波形控制二氧化碳焊单片微机系统的研究 - 文章

波形控制二氧化碳焊单片微机系统的研究

作者：华南理工大学张军红

欢迎访问e展厅
展厅 9	焊接设备/切割机展厅交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ...

摘要：针对CO2焊短弧焊飞溅大和焊缝成形差的缺点，设计了一套适合于波控的快速、高性能微机控制系统。可实现短路开始和缩颈形成时刻的快速、准确的检测，从而达到精确控制的目的。
关键词：单片微机系统；波控法；CO2焊

单片微机系统具有功能强、可靠性高、成本低等优点，所以在多干扰、复杂的焊接工艺系统中具有独特的应用价值。CO2短路过渡便是其中最为复杂的工艺方法之一。它在实际应用中存在飞溅大和焊缝成形不好的缺点，历来是国内外学者[1,～3]关注的焦点问题。采用模拟控制电路或是电子电路过于复杂，降低了系统的可靠性，或是对整个过程控制的一种折衷考虑。而微处理器系统可对每个阶段进行精确的有效控制。本文将就熔滴短路过渡的单片微机控制系统的特点、软硬件的配置、信号提取等方面加以研究和设计。

1 CO2焊熔滴短路过渡的机理及特点

短路过渡是在电压较低，弧长较短的时候发生的，是个周期性变化的过程。熔滴随着焊丝不断地送进，与熔池发生接触而短路，形成液桥；在表面张力和电磁收缩力的作用下，发生颈缩直至液桥破断；接着电弧又重新引燃，焊丝端部和母材在电弧燃烧热的作用下熔化；新的熔滴又开始形成。如此周期性地不断重复，便构成了熔滴短路过渡过程。

研究表明，熔滴短路过渡过程可分6段（见图1）。分别是：液桥形成段Ⅰ、颈缩段Ⅱ、液桥破断段Ⅲ、电弧重燃段Ⅳ、稳定燃烧段Ⅴ和燃弧后期段Ⅵ。其中影响此控制的关键技术是短路开始时刻（图1中1点）和颈缩时刻（图1中2点）的准确判断与快速控制。此问题的妥善解决将使飞溅量大大减少，有利于焊缝成形的改善。

经验表明，CO2焊短路过渡过程中又存在着许多随机现象。正常的控制会因这些干扰因素的存在而被打乱，从而失去其控制的有效性。

图1CO2焊波形控制法的理想波形

2 单片机应用系统

2.1 应用系统总体结构及单片机系统功能要求

与单片机系统相配套的还有主机、驱动电路、主电路、送丝机构，组成了一个完整的应用系统。整个应用系统的工作原理如图2所示。其中主电路采用IGBT全桥式逆变结构，主机用来监视焊接系统的运行参量和运行情况，完成参数设置。

图2 单片机应用系统的总体结构框图

本系统负责波控法有关信号量的检测和控制，经过其运算处理后的输出控制信号，通过PWM驱动电路对焊接主电路的输出进行闭环控制。

经确定单片机系统需完成的功能主要有以下4个方面：

（1）需有限流和过流保护功能；
（2）对颈缩段Ⅱ、电弧重燃段Ⅳ、稳定燃烧段Ⅴ及燃弧后期段Ⅵ等4个阶段进行相应的控制；
（3）通过对电弧物理现象的研究表明：CO2焊过程中的跳弧和燃弧时间过长等现象会引起电流过低，发生熄弧（见图3）.这样破坏了焊接过程的稳定性，所以应对电流最小值加以限制；
（4）实现短路开始时刻和颈缩时刻的准确判断与快速控制。

图3 跳弧现象

2.2系统软、硬件方案的选择

软、硬件方案的选择原则是：需要响应速度快的控制用硬件来完成；而对响应速度要求不高且要求对过程的不同阶段有较强适应性控制的由软件来实现；所需功能尽可能用软件来实现。

根据此原则对所需实现的控制作如下考虑：

（1）因过流而引起的器件的损坏是以极快的速度发生的，所以保护作用的功能用反应速度快的硬件实现，同时也防止微处理器失控时软件保护功能丧失；
（2）而对上述4个区段的控制是需要随规范的不同进行相应调整的，是应具有柔性控制特征的，因此利用控制器的软件来实现对它们的控制；
（3）对于电流最小值限制电路，考虑到减少CPU的占用时间而选用硬件来完成；
（4）图1中的1点的检测和快速控制是由软件实现的，因短路开始与否可通过焊接回路负载电压Uf值进行确定，软件可据此快速作出判定；图1中的2点发生时伴有电弧电压的突变现象的发生，见图4.即有du/dt的显著变化。考虑到靠软件来实现计算量大，这既增加CPU的占用时间又会因控制速度过慢而使控制失效。而用硬件可迅速完成该点的检测，且节约CPU大量的时间。但从图4可以看出，在其它情况下，如短路瞬时（图4的1点），瞬时短路段（T<2ms，图4的2点）时和燃弧段（Uf>15V）的跳弧时等，也有类似的突变信号存在，所以仅依此硬件难以对2点进行准确的判断。经观察这些干扰信号可通过软件予以排除。此子程序的流程图如图5b.这样利用硬件的高速性和软件智能化的优点共同完成该点的检测：即硬件完成电弧电压的微分电路和与某一门槛值的比较后输出一个中断信号，当CPU检测到此中断信号后，软件进行干扰识别，作出相应的反应。系统主程序流程图见图5a。

以上硬件由5部分组成：单片机系统、限流保护电路、过流保护电路、重燃弧微分检测电路和电流最小值限制电路。

图4 电弧电压及其微分函数波形图

图5 主程序及中断子程序流程图

2.3单片机系统的结构配置

在选用微处理器之前，首先确定运算精度。实践证明，对于CO2焊过程采用8位机，其电流分辨率达1.6A,电压达0.16V,可满足其精度的要求。所以选用8位机作为控制器。研究表明[4],熔滴短路过渡飞溅的可控频率很高。这不但要求弧焊电源有较高的响应速度，而且要求微处理控制系统也应提高速度完成定量的运算，以实现有效地控制。在8位51系列中，微处理器80C320具有新型的高速结构，它是最近几年才出现的一种高速微控制器。其运行时钟频率最高，可达25MHz;机器周期只为4个周期；消除空周期；而且具有可编程监视定时器，掉电复位等功能。单片机系统处理数据速度的提高还依赖于A/D、D/A的转换速度。为此本系统采用8通道高速A/DMAX118,此芯片可实现信号的迅速转换，每个通道的转换时间是660ns.D/A则是有两路输出的TLC5528,其转换速度可达10M.单片机系统的结构框图如图6所示。

图6 单片机系统的结构框图

3 结论

（1）通过对短路过渡各阶段分析，提取了短路和颈缩形成时刻的特征信息。在此基础上进行了系统硬件结构和软件设计。
（2）设计的CO2焊微机控制系统具有快速、功能强的特点。可满足波控法CO2焊的要求。

参考文献：
[1]Elliottk Stava.A New Low-Spatter Arc WeldingMa-chine：25～29.
[2]殷树言．波形控制的CO2焊接[J].焊接,1987(8):1～4
[3]韩赞东．短路过渡CO2焊接波形的研究[J].焊接,1997(1):6～8
[4]Yamamoto H,Harada S,Ueyama T.Improved Cuontrol Makes Inverters the Power Sources of Choice [J].Welding Journal,1997,76(2):47～49(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/23/2008)


您的位置：首页 > 机床与金属加工设备展区 > 焊接设备/切割机展厅 > 产品库 > 技术论文 > 正文	产品库会展人才帮助 \| 注册登录