專利名稱：協(xié)同式co2焊短路過渡模糊控制方法及焊機(jī)的制作方法
一種協(xié)同式CO2焊短路過渡模糊控制方法及焊機(jī)，屬于焊接過程及自動控制裝置領(lǐng)域。
CO2焊接作為一種高效節(jié)能的焊接方法，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，尤其是采用短路過渡形式，可以方便的應(yīng)用在全位置焊、薄板焊等。但由于短路過渡焊接固有的特點(diǎn)也造成了焊接過程中飛濺大，成型較差的缺點(diǎn)，尤其是在中等以上規(guī)范時，這些缺點(diǎn)尤為突出。實驗表明，焊接規(guī)范參數(shù)匹配合理與否，對焊接過程飛濺大小與焊縫成型好壞有直接的關(guān)系。當(dāng)焊接規(guī)范參數(shù)匹配合理，則飛濺少，成型好。反之則飛濺較大，成型差。為了實現(xiàn)焊接規(guī)范參數(shù)的合理匹配，焊接工作者做了大量的研究工作。最初，是采用電弧電壓和電弧電流分別調(diào)節(jié)，這種方法操作復(fù)雜而且對焊工的技術(shù)水平要求較高，很難實現(xiàn)焊接過程的脫技能化。為簡化操作過程，實現(xiàn)焊接過程的脫技能化，芬蘭肯比公司生產(chǎn)的PRO5000型單片機(jī)控制的單旋鈕CO2焊機(jī)，這種焊機(jī)只調(diào)節(jié)一個焊接參數(shù)，如焊接電流(送絲速度)則電弧電壓值便隨之確定，匹配關(guān)系曲線(見

圖1實線所示)。但在實際焊接過程中，電弧電壓與焊接電流之間的匹配關(guān)系不是單一的一條曲線，而是一族曲線(如圖1所示的兩虛線之間的區(qū)域)，即當(dāng)電流確定之后，電弧電壓的取值可以在一個范圍內(nèi)改變。具體哪個電弧電壓值是最佳的，要視具體的焊接過程以及外界的焊接條件而確定?，F(xiàn)有的單旋鈕控制CO2焊機(jī)所采用的關(guān)系曲線是采用圖1所示電弧電壓的規(guī)范區(qū)間的平均值(如圖1中實線所示)。這種單旋鈕控制的CO2焊機(jī)的缺點(diǎn)是1)最佳參數(shù)匹配的準(zhǔn)確性較差。由于采用的協(xié)同關(guān)系是建立在平均匹配值的基礎(chǔ)之上，很難達(dá)到最佳的匹配效果。為了克服這一缺點(diǎn)，有的焊機(jī)在設(shè)計時又增加了一個電弧電壓的微調(diào)旋鈕。這雖然可以克服參數(shù)匹配準(zhǔn)確性差的問題，但使操作變得較復(fù)雜。
2)焊接過程的抗干擾能力差?，F(xiàn)有的單旋鈕焊機(jī)，均采用開環(huán)控制的方法。即一旦焊接規(guī)范參數(shù)確定之后，在焊接過程中就不再改變，它無法適應(yīng)當(dāng)外界條件變化時對焊接過程的擾動。
本發(fā)明的目的就在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種最佳參數(shù)匹配準(zhǔn)確性好、抗干擾能力強(qiáng)、焊接過程穩(wěn)定且飛濺少、成型好的協(xié)同式CO2焊短路過渡模糊控制方法及焊機(jī)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所提出的協(xié)同式CO2焊短路過渡模糊控制方法，是一種將參數(shù)匹配的協(xié)同控制和參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊控制相結(jié)合的閉環(huán)控制方法，焊接過程中，實時檢測能夠反映焊接過程穩(wěn)定性的短路過渡頻率變化情況，并以各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系為依據(jù)，對檢測到的短路過渡頻率進(jìn)行模糊化處理和模糊判決，以確定焊接電弧電壓的調(diào)整量，然后通過控制電路實時調(diào)整焊接電弧電壓，使短路過渡頻率在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，并確保各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的最佳匹配關(guān)系、保證焊接穩(wěn)定性，具體地講，它主要包括以下步驟1)通過大量實測數(shù)據(jù)建立送絲速度、焊接電流、電弧電壓等焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系曲線(如圖2所示)，并將其存入微機(jī)控制系統(tǒng)中，作為參數(shù)調(diào)整及控制的依據(jù)；2)焊接過程開始后，首先根據(jù)送絲速度給定信號的大小，以“送絲速度優(yōu)先”的協(xié)同控制規(guī)則，依照上述各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系曲線，確定與該送絲速度相對應(yīng)的電弧電壓、焊接電流及短路過渡頻率的大小，初始化各焊接參數(shù)，所得短路過渡頻率同時作為后面進(jìn)行模糊控制的頻率基準(zhǔn)；3)焊接過程中，在微機(jī)控制系統(tǒng)控制下，實時檢測能夠反映焊接過程穩(wěn)定性的短路過渡頻率，并將其與前面確定的短路過渡頻率基準(zhǔn)相比較，根據(jù)短路過渡頻率的變化情況，經(jīng)模糊化處理和模糊判決后，確定焊接電弧電壓的調(diào)整量，通過控制電路在線調(diào)整電弧電壓的大小，使焊接電流、電弧電壓及短路過渡頻率之間保持最佳協(xié)同匹配關(guān)系，保證焊接過程的穩(wěn)定性。
本發(fā)明的設(shè)計思想如下實驗表明，在不同的焊接規(guī)范參數(shù)匹配時，短路過渡頻率的數(shù)值也是不同的。所謂短路過渡頻率就是在單位時間內(nèi)熔滴通過短路過渡向熔池內(nèi)過渡的次數(shù)，而短路過渡頻率的大小與焊接過程的穩(wěn)定性、以及焊接質(zhì)量的好壞、飛濺的大小、成型的好壞等有很大的關(guān)系。因此，在某種意義上講，短路過渡頻率常常作為衡量焊接過程穩(wěn)定的標(biāo)志。而短路過渡頻率的大小與焊接過程的規(guī)范參數(shù)之間有密切的關(guān)系，焊接電流、電弧電壓、焊絲直徑等因素對短路過渡頻率、乃至焊縫成形、飛濺大小、焊接過程的穩(wěn)定等均有很大的影響。因此，如果在大量的工藝實驗和專家經(jīng)驗基礎(chǔ)上，并綜合考慮各因素對短路過渡頻率的影響后，事先建立起各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同與模糊控制關(guān)系(這些因素之間的關(guān)系具有高度非線性，很難建立起精確的數(shù)學(xué)模型)，并將其存儲于微機(jī)控制系統(tǒng)中。而在實際焊接時，在微機(jī)系統(tǒng)控制下，通過實時檢測能夠反映焊接過程穩(wěn)定性的短路過渡頻率的變化情況，以各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系為依據(jù)，經(jīng)模糊處理后，確定焊接電弧電壓的調(diào)整量，并將此信號反饋給焊接電源電路。這樣，通過對短路過渡頻率的實時檢測和處理，在線調(diào)整電弧電壓的大小，從而形成對焊接規(guī)范參數(shù)的閉環(huán)控制，使焊接規(guī)范參數(shù)和短路過渡頻率在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，確保它們之間的最佳匹配關(guān)系，保證焊接過程的穩(wěn)定性，達(dá)到本發(fā)明的目的。
在上述控制方法基礎(chǔ)上，本發(fā)明還采用一種外環(huán)為電壓反饋、內(nèi)環(huán)為電流反饋的雙閉環(huán)反饋方法，對焊接過程中短路和燃弧階段的電弧電壓及焊接電流的波形進(jìn)行有效的控制。
根據(jù)本發(fā)明提出的控制方法而設(shè)計的焊機(jī)，主要包括有焊接電源主電路、送絲電路、焊槍及以單片機(jī)為控制中心的控制電路。其中，所述以單片機(jī)為控制中心的控制電路主要包括有內(nèi)含控制程序的單片機(jī)系統(tǒng)，其輸入端與焊接電弧電壓信號相連、輸出端與單片機(jī)系統(tǒng)相連的短路過渡頻率采集電路，及其輸入端與單片機(jī)系統(tǒng)相連、其輸出端與焊接電源主電路相連的控制驅(qū)動電路。所述單片機(jī)系統(tǒng)主要包括有采用常規(guī)連接的中央處理器CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元D/A、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A/D、輸入輸出單元I/O、高速輸入單元HSI、脈沖寬度調(diào)制單元PWM、及必要的信號設(shè)定及外圍電路。
與前述本發(fā)明的控制方法相適應(yīng)，為了更好地提高本發(fā)明的效果，本發(fā)明上述的控制驅(qū)動電路中采用了一外環(huán)為電壓反饋、內(nèi)環(huán)為電流反饋的雙環(huán)反饋電路，它主要包括有電壓信號處理及采樣電路、電流濾波放大電路、電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及驅(qū)動電路，電壓信號處理及采樣電路的輸入端與電弧電壓信號相連、其輸出端與電壓調(diào)節(jié)器相連，電流濾波放大電路的輸入端與焊接電流信號相連、其輸出端與電流調(diào)節(jié)器相連，電壓調(diào)節(jié)器的另一輸入端還與單片機(jī)系統(tǒng)相連，電流調(diào)節(jié)器的輸出端通過驅(qū)動電路與焊接電源主電路相連。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的控制方法及焊機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)操作過程簡單。本發(fā)明在焊接過程中只需調(diào)節(jié)送絲速度一個旋鈕，便可以在整個短路過渡范圍內(nèi)進(jìn)行焊接，因而操作簡單，并很容易實現(xiàn)焊接過程的脫技能化。
(2)焊接規(guī)范參數(shù)的匹配合理，焊機(jī)抗干擾能力強(qiáng)，焊接過程過程穩(wěn)定、飛濺少、成型好。本發(fā)明由于采用將參數(shù)匹配的協(xié)同控制和參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊控制相結(jié)合閉環(huán)控制方法對焊接過程進(jìn)行實時控制，整個焊接過程在控制系統(tǒng)控制下自動進(jìn)行，所以當(dāng)焊接條件發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)能夠自動調(diào)整規(guī)范參數(shù)，始終保持各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的最佳匹配關(guān)系、保證焊接穩(wěn)定性，從而保證了焊接過程的穩(wěn)定性及較強(qiáng)的適應(yīng)性。
(3)焊機(jī)的適用范圍寬。本發(fā)明由于在以單片機(jī)系統(tǒng)為控制中心的控制電路中預(yù)先設(shè)置了不同的控制程序，這樣，當(dāng)采用不同直徑焊絲焊接時，按照送絲速度、焊接電流隨焊絲直徑的變化規(guī)律，選擇相應(yīng)的工作程序，便可以對焊絲直徑進(jìn)行補(bǔ)償，從而可適合多種焊絲直徑進(jìn)行焊接。
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1為CO2焊短路過渡電弧電壓與焊接電流之間的典型匹配曲線；圖2為本發(fā)明所述焊接規(guī)范參數(shù)之間的協(xié)同匹配關(guān)系曲線；圖3為本發(fā)明焊機(jī)系統(tǒng)原理框圖4為本發(fā)明控制驅(qū)動電路原理圖；圖5為本發(fā)明短路過渡頻率采集電路原理圖；圖6為本發(fā)明協(xié)同與模糊控制過程原理圖；圖7為本發(fā)明所述雙環(huán)反饋過程原理圖；圖8為本發(fā)明控制過程主程序流程圖；圖9為本發(fā)明模糊控制子程序流程圖。
實施例如圖3所示，本發(fā)明的一個具體實施例焊機(jī)從結(jié)構(gòu)上主要由三部分組成焊接電源主電路A、送絲電路C和以8098單片機(jī)為控制中心的控制電路B。其中，焊接電源主電路A采用以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋逆變電路，它主要由整流電路1、濾波電路2、開關(guān)功率器件(IGBT)3、中頻變壓器4、次級整流電路5、濾波電感6構(gòu)成，其工作原理如下三相交流380V電源經(jīng)整流電路1、濾波電路2后，在濾波電路2的輸出端得到540V的直流電，再經(jīng)開關(guān)功率器件3逆變成頻率在20KHz左右的中頻交流電，然后再經(jīng)中頻變壓器4進(jìn)行隔離、降壓。經(jīng)降壓后的中頻交流電再經(jīng)次級整流電路5進(jìn)行二次整流，將交流電變成直流電，最后再經(jīng)濾波電感6后，變成可以用來進(jìn)行焊接的直流電。由于以上電路的工作頻率在20KHz，同時輸出濾波電感也很小(一般為20～80UH)，調(diào)整逆變開關(guān)頻率或脈寬可以達(dá)到微秒級的控制，所以反映速度快、動態(tài)響應(yīng)性能好。在一個短路過程中(3～5ms)逆變焊機(jī)工作數(shù)十個周期。所以，通過它可以方便的對焊接過程中的燃弧和短路階段進(jìn)行有效的控制，從而提高焊接電源的控制精度和靈敏度。
焊接過程的穩(wěn)定性不僅與焊接電源的性能有關(guān)，而且和送絲的穩(wěn)定性有密切關(guān)系，只有保證焊絲能均勻的送進(jìn)，才能產(chǎn)生有規(guī)律的熔滴過渡。由于本發(fā)明是通過調(diào)節(jié)送絲速度達(dá)到調(diào)節(jié)焊接電流的目的，所以要求送絲速度在一定的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)。為達(dá)到上述要求，本實施例送絲電路C采用電樞電壓負(fù)反饋的調(diào)節(jié)方式，它主要包括有送絲機(jī)11、送絲控制電路12及測速反饋電路10，送絲機(jī)11的輸出端與焊槍8相連、其輸入端與送絲控制電路12相連，測速反饋電路10的輸入端與送絲機(jī)電樞電壓相連、其輸出端與送絲控制電路12相連。另外，圖中9為工件。通過以上電路，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電樞電壓的穩(wěn)定，還可以補(bǔ)償電源內(nèi)阻和網(wǎng)壓波動造成的轉(zhuǎn)速的變化，從而保證送絲速度的穩(wěn)定和滿足焊接工藝的要求。
圖3中，本實施例控制電路B主要包括有內(nèi)含控制程序的8089單片機(jī)系統(tǒng)20，其輸入端與焊接電弧電壓信號相連、而輸出端與單片機(jī)系統(tǒng)高速輸入單元HSI相連的短路過渡頻率采集電路19，以及其輸入端與單片機(jī)系統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制單元PWM相連、而輸出端與焊接電源主電路開關(guān)功率器件3相連的控制驅(qū)動電路13。其中，所述單片機(jī)系統(tǒng)20主要包括有中央處理器CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元D/A、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A/D、輸入輸出單元I/O、高速輸入單元HSI、脈沖寬度調(diào)制單元PWM等單片機(jī)內(nèi)部電路及送絲速度給定電路15、電弧電壓給定電路16、顯示系統(tǒng)電路17、焊絲直徑選擇電路18等外圍電路。除常規(guī)連接外，以上各部件連接關(guān)系如下送絲速度給定電路15及電弧電壓給定電路16的輸出端分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A/D的輸入端相連，焊絲直徑選擇電路18輸出端與高速輸入單元HSI的輸入端相連，顯示系統(tǒng)電路17的輸入端與輸出單元I/O的輸出端相連。
為了更好地對短路階段和燃弧階段對電壓、電流波形進(jìn)行有效控制，如圖4所示，本實施例電壓控制驅(qū)動電路13采用了一外環(huán)為電壓反饋、內(nèi)環(huán)為電流反饋的雙環(huán)反饋電路，其主要結(jié)構(gòu)如前所述，主要包括有電壓信號處理及采樣電路21、電流濾波放大電路22、電壓調(diào)節(jié)器23、電流調(diào)節(jié)器24及驅(qū)動電路25，其中，電壓信號處理及采樣電路21的輸入端與電弧電壓信號相連、其輸出端與電壓調(diào)節(jié)器23相連，電流濾波放大電路22的輸入端通過一霍爾傳感器(I-LEM)7與焊接電流信號相連、其輸出端與電流調(diào)節(jié)器24相連，電壓調(diào)節(jié)器23的另一輸入端還與單片機(jī)系統(tǒng)脈沖寬度調(diào)制單元PWM相連，電流調(diào)節(jié)器24的輸出端通過驅(qū)動電路25與焊接電源主電路相連。另外，驅(qū)動電路25的另一輸入端還和一過流過熱欠壓保護(hù)電路14相連。以上電路的設(shè)計原理如下根據(jù)CO2焊短路過渡過程的特點(diǎn)，分別需要在短路階段和燃弧階段對電流波形進(jìn)行控制，并保持一定的電弧電壓，使燃弧過程穩(wěn)定。基于上述思想，本發(fā)明中采用了電流和電壓兩種負(fù)反饋，并設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)電流和電壓，二者之間實行串級聯(lián)接。電壓調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電壓的輸出。從結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)器在里面，叫做內(nèi)環(huán)，電壓調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)，這樣就形成電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。焊接過程中，短路階段，內(nèi)環(huán)單獨(dú)起作用，并使其作為一個較好的隨動器，電流波形隨給定的電流波形變化而變化；燃弧階段，雙環(huán)起作用，反饋電壓與給定量相比較，得到新的給定電流送入電流調(diào)整器的給定端，調(diào)整電流輸出，以維持電弧電壓恒定，并保持一定的弧長。這樣，既可以實現(xiàn)弧長穩(wěn)定，又能根據(jù)電弧電壓及時地控制電流輸出，從而可以較為精確地對短路和燃弧電流波形分別控制。實驗結(jié)果也表明，合理設(shè)置內(nèi)、外環(huán)參數(shù)，可以容易地獲得短路階段和燃弧階段的穩(wěn)定輸出。
為防止瞬時短路對短路過渡頻率的影響，提高信號檢測精度，本實施例上述短路過渡頻率采集電路19采用如圖5所示結(jié)構(gòu)，它包括有分別由電阻R1、R2、電容C1、穩(wěn)壓管Z1構(gòu)成的濾波、穩(wěn)壓電路26，由施密特觸發(fā)器U1(4584)構(gòu)成的整形電路27，主要由或非門電路U2(4001)、時基電路U4(NE555)、電阻R3、R4、電容C3、C4、二極管D2和可調(diào)電位器VR1構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)噪聲濾除電路28，及主要由晶體三極管G1(8050)、光耦U3(TTL117)和電阻R5、R6構(gòu)成的放大、隔離、取樣電路29，其中濾波、穩(wěn)壓電路26的輸入、輸出端分別接焊接電弧電壓輸出端及整形電路27的輸入端，整形電路27的輸出端分別接入單穩(wěn)態(tài)聲濾除電路28中或非門電路U2、時基電路U4的輸入端，或非門電路U2的另一輸入端與時基電路U4的輸出端相連，或非門電路U2的輸出端與放大、隔離、取樣電路29的輸入端相連。其工作原理如下濾波、穩(wěn)壓電路26將電弧電壓信號的干擾濾除并穩(wěn)定在15V，然后再經(jīng)過由施密特觸發(fā)器U1的整形，將電弧電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉逯禐?5V的方波信號。時基電路U4的輸入信號為施密特觸發(fā)器U1的輸出信號，同時時基電路U4的輸出端與施密特觸發(fā)器U1的輸出又作為或非門電路U2的輸入?；蚍情T電路U2的輸出信號經(jīng)過放大和隔離后在取樣電阻R6上得到經(jīng)過處理的電弧電壓的信號，最后將該信號輸入到單片機(jī)的高速輸入單元HSI進(jìn)行頻率采集。經(jīng)過上述電路處理后，可以將短路時間在2ms以下的瞬時短路濾除掉，得到的便是能夠反映焊接過程穩(wěn)定性的正常短路的頻率值，從而可以防止瞬時短路對短路過渡頻率的影響，提高信號檢測精度。
本發(fā)明整個焊接過程均在單片機(jī)系統(tǒng)程序控制下進(jìn)行，下面結(jié)合本發(fā)明的控制方法，并參考圖6，對本實施例焊機(jī)控制過程做一詳細(xì)說明①程序及各焊接參數(shù)的初始化。焊機(jī)啟動后，首先進(jìn)行程序的初始化及各焊接參數(shù)起始量的設(shè)置。其中，各焊接參數(shù)起始量采用“送絲速度優(yōu)先”的協(xié)同控制規(guī)則來加以確定，即首先通過送絲速度給定電路15來確定送絲速度，經(jīng)8098單片機(jī)A/D處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，以圖2所示的協(xié)同匹配關(guān)系曲線為依據(jù)，將送絲機(jī)控制信號經(jīng)D/A單元輸出到送絲機(jī)控制電路12，控制送絲速度的大小。同時，將電弧電壓控制信號經(jīng)PWM累加器，再經(jīng)PWM輸出到控制驅(qū)動電路13作為電壓給定。同時，再以圖2所示的協(xié)同關(guān)系曲線為依據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫查詢處理，確定與該送絲速度對應(yīng)的短路過渡頻率值(該頻率值將做為后面進(jìn)行模糊控制時的頻率的基準(zhǔn)值)。至此，完成各焊接參數(shù)起始量的設(shè)置，在各參數(shù)的協(xié)同匹配下開始焊接過程。
②參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊控制。焊接過程中，通過短路過渡頻率采集電路23將焊接電弧電壓信號進(jìn)行處理后輸入到單片機(jī)的高速輸入單元HSI，對短路過渡頻率進(jìn)行實時采集。將采集到的短路過渡頻率與給定的短路過渡頻率進(jìn)行比較處理，計算出現(xiàn)在頻率的偏差及偏差變化率的變化情況，然后再根據(jù)計算出頻率的偏差和偏差的變化率的變化情況，通過模糊處理和模糊判決，確定此時的電弧電壓的調(diào)整量，經(jīng)PWM累加器與原來的電弧電壓的給定值相加，然后經(jīng)PWM輸出到控制驅(qū)動電路16，控制電弧電壓的大小，在線調(diào)整電弧電壓的數(shù)值，使之與焊接電流(送絲速度)之間達(dá)到最佳的匹配關(guān)系，保證焊接過程的穩(wěn)定性。
③焊接過程的波形控制。以上過程中，同時通過前述控制驅(qū)動電路采用雙環(huán)反饋的方式對短路和燃弧階段的電弧電壓及焊接電流的波形進(jìn)行控制，其工作原理如圖7所示，圖中，電壓給定信號Ug和經(jīng)電弧電壓反饋得到的電壓信號Uf作為電壓調(diào)節(jié)器的輸入，電壓調(diào)節(jié)器的輸出信號Ig作為內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的另一輸入信號為經(jīng)電流反饋得到的信號If，而電流調(diào)節(jié)器的輸出信號將作為電壓控制信號輸出。這樣，內(nèi)環(huán)采用電流反饋，為傳統(tǒng)的恒流源，因為其良好的動特性，使輸出電流和給定電流波形基本一致。而外環(huán)采用電壓反饋，使整體的輸出特性為恒壓特性。此時，整體的電路的動態(tài)響應(yīng)主要表現(xiàn)為外環(huán)的響應(yīng)速度，改變內(nèi)外環(huán)的參數(shù)即可以改變整個電路的響應(yīng)速度。從而對焊接過程中的燃弧階段和短路階段的焊接電流和電弧電壓進(jìn)行有效的控制，達(dá)到改善焊縫成型和減少飛濺的目的。
本實施例焊機(jī)提供了兩種規(guī)格的焊絲直徑φ1.0mm和φ1.2mm可供使用者選擇。焊絲直徑選擇可以通過焊絲直徑選擇電路18進(jìn)行選擇。當(dāng)焊絲直徑選擇電路18輸出為高電平“1”時，選擇φ1.2mm焊絲；當(dāng)輸出為“0”低電平時，則選擇φ1.0mm的焊絲。單片機(jī)控制系統(tǒng)將根據(jù)焊絲直徑選擇電路18的輸出狀態(tài)把與其對應(yīng)的焊絲直徑值送顯示系統(tǒng)17。當(dāng)焊絲直徑確定后，控制系統(tǒng)則將通過檢測送絲速度給定電路15的給定信號的大小，再根據(jù)檢測到的結(jié)果通過查數(shù)據(jù)庫，將與之對應(yīng)的送絲速度給定值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換單元D/A輸出到送絲控制電路12來控制送絲速度的大小。同時查出與該送絲速度對應(yīng)的電弧電壓給定值，通過脈沖寬度調(diào)制單元PWM輸出到控制驅(qū)動電路13控制電源輸出電壓。在此過程中，也將送絲速度給定值及電弧電壓給定值送顯示系統(tǒng)17顯示。
以上控制過程的主程序及模糊控制子程序流程圖分別見圖8、圖9所示。其中，其主程序流程已通過上述焊機(jī)工作過程做了描述，不再贅述?，F(xiàn)對模糊控制子程序流程做一簡單說明圖9中，進(jìn)入模糊控制子程序后，首先依據(jù)前面所得到的頻率基準(zhǔn)值的大小設(shè)置與該頻率基準(zhǔn)相對應(yīng)的頻率偏差、頻率偏差的變化率及電壓調(diào)整量的基本論域e[-xe,xe]、c[-xc,xc]、u[-xu,xu]，然后啟動軟件定時器進(jìn)行中斷采樣，采樣完成后計算此時的頻率偏差e(k)及偏差變化率c(k)，并判斷它們的值是否在設(shè)定的論域范圍內(nèi)。若超出設(shè)定的論域時，則按設(shè)定的最大值處理，否則仍按原計算值處理。當(dāng)確定了頻率偏差及偏差變化率后，再通過對其量化處理后查模糊控制狀態(tài)表，得到要輸出的電壓調(diào)整值，然后輸出去控制電弧電壓的輸出，最后返回到主程序。
以上過程中，模糊控制狀態(tài)表是在離線設(shè)計的CO2焊短路過渡模糊控制器上完成的?；镜哪：刂破魇前匆欢ǖ目刂埔?guī)則進(jìn)行工作的，而這些控制規(guī)則是在大量的工藝實驗和專家的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，并綜合考慮了各種因素對短路過渡頻率的影響關(guān)系后得到的，它主要解決以下三方面的問題1、精確量的模糊化，即把語言變量的語言值化為某適當(dāng)論域上的模糊子集。2、模糊控制算法的設(shè)計。它通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系。3、輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。模糊控制器的類型有多種，本發(fā)明選擇二輸入單輸出的模糊控制器，它將短路過渡頻率的偏差和偏差的變化率作為輸入，經(jīng)模糊處理和模糊判決后輸出電弧電壓的調(diào)整量，經(jīng)過PWM累加器與電弧電壓的給定值相加，然后經(jīng)過PWM輸出新的電弧電壓的給定值，從而保證焊接規(guī)范參數(shù)間的協(xié)同匹配關(guān)系。
以上所述只是本發(fā)明的一個最佳具體實施例。顯然，本發(fā)明的范圍并不局限于此，它還可以有一些結(jié)構(gòu)變型，例如在本實施例中采用了對電壓信號進(jìn)行直接調(diào)節(jié)的方式，來實現(xiàn)各規(guī)范參數(shù)的最佳匹配，當(dāng)然，通過直接調(diào)節(jié)電流信號的方式也同樣可達(dá)到本發(fā)明的目的。類似的結(jié)構(gòu)變型還很多，只要這些結(jié)構(gòu)變型是本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)容、不需做出創(chuàng)造性的勞動可以得出的，都應(yīng)屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
為了更清楚地說明本發(fā)明的效果，下面對本實施例的焊機(jī)進(jìn)行實際焊接實驗。該焊機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及實驗結(jié)果如下1、主要技術(shù)參數(shù)<
2、焊接過程飛濺率的測試實驗結(jié)果如下測試方法按中華人民共和國機(jī)械工業(yè)局1998年5月28日發(fā)布的MIG/MAG弧焊機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T8748-1998)規(guī)定的稱重法。
①實驗條件試件規(guī)格 500*30*4焊絲直徑及焊絲牌號 Φ1.0mm、Φ1.2mm的H08Mn2SiA焊縫長度 大于250mm②規(guī)范參數(shù)及飛濺率實驗結(jié)果分別見表1、表2所示。其中，表1中采用Φ1.0mm的焊絲，表2中采用Φ1.2mm的焊絲。
表1
表2
從表中可見，該焊機(jī)的飛濺比傳統(tǒng)的CO2焊機(jī)有明顯的降低，且焊接過程表明，其參數(shù)匹配性好、抗干擾能力強(qiáng)、焊接過程穩(wěn)定，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1．一種協(xié)同式CO2焊短路過渡模糊控制方法，其特征在于它是一種將參數(shù)匹配的協(xié)同控制和參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊控制相結(jié)合的閉環(huán)控制方法，焊接過程中，實時檢測能夠反映焊接過程穩(wěn)定性的短路過渡頻率變化情況，并以各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系為依據(jù)，對檢測到的短路過渡頻率進(jìn)行模糊化處理和模糊判決，以確定焊接電弧電壓的調(diào)整量，然后通過控制電路實時調(diào)整焊接電弧電壓，使短路過渡頻率在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，并確保各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的最佳匹配關(guān)系、保證焊接穩(wěn)定性，具體地講，它依次主要包括以下步驟1)通過大量實測數(shù)據(jù)建立送絲速度、焊接電流、電弧電壓等焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系曲線，并將其存入微機(jī)控制系統(tǒng)中，作為參數(shù)調(diào)整及控制的依據(jù)；2)焊接過程開始后，首先根據(jù)送絲速度給定信號的大小，以“送絲速度優(yōu)先”的協(xié)同控制規(guī)則，依照上述各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系曲線，確定與該送絲速度相對應(yīng)的電弧電壓、焊接電流及短路過渡頻率的大小，初始化各焊接參數(shù)，所得短路過渡頻率同時作為后面進(jìn)行模糊控制的頻率基準(zhǔn)；3)焊接過程中，在微機(jī)控制系統(tǒng)控制下，實時檢測能夠反映焊接過程穩(wěn)定性的短路過渡頻率，并將其與前面確定的短路過渡頻率基準(zhǔn)相比較，根據(jù)短路過渡頻率的變化情況，經(jīng)模糊化處理和模糊判決后，確定焊接電弧電壓的調(diào)整量，通過控制電路在線調(diào)整電弧電壓的大小，使焊接電流、電弧電壓及短路過渡頻率之間保持最佳協(xié)同匹配關(guān)系，保證焊接過程的穩(wěn)定性。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的協(xié)同式CO2焊短路過渡模糊控制方法，其特征在于它采用一種外環(huán)為電壓反饋、內(nèi)環(huán)為電流反饋的雙閉環(huán)反饋方式，對短路階段、燃弧階段的電弧電壓和電弧電流波形進(jìn)行有效控制。
3．一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法而設(shè)計的焊機(jī)，它包括有焊接電源主電路、送絲電路、焊槍、及以單片機(jī)為控制中心的控制電路，其特征在于所述以單片機(jī)為控制中心的控制電路主要包括有內(nèi)含控制程序的單片機(jī)系統(tǒng)(20)，其輸入端與焊接電弧電壓信號相連、輸出端與單片機(jī)系統(tǒng)相連的短路過渡頻率采集電路(19)，及其輸入端與單片機(jī)系統(tǒng)相連、其輸出端與焊接電源主電路相連的控制驅(qū)動電路(13)，其中，所述單片機(jī)系統(tǒng)(20)主要包括有采用常規(guī)連接的中央處理器CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元D/A、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元A/D、輸入輸出單元I/O、高速輸入單元HSI、脈沖寬度調(diào)制單元PWM、及必要的信號設(shè)定及外圍電路。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊機(jī)，其特征在于所述的控制驅(qū)動電路(13)中，采用一外環(huán)為電壓反饋、內(nèi)環(huán)為電流反饋的雙環(huán)反饋電路，它主要包括有電壓信號處理及采樣電路(21)、電流濾波放大電路(22)、電壓調(diào)節(jié)器(23)、電流調(diào)節(jié)器(24)及驅(qū)動電路(25)，電壓信號處理及采樣電路(21)的輸入端與電弧電壓信號相連、其輸出端與電壓調(diào)節(jié)器(23)相連，電流濾波放大電路(22)的輸入端與焊接電流信號相連、其輸出端與電流調(diào)節(jié)器(24)相連，電壓調(diào)節(jié)器(23)的另一輸入端還與單片機(jī)系統(tǒng)(20)相連，電流調(diào)節(jié)器(24)的輸出端通過驅(qū)動電路(25)與焊接電源主電路相連。
5．根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊機(jī)，其特征在于所述焊接電源主電路采用一以IGBT為功率開關(guān)器件的全橋逆變電路，它分別由整流電路(1)、濾波電路(2)、開關(guān)功率器件(3)、中頻變壓器(4)、次級整流電路(5)、濾波電感電路(6)順次連接而成。
6．根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊機(jī)，其特征在于所述送絲電路采用電樞電壓負(fù)反饋的調(diào)節(jié)方式，它主要包括有送絲機(jī)(11)、送絲控制電路(12)及測速反饋電路(10)，送絲機(jī)(11)的輸出端與焊槍(8)相連、其輸入端與送絲控制電路(12)相連，測速反饋電路(10)的輸入端與送絲機(jī)電樞電壓相連、其輸出端與送絲控制電路(12)相連。
7．根據(jù)權(quán)利要求3所述的焊機(jī)，其特征在于所述的短路過渡頻率采集電路包括有分別由電阻R1、R2、電容C1、穩(wěn)壓管Z1構(gòu)成的濾波、穩(wěn)壓電路(26)，由施密特觸發(fā)器U1構(gòu)成的整形電路(27)，由或非門電路U2、時基電路U4、電阻R3、R4、電容C3、C4、二極管D2和可調(diào)電位器VR1構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)噪聲濾除電路(28)，及主要由晶體三極管G1、光耦U3和電阻R5、R6構(gòu)成的放大、隔離、取樣電路(29)，其中濾波、穩(wěn)壓電路(26)的輸入、輸出端分別接焊接電弧電壓輸出端及整形電路(27)的輸入端，整形電路(27)的輸出端分別接入單穩(wěn)態(tài)聲濾除電路(28)中或非門電路U2、時基電路U4的輸入端，或非門電路U2的另一輸入端與時基電路U4的輸出端相連，或非門電路U2的輸出端與放大、隔離、取樣電路(29)的輸入端相連。
全文摘要
一種協(xié)同式CO2焊短路過渡模糊控制方法及焊機(jī),其特征是,采用將參數(shù)匹配的協(xié)同控制和參數(shù)調(diào)節(jié)的模糊控制相結(jié)合的閉環(huán)控制方法,在實時檢測能夠反映焊接過程穩(wěn)定性的短路過渡頻率基礎(chǔ)上,以各焊接參數(shù)與短路過渡頻率之間的協(xié)同關(guān)系為依據(jù),對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理,以確定各參數(shù)的調(diào)整量并進(jìn)行實時調(diào)整,使短路過渡頻率在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定,確保各參數(shù)間的最佳匹配關(guān)系。本發(fā)明具有參數(shù)匹配性好、抗干擾能力強(qiáng)、焊接過程穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號B23K9/173GK1234306SQ99103518
公開日1999年11月10日 申請日期1999年4月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月2日
發(fā)明者殷樹言, 李西恭, 盧振洋, 王軍, 段紅海 申請人:北京工業(yè)大學(xué), 時代集團(tuán)公司