基于AVR單片機(jī)的粗絲氣電立焊機(jī)弧長(zhǎng)控制器研究

□羅云萌陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院　陜西渭南　714000

基于AVR單片機(jī)的粗絲氣電立焊機(jī)弧長(zhǎng)控制器研究

□羅云萌
陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西渭南714000

目前氣電立焊主要采用1.6 mm以下的細(xì)絲焊，應(yīng)用于40 mm以下的中厚板焊接。在焊接40 mm以上的大厚板時(shí)，細(xì)絲氣電立焊的焊接生產(chǎn)效率還不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。通過(guò)對(duì)氣電立焊焊接電弧弧長(zhǎng)穩(wěn)定性的研究，分析了氣電立焊焊接過(guò)程，尤其是粗絲氣電立焊弧長(zhǎng)控制技術(shù)及原理，設(shè)計(jì)了一套以單片機(jī)Atmega128為控制核心的，由變速送絲垂降外特性電源焊接系統(tǒng)和變速小車(chē)爬行系統(tǒng)組成的組合式弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，該弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快，能夠迅速對(duì)外界干擾引起的弧長(zhǎng)變化進(jìn)行精確的補(bǔ)償控制，并能精確控制焊槍擺動(dòng)，焊接質(zhì)量好。

長(zhǎng)期以來(lái)，立焊焊縫主要依賴焊條電弧焊，效率低，難以滿足實(shí)際焊接生產(chǎn)的需要。自動(dòng)氣電立焊（EGW）是20世紀(jì)80年代初期由普通的熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊發(fā)展而來(lái)的一種高效熔化極氣體保護(hù)電弧焊方式，而強(qiáng)迫成形自動(dòng)立焊氣電技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新的高效焊接技術(shù)［1］。

氣電立焊廣泛應(yīng)用于造船、冶金高爐、重型機(jī)械和鍋爐等行業(yè)，目前氣電立焊主要采用1.6 mm以下的細(xì)絲焊，應(yīng)用于40 mm以下的中厚板焊接。在焊接40 mm以上的大厚板時(shí)，細(xì)絲氣電立焊的焊接生產(chǎn)效率還不能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。筆者以AVR單片機(jī)為控制核心，構(gòu)建了由變速送絲垂降外特性焊接系統(tǒng)和變速小車(chē)爬行系統(tǒng)組成的粗絲氣電立焊弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)，能基本滿足實(shí)際生產(chǎn)中大厚板焊接的需求。

1　弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)分析

由于氣電立焊本身的工藝特點(diǎn)，焊接時(shí)通常采用擺動(dòng)焊接工藝，電弧在擺動(dòng)過(guò)程中極易出現(xiàn)不穩(wěn)定。坡口大小、間隙寬窄、熔池溢流等造成液面高度的變化會(huì)干擾電弧長(zhǎng)度的穩(wěn)定性，從而使焊接電流I和焊接電壓U發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量，此時(shí)就要依靠系統(tǒng)對(duì)電弧的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力來(lái)補(bǔ)償電弧長(zhǎng)度的變化量，以保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性［2］。對(duì)于氣電立焊控制系統(tǒng)的選擇，既要保證焊接過(guò)程中弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性與可調(diào)性，又要保證有好的焊接質(zhì)量，只有這樣才能說(shuō)明該弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)是理想的。

對(duì)于直徑大于2.5 mm的焊絲，焊接電流密度較小，依靠等速送絲配合平特性電源，電弧自調(diào)節(jié)作用隨即減弱，弧長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿足實(shí)際要求。若采用變速送絲方式與垂降外特性電源配合變速爬行小車(chē)控制系統(tǒng)，根據(jù)弧長(zhǎng)變化規(guī)律：

式中：VS為送絲速度，mm/s；VL為熔池液面上升速度，mm/s；VM為焊絲熔化速度，mm/s；VP為小車(chē)爬行速度，mm/s；Δv為速度變化量，mm/s；Δh為弧長(zhǎng)變化量，mm；t為弧長(zhǎng)變化（t1-t2）所用時(shí)間，s；K為修正因數(shù)。

當(dāng)弧長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，電弧電壓變化較大，此時(shí)通過(guò)送絲速度和變化的小車(chē)速度所提供的補(bǔ)償，可以保證弧長(zhǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是在保證弧長(zhǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了焊接過(guò)程的熔敷率，因此本控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于大厚板一次性焊接成型。

本控制系統(tǒng)中，送絲速度調(diào)節(jié)僅是微調(diào)，而起主要調(diào)節(jié)作用的是爬行小車(chē)行走控制系統(tǒng)，以AVR單片機(jī)為控制核心，以弧壓反饋為控制信號(hào)調(diào)節(jié)爬行小車(chē)行走速度，保證焊接過(guò)程中弧長(zhǎng)的穩(wěn)定。

2　基于AVR-MCU的控制系統(tǒng)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際要求及氣電立焊弧長(zhǎng)控制原理，設(shè)計(jì)了以AVR單片機(jī)為控制核心的自動(dòng)氣電立焊機(jī)弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)，其主控電路系統(tǒng)如圖1所示，本控制系統(tǒng)具有以下功能和特點(diǎn)。

圖1　AVR MCU系統(tǒng)框圖

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外停留時(shí)間、擺動(dòng)速度和擺動(dòng)幅度的精確控制；

（2）能夠精確地實(shí)現(xiàn)焊槍自動(dòng)焊縫對(duì)中調(diào)節(jié)；

（3）根據(jù)弧長(zhǎng)變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)爬行小車(chē)行走速度，保證焊接弧長(zhǎng)的穩(wěn)定；

（4）具有計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理、程序控制［3］功能；

（5）可實(shí)現(xiàn)多路PWM波輸出；

（6）內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊，無(wú)需外部轉(zhuǎn)換電路；

（7）可靠性、穩(wěn)定性較高。

根據(jù)基于AVR-MCU的自動(dòng)氣電立焊弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)的分析及要求，筆者編譯了一套控制程序，其流程如圖2所示。

圖2　程序流程圖

3　試驗(yàn)研究

3.1行走系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)行走，設(shè)計(jì)了直流電機(jī)電壓負(fù)反饋和電流正反饋閉環(huán)反饋系統(tǒng)，并將反饋信號(hào)比較運(yùn)算后經(jīng)光耦隔離送入單片機(jī)，參與PI運(yùn)算以決定輸出PWM占空比的大??；同時(shí)保證弧長(zhǎng)在發(fā)生變化時(shí)，爬行小車(chē)能及時(shí)而又準(zhǔn)確地調(diào)整爬行速度以維持弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)將焊接電壓作為反饋信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后送入單片機(jī)，并與電機(jī)反饋信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后改變PWM占空比大?。?］，以調(diào)整爬行小車(chē)的行走速度來(lái)保證弧長(zhǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為驗(yàn)證爬行控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)，分別在弧長(zhǎng)較短和弧長(zhǎng)較長(zhǎng)的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，圖3為弧長(zhǎng)較短時(shí)電機(jī)高速爬行時(shí)的驅(qū)動(dòng)波形，此時(shí)爬行小車(chē)高速運(yùn)行產(chǎn)生了一個(gè)VP，補(bǔ)償了弧長(zhǎng)的變化，保證了弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性；圖4為弧長(zhǎng)較長(zhǎng)時(shí)爬行小車(chē)低速行走的控制波形，此時(shí)爬行小車(chē)以低速運(yùn)行產(chǎn)生一個(gè)VP'，能夠補(bǔ)償弧長(zhǎng)的變化以保證弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性。因此，本控制系統(tǒng)在焊接弧長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)能夠維持弧長(zhǎng)的穩(wěn)定性。

圖3　高速爬升電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形

3.2擺動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型重要構(gòu)件的焊接越來(lái)越多，僅僅依靠手工焊接難于滿足焊接質(zhì)量和焊接效率的要求，焊接自動(dòng)化將成為焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)焊道較寬時(shí)，為了提高焊接質(zhì)量，在大坡口對(duì)接或搭接的焊縫自動(dòng)焊接過(guò)程中，焊機(jī)必須采用擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，焊槍一邊隨焊道長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)，一邊在焊道寬度方向做一定頻率的擺動(dòng)。為了滿足不同坡口形式焊縫的需要，擺動(dòng)參數(shù)（擺速、擺幅、左右滯時(shí)）應(yīng)能調(diào)整。

對(duì)擺動(dòng)的要求：根據(jù)焊件的厚度調(diào)節(jié)擺幅增大或擺幅減少；前后停留時(shí)間的調(diào)節(jié)有利于鐵水在焊縫坡口內(nèi)的流動(dòng)，焊縫前面寬，停留時(shí)間要長(zhǎng)，后面窄，停留時(shí)間要短；焊槍擺動(dòng)能夠增加熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)速度，改善熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)狀態(tài)，從而可增加對(duì)兩側(cè)母材傳熱量和熔深，提高焊接質(zhì)量。

為滿足焊接生產(chǎn)的需求，設(shè)計(jì)了以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件的擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制擺動(dòng)幅度；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)能夠精確實(shí)現(xiàn)在焊接過(guò)程中控制焊槍的擺動(dòng)速度、擺動(dòng)幅度和擺動(dòng)內(nèi)外停留時(shí)間。

在擺動(dòng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)驅(qū)動(dòng)波形進(jìn)行測(cè)試，圖5為擺動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形，圖6為擺動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的展開(kāi)，驅(qū)動(dòng)波形由4部分組成：擺幅、擺速和內(nèi)、外停留時(shí)間，其中擺幅由給定脈沖個(gè)數(shù)決定，擺速由給定脈沖頻率決定，內(nèi)外停留時(shí)間由給定控制信號(hào)決定。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)給定值可以精確實(shí)現(xiàn)焊槍的擺動(dòng)軌跡調(diào)節(jié)。

4　結(jié)論

（1）以AVR-MCU為控制核心，采用由變速送絲垂降外特性焊接系統(tǒng)和變速小車(chē)爬行系統(tǒng)組成的粗絲氣電立焊機(jī)弧長(zhǎng)控制系統(tǒng)，采用PWM調(diào)制模式能精確控制爬行小車(chē)的變速運(yùn)動(dòng)，結(jié)合變速送絲控制系統(tǒng)，能夠保證焊接過(guò)程弧長(zhǎng)的穩(wěn)定。

（2）以步進(jìn)電機(jī)為核心的焊槍擺動(dòng)電氣控制系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，能夠精確地控制擺動(dòng)電機(jī)的擺速和擺幅，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外停留給定信號(hào)，能夠精確實(shí)現(xiàn)焊槍前后的停留。

圖4　低速爬升電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形

圖5　擺動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形

圖6　擺動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)波形的展開(kāi)

［1］李景波，王剛，沙玉章，等.船體厚板高效氣電立焊焊接技術(shù)的研究［J］.電焊機(jī)，2004（2）：14-15.

［2］李雪梅.大型儲(chǔ)油罐縱縫氣電立焊焊接工藝［J］.焊接技術(shù)，2006（5）：69-70.

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［4］張立勛，沈錦華，路敦民，等.AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制器［J］.機(jī)械與電子，2004（4）：29-32.

Currently gas-electric vertical welder mainly adopts fine wire with a diameter under 1.6 mm for welding of medium plate with a thickness under 40 mm.When welding the plate with a thickness over 40 mm，the welding productivity of gas-electric vertical welder with fine wire can not satisfy real production requirement. Through the examination of arc length stability provided by the gas-electric vertical welder，and the analyses of the welding processes of the gas-electric vertical welder，especially the control technique and theory of arc length in gas-electric vertical welder using thick wire，we have designed a welding system with additional features of variable wire feedrate&rappelling wire，and an arc length control system with variable speed cart crawling system combined.Both systems are mainly controlled by Atmega128 microcontroller.Tests demonstrate that the arc length control system has strong anti-interference ability and fast response.it can enable accurate compensate control against the changing arc length caused by external interference and provide precise control of the wobble ofthe weldingtorch toachieve fine weldingquality.

AVR單片機(jī)；氣電立焊；弧長(zhǎng)控制

AVR Microcontroller；Gas-electric VerticalWelder；Arc Length Control

TG434.5

A

1672-0555（2015）03-042-04

2015年4月

羅云萌（1987年-）男，碩士，主要從事焊接方面的技術(shù)和教學(xué)和科研工作