第4章-电弧焊自动控制基础

第4章电弧焊自动控制基础应用自动控制技术，是获得稳定的电弧，焊丝熔化，熔滴过渡及焊缝成形的根本途径。4-1电弧焊的程序自动控制电弧焊的程序自动控制是指自动焊接设备的各个部件、各种功能进入指定工作状态的先后次序控制。一、程序自动控制的对象和要求电弧焊的程序自动控制的主要对象有1）弧焊电源—弧焊变压器、整流器、逆变器等。2）送丝电动机。3）行走或移动焊件的驱动电动机4）输送保护气或离子气的电磁气阀。5）高频脉冲发生器6）焊枪或焊件定位驱动电机、焊件定位夹紧气阀焊剂回收泵等。电弧焊程序自动控制的基本要求：1．提前送气或滞后停气：气体保护焊设备必须在电弧引燃前和熄灭后，使熔池及热影响区（HAZ）获得良好保护。2．可靠地一次引电弧，常用引弧控制方式：1）爆裂引弧：2）慢送丝引弧：3）回抽引弧：4）高频或脉冲引弧：3．顺利地熄弧收焊：填满弧坑，防焊丝粘工件或导电嘴防焊丝端部结球，以利于重复引弧。控制方法有：焊丝返烧熄弧，除球熄弧，电流衰减熄弧，电弧后退熄弧以上各控要求可用受控对象某些特征参数的时间函数—程序循环图表示。图4-1为几种自动焊方法的程序循环图。除此之外，也可用表格法框图法等描述程序控制循环。这些描述源于工艺设计的要求，是焊接设备程控电路的设计依据。除正常焊接过程要求，还应满足空载状态时焊丝，小车位置调整，高频检测，气流量预调及必要的指示与保护环节。图4-1自动电弧焊的程序循环图a.TIGb.GMAWc.SAWd.专用CO2焊e.PAWf.P-TIG二、程序自动控制的转换和实现方法：电弧焊程控除接受必要的人工操作指令，如启动，停止，急停之外，其余程序转换都无需人工参与而自动实现。转换类型有：1）时间转换：按时间间隔进行程序转换。保护气体提前、滞后，焊丝返烧熄弧等即属此类。2）行程转换：以空间距离为程序转换条件。如焊缝终点自动熄弧，焊枪自动返回，限位开关等。3）条件转换：以电弧引燃或熄灭等特定条件实现转换。程序自动控制的实现方法通常有：1）继电器控制：是电弧焊设备常用方法，由开关，按钮，继电器，接触器和电磁气阀，水压开关，温度继电器等组成，按一定逻辑条件（基本逻辑为“或”、“与”、“非”）组合实现工艺动作程序控制。见图4-2。2）无触点控制：利用分立元件，IC元件逻辑门电路及晶闸管开关管等构成无触点程控取代继电器系统，已在专用弧焊设备中得到应用。接触器是一种用于中远距离频繁地接通与断开交直流主电路及大容量控制电路的一种自动开关电器。电磁式中间继电器晶体管时间继电器图4-2继电器控制电路组合a.”或”组合b.”与”组合3）可编程控制器（PLC）控制：PLC是专为在工业环境下应用而设计的微型计算机系统，它通过储存在内部的控制程序，实现对生产过程的逻辑控制，且具有简单的算术运算功能。与传统的以继电器为核心的硬件程控电路相比，PLC具有响应时间快控制精度高，可靠性高，控制程序可随工艺而改变，易与计算机接口，维修方便等优点。此外，体积小，寿命长，抗干扰能力强使其在自动化单机控制及生产线控制应用日益广泛。PLC编程较简单，大多沿用继电器控制逻辑的符号所构成的梯形图来进行编程，故不需操作者精通有关计算机的软件和硬件方面的知识，有继电器程控知识稍加学习，即可胜任PLC的程序设计与调试。过去的PLC在画完梯形图后，还要将其转化为语句表，通过编程器输入到PLC中。现在PLC生产厂家已开发出用于个人计算机的PLC专用软件，可在个人计算机上编制梯形图，通过接口与PLC连接，将用户程序传输到PLC中，同时具有仿真调试等多种功能。三菱系列可编程控制器继电接触器控制与PLC控制方式比较a）继电接触器控制系统控制b）PLC控制梯形图4）单片机控制单片机是把微型机主要部分都集中在一个芯片上的单芯片微型计算机，故可把单片机看成是一个不带外设的微型计算机。由于单片机的结构紧凑，集成度高，结构与指令功能都是按工业控制要求而设计，故具有体积小，价格低，可靠性好，易扩展，控制功能强等特点。用单片机制成数字程控系统具有更大的灵活性，已成为专用焊接设备及弧焊机器人等的主要程控方式。CPU输入设备输出设备软件系统+微型计算机系统硬件系统单片微型计算机是指集成在一个芯片上的微型计算机，简称单片机——单片机实质上就是一个芯片51系列单片机芯片三.电弧焊程序自动控制的基本环节及其实现方法(自学内容)图4-3并联电容延时电路图4-4晶体管延时继电器图4-5慢送丝爆裂引弧电路图4-6发电机-电动机系统图4-7电弧电压继电器控制回抽引弧图4-8高频引弧控制电路图4-9时间继电器控制法图4-10电流无级衰减熄弧控制电路4-2电弧焊的自动调节系统一焊接过程的稳定性１概念：是指焊丝熔化、熔滴过渡、母材熔化、冷却结晶等过程稳定，取决于：I、U、VW等参数的稳定性。一般焊接方法要求I变化范围：±25～50A；U变化范围：±2V.对于全位置气体保护焊要求更严格Ia：±0.1-1.0A，Ua：±0.1V。２影响I、U的外界因素1）电弧静特性曲线变化：送丝不均匀、焊炬高度变化、装配、坡口加工、工件不平，。2）电源外特性：网压波动、电源内部元件标称值变化。弧长变化引起的焊接过程不稳最突出，原因：弧长短（几mm）；电场强度大（10～40V/cm)，弧长变化很小就可使电压变化很大(如变化1mm,就可使电压变化超限)。图4-11电弧静特性变化引起的焊接参数变化图4-12电源外特性变化引起的焊接参数变化3保证参数不变的调节系统1）人工调节系统（手弧焊为例）2）自动调节系统4自动控制系统的三个主要环节比较环节、控制器（执行环节）、检测环节手焊接电弧眼脑控制器被控对象比较环节偏差控制量输出参考输入检测环节二对自动调节系统的基本要求1稳定性；2动态特性；3稳态性能（稳态误差）输出响应输入Y输出响应输入时间t时间tY±5%Mptrts(b)（a）三.熔化极电弧的自身调节系统等速送丝式焊机采用电弧自身调节系统；变速送丝式焊机采用电弧电压反馈自动调节系统。一)熔化极电弧自身调节系统的静特性1稳定焊接的条件：熔化系数аm的影响因素：焊接电流、焊丝直径、焊丝干伸长。2熔化速度与焊接电流、焊接电压之间的关系3静特性曲线；由此可得静特性曲线方程为：它表示在给定的送丝速度下，弧长稳定时，焊接电流与焊接电压之间的关系。mfVVUkIkVuimmfVVUkIkVuim)(1UkVkIufi图4-14电弧的自身调节系统静特性曲线图4-15电弧自身调节系统静特性曲线的测定C曲线（静特性曲线）：1）曲线上的点，送丝速度等于熔化速度，焊接过程稳定，离开曲线上的点时，送丝速度不等于熔化速度，焊接过程不稳定。２）电弧稳定工作点应该是：电源外特性曲线、电弧静特性曲线和自身调节系统静特性曲线三者的交点。４曲线特点１）长弧时，C曲线几乎垂直于电流轴，kU小，可忽略。；用处？２）Vf增加或减小时，C曲线平行向右或左移动。３）只增加焊丝直径时，C曲线平行向右移动。４）只增加焊丝干伸长时，C曲线平行向左移动。熔化特性曲线IUBACIkVVimf二)电弧自身调节系统原理１调节过程弧长变短，电源提供的电流远大于等熔化特性曲线（自身调节系统静特性曲线）与电弧静特性曲线交点的电流（保证送丝速度等于熔化速度的电流）IOO1ULL1O2I0I2I1电源外特性曲线自身调节系统静特性曲线电弧静特性曲线电弧弧长变化（加长或缩短）时，能够自动恢复。系统的调节作用是基于等速送丝时弧长变化导致焊接电流变化，进而导致焊丝熔化速度变化使弧长得以恢复的。注意：与电弧固有自调节作用区分。２电弧自身调节的灵敏度１）焊丝直径和电流密度２）电源外特性形状：３）弧柱的电场强度。注意：该种系统适合于小直径，并且采用平或缓降特性电源匹配等速送丝。三)误差1弧长波动时：焊炬高度不变时无误差；焊炬高度变化时，引起干伸长发生变化，平特性误差比下降特性误差小。（主要是电压误差)2网压波动：采用平特性电源的焊接电压误差比下降特性小。图4-17焊枪高度变化时的系统调节精度图4-18焊接电源外特性对静态误差的影响a.电弧静特性为平特性b.电弧静特性为上升特性图4-19网压波动对静态误差的影响a.长弧b.短弧图4-20电源外特性对调节灵敏度的影响四)电弧自身调节系统规范参数的调节方法１焊接电流：送丝速度２焊接电压：电源外特性注意：调节范围的确定。图4-21电弧自身调节系统电流、电压调节范围四.电弧电压反馈自动调节系统问题的提出：焊丝越小，电弧自身调节系统调节灵敏度越高；但当焊丝直径较大，采用陡降特性电源时，只靠电弧自身调节系统就不能满足要求了。一)电弧电压反馈自动调节系统的静特性曲线送丝滚轮导电嘴工件Vf焊丝电源DFQ2UgQ1～UC1电弧电压Uc与送丝速度Vf、送丝电动机电压USD之间的关系。（1）2焊丝熔化速度与焊接电流之间的关系（2）3自动调节系统的静特性曲线（3）由（1）、（2）、(3)可得：上式表明了弧压反馈调节系统中焊接电流与焊接电压之间的关系，称为弧压反馈调节系统静特性曲线方程。由弧压反馈调节系统静特性曲线方程得出的表示焊接电流与焊接电压之间的关系的曲线称为弧压反馈调节系统静特性曲线)(gCfUUkVUkIkVuimmfVVIkkkUkkkUuiguC４曲线的物理意义及其特点１）物理意义：曲线上的点送进速度等于熔化速度，系统稳定，否则不稳定。２）特点：a)当ｋ足够大时，曲线斜率近似为０，因此弧压越稳定.b)当Ug增加或减小时，曲线平行上移或下移.c)焊丝直径减小或干伸长增加时，ki增加，从而曲线斜率增加，弧压不稳，用处？（细丝时增大k，粗丝时减小k。）IUC弧压反馈调节系统静特性曲线斜率：uikkkguUkkk二)弧压反馈自动调节系统的工作原理利用电弧电压来控制送丝速度，使送丝速度随弧压的增加而增加，从而自动补偿弧长的波动，保证弧长不变。三自动调节过程稳定工作点为O点，弧长变短为L1时，实际工作点在O1点，由于电弧电压反馈自动调节系统静特性曲线于电弧静特性曲线交点为O2,稳定燃烧需要电流为I2,而实际提供为I1；另外，由式（1）可知：送丝I0I2I1IOO1ULL1O2电源外特性曲线弧压反馈调节系统静特性曲线电弧静特性曲线速度会减小，甚至会回抽，两方面共同作用，电弧恢复原长。四)灵敏度1K增加时，灵敏度提高。K是否越大越好？2弧柱的电场强度增加时，灵敏度提高。五)电弧电压反馈调节系统的精度1）弧长波动时的调节精度a.焊炬相对工件高度不变时能全部恢复。b.焊炬相对工件高度变化时，存在静态误差。2）电网电压波动时的调节精度a.陡降外特性电流误差：I1-I0b.平外特性电流误差：I2-I0IOO1UO2I0I2I1电源外特性曲线弧压反馈调节系统静特性曲线采用陡降外特性可以减小误差。六)电弧电压反馈调节系统的参数调节范围1焊接电流：电源外特性曲线。2焊接电弧电压：送丝速度给定电压。图4-28弧压反馈调节系统参数调节方法比较内容电弧自身调节电弧电压反馈自动调节1．控制电路及机构2．采用的送丝方式3．采用的电源外特性4．电弧电压调节方法5．焊接电流调节方法6．控制弧长恒定的效果7．网路电压波动的影响8．适用的焊丝直径(mm)简单等速送丝平特性或缓降特性改变电源外特性改变送丝速度好产生静态电弧电压误差0．8～3．0复杂变速送丝陡降或垂降特性改变送丝系统的给定电压改变电源外特性好产生静态焊接电流误差3．0～6．0两种调节方法比较图4-23图4-24图4-25图4-26图4-27图4-28从自动控制理论角度对两种弧长调节系统的讨论k1、k0为电源斜率，令k1*k0=k图4-22图4-29图4-30图4-31图4-32图4-33图4-34图4-35图4-36