逆变技术在ＧＭＡＷ＿Ｐ焊系统中得到了越来越广泛的应用 ,采用ＩＧＢＴ(绝缘栅极晶体管 )作为功率器件来提高功率主电路的控制性和可靠性 ,应用微机进行焊接程序控制和焊接参数预处理提高焊机的操作性技术已经成熟<1> .目前 ,焊接过程的控制基本采用硬件控制 ,使控制电路变得复杂 ,不仅影响系统的可靠性 ,而且影响了系统的灵活性 ,不能随着实时焊接条件的变化而变化 ,即对焊接过程的适应性变差 ;而采用微机控制系统 ,同样的硬件支持下 ,通过软件控制焊接参数随着不同的焊接条件而变化 ,增加了系统的柔性和适应性 ,便于实现焊接过程的精确控制<2 > .文中采用ＤＡＬＬＡＳ公司的高速单片机 80Ｃ32 0构成的焊接系统可实现对ＧＭＡＷ＿Ｐ焊过程的精确控制 .1 系统的总体结构及工作原理焊接系统由ＩＧＢＴ逆变主电路、ＰＷＭ (脉宽调制 )控制电路、单片机控制系统和送丝电路组成 ,其系统结构如图 1所示 .其中ＩＧＢＴ逆变主电路提供整个系统焊接时所需的能量 ,采用全桥逆变方式 .单片机系统主要用于ＧＭＡＷ＿Ｐ焊程序控制、焊接规范参数的设定、焊接电流及电弧电压的控制 ,是整个系统的核心部分 .ＰＷＭ控制及ＩＧＢＴ驱动电路主要用于对ＩＧＢＴ逆变主电路的驱动信号进行控制 ,设定脉冲频率、宽度等 .送丝电路主要用于对送丝电机进行调速 ,使送丝电机可实现无级变速 ,实现送丝平稳 .图 1 ＧＭＡＷ＿Ｐ系统原理框图Ｆｉｇ .1 ＳｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅＧＭＡＷ＿Ｐｓｙｓｔｅｍ系统的基本工作原理 :通过给定电路输入给定参数Ｕｇ,Ｉｇ,如给定峰值电流、基值电流、峰值阈值电压、基值阈值电压、送丝速度和基值峰值时间等参数 ,焊接启动后 ,发出送气指令 ,然后是引弧指令 ,此时送丝速度从小到大递增 ,当电弧电压达到一定值时 ,进入正常的焊接程序 .在峰值阶段 ,电流采样值Ｉｆ 与峰值电流给定值相比较 ,实现脉冲电流 ;在基值阶段与基值给定值相比较实现基值电流 .在峰值阶段的电压采样值Ｕｆ 若大于峰值阈值电压 ,转向基值阶段 ;在基值阶段的电压采样值Ｕｆ 若小于基值阈值电压 ,转向峰值阶段 .也可实现其它特性 ,如在基值和峰值之间增加设定一中间值 (称为中值 ) .在焊接过程中送丝速度也可以随着焊接的条件改变而改变 .焊接关闭后微机发出收弧指令 ,进行收弧动作 (如送丝衰减、滞后送气等 ) .微机处于焊接结束状态 ,等待下一次指令 .2 控制电路的设计单片微机控制系统应满足以下要求 :(1)由于ＧＭＡＷ＿Ｐ焊熔滴过渡频率为 5 0～15 0Ｈｚ ,兼顾电流、电弧电压采样 ,将采集到的数据进行数据处理 ,以及快速输出电压Ｕｋ、送丝速度ｖｆ等 ,因此要求微处理器ＣＰＵ、Ａ/Ｄ转换器和Ｄ/Ａ转换器运行速度较高 ,而且要相互匹配 .程序储存器ＥＰＲＯＭ容量要大 ,而所要求的数据储存器较小 ;(2 )抗干扰能力强 .焊接是在一个强电磁场、强弧光以及很高的噪音环境下进行的 ,会对控制过程产生比较强的干扰 ,因此要求在硬件设计上抑制系统的绝大部分干扰 ,用作为硬件的辅助手段的软件方法加以补救 ;(3)在所能实现的功能情况下 ,尽量以软件代替硬件 ,节约成本 ,使性能价格比提高 .图 2 控制系统示意图Ｆｉｇ .2 Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ所设计单片微机控制系统的结构如图 2所示 .该控制系统以检测、运算和控制为主 ,要求实时性强、可靠性高和抗干扰能力强 .设计以高速、可靠性为原则 .该系统以高速微处理器 80Ｃ32 0为核心 ,外配一片 32ｋ的程序储存器ＥＰＲＯＭ 2 7Ｃ2 5 6及相关的译码器、锁存器、一片 8ｋ的数据储存器ＲＡＭ6 2 6 4、一片并行高速的 7通道 8位Ａ/Ｄ转换器ＭＡＸ118、一片高速的 2通道 8位Ｄ /Ａ转换器ＴＬＣ75 2 8.控制系统的快速响应由单片机、Ａ/Ｄ和Ｄ/Ａ的处理速度来保证 .系统分别在硬件设计和软件设计中采用了相应的抗干扰措施 ,使整个控制系统有较强的抗干扰能力 .ＧＭＡＷ＿Ｐ焊接时峰值电流最大为 4 0 0Ａ ;空载电压为 70Ｖ ,考虑到实际焊接时的电压最大为35Ｖ ,因此取最大电弧电压为 4 0Ｖ ,电压高于 4 0Ｖ可认为是空载电压 .选取微处理器时运算精度是首先考虑的因素 ,当选取 8位微处理机时 ,数字量 0 0Ｈ～ＦＦＨ对应焊接电流的 0～ 4 0 0Ａ ,对应电弧电压的 0～ 4 0Ｖ ,因此电流、电压的分辨率分别为 :电流的分辨率 =4 0 0 / 2 8=4 0 0 / 2 5 6 =1.6 (Ａ/ｂｉｔ)电压的分辨率 =4 0 / 2 8=4 0 / 2 5 6 =0 .16 (Ｖ/ｂｉｔ)从上面看出选择 8位微处理器是合理的 ,满足精度要求 .其主程序流程图如图 3所示 .图 3 主程序流程图Ｆｉｇ .3 Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍ3 实 验实验系统采用自制的ＩＧＢＴ逆变弧焊电源 ,其控制系统为单片机控制系统 ,配开关式送丝系统、行走机构、ＡＨ＿ＸＩＩ型汉诺威分析仪、电流表及电压表组成ＧＭＡＷ＿Ｐ焊实验系统 .汉诺威分析仪是对弧焊过程进行实时检测及分析的计算机辅助数据获得和处理系统 .通过对焊接过程的电弧电压、焊接电流波形的实时采集与数值统计的方法来判断焊接过程的稳定性及焊接质量<3> .实验条件如下 :送丝速度为 3.9ｍ /ｍｉｎ ,焊接小车行走速度为 8ｍ/ｈ ,导电嘴到工件距离为 18ｍｍ ,焊接材料为低碳钢 ,焊丝直径为 1.2ｍｍ ,保护气体为 95 %Ａｒ + 5 %ＣＯ2 .图 4 ＧＭＡＷ＿Ｐ焊系统输出波形图Ｆｉｇ .4 ＯｓｃｉｌｌｏｇｒａｍｓｏｆｔｈｅＧＭＡＷ＿Ｐｗｅｌｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ 图 4为系统的实际输出电流电压波形 .可以看出 ,通过软件的改变能实现焊接过程的输出波形的变化 ,并对系统的输出能量进行精确控制 ,同时提高了系统的适应能力 ,可实现高质量的ＧＭＡＷ＿Ｐ焊接过程 .4 结 论依据ＧＭＡＷ＿Ｐ焊过程电弧电压和焊接电流的精度要求以及熔滴过渡过程的速度要求 ,设计了以微处理器 80Ｃ32 0为核心的ＧＭＡＷ＿Ｐ焊接系统 ,系统结构紧凑 ,可调参数多 ,大量实验证明所设计的系统完全满足要求 ,可实现对ＧＭＡＷ＿Ｐ焊过程的精确控制微机控制逆变GMAW_P焊系统的研究@曾敏$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640
@曹彪$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640
@黄石生$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640
@蒙永民$金山电子深圳有限公司!广东深圳518008
@毛鹏军$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640逆变主电路;;GMAW_P焊;;单片机通过对GMAW_P焊过程的研究 ,设计了以单片机为核心的逆变GMAW_P焊系统 ,介绍了该系统的总体结构及其工作原理、控制电路的组成、控制精度的提高和系统控制软件 ,实验结果表明该系统具有系统结构简单、可调参数多的特点 ,可实现对GMAW_P焊过程的精确控制<1> 黄石生.逆变理论与弧焊逆变器
.北京:机械工业出版社,1995.
<2> 上山智之,仝红军.微机数控电流波形GMA脉冲焊机的控制方法及焊接性能.焊接,2000(5):33-38.
<3> 张晓囡,张军红,黄石生.实时监测焊接过程的新型分析仪.第八届全国焊接学术会 议II_XVII_015_97,北京:机械工业出版社,1997.439-441.国家自然科学基金资助项目(5 9875 0 2 0 ) ;;
广东省自然科学基金资助项目 (0 115 0 4 )樘跫缦?:送丝速度为 3.9ｍ /ｍｉｎ ,焊接小车行走速度为 8ｍ/ｈ ,导电嘴到工件距离为 18ｍｍ ,焊接材料为低碳钢 ,焊丝直径为 1.2ｍｍ ,保护气体为 95 %Ａｒ + 5 %ＣＯ2 .图 4 ＧＭＡＷ＿Ｐ焊系统输出波形图Ｆｉｇ .4 ＯｓｃｉｌｌｏｇｒａｍｓｏｆｔｈｅＧＭＡＷ＿Ｐｗｅｌｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ 图 4为系统的实际输出电流电压波形 .可以看出 ,通过软件的改变能实现焊接过程的输出波形的变化 ,并对系统的输出能量进行精确控制 ,同时提高了系统的适应能力 ,可实现高质量的ＧＭＡＷ＿Ｐ焊接过程 .4 结 论依据ＧＭＡＷ＿Ｐ焊过程电弧电压和焊接电流的精度要求以及熔滴过渡过程的速度要求 ,设计了以微处理器 80Ｃ32 0为核心的ＧＭＡＷ＿Ｐ焊接系统 ,系统结构紧凑 ,可调参数多 ,大量实验证明所设计的系统完全满足要求 ,可实现对ＧＭＡＷ＿Ｐ焊过程的精确控制微机控制逆变GMAW_P焊系统的研究@曾敏$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640
@曹彪$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640
@黄石生$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640
@蒙永民$金山电子深圳有限公司!广东深圳518008
@毛鹏军$华南理工大学机械工程学院!广东广州510640逆变主电路;;GMAW_P焊;;单片机通过对GMAW_P焊过程的研究 ,设计了以单片机为核心的逆变GMAW_P焊系统 ,介绍了该系统的总体结构及其工作原理、控制电路的组成、控制精度的提高和系统控制软件 ,实验结果表明该系统具有系统结构简单、可调参数多的特点 ,可实现对GMAW_P焊过程的精确控制<1> 黄石生.逆变理论与弧焊逆变器.北京:机械工业出版社,1995.
<2> 上山智之,仝红军.微机数控电流波形GMA脉冲焊机的控制方法及焊接性能.焊
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