基于單片機(jī)控制的TIG弧長跟蹤系統(tǒng)研究

陶會(huì)發(fā)，陳鳳林，呂其兵

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

基于單片機(jī)控制的TIG弧長跟蹤系統(tǒng)研究

陶會(huì)發(fā)，陳鳳林，呂其兵

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

針對(duì)TIG弧長跟蹤過程中存在高頻高壓的干擾和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的問題，以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了弧壓采樣電路、單片機(jī)檢測與控制系統(tǒng)和弧長調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等弧長跟蹤控制系統(tǒng)硬件，在此基礎(chǔ)上采用PD控制算法設(shè)計(jì)并編制了弧長控制軟件，組成了TIG焊弧長跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)在現(xiàn)場TIG焊中的應(yīng)用表明：系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)TIG焊的弧長跟蹤，能夠克服TIG焊高頻引弧的影響，動(dòng)態(tài)響應(yīng)度快、調(diào)節(jié)精度高，且工作性能穩(wěn)定可靠。

TIG焊；弧長跟蹤；高頻高壓；動(dòng)態(tài)響應(yīng)

0　前言

TIG焊因其電弧挺度好、焊縫易成形等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。目前，K-TIG（鎖孔TIG焊）更是以焊接生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、成本低等優(yōu)點(diǎn)大大擴(kuò)展了TIG焊的應(yīng)用范圍。在TIG焊中，焊接電源一般采用陡降外特性，電源特性保障了焊接電流的恒定，但焊接接頭的質(zhì)量除與電流有關(guān)外，還與焊接弧長密切相關(guān)。在焊接過程中，工件的特殊外形、工件表面的不平整性或者運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性都可能引起電弧長度的變化，從而使工件表面熱輸入及其分布發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致工件出現(xiàn)未熔合或焊穿現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。因此在一些對(duì)焊接接頭質(zhì)量要求較高的場合，如軍工、航天等需要精確控制焊接弧長，而焊接弧長在焊接電流、保護(hù)氣體流量、鎢極直徑和尖端錐度一定的條件下，與電弧電壓之間有很好的線性關(guān)系，因此，弧長的控制往往轉(zhuǎn)化為弧壓的檢測與控制[1-3]。目前，弧長跟蹤系統(tǒng)弧壓跟蹤精度可以達(dá)到0.1～0.2V，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度200～300ms，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，但步進(jìn)電機(jī)成本高、控制復(fù)雜。為此，基于單片機(jī)控制直流電機(jī)進(jìn)行弧長跟蹤研究。

1　硬件電路設(shè)計(jì)

弧長跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在焊接過程中，電弧電壓和電流信號(hào)經(jīng)過濾波、隔離等環(huán)節(jié)進(jìn)入單片機(jī)的A/D端口，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算判斷當(dāng)前電弧高度與設(shè)定的弧長是否相符，根據(jù)誤差進(jìn)行運(yùn)算，并輸出驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整焊槍高度，實(shí)現(xiàn)弧長跟蹤。系統(tǒng)在弧長跟蹤過程中需要采集弧壓、電流和弧壓設(shè)定值三路模擬量信號(hào)。根據(jù)式（1）可以將弧壓采樣值和弧壓設(shè)定值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的弧長值

式中U、I、L分別為焊接電弧的電壓、電流和弧長；K1是與電流有關(guān)的常數(shù)；K2、K3、K4為特定常數(shù)。

圖1　弧長跟蹤系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1弧壓采樣電路設(shè)計(jì)

為了消除高頻高壓對(duì)系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)了如圖2所示的弧壓信號(hào)采集電路。電弧電壓取自a、b兩點(diǎn)，C1、C2均選用高壓瓷片電容，當(dāng)引弧頻率f=250 kHz時(shí)，計(jì)算得R2、C1和C2的并聯(lián)復(fù)阻抗的模Z=3.3 Ω，此時(shí)電阻R2的分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R1的分壓，有效地保護(hù)了后級(jí)電路免受高頻高壓沖擊；同時(shí)穩(wěn)壓管VS選用瞬變抑制二極管（TVS），它能以極高的速度（10～12 s）使阻抗降低，將其兩端的電壓鉗位在一個(gè)預(yù)定數(shù)值上，從而確保后級(jí)免受瞬態(tài)高能量沖擊。

圖2　弧壓信號(hào)采集電路

另外，經(jīng)過上述方式處理后的信號(hào)Uab再進(jìn)一步經(jīng)過光電隔離電路輸入至單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口P1.0，保證了單片機(jī)系統(tǒng)的安全與系統(tǒng)可靠工作。

1.2驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)

弧長調(diào)節(jié)采用齒輪/齒條拖板機(jī)構(gòu)，焊槍裝在拖板上，通過直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)弧長，選用24 V、10 W的直流電機(jī)。為提高弧長調(diào)節(jié)的精度和調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，采用H型橋調(diào)速機(jī)構(gòu)，電機(jī)調(diào)速主電路及電樞電壓波形如圖3a、3b所示。

圖3　直流電機(jī)調(diào)速主電路、電樞電壓波形及隔離功放電路

電機(jī)電樞電壓

當(dāng)T1>T2，電機(jī)正轉(zhuǎn)；T1=T2，電機(jī)不轉(zhuǎn)；T1

單片機(jī)檢測TIG焊的電弧電壓，并根據(jù)式（1）計(jì)算對(duì)應(yīng)的弧長，與根據(jù)弧壓設(shè)定值計(jì)算的弧長值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄓ?jì)算后輸出固定周期的PWM信號(hào)，經(jīng)過隔離和功率放大，驅(qū)動(dòng)V2、V3、V1、V4，從而對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。

選用兩片美國IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片，記為I1和I2，與高速數(shù)字光耦4N25及外圍電路組成隔離和功率放大電路，如圖3c所示。I1的LO、HO管腳控制V3、V4的柵極，I2的LO、HO管腳控制V1、V2的柵極。T1時(shí)刻，單片機(jī)P1.3口輸出信號(hào)為高，則I1管腳HIN為高、LIN為低、HO為高、LO為低，I2管腳HIN為低、LIN為高、HO為低、LO為高，V1、V4開通，V2、V3關(guān)斷；T2時(shí)刻，單片機(jī)P1.3口輸出信號(hào)為低，則I1管腳HIN為低、LIN為高、HO為低、LO為高，I2管腳HIN為高、LIN為低、HO為高、LO為低，V2、V3開通，V1、V4關(guān)斷。

2　軟件設(shè)計(jì)

2.1弧壓控制算法

處理器選用STC12C5A60S2單片機(jī)，具有8路10位AD，有兩個(gè)定時(shí)器，帶PWM輸出功能。電弧電壓經(jīng)過隔離進(jìn)入單片機(jī)AD端口，單片機(jī)將采集到的弧壓值轉(zhuǎn)變?yōu)榛￠L采樣值L1，并與弧長給定值L0比較得弧長偏差信號(hào)ΔL=L1-L0，控制算法采用比例微分控制算法，弧長控制量P的計(jì)算公式為

比例系數(shù)Kp=2，微分系數(shù)Kd=1/50，單片機(jī)根據(jù)弧長控制量P產(chǎn)生脈寬可調(diào)的PWM信號(hào)，經(jīng)過隔離和功率放大控制直流電機(jī)。

2.2控制程序

軟件程序主要包括主程序和子程序兩個(gè)部分。主程序控制各個(gè)硬件電路的執(zhí)行過程順序，子程序主要是一些功能程序，如AD轉(zhuǎn)換子程序、定時(shí)器服務(wù)子程序。程序框圖如圖4所示，單片機(jī)上電后進(jìn)入初始化狀態(tài)，檢測到啟動(dòng)信號(hào)后控制系統(tǒng)引弧，如果引弧失敗則重新引弧，引弧成功則進(jìn)入弧長跟蹤狀態(tài)，跟蹤過程中出現(xiàn)熄弧或者檢測到停止信號(hào)系統(tǒng)則直接進(jìn)入初始化狀態(tài)。

圖4　弧長自動(dòng)控制程序框圖

3　試驗(yàn)和分析

采用直流TIG焊工藝，選用TIG-250逆變直流氬弧焊機(jī)，保護(hù)氣體為純Ar，流量10 L/min，焊接電流20A，鎢極直徑2.0mm，尖端錐度30°，弧長3mm。

在確定了PD控制相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過焊接試驗(yàn)過程確定單片機(jī)PWM控制信號(hào)的頻率，對(duì)于不同的PWM控制信號(hào)頻率，其響應(yīng)速度不同，PWM控制信號(hào)頻率過低，即電樞電壓頻率過低時(shí)，電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較差，且較容易產(chǎn)生共振。對(duì)應(yīng)200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz的弧長調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5　不同頻率的弧長調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線

由圖5可知，頻率高其響應(yīng)速度快，但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著頻率的升高，電機(jī)帶載能力下降，頻率進(jìn)一步升高，甚至電機(jī)帶不動(dòng)焊槍負(fù)載。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)試，當(dāng)PWM信號(hào)頻率為300 Hz時(shí)，試驗(yàn)用電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能和帶載能力可以同時(shí)滿足要求。

為檢驗(yàn)弧長跟蹤的精度及動(dòng)態(tài)性能，采用上述焊接工藝參數(shù)及弧長設(shè)定值進(jìn)行焊接試驗(yàn)。在碳鋼平板上開寬30mm、深1mm的凹槽，如圖6所示。

圖6　凹槽板

在凹槽板上連續(xù)進(jìn)行弧長跟蹤試驗(yàn)，電弧進(jìn)入凹槽和離開凹槽的電壓曲線示波器截圖如圖7a、圖7c所示，電壓為經(jīng)過分壓濾波和隔離的電弧電壓信號(hào)，圖7b、圖7d為曲線經(jīng)過低通和數(shù)字濾波處理。進(jìn)入凹槽時(shí)電弧拉長1 mm，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間tab= 80 ms，控制系統(tǒng)的全程調(diào)整時(shí)間tbc=120 ms；離開凹槽時(shí)電弧縮短1mm，tab=90ms，tbc=100ms。試驗(yàn)結(jié)果表明弧長跟蹤系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)深度為1 mm的凹槽的上下跟蹤，而不會(huì)碰撞工件，電弧進(jìn)入凹槽和離開凹槽弧長調(diào)節(jié)過程在200 ms內(nèi)完成。

圖7　弧長調(diào)整曲線

焊接過程中，設(shè)定弧長對(duì)應(yīng)電壓為2.1 V，在弧長跟蹤過程中，曲線所示電壓在0.05V范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)應(yīng)弧壓誤差為±0.2 V，這樣的弧壓跟蹤精度能夠滿足TIG焊弧長跟蹤的要求。

上述TIG焊接試驗(yàn)確定了基于單片機(jī)控制的PD參數(shù)，采用設(shè)計(jì)的采樣電路能有效保護(hù)后級(jí)電路，在焊機(jī)整個(gè)運(yùn)行過程中，起弧、焊接、斷弧都能夠正常工作，避免了焊機(jī)起弧或焊接過程中因不穩(wěn)定產(chǎn)生的瞬態(tài)高頻高壓對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試控制系統(tǒng)參數(shù)，得到了最佳焊接控制參數(shù)。

4　結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的弧壓采樣電路消除了引弧高頻高壓對(duì)系統(tǒng)的影響，通過51單片機(jī)提取弧長信息，并采用PD控制算法處理輸入弧長信號(hào)，實(shí)現(xiàn)弧長跟蹤功能。

（2）提出的基于單片機(jī)的PWM弧長控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的控制；經(jīng)過試驗(yàn)確定了最佳的控制頻率，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、跟蹤精度高。

[1]孫振國，陳念，陳強(qiáng)，等.精密脈沖TIG焊中的弧長跟蹤技術(shù)[J].焊接學(xué)報(bào).2001，22（1）：46-48.

[2]楊春利，林三寶.TIG焊弧光傳感弧長控制的研究[J].材料科學(xué)與工藝，1998，6（1）：50-52.

[3]李德清，俞善松.交、直流鎢極氬弧焊弧長自動(dòng)調(diào)節(jié)的研究[J].電焊機(jī)，1986（6）：8-9.

Study on arc length tracking system of TIG welding based on SCM control

TAO Huifa，CHEN Fenglin，LV Qibing
（School ofMaterial Science and Engineering，SWJTU，Chengdu 610031，China）

In view of the slow dynamic response and disturbances of high frequency and high voltage during TIG arc length tracing process，the hardware and software of arc length tracking system are designed based on SCM of STC12C5A60S2.The hardware includes arc voltage sampling circuit，SCM detection and control system，and drive circuit of arc length control motor.The software includes the control algorithm of PD and the arc length control software.The application of the system in TIG welding shows that the system can be a very good implementation of TIG welding arc length tracking，and the control system can overcome the influence of high frequency during arcstrike，andthesystemhastheadvantagesoffastdynamicresponse，highregulationprecisionandstableandreliableworkingperformance.

TIG welding；arc length tracing；high frequency high voltage；dynamic response

TG444

A

1001-2303（2015）11-0050-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.10

2015-04-01；

2015-04-29

陶會(huì)發(fā)（1990—），男，河南人，在讀碩士，主要從事焊接自動(dòng)化的研究。