焊接进展-数字控制焊接电源

数字化焊接电源及其发展2020/3/7机械调节式单相整流式脉冲弧焊电源滑动调节式弧焊整流器抽头式弧焊整流器动铁式弧焊整流器动绕组式弧焊整流器抽头式弧焊变压器动铁式弧焊变压器动绕组式弧焊变压器柴油汽油内燃机驱动式弧焊发电机电动式弧焊发电机磁放大器式脉冲弧焊电源磁放大器式弧焊整流器串联饱和电抗器式弧焊电源电子控制式电磁控制式整流式移相式磁放大器式脉冲弧焊电源串联饱和电抗器式弧焊电源模拟式模拟式晶体管脉冲弧焊电源模拟式晶体管弧焊电源开关式逆变式晶闸管矩形波交流弧焊电源数字开关式晶闸管矩形波交流弧焊电源开关式电力电子器件脉冲弧焊电源开关式电力电子器件弧焊电源逆变式IGBT式弧焊逆变器场效应管式弧焊逆变器晶体管式弧焊逆变器晶闸管式弧焊逆变器数字式单片机控制式数字化弧焊电源DSP控制式数字化弧焊电源红色(亮红灯)—淘汰或即将淘汰或无应用意义黑色—维持状态，仍有应用价值浅绿—有一定的发展前途绿色—很有发展前途弧焊电源电源数字化代表着焊接技术发展趋势数字化焊接电源的释义数字化焊接电源的内涵数字化焊接电源的发展历程数字化焊接电源产品介绍数字化焊接电源应用举例结束语现代焊接技术的发展趋势：工艺高效化电源数字化控制智能化生产机器人化华南理工大学黄石生教授：高速、高效、优质和自动、智能化是现代焊接技术的主要发展方向，研发和推广应用数字化焊机是它的基础,也是实现现代化焊接工艺的重要标志。近年来，随着铝合金在国防、航空、航天、汽车、船舶、高速列车等制造领域越来越广泛的应用，铝合金焊接技术也在突飞猛进地发展。基于对传统电弧焊接技术的改进和创新而出现了多种新型铝合金脉冲电弧焊接技术，如脉冲变极性TIG焊接技术、变极性穿透型等离子弧焊接技术、双脉冲MIG焊接技术、变极性MIG焊接技术等。短路过渡CO2/MAG焊接作为一种低成本高效焊接技术，其应用范围愈来愈广，但焊缝成形欠佳和焊接飞溅稍大一直是广大焊接工作者长期关注和希望解决的问题。为实现这一目标，出现了许多对CO2/MAG短路过渡焊接过程进行精细控制的方法，以进一步改善焊接工艺性能。如波形控制法、双阶梯形外特性控制法、表面张力控制法、旁路控制法等，并在对其短路过渡过程进行波形控制的基础上提出了短路过渡恒频自适应控制和熔滴尺寸控制技术，以进一步提高短路过渡CO2/MAG焊接的过程稳定性和焊缝成形质量。功率半导体技术的发展促使电能的变换和应用从电磁时代走向电子时代。相应地，焊接电源则从电磁和机械控制的发电机式、变压器式、硅整流式等发展为电子控制的可控硅整流式、逆变式等，从而为实现更精确、更复杂的电源输出特性控制和焊接工艺过程控制奠定了基础。现代工业制造技术的发展对焊接接头的质量和精密性、焊接电源系统的柔性和人机交互性能、焊接生产的网络化运行和管理等提出了更高的要求。虽然模拟控制的电子式焊接电源能够在一定程度上满足现代焊接生产的需求，但存在许多局限性，如电路的复杂性增加、控制精度的稳定性不强、难于实现焊接生产的网络化运行和管理等，这促使了数字化控制焊接电源的诞生和迅速发展。北京工业大学殷树言教授：根据计算机词典，数字化的定义为：(1)按照一定规则，用数字表示字母或符号；(2)把连续的物理量用数字0／1的形式表示。按照这一表述，所谓数字化焊机就是指这样一种焊机。在逆变焊机的基础上，施加数字信号处理和数字控制技术，即用0／1编码的数字信号代替模拟信号。从而获得具有精密化、人性化、高效化、绿色化和网络化的新型焊机。数字化焊接电源的释义2020/3/7成都电焊机研究所高级工程师郑思潜：数字化焊接技术是指用计算机技术来控制焊接设备的运行状态，使其满足和达到焊接工艺所提出的要求，以得到完全合格的焊缝。数字化焊接技术的核心就是焊机的数字化。和其它专业领域一样，焊接技术的发展同样得益于数字电子技术的发展。数字化焊机技术主要包括三个方面：1.主电路的数字化，即从模拟式焊接电源到开关式焊接电源、逆变式焊接电源主电路，发展到现在大量应用的是IGBT、MOSFET或双极性晶体管式弧焊逆变器。而且涉及的焊接方法和材料范围越来越广，功率越来越大，相对体积越来越小。2.控制电路的数字化，这方面的技术应用发展是非常快的。就控制系统的结构而言，数字化焊接电源的控制部分由单片机或/和DSP（数字信号处理器）共同构成，对给定信号流、参数反馈流和网压信号流作综合处理与运算、控制，达到焊接电源的数字化、信息化、柔性化的控制。3.人机接口技术，人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者向计算机输入信息、发出指令及观察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可靠性等特点。国外已有焊机将液晶显示和键盘操作相结合，进行焊接方法、焊接工艺参数设置和信息显示等的人机交互过程。焊接小车和送丝拖动系统的数字化控制，伺服拖动已经得到了应用。工业机器人和专机与焊机的数字化接口技术。随着机器人和专机在生产中大量应用，与焊机数字化接口技术得到了迅速的发展。数字化焊接电源的内涵•所谓数字化焊接电源，就是在电子式焊接电源的基础上，以单片机、CPLD/FPGA以及DSP等大规模集成电路作为控制核心来实现焊接电源的部分或者全部数字化控制。综合数字化焊接电源的发展和现状，焊接电源的数字化主要体现在如下几个方面：–反馈控制环节的数字化–信息输入和输出的数字化–PWM控制脉冲的数字化–焊接工艺参数的存储和自动选择–焊接电源接口的数字化反馈控制环节的数字化(1)•在电子式控制的焊接电源系统中，电源（无论是其外特性还是动特性）的闭环控制系统完全是通过模拟电子器件（运算放大器、电阻、电容、二极管、三极管等）来实现的，其性能取决于模拟器件的参数和性能;•系统的精度和稳定性受器件的分布参数、温漂以及老化等因素的的影响很大,而且硬件结构较为复杂;•系统的调试过程中需要不断地更换器件，调试过程繁琐，开发周期长，在系统改进与升级时，需要进行硬件系统的调整。反馈控制环节的数字化(2)•在数字化控制的焊接电源中，通常采用单片机或者DSP来实现系统的闭环控制。•控制系统的核心控制环节（例如PID控制器）通过内嵌在单片机或者DSP中的控制算法来实现，其性能完全取决于控制算法的结构和参数，从而使得系统的稳定性、精度、可重复性得到大大的提高；•系统的调试过程只需要修改相应的软件，大大简化了设备的调试过程，从而提高开发效率。面板式人机交互系统(1)•参数设置键盘由左、中、右三块组成，左边4个键分别是记忆、读取、执行和系统参数设置键；中间是焊接参数设置、过程选择、材料选择、保护气体选择、收弧条件选择键；右边分别是组编号增减、锁键盘、电弧特性、点焊时间、一元/气冷、检气、点动键。面板式人机交互系统(2)•面板上方的8个LED数码管，三位作为参数显示1，可以显示电流、时间、焊接速度；三位作为参数显示2，可以显示电压、＋/-调节、电弧特性；两位为组编号显示。在LED数码管下方是两个参数调节旋钮，利用数字编码器来调节参数大小。PWM控制脉冲的数字化•数字化控制技术主要用于可控硅整流式和PWM控制逆变式焊接电源。•在焊接逆变电源的数字化控制中，早期主要用于电源的输出给定和时序控制以及反馈环节的PID控制算法实现，而PWM控制脉冲的产生还是依靠专用PWM控制芯片。•为了实现PWM控制脉冲的数字化，逐渐出现了基于复杂可编程逻辑器件CPLD和现场可编程门阵列FPGA的数字化PWM发生器。•随着数字信号处理器DSP的逐渐普及和应用，许多DSP芯片包含有专门的PWM输出模块，从而使实现PWM控制脉冲的数字化进一步简化。•应该说，只有实现了反馈控制环节数字化、信息输入和输出数字化、PWM控制脉冲数字化的焊接电源系统才是真正的全数字化焊接电源。焊接工艺参数的存储和自动选择•在数字化焊接电源中，可以将专家的经验以软件的形式存储下来，形成专家系统。•在焊接过程中，操作人员只要输入少量参数（例如母材类型、板厚、焊丝直径等），系统就能够自动调用已经保存的专家程序，获取最优的焊接参数。•这样可以降低对焊接人员的技术要求，缩短培训时间，减少焊接参数调整时间，提高焊接生产率。焊接电源接口的数字化•利用数字化焊接电源可以对焊接生产过程进行数字化监控，多台焊机还能够通过数字化通信形成计算机控制网络，与机器人接口形成自动化焊接系统，从而实现整个焊接生产过程的自动化，实现多机同时在线作业，提高焊接生产效率。•在全数字化焊接电源的基础上，增加焊接工艺参数存储和自动选择功能、数字化通讯接口，既增强了焊接电源系统的功能，又为数字化焊接电源系统的推广应用提供了进一步的支持。•总之，数字化控制的焊接电源是在电子式控制的基础上，以单片机、DSP等为核心来实现电源的部分或全部数字化控制，它具有如下特点：①以微处理器为控制核心，通过软硬件相结合实现对弧焊电源外特性、调节特性和动特性的控制，使控制系统更加灵活，可在一台焊接电源中实现多种焊接工艺，如TIG、MIG、MAG、CO2焊等；②弧焊电源改进升级容易，只要通过更换电源微处理器中的用户程序，就可实现设备的升级改进；③系统维护方便，通过微处理器对信息处理识别的能力，可进行故障的自诊断，便于电源的日常维护；④通信能力强，由于微处理器具有多种串口通信接口或拥有CAN总线，甚至可扩展网络通信接口，因此数字化弧焊电源很容易与机器人接口形成自动化焊接系统，或实现双机通信形成双丝高速弧焊电源系统。•数字化控制弧焊电源融合了计算机信息技术的发展成果，在控制系统上实现了由硬件控制向软件控制的过渡，可获得更快的控制速度和更高的控制精度，可使电弧的特性得到更好的控制，从而提高焊接质量和生产效率。•随着单片机、DSP等大规模集成电路制造技术的进步，微处理器的接口功能更加丰富、运算速度更高以及存储容量更大，焊接电源的工作时序控制、电压/电流的采样反馈、控制器的软件算法、电源的状态监控以及PWM控制信号的输出等都能够通过微处理器来实现。•尤其是DSP的出现，它的高速运算能力使得各种数字化控制技术完全可以在焊接电源中实现，系统的控制周期可以降到几十微妙，从而极大地提高电源系统的响应速度和控制精度。以MCU为控制核心的数字化焊接电源（1）单片机具有接口功能丰富、事件管理能力强、保护功能完善的特点。数字化焊接电源以单片机作为控制芯片，负责焊接参数的给定、焊接时序的控制、以及故障信号的监测处理，但由于单片机数据处理能力的限制，电源系统的控制补偿环节（例如PI、PID控制器）和PWM控制信号的输出仍然是通过模拟电子电路来实现。在某些焊接电源中，单片机也作为系统的补偿控制环节来对电源的输出进行闭环控制，这时的焊接电源可以说是具有了数字化焊接电源的雏形。总的来说，在以单片机作为控制核心的焊接电源中，主要是利用单片机进行事件管理。单片机较弱的数据运算能力使得电源系统仍然要借助于较多的模拟电路环节来进行控制。以DSP为控制核心的数字化焊接电源（1）•数字信号处理器DSP具有如下特点：①乘法器采用硬件逻辑完成，能在一个周期内完成乘法和加法运算；②采用哈佛结构，将程序空间和数据空间分开编址，读程序和读/写数据可以同时进行，芯片处理速度快；③采用多重流水线结构，读指令、译码、执行指令等过程可以并行进行，大大提高了指令的执行速度；④片内时钟速度快，DSP的片内时钟速度一般都能达到100MHz以上，甚至达到1GHz。以DSP为控制核心的数字化焊接电源（2）•与单片机相比，DSP最大的优势在于其极快的运算速度以及极强的数值计算能力。在以DSP作为控制核心的焊接电源中，参数的给定、控制算法的实现、电源状态的监控全部由DSP来完成，从而实现焊接电源的全数字化控制。在DSP控制的焊接电源中，PWM控制信号的输出还有一部分是通过模拟电路来实现的。以DSP为控制核心的数字化焊接电源（3）•目前，有不少DSP芯片已经能够直接输出多路PWM信号，以这些DSP芯片作为控制核心，主电路的多路PWM控制信号也能由微处理器的功能模块直接给出，从而进一步简化电路的结构、增加控制系统的灵活性。•然而，以单个DSP作为控制核心的数字化焊接电源只能是功能较为单一