水下焊接機器人智能潛水送絲系統(tǒng)的研制*

王振民 馮銳杰 馮允樑 黃石生

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

近年來，海洋工程、核電工程以及船舶工業(yè)等的高速發(fā)展，對水下自動化焊接技術(shù)(尤其是水下焊接機器人技術(shù))提出了迫切需求.水下焊接存在較大的復(fù)雜性和不確定性，為獲得優(yōu)良的水下焊接效果，除了要有高質(zhì)量的水下機器人焊接專用電源，專用的潛水送絲系統(tǒng)也至關(guān)重要.

與地面上使用的常規(guī)送絲系統(tǒng)相比，潛水送絲系統(tǒng)不僅要具有足夠小的體積以利于密封防水，還要能在足夠?qū)挼乃徒z調(diào)速范圍內(nèi)確保送絲的穩(wěn)定性和均勻性;尤其需要注意的是，由于水下焊接的速度普遍比陸上焊接的慢，潛水送絲系統(tǒng)必須具有優(yōu)異的低速送絲性能，并可對水下焊接的高速動態(tài)變化過程做出實時、準確的響應(yīng)［1-2］.此外，為了保證水下焊接工作的連續(xù)性，還需要對焊絲的消耗情況進行實時監(jiān)測［3］.目前，市面上銷售的送絲機體積一般都比較大，難以實時監(jiān)測焊絲的消耗情況，而且多為模擬控制型送絲機，控制的精確性和柔性欠佳，難以滿足水下焊接機器人優(yōu)質(zhì)、高效焊接的需求.

針對上述問題，文中充分利用數(shù)字信號控制器(DSC)級ARM 嵌入式微處理器的優(yōu)異運算性能、高功能集成度和實時性，結(jié)合電渦流式接近開關(guān)對焊絲的渦流檢測特性，采用體積小、運行平穩(wěn)、能實現(xiàn)無級調(diào)速的直流印刷電機，設(shè)計了一種低成本、高穩(wěn)定性、全數(shù)字化控制的智能潛水送絲系統(tǒng)，實現(xiàn)了送絲速度的無級調(diào)速與焊絲狀態(tài)的非接觸、實時監(jiān)測.該系統(tǒng)能滿足水下熔化極氣體保護焊的工藝要求，可無縫集成應(yīng)用于水下焊接機器人等智能化焊接設(shè)備.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 送絲系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及控制方式

圖1 為潛水送絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖.送絲電機、電渦流式接近開關(guān)、送絲輪組件等均安裝于密封罩內(nèi).送絲電機采用低慣性量的直流印刷電機，其轉(zhuǎn)動慣量和繞組的電感值與其他類型的伺服電機相比要小得多，所以其時間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，啟動轉(zhuǎn)矩大，可以實現(xiàn)無級調(diào)速，而且結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，完全可以滿足高質(zhì)量水下焊接工藝對送絲系統(tǒng)性能的要求［4］.

圖1 潛水送絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the structure of underwater wire feeder

該送絲系統(tǒng)采用全數(shù)字控制方式，信號的輸入、輸出完全由數(shù)字芯片控制.控制系統(tǒng)的核心為ARM CortexTM-M4 架構(gòu)的32 位精簡指令集計算機(RISC)嵌入式微處理器STM32F405RGT6.該微處理器支持JTAG 標準測試協(xié)議，能實現(xiàn)系統(tǒng)的在線編程，其運行頻率高達168 MHz，集成單周期數(shù)字信號處理(DSP)指令和浮點運算單元(FPU)，適合復(fù)雜的信號處理和過程控制;片上集成12 位高速模/數(shù)變換器(ADC)模塊，能夠滿足對各種信號的實時采樣要求;內(nèi)置支持控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0A和2.0B 的CAN 收發(fā)器，保證了系統(tǒng)與焊接電源間的可靠通信;內(nèi)置14 個定時器模塊，可以產(chǎn)生多路PWM(脈寬調(diào)制)信號，用于產(chǎn)生送絲電機驅(qū)動信號，且每個通用輸入/輸出(GPIO)均可觸發(fā)中斷，可用于焊接過程中各開關(guān)信號量的處理，在大大簡化外圍電路的同時保證了系統(tǒng)運行的可靠性［5］.

1.2 送絲驅(qū)動電路的設(shè)計

目前，許多新型焊接工藝都要求送絲系統(tǒng)不但可以正轉(zhuǎn)送絲，還可以反轉(zhuǎn)抽絲，而且要求在引弧階段能實現(xiàn)焊絲的低速送進，在焊接階段能實現(xiàn)焊絲的勻速送進［6-7］.因此，在送絲驅(qū)動電路的設(shè)計中，必須實現(xiàn)可逆PWM 送絲電機驅(qū)動的要求，以達到所需的送絲效果.而根據(jù)直流印刷電機轉(zhuǎn)速n 的數(shù)學(xué)表達式，要實現(xiàn)對直流印刷電機的速度調(diào)節(jié)，一般有兩種方法:一是對勵磁磁通Ф 進行控制的勵磁控制法，另一種是對電機的電樞電壓U 進行控制的電樞電壓控制法［8］.直流印刷電機轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達式如下:

式中，I 為電樞電流，R 為電樞回路的電阻，k 是感應(yīng)電動勢常數(shù)，di/dt 表示電機勵磁電流隨時間的變化率.由于電機的勵磁磁通難以準確檢測及控制，為保證在精確控制電機速度的同時簡化送絲系統(tǒng)控制電路，采用電樞電壓控制法.采用該電機速度調(diào)節(jié)方法能夠?qū)崿F(xiàn)電機電樞電壓的穩(wěn)定，可以在一定程度上補償由網(wǎng)壓波動及電源內(nèi)阻變化造成的電機轉(zhuǎn)速波動，且由式(1)可以看出，采用電樞電壓控制法可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對直流印刷電機轉(zhuǎn)速的無級平滑調(diào)節(jié).

通過脈寬調(diào)制型半橋可逆斬波電路實現(xiàn)電樞電壓的調(diào)節(jié)控制，如圖2 所示.設(shè)開關(guān)管對應(yīng)的PWM 驅(qū)動信號占空比為q，則電機電樞的平均電壓U 可以表示為

式中，U0為脈沖電壓幅值.調(diào)節(jié)占空比q，也就改變了送絲電機電樞的平均電壓U，從而實現(xiàn)了送絲速度的調(diào)節(jié)［9］.驅(qū)動器件選擇International Rectifier 公司的N 溝道型功率MOS 管IRF540N，該模塊具有開關(guān)損耗低、開關(guān)快速的特點，開通時間與關(guān)斷時間分別只需8 和26 ns，足以實現(xiàn)無延時的開通和關(guān)斷，保證了送絲速度的精確調(diào)制與快速響應(yīng).

圖2 送絲驅(qū)動電路Fig.2 Drive circuit of wire feeder

1.3 焊絲狀態(tài)檢測模塊的設(shè)計

區(qū)別于傳統(tǒng)的機械接觸式的焊絲狀態(tài)檢測技術(shù)，文中系統(tǒng)的焊絲狀態(tài)檢測模塊采用電渦流式接近開關(guān)作為檢測元件，配合外部電路和軟件，能實現(xiàn)焊絲狀態(tài)的非接觸式、實時監(jiān)測［10-11］.模塊組成如圖3 所示.

圖3 焊絲狀態(tài)檢測模塊框圖Fig.3 Block diagram of wire state detection module

接近開關(guān)采用二線制的TCO-3040BL NPN 常閉型電渦流式接近開關(guān)，其檢測距離達40 mm，應(yīng)答頻率最高可達20 Hz，重復(fù)精度≤3%，且內(nèi)部集成浪涌保護回路，在確保穩(wěn)定、可靠工作的同時也簡化了外部硬件電路，使得控制更加靈活［12］.為避免在焊絲接近耗盡時出現(xiàn)誤判，在檢測端加入電壓采樣電路，對接近開關(guān)的輸出端電壓進行采樣和運算處理，當(dāng)結(jié)果低于一定閥值時，則認為焊絲已經(jīng)耗盡，保證了檢測結(jié)果的可靠性.

2 控制軟件的設(shè)計

2.1 送絲系統(tǒng)的電壓采樣

為了進一步提高送絲穩(wěn)定性，在對比幾種送絲調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上［13］，綜合考慮送絲系統(tǒng)體積、整體成本等因素，采用基于電機的電樞電壓負反饋的PWM 送絲調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖見圖4，其中Uf為經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的送絲電機采樣電壓.

圖4 電樞電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of the negative feedback control based on armature voltage

充分考慮到送絲系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)性能與功率管的開關(guān)損耗，設(shè)定電機的PWM 驅(qū)動信號頻率為20.4 kHz.同時，為保證電機電壓的可靠采樣及程序的執(zhí)行效率［14］，設(shè)置電機電壓采樣及A/D 轉(zhuǎn)換為PWM 上升沿觸發(fā)，且每0.7 ms 為一個調(diào)節(jié)周期，即每0.7 ms 采樣一組送絲電機電壓信號并進行A/D轉(zhuǎn)換.

為使采樣后的電壓信號不失真，應(yīng)滿足采樣定理，即電壓采樣信號的頻率fs必須高于輸入模擬信號頻譜中的最高次諧波成分頻率fimax的2 倍，數(shù)學(xué)表達式為

在實際工程應(yīng)用中，選擇采樣頻率fs＞2fimax即可滿足采樣定理的要求.潛水送絲系統(tǒng)的電機電壓變化最高次諧波成分頻率為fimax=20.4 kHz，故選取電機電壓采樣頻率為fs=83.3 kHz，信號波形見圖5.電機電壓采樣及A/D 轉(zhuǎn)換的PWM 觸發(fā)信號周期Ts=12 μs，即在電機電壓采樣階段，每12 μs 進行一次采樣動作.設(shè)定一組電機電壓采樣信號包含49 個采樣點，即在0.7 ms 內(nèi)采樣49 次送絲電機電壓并進行A/D 轉(zhuǎn)換，而Timax=49 μs，則采樣49 個點共經(jīng)歷了12 個PWM 周期.Ts與Timax互質(zhì)，這就保證了49 個電壓采樣點的位置在PWM 周期中相互錯開，確保了采樣數(shù)據(jù)的隨機性與代表性，使得采樣值更加接近實際電壓值.

圖5 PWM 驅(qū)動信號與A/D 采樣觸發(fā)信號Fig.5 PWM driving signal and A/D sampling trigger signal

2.2 采樣信號的濾波設(shè)計

潛水送絲系統(tǒng)的工作環(huán)境相對惡劣，焊接電源產(chǎn)生的噪聲干擾信號會對電壓的采樣精度產(chǎn)生影響，所以需要對每組采樣的電壓信號進行濾波處理，以保證其準確性.所用的濾波算法結(jié)合了去極值滑動濾波法與限幅平均濾波法，能有效消除偶然因素引起的脈沖干擾與隨機干擾引起的采樣偏差［15］，使速度調(diào)節(jié)曲線更加平滑.算法流程如圖6所示.

圖6 電壓采樣濾波算法流程Fig.6 Flow chart of voltage sampling and filtering algorithm

2.3 焊絲狀態(tài)檢測流程

圖7 所示為焊絲狀態(tài)檢測模塊的工作流程.為優(yōu)化程序、提高執(zhí)行效率，控制芯片定時對模塊檢測端的值進行掃描及去抖，當(dāng)控制芯片確認模塊檢測端可靠復(fù)位后［16］才觸發(fā)，對電渦流式接近開關(guān)輸出端電壓按確定的采樣頻率進行采樣，以確保采樣的電壓值更接近真實電壓.所采樣的電壓值經(jīng)過等比例降壓、A/D 轉(zhuǎn)換及軟件濾波后，與設(shè)定的閾值進行比較，高于閾值則認為此時焊絲已經(jīng)耗盡，繼而進行相應(yīng)的故障處理;反之則表明檢測結(jié)果為有焊絲.

圖7 焊絲狀態(tài)檢測流程Fig.7 Flow chart of welding wire state detection

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 送絲軟管狀態(tài)變化試驗

考量送絲速度穩(wěn)定性的指標一般是電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)波動、焊槍送絲軟管狀態(tài)變化時送絲速度的變化率［17］.由于所研制的潛水送絲系統(tǒng)采用獨立的供電模塊提供系統(tǒng)所需的24 V 直流電壓，保證了系統(tǒng)輸入電壓的線性度，所以電網(wǎng)電壓在范圍內(nèi)的波動對送絲速度的影響可忽略不計，因此影響系統(tǒng)送絲速度穩(wěn)定性的主要因素是送絲軟管狀態(tài)變化造成的送絲阻力變化.當(dāng)輸入額定電壓時，測量送絲系統(tǒng)在送絲軟管平直狀態(tài)下和在其中部繞一直徑為400mm 的圈的狀態(tài)下各自的送絲速度，試驗結(jié)果見表1.圖8 所示為送絲系統(tǒng)實物圖.

表1 送絲軟管狀態(tài)變化時的送絲速度Table 1 Wire feeding speed in different wire f eeder tube states

圖8 送絲系統(tǒng)實物圖Fig.8 Picture of the developed wire feeding system

由表1 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)送絲軟管狀態(tài)變化導(dǎo)致送絲阻力變化時，系統(tǒng)送絲速度的波動均在±3.5%以內(nèi)，遠低于國家標準中送絲速度變化率不超過±10%的要求.送絲速度越低，速度的變化率越明顯，這是由于送絲電機工作在低速狀態(tài)下的扭矩比高速狀態(tài)下的小，故送絲阻力變化時送絲速度的波動更為明顯.因此，文中送絲系統(tǒng)的送絲穩(wěn)定性以及送絲速度的可調(diào)節(jié)性能夠滿足水下熔化極焊接技術(shù)的工藝要求.兩種軟管狀態(tài)下的送絲速度曲線如圖9 所示.

圖9 送絲速度曲線Fig.9 Curves of wire feeding speed

3.2 焊絲狀態(tài)檢測模塊實驗

根據(jù)氣體保護焊中焊接電流與送絲速度的關(guān)系曲線［18］，選擇實驗條件如下:焊接電流，260 A;送絲速度，7m/min;采用直徑φ1.2mm 的不銹鋼焊絲.在實驗條件下對送絲電機兩端電壓進行采樣，結(jié)果如圖10 所示.當(dāng)檢測結(jié)果為有焊絲時，送絲電機以給定速度穩(wěn)定運行，此時電機兩端平均電壓為10V;當(dāng)檢測到焊絲已經(jīng)耗盡時，電渦流式接近開關(guān)閉合，主控芯片隨即調(diào)整送絲電機的PWM 驅(qū)動信號占空比，使其處于剎車狀態(tài)，此時電機兩端平均電壓為2V.由圖10 可知，焊絲狀態(tài)檢測模塊由發(fā)現(xiàn)焊絲已經(jīng)耗盡至完成送絲電機運行狀態(tài)的切換，用時少于4 ms，反應(yīng)迅速，檢測結(jié)果穩(wěn)定可靠.

圖10 電機電壓曲線Fig.10 Curve of motor voltage

4 結(jié)論

(1)文中開發(fā)的以DSC 級ARM 嵌入式微處理器為控制核心的全數(shù)字智能潛水送絲系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制靈活、抗干擾能力強等特點，能夠滿足水下焊接工藝的要求.

(2)采用脈寬調(diào)制的半橋可逆斬波送絲驅(qū)動電路方案，結(jié)合送絲電機的電樞電壓負反饋控制，在減小系統(tǒng)體積的同時提高了送絲的穩(wěn)定性、均勻性，電壓和送絲速度線性度好，抗負載轉(zhuǎn)矩變化能力強.

(3)基于電渦流式接近開關(guān)的焊絲狀態(tài)檢測能實現(xiàn)焊絲狀態(tài)的非接觸、實時監(jiān)測，響應(yīng)迅速，檢測結(jié)果穩(wěn)定、可靠，能滿足水下焊接機器人等智能化焊接設(shè)備的要求.

［1］Palani P K，Murugan N.Modeling and simulation of wire feed rate for steady current and pulsed current gas metal arc welding using 317L flux cored wire［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2007，34(12):1111-1119.

［2］陳建平.局部干法水下焊接工藝及焊縫質(zhì)量研究［D］.南昌:南昌大學(xué)機電工程學(xué)院，2013.

［3］Gao Hui，Jiao Xiangdong，Zhou Chanfeng，et al.Study on remote control underwater welding technology applied in nuclear power station ［J］.Procedia Engineering，2011，15:4988-4993.

［4］Kah P，Suoranta R，Martikainen J.Advanced gas metal arc welding processes ［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，67(1):655-674.

［5］張紅兵.基于ARM 的雙絲脈沖MIG 高速焊分布式控制系統(tǒng)的研究［D］.廣州:華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，2010.

［6］Jong Gu Kang，Gyeong Su Ryu，Dong Cheol Kim，et al.Optimization of arc-start performance by wire-feeding control for GMA welding［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27(2):501-509.

［7］沙德尚，廖曉鐘，單立軍，等.送絲電機全數(shù)字化控制策略［J］.焊接學(xué)報，2009，30(3):49-53.Sha Deshang，Liao Xiaozhong，Shan Lijun，et al.Fully digitalized control strategy of wire feed motor ［J］.Transactions of the China Welding Institution，2009，30(3):49-53.

［8］田松亞，顧公兵，龍火軍.基于TL494 的PWM 等速送絲電路的設(shè)計［J］.焊接學(xué)報，2004，25(5):33-36.Tian Song-ya，Gu Gong-bing，Long Huo-jun.Circuit design of feeding wire system based on TL494 by pulse width modulation technology［J］.Transactions of the China Welding Institution，2004，25(5):33-36.

［9］殷樹言.CO2焊接設(shè)備原理與調(diào)試［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［10］Li W B，Xiao F，Yu M，et al.Eddy current proximity switch used as the position loop for the linear induction motor controller application［C］∥Proceedings of IEEE 6th International Power Electronics and Motion Control Conference:ECCE Asia Conference Digests.Wuhan:［s.n.］，2009.

［11］Ku Namkug，Chan Ju-hwan，Lee Kyu-Yeul，et al.Development of a mobile welding robot for double-hull structures in shipbuilding［J］.Journal of Marine Science and Technology，2010，15(4):374-385.

［12］李漢寧，吳軍，黃凌建.DC 二線電感式接近開關(guān)在造型線上的應(yīng)用［J］.鑄造設(shè)備與工藝，2010(4):12-14.Li Han-ning，Wu Jun，Huang Ling-jian.Application of DC two-wire inductive proximity switches in molding line［J］.Foundry Equipment and Technology，2010(4):12-14.

［13］楊帥，劉嘉，閆思博，等.數(shù)字化交流伺服CO2焊推拉送絲系統(tǒng)［J］.焊接學(xué)報，2009，30(5):101-105.Yang Shuai，Liu Jia，Yan Sibo，et al.Digital AC servo push ＆ pull feeding system for CO2welding［J］.Transactions of the China Welding Institution，2009，30(5):101-105.

［14］薛家祥，蒙萬俊，熊丹楓，等.基于ARM 的多功能數(shù)字化逆變電源［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，38(5):95-99.Xu Jia-xiang，Meng Wan-jun，Xiong Dan-feng，et al.Multifunctional digital inverter power supply based on ARM［J］.Journal of South China University of Technology:Natural Science Edition，2010，38(5):95-99.

［15］張超，楊志義，馬峻巖.限幅濾波算法在WSN 數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(6):1207-1212.Zhang Chao，Yang Zhi-yi，Ma Jun-yan.Limiting filtering algorithm in WSN data preprocessing application［J］.Science Technology and Engineering，2011，11(6):1207-1212.

［16］羊祥云，李維波.渦流接近開關(guān)輸出波形質(zhì)量影響研究［J］.計量與測試技術(shù)，2009，36(4):15-19.Yang Xiang-yun，Li Wei-bo.Analysis of the factors to influence quality of the current proximity switch［J］.Metrology ＆ Measurement Technique，2009，36(4):15-19.

［17］葉振忠，王蕓，楊昱，等.一種實用新型CO2弧焊PWM送絲調(diào)速系統(tǒng)［J］.焊接學(xué)報，2003，24(3):79-81.Ye Zhen-zhong，Wang Yun，Yang Yu，et al.PWM wire feeder timing system in CO2arc welding machine［J］.Transactions of the China Welding Institution，2003，24(3):79-81.

［18］王榮清.簡論CO2氣體保護焊的工藝參數(shù)選擇［J］.科協(xié)論壇，2010(2):26-28.Wang Rongqing.The selection of technological parameters of CO2shielded arc welding［J］.Science ＆ Technology Association Forum，2010(2):26-28.