專利名稱：鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接的自動(dòng)控制裝置，尤其是一種能同時(shí)用于交直流鎢極氬弧焊進(jìn)行電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制的裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代社會(huì)高速發(fā)展的今天，鋁合金、不銹鋼以及其它有色金屬的焊接越來(lái)越多，對(duì)焊接質(zhì)量要求也越來(lái)越高，鎢極氬弧焊的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，僅僅依靠手工焊和手工調(diào)節(jié)弧長(zhǎng)的半自動(dòng)焊難以滿足焊接質(zhì)量和焊接效率的要求。
目前，鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)這些功能的方法有CCD攝像和空氣超聲傳感。CCD攝像的原理是利用CCD攝像機(jī)給合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來(lái)獲取可直接分辯焊縫、熔池和鎢極的清晰、放大的焊接區(qū)圖像，從而識(shí)別焊縫中心線，提取鎢極偏離焊縫中心線的方向和距離，從而實(shí)現(xiàn)高精度、實(shí)時(shí)性的控制。空氣超聲傳感是利用聲電匹配和聚焦聲透鏡技術(shù)來(lái)獲取焊縫偏差信息。
上述二種方法中，CCD攝像可以獲取較多的焊縫信息，但是整個(gè)系統(tǒng)抗干能力差、體積大、操作不方便、價(jià)格昂貴。空氣超聲傳感的靈敏度由超聲傳感器與空氣介質(zhì)聲阻抗匹配決定，不同的保護(hù)氣體將影響控制精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電路簡(jiǎn)單、成本較低、靈敏度和精確度高、可靠性好的鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是包括單片機(jī)、PWM電路，其特征是利用焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)，經(jīng)弧壓信號(hào)處理電路處理后，AD對(duì)其進(jìn)行采樣再輸出給單片機(jī)，單片機(jī)的DA信號(hào)輸出接PWM產(chǎn)生電路接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接步進(jìn)電機(jī)。所述在單片機(jī)與PWM電路之問(wèn)連接控制面板，當(dāng)偏差超過(guò)允許范圍時(shí)，可通過(guò)控制面板在一定范圍內(nèi)設(shè)定，經(jīng)過(guò)由控制面板設(shè)定的時(shí)間由單片機(jī)DA輸出與之對(duì)應(yīng)的偏差信號(hào)，同時(shí)由P口給出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)；當(dāng)偏差在允許范圍之內(nèi)時(shí)，單片機(jī)DA沒(méi)有信號(hào)輸出，電機(jī)不動(dòng)作；當(dāng)偏差超過(guò)允許范圍時(shí)，根據(jù)偏差信號(hào)DA輸出與之對(duì)應(yīng)的電壓，同時(shí)給定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)；PWM電路根據(jù)DA輸出的電壓值產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)；弧壓信號(hào)經(jīng)單片機(jī)數(shù)字濾波后，再與給定值進(jìn)行比較并由D/A芯片輸出弧長(zhǎng)偏差信號(hào)。所述弧壓信號(hào)處理電路對(duì)接焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)由自適應(yīng)電感電路進(jìn)行預(yù)處理，得出弧長(zhǎng)與輸出電壓的線性關(guān)系；經(jīng)電流整形電路整形，經(jīng)窗口電路判斷電弧是處于引弧、熄弧還是正常焊接狀態(tài)，再經(jīng)積分電路對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行積分、濾波處理，增加對(duì)后續(xù)電路的驅(qū)動(dòng)能力輸出。所述自適應(yīng)電感電路對(duì)接焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)與給定電壓進(jìn)行比較放大后，接積分中值電路再控制電感。所述單片機(jī)采用8位、16位或32位通用工業(yè)單片機(jī)。既可用于直流鎢極氬弧焊也可用于交流鎢極氬弧焊。
所述單片機(jī)信號(hào)處理包括對(duì)弧壓信號(hào)進(jìn)行采樣以及運(yùn)算，采用數(shù)字濾波確保交流跟蹤的精度，①自學(xué)習(xí)參考值的算法在規(guī)定時(shí)間每次AD采樣的個(gè)數(shù)為定值，當(dāng)電弧正常燃弧后，由電弧智能判斷電路給出信號(hào)AD開(kāi)始采樣，把第二個(gè)采樣周期內(nèi)的采樣數(shù)值與最開(kāi)始采樣周期的平均值作比較，把大于平均值的數(shù)值置為平均值，再求出第二個(gè)采樣周期的平均值，把這個(gè)值作為固定參考值。②每個(gè)采樣周期的平均值的算法把后一個(gè)周期內(nèi)AD采樣的采樣數(shù)值與前一個(gè)周期AD采樣的平均值比較，當(dāng)大于平均值的數(shù)值置為平均值，再求出采樣周期內(nèi)的平均值。③偏差值的算法把由②所求的平均值與①所求的固定參考值比較。
本發(fā)明是針對(duì)背景技術(shù)所存在的問(wèn)題，通過(guò)采用單片機(jī)和外部硬件電路，結(jié)合PWM控制技術(shù)，對(duì)交直流兩用鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以該方法為基礎(chǔ)的弧長(zhǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可以直接利用焊接電源輸出的電弧電壓線性地反映弧長(zhǎng)的變化，并對(duì)弧長(zhǎng)的變化進(jìn)行精確控制。
它通過(guò)采用單片機(jī)對(duì)表征焊炬與焊縫相對(duì)位置的特性參數(shù)進(jìn)行軟件處理，得出弧長(zhǎng)偏差信息，采用軟件與硬件相結(jié)合對(duì)弧長(zhǎng)偏差信息進(jìn)行比較運(yùn)算，采用PWM電路，根據(jù)弧長(zhǎng)偏差大小輸出相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)再輸出相應(yīng)的脈沖矩形波，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)使弧長(zhǎng)保持一定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)弧長(zhǎng)控制速度優(yōu)化匹配，使得弧長(zhǎng)自動(dòng)控制過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高。它主要解決了現(xiàn)有鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制時(shí)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度低、成本較高等技術(shù)問(wèn)題，這種自動(dòng)控制器適應(yīng)性強(qiáng)、控制方法簡(jiǎn)單、控制精度和靈敏度高且分別可調(diào)。實(shí)際焊接工藝試驗(yàn)證明該控制器電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制效果好，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)。


圖1是本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的弧壓信號(hào)處理電路原理圖。
圖3是本發(fā)明的自適應(yīng)電感電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)可分為4個(gè)部分弧壓信號(hào)處理電路、單片機(jī)信號(hào)處理、PWM產(chǎn)生電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。接焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)處理電路的AD輸出接單片機(jī)，單片機(jī)的DA信號(hào)輸出接PWM產(chǎn)生電路接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接步進(jìn)電機(jī)。它采用硬件和軟件相結(jié)合的方法，通過(guò)利用焊機(jī)的外特性，即弧長(zhǎng)與弧壓成線性關(guān)系，通過(guò)判斷弧壓偏差來(lái)判斷弧長(zhǎng)變化，從而，實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧長(zhǎng)度的自動(dòng)控制。由硬件電路檢測(cè)弧壓變化，當(dāng)其變化幅度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，則調(diào)整電弧長(zhǎng)度。在保證引弧性能的前提下，既可用于直流鎢極氬弧焊，也可用于交流鎢極氬弧焊?；盒盘?hào)經(jīng)單片機(jī)數(shù)字濾波后，再與給定值進(jìn)行比較并由D/A芯片輸出弧長(zhǎng)偏差信號(hào)。給定值可人為設(shè)定，也可由系統(tǒng)自動(dòng)學(xué)習(xí)給出。采用PWM電路，根據(jù)D/A芯片輸出的電壓信號(hào)輸出相應(yīng)的脈沖矩形波。參閱圖1所示工作原理圖。
所述單片機(jī)信號(hào)處理包括對(duì)弧壓信號(hào)進(jìn)行采樣以及運(yùn)算。為了保證交流跟蹤的精度采用了數(shù)字濾波，原理如下①自學(xué)習(xí)參考值的算法在規(guī)定時(shí)間每次AD采樣的個(gè)數(shù)為定值，當(dāng)電弧正常燃弧后，由電弧智能判斷電路給出信號(hào)AD開(kāi)始采樣，把第二個(gè)采樣周期內(nèi)的采樣數(shù)值與最開(kāi)始采樣周期的平均值作比較，把大于平均值的數(shù)值置為平均值，再求出第二個(gè)采樣周期的平均值，把這個(gè)值作為固定參考值。②每個(gè)采樣周期的平均值的算法把后一個(gè)周期內(nèi)AD采樣的采樣數(shù)值與前一個(gè)周期AD采樣的平均值比較，當(dāng)大于平均值的數(shù)值置為平均值，再求出這個(gè)采樣周期內(nèi)的平均值。③偏差值的算法把由②所求的平均值與①所求的固定參考值比較。當(dāng)偏差超過(guò)允許范圍(可通過(guò)鍵盤(pán)在一定范圍內(nèi)設(shè)定)時(shí)，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間(可由鍵盤(pán)設(shè)定)由單片機(jī)DA輸出與之對(duì)應(yīng)的偏差信號(hào)，同時(shí)由P口給出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)；當(dāng)偏差在允許范圍之內(nèi)時(shí)，單片機(jī)DA沒(méi)有信號(hào)輸出，電機(jī)不動(dòng)作。
PWM產(chǎn)生電路，可根據(jù)DA輸出的電壓值產(chǎn)生與之相對(duì)就用的脈沖信號(hào)，同時(shí)給定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要是用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明通過(guò)采用8位通用工業(yè)單片機(jī)、外部硬件電路和PWM控制技術(shù)，根據(jù)弧壓變化計(jì)算弧長(zhǎng)的偏差，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整弧長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)弧長(zhǎng)的自動(dòng)控制。該控制器從根本上拓寬了現(xiàn)有弧長(zhǎng)控制器的應(yīng)用范圍、簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實(shí)際焊接工藝試驗(yàn)證明該弧長(zhǎng)自動(dòng)控制器適用范圍廣、控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)實(shí)施例2，所述弧壓信號(hào)處理電路對(duì)接焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)由自適應(yīng)電感電路進(jìn)行預(yù)處理，得出弧長(zhǎng)與輸出電壓的線性關(guān)系；經(jīng)電流整形電路整形，經(jīng)窗口電路判斷電弧是處于引弧、熄弧還是正常焊接狀態(tài)，再經(jīng)積分電路對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行積分、濾波處理，增加對(duì)后續(xù)電路的驅(qū)動(dòng)能力輸出。所述自適應(yīng)電感電路對(duì)接焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)與給定電壓進(jìn)行比較放大后，接微分中值電路再控制電感。高頻引弧時(shí)，電感處于強(qiáng)飽和狀態(tài)，避免高頻高壓對(duì)后面電路的影響，同時(shí)保證了引弧的可靠性。沒(méi)有高頻高壓時(shí)，電感處于線性狀態(tài)，保證弧壓信號(hào)正常供給后面的控制電弧?；盒盘?hào)經(jīng)過(guò)此電路處理之后其特點(diǎn)如下1、輸入與輸出之比為10∶1，輸出上限為10V。
2、高頻高壓完全被濾除，對(duì)后續(xù)單片機(jī)的工作沒(méi)有影響。
3、弧長(zhǎng)與輸出電壓的線性關(guān)系很好。
圖2所示弧壓信號(hào)處理電路主要是對(duì)弧壓信號(hào)的進(jìn)行預(yù)處理，最終得到弧長(zhǎng)與輸出電壓的線性關(guān)系。由于鎢極氬弧存在高頻高壓引弧階段以及交流鎢極氬弧存在高頻高壓穩(wěn)弧階段，故此電路有以下特殊要求1、要求能夠經(jīng)受高頻高壓的沖擊，同時(shí)保證高頻高壓對(duì)后面單片機(jī)處理沒(méi)有影響。
2、正確反映交流氬弧焊時(shí)的弧長(zhǎng)與弧壓之間的關(guān)系。
3、保證引弧的可靠性。
參閱圖1和圖2，其余同實(shí)施例1。
實(shí)施例3，所述在單片機(jī)與PWM電路之間連接控制面板。在單片機(jī)與PWM電路之間連接控制面板，當(dāng)偏差超過(guò)允許范圍時(shí)，可通過(guò)控制面板在一定范圍內(nèi)設(shè)定，經(jīng)過(guò)由控制面板設(shè)定的時(shí)間由單片機(jī)DA輸出與之對(duì)應(yīng)的偏差信號(hào)，同時(shí)由P口給出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)；當(dāng)偏差在允許范圍之內(nèi)時(shí)，單片機(jī)DA沒(méi)有信號(hào)輸出，電機(jī)不動(dòng)作。參閱圖1和圖2，其余同上述實(shí)施例。
實(shí)施例4，所述單片機(jī)可采用8位、16位或32位通用工業(yè)單片機(jī)。參閱圖1和圖2，其余同上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法。包括單片機(jī)、PWM電路，其特征是利用焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)，經(jīng)弧壓信號(hào)處理電路處理后，AD對(duì)其進(jìn)行采樣再輸出給單片機(jī)，單片機(jī)的DA信號(hào)輸出接PWM產(chǎn)生電路接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接步進(jìn)電機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法，其特征是所述在單片機(jī)與PWM電路之間連接控制面板，當(dāng)偏差超過(guò)允許范圍時(shí)，可通過(guò)控制面板在一定范圍內(nèi)設(shè)定，經(jīng)過(guò)由控制面板設(shè)定的時(shí)間由單片機(jī)DA輸出與之對(duì)應(yīng)的偏差信號(hào)，同時(shí)由P口給出電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)；當(dāng)偏差在允許范圍之內(nèi)時(shí)，單片機(jī)DA沒(méi)有信號(hào)輸出，電機(jī)不動(dòng)作；當(dāng)偏差超過(guò)允許范圍時(shí)，根據(jù)偏差信號(hào)DA輸出與之對(duì)應(yīng)的電壓，同時(shí)給定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)；PWM電路根據(jù)DA輸出的電壓值產(chǎn)生與之相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)；弧壓信號(hào)經(jīng)單片機(jī)數(shù)字濾波后，再與給定值進(jìn)行比較并由D/A芯片輸出弧長(zhǎng)偏差信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法，其特征是所述弧壓信號(hào)處理電路對(duì)接焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)由自適應(yīng)電感電路進(jìn)行預(yù)處理，得出弧長(zhǎng)與輸出電壓的線性關(guān)系；經(jīng)電流整形電路整形，經(jīng)窗口電路判斷電弧是處于引弧、熄弧還是正常焊接狀態(tài)，再經(jīng)積分電路對(duì)前級(jí)信號(hào)進(jìn)行積分、濾波處理，增加對(duì)后續(xù)電路的驅(qū)動(dòng)能力輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法，其特征是所述自適應(yīng)電感電路對(duì)接焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)與給定電壓進(jìn)行比較放大后，接積分中值電路再控制電感。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法，其特征是所述單片機(jī)采用8位、16位或32位通用工業(yè)單片機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法，其特征是既可用于直流鎢極氬弧焊也可用于交流鎢極氬弧焊。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法，其特征是所述單片機(jī)信號(hào)處理包括對(duì)弧壓信號(hào)進(jìn)行采樣以及運(yùn)算，采用數(shù)字濾波確保交流跟蹤的精度，①自學(xué)習(xí)參考值的算法在規(guī)定時(shí)間每次AD采樣的個(gè)數(shù)為定值，當(dāng)電弧正常燃弧后，由電弧智能判斷電路給出信號(hào)AD開(kāi)始采樣，把第二個(gè)采樣周期內(nèi)的采樣數(shù)值與最開(kāi)始采樣周期的平均值作比較，把大于平均值的數(shù)值置為平均值，再求出第二個(gè)采樣周期的平均值，把這個(gè)值作為固定參考值。②每個(gè)采樣周期的平均值的算法把后一個(gè)周期內(nèi)AD采樣的采樣數(shù)值與前一個(gè)周期AD采樣的平均值比較，當(dāng)大于平均值的數(shù)值置為平均值，再求出采樣周期內(nèi)的平均值。③偏差值的算法把由②所求的平均值與①所求的固定參考值比較。
全文摘要
一種鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法，它屬于一種用于鎢極氬弧焊的電弧長(zhǎng)度控制方法。它主要是解決現(xiàn)有鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制精度低、成本較高等技術(shù)問(wèn)題。其技術(shù)方案要點(diǎn)是運(yùn)用自適應(yīng)電感控制技術(shù)、交流整形技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)和PWM控制技術(shù)，利用焊機(jī)兩輸出端子的弧壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路后，AD對(duì)其進(jìn)行采樣再輸出給單片機(jī)，單片機(jī)的DA信號(hào)輸出接PWM產(chǎn)生電路接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接步進(jìn)電機(jī)。它通過(guò)采用8位通用工業(yè)單片機(jī)、外部硬件電路和PWM控制技術(shù)，根據(jù)弧壓變化計(jì)算弧長(zhǎng)的偏差，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)整弧長(zhǎng)，以實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)弧長(zhǎng)的自動(dòng)控制，填補(bǔ)了交流鎢極氬弧焊電弧長(zhǎng)度自動(dòng)控制方法的空白，并從根本上拓寬了現(xiàn)有弧長(zhǎng)控制器的應(yīng)用范圍、簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
文檔編號(hào)B23K9/095GK1704197SQ20041002326
公開(kāi)日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者洪波, 袁燦, 屈岳波, 尹懿, 黃 俊 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)