全自動對接焊控制系統(tǒng)的研究

摘 要： 介紹一種建筑鋼筋全自動焊接系統(tǒng)，采用埋弧焊的焊接方式,利用大功率器件IGBT、逆變技術(shù)和可編程邏輯器件，構(gòu)成了一種新型的弧焊逆變電源；通過VHDL語言對PLD進行編程，并給出了PWM的仿真波形。結(jié)果表明，使用VHDL設(shè)計PWM波形，控制精度高，控制方式靈活，能夠調(diào)整功率開關(guān)管的死區(qū)時間，有效地保護開關(guān)管安全工作，提高了焊接效率。
關(guān)鍵詞： 建筑鋼筋； 單片機； 焊接系統(tǒng)； 弧焊電源

全自動對接焊控制系統(tǒng)是在國產(chǎn)電子式交流(50 Hz)自動對焊機基礎(chǔ)上進行研制的，主要由智能控制箱、小型焊接機頭和逆變弧焊電源三部分構(gòu)成。本系統(tǒng)將原分立元件電子式控制系統(tǒng)改為由C8051F021單片機和可編程邏輯器件(CPLD)進行控制，在原電壓檢測的基礎(chǔ)上增加了電流檢測等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了引弧環(huán)節(jié)的智能判斷；利用能量積累的方法解決了單純通過時間控制熔化量的問題(熔化過量或不足)；采用PWM控制的高頻逆變電源[1-3]經(jīng)整流為直流焊接來代替50 Hz的工頻焊接電源，使得弧焊電源的體積、重量大大減小，直流焊代替了交流焊，避免了高頻焊接對環(huán)境的污染。系統(tǒng)的全過程包含引弧、熔化、擠壓和保溫四部分，整個工作過程實現(xiàn)了智能型全自動。系統(tǒng)的總框圖如圖1所示。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理
控制系統(tǒng)的CPU采用C8051F021單片機[4]。C8051F021是使用Cygnal的專利CIP-51內(nèi)核,與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容;采用流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了指令運行的速度,最大速度可達25 MIPS;提供22個中斷源、片內(nèi)獨立工作的時鐘發(fā)生器、電源監(jiān)視器、看門狗等設(shè)備，以增加SoC芯片的功能。
　C8051F021內(nèi)部集成了功能強大的ADC子系統(tǒng)，其中包括1個9通道的模擬多路開關(guān)、1個可編程增益放大器和1個采樣率為100 KS/s、12位分辨率的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，C8051F021具有4個8位的I/O端口，每個端口引腳都可以由程序配置為推挽或漏極開路輸出。此外，還引入了數(shù)字交叉開關(guān)(數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)),通過該網(wǎng)絡(luò)，可以將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給P0、P1和P2端口的各I/O引腳。
1.1 測量電路
　本系統(tǒng)測量的對象為弧焊電源的輸出電壓和電流。
(1)直流焊接電流的測量。隨著逆變技術(shù)的廣泛應(yīng)用，弧焊電源的工作頻率也不斷提高，但高頻交流電如果直接用于焊接，會對周圍的環(huán)境造成污染,產(chǎn)生不良影響。而直流焊比交流焊的性能好，不存在斷弧現(xiàn)象，因而直流焊得到了廣泛的應(yīng)用。但直流電流沒有交流電流測試方便，尤其是大電流的測量。本文采用分流器，能將750 A的直流電流轉(zhuǎn)換成75 mV的電壓,但直接將此電壓送到單片機ADC的輸入端，效果及抗干擾能力都較差,因而在75 mV電壓與單片機ADC端之間加入一個由運放構(gòu)成的同相比例電路,將75 mV變成5 V電壓，以適合A/D轉(zhuǎn)換的要求，同時提高抗干擾能力;(2)直流電壓的測量。本文采用雙光耦、雙運放組成的光耦隔離傳輸電路，如圖2所示。雙運放構(gòu)成2個電壓跟隨器，該電路利用T4、T5電流傳輸特性的對稱性和反饋原理,可以很好地補償它們原來的非線性,該電路的線性誤差不超過0.2%。T4和A1為輸入級，T5和A2為輸出級，電路的傳輸系數(shù)為K=R25/(R23+RW1)，合理地選擇2個電阻值，即可得到適當(dāng)?shù)碾妷褐怠！　?/p>

1.2 輸出驅(qū)動電路
　焊機機頭的上升、下降由驅(qū)動電路控制焊機機頭夾具上的伺服電機來完成。其中共有3個驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)如圖3所示(只畫出其中一路)。采用低電平有效方式驅(qū)動負載，可以避免單片機復(fù)位后誤動作，由于單片機的P1口帶負載能力有限(僅能驅(qū)動4個LSTTL電路)，故加入一個反相器緩沖后推動光耦，作用是防止后向通道對單片機的干擾。R4為限流電阻。P1.0控制繼電器驅(qū)動接觸器的線包，在其控制繼電器線包上并聯(lián)一個發(fā)光二極管用作指示，P1.1和P1.2控制繼電器驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn),以實現(xiàn)焊頭夾具的上升、下降，KF和KZ能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。開關(guān)S1～S3為手動按鈕，其作用分別為焊機通電,焊頭夾具的上升、下降。

2 弧焊電源電路的組成及原理
根據(jù)正弦波分析變壓器的基本公式：
U=4.44fNSBm (1)
式中，S為鐵芯截面積，Bm為磁感應(yīng)強度的最大值。
顯然，變壓器的重量、體積與NS有關(guān)，而NS與f又有直接的關(guān)系。由式(1)可得：
NS=U/4.44 fBm (2)
當(dāng)取B_m為一定值時,若使頻率從工頻提高到20 kHz，則繞組匝數(shù)與鐵芯截面積的乘積將減小，而主變壓器在弧焊逆變器中所占的重量為1/3~2/3。因此,使得整機重量、體積顯著減小，同時，銅和鐵的電能損耗將隨著需用材料的明顯減少而大為降低。
2.1 高頻逆變電路的組成
高頻逆變電路采用半橋式逆變電路[5-7]，如圖4所示。高頻逆變電路的輸入是經(jīng)整流濾波后的直流電壓U1,該電路由2只容量耐壓相同的電容器C1、C2和2只型號一致的IGBT管VT1、VT2組成一組電橋。輸入電源電壓U1加在電橋?qū)蔷€的兩端點a、b上，而高頻變壓器TR的原邊繞組則接在電橋另一對角線的兩端點c、d上，副邊繞組則是一個帶中心抽頭的全波整流電路。VT1、VT2交替導(dǎo)通，完成DC-AC的逆變過程，其逆變頻率為20 kHz。逆變器的輸出由二極管VD1、VD2組成的全波整流電路及直流輸出電感L濾波，再變?yōu)橹绷麟娪糜诤附?。其中VD1、VD2是快速恢復(fù)二極管。RW為可調(diào)電阻，與固定電阻構(gòu)成分壓電路，這樣經(jīng)過調(diào)節(jié)可以得到合適的電壓，以便供給電壓測量電路使用。
圖4的電路是半橋式逆變電路，具有開關(guān)器件少、開關(guān)電壓不高、驅(qū)動簡單及成本低的特點。橋臂電壓的輸出頻率和開關(guān)頻率相同，變壓器利用率比單端式輸出高，易輸出較大功率。而相對全橋方式而言，其電路結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)試相對容易，其最大的優(yōu)點是抗不平衡能力很強。

2.2 PWM脈沖形成原理[8-9]及實現(xiàn)
目前,逆變電源常常使用專用的芯片如TL494、SG3525等來產(chǎn)生PWM波形，并通過反饋信號實現(xiàn)對PWM波形的寬度調(diào)節(jié)，從而獲得穩(wěn)定輸出。當(dāng)控制電路設(shè)計完成后，就是一個相對獨立的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)、控制方式都不能更改，使得系統(tǒng)的總體協(xié)調(diào)功能差。近幾年，基于微機控制的逆變系統(tǒng)主要采用單片機或數(shù)字信號處理器(DSP)控制,采用單片機的系統(tǒng)若使用定時器產(chǎn)生PWM,由于中斷的特點，輸出的PWM的脈寬容易發(fā)生改變，從而影響輸出電壓的精度。如MCS51系列，中斷響應(yīng)為3~8個機器周期, 若用6 MHz的晶振,機器周期為2 μs，逆變器工作頻率為20 kHz,工作周期為50 μs,則誤差范圍為12%~32%。此外，單片機對系統(tǒng)調(diào)節(jié)的實時性差，因此，單片機構(gòu)成的系統(tǒng)一般需要外接產(chǎn)生PWM的芯片,單片機主要用于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作及輸出顯示。而專用DSP的系統(tǒng)實時性好，但靈活性差;通用的DSP系統(tǒng)總體控制、協(xié)調(diào)性能不是很好，并且DSP開發(fā)過程比較復(fù)雜、開發(fā)工具價格昂貴。
通常利用IGBT構(gòu)成高頻逆變電源的主電路工作頻率為20 kHz，則其工作周期為50 000 ns。由于功率開關(guān)器件并聯(lián)的反向二極管存在反向的恢復(fù)時間，兩路輸出脈沖必須要保證一定的死區(qū)時間，即在死區(qū)時間內(nèi)，兩上橋臂2個開關(guān)器件均不導(dǎo)通，以保證功率器件和電路的安全運行，對于第四代IGBT，考慮其死區(qū)時間要求，雙路PWM脈沖的占空比最大值為80%，因此，單路PWM脈沖即每組橋臂IGBT最大的導(dǎo)通時間為：50 000×0.4=20 000 ns，每路PWM之間的死區(qū)時間為：50 000×0.1=5 000 ns。如果CPLD/FPGA外接20 MHz的晶振時鐘周期為50 ns、工作頻率為20 kHz的高頻逆電源的工作周期為50 000 ns，共有1 000個時鐘周期，因此，雙路PWM占空比的調(diào)節(jié)精度為0.2%，即每路改變1個時鐘周期，雙路的脈沖寬度改變2個時鐘周期,占空比的變化率為：2/1 000=0.2%。所以，采用CPLD/FPGA的逆變系統(tǒng)，可以方便地通過改變外接的晶振頻率來調(diào)整PWM占空比的調(diào)節(jié)精度，以滿足不同系統(tǒng)的特定要求，降低設(shè)備的開發(fā)成本。
數(shù)字化弧焊逆變電源的輸出電壓、電流采樣后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機，單片機經(jīng)控制算法計算PWM的脈沖寬度，并將其送至CPLD。CPLD根據(jù)單片機送入的值生成相位差180°、帶死區(qū)時間和最小脈寬限制的兩路IGBT驅(qū)動脈沖,驅(qū)動脈沖的占空比隨單片機計算并輸出的脈沖寬度值做相應(yīng)的變化。與此同時,CPLD發(fā)出協(xié)同控制信號回送給單片機，用以協(xié)調(diào)電流、電壓采樣與PWM脈沖發(fā)生的控制關(guān)系。為了便于對數(shù)字化焊機的過載情況進行監(jiān)控并能夠在有效時間內(nèi)采取保護控制措施,在數(shù)字PWM芯片上設(shè)計了針對過流、欠壓等情況下，封鎖PWM脈沖輸出的功能。PWM仿真波形圖如圖5所示。en為PWM脈沖輸出總使能控制端，module為脈沖寬度數(shù)據(jù)輸入端，用以連接微控制器的數(shù)據(jù)總線；CLK信號為時鐘信號輸入端，它是整個數(shù)字PWM芯片控制的基準(zhǔn)或節(jié)拍，對輸出精度及穩(wěn)定性起著決定性的作用。pwm1和pwm2為PWM脈沖輸出端，輸出相位差180°的兩路輸出驅(qū)動脈沖。syn為輸出協(xié)同控制端。

從仿真波形圖可以看出：輸出波形的周期為50 μs；當(dāng)單片機輸出的數(shù)據(jù)值不同時，PWM的寬度也不相同。圖中先后輸出的數(shù)據(jù)分別為12、120、50，對應(yīng)的脈沖寬度不相同，在前20 μs，使能端en為低電平，單片機的數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)娇删幊踢壿嬈骷?，則無脈沖輸出；輸出協(xié)同信號syn，反饋給單片機作為同步信號用。
3 系統(tǒng)軟件的編制
采用C8051F021單片機作為控制系統(tǒng)的核心，外擴鍵盤、顯示電路。鍵盤對不同的焊接鋼筋直徑(Φ8 mm～Φ40 mm）進行設(shè)置，顯示電路可顯示焊接鋼筋直徑和當(dāng)前焊接電壓。這些外擴電路與單片機的接口都較簡單，不需要附加其他器件。
為了調(diào)試方便，在設(shè)計系統(tǒng)程序時，采用“模塊化”形式，其主程序流程圖如圖6所示，由鍵盤掃描、查表、數(shù)制轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換、延時、報警、工作程序等子程序組成，其中工作程序是核心，其他子程序是為其服務(wù)的。系統(tǒng)采用電壓、電流雙閉環(huán)，結(jié)合軟件處理作為引弧是否成功、熔化量是否適中的判斷依據(jù)，從而解決目前產(chǎn)品中存在的問題。單片機根據(jù)測得的電壓、電流值首先對系統(tǒng)的引弧進行判斷，當(dāng)電壓過大、電流過小時，控制夾具下降；當(dāng)電壓過小、電流過大時，控制夾具上升；當(dāng)電壓等于零或電流趨于無窮大時，即為短路現(xiàn)象；當(dāng)有電壓沒有電流時，即為斷弧現(xiàn)象；只有當(dāng)電壓和電流同時達到規(guī)定值時(電壓范圍為10 V～30 V,電流為100 A～400 A)，系統(tǒng)才認定引弧是成功的。引弧成功后，還需要對焊接燃燒的熱當(dāng)量進行累計[1]，并隨時與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，一旦相等即轉(zhuǎn)入下一道工序中，擠壓、保溫都可定時完成，程序簡單。

標(biāo)準(zhǔn)值的獲得通過電弧煉鋼技術(shù)[10]來確定，主要從三方面考慮：
(1)確定電弧焊的有效加熱功率。如焊接電流為I(A)，
電弧電壓為U(V)，則電弧傳給工件的有效加熱功率為：
q=ηIU(W) (3)
式中,η為焊接熱效率，反映了焊接過程中對于熱能的有效利用程度,對于埋弧自動焊的熱量很難向外擴散，因而η值較高為0.9～0.99。
　　(2)確定溫度場的類型。焊接溫度場根據(jù)其傳熱方向可分為三維傳熱、二維傳熱和一維傳熱三種類型。鋼筋對接焊則屬于在截面上均勻分布的面熱源、沿軸線方向一維傳熱的溫度場。由于金屬的導(dǎo)熱性能很強，因而熱源提供的熱能迅速向工件內(nèi)部傳播，使其溫度場變小。為了保證鋼筋焊接時有足夠的熔池尺寸和熔深，應(yīng)采用較大的規(guī)范參數(shù)(即焊接熱源的有效熱效率和焊接速度)。溫度在沿鋼筋軸按指數(shù)規(guī)律分布，但在近處溫度比較集中，因而熱能主要集中在這一區(qū)域，可近似作為線性關(guān)系處理，范圍為0～5 cm，溫度為鋼的熔點溫度T熔-50℃。
(3)確定熔化所需的熱量。這部分所需能量的大小決定于鋼筋的成份，因為化學(xué)成份不同，鋼的熔點也就不一樣，鋼液熔點的近似值為：
T_熔=1 539-∑Δtx%℃ (4)
式中,1 539為純鐵熔點; Δt為鋼中某元素含量增加1%時，熔點的降低值;x%為該元素的百分含量,例如：鋼的含碳量為0.5%時,碳的熔點為1 480℃。
碳素鋼的平均比熱為0.7×103 J/kg·℃，熔解熱為2.73×105 J/kg，則熔化鋼所需熱量為：
Q1=m1cΔt1+m1 j (5)
式中,m1為熔化鋼的質(zhì)量,由鋼筋的直徑及長度決定,長度可選12 mm～16 mm之間的值，直徑大的可選適當(dāng)短一些；c為比熱;Δt1為變化的溫度,是T熔與周圍環(huán)境的溫度差，即Δt1=T_熔-T_環(huán)；j為熔解熱。
　　除了熔化所需的熱量外，還有一部分熱量需要考慮，即：焊接處5 cm的長度中除熔化的鋼筋外，余下為鋼筋溫度變化所需的熱量：
　 Q2=m2 cΔt2 (6)
式中,m2為溫度變化而沒有熔化部分的鋼筋質(zhì)量，Δt2為變化的溫度，Δt2=(T_熔+50)/2。
　　把這兩部分熱量相加，求出鋼筋吸收的總熱量，再除以焊接熱效率η，即可得到標(biāo)準(zhǔn)值Q。這個標(biāo)準(zhǔn)值Q被預(yù)置在程序中，系統(tǒng)工作時，對電弧的熱量進行累計為Q_吸=UIt，并隨時把Q吸和Q相比較，當(dāng)Q_吸≥Q時轉(zhuǎn)到下一道工序中。
　　本系統(tǒng)利用單片機對建筑鋼筋對接焊的4個過程進和控制，采用CPLD產(chǎn)生PWM脈沖波形，經(jīng)過對原系統(tǒng)的改進，現(xiàn)系統(tǒng)不僅能實現(xiàn)自動焊接的功能，且系統(tǒng)修改方便，控制準(zhǔn)確、靈活，焊接質(zhì)量明顯提高，焊接性能大大改善。不僅減少了操作員的工作量，而且還能節(jié)省鋼材，提高焊接效率。
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