枪，利用热能把金属粉末融化在金属上，达到镜面状态， 使金属粉末和被焊金属基体达到冶金结合的技术。 按所采用的热源类型不同，目前喷焊技术主要有氧乙炔火焰喷焊和等离子喷焊等。 氧乙炔火焰是一种多用途的喷焊热源，火焰温度较低( 3 0 5 0 3 1 0 0 ) ，能获得 非常小的稀释率( 1 l o ) 。喷焊时熔深浅，母材熔化量少。获得的喷焊层薄，表面 光滑。氧乙炔火焰喷焊主要用于对承受高应力载荷和承受冲击磨损的部件进行强化，提 高工件的耐磨性，增加工件的使用寿命【3 一。 氧乙炔火焰所用的设备简单，除了需要专用喷枪以外，其他的设备都是一般气焊 所用设备。喷枪除了有用喷涂或喷焊送粉的两用枪以外，还有重熔枪，如s c r - 1 0 0 型和 s h p c 型等。此外还有喷焊一步法用枪，如s p h 1 l l 、s p h - 2 l l 和s p h - 4 l l 等，这类枪 的特点是既可送粉又可重熔。氧乙炔火可以随时移动，操作工艺简便灵活，成本低，但 是，由于该喷焊工艺生产率较低【5 1 ，多数手工操作，较难实现自动化焊接，劳动强度较 大。 等离子喷焊工艺是应用氩气等离子弧作高温热源，采用自熔性合金粉末作填充金 属的一种表面熔敷合金的新技术【6 】，是表面硬化和材料保护的新方法，在工程修复和新 产品的表面强化方面得到了广泛的应用。 等离子喷焊利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属【7 8 】，从而与其它表面 喷焊方法相比较，具有以下特点： l 良好的可控性和低冲淡率 等离子喷焊可以在很大的范围内调节热输入。除了改变输入功率外，还可以通过 改变气体的种类、流量以及喷嘴的尺寸来调节等离子弧的热能和温度；等离子弧气氛可 自动等离子喷焊控制系统研究 以调整，通过选择不同的工作气体可以获得惰性气氛、还原性气氛和氧化性气氛；等离 子弧射流的刚柔度，即电弧的刚柔度，可以通过改变电弧电流，气体流量和喷嘴压缩比 来调节。由于工艺上可调节的参数众多，热量输入可控，合金粉末在弧柱中预热，呈喷 射状过渡到熔池，对电弧吹力有缓冲作用，熔池受热均匀，因此可以控制母材熔深，降 低母材对合金的冲淡率，冲淡率一般可以控制在5 1 5 以内。 2 喷焊层质量和工艺稳定性好 由于等离子弧为压缩电弧，具有良好的稳定性，外界因素的干扰( 如周围气流的 流动、喷距高低、喷焊位置的不同等) 对电参数( 电压、电流等) 和电弧稳定性影响比 较小，从而使工艺易于稳定。合金粉末熔化充分，飞溅少，熔池中的熔渣和气体易于排 除，容易消除焊层内的气孔、夹渣等缺陷。等离子弧温度高，热量相对集中，喷焊速度 快，一次熔成，使工件的热影响区小。尤其可以控制对母材的热输入量，可以调整热影 响区的尺寸和硬度，降低对裂纹的敏感性，避免由于晶粒粗化、马氏体转变或应变时效 等原因产生质量缺陷。喷焊层组织细，硬度和化学成分均匀，焊层质量好。 3 合金粉末制备简单，使用材料范围广 喷焊用合金粉末系熔炼后直接雾化成球状粉末，制备方便，不像丝极材料那样， 受铸造、轧制、拔丝等加工工艺的限制。可以按需要配方，熔炼各种成分不同的合金粉 末，获得各种不同性能的合金喷焊层。 4 生产率高 由于等离子喷焊温度高，热量集中，提高了喷焊的速度，从而接近生产率高的埋 弧自动焊，超过了常用的手工电弧喷焊和氧乙炔焰喷焊。而且喷焊过程可以自动进行， 易于实现机械化和自动化操作。 1 2 喷焊对象概述 本设计所对应的喷焊加工对象是三偏心蝶阀。三偏心蝶阀作为阀门技术最新科技 的结晶、扬各种阀门之长、避各种阀门之短，越来越多地受到了广大用户和设计人员的 重视。巴蝶阀门株式会社的t r i t e c ，其最大压力等级可以达到2 5 0 0 磅级，标准口径可以 做到4 8 英尺，而且对夹、凸耳、法兰、环接、对接焊、夹套，各种结构长度都可以对 应，更由于t r i t e c 的材料选择余地很大，高低温及各种酸碱等腐蚀性介质也都能承受。 特别是在大口径方面以其零泄露的优势，在关断阀上，正在不断的取代粗大的闸阀和球 阀，同样，以其优异的调控性能，在调控阀上，也正在不断的取代笨重的截止阀。到目 前，t f i t e c 已被使用在石油天然气开采、海上平台、石油精炼、石油化工、无机化工、 能源发电等各大工业领域的过程控制等各种重要管线上【3 j 。现在美国的k y s t o n e 、加 拿大的s c o r e 等公司的金属硬密封蝶阀不论是质量还是性能都达到了很高的水平，并 在国内市场得到了广泛的应用1 9 】。 2 硕士学位论文 蝶阀的卓越性能与其自身不断的改进、演变、发展密切相关。为满足各种工况要 求，经历了从同心向单偏心、双偏心蝶阀和三偏心蝶阀的演变【l o 】。三偏心蝶板是斜圆锥 体，蝶板具有三个偏心，第一个偏心是阀杆中心偏离密封面中心线，第二个偏心是阀杆 中心偏离管道中心线，第三个偏心蝶板锥面轴线与管道轴成一个角度，如图1 1 所示。 密 誓簿 管道轴线 第一 ，z 杉多么哆么杉z 拗杉么杉夕杉么衫么万鹗 ， ，一，j t ，j 一 厂 b 面中t n 受) 二； 阀秆中心 一笫二个偏心 个偏心 h 一 图1 1 三偏心蝶板的原理图 阀门在使用过程中，其密封副长期处于介质中，因此工况条件相当苛刻。为提高密 封副抗腐蚀、抗热和抗擦伤等性能，在阀体( 或阀座) 与闸板( 或阀瓣) 上堆焊各种合金加工 形成密封副是常用的方法。 在其密封副生产中，传统上一直采用手工堆焊工艺，即预热一堆不锈钢中间层一 加工一预热一堆硬结合金。该工艺过程繁琐生产率低，材料消耗大，而且，一般来说， 手工气焊和手工电焊堆焊阀门密封副受操作人员水平影响很大，如果喷焊焊接性能差的 材料，则焊接质量还不能完全保证【1 1 1 。 如果采用等离子弧喷焊工艺，等离子压缩电弧较长高温弧柱区，允许将喷焊粉末送 入弧柱区并受到均匀的加热，从而有效地利用了能源并获得高质量的堆焊层，具有较大 的熔敷率和较小的稀释率，加之等离子喷焊独特的电弧热量分布，能满足阀门喷焊工艺 中所要求的效率高冲稀释率小熔深浅等要求，合格率为1 0 0 ，而且焊道平滑，切削余量小， 能节省贵重合金材料4 0 。目前，先进工业国家生产的控制阀、调节阀、减压阀和安全 阀的阀门密封副几乎全都采用等离子粉末喷焊司太立合金【l 羽。 1 3 等离子技术的发展 等离子喷焊是2 0 世纪6 0 年代出现的新技术，由于其具有的独特优越性，一直受 到工程界人士的重视【1 3 1 7 1 。进入7 0 年代，等离子喷焊技术进一步被接受，开拓了新的 应用领域，得到了新的发展，例如，在合金粉末中添加碳化物来增加表面性能，同时也 出现了许多不同形式的喷焊枪。8 0 年代初期，许多行业认识到等离子喷焊的优越性，促 自动等离子喷焊控制系统研究 进了等离子喷焊的机械化和自动化进程，以及喷焊枪操作控制设备的发展，相应地产生 了许多先进的等离子喷焊设备。8 0 年代末到9 0 年代初，电力电子技术的发展，新型弧 焊电源的出现，微机控制技术的应用，以及大功率喷焊枪的研制，推动了等离子喷焊设 备和技术的进一步发展，使等离子喷焊的优点得到充分发挥，大大拓宽了等离子喷焊的 应用领域和使用范围。 随着微机控制技术和电力电子器件的迅猛发展，极大地推动了弧焊设备的进步和 发展，使得等离子喷焊的优越性得到进一步发挥，这主要体现在以下几个方面： l电磁兼容电磁兼容性是指控制系统在电磁环境中的适应性，即能保持完成规 定功能的能力。电磁兼容性设计的目的是使系统既不受外部电磁干扰的影响，也不对其 他电子设备产生影响。 焊机的工作环境恶劣。逆变焊机一般工作频率为2 0 姐z ，会产生强烈的高频电磁 干扰。此外，在等离子喷焊非接触引弧中常用的高频振荡器，其振荡频率为2 5 0 妊i z 左 右，有的功率可达1 5 0 w 。由于其振荡频率高且含有丰富的高次谐波，工作时会产生很 强的电磁干扰使附近的计算机无法正常工作【1 8 ，1 9 1 。而焊接技术正在朝着智能化的方向发 展，微机控制系统在焊接领域正在得到日益广泛的应用。这就使得对焊接设备在工作时 的抗电磁干扰问题的研究具有非常重要的实际意义。在制定的等离子喷焊系统抗干扰措 施时，常从软件和硬件两个角度考虑。 刘立君等人通过对遥控管道焊接机器人系统总线、信号线和屏蔽双绞线布线抗高 频干扰机理分析，提出针对干扰线路、一般线路和敏感线路等不同等级的线路，采取不 同抗干扰措施【2 0 】；张成等人则针对等离子喷涂设备中的高频引弧器引起的干扰，通过阻 容保护、低通滤波、光电隔离、软件冗余技术等手段，切实地抑制高频引弧器对单片微 机控制系统和设备元器件的破坏性干扰，确保微机实时控制的稳定性和可靠性【2 l 】。 2 计算机控制系统随着计算机和自动控制技术的发展，采用微机对整个喷焊系 统的动作程序和工艺参数进行控制，配合精确可靠的定位系统，可以大大提高工艺控制 的精度。控制系统与计算机联机，使得整个喷焊过程和任意时刻的工艺状态都处于计算 机的监控下。这种系统具有良好的用户界面，为工艺参数的输入设计了合适的屏幕菜单， 并且为特定的应用场合设计了完整的数据库系统，用于帮助用户选择工艺参数，同时它 又是一个开放的系统，用户可以根据需要进行修改。另外，计算机技术、控制理论、人 工智能、电子技术及机器人技术的发展为喷焊过程自动化提供了十分有利的技术基础。 3 逆变电源逆变技术的出现，使弧焊设备在整机质量、体积和性能方面都得到 了极大的改善。逆变电源有诸多优点：a 良好的调节特性和弧焊工艺性能；b 调节速度 快，所有的工艺参数均可实现无级调节；c 具有多种外特性，能适应各种弧焊方法的需 要；d 高效节能；e 重量轻、体积小。逆变电源的这些优点使其能够满足现代高速p t a w 工艺对电源低脉动、高转换速度的要求。不但能满足大功率场合的喷焊要求，而且可以 满足一些小而薄的热敏材料构成的组件的脉冲等离子喷焊的要求田，z 引。 4 硕士学位论文 4 大功率喷焊枪要实现高的熔敷效率，必须研制大功率的喷焊枪。一般喷焊枪 的熔敷速率在3 5 l g m ，如果要进一步地增加效率，可以考虑使用两把喷焊枪同时工作。 喷焊枪汇集水、电、气、粉，在喷焊技术中占重要的地位【2 4 】。要想提高喷枪的功率，首 要问题是解决喷枪的冷却系统，同时，还要合理设计粉流结构，提高喷焊枪的同心度、 气流和粉流的对称性、阴极和阳极的绝缘程度、水与气密封的可靠性，避免因设计不合 理出现工艺故障。 5 喷焊粉末的发展由于钴基粉末比较昂贵，现在已经在很多领域研制出了以铁 和镍基的替代产品；另外，随着材料科学的发展，也在不断地研制新型特定用途的粉末。 对喷焊粉末的要求是：一方面能满足特定的性能要求；另一方面要求具有良好的可焊性； 在实际应用过程中，很多情况下，要求喷焊层具有良好的综合性能，而目前多数粉末不 能满足综合性能的要求。例如，具有好的耐磨性的粉末，其塑性一般很差；有的场合需 要既要耐磨又要耐腐蚀等。所以具有良好的综合性能的粉末有待于进一步的开发与研 制。 1 4 等离子喷焊控制技术研究现状 早期的等离子喷焊系统大多由中间继电器触点逻辑电路或二极管矩阵逻辑电路作 为程序控制单元，系统组件的集成度不高。由于等离子喷焊系统的被控对象较多，所以 设备结构复杂，故障率较高，焊接规范的调节不太方便，适应性较差。随着电子技术的 发展，单片机，p l c 和工控机大量应用于等离子焊接的控制系统中【2 5 1 。南昌航空工业学 院的陈焕明等人利用欧姆龙的c 4 0 p 型p l c 实现对等离子喷焊系统的控制，所设计的系 统能满足喷焊工艺要求，提高了抗高频干扰的能力【2 们，济南大学的张智杰等人则使用 s i e m e 璐的l o g ol 模块实现对等离子喷焊工艺的控制，降低了系统的研发周期【2 7 】；华 中科技大学的王伟等人则利用8 7 c 5 5 2 单片机，将1 2 c 总线引入到等离子喷焊控制系统 中，简化了电路，提高了系统的抗干扰性，降低了成本【2 8 1 ；美国的砒c l 砌e t h m 缸q u e s 使用微机进行等离子喷焊的研究【2 9 1 ，西北工业大学的李京龙等人则成功地将p c 机应用 到对等离子喷焊系统的控制当中，实践证明p c 机控制系统设备运行可靠故障率低，并 且故障易排耐3 0 】。 在三偏心蝶阀的喷焊控制领域，兰州理工大学焦雷、高东锋等人开发了一套自动 控制系统。该系统由p l c 实现对喷焊过程的控制，跟踪部分则采用单片机来实现p 1 1 。 为了进一步成本，在保证系统使用功能前提下，本文设计了一套以单片机为唯一主控器 件的控制系统。 5 硕士学位论文 第2 章自动等离子喷焊系统设计要求 2 1 等离子喷焊工艺参数与工艺流程 等离子喷焊过程中，影响喷焊层质量的工艺参数很多，对不同工件、不同基体和 不同喷焊层，要实现高质量的喷焊，需经过反复试验才能得到合理的焊接规范。因此， 在设计喷焊设备时，需要保证操作者能方便地调节焊接规范，灵活地设置喷焊工艺流程。 整个喷焊过程中，各工艺动作要按照一定的先后顺序和时间间隔衔接起来，这就 是工艺动作程序。等离子喷焊焊接参数多，工艺复杂，工艺动作的顺序及间隔的时间对 喷焊的质量影响也很大。因此在设计控制系统时需要保证对工艺动作流程的精确控制。 具体讲，等离子喷焊的控制程序必须满足以下工艺要求： ( 1 ) 提前供冷却水，为了确保喷枪不被烧损，控制主电路通断的继电器串联在水 泵控制回路，以保证只有供冷却水的情况下继电器器才吸合。 ( 2 ) 提前给送气体，滞后关闭工作气体，以保护电极和熔池不被氧化。 ( 3 ) 可靠地瞬间引燃电弧，借助于高频振荡器在喷嘴与钨极之间产生的电火花， 首先引燃非转移电弧，非转移电弧引燃后，应立即切除高频。为防止高频干扰，在电弧 工作期间，高频振荡器在任何情况下都不能接通。 ( 4 ) 在需要焊枪摆动的情况下，非转移弧引燃后，摆动的调速装置开始工作。 ( 5 ) 非转移弧引燃后工件开始运转，用于观察焊枪与工件的相对运动情况。 ( 6 ) 非转移弧引燃后，在转移弧引燃前要提前送粉，即送粉电机在转移弧引燃前， 提前启动，送粉电机调速装置开始工作。 ( 7 ) 非转移弧引燃后引燃转移弧，时间间隔可根据调整摆幅、转速、及焊枪与工 件的相对位置所需的时间来决定。 ( 8 ) 转移弧引燃时，起始工作电流有递增和陡升两种选择，并应以粉末充分熔化 焊透为原则。 ( 9 ) 转移弧引燃后，可选择非转移弧切除或者保留两种方案。 ( 1 0 ) 转移弧熄灭以后，焊枪摆动、送粉、工件运转、调速装置都应该停止工作， 或恢复到开始前的原始工作状态。 ( 1 1 ) 以上各程序均可进行手动或者自动分别控制。手动程序用于焊前程序及时 间调整，自动程序用于批量生产。 合理设置各工艺动作的延时时间对喷焊质量也有一定的影响，表2 1 对此做了相应 的说明。 7 自动等离子喷焊控制系统研究 表2 1 喷焊工艺中延时的作用、调整范围及对质量的影响 2 2 跟踪系统设计 三偏心蝶阀用于高温、高压金属面的密封，其蝶板的密封面材料必须具备耐高温、 耐压、耐腐蚀、耐冲刷、高表面硬度的特性，因此，必须对蝶阀蝶板的表面进行改性处 理；目前国内仍采用传统的手工喷焊工艺，此工艺既费时费力又无法保证工件喷焊质量； 显然已不适应工业自动化发展的要求，但是三偏心蝶阀几何形状复杂，给自动化焊接的 实现带来了困难，因此设计一套合理的跟踪系统也就变得十分必要。 为了提高跟踪控制系统的跟踪精度和响应速度，在本系统中，跟踪控制系统由主 控系统、步进电机和驱动器、位移传感器、滚珠丝杠组成。以蝶阀的横向偏移量为系统 输入，焊枪的位移量为输出量，以焊枪作为系统的控制对象。位移传感器把蝶阀横向位 移量转换成模拟信号，控制器把模拟量转换成数字量后，进行数据处理，输出控制步进 电机的方向和脉冲信号，步进电机通过滚珠丝杠带动焊枪实时跟踪蝶阀的密封面。下图 2 1 为跟踪控制系统的示意框图。 硕士学位论文 位 a d 主步进传动焊 移转控 + 电机 +机构 枪 变 换 制 和驱 滚珠 位 量器 动器 丝杠 移 图2 1 跟踪控制系统示意框图 系统的跟踪方案是否合理直接关系到等离子喷枪的跟踪精度，进而影响到最终等 离子喷焊层的质量。现对已有的控制方案进行分析p 1 】： 2 2 1 轨迹跟踪法 在理想状态下，测出等离子喷枪随蝶阀转动而行走的轨迹，将该理想轨迹输入程 序存储器中。在等离子喷焊过程中，喷枪严格按照程序中存储的轨迹进行移动，从而达 到跟踪阀板密封面的目的。 该方法优点：在喷焊过程中不使用传感器，避开了传感器安放位置的难题；并且 该法简单易行，只需将理想轨迹测出，并将其输入到存储器中，在每次喷焊过程中焊枪 按固定轨迹行走即可。 缺点： ( 1 ) 程序繁琐，操作不便；蝶阀尺寸多种，每一种型号的蝶阀对应一种轨迹，进而 对应多套轨迹法跟踪程序；使得操作者在实际使用中经常更换程序芯片。 ( 2 ) 要求每次从蝶阀固定起点进行喷焊，即确保被喷焊蝶阀的起始点与程序中的理 想轨迹起始点吻合；然而实际中较难从任意蝶阀上找出固定轨迹起点。 ( 3 ) 该方案要求固定变位机转速，即固定喷焊速度。要求变位机转动速度与焊枪移 动轨迹严格匹配。限制了等离子喷焊工艺试验调试。而且此方案对变位机转胎性能要求 极高，每次转动周期应一致。 ( 4 ) 每次必须严格按照固定的蝶阀尺寸、喷焊起点、喷焊速度、转胎转速等进行； 如果中途出现掉电、无粉、塞枪等故障或需改变工艺参数等该法将无法处理。 ( 5 ) 实际上根本没有完全相同两个蝶阀，因此无法获得理想轨迹。 2 2 2 示教法 每喷焊一工件前将位移传感器放置在喷枪下端，然后变位机按照一定转速预转一 圈( 任意起点) ，此时传感器将检测到的阀板偏移量数据传入控制器中，控制器记录存 储此蝶阀轨迹。然后在下一圈进行喷焊过程中，使用该轨迹进行跟踪。此法相对前面轨 9 自动等离子喷焊控制系统研究 迹法跟踪多进行了一步示教环节，这样避开轨迹法存在的一些缺陷，如固定起点，固定 多套跟踪轨迹程序等；但该方法还是无法脱离轨迹法固有不灵活的缺点，仍然要求喷焊 速度与变位机转胎转速匹配，而且对喷焊过程中途出现故障无法处理。此外，示教法在 保证轨迹精度情况下，对程序存储器的空间和跟踪程序的编写都有很高的要求。 2 2 3 实时跟踪法 将传感器放置于三偏心蝶阀蝶板上端，等离子喷枪的正下方，实时检测蝶板横向 偏移量，进而将偏移量信号送入控制器，经计算处理后，发送方向与步数脉冲到步进电 机驱动器，最后步进电机带动喷枪进行移动达到跟踪目的。此方法实时测量，实时跟踪， 准确灵活；并且不限制喷焊起点、转胎转速、不牵扯到焊速匹配问题。可随时任意调节 等离子喷焊工艺参数，有利于提高喷焊层质量。该方法存在以下缺点： ( 1 ) 传感器放置的位置在实际喷焊过程中温度太高，容易损坏传感器； ( 2 ) 由于传感器距离喷枪较近，容易影响传感器精度； ( 3 ) 跟踪目标面只是蝶板侧端面，并非蝶板中心面，因此存在1 2 m m 的偏差。 2 2 4 仿形实时跟踪法 仿形实时跟踪方案既保留了实时跟踪方案的优点，又克服了由于传感器安放位置 产生的缺点。该方案是在原有基础上设计一仿形平行贴板，将被跟踪蝶板中线基准面平 行映射到平行贴板上，传感器放置在基准面平行映射处，然后对仿形板进行实时跟踪。 该方案是将蝶阀跟踪目标面沿转胎旋转中心线( 圆锥的轴线) ，即与水平线成9 。平行 移出至仿形板面上，从理论上分析，该方案跟踪精度应为零误差。其原理如图2 2 所示： 焊接操纵架 i ：v ：；= ：，：- ： ： ：， 一 。；j 丑 鄂维体捃嚣 a y 一一，一一一一一一 h _ h m r 一：夕 ， 一， 一一 j 一 x ，7 ，一，!：!：! j ：j i - 赠。 、 匍眨。乙，一一一 i 、 。j 燮至三 、j 图2 2 仿形跟踪原理示意图 1 0 硕士学位论文 2 2 5 实际采用的方案 由于仿形法实时跟踪方案彻底排除了轨迹法、示教法、实时跟踪等方案存在的缺 点，但是仿形实时跟踪法只能跟踪蝶阀待焊面的位置，却不能保证喷枪枪头始终在蝶阀 的正上方，一旦由于机械故障或是电路的问题，比如步进电机丢步，导致喷枪没有根据 系统要求移动的相应的位置，影响焊接质量。因此，有必要跟踪喷枪的位置，配合蝶阀 的位移进行跟踪控制。为此，在仿形实时跟踪法的基础上采用如下2 3 所示的方案【3 2 】： 喷枪 蝶阀 图2 3 双传感器法跟踪法结构图 传感器1 检测蝶阀的位移三j ，传感器2 检测喷枪的位移厶，在跟踪算法中只要保 证每一时刻的三j 与厶的差始终相等，即厶一三：l2 = 厶 一三：一= k ，k 为常数。 采用双传感器，虽然增加了一定的成本，a d 转换次数也相应的增多，加重了软件 的负担，但却有如下优点： ( 1 ) 防止步进电机丢步 尽管可以采用很多种方法减少丢步的现象的发生，可一旦丢步，系统是无法感知 的，而是依然认为焊枪在步进电机的带动下移动到了正确的位置。丢步现象是可以累加 的，当脉冲当量为5l lm 时，2 0 0 次丢步即能造成1 m m 的误差。双传感器的设计思想从 理论上能避免丢步现象带来的跟踪误差。 ( 2 ) 降低对器件精度的要求 当系统硬件部分设计完成后，脉冲当量是可以确定下来的，从而为下一步的编程 提供依据。但这数据是存在一定的误差的，如丝杠的精度等。而双传感器则是以手动对 自动等离子喷焊控制系统研究 中后，在焊枪静止的情况下测得的跟踪基准值，系统运行时每一个采样周期都与这个值 做比较，即便丝杠精度与步进电机的细分数不高，对整个系统的跟踪精度影响也不是很 大。 ( 3 ) 便于安装 在实际应用过程中，单传感器方案中传感器的安装是有一定难度的，需要让传感 器的位置与焊枪移动的方向平行，且对平行度要求很高。若采用双传感器方案，则可以 通过编写相应的软件，降低对安装精度的要求。具体方案是： ，j = ； ，为l l l 第一次手动对中 图2 4 手动对中过程示意图 将传感器1 固定在十字架上，做到传感器1 与焊枪移动的方向平行，设传感器2 与传感器1 由于安装精度不够而存在一夹角护，手动对中焊枪到理想位置，记录此时的 两只传感器的传感数据，设为小三刀；将蝶阀转动一定的角度后再次手动对中，记录 此时的数据设为三伽三2 2 。实际上，此时，由于安装精度的问题，待焊面水平移动的距 l ， f，i 离，即焊枪移动的距离不是l l 恐- l ：。i ，而是f l 2 2 。l 2 1i ，其中k 盯和厶。分别是理想情 况下的传感数据，也就是l l ：l ，这是因为传感器1 采集的数据能精确反映焊枪的位 置。由于存在i k 一厶i 2 k 一厶| c 。彬，且传感器安装完毕后，夹角刊黾固定不变的， 从而可以通过测量出伽口的值来消除安装过程中造成的误差。即 1 2 硕士学位论文 础= 钭= 蚓， 。， 其中三伽2 2 ，三厶j 均为实际测量的数据。 多次测量出c 口的值并求得平均值是容易实现的，因为这只需要操作者进行若干 次手动操作即可，其余的运算软件自动完成并保存到删中。 本章小结 本章首先介绍了作为系统设计依据的等离子喷焊的工艺要求，然后对比了几种跟 踪方案，并分析了其优缺点，详细阐述了最终采用仿形实时跟踪法的原因以及双传感器 设计的优点。 硕士学位论文 第3 章传感处理执行机构设计 3 1 传感器选型 三偏心蝶阀的焊缝是较窄的，而且，由于蝶阀特殊的几何形状，在喷焊过程中很 难得到规则的运动轨迹，要实现自动化喷焊，实时跟踪待焊面的位置，就必须做到准确 的传感待焊面的位置。因此，选择一款经济实用的传感器就变得十分重要。 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有对应关系的、便于应用的某 种物理量的测量装置p 3 1 。传感器的分类标准是较多的，按照用途可以分为：位移传感器、 温度传感器、湿度传感器、压力传感器、振动传感器等，在此，我们需要的是能测量待 焊面位置的线位移传感器。 按照传感器的工作原理，常用的线位移传感器有：电阻式位移传感器、电容式位 移传感器、电感式位移传感器、光电式位移传感器、光栅激光式传感器等。 传感器的主要性能指标有： ( 1 ) 测量范围和量程 对连续作用的传感器来说，能够按规定的精确度进行传感的被测量范围叫做“测 量范围 ，上下限值之间的代数差称为量程。经测量，三偏心蝶阀在喷焊过程中，待焊 面的水平位移1 6 0 m m 左右。适宜选择量程在1 6 0 m m 以上的传感器。 ( 2 ) 灵敏度 对灵敏度的定义是当被测变量的数值改变后，经过了足够长的时间，传感器的输 出已经达到了稳定的状态，输出信号的变化量与引起变化的输入变量的变化的比值。 ( 3 ) 线性度 线性度也是传感器的一个重要的指标。我们希望传感器的输入输出具有直线特性， 这样在电路设计和软件的编制过程中可以不采用线性化措施，从而简化测量环节。但实 际上传感器总有一定程度的非线性，为此只有让传感器工作在线性区间，从而减小因传 感器的非线性引入的测量误差。 除此之外，针对系统的特殊应用环境，抗干扰性能也是十分重要的。因为在等离 子喷焊时，由于存在着强烈的弧光辐射、电磁场、高温气氛、烟尘、飞溅和坡口形状、 加工误差、夹具装夹精度、工件表面状态及工件热变形等的影响，因此要求传感器必须 具有较强的抗干扰能力。 在常见的位移传感器中，感应式同步器、光栅和激光式传感器等器件的一般用于 精密检测系统的位移测量，成本较高，不符合本系统的设计要求；差动电感式位移传感 自动等离子喷焊控制系统研究 器一般应用于小位移的测量( 几毫米到几十毫米) ，量程远小于系统需要的1 6 0 毫米的 范围。差动变压器式位移传感器多用于中等位移的测量，这种类型的传感器在工业中有 着大量的应用，成本和抗干扰性能基本符合系统的设计要求，另外，相对于电位器式位 移传感器，差动变压器式传感器有更低的漂移【3 4 1 ，零点时为o 0 1 ，满刻度时为 o 0 2 5 ，因而，差动变压器式传感器更符合系统设计的要求。 综上，系统采用的是、玳m c 型直流位移传感器，并对该传感器进行线性度测试， 测试数据如图3 1 所示： 6 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 15 31 0 51 5 72 0 9 位移( m m ) 图3 1 传感器线性度测试 从测试数据可以看出所选用的传感器具有良好的线性度，因此在系统的设计过程 中不必考虑数据线性化过程，降低了系统的复杂程度，提高了可靠性。 3 2控制器 在自动化焊接设备的设计过程中，工业控制计算机( 口c ) 有一定的应用，工业计 算机c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o r n p u t e r ) 简称工控机，主要用于工业过程测量、测控和 数据采集等工作，主要组成包括主机板、显示卡、键盘、软驱、硬盘等。与计算机相比 具有以下优点【3 习： ( 1 ) 可靠性高：工控机通常用于控制不问断的生产过程，在运行期间不允许停机检 修，一旦发生故障将会产生事故。因此，要求工控机具有很高的可靠性，也就是说要有 许多提高安全性能的措施，以保证平均无故障时间达到几万小时。 ( 2 ) 实时性好：工控机对生产过程进行实时控制与监测，因此要求它必须实时地响 应控制对象的各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时，工控机能及时响应并能 实时地进行报警和处理。 ( 3 ) 环境适应性强：工业现场环境恶劣，电磁干扰严重，供电系统也常受波动大负 载设备的干扰，接地系统复杂，共模及串模干扰大，因此要求工控机具有较强的环境适 应能力，如防尘防震等，还要具有良好的电磁兼容和抗干扰能力以及共模抑制能力。 1 6 喜心瓶器 硕士学位论文 ( 4 ) 过程输入和输出配套好：工控机具有丰富的多功能的过程输入和输出配套模板， 如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。具有多种类型信号的调理功能； 如隔离型和非隔离型信号调理；各类热电偶信号输入调理；电压和电流信号的输入和输 出信号调理等。 ( 5 ) 系统开放性好：要求工控机具有开放体系结构，也就是说在硬件接口、网络通 信、软件兼容等方面遵守开放性原则，以便于系统的扩充、异机种连接等。 ( 6 ) 控制软件的包容性强：工控软件包要具备人机交互方便、画面丰富实时性好等 性能；具有系统组态和系统生成功能。此外尚需要有丰富的控制算法，除了常规的p d 控制算法外，还应具有一些高级的算法，如模糊控制，神经网络等。 由此可见功能强大的工控机无疑是能满足自动化焊接系统的要求，但实际上，经 常出于对设备体积以及成本考虑，工控机仅在高端的领域有所应用。实际生产中应用较 多的是以p l c 为主控器件的控制系统。 可编程序控制器，英文称为p r o 黟舭吼a b l ec o n t r o l l e r ，简称p c ，也有简称p l c 的。 可编程序控制器专为在工业环境下应用而设计，以用户需要为主，又采用了先进 的微型计算机技术，所以具有以下几个显著特点p 6 ，3 7 】： ( 1 ) 可靠性高 p l c 由于选用了大规模集成电路和微处理器，使系统器件数大大减少，并且在硬 件和软件的设计制造过程中采取了一系列隔离和抗干扰措施，使它能适应恶劣的工作环 境，所以具有很高的可靠性。p l c 控制系统平均无故障工作时间可达2 万小时以上，美 国g e 公司带冗余系统的p l c 无故障时间高达和5 万小时，高可靠性是p l c 成为通用 自动控制设备的首选条件之一。 ( 2 ) 编程简单、使用方便 p l c 的编程采用类似继电控制系统电气原理的梯形图，用串联、并联、定时、计 数等人们所熟悉的概念，使计算机语言大众化，只要是比较熟练的电工和熟悉工艺知识 的人员在几天内就能学会，这是p l c 得到推广的重要原因之。 ( 3 ) 缩短设计、施工、投产试制周期，维护容易 目前p l c 产品已实现了系列化、标准化，正朝着通用化方向发展，设计人员只需 要根据控制系统的需要，选用相应的模块进行组件设计。同时，用软件编程代替了继电 控制的硬连线，大大的减轻了繁重的安装和接线工作，这不仅提高了可靠性，还极大的 缩短了施工周期，p l c 还具有故障检测及显示的功能，使故障处理时间可缩短为1 0 分 钟，对维护人员的技术水平要求也不太高。 ( 4 ) 体积小 由于采用了微型计算机技术，使p l c 达到了小型和超小型化，很容易装入机械设 备内部，便于实现机电一体化。 由于上述特点，p l c 作为通用自动控制设备，可用于单一机电设备的控制，也可 1 7 自动等离子喷焊控制系统研究 用于工艺过程的控制，而且控制精度相当高，操作简单，又具有很大的灵活性和可扩展 性，使得p l c 广泛应用于机械制造、冶金、化工、交通、电子、电力、纺织、印刷及 食品等几乎所有工业行业。 近几年来p l c 在喷焊设备中的应用越来越多，提高了设备的稳定性和可靠性，但 通常p l c 的c p u 模块只能实现逻辑顺序控制，若要采集传感器输出的模拟量进而实现 对物理量的控制( 如本系统中要实时跟踪蝶阀的水平位移