陳偉興，邱望標(biāo)，陳清偉，柴利達(dá)

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003）

0 引言

變極性等離子弧焊(簡(jiǎn)稱VPPAW) 即不對(duì)稱方波交流等離子弧焊,是一種針對(duì)鋁及其合金開發(fā)的新型高效焊接工藝方法，綜合了變極性TIG 焊和等離子焊的優(yōu)點(diǎn)。由于焊接變形小,生產(chǎn)率高,與其它高能束流焊接工藝相比,設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低且氣孔、夾渣等缺陷少,對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展具有很強(qiáng)的推動(dòng)作用。

1 數(shù)控變極性等離子弧焊中心的構(gòu)成

數(shù)控變極性等離子弧焊中心是一種實(shí)現(xiàn)非溶化極電弧焊工藝方法自動(dòng)化的焊接機(jī)器裝置，整個(gè)系統(tǒng)主要由變極性焊接電源、等離子發(fā)生器、等離子焊槍、等離子冷卻系統(tǒng)、工件夾持運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊槍運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣源控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)及常規(guī)電控系統(tǒng)等組成。

2 技術(shù)方案及技術(shù)路線

2.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 工件夾持運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)不同工件的形狀大小，工件夾持運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可為滾輪架、變位機(jī)或機(jī)床類結(jié)構(gòu)，作用是使工件在焊接過程中轉(zhuǎn)動(dòng)、變換角度和回轉(zhuǎn)等，以便工件與焊槍運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，達(dá)到焊接過程的自動(dòng)化工作。

圖1 柔性弧焊中心示意圖

2.1.2 焊槍運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

焊槍運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由XYZ軸，焊槍姿態(tài)調(diào)整等主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電弧自動(dòng)跟蹤（AVC）和電弧擺動(dòng)（OSC）等微動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，是整機(jī)完成復(fù)雜焊接過程的主要運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程均為數(shù)字化控制。

“支架”由Wood et al.(1976)提出，指學(xué)生在完成特定任務(wù)時(shí)教師給予的支持。在社會(huì)文化理論角度下，“支架”理論與最近發(fā)展區(qū)理論密切相關(guān)。

1）主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)：焊槍按編程完成運(yùn)動(dòng)軌跡的主體部分，主要由XYZ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和焊槍姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)兩部分組成。主要采用滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌部件，由步進(jìn)或伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)完成焊槍三維運(yùn)動(dòng)。焊槍姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式為單關(guān)節(jié)機(jī)械手，由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和傾仰機(jī)構(gòu)兩部分組成，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，完成焊槍的回轉(zhuǎn)、傾仰等不同姿態(tài)的調(diào)整，達(dá)到焊槍滿足不同位置焊縫的要求。

2）微動(dòng)機(jī)構(gòu)：是完成在焊接過程中電弧電壓自動(dòng)跟蹤（AVC）和電弧擺動(dòng)（OSC）的功能部件，其結(jié)構(gòu)形式為小型精密十字滑架，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊接過程中電弧的擺動(dòng)和電弧長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)。電弧電壓自動(dòng)跟蹤為閉環(huán)控制，根據(jù)弧長(zhǎng)的電壓信號(hào)，反饋調(diào)節(jié)上下微動(dòng)，以達(dá)到弧長(zhǎng)調(diào)節(jié)功能，保證焊接過程中弧長(zhǎng)的穩(wěn)定。

2.2 數(shù)控系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

多個(gè)DSP處理器同時(shí)應(yīng)用到一個(gè)系統(tǒng)中，用于一對(duì)一控制和監(jiān)視每個(gè)外設(shè)和傳感器。在焊接過程中，每個(gè)DSP處理器專注于一個(gè)外設(shè)，相互之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。系統(tǒng)控制器同時(shí)對(duì)所有DSP控制的外設(shè)進(jìn)行控制和監(jiān)視。

基于DSP的系統(tǒng)運(yùn)行速度快,集成了專為電機(jī)控制的脈寬調(diào)制(PWM)口和可以直接處理光電編碼器反饋信號(hào)的捕獲口,大大簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的可靠性。外圍電路主要由底層邏輯控制電路,傳感器信號(hào)調(diào)理電路,以及伺服驅(qū)動(dòng)電路和人機(jī)接口電路等組成,實(shí)現(xiàn)了空間多個(gè)自由度的全數(shù)字化控制。

各DSP模塊和實(shí)時(shí)處理器FPGA通過VME BUS總線連接并且DSP和FPGA在系統(tǒng)編程(ISP)的特點(diǎn),可以根據(jù)實(shí)時(shí)控制的需要,靈活更改電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制算法及電路的控制邏輯,使系統(tǒng)具有很大的靈活性和開放性。

系統(tǒng)選用MCU芯片作控制盒的CPU,主要負(fù)責(zé)各種參數(shù)的設(shè)定以及焊接過程中各種實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的顯示。焊接過程實(shí)際上是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾源,為保證通訊質(zhì)量,系統(tǒng)采用RS-485接口方式進(jìn)行通訊,并對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行屏蔽與隔離,大大降低了系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感度。

2.3 節(jié)能、等離子氣衰減的等離子發(fā)生器

等離子弧是TIG自由弧經(jīng)過強(qiáng)壓縮形成能量高度集中的電弧?；≈鶞囟雀撸附尤凵畲?，熱影響區(qū)窄，變形小，焊縫金屬性能好，質(zhì)量高。

等離子焊接系統(tǒng)主要由等離子弧焊電源，等離子弧發(fā)生器，等離子焊槍，循環(huán)冷卻水箱（冷卻水質(zhì)要求：去離子水或蒸餾水，絕緣電阻大于1MΩ/cm，否則難引?。庋b置和自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，一般采用自動(dòng)焊接。

采用海通PAC-300等離子弧發(fā)生器配有高新技術(shù)的電氣比例控制離子氣遞增衰減的裝置，與MILLER等多種恒流電源和國外等離子焊槍組成高檔次的等離子焊接系統(tǒng)。

2.4 變極性等離子控制器

變極性電源穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵是提高焊接電源本身的輸出穩(wěn)定性、快速進(jìn)行變極性動(dòng)作和采用高速控制系統(tǒng)抑制尖刺波。因此，采用具有快速響應(yīng)大功率IGBT直流電源、大功率IGBT極性切換橋和DSP高速控制器成為變極性焊接電源的核心技術(shù)和配置。

通過采用高速的DSP控制切換速度和電流輸出，即使輸出很低的變極性電流，仍然可以獲得穩(wěn)定的變極性電弧。變極性等離子焊接電源獨(dú)特的VPM功能，將允許系統(tǒng)進(jìn)行VP（帶有反向清理）+DC（直流）+VP的焊接模式，可以進(jìn)一步減少反向清理的時(shí)間，增加直流焊接的比例。通過DSP控制IGBT的通斷時(shí)間來調(diào)整交流正負(fù)半波寬度，通過電壓信號(hào)精確的控制焊接電流。

DSP控制器的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)和圖象顯示和LCD系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由AD轉(zhuǎn)換器選擇TLV1571、DA轉(zhuǎn)換器選擇TLC7528、DSP選擇TMS320C5409以及相應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換電路、Flash程序保存單元選擇SST29LE010等組成。

圖像顯示和LCD系統(tǒng)由DSP選擇OMAP5910、圖像控制器選擇S1D13506、液晶顯示器LCD、LCD驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡RT8019、USB設(shè)備接口、FLASH程序保存單元組成。

系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

3 結(jié)論

研制的數(shù)控變極性等離子弧焊中心具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）采用具有快速響應(yīng)大功率IGBT直流電源

大功率IGBT極性切換橋和DSP高速控制器作為變極性焊接電源的核心技術(shù)和配置，以及變極性等離子焊接電源獨(dú)特的VPM(可變脈沖調(diào)整)功能，將允許系統(tǒng)進(jìn)行VP（帶有反向清理）+DC（直流）+VP的焊接模式。

2）采用數(shù)控多軸控制系統(tǒng)技術(shù)

采用專用電弧焊接開發(fā)的數(shù)控多軸控制系統(tǒng)，配以簡(jiǎn)易機(jī)械手（焊槍運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）、以及焊接跟蹤系統(tǒng)（電弧跟蹤AVC/ACC、電弧擺動(dòng)OSC）引入柔性加工中心的理念。采用數(shù)控系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)焊接過程的運(yùn)動(dòng)和焊接參數(shù)相互間的有機(jī)聯(lián)動(dòng)。

3）采用海通PAC-300等離子弧發(fā)生器，與匹配的控制系統(tǒng)形成高檔次的變極性等離子焊接系統(tǒng)。

4）采用數(shù)字化交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)

送絲機(jī)構(gòu)采用數(shù)字化交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可跟據(jù)需要進(jìn)行焊接過程送絲速度的聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)。在熔化極MIG焊接中為閉環(huán)自動(dòng)控制，可根據(jù)弧長(zhǎng)反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)送絲速度，以保證穩(wěn)定的弧長(zhǎng)。在非熔化極TIG、等離子焊接中可根據(jù)電弧電壓跟蹤系統(tǒng)（AVC），自動(dòng)調(diào)節(jié)送絲速度，并可實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)送絲及回縮功能。

5）設(shè)計(jì)和生產(chǎn)采用系統(tǒng)模塊化

[1] 韓永全,于忠海.鋁合金變極性等離子弧平焊工藝[J].焊接技術(shù),2010(2):39.

[2] 朱宗平.變極性等離子弧焊電源的研制[D].蘭州理工大學(xué),2005.

[3] 滿伯,倩張鐵.變極性等離子弧焊設(shè)備及其鋁合金焊接工藝研究[J].上海航天, 2006(2):23.

[4] 殷樹言,呂耀輝.一種解決變極性等離子弧焊接雙弧的電路[P].中國專利,200510112673.7.2006,03.15.

[5] 郝禮杰.微機(jī)控制變極性等離子焊電源的研制[J].甘肅工業(yè)大學(xué),2003,04,01.