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数字化焊机发展概述 |
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作者：北京工业大学机电学院 殷树言 刘嘉 |
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21世纪计算机技术发展迅速，以DSP、MCU应用为特征的数字产品层出不穷。计算机技术正在向各个层面扩展、渗透，某种程度上已经改变了人类的生产、生活、娱乐、消费等方方面面的方式。从大的环境来看，数字化焊机的出现和发展是技术发展的必然结果。如何看待数字化焊机，如何迎接数字化焊机所带来的机遇和挑战，我想这些是我们今天应该思考的问题。
数字化焊机在国外的发展
单片机控制的焊接设备由来已久，但是数字化焊机真正的发展却是在国外。这不但体现在“数字化”这一概念的提出，我认为更体现在DSP的应用、更高频率的逆变器，根本上讲是其更完美的工艺性能。
数字化焊机的生产从开始的几家厂商，逐步为多数厂商所追捧，Fronius、Kemppi、EWM、OTC、松下等等。在日趋多样的数字化焊机中，尽管外形不尽相同，处理器型号和主电路形式千差万别，但是却存在着两方面共同的特点：DSP的应用和高频率的逆变器。在国外焊接设备厂商追求高速DSP运算能力和逆变器高频化的背后，我们不得不思考其真正的目的。与此同时，我们发现数字化焊机在走过其“宣传期”之后，更加注重对焊接电弧物理、焊接工艺的研究，在改进现有工艺的基础上，基于数字化焊机的新型焊接工艺方法研究成绩斐然。
很显然，数字化焊机与焊接工艺性能并不存在直接的联系。
数字化焊机的优越性
经过几年的资料汇总和实际的研究开发，我们认为数字化焊机的特点，体现在超强的控制能力和快速的响应性能这两个方面，正是这两方面的优势使其具备了更完美地控制焊接工艺过程的潜能。图1为北京工业大学研制的数字化焊机的总体框图，其它种类的数字化焊机在细节上不尽相同，但总体结构雷同。
图1 数字化焊机总体框图（北京工业大学）
应用DSP作为焊接工艺控制的核心处理器，首先其内部结构适于高速运算，有可能对焊接工艺过程进行快速的采样、判断，并进行实时的控制。其次，在DSP系统中，焊接工艺过程控制是以稳定的二进制运算来完成的，不受分立元件的影响，因此，焊机性能稳定，一致性好，焊接过程稳定。其三，在DSP系统中，焊接工艺过程控制体现在一定的控制软件和控制算法上，代替了大部分的硬件电路，这样不但简化的硬件的设计，同时更使得对焊接工艺过程的控制更加灵活。以往想到的，而又没有机会和办法实现的工艺控制想法，在数字化焊机平台上都可以进行尝试，而这种尝试不再需要长时间的电路设计和调试，只需要编写控制程序就可以开展工艺试验了。
数字化焊机另一个特点是其快速的响应性能。如果说DSP为数字化焊机插上了腾飞的翅膀的话，其快速的响应性能就是其飞翔的动力。我们注意到仅仅具备了DSP，数字化焊机的性能是得不到实质性的提高的。提高焊机的动态响应能力的方法有许多种，控制器上、输出电抗器上等等，但是根本上讲，我们认为还必须在提高逆变频率上做文章。
图2为PMIG焊接工艺中电流曲线和熔滴过渡的示意图。在PMIG焊接工艺中，峰值电流Ip通常较大，高于射流过渡的临界值，峰值电流时间tp又比较短，2～3ms不等。峰值电流期间的电弧能量对熔滴过渡起主导作用，因此，为了获得良好的、稳定的工艺效果，必须对Ip和tp严格控制。
图2 PMIG焊接工艺中电流曲线与熔滴过渡
图2仅以PMIG焊接工艺为例说明了控制精度和控制稳定性对于焊接工艺的影响。实际上，焊接工艺中需要这种高精度控制的场合很多，随着生产对焊接工艺要求的提高，数字化焊机的优势也会更加突出。
数字化焊机在中国
数字化焊机已经有了几年的销售历史了，目前以国外品牌为主，国内也已经有几家厂商可以自主地进行开发和生产。但是，总体上看数字化焊机影响力已经具备，但还远远没有成为市场的主流。
从国内的研究来看，数字化焊机的研制主要集中在北京工业大学、上海交通大学、华南理工大学、兰州理工大学等几所院校。
从多次技术交流的结果来看，我们认为国内数字化焊机的发展相当迅速，短短几年内，从无到有，焊机性能和水平不断提高。但是，产业化程度普遍偏低，难以形成足够的影响力。这与研究单位的性质有关，一种新产品除了技术层面的因素，产业化的因素不可忽略。以数字化焊机的控制软件开发为例，其中不但要体现焊接工艺研究的成果，还包含了程序设计、控制策略的选择和实施、通讯协议的制定等诸多因素。以有限的财力、人力、物力资源来看，发展是快速的，但是与市场的变化相比，我们感到压力巨大。
同时，与国际公司相比，中国企业自主技术开发能力较弱，低端焊接设备竞争的结果是利润极低。走“产学研”联合的道路是发展数字化焊机的上上之选。但是，与以往的技术进步相比较，数字化焊机的发展是一项系统工程，这其中不但涉及到DSP应用、逆变技术，更涉及到焊接工艺的每一个环节，如送丝系统、抗干扰措施、焊机的EMC设计、外观设计、通风设计等等。如何将技术资源整合，不单纯是研究单位的任务，更需要有识之士能借助资本的力量加以运作。焊接设备技术高科技化，其研究和制造必然走上高科技发展之路。高等院校和科研院所要发挥基础研究的优势，在DSP应用、焊接电弧物理、焊接工艺理论、电力电子技术等关键技术方面加大力度，企业应在整体设计、制造等方面发挥长处，把握好市场的脉搏。
展望
数字化焊机是计算机技术与焊接技术“熔合”的产物，其发展必然以服务于焊接生产为目的。当前，数字化焊机比较多地以相对独立的系统的形式存在，但是自动化焊接生产才是数字化焊机真正的用武之地。
其发展前景大体如下：
在机器人焊接系统中集成数字化焊机，利用其较强的数字通讯能力，发挥数字化焊机稳定的、优异的焊接工艺性能；
网络化焊接，将数字化焊机组成网络，工艺调试、质量监控和管理网络化；
柔性制造，数字化焊机将多种工艺集于一身，以其为基础组成的焊接加工系统具备一定的柔性，可以一定程度上满足不同材质、不同工件对焊接工艺的不同需要；
智能化，在数字化的基础上，要进一步研究焊接电弧物理和焊接工艺，在常规控制基础上要发展智能化。焊接操作是辛苦的，同时对操作技能依赖严重，只有发展自动化和智能化才可能根本上解决焊接生产中劳动力不足的问题。(end)
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(7/27/2005) |
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