山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t h ec h a r a c t e r i s t i c ，h i s t o r y ，a c t u a l i t ya n df o r e g r o u n do fs u b m e r g e d a r cw e l d i n ga r ei n t r o d u c e di nt h ei n t r o d u c t i o np a r to ft h i sp a p e r i t a n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fa n a l o gc i r c u i tc o n t r o l s y s t e ma n dd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，p o i n to u tt h a td i g i t a li st h ed i r e c t i o n i th a sa na n a l y s i so nt h ep r o c e s so fs u b m e r g e da r cw e l d i n ga n dc o n t r o l s y s t e m ，d is c u s s e st h et h e o r ya n dr e a s o no fc h a n g e s p e e dw i r e f e e ds y s t e m ， a n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r i c a la r c ，o f f e rt h et h e o r yf o rt h e d e s i g no fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo ft h es u b m e r g e da r cw e l d i n g a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m so ft b ob i gb o d y ，c o m p l e xc o n t r o lc i r c u i t a n db a dr e l i a b i l i t y ，i td e s i g nc o n t r o ls y s t e mo fm i c r o p r o c e s s o ra n df p g a 。 b a s e do na n a l o gc o n t r o ls y s t e mb e c a u s et h eu n if o r m i t yo fw i r e f e e ds p e e d a f f e c t sw e l d i n gp r o c e s st ob es t a b l ea n dw e l dj o i n tq u a l i t yd i r e c t l y g o o d c o n t r o ls y s t e mo ft h ew i r e f e e ds p e e di sp r e c o n d i t i o no fr e a l i z eh i g h g r a d ew e l d t h i sa r t i c l ed e s i g naf u z z yc o n t r o l l e rb a s e do nt h ev h d l l a n g u a g e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i ca r cs p e c i a l l y i t i su s e dt oa d j u s tt h ew i r e f e e ds p e e d ，i no r d e rt om a k et h ee l e c t r i c a l a r cs t a b l e t h es p e e do ft h ec a ra d j u s t sb yt h ec l o s e d l o o pc o n t r 0 1 t h e p w mp u l s ed r i v e st h em o t o rp r o d u c e db yd i g i t a lp i t od e s i g n e dt h ew e l d i n g p r o g r a mw i t ht h ev h d ll a n g u a g e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e f l o ww i t ht h es u b m e r g e da r cw e l d i n g ，t or e a l i z et h ee n t i r ec o n t r o lo f w e l d i n gp r o c e s sa n da l lk i n d so fp r o t e c t i o nf u n c t i o n s e l e c t r o a g n e t i s md i s t u r b a n c e sa r ei n e v i t a b l ei nd i g i t a lc o n t r o l s y s t e m r e l i a b i l i t ya n dn o i s er e s i s t a n c ed e s i g n sa r ea l s oc o v e r e di n c o n t r o lc i r c u i ta n ds o f t w a r e t h er e a s o n so fd i s t u r b a n c ea r ea n a l y z e d ， a n ds o m eh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e a s u r e sa r ea d o p t e di nc h a r td e s i g n ，p c b m a k i n ga n dp r o g r a m d oa ne x p e r i m e n to nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h isp a p e r ，t h ee x p e r i m e n t r e s u lt si n d i c a t e s ：i tc a nm e e tt h er e q u e s to fp o w e rs o u r c ea n dp r o c e s s h 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o n t r o lo fs a w a n dt h ec o n t r o ls y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e c i r c u i t ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，s t r o n ga n t 卜i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ， i n t e l l i g i b l e m a n m a c h i n e d i a l o g u e a n dr e l i a b l e p e r f o r m a n c e i th a s i m p r o v e dc o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo ft h ew e l d e ra n da u t o m a t i cd e g r e e t h ed i g it a lc o n t r o ls y s t e mo f t h i sp a p e ru s e st h ed e s i g no fm i c r o c o n t r o l i e ra n df p g a i td i s p l a y st h ec o n t r o la b i l i t yo fm i c r oc o n t r o l l e r a n dl o g i ca b i l i t yo ff p g a t h ew e l d i n gm a c h i n eh a s t h eg o o do u t p u t c h a r a c t e r i s t i ca n di tc a na d j u s tb yt h er e q u e s t i tc a nr e a l i z en o n l i n e a r c o n t r o la n ds a t i s f ys u b m e r g e da r cw e l d i n ga n dh a n d a r cw e l d i n g t h eo u t p u t c h a r a c t e r is t i c ，w i r e f e e ds p e e da n dw e l d i n gs p e e do ft h ed i g i t a lc o n t r o l w e l d i n gm a c h i n ea r ec o n t r o lb yd i g i t a lc o n t r o la r i t h m e t i c t h ep r o c e s s o fs t a r t a r c ，w e l d i n ga n ds t o p a r ca r ec o n t r o l l e db ys o f t w a r e t h ea r c i ss t e a d ya n dt h eq u a l i t yo fw e l d i n gi sg o o d a n dt h a t ，t h ew e l d i n gm a c h i n e h a s t h ef u n c t i o n so fd a t am e m o r ya n dt r o u b l ed i a g n o s e d k e yw o r d s ：s u b m e r g e da r cw e l d i n g ，m i c r o p r o c e s s o r ， f p g a ， f u z z yc o n t r o l ， d i g i t a lp i i i i 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科研成果。對(duì)本文的研 究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：盤盔經(jīng) 日期：2 超：型 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意 學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許 論文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手 段保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：糊導(dǎo)師簽名：j 2 絲l 日期：五墜幽 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 埋弧焊簡述 埋弧焊是電弧在焊劑層下燃燒進(jìn)行焊接的一種方法，它是利用焊絲與焊件之 間在焊劑層下燃燒的電弧產(chǎn)生熱量，熔化焊絲、焊劑和母材金屬而形成焊縫，連 接被焊工件。在埋弧焊中，顆粒狀焊劑對(duì)電弧和焊接區(qū)起保護(hù)和合金化作用，焊 絲是填充金屬。 埋弧焊產(chǎn)生于1 9 3 5 年，到上世紀(jì)5 0 年代在我國開始應(yīng)用。埋弧自動(dòng)焊與其他 焊接方法相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：( 1 ) 焊接電流大，生產(chǎn)效率高。在焊接時(shí)，焊絲 從導(dǎo)電嘴伸出長度小，可以大大提高焊接電流，因此熔透能力和焊絲熔敷率得到 很大提高；另外由于焊劑和熔渣的隔熱作用，電弧散熱少、飛濺小，熱效率高， 可以提高焊接速度。( 2 ) 焊縫質(zhì)量高。埋弧焊時(shí)，焊劑和熔渣能有效地保護(hù)熔 池，并可以降低熔池的冷卻速度，從而可以提高焊縫的力學(xué)性能。( 3 ) 節(jié)省焊 接材料和能源。較厚的焊件不開坡口也能焊透，省去開坡口和填充坡口所需的能 源和時(shí)間。( 4 ) 勞動(dòng)條件好。焊接過程的機(jī)械化和自動(dòng)化使得焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度 大大降低，有害氣體少而且沒有弧光的有害作用，很好地改善了焊工的勞動(dòng)條件。 ( 5 ) 焊接范圍廣。可焊接碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、耐熱鋼及復(fù)合鋼材等， 也可用于鎳基合金、銅合金焊接及耐磨耐蝕合金堆焊。而且埋弧焊的自動(dòng)化程度 高，尤其適用于焊接中厚板結(jié)構(gòu)的長焊縫。因此埋弧焊在造船、鍋爐、化工容器、 鋼構(gòu)建筑、橋梁、起重機(jī)械及冶金機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用非常廣泛?！?。 在焊接領(lǐng)域，埋弧焊技術(shù)相對(duì)其他自動(dòng)焊技術(shù)是比較成熟的技術(shù)。埋弧焊接 工作過程需要焊接電源、控制系統(tǒng)和工裝配合等幾方面協(xié)調(diào)工作才能順利進(jìn)行， 弧焊電源控制系統(tǒng)的研究和發(fā)展是埋弧焊接發(fā)展的必要條件?；『改孀冸娫淳哂?體積小、重量輕、動(dòng)特性好、調(diào)節(jié)速度快和節(jié)約能源等優(yōu)勢，成為焊接電源的一 個(gè)重要發(fā)展方向，研究和發(fā)展逆變埋弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)于焊接領(lǐng)域的發(fā)展和相 關(guān)工業(yè)的發(fā)展都具有重要的意義”3 。 1 2 數(shù)字化焊接技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 數(shù)字化焊接技術(shù)是指用計(jì)算機(jī)技術(shù)來控制焊接設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使其滿足和 】 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 達(dá)到焊接工藝所提出的要求，以得到合格的焊縫。它的數(shù)字化控制電路由專用集 成電路a s i c 、數(shù)字信號(hào)處理器d s p 以及復(fù)雜可編程邏輯器件c p l d 、現(xiàn)場可編程門 陣歹u f p g a 構(gòu)成，通過程序軟件調(diào)整控制方案，實(shí)現(xiàn)多種控制策略，控制電弧特性 可以得到意想不到的焊接性能。 一 雖然c p l d f p g a 和d s p 的應(yīng)用處于起步階段，但是數(shù)字系統(tǒng)本身具有的優(yōu)勢 和現(xiàn)有數(shù)字化焊機(jī)的特點(diǎn)，已經(jīng)使焊機(jī)數(shù)字化成為焊機(jī)控制的發(fā)展趨勢。數(shù)字化 焊機(jī)的優(yōu)點(diǎn)可以歸納為以下幾點(diǎn)：( 1 ) 容易實(shí)現(xiàn)非線性控制。由于模擬電路很 難實(shí)現(xiàn)非線性控制，數(shù)字化控制系統(tǒng)的這一優(yōu)勢就顯得尤為突出。( 2 ) 實(shí)現(xiàn)了 柔性化控制和多功能集成。系統(tǒng)的控制策略通過軟件的形式加以實(shí)現(xiàn)，有利于進(jìn) 行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和多功能集成。( 3 ) 控制精度高，穩(wěn)定性好。數(shù)字化控 制系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度和噪聲的影響較小，可靠性高。( 4 ) 產(chǎn)品的一致性好。模擬控制系統(tǒng)的性能受元件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù) 字系統(tǒng)基本上不受影響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn)。( 5 ) 接 口兼容性好。由于數(shù)字化焊機(jī)采用了單片機(jī)、c p l d f p g a 和d s p 等數(shù)字芯片，它 們與其他數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)和設(shè)備是相互兼容的，與這些系統(tǒng)接口來實(shí)現(xiàn)某 些功能要比模擬系統(tǒng)相對(duì)容易的多。( 6 ) 數(shù)字化控制使焊接電源具有很好的系 統(tǒng)靈活性。模擬系統(tǒng)的配置和增益是由阻容網(wǎng)絡(luò)硬件所決定的，一旦確定就很難 改變，而在數(shù)字化控制系統(tǒng)中，由于采用了數(shù)字系統(tǒng)的可編程芯片，設(shè)計(jì)人員可 以靈活方便地對(duì)軟件進(jìn)行修改和升級(jí)”。 電焊機(jī)的數(shù)字化主要包括三方面的內(nèi)容： ( 1 ) 主電路的數(shù)字化，即大量應(yīng)用的是i g b t 、m o s f e t 或雙極性晶體管式弧 焊逆變主電路，功率越來越大，相對(duì)體積越來越小，焊接電源的工作頻率有了很 大的提高，響應(yīng)速度也更快，焊機(jī)可以獲得更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。與此同時(shí)，功 率損耗大大減少，效率達(dá)到9 0 以上。自1 9 8 2 年瑞典e s a b 公司率先推出晶閘 管弧焊逆變器產(chǎn)品，美國的l i n c o l n 、m i l l e r 、p o w c o n 、芬蘭的k e m p p i 、瑞 士的e l t r o n 和日本的大坂變壓器公司等國際著名的焊接設(shè)備公司都相繼推出了 各自的弧焊逆變器產(chǎn)品。這也標(biāo)志著焊接電源主電路從模擬到數(shù)字化的跨越。 對(duì)于焊接專業(yè)領(lǐng)域來講，這是一項(xiàng)革命性的技術(shù)跨越。目前為止，主電路的發(fā)展 已經(jīng)比較成熟，逆變式焊機(jī)已在全國推廣使用0 1 。 2 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 控制電路的數(shù)字化，這方面的技術(shù)應(yīng)用發(fā)展非常迅速。就控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)而言，數(shù)字化焊接的控制部分由單片機(jī)，d s p ，c p l d f p g a 或者它們中的兩 種或幾種共同構(gòu)成，對(duì)給定信號(hào)、參數(shù)反饋進(jìn)行綜合處理與運(yùn)算、控制，達(dá)到焊 接電源的數(shù)字化、信息化、柔性化的控制。1 9 9 8 年奧地利f r o n i u s 全數(shù)字化焊 機(jī)進(jìn)入市場，標(biāo)志著控制電路數(shù)字化焊機(jī)的實(shí)用化，將傳統(tǒng)逆變焊機(jī)的模擬控制 發(fā)展為數(shù)字化控制，極大地提高了焊機(jī)對(duì)電弧的控制品質(zhì)。但是目前國內(nèi)數(shù)字化 焊接設(shè)備的研究基本處于實(shí)驗(yàn)室研究成果或中試階段，成功用于焊接生產(chǎn)示例的 較少?？刂齐娐窋?shù)字化是目前焊接技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，同樣也是本課題所研究的主 要內(nèi)容“1 。 ( 3 ) 人機(jī)接口技術(shù)。人機(jī)交互系統(tǒng)是人機(jī)最直接的操作界面，是操作者向 計(jì)算機(jī)輸入信息、發(fā)出指令及觀察現(xiàn)場參數(shù)和信息的窗口，具有友好性、靈活性、 功能性、明確性、一致性、可靠性等特點(diǎn)。國外已有焊機(jī)將液晶顯示和鍵盤操作 相結(jié)合，進(jìn)行焊接方法、焊接工藝參數(shù)設(shè)置和信息顯示等的人機(jī)交互過程。近些 年，焊機(jī)數(shù)字化技術(shù)發(fā)展越來越快，不斷的有更加先進(jìn)、功能更加強(qiáng)大的數(shù)字化 焊機(jī)推出，數(shù)字化的人機(jī)交互系統(tǒng)得到深入的開發(fā)，這是很值得重視的一個(gè)數(shù)字 化焊機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)向“2 ?！? 。 1 3 埋弧焊機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 與大多數(shù)焊機(jī)一樣，埋弧焊控制系統(tǒng)按其發(fā)展過程分為模擬電路控制和數(shù) 字電路控制。傳統(tǒng)的模擬電路控制系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)相當(dāng)成熟， 在目前使用的焊機(jī)中占有很大比例。但是，由于模擬電路的一些固有的缺點(diǎn)和 近幾年數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，模擬電路控制正在被數(shù)字控制技術(shù)取代。 1 3 1 國內(nèi)埋弧焊機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 目前，大多數(shù)國產(chǎn)埋弧焊機(jī)設(shè)備中核心的控制電路，仍使用簡單的分立元件、 集成電路組成，元件數(shù)目眾多，電路復(fù)雜，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，故障率高， 維修麻煩。而且模擬系統(tǒng)的配置和增益是由阻容網(wǎng)絡(luò)硬件所決定的，一旦確定就 很難改變。另外，由于元器件本身的缺點(diǎn)，溫度漂移、參數(shù)分散性等問題在模擬 電路中不可能消除，因此這種焊機(jī)只具備基本的控制功能，根本談不上智能化和 高性能。從控制方式上講，有的只是使用了簡單的比例閉環(huán)反饋，沒有使用p i d 3 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 或更復(fù)雜的模糊、模糊p i d 或?qū)＜铱刂频认冗M(jìn)算法，這就決定了其焊接效果不可 能很好。 少數(shù)處于國內(nèi)先進(jìn)水平的企業(yè)，其生產(chǎn)的埋弧焊機(jī)應(yīng)用了單片微處理器控 制，帶有液晶顯示界面，具有通訊接口。其主要特征就是單片機(jī)在焊機(jī)中的主要 作用是完成焊機(jī)的管理和焊接參數(shù)的給定，焊接工藝中的恒壓、恒流控制則通過 程序中的p i 算法來完成。更先進(jìn)的通過模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、傳感器、專家系統(tǒng)、 i c 卡、數(shù)字化控制對(duì)焊接電流進(jìn)行精細(xì)和智能調(diào)節(jié)，把焊接“粗活”做細(xì)、做精、 做快等等，科研水平已經(jīng)達(dá)到或接近國外先進(jìn)水平，但是在實(shí)際應(yīng)用上，很多并 沒有達(dá)到生產(chǎn)實(shí)用的水平，與國外相比差距很大。 1 3 2 國外埋弧焊機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 在國外，埋弧焊機(jī)數(shù)字化已經(jīng)達(dá)到了很高的水準(zhǔn)，微處理器控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，功能繁多，很多還使用t d s p ( 數(shù)字信號(hào)處理器) 技術(shù)，有的甚至使用了含 有該公司專利技術(shù)的芯片，以提高運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法；具有豐富的 人機(jī)對(duì)話功能，可以輸入很多焊接相關(guān)參數(shù)，并且可以保持很多組，根據(jù)各種不 同的場合，隨用隨調(diào)：帶有r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通訊接口，或以太網(wǎng)，可以與工作站進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換，方便工藝管理和操作。另一方面，可以與焊接專家系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)功 能更加強(qiáng)大、完善的焊接系統(tǒng)：焊接區(qū)域圖像傳感、c c d 焊縫自動(dòng)跟蹤、雙面埋 弧焊接等高科技日趨成熟。 1 4 課題研究背景 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和普及，數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)在諸如馬達(dá)控制、汽車 的a b s 系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從2 0 世紀(jì)9 0 年代末，奧地利f r o n i u s 全數(shù)字 化焊機(jī)進(jìn)入中國市場，拉開了國內(nèi)焊機(jī)數(shù)字化控制的序幕，數(shù)字化技術(shù)成為焊機(jī) 控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，也是現(xiàn)代焊接技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 近年來，隨著微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 和大規(guī)模專用集成電路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的 發(fā)展，使焊接電源設(shè)備與工藝的控制電路，已經(jīng)由過去的分立元件、簡單集成電 路發(fā)展到以單片機(jī)、工控機(jī)、d s p 和c p l d f p g a 為核心的數(shù)字化控制電路，即向 數(shù)字化方向發(fā)展。 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 微處理器即單片機(jī)，具有較強(qiáng)的事件處理能力，中斷、i l o 資源豐富，國內(nèi) 經(jīng)過2 0 多年的開發(fā)應(yīng)用，開發(fā)的軟件、硬件條件比較好，但是它的數(shù)據(jù)處理能 力較弱，在實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)處理量大系統(tǒng)應(yīng)用中難以勝任。 d s p 面向高性能、重復(fù)性、數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理：d s p 是在硬件、軟 件和指令集等方面經(jīng)過優(yōu)化適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的微控制器或微型計(jì)算機(jī)，在高速 實(shí)時(shí)應(yīng)用的場合，d s p 更能滿足大量、快速的運(yùn)算。 a s i c 是專i 1 為某一專門用戶或某一應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)制造的l s i 或v l s i 電路， 具有體積小、重量輕、功耗低、高性能、高可靠性和高保密性等優(yōu)點(diǎn)。a s i c 的 分類如圖1 1 所示“”： p r o m 圖1 ia s i c 的分類 半定制的a s i c 是在芯片上制作好一些具有通用性的單元元件和元件組的半 成品硬件，用戶僅需考慮電路邏輯功能和各功能模塊之間的合理連接即可。這種 設(shè)計(jì)方法靈活方便，性價(jià)比高，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了成品率。半定制a s i c 包括門陣列、標(biāo)準(zhǔn)單元和可編程邏輯器件三種。其中最常用的是c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 與f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 器 件。 ( 1 ) 復(fù)雜的可編程邏輯器件c p l d c p l d 是2 0 世紀(jì)8 0 年代末l a t t i c e 公司提出了在線可編程( i s p ，i ns y s t e m 5 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 p r o g r a m m a b i l i t y ) 技術(shù)以后于2 0 世紀(jì)9 0 年代初出現(xiàn)的。c p l d 采用e 2 c m o s 工藝 制作，包含至少三種結(jié)構(gòu)；可編程邏輯宏單元、可編程i o 單元和可編程內(nèi)部連 線。典型器件有a l t e r a 的m a x 7 0 0 0 系列，x i l i n x 的7 0 0 0 和9 5 0 0 系列，l a t t i c e 的p l s i i s p l s l 系列和a m d 的m a c h 系列。 ( 2 ) 現(xiàn)場可編程邏輯器件f p g a f p g a 器件是x i l i n x 公司1 9 8 5 年首家推出的，它是一種新型的高密度的p l d ， 采用c m o s s r a m 工藝制成。f p g a 的結(jié)構(gòu)與門陣列p l d 不同，其內(nèi)部有許多獨(dú)立 的可編程邏輯模塊( c l b ) 組成，邏輯塊之間可以靈活的相互連接。f p g a 的結(jié)構(gòu) 一般分為三部分：可編程邏輯塊、可編程i o 模塊和可編程內(nèi)部連線。c l b 的功 能很強(qiáng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯函數(shù)，還可以配置成r a m 等復(fù)雜的形式。配置數(shù)據(jù)存 放在片內(nèi)的s r a m 或者熔絲圖上，基于s r a m 的f p g a 器件工作前需要從芯片外部 加載配置數(shù)據(jù)。配置數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在片外的e p r o m 或者計(jì)算機(jī)上，設(shè)計(jì)人員可以 控制加載過程，在現(xiàn)場修改器件的邏輯功能，即所謂現(xiàn)場可編程。f p g a 出現(xiàn)后 受到電子設(shè)計(jì)工程師的普遍歡迎，發(fā)展十分迅速。x i l i n x 、a l t e r a 和a c t e l 等 公司都提供高性能的f p g a 芯片。 由于c p l d f p g a 善于處理邏輯信號(hào)，具有現(xiàn)場可編程的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)專用 集成電路，因此越來越受到硬件電路設(shè)計(jì)工程師們的青睞。 現(xiàn)代逆變式埋弧焊接電源具有控制周期短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能夠進(jìn)行精確控制 等優(yōu)勢，與數(shù)字化信號(hào)處理相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：一是使用數(shù)字化技術(shù)可以 解決焊接電源設(shè)備自身所存在的問題；二是用數(shù)字化技術(shù)提升它的功能和性能， 滿足先進(jìn)制造技術(shù)的需求“。 1 5 課題研究的意義 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，焊接領(lǐng)域正面臨著一次“數(shù)字化革命”。數(shù)字化焊機(jī) 的特點(diǎn)，主要體現(xiàn)在超強(qiáng)的控制能力和快速的響應(yīng)性能這兩個(gè)方面，正是這兩方 面的優(yōu)勢使其具備了更完美地控制焊接工藝過程的潛能。勿庸置疑，采用數(shù)字控 制技術(shù)，是埋弧自動(dòng)焊的發(fā)展趨勢，因此研制數(shù)控埋弧焊機(jī)具有很現(xiàn)實(shí)的意義“。 本課題所研究的埋弧焊機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)與f p g a 相結(jié)合的雙 機(jī)控制方案。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)置、焊接參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、電壓和電流采樣等； f p g a 主要負(fù)責(zé)故障判斷、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和焊接過程控制。采用此控制方案的焊機(jī)具 6 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 有良好的輸出特性，可以實(shí)現(xiàn)非線性控制，滿足埋弧焊、手工焊等工藝要求，實(shí) 現(xiàn)一機(jī)多用。送絲速度由模糊算法進(jìn)行控制，走車速度采用數(shù)字p i 進(jìn)行閉環(huán)調(diào) 節(jié)，引弧、焊接和收弧過程完全由軟件控制，具有電弧穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好等特點(diǎn)， 而且還具有焊接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和故障自診斷功能。 高速、高效、優(yōu)質(zhì)和自動(dòng)化、智能化是現(xiàn)代焊接技術(shù)的主要發(fā)展方向，而研 發(fā)和推廣應(yīng)用數(shù)字化焊機(jī)是它的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化焊接工藝的重要標(biāo)志。 1 6 本論文主要研究內(nèi)容 ( 1 ) 通過對(duì)國內(nèi)外數(shù)字化焊接技術(shù)、焊接過程控制以及埋弧焊控制系統(tǒng)研 究現(xiàn)狀的分析，針對(duì)目前國內(nèi)埋弧焊電源及過程控制存在的問題，確定本控制系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 ( 2 ) 對(duì)傳統(tǒng)埋弧焊機(jī)模擬控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)，針對(duì)焊接電源、埋弧 焊工藝要求及送絲、小車行走裝置，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)和f p g a 的數(shù)字化埋弧焊 控制系統(tǒng)。 ( 3 ) 依據(jù)相關(guān)的電弧控制理論，結(jié)合埋弧焊接過程，設(shè)計(jì)基于f p g a 的模糊 控制器用于送絲速度的調(diào)節(jié)，用v h d l 語言編寫程序；設(shè)計(jì)基于f p g a 的數(shù)字p i 調(diào)節(jié)器，用于行車速度閉環(huán)調(diào)節(jié)。 ( 4 ) 繪制埋弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)軟件流程圖，用v h d l 語言編寫程序。 ( 5 ) 設(shè)計(jì)多種抗干擾措施，提高逆變埋弧焊機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的抗干擾性能， 保證控制系統(tǒng)能夠在復(fù)雜的環(huán)境中正常工作。 ( 6 ) 對(duì)改進(jìn)后的埋弧焊機(jī)進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的工作情況。 7 ，-l 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章埋弧焊工作原理及控制系統(tǒng)分析 2 1 埋弧焊接原理分析 埋弧焊以連續(xù)送進(jìn)的焊絲作為電極和填充金屬。焊接時(shí)，在焊接區(qū)的上面覆 蓋一層顆粒狀的焊劑，電弧在焊劑層下燃燒，將焊絲端部和局部母材熔化，形成 焊縫。埋弧焊實(shí)施過程如圖2 1 所示，它由四個(gè)部分組成：( 1 ) 焊接電源接在導(dǎo) 電嘴和工件之間來產(chǎn)生電?。? 2 ) 焊絲由焊絲盤經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)和導(dǎo)電嘴送入焊接區(qū)； ( 3 ) 顆粒狀焊劑由焊劑漏斗經(jīng)軟管均勻地堆敷在焊縫接口區(qū)：( 4 ) 焊絲及送絲 機(jī)構(gòu)、焊劑漏斗和控制箱等通常裝在焊接小車上以實(shí)現(xiàn)焊接電弧的移動(dòng)o 。 母材 圖2 1 埋弧焊接過程示意圖 在電弧熱的作用下，一部分焊劑熔化成熔渣并與液體金屬發(fā)生冶金反應(yīng)。熔 渣浮在金屬熔池的表面，一方面可以保護(hù)焊縫金屬，防止空氣污染，并與熔化金 屬發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，改善焊縫金屬的成分和性能：另一方面還可以使焊縫金屬 緩慢冷卻。 9 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 埋弧焊焊縫成形過程如圖2 2 所示。埋弧焊時(shí)連續(xù)送進(jìn)的焊絲在一層可熔化 的顆粒狀焊劑覆蓋下引燃電弧。當(dāng)電弧熱使焊絲、母材和焊劑熔化以致部分蒸發(fā) 后，在電弧區(qū)便由金屬和焊劑蒸氣構(gòu)成一個(gè)空腔，電弧就在這個(gè)空腔內(nèi)穩(wěn)定燃燒。 空腔底部是熔化的焊絲和母材形成的金屬熔池，頂部是熔融焊劑形成的熔渣。電 弧附近的熔池在電弧力的作用下處于高速紊流狀態(tài)，氣泡快速溢出熔池表面，熔 池金屬受熔渣和焊劑蒸氣的保護(hù)下不與空氣接觸。隨著電弧向前移動(dòng)，電弧力將 液態(tài)金屬推向后方并逐漸冷卻凝固成焊縫，熔渣則凝固成渣殼覆蓋在焊縫表面。 焊接時(shí)焊絲連續(xù)不斷地送進(jìn)，其端部在電弧熱的作用下不斷地熔化，焊絲送進(jìn)速 度和熔化速度相互平衡，以保持焊接過程的穩(wěn)定進(jìn)行。 母材電弧 圖2 2 埋弧焊電弧和焊縫形成示意圖 焊接電弧是焊接電源的負(fù)載，對(duì)焊接電源控制的最終目的是控制焊接電弧， 使其在合適的規(guī)范參數(shù)下，穩(wěn)定燃燒，得到高質(zhì)量的焊縫。 2 2 焊接電弧特性分析 2 2 1 焊接電弧的靜特性“” 一定長度的電弧在穩(wěn)定狀態(tài)下，電弧電壓與電弧電流0 之間的關(guān)系，稱 為焊接電弧的靜態(tài)伏安特性，可表示為： = f ( i i ) ( 2 1 ) 焊接電弧是非線性負(fù)載，即電弧兩端電壓與電弧電流之間不成正比關(guān)系。 當(dāng)電弧電流從小到大變化時(shí)，焊接電弧的靜特性呈u 形曲線，如圖2 3 所示。 1 0 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 o 圖2 3 電弧靜特性曲線示意圖 u 形靜特性曲線可分為a 、b 、c 三段。在a 段，電弧電壓隨電流的增加而下降， 是下降特性段：在b 段，電弧電壓不隨電流的增加而變化，是平特性段；在c 段， 電弧電壓隨電流的增加而上升，是上升特性段。 當(dāng)兩電極之間產(chǎn)生電弧放電時(shí)，在電弧長度方向上的電場強(qiáng)度是不均勻的， 圖2 4 是沿電弧長度方向?qū)崪y的電壓分布。 ，一一 陰極一 電弧 陽極+ 、一 一一 么單i 批0 f iu kl 陰極區(qū)弧柱區(qū) 陽極區(qū) 圖2 4 電弧電壓分布圖 電弧與電源正極所接的一端稱陽極區(qū)，與負(fù)極相連的一端稱陰極區(qū)。陰極區(qū) 與陽極區(qū)之間的部分稱為弧柱區(qū)，或稱正柱區(qū)、電弧等離子區(qū)。陰極區(qū)的寬度僅 約l o 一1 0 “c m ，而陽極區(qū)的寬度僅約1 0 。1 0 。c m ，因此，電弧長度近似等于弧 柱長度。沿著電弧長度方向的電位分布是不均勻的。在陰極區(qū)和陽極區(qū)，電位分 布曲線的斜率很大，而在弧柱區(qū)電位分布曲線則較平緩，可認(rèn)為是線性的，如圖 2 4 。這三個(gè)區(qū)的電壓降分別稱為陰極壓降鞏、陽極壓降u 。和弧柱壓降u ：。它 們組成了總的電弧電壓u ，可表示為： u ，= u t + u 。+ u ： ( 2 2 ) 】1 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 由于陽極壓降基本不變( 可視為衡定) ；而陰極壓降在一定條件下( 電弧電 流、電極材料和氣體介質(zhì)等) 基本上也是固定數(shù)值：弧柱壓降在一定氣體介質(zhì)下 與弧柱長度成正比。 在陽極區(qū)，陽極電壓基本上與電流無關(guān)，焊接電弧靜特性曲線為一水平線， 如圖2 5 所示u 。曲線。在陰極區(qū)，當(dāng)電弧電流較小時(shí)陰極斑點(diǎn)的面積s 小于電 極端部的面積。這時(shí)，s 隨焊接電流增加而增大，陰極斑點(diǎn)上的電流密度 工= l y s 基本上不變。即陰極的電場強(qiáng)度不變，因而以也不變，此時(shí)以波形 為一水平直線。n t 陰極斑點(diǎn)面積和電極端部面積相等時(shí)，繼續(xù)增加，則s t 不 能再擴(kuò)張，于是上就隨著變大，就造成陰極壓降上升，以加劇陰極的電子發(fā)射， 陰極壓降以的變化曲線如圖2 5 所示。 1 2 0 1u j 。 十 d ， j 斗 。1 血l 一 u 。 己，。 圖2 5 電弧各區(qū)域電壓與焊接電流關(guān)系圖 在弧柱區(qū)，可以把弧柱看成一個(gè)近似均勻的導(dǎo)體，其壓降可表示為： u z = i f r z = ir 最吐爭( 2 - - 3 ) 式中： r ，一弧柱電阻： 弧長： s ，一弧柱截面積； 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 y ：一弧柱的電導(dǎo)率 ：一弧柱中的電流密度。 由此可見，弧長一定時(shí)，u ：與，：和以有關(guān)?？砂? ，：與，的關(guān)系曲線分為 a b 、b c 、c d 三段來分析，見圖2 5 所示。 a b 段：電弧電流較小，s ：隨，的增加而擴(kuò)大，而且s ；擴(kuò)大較快，_ ，：越低。 同時(shí)，s 增加使弧柱溫度和電離度均增高，因而兒增大。由式( 2 - - 8 ) 可知， 隨著止的減小或以的增大，都會(huì)使u ：下降，使a b 段呈下降趨勢a b c 段：電弧電流中等大小時(shí)，s ：隨，成比例的增大，_ ，：基本不變，此時(shí)，； ， 不再隨溫度增加而增加，故u ：= ：三! z 常數(shù)，b c 段呈水平趨勢。 ，z c d 段：此時(shí)電流很大，隨著，的增加，以仍基本不變，t 不再擴(kuò)大，：隨 著，的增加而增加，所以u(píng) ：隨，的增加而上升。c d 段呈上升趨勢。 由上面的分析，將u 、u 。、u ：迭加起來，就形成如圖2 5 所示u ，曲線。 對(duì)于不同的焊接工藝，電弧的靜特性曲線是不同的，而且在其正常使用的范圍內(nèi)， 并不包括電弧靜特性曲線的所有部分。靜特性曲線的下降段由于電弧燃燒不穩(wěn)定 而很少采用。 2 2 2 焊接電弧的動(dòng)特性 電弧的靜態(tài)特性是在穩(wěn)定狀態(tài)下得到的，但在多數(shù)焊接過程中，焊接電流和 電壓都是工作在高速變動(dòng)狀態(tài)，所以電弧不總是處在穩(wěn)定狀態(tài)。焊接電弧的動(dòng)特 性是指在一定的弧長下，當(dāng)電弧電流快速變化時(shí)，電弧電壓和電流瞬時(shí)值的關(guān)系。 如圖2 6 所示，電流由a 點(diǎn)快速增加到d 點(diǎn)，當(dāng)電流增加到i 。時(shí)，由于熱慣 性作用，電流還沒有達(dá)到i 。時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的溫度。由于電弧空間溫度低，弧柱 導(dǎo)電性能差，陰極斑點(diǎn)和弧柱橫截面積增加較慢，維持電弧燃燒的電壓不能降到 b 點(diǎn)，而是高于b 點(diǎn)的b 。點(diǎn)，當(dāng)電流增加到i 。時(shí)，維持電弧燃燒的電壓降到c 點(diǎn)。依此類推，對(duì)應(yīng)于每一瞬間電弧電流的電弧電壓，不是曲線a b c d ，而是 a , b ，c d ，。也就是說，在電流增加的過程中，動(dòng)特性曲線上的電弧電壓比靜特性曲 】3 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 線上的電弧電壓要高；反之，當(dāng)電弧電流迅速減少時(shí)，由于熱慣性的影響，電弧 空間溫度來不及下降，此時(shí)，對(duì)應(yīng)于每一瞬間電弧電流的電弧電壓比靜特性曲線 上的電弧電壓要低，如圖2 6 中的曲線a 2 b ：c 。d ：。 u o 2 3 焊接電源的特性 圖2 6 電弧的動(dòng)特性曲線 2 3 1 弧焊電源的靜特性 在穩(wěn)定狀態(tài)下弧焊電源的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系曲線稱為弧焊電源的 靜特性，也稱為弧焊電源的外特性?；『鸽娫吹耐馓匦苑譃槠教匦院拖陆堤匦詢?大類，平特性又稱為恒壓特性，下降特性又分為緩降特性、陡降特性和垂降特性 三種，其中垂降特性又稱為恒流特性。如圖2 7 所示。通常情況下，氣體保護(hù)焊 電源采用平特性，而埋弧焊電源采用垂降特性。 1 4 圖2 7 各種弧焊電源外特性 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 2 弧焊電源的動(dòng)特性 弧焊電源的動(dòng)特性是指當(dāng)負(fù)載狀態(tài)發(fā)生瞬間變化時(shí)，電源的輸出電流與輸出 電壓的關(guān)系，用以表征電源對(duì)負(fù)載瞬間的反應(yīng)能力，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 一是對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)，如在利用自身調(diào)節(jié)作用的g m a w 焊接過程中，要求弧長 變化能夠引起電流的迅速變化；當(dāng)焊絲與焊接熔池短路時(shí)，要有合適的短路電流 上升率。二是對(duì)控制信號(hào)輸入要有足夠快的響應(yīng)速度，在逆變電源使用以前，由 于電源對(duì)控制信號(hào)的輸入響應(yīng)慢，通常只能采用在電源輸出端串連電感的方法調(diào) 節(jié)對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)，但是不能達(dá)到對(duì)焊接工程的最佳控制要求。如果電源對(duì)控 制信號(hào)的輸入有足夠高的響應(yīng)速度，則可以通過對(duì)反饋及給定量的控制，在其響 應(yīng)的速度范圍內(nèi)獲得任意的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，逆變式弧焊電源的應(yīng)用使改善焊接工 藝特性的控制難題得到了很好的解決。 2 4 焊接過程的弧長調(diào)節(jié) 電源外特性與電弧靜特性的交點(diǎn)為焊接過程中的靜態(tài)工作點(diǎn)，電弧電壓及焊 接電流是由靜態(tài)工作點(diǎn)確定的。凡是影響電源外特性曲線和電弧靜特性曲線位置 的干擾因素，都會(huì)影響到焊接電流和電弧電壓的穩(wěn)定性。這些干擾因素主要有： 弧長波動(dòng)、電弧氣氛的成分變化、網(wǎng)壓波動(dòng)等。其中，弧長波動(dòng)引起的干擾最為 嚴(yán)重。電弧之所以能夠持續(xù)燃燒，主要原因是在焊絲熔化過程中存在自動(dòng)調(diào)節(jié)過 程，弧長的自動(dòng)調(diào)節(jié)方式分為等速送絲調(diào)節(jié)系統(tǒng)的自身調(diào)節(jié)和變速送絲系統(tǒng)的電 弧電壓反饋調(diào)節(jié)“。 電弧自身調(diào)節(jié)適用于細(xì)絲，采用此調(diào)節(jié)方式時(shí)，焊絲以恒定的速度送進(jìn)，弧 長波動(dòng)時(shí)，熔化速度發(fā)生變化，依靠熔化速度的變化調(diào)節(jié)弧長，使其恢復(fù)到原來 的長度。 但是，在進(jìn)行粗絲焊接時(shí)，僅僅依靠電弧的自身調(diào)節(jié)作用是不夠的，需要依 靠外力來改變送絲速度，使弧長在受擾動(dòng)時(shí)“強(qiáng)迫”弧長恢復(fù)。由于電弧電壓能 夠間接反映出電弧長度而且又容易取出，因此，電弧強(qiáng)迫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般采用電 弧電壓u a 作為反饋的變速送絲調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其原理框圖如2 8 所示。 1 5 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 8 電弧電壓反饋送絲調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖 這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，電弧電壓采樣與給定值比較后的差值，經(jīng)過放大后 去控制送絲電機(jī)，通過調(diào)節(jié)送絲速度達(dá)到調(diào)節(jié)電弧長度的目的，具體調(diào)節(jié)過程如 圖2 9 所示。假設(shè)電弧的原始工作點(diǎn)為a 點(diǎn)，由于受到擾動(dòng)弧長升高，使工作點(diǎn) 變化到b 點(diǎn)，相應(yīng)的電弧電壓由u a 升高到u b ，這一變化反饋到系統(tǒng)中，送絲電 機(jī)就會(huì)加快送絲速度，使弧長降低，工作點(diǎn)又恢復(fù)到a 點(diǎn)。反之，如果擾動(dòng)使弧 長變低，工作點(diǎn)變化到c 點(diǎn)，送絲電機(jī)就會(huì)減緩送絲速度，使弧長升高，工作點(diǎn) 又回到a 點(diǎn)。 圖2 9 電弧強(qiáng)迫調(diào)節(jié)過程示意圖 2 5 埋弧焊控制系統(tǒng)分析 埋弧焊根據(jù)其行走機(jī)構(gòu)形式可分為焊車式、門架式、機(jī)床式和懸臂式幾種， 我們通常所說的埋弧焊是指帶有行走小車的焊車式埋弧自動(dòng)焊，本文所提到的埋 弧焊也是指這一種。焊車式埋弧自動(dòng)焊設(shè)備主要分為焊接電源和焊接小車，而焊 接小車包括送絲機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、焊頭調(diào)整機(jī)構(gòu)、控制箱、焊絲盤、焊劑漏斗等 幾部分。焊接電源與小車外部機(jī)構(gòu)連線如圖2 1 0 所示。 1 6 ， 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 1 0 埋弧焊電源與小車外部連線圖 埋弧自動(dòng)焊機(jī)的控制系統(tǒng)包括電源外特性控制、送絲和小車拖動(dòng)控制及焊接 過程的自動(dòng)控制。其中埋弧焊接自動(dòng)控制過程中包括引弧、焊接和熄弧三個(gè)階段， 三階段的動(dòng)作必須通過自動(dòng)控制系統(tǒng)來完成。 引弧一般有兩種方式，即劃擦引弧和反抽引弧，均是先使焊絲與焊件接觸短 路，然后自動(dòng)回抽焊絲或前移，引燃電弧。 電弧引燃后，要求焊機(jī)能自動(dòng)按預(yù)先選定的焊接工藝參數(shù)，如焊接電壓、焊 接電流、焊接速度等進(jìn)行焊接，并能夠保證這些參數(shù)在整個(gè)焊接過程中穩(wěn)定。 焊接即將結(jié)束時(shí)，要求焊機(jī)能先停止送絲，再切斷焊接電源，即熄弧，這樣 即能填滿弧坑，又可以防止焊絲與焊件粘住。 在這三個(gè)階段中，引弧和熄弧的自動(dòng)過程通過少量電路和軟件設(shè)計(jì)就可以實(shí) 現(xiàn)。而在焊接過程中，要保證焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定是十分困難和復(fù)雜的，因?yàn)閷?shí)際 焊接時(shí)，由于受到許多因素干擾工藝參數(shù)會(huì)不斷地發(fā)生變化。所以要分析影響焊 接質(zhì)量的因素，采取相應(yīng)的措施。焊接電流是直接影響焊縫成形的主要工藝參數(shù)， 在埋弧焊接過程中它的變化主要是弧長變化引起的，而弧長的變化受到很多因素 影響，如網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)、焊件表面起伏不平、焊接接頭坡c i 加工不規(guī)則，在焊道 上有定位焊等不平狀態(tài)，這些因素在焊接中是不可避免的，在焊接過程中保持弧 長穩(wěn)定是埋弧焊接自動(dòng)控制的關(guān)鍵，這要求焊接過程中出現(xiàn)干擾引起弧長變化 時(shí)，控制系統(tǒng)能及時(shí)調(diào)整，使弧長馬上恢復(fù)原來長度。 1 7 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 1 l 所示為應(yīng)用最廣泛的埋弧焊控制電路工作原理框圖，這種通用的小車 式埋弧焊機(jī)控制系統(tǒng)由送絲與行走驅(qū)動(dòng)控制、引弧和熄弧程序控制、電源輸出特 性控制等環(huán)節(jié)組成。 圖2 1 l 埋弧焊機(jī)控制電路工作原理圖 目| j i 所研究的埋弧焊控制系統(tǒng)中，單片機(jī)的應(yīng)用比較普遍，系統(tǒng)完成了參數(shù) 給定和程序管理的功能，在一元化控制和波形控制等方面發(fā)揮了很好的作用，但 是由于單片機(jī)運(yùn)算速度和存儲(chǔ)能力有限，在數(shù)據(jù)處理和p w m 控制方面受到一定限 制，其系統(tǒng)靈活性受到很大的影響，而且數(shù)據(jù)信號(hào)通訊能力得不到很好的發(fā)揮。 因此，數(shù)字化的優(yōu)勢并沒有在單片機(jī)控制的焊接逆變電源中完全得到體現(xiàn)。嚴(yán)格 的說，逆變焊機(jī)的單片機(jī)控制還不能算是真正的數(shù)字化控制，只能成為準(zhǔn)數(shù)字化 控制，屬于模擬電路控制和數(shù)字電路控制的一個(gè)過渡階段，它在性能上與真正的 數(shù)字化控制有著不少的差距。 2 ，6 本章小結(jié) 本章主要對(duì)埋弧焊接的原理進(jìn)行了介紹，并分析了焊接電弧靜特性和動(dòng)特 性。對(duì)變速送絲電弧控制系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)以及電弧控制進(jìn)行討論，對(duì)焊接電源 特性及其控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，為埋弧焊數(shù)字化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 1 8 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以高性能的單片機(jī)和f p g a 為核心構(gòu)成，對(duì)電源外特性、 送絲速度、行車速度和焊接過程實(shí)行軟件控制。單片機(jī)和f p g a 之間的數(shù)據(jù)交換采 用并口通訊，小車和焊機(jī)數(shù)據(jù)交換通過串行4 8 5 通訊實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的功能框圖 如圖3 1 所示。并且設(shè)計(jì)了基于f p g a 的模糊控制系統(tǒng)，模糊算法流程用v h d l 語言 編寫，通過電弧電壓反饋控制送絲速度，以獲得精確的焊接工作點(diǎn)控制。小車行 走速度由數(shù)字p i 調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)控制。并且對(duì)焊接過程中可能出現(xiàn)的過熱、環(huán)流、 頂絲等故障進(jìn)行檢測，確保焊接設(shè)備的安全及焊接過程順利進(jìn)行。 圖3 1 數(shù)字埋弧焊控制系統(tǒng)功能框圖 3 1 基于單片機(jī)j f n f p g a 控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) 整個(gè)控制系統(tǒng)由單片機(jī)和f p g a 雙機(jī)控制系統(tǒng)以及外圍電路組成，系統(tǒng)構(gòu)成原 理圖如圖3 2 所示?？刂葡到y(tǒng)以f p g a 和單片機(jī)構(gòu)成的雙機(jī)系統(tǒng)為核心。單片機(jī)的 主要功能有參數(shù)的預(yù)置、開關(guān)量的選擇、焊接過程參數(shù)顯示和a d 采樣等。從控 制的角度來看，f p g a 是主要的處理芯片，它的主要功能是負(fù)責(zé)送絲電機(jī)和走車電 機(jī)的驅(qū)動(dòng)，各種故障狀態(tài)的檢測和保護(hù)以