高材料成型设备第六章 焊接设备与铸造设备计算机控制说课材料

高材料成型设备第六章高材料成型设备第六章 焊接设备与铸造设备计算机控制说课材料焊接设备与铸造设备计算机控制说课材料 第七章焊接设备与铸造设备计算机控制技术7 1弧焊电源7 1 1弧焊 电源的分类 特点和用途7 1 2弧焊电源外特性的种类7 1 3晶闸管 式弧焊整流器7 1 4晶闸管式弧焊整流器7 2弧焊电源计算机控制技 术7 2 1微机控制弧焊电源7 2 2数字化弧焊电源7 3焊接机器人7 3 1机器人基础7 3 2弧焊机器人7 4管道全位置焊接硬轨机器人计算机 控制系统设计7 4 1控制系统总体方案的选择7 4 2主机计算机控制 系统设计7 4 3各从机控制功能设计7 4 4计算机间的通讯系统设计7 4 5全位置脉冲TIG焊弧压传感弧长调节系统设计7 4 6基于图像传 感二维跟踪控制系统设计7 5铸造设备计算机控制技术7 5 1差压铸 造系统7 5 2差压铸造控制原理及控制系统的构成7 5 3开关量的输 入输出与光电隔离7 5 4调节算法及软件程序目录第七章焊接与铸造 设备及其计算机控制技术本章主要对焊接设备中弧焊电源 焊接机 器人和差压铸造加以论述 在此基础上着重介绍计算机控制弧焊电 源 数字化电源 管道专用焊接机器人和差压铸造设备计算机控制 技术 7 1弧焊电源本世纪20年代人们将电弧用于金属焊接以来 弧焊电源 的发展大致经历了交流弧焊变压器 直流弧焊发电机 整流弧焊电 源和逆变弧焊电源等几个阶段 这些阶段虽然在时间上有交叉 但各个阶段都有其鲜明的技术特征 交流弧焊变压器是最早采用的弧焊电源之一 它通过变压器将电网电压降至适合弧焊的电压 直接用于电弧焊 这种弧焊电源的特点是结构简单 便于制造 易于维修 价格低廉 它的局限性是电弧不稳定 体积大 浪费材料 功耗大 交流弧焊变压器目前仍应用广泛 运用于手工弧焊 埋弧焊和钨极 氩弧焊等 直流弧焊发电机也是应用较早的弧焊电源 它通过直流发电机以直 流电的形式为电弧提供能量 这种弧焊电源耗能多 费材料 体积大 噪声大 难于维修 制造 复杂 动态特性不好 直流弧焊发电机虽然在历史上起过重要的作用 但目前已处在被淘 汰之列 目前只有少量以柴油 汽油 机为原动机的直流弧焊发电机用于边远 少电的地区 整流弧焊电源是出现于本世纪40年代 它将电网电压无经过变压器 降至适合电弧焊的电压 然后经过整流器将交流整流成直流 并为 电弧提供能量进行焊接 这类弧焊电源的特点是易于制造 易于维 修 节省材料 效率较高 控制特性较好 噪声小 特别是大功率的晶阐管 SCR 的出现和引入 晶阐管整流弧焊电源由 于具有良好的可控性和动态特性 立即在直流弧焊电源中脱颖而出 这类弧焊电源在各国都有重要地位 我国也正在推广和普及 整流弧焊电源虽然具有这些优点 但是它仍然工作在工频 不论在 材料消耗 电能损耗 体积 重量等都有待于提高和改进 逆变弧焊电源是随着电力电子技术发展 随着大功率 可控 快速 开关器件的出现而出现的 它的工作原理是先将电网电压整流成直流 然后逆变成中频或高频 交流电 通过中频 高频 变压器 获得适合电弧焊的电压 在此之 后有三种选择一是直接提供交流弧焊所需的能量 二是再经过整流 将中频 高频 交流变为直流 提供直流焊所需的能量 三是经过 整流后再逆变成方波交流用于焊接 逆变弧焊电源具有良好的性能工作频率高 铜 铁损耗大大减少 体积 重量显著下降 功率因数高 可达99 效率高 可达80 90 控制特性大为改善 因此逆变弧焊电源将成为弧焊电源发展 的趋势 在其出现后的短短十几年内 已成为工业发达国家的主导弧焊电源 产品 本节主要以应用比较普遍的弧焊整流器为例 对弧焊电源组 成 主电路构成 触发电路特点和外特性的控制原理分别加以叙述 使读者对弧焊电源模拟控制有基本了解 在第八章将对弧焊电源计 算机控制技术及数字化加以介绍 使读者对弧焊电源整体有全面了 解 7 1 2弧焊电源外特性的种类从电弧焊接工艺的要求出发 目前已研 制出具有各种各样外特性形状的弧焊电源 1 垂直下降 恒流 特性垂直下降特性也叫恒流特性 其特点是 在工作部分当输出电压变化时输出电流几乎不变 见图7 1 2 缓降特性其特点是当输出电压变化时 输出电流变化较恒流特 性的大 其中一种按接近于1 4椭圆的规律变化 另一种缓降特性的形状接 近于一斜线 见图7 1 3 恒流带外拖特性其特点是在其工作部分的恒流段 输出电流基 本上不随输出电压变化 但在输出电压下降至低于一定值 外拖拐点 之后 外特性转折为 缓降的外拖段 随着电压的降低输出电流将有较大的增加 而且外 拖拐点和外拖斜率往往可以调节 还有其他形式的外拖特性 见图7 1 4 平特性平特性有两种一种是在运行范围内 随着电流增大 电 弧电压接近于恒定不变 又称恒压特性 或稍有下降 电压下降率 应小于7V 100A 另一种是在运行范围内随着电流增大 电压稍有增高 有时称上升 特性 电压上升率应小于10V 100A 见图7 1 5 下降特性这种外特性的特点是 当输出电流在运行范围内增加 时 其输出电压随着急剧下降 在其工作部分每增加100A电流 其电压下降一般应大于7V 根据斜率的不同有可分为垂直下降 恒流 特性 缓降特性和恒流 外拖特性等 见图7 1 7 1 3弧焊电源调节特性与动特性电弧电压和电流是由电弧静特性和 弧焊电源外特性曲线相交的一个稳定工作点决定的 为了获得一定范围的焊接电流和电压 弧焊电源的外特性必须可以 均匀调节 下降特性电源的可调参数为输出电流的大小 电弧电压由弧长决定 见图7 2所示 平特性电源的可调参数为工作电压 见图7 3所示 图中负载特性指包括输出回路电缆压降在内的电源的工作电压和图7 2下降外特性电源的可调参数工作电流的关系 所谓弧焊电源的动特性是指电弧负载状态发生突然变化时 弧焊电 源输出电压与电流的过程 可以用弧焊电源的输出电流和电压对时 间的关系 即u f t I f t 来表示 它说明弧焊电源对负载瞬态变化的适应能力 动特性指标有空载到短路的瞬时短路电流峰值 负载到短路的瞬时 电流上升率和短路峰值 短路到空载的电压建立时间等 动特性是弧焊电源的重要性能 它影响焊接过程的稳定性 现代弧焊电源通过控制电路来改善电源的动特性 同时弧焊电源动特性也影响焊接过程控制系统的动态品质 U VI A123451 平特性2 垂降带外拖的外特性5 垂降外特性3 陡降外 特性4 缓降特性图7 1各种常见的弧焊电源外特性电流调节范围规定负载特性UD Uf UOIf Iminf Imaxf IUDUf II O规定负载特性电压调节范围f Uminf Umaxf U图7 2下降外特性电源的可调参数图7 3平外特性电源的可调参数7 1 4晶闸管式弧焊整流器1 晶闸管弧焊 整流器的组成一般晶闸管弧焊整流器的组成如图7 4所示 主电路由主变压器T 晶闸管整流器UR和输出电感L组成 AT为晶闸管的触发电路 当要求得到下降外特性时 触发脉冲的相位由给定电压和电流反馈 信号确定 当要求得到平外特性时 触发脉冲相位则由给定电压和 电压反馈信号确定 此外 还有操纵 保护电路CB 2 晶闸管式弧焊整流器的主要特点 1 动特性好它与弧焊发电机和磁放大器式弧焊整流器相比 内部 电感要小得多 具有电磁惯性小 反应速度快的特点 在其用作平特性电源时 可以满足所需的短路电流增长速度 而当 用作下降外特性电源时 不致有过大的短路电流冲击 且在必要时可以对其动特性指标 例如 等 加以控制和调节 gi UfI Ugu U fU Udtdi sddsdII 2 控制性能好由于它可以用很小的触发功率来控制整流器的输出 并具有电磁惯性小的特点 因而易于控制 通过不同的反馈方式可以获得所需的各种外特性形状 电流 电压可在宽广的范围内均匀 精确 快速地调节 并且易于实现电网电压补偿 因此 这种整流器可用作弧焊机器人的配套电源 3 节能与弧焊发电机相比 它没有机械损耗 而且其空载电压可 以较低 其效率 功率因数较高 输入功率较小 因而可节约电能 4 省料与弧焊发电机相比 它无原动机 与磁放大器式硅弧焊整流器相比 它没有磁放大器 因而可以节省材料 减轻重量 5 噪声小与弧焊发电机相比因其无旋转运动的部分 噪声明显减 小 6 电路较复杂除主电路之外 还有触发电路 使用的电子元器件 较多 因而 乖器件的质量 组装的水平等对电源使用的可靠性有很大影 响 同时 这种电源对调试积维修的技术水平要求也较高 AT输入CB TUR L1R输出U Rgu U fU UfI Ugi UR u1K U2K U图7 4晶闸管弧焊整流器的组成fz RToabc a b c 1VT2VT3VT4VT5VT6VTL图7 5六相半波整流器3 六相半波整流电路弧焊整流器必须提供低电压 大电流 具有一定形状的外特性 输出的电流或电压值要有较宽的 调节范围 波形应连续 且脉动要小 主电路主要有三相桥式半控 三相桥式全控 六相可控半波和带平 衡电抗器的双反星形可控整流电路四种 现主要以六相可控半波整 流电路为例加以说明 基本电路见图7 5 图中T为三相变压器 铁心有三个心柱 每个心柱上各有一相的 一个一次绕组和两个二次绕组 分别为a a b b和c c 联接二次绕组时 将每相的一个绕组的同名端 和每相的另一绕组 的非同名端接在一起构成星形 这样可以输出互差60 的六相电压 其相位关系见图7 6 每个二次绕组各串联一晶闸管 六个晶闸管接成共阴极形式 在阴极和变压器中点O之间联接负载 C U b U a U a U b U C U 图7 6六相电压矢量图 1 电阻性负载这时应将图7 5中的输出电抗器L短路 只让电阻Rfz接入电路 半波整流电路与前述桥式整流电路不同 任何时候只要有一只晶闸 管导通 即可将这一相的电压接到负载两端 负载上承受的是相电压 忽略了管压降 因此要从相电压波形中求得负载压波形 图7 7a中虚线所示为六相相电压波形 若将图7 5中的晶闸管换成二极管 则任何时侯总是由相电压最高的二极管导 电 而其余五只管子 则由于阳极与阴极之间承受反压而不通电 因此在图7 7a中 过了是最高 由管1导电 过了则是最高 经过换相由管2代替管1导电 依此类推 随着相电压此起彼伏 六只管子自然地在六只管子导电 顺序见图7 7b 的波形即为相电压的包络线 如图7 7a中粗黑线所示 若象图7 5中那样 六只管子是晶闸管 而又在各自然换相点依次将其触发 则的波形不变仍是该包络线 这就是当控制角为零的情况 每周有六个波峰 1t a uafZu u 2t c uc fz u u fz ufz u图7 7 为零度时六相半波可控整流波形a fz u波形波形a b 晶闸管导电顺序图7 8 60 时三相半波可控整流波形图7 9 90 六相半波可控整流电路fzug ua 波形b 波形当 60 时 波形如图7 8所示 由图可知 60 为临界值 继续增大 则波形和波形将出现不 连续 随 增大 负载电压平均值减小 当 120 时 0 即要求移 相范围为120 2 电阻电感性负载将图7 5中L接入电路 它与串联为电阻电感性负载 接入电感后 即使不连续 波形也可以较平稳 电感值愈大 波形愈平 当相电压为负时 电感电动势仍可维持晶闸管继续导通 图7 9中粗黑线所示为 90 时的波形 这时负载电压平均值为零 即该 整流电路要求的移相范围为90 与 的关系为六相半波可控整流电路与三相桥式全控整流电路一样 都要用六只晶闸管 整流波形也相似每周都有六个波峰 前者触发电路较简单 但每管在一周内最多只导电60 后者为120 一管导电时其它管子都休止 因而变压器和管子的利用率较低 fz ufzu fzifz ufzufz Rfzufz ifzifz u 1 35fzu2U cos 4 晶体管触发电路 2 同步电压为正弦波的触发电路图7 10是ZDK 500型晶闸管式弧焊整流器的触发电路 ZDK 500型整流器的主电路是共阴极的带平衡电抗器双反星形形式 用六套触发电路分别触发六个晶闸管 图7 10中只画出其中的一套 y Uk U1c2c3c2e2b1V3V2V13C19C13R19R57R39R25R31R36VD7VDTIu t图7 10同步电压为正弦波的晶体管触发电路t t t t t ooooot ut ua b c d e k U1t2t1c u2b u3b uMu图7 11同步电压为正弦波的晶体管触发电路的电压波形图a 输出电压波 形b V1集电极电压波形b V2基极电压波形d V3基极电压波形e 触 发脉冲波形1 触发脉冲的形成图中共有三级晶体管电路 构成第一 级工作于开关状态 构成第二级为射随器 起隔离作用 构成第三 级 起功翠放大作用 TI为输出触发脉冲的脉冲变压器 为触发电路的直流电源电压 输入电压由直流控制电压和同步电压相加产生 电路的波形图见图7 11 图7 11a为输入电压波形 设为某一定正值电压 与正弦同步电压相加即 得到输入电压波形 图7 11b为集电极电压波形 0 时间内输入电压为正 处于截止 时间内输人电压为负 处于饱和 0 3V如此输入电压随同步电压交变 而正负交替 不断截止和 为矩形波 经和构成的微分电路之后 加给基极的电压如图7 11c所示为正 负脉冲 由射随器输出给基极的是负脉冲 如图7 11d所示 在此负脉冲作用时瞬时导通 有脉冲电流经脉冲变压器初级绕组 使其有触发脉冲产生 见图7 11e所示 构成加速电路以改善脉冲波形 用以保护 因为当突然截止时 TI初级绕组感应出较大电动势与相加 作用于集射极间 易将其击穿 接上可使这时的TI的电流经它流通 不会骤减 从而使自感电动势 值不超过二极管的正向压降 用以抑制的穿透电流 使截止可靠 1V2V3Vy Uk Ut u1V1t2t1ty c U U 11V1c U1V13C25R2V2V3b U3VM u19C39R7VD3V3V tiddLy U7VD36VD2 脉冲的移相由图7 11可知 触发脉冲uM总是出现在V1由导通变为截止的时刻 此时正 值输入电压上升沿与的交点 见图7 11a 因此只要改变值 即可改变交点位置 从而实现脉冲移相 令增大 则触发脉冲提前 令减小 则后移 在士 同步电压的幅 值 范围内变化 则可令触发脉冲移相180 不过为使与 之间有近于直线的关系 只应令上述交点在输入电压 上升沿的中间区段内变化 对于弧焊整流器 只要求 在0 90 范围内变化 适当选择与晶闸管电源电压之间的相位差 即可令触发脉冲移相范 围刚好落在输入电压的近似线性区 图7 12所示为比对应的晶闸管阳极电压滞后90 的情况 的30 处为自然换相点 此点对应于 0 0 90 是的90 120 范围对应的与输入电压交点区如黑粗线 所示 这线段线性度好 所以 这种方案是可取的 k Uk Uk Uk Uk U tmUk Utua utua uau30 120 oot t a utut uk ukukuABC1211T T2221T T c b a ab c tc tb ta tc tb tatu图7 12触发脉冲移相范围及图7 13变压器接线电源电压的相位关系3 同步电压的产生 如何实现比 对应相晶闸管的阳极电压滞后90 呢 在ZDK 500型弧焊整流器中是靠主变压器和同步变压器三相绕组接法的适当 搭配 如图7 13所示 主变压器为接法 同步变压器为接法 相应的电压矢量图7 14所示 电网的线电压 即主变压器一次绕组的电压 为 相电压为 主变压器正极性组二次相电压分别与同相 而反极性组二次相电压 分别与其反相 同步变压器一次绕组电压为电网相电压 故正极性组二次相电压分 别与同相 而反极性组分别与其反相 图7 10是a相晶闸管的触发电路 的阳极电压为 应以比其滞后90 的为同步电压 同理阳极电压为的 晶闸管触发电路应以为同步电压 如此可将阳极电压及对应的同步 电压列出如下表tu1211T T2221T TCA BC AB U U U C BA U U U c b a U U U CABCABUUU c ba UUU tc tb ta UUU C BA UUU tctbta UUU 1VT1VTa Utc U b Uta U CA UCUAB UAUB Ua U a Uc UcU BC Ub Ub U tc U tc UtaUtaU tb UtbU 图7 14电压矢量图a Uc ba c b c ba tctb a t ac b Ua c b c ba tctb a tU阳极电压同步电压a UtcU cU btUb UtaU aU tc UUctbU bU atU表7 1阳极电压及对应的同步电压放大触发电路整流器电压采样电流采样 放大放大1K2K3Kk UM Uf Uf fU I f Igi Ugu Uf mUf nI f gif gunI U K mU UK 21 f gumU UK 1 f ginI UK 2f gumU U f ginI U 图7 15晶闸管弧焊整流器闭环控制系统示意图 1 闭环控制基本原理图7 15是晶闸管弧焊整流器闭环控制系统示意图 图中有电压负反馈 输出电压经电压采样环节 常用电位器分压 得到与其成正比的反馈量 还有电流负反馈 输出电流经电流采样环节 常用分流器 得到与 其成正比的反馈量 和又分别与给定量 比较及放大 而各自输出和 最后 经综合 放大得到控制电压再输入触发电路 以控制触发脉 冲的相位 因此有fmUf nI fmU f nIgu U gi U f gumU UK 1 f ginI UK 2k U3K f gumU UK 1 f ginI UK 2 7 1 1K2K3K式中 为放大环节的放大倍数 一般值是较大的 所以有kU只有零点几伏至几伏 f gumU UK 1 f ginI UK 2 0 7 2 现在可以分几种情况来分别讨论1 只用电压负反馈根据式 7 2 得到式中m为分压比 是常数 可见取决于 一经给定不变 则整流器输出电压也不变 用电弧电压负反馈时可得到恒压外特性 如图7 16中线1所示 其自动调节过程如下由于当电网电压波动或负载电流增大引起减小 时 由于不变而使增大 进而使触发脉冲提前 晶闸管导通角增大 所以得以增大 反之亦反 f gumU U 0即f Ugu Um1 7 3 f UguU guUf UkU f gumUUK 1guUguU2 只用电流负反馈根据式 7 2 则有即式中n是分流比 为常数 根据式 7 4 一经确定 即不变 在理想的情况下可得恒流外特性 但实际上 若放大倍数取得太大 系统将易产生振荡 所以不能将 其取得太大 因而只能得到较为陡降的外特性 如图7 16中线2所示 fnI 0gi Uf I gi Un1 7 4 gi UfI12345UIo图7 16闭用环控制所获得的外特性4 复合负反馈可分为两种情况同时采 用电压 电流负反馈 根据式 7 2 当 一定时可得由式可知 所得到的外特性是斜降的 见图7 16中的线4 改变n m或值可改变外特性下降的斜率 按电压大小采用反馈 当电压大于一定值时只用电流负反馈 当电 压小于此值时 同时采用电流负反馈和电压负反馈 分别根据式 7 4 和式 7 5 可得如图7 16中线5所示陡降而在低压段带外拖的外特性 m KnKIUff12 7 5 12K K 5N1N2N3N4N 15V 15V1R2R1V2V1VDRS1RPf UfIfu Ufi Ub Ug U kU kU 6N图7 17平外特性控制原理图 2 平外特性的控制电路图7 17所示是一例用于三相桥式全控CO2气保护焊整流器的闭环控制电路 为比例加法器 其输入信号之一为给定电压 它由调节并经跟随器 隔离后得到 另一个输入信号是将电弧电压 经差动放大而形成的 电弧电压反馈量 显然 的输出量为式中为的放大倍数 为反相器 它输出 可将 输给触路 用以控制触发脉冲的相位 从而实现电压负反馈 闭环控制 获得平的外特性 和等构成过流保护环节 将主回路分流器RS两端的电流信号放大为电流量 构成斯密特电压比较器将 与限定量进行比较 当电流末超过允许值时 输出正电压 使饱和 电流反馈不起作用 同时截止 因而可正常输人到 一旦电流超允许值 则翻转输出负电压 一方面使饱和 致使不能输入 3Ng U 1RP1Nf U2Nfu U3Nk U 3Kg U fU 7 6 3K3N4Nk UkU 65 N 21 V5Nfi U6Nfi UbU6N1V2Vg U 3N6N2Vg U 3N 6N3N5N1N2N7Nf IRS1RPk Ufi Ug UPUV2RP3RP 12V 12V 12V 12VN4 4NC1C2C3C4C5C7C8C9图7 18获得陡降外特性的控制电路同时使截止 从而经 加于反相端 于是 输出的反向 从而不能触发晶闸管 起到过流保护的作用 3 陡降外特性的控制电路图7 18所示为用于三相桥式半控整流电路中获得陡降外特性的控制电路 由比例加法器输出的控制信号 取决于其三个输入量偏移信号 给 定信号和电流反馈信号 空载时无和输入 仅取决于 由调定 使足以令主回路晶闸管全导通以产生空载电压 取自电位器 并经两级跟随器 隔离后输出 1Vfi U1R1VD2R3N4N3Nk U3Np Ug Ufi UkUg UfiU3Nk Up U1RPp UkU2RP1N2N电流反馈信号取自主回路分流器RS两端 由于三相桥式半控整流电流波形波动较大 因而采样来的信号在放 大的同时还需妥善滤波 方能保证闭环控制系统的稳定工作 差动放大器外围设有阻容网络用以滤除高次谐波 此外 还设有源低通滤波器及 分别滤除不同频带的谐波后才能得 到较平稳的电流反馈信号 为使不影响主回路的空载电压 设置了晶体管开关V和比较器 空载时 输出为零 只有取自的一路输入而输出高电位 因而V导通 将的输入端钳位于地而无输出 使空载电压仅由整定 当主电路有一定电流时 的输出使翻转为输出低电位 因而V截止能 输出 这时有虽然主回路一有电流就有一 但在作用之下已令晶闸管全导 通 只要未超过 则产生的脉冲列 则始终使晶闸管保持全导通 只有当 之后 电流负反馈才起作用 使外特性转入陡降段 也就是说 这里采用的是电流截止负反馈 截止值由整定 调节可改变外特性转入陡降段的电流值 4N5N6Nfi UgU7N4N7N3RP2Ng UpU4N7N2Ng UkU 一pUgUfi UfiUp UfiUgUfiUg UgUgU1TA2TA11W1R2RVDbj UguUf nIfmU giUf UkU1SC平降整流桥 图7 19ZDK 500型弧焊整流器闭环控制简化电路UIgi U1bj U2bj UfnI f bjnI U 1f bjnI U 212oIU图7 20陡降外特性的获得原理图7 21ZDK 500型焊机平的外特性 4 平陡两用外特性的控制国产ZDK 500型晶闸管弧焊整流器采用了 电压负反馈和电流截止负反馈 可分别获得平 陡降两种外特性 其简化了的闭环控制电路如图7 19所示 图中是整流器中的主变压器一次绕组 是电流采样用的电流互感 器 其二次绕组内电流与负载电流成正比 该电流流经 得到与 负载电流成比例的电压 将其输入整流桥经整流滤波得到电流反馈 量 为实现电流截止负反馈而需用比较电压 为用于陡降外特性时的给定电压 是用于平外特性时的给定电压 将焊机输出端的电压经分压取作为电压反馈量 欲得到陡降外特性时 将开关转至 降 位置 随着增大电流反馈量亦增大 而与极性相反 故 随着减小 但值较小 当不很大时 二极管VD受反向电压而不通电 这时 使晶闸管全导通 值近于等于 11W1TA2TA1R2Rf nIbj UgiUguUf UfmUf I1SCf nIbj Uf nIbj Uf nIgiUf IgiU bj Uf nIkUbj UfU0U当增大到使 时 VD受正向电压而通电 则 即电流截止负反馈起作用 对应的外特性段转入陡降 改变的大小 可调转入陡降段时的电流值 以上结果示于图7 20 图中大于 用前者时 外特性曲线在达到较大的电流时转入陡降段 线段1 用后者时 则在较小的电流下降入陡降段 线段2 故改变值可调外特性 当需得到平的外特性时 只要把开关转至 平 位置上 当较小时 一 一 VD处于反向偏置而不导电 这时 一 即有电压负反馈 从而得到很平的外特性 可是当大到超过一定限度后 则有 一 一 VD导电 一 即电流截止负反馈起作用使外特性转入陡降段 从而具有过载保护作用 获得的外特性见图7 21 fIgiUbjUfnIk UfIbjUf nIbjU1bjU2bj UbjU1SCgu Uf mUbj Uf nIkUguUf mUguUf mUbjUf IkUbjUfnIf nI7 2弧焊电源的计算机控制技术近年来 发达国家的微机控制电子 弧焊机已经进入实用化阶段 并朝着采用高档单片机系统 进行多 功能 多参数控制 波形控制以及智能化控制的方向发展 国内对 微机控制电子弧焊机的研究也取得了很大进展 研制出一些控制系 统 其控制系统的可靠性 抗干扰能力 技术复杂性以及成本还须 进一步发展 采用微机控制技术是焊接设备的发展方向 单片机以其较高的灵活 性 可靠性和性价比 已深入到控制系统应用的各个领域 针对我 国电焊机行业的现状 为加速传统技术的改造 开发可靠 实用和 经济的单片机控制弧焊电源系统具有现实的意义 7 2 1微机控制弧 焊电源微机用于焊接控制的技术主要有焊接电源和工艺的控制 焊 接过程自适应控制 焊接群控和焊接机器人控制等 其中弧焊电源的 微机控制 对弧焊质量的影响最为直接和重要 1 微机控制弧焊电源特点 1 稳定性好电源特性由控制算法决定 不会出现因模拟控制中零 飘及元件分散性等因素造成的性能下降或不一致 2 外特性控制电源外特性由软件灵活控制 容易实现一机多用 通过不同算法可获得恒流特性 恒压特性 斜率不同的其他外特性 的任意控制 以满足各种弧焊方法和场合的需要 3 动特性控制借助于运放PID调节器组成的电子电抗器对焊接过 程的短路电流上升率 进行控制 4 预置主要参数微机控制的弧焊机通常具有较好的操作界面 如 参数预置 数字显示等 根据不同的焊丝直径 保护气体成分进行预置焊接参数 再现记忆 监控各组焊接参数 根据不同需要变换参数 5 实现 单旋钮 调节功能利用计算机的数据处理能力 可实现 自适应控制 模糊控制等 使其焊接适应性加强 据工件厚度不同 同时按所需电弧电压 电流 电感量实现一元化调节 6 对焊接电流的波形控制通过软件设计 可获得各种脉冲电流波 形 脉冲频率 脉冲电流 基本电流 脉冲宽度 占空比以及脉冲 前后沿斜率的任意控制 以便对电弧功率实现精确控制 7 对焊接工艺程序和焊接故障的控制实现焊接过程中可能发生的 电流的递增和衰减 粘丝 灭弧 过电流 触嘴等故障进行诊断和 报警 8 易于开发 微机系统采用积木式结构 其开发周期短 而且开 发成本低 2 选择微机控制弧焊电源原则主要考虑以下原则 1 系统功能丰富 即要有性能良好 功能齐全的单片微机CPU 又要 有高速可靠的输入输出接口电路 还要有键盘显示功能 2 实时性好 基于焊接机器人对实时性要求很高 弧焊电源系统要 保证高响应速度的主电源 又要有较高的CPU时钟频率和A D D A转 换速度 还要有高效能的控制软件 3 适用范围广 既要适用于脉冲MIG MAG焊接 又要适用于CO2焊 接或钨极氩弧焊接 4 抗干扰能力强 由于焊接工作环境比较恶劣 因此 弧焊电源系 统必须有较强的可靠性设计与抗干扰对策 3 弧焊电源的微机控制应用于弧焊电源的微机种类是多种多样的 其中利用单片机可实现多种弧焊工艺参数和程序的控制 它不仅具有给定值和实际值的显示 实时检测 顺序控制 故障诊 断和报警等功能 而且利用拨动开关 实现多种条件下的全过程工艺 参数的选择 修改 再现 记忆等功能 还可进行功能扩充 采用飞利普系列中的80C552型8位单片机 实现对弧焊逆变器的控制 该单片机控制的场效应管式弧焊逆变器与自动焊机或机器人配套 用 于高要求的场合 MM整流器场效应管逆变器驱动PWM比较器信号滤波调节RRPLD AA DI O220V380V 80C552过冷过热与键盘拨动开关显示器焊接机器人微机 控制系统故障开关信号输出开关量通讯送丝速度焊接速度D AD AI O 整流器h UsUfUfmUf IfnI图7 22单片机控制系统原理框图 1 微机控制弧焊电源的原理图7 22所示为微机控制弧焊电源原理框图 其中设立如下通道和接口 模拟量输出通道 电弧电压 f 焊接电流 f 送丝速度 f 焊 接速度 h及备用通道 模拟量输入通道 电弧电压 焊接电流 焊接速度等模拟量的实值 检测 开关量输出通道 用于启动 应答 送气 送电 引弧 送丝及停 止等的程序控制 开关量输入通道 用于检测各种故障的信号 其他通道 报警通道 与机器人或 微机进行通信的接口 系统基本工作原理 是借助键盘 拨动开关选择 并经过模拟量通道 输入焊接全过程的工艺参数 然后通过键盘和开关量通道发出焊接指 令 这时 微机接上弧焊逆变器的各有关通道 并发出提前送气指令 其次 是引弧指令 引弧成功后 微机自动把电流递增到预定值 待工件预热到一定时间后 微机发出启动行走机构指令 并输出一定 数值的焊接速度信号 微机在焊接过程中显示出实际焊接电流及电弧 电压值 自动进行焊接过程中的参数变换 收弧时 微机发出收弧指令 进行收弧处理 收弧完毕 微机进入焊接结束状态 并关闭所有通道 若在焊接过程中或焊接结束后微机检测到故障信号 则故障信号由开 关量转为数字量 以中断方式供微机进行处理 发出警报 并显示故障 原因 以便操作者查找并排除故障 故障排除后 可以按键再次进行焊 接 2 微机控制弧焊电源软件为了配合机器人用电需要 对焊接电源 控制系统而言 软件设计同硬件设计一样具有重要意义 编制功能丰富 运行快捷 简练实用的高性能软件是保证焊接机器 人高效率工作 获得良好的焊接工艺效果的前提条件 为此 考虑到控制的实用性要求 采用汇编语言编制了各种应用软 件 具体包括主程序及一些子程序 数字键盘显示工作程序 一元 化调节计算工作程序 多功能焊接工作程序等程序 下面对其中若干程序加以简要介绍 随着焊接电源数字化 设计的操作键盘也应数字化 在焊接前 首先要输入焊接参数 如焊接平均电流 焊接材料 焊 丝直径 保护介质及小弧焊接电流 同时显示出其输入条件及功能 代码 在焊接过程中要实时显示焊接平均电流和平均电压 当出现 故障时 也要显示各种故障信号提示符 如过欠压 0V 过流 0 A 过热 0H 及缺相 DP 等 基于此 编制了数字键盘显示工作程序 其程序框图如图7 23所示 开始8098初始化显示P键个数单元BL置初值OFFH有键 BL自动增1地 三个键 数字键 由BL单元值决定存入相应单元显示键值YNYYNNN数 字键 BL单元清零执行键 数字键 BL单元清零执行键 显示键值 由BL单元决定存入相应单元数字键 BL自动增1有键 结束第四键 设定键 读出键 显示功能代码单元内容BL单元置初值OFFHYYYYYYN NNNNNNNY图7 23数字键盘显示工作程序框图开始YCO2焊 N调电压电流显示子程序 M M 01H M 02H M 03H M 04H M 05H M 06H结束调电压电流显示子程序N 01H N 02H N 03H结束将电流给定单元置为l p将电流给定单元之值以一定dl dt递减直至显示 显示 将电流给 定单元置为l p将电流单元置为将电流给定单元置为将电流给定单元置为将电流给 定单元置为l p将电流给定单元置为l plp将电流给定单元之值以一定dl dt递减直至l pl llsp spspN采完n次 智能控制一次 燃弧电压智能闭环控制采集电流采 集燃弧电压采集电压采集电流采集电流采集电流采集电流采集电流 采集电流采集电流采集电流采集电压采集电压采集电压采集电压采 集电压采集电压采完n次 智能控制一次 采集燃弧电压峰值弧压智 能闭环控制M 02H M 01H M 03H M 04H M 05H M 06H N 02H N 01H N 03H NNNNN NNNNNNNNNYYYYYYY YYYYY YYYN 图7 25多功能焊接工作程序框图开始YNCO2焊 YNMIG焊 查表TAB1求结 束I P查表TAB2求PI查表TAB3求I P C F L A B C F L A B C F L A B 计算脉冲峰值时间TP P计算脉冲峰值时间T计算燃弧峰值时间T P计算脉冲频率F并存入F单元计算脉冲频率F并存入F单元计算短路频 率F并存入F单元计算燃弧基值电流I并存入Ib b计算脉冲基值时间T并存入T单元b b b b计算脉冲基值时间T并存入T单元计算脉冲基值电流I并存入I单元计 算脉冲基值电流I并存入I单元b bbb计算送丝速度V并存入V单元计算送丝速度V并存入V单元计算送丝 速度V并存入V单元P Pf fff图7 24一元化调节计算工作程序框图在脉冲MIG MAG焊接时 为了实现一 脉一滴控制 必须进行单旋钮一元化调节控制 同样在CO2焊接时 为了更好地实现CO2焊接电流波形控制 也必须进行单旋钮一元化调 节控制 为此设计了一元化调节计算工作程序 其程序框图如图7 24所示 由于计算机控制弧焊电源应能满足多种焊接方法应用要求 电源系 统必须具有多功能特性 基于这点 设计了多功能焊接工作程序 其程序框图如图7 25所示 通过该程序 即可实现脉冲MIG MAG焊接一脉一滴控制 又可实现CO 2焊接电流波形控制 4 系统的可靠性设计与抗干扰对策对于单片微型计算机实时控制系 统而言 特别是在机器人用焊接电源系统控制场合下 具有高可靠 性和强抗干扰能力是系统长期稳定运行 实现预期控制效果的前提 和保证 为此 从硬件和软件两方面出发 提出并应用了一系列经济有效的 抗干扰技术 如电弧电压和电流采样系统中 均采用了二阶低通滤波和模拟信号 光电隔离等硬件措施 在D A转换控制系统中 也采用了模拟信号光 电隔离等硬件措施 在软件上 采用了数字滤波和监视定时器等软 件措施 这样 大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力 7 2 2数字化弧焊电源由于数字化技术具有无比的优越性 数字化产 品已深入到人们生活的各个领域 目前 关于数字化焊接电源的研究仍处在探索性研究阶段 一般认为 数字化焊接电源实际上就是将数字化技术运用到焊接电 源的控制环节中 尤其是焊接电源的核心控制部分中 若将数字化核心控制环节拓展 将可以实现核心控制环节与外围电 路之间数字化的信息流通 1 数字化焊接电源系统的概念 1 控制系统数字化 数字电路具有较模拟电路无比优越的特点 如电路的稳定性 可靠性 一致性 灵活性等 因此焊接电源传统 的模拟控制系统转变为数字控制系统已成为必然趋势 数字控制系统结构由微控制器 MCU 数字信号处理芯片 DSP 或微 处理器加数字信号处理芯片组合构成 利用微处理器实现焊接电源的智能控制 利用数字信号处理芯片的 实时高速性对焊接过程的电弧信号进行实时数字信号处理 从而实 现焊接过程的信息控制 2 信号流通数字化 由于数字化信号比模拟信号在传输过程中不 易失真 因此信号的流通 交换可靠和稳定 信号可以通过系统总线 I O口或者特定通信协议口进行数字化传输 3 焊接电源系统数字化划分 在充分研究和分析已有焊接电源系 统的基础上 提出合理可行的功能分类标准进行数字化焊接电源的 硬件模块规划和设计 实现硬件的模块化 标准化和数字化 对模块化的硬件运用单独的微处理器进行控制 并通过数字接口按 照通信协议和数字化的控制系统进行信息交换 4 焊接电源系统的网络化概念利用数字化焊接电源的数字化接口 实现焊接电源系统与互联网的通信 这样一方面可以在网上控制 和监控焊接过程 保证焊接质量 另一方面焊机可以通过计算机从 网上下载软件到焊接电源系统中 便于焊机升级和功能的改进 由于应用了数字化控制技术 焊接电源已不再是单纯的焊接能量提 供源 还应具有数字操作系统平台 多特性适应调整 送丝驱动外 设及接口 焊接参数动态自适应调整 过程稳定质量评定 保护及 自诊断提示以及远程网络监控 生产质量管理等功能 焊接电源的 概念实际上已拓宽为焊接电源系统 2 数字化焊接电源系统的特征数字化焊接电源系统功能如图7 26所示 数字化焊接电源系统由于可以实现硬件的模块化和标准化 软件的 平台化 数字化焊接电源系统具有许多优点 1 柔性化控制电源外特性由软件编程实现 可以实现多种外特性 适应不同焊接方法的要求 实现焊机的一机多用 数字化焊接电源系统特性适应调整保护及自诊断参数适应调整外设 驱动接口面板操作系统质量稳定分析进程控制接口远程网络监控图7 26数字化焊接电源系统功能示意图 2 智能控制利用微控制器 MCU 强大的控制能力和事件管理能 力使焊机控制引入自适应控制 模糊控制 神经网络控制等智能控 制方法成为可能 提高了焊机的智能化 3 数字信号处理DSP强大的数据处理能力和快速运算能力