众所周知， CO2短路过渡焊的电弧电压只有与焊接电流形成最优匹配后，熔滴过渡过程才较稳定，飞溅量才较少。短路过渡频率最高是获得这一最优匹配的标志。目前，一元化 (单旋钮比例 )控制法是实现这一匹配关系的方法之一。所谓一元化控制，就是通过大量焊接工艺试验来确定这两 个参数之间的匹配关系，在焊接电源上采用一个旋钮，在调节焊接电流同时按匹配关系也确定了电 弧电压。但它目前尚未真正实现单旋钮比例控制，还需在电源控制面板上特设电弧电压微调旋钮进 行必要的手动微调。另外，通过工艺试验建立匹配关系，不仅试验工作量很大，而且有很大局限性 ；焊接过程中焊接参数之间的耦合与干扰影响很大，匹配关系很难用精确的数学模型来描述。对此，研制了一种以实现最高短路过渡频率为目标的CO2焊电弧电压自寻优控制系统，可以不受焊丝直径、成分限制，真正实现以单旋钮调节为特征的一元化调节。 1电弧电压自寻优控制模式选择 在焊接电流恒定不变的条件下，电弧电压与短路过渡频率之间的关系如图 1所示。可以看出，从低电压开始随电弧电压的增加，短路过渡的频率增加，达到某一电压值时频率 达到最大值，然后又随电弧电压的增加而下降。在电弧电压允许取值范围内，总有一电弧电压对应 着最高短路过渡频率，频率对电弧电压呈单峰状。对电弧电压进行以实现最高短路过渡频率的寻优，实质是一个一维极值点寻优问题。 电弧电压自寻优分两阶段：先采用优选法 (0.618法 )寻优模式，目的是快速缩小寻优区间。在寻优区间缩小到一定程度后，采用变步长一维搜索法寻优模式，目的是避免较大幅度的振荡。由于优选法通过单片机的比较运算来确定优选点 (电弧电压 )，过多的计算会增加寻优时间，因此本系统只采用三次。经试验发现，优选法三次寻优后电弧电压已距最优电压很近了，正常情况下后继变步长寻优只需 1～ 2次。在优选法寻优过程中，由于寻优区间比较大，所以具有较强的抗干扰能力。 2电弧电压寻优程序设计 为寻优方便，将电压可能取值范围 <17 V， 26 V>划分成三个区段： <17 V， 19 V>， <19 V， 23 V>和 <23 V， 26 V>。首先选择 <19 V， 23 V>这一区段寻优，若发现寻优区段不合适，由所设计的程序保证寻优自动跳到相邻区段。寻优程序如图 2所示。优选法三次寻优后，选取短路频率较高的电压为变步长寻优起始点，进行变步长寻优。为确 定变步长寻优方向，应先在起始电压基础上给一个增量，比较它与起始点电压的短路过渡频率，若频率增加则说明寻优方向正确，下次寻优仍按电压增加方向寻优；若频率减少则说明寻优方向错了，下次寻优应按电压减少方向寻优。 寻优步长的选择依据频率误差绝对值的大小而定，绝对值大则说明目前电弧电压离最优电压 (频率最高 )尚远，下次寻优步长可大些；绝对值小则说明距离最优电压已不远，下次寻优步长可小些。按此方 法直到频率误差为零、当前寻优步长为零时停止，以实现最高短路频率为目标的电弧电压自寻优才 应结束，但考虑到焊接过程具有一定的随机性，即使焊接过程已处在最优匹配的电弧电压下，由于 测量干扰等原因也会使每次测量的短路频率值不一样，用频率误差为零作为自寻优结束的判据，实 际上是不可能的。为此，特设定最高频率允许偏差值ε作为自寻优结束的判据。如果连续两次测得的短路过渡频率误差小于ε，则认为电压自寻优过程已经稳定。 ε和变步长寻优最大步长的确定没有一个可以依据的标准。本系统进行反复试验，ε取± 3 Hz，最大步长取 0.35 V为宜。 3电弧电压自寻优控制试验 3.1试验条件 采用 NZC－ 500－ 1型 CO2焊机， ZPG2－ 500型硅弧焊整流器， d=1.2 mm， H08Mn2SiA焊丝，在板厚为 10 mm的低碳钢板上进行堆焊，焊接速度 58 cm/min， CO2气流量 16 L/min。 3.2电弧电压自寻优结果 焊接电流分别为 110， 160， 220 A，自寻优控制结果列于表 1。 试验结果表明，系统可在不同的焊接电流下对电弧电压进行自寻优，其寻优时间不超过 1.5 s。 3.3短路过渡频率的比较 试验电流从 110 A开始，每次增加 10 A，直到 220 A为止。对应每个试验电流，先按传统方法确定电弧电压，即电弧电压 {U}v=14＋ 0.05{I}A(I为试验焊接电流 )，焊接并记录短路过渡频率。然后，在这一试验电流下，利用所研制的自寻优控制系统焊接并记录相应短路过渡频率。图 3为控制前、后短路过渡频率的比较，可以看出经自寻优系统控制后的短路过渡频率比未加控制的要高一些。 图 3控制前、后短路过渡频率曲线 4结论 (1)以 16位 80C196KC数字单片机为核心器件，通过软件实现对电弧电压以获得最高短路频率为目标的自寻优控制系统，可以对焊接电流、电弧电压实现以单旋钮调节为特征的一元化控制。 (2)所研制的优选法与变步长相结合的电弧电压自寻优方法简单可行，寻优时间不超过 1.5 s，寻优速度较快。 (3)在电弧电压自寻优控制系统作用下，短路过渡焊接过程的频率要比不加控制条件的高一些。 基于最高短路频率的CO_2焊电压自寻优系统@王雅生$西安交通大学!陕西西安 710049
@张庆$西安交通大学!陕西西安 710049
@蔡洪能$西安交通大学!陕西西安 710049
控制系统;;
CO2焊;;电弧电压自寻优;;
短路过渡频率;;一元化调节介绍一种用 80C196KC数字单片机为核心器件，通过软件实现以最高短路过渡频率为目标的 CO2焊电弧电压自寻优控制系统。系统以焊接电流为唯一设定参数，对电弧电压进行优选法 (0.618法 )和变步长分段自动寻优。先采用优选法寻优以尽快缩小寻优区间 (尽快逼近寻优电压 )，在寻优区间缩小到一定程度后切换成变步长一维寻优，以避免在最优电压值附近产生振荡。寻优 后的电弧电压与焊接电流形成最优匹配，使熔滴过渡过程稳定，短路过渡频率最高。<1>中国科学院数学研究所运筹室优选法小组.优选法
.北京:科学出版社, 1975.
<2>孙涵芳 .INTEL16位单片机 .北京:航空航天大学出版社, 1995.!陕西西安 710049
@张庆$西安交通大学!陕西西安 710049
@蔡洪能$西安交通大学!陕西西安 710049控制系统;;CO2焊;;电弧电压自寻优;;短路过渡频率;;一元化调节介绍一种用 80C196KC数字单片机为核心器件，通过软件实现以最高短路过渡频率为目标的 CO2焊电弧电压自寻优控制系统。系统以焊接电流为唯一设定参数，对电弧电压进行优选法 (0.618法 )和变步长分段自动寻优。先采用优选法寻优以尽快缩小寻优区间 (尽快逼近寻优电压 )，在寻优区间缩小到一定程度后切换成变步长一维寻优，以避免在最优电压值附近产生振荡。寻优 后的电弧电压与焊接电流形成最优匹配，使熔滴过渡过程稳定，短路过渡频率最高。<1>中国科学院数学研究所运筹室优选法小组.优选法 .北京:科学出版社, 1975.
<2>孙涵芳 .INTEL16位单片机 .北京:航空航天大学出版社, 1995.
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