埋弧焊机数字化控制的研究
|
摘要
本文介绍了埋弧焊的特点、发展历史、国内外的研究现状，分析了模拟电路控制系统和数字化控制系统的优缺点，指出数字化控制是逆变埋弧焊机控制的发展方向。对埋弧焊接过程和埋弧焊机控制系统进行分析，论述了变速送丝电弧控制系统的原理及影响因素，并且分析了焊接电弧的特性，为逆变埋弧焊机数字化控制系统的设计提供了理论依据。
针对传统埋弧焊机体积大、控制电路复杂、可靠性差等问题，在模拟控制系统的基础上做出改进，设计了基于单片机和FPGA的埋弧焊控制系统。由于送丝速度的均匀性直接影响到焊接过程的稳定性和焊缝的质量，良好的送丝速度控制系统是实现高质量焊接的前提。根据电弧的特性，设计了基于FPGA的模糊控制系统，用于送丝速度的调节，通过调节送丝速度保持电弧稳定。小车行走速度的调节也采用闭环控制，由数字PI产生PWM脉冲，驱动行车电机。针对埋弧焊接控制流程的特点，用VHDL语言编写了焊接程序，负责整个焊接过程的控制和各种保护功能的实现。
数字控制系统中的电磁干扰是难以避免的，因此在焊机控制电路和软件部分进行了可靠性与抗干扰设计，对可能影响焊机正常工作的干扰及其产生原因进行分析，并且在原理图设计、PCB制作以及程序编制的过程中采取了相应的抗干扰措施。
最后，对采用本控制系统的埋弧焊机进行初步实验，结果表明：本文所设计的埋弧焊机控制系统能够满足逆变埋弧自动焊的要求，具有电路简单，控制精度高，抗干扰能力强，操作方便，工作稳定可靠等特点，提高了焊机的综合性能及自动化程度。
本课题所研究的埋弧焊数字化控制系统，具有良好的输出特性并且可根据需求进行调整，很好地实现了非线性控制，可满足埋弧焊、手工焊等工艺要求。焊机的送丝速度和焊接速度采用数字控制算法调节，引弧、焊接、收弧过程由软件控制，电弧稳定、焊接质量好，而且还具有焊接数据存储和故障自诊断功能。
The characteristic, history, actuality and foreground of submerged arc welding are introduced in the introduction part of this paper. It analyses the advantages and disadvantages of analog circuit control system and digital control system, point out that digital is the direction. It has an analysis on the process of submerged arc welding and control system, discusses the theory and reason of change-speed wire-feed system, analysis characteristic of the electrical arc, offer the theory for the design of digital control system of the submerged arc welding.
According to the problems of too big body, complex control circuit and bad reliability, it design control system of microprocessor and FPGA, based on analog control system. Because the uniformity of wire-feed speed affects welding process to be stable and weld joint quality directly. Good control system of the wire-feed speed is precondition of realize high grade weld. This article design a fuzzy controller based on the VHDL language, according to the characteristic of electric arc specially. It is used to adjust the wire-feed speed, in order to make the electrical arc stable. The speed of the car adjusts by the closed-loop control. The PWM pulse drives the motor produced by digital PL To designed the welding program with the VHDL language, according to the characteristic of the flow with the submerged arc welding, to realize the entire control of welding process and all kinds of protection functions.
Electromagnetism disturbances are inevitable in digital control system. Reliability and noise resistance designs are also covered in control circuit and software. The reasons of disturbance are analyzed, and some hardware and software measures are adopted in chart design, PCB making and program.
Do an experiment on the control system of this paper, the experiment results indicates: It can meet the request of power source and process
针对传统埋弧焊机体积大、控制电路复杂、可靠性差等问题，在模拟控制系统的基础上做出改进，设计了基于单片机和FPGA的埋弧焊控制系统。由于送丝速度的均匀性直接影响到焊接过程的稳定性和焊缝的质量，良好的送丝速度控制系统是实现高质量焊接的前提。根据电弧的特性，设计了基于FPGA的模糊控制系统，用于送丝速度的调节，通过调节送丝速度保持电弧稳定。小车行走速度的调节也采用闭环控制，由数字PI产生PWM脉冲，驱动行车电机。针对埋弧焊接控制流程的特点，用VHDL语言编写了焊接程序，负责整个焊接过程的控制和各种保护功能的实现。
数字控制系统中的电磁干扰是难以避免的，因此在焊机控制电路和软件部分进行了可靠性与抗干扰设计，对可能影响焊机正常工作的干扰及其产生原因进行分析，并且在原理图设计、PCB制作以及程序编制的过程中采取了相应的抗干扰措施。
最后，对采用本控制系统的埋弧焊机进行初步实验，结果表明：本文所设计的埋弧焊机控制系统能够满足逆变埋弧自动焊的要求，具有电路简单，控制精度高，抗干扰能力强，操作方便，工作稳定可靠等特点，提高了焊机的综合性能及自动化程度。
本课题所研究的埋弧焊数字化控制系统，具有良好的输出特性并且可根据需求进行调整，很好地实现了非线性控制，可满足埋弧焊、手工焊等工艺要求。焊机的送丝速度和焊接速度采用数字控制算法调节，引弧、焊接、收弧过程由软件控制，电弧稳定、焊接质量好，而且还具有焊接数据存储和故障自诊断功能。
The characteristic, history, actuality and foreground of submerged arc welding are introduced in the introduction part of this paper. It analyses the advantages and disadvantages of analog circuit control system and digital control system, point out that digital is the direction. It has an analysis on the process of submerged arc welding and control system, discusses the theory and reason of change-speed wire-feed system, analysis characteristic of the electrical arc, offer the theory for the design of digital control system of the submerged arc welding.
According to the problems of too big body, complex control circuit and bad reliability, it design control system of microprocessor and FPGA, based on analog control system. Because the uniformity of wire-feed speed affects welding process to be stable and weld joint quality directly. Good control system of the wire-feed speed is precondition of realize high grade weld. This article design a fuzzy controller based on the VHDL language, according to the characteristic of electric arc specially. It is used to adjust the wire-feed speed, in order to make the electrical arc stable. The speed of the car adjusts by the closed-loop control. The PWM pulse drives the motor produced by digital PL To designed the welding program with the VHDL language, according to the characteristic of the flow with the submerged arc welding, to realize the entire control of welding process and all kinds of protection functions.
Electromagnetism disturbances are inevitable in digital control system. Reliability and noise resistance designs are also covered in control circuit and software. The reasons of disturbance are analyzed, and some hardware and software measures are adopted in chart design, PCB making and program.
Do an experiment on the control system of this paper, the experiment results indicates: It can meet the request of power source and process
引文
[1] 周昭伟等．焊工手册[M]．机械工业出版社，1998，第一版：1-2．
[2] 李亚江、称茂爱、孙俊生．实用焊接技术手册[M]．河北科学技术出版社，2002，83-84．
[3] 姜焕中．电弧焊及电渣焊[M]．北京：机械工业出版社出版，1995，30-32．
[4] 中国机械工程学会焊接学会编．焊接手册第一版[M]．北京：机械工业出版社，1992．
[5] 胡特生．电弧焊[M]．北京：机械工业出版社，1996．
[6] 黄石生．新型逆变电源及其智能控制[M]．北京：机械工业出版社，2000，4-9．
[7] 华学明等．数字化焊接电源系统的特征[J]．焊接技术，2002(2)，6-7．
[8] 刘嘉、殷树言、丁京柱．数字化焊机及其特点[J]．电焊机．2001(6)，8-10．
[9] 刘嘉．弧焊逆变电源数字化控制[D]．北京工业大学博士学位论文．2002，4．
[10] 郑湘蒙．单片机控制TIG焊机的研制[D]．北京工业大学硕士学位文．2001．5．
[11] 李鹤岐、徐德进等．脉冲MIG焊机数字化控制设计[J]．电焊机．2002(8)，1-4．
[12] 刘嘉、卢振洋等．电焊机数字化[J]．焊接学报．2002．23(1)．
[13] 曲智明．逆变焊接电源的现状和发展[J]．电焊机．Vol．30．2000，2-4．
[14] 褚振勇．FPGA设计及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2001．
[15] 何景山、杨春利等．埋弧焊图像法焊缝自动跟踪传感系统．焊接．1999．
[16] 黄石生、王秀嫒等．埋弧焊跟踪控制系统及发展．焊接．2001．
[17] Kottilingam. s, Aee. R. H, etal. Infrared sensing techniques for penetration depth control of the submerged are welding process, Journal of Materials Processing Technology, 2001, 113 (1-3), 228-233.
[18] Tusek, J. Narrow-gap submerged-arc welding with a mutliple-wire electrode, Faculty of Metalurgy, 2002, 41(2):83-88.
[19] 马跃洲、梁卫东等．数字控制的埋弧自动焊机研制[J]．电焊机．2002(8)，11-12
[20] 陈祝年．焊接工程师手册[M]．机械工业出版社．2002．2(1)．
[21] 胡特生．电弧焊[M]．机械工业出版社．1993．1．
[22] 潘际銮．现代弧焊控制[M]．机械工业出版社，2000，56-58．
[23] 中国机械工程学会焊接学会等编．焊接手册(第二版)第一卷焊接方法及设备[M]．北京：机械工业出版社．1998．10。
[24] 雷环利、计丹、黄光明、叶苏孙．基于FPGA的核物理实验定标器的设计与实现[J]．单片机与嵌入式系统应用．
[25] 刘扬超、孙慎言、李巍巍．Atmega16在开关磁阻电机调速系统中的应用[J]．国外电子元器件．2005，6．
[26] 王福瑞等．单片机测控系统设计大全[M]．北京，北京航天大学出版社．1998．
[27] 骆德阳、宋彬、方培泉．开关型送丝电源的研制[J]．电焊机．1997(2)：9-110．
[28] 李鹤岐，吴荣，路广．单片机控制IGBT逆变埋弧焊机设计[J]．电焊机．2004，34(10)：2-3．
[29] 尹红、唐煜．单片机RS-485通讯的实现．电子在线编程．
[30] 李朝青等．PC机及单片机数据通信技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社．1999，8-12．
[31] 龚建伟．接口技术的基础知识[J]．中国工控网．
[32] 陈红伟．微型计算机基本原理与接口技术[M]．北京：科学出版社．2003．
[33] 刘振安．徽型机应用系统抗干扰技术术[M]．北京：人民邮电出版社．1991．8．
[34] 苟彦新．无线电抗干扰通信原理及应用[M]．西安电子科技大学出版社．2005，1-10．
[35] 诸邦田．电子电路实用抗干扰设计技术[M]．北京：人民邮电出版社．1994．4．
[36] 滕旭、胡志昂．电子系统抗干扰实用技术[M]．北京：国防工业出版社．2004
[37] Daniel G. Schwartz, George J. Klir, Senior Member, IEEE, Harold W. Lewis Ⅲ, and Yoshinori Ezawa, Member, IEEE, Applications of Fuzzy Sets and Approximate Reasoning, PROCEEDING OF THE IEEE, VOL. 82, NO. 4, APRIL 1994.
[38] 李士勇．模糊控制和智能控制理论与应用[M]．哈尔滨工业大学出版社．1990．12．
[39] Gilberto C. D. Sousa, Student Member, IEEE, and Bimal K. Bose, Fellow, IEEE, "A Fuzzy Set Theory Based Control of a Phase-Controlled Converter DC Machine Drive", IEEETRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 30, NO. 1, JANUARY 1994.
[40] 黄石生，李迪．焊接过程的神经网络建模及控制研究[J]．机械工程学报， 1994，30(3)：24-30．
[41] 闻信等．MATLAB模糊逻辑工具箱分析与应用[M]．北京：科学出版社．2001．04
[42] 孙增圻，张再兴，邓志东．智慧控制理论与技术[M]．清华大学出版社．广西科学技术出版社，1997．
[43] Guo, H. -J.; Shiroishi, Y.; Ichinokura, O.; Digital PI controller for high frequency switching DC/DC converters based on FPGA[J]. Telecommunications Energy Conference, 2003. INTELEC'03. The 25th International 19-23 Oct. 2003 Page(s): 536-541.
[44] 卢毅、赖杰．VHDL与数字电路设计[M]．北京科学出版社．2001．04．
[45] 东方华人等．MAX+PLUSⅡ入门与提高[M]．北京：清华大学出版社．2004．
[46] 高书莉、罗朝霞．可编程逻辑技术及应用[M]．北京：人民邮电出版社．2001
[47] 冯涛、王程．可编程逻辑开发技术[M]．北京：人民邮电出版社．2002．
[48] 辛春艳．VHDL硬件描述语言[M]．北京：国防工业出版社．2002．01．
[49] 王伟东、段可博等．基于CPLD的直流电动机PWM驱动器设计[J]．计算机测量与控制，2003，第10期：793-795．
[50] 冯小林、张林等．一种基于CPLD实现的数字化PWM波形发生器[J]．现代电子技术，2003年，第3期：71-72．
[51] 熊承义、孙奉娄．一种基于CPLD的宽可调PWM信号发生器[J]．中南民族学院学报，2001，第3期：9-11．
[52] 周渊深，等．交流调速系统与MATLAB仿真[M]．中国电力出版社，2003．
[53] 陶永华、尹怡欣、葛芦生．新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社，1998，第一版，1-7．
[54] 仇慎谦．PID调节规律和过程控制[M]．江苏科学出版社，1986，35-62．
[55] 陈传硕、田丽华．PID控制参数的整定方法[J]．长春邮电学院学报，1994，第1期：9-16．
[56] 王幸之、王雷、翟成．单片机应用系统抗干扰技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999．
[2] 李亚江、称茂爱、孙俊生．实用焊接技术手册[M]．河北科学技术出版社，2002，83-84．
[3] 姜焕中．电弧焊及电渣焊[M]．北京：机械工业出版社出版，1995，30-32．
[4] 中国机械工程学会焊接学会编．焊接手册第一版[M]．北京：机械工业出版社，1992．
[5] 胡特生．电弧焊[M]．北京：机械工业出版社，1996．
[6] 黄石生．新型逆变电源及其智能控制[M]．北京：机械工业出版社，2000，4-9．
[7] 华学明等．数字化焊接电源系统的特征[J]．焊接技术，2002(2)，6-7．
[8] 刘嘉、殷树言、丁京柱．数字化焊机及其特点[J]．电焊机．2001(6)，8-10．
[9] 刘嘉．弧焊逆变电源数字化控制[D]．北京工业大学博士学位论文．2002，4．
[10] 郑湘蒙．单片机控制TIG焊机的研制[D]．北京工业大学硕士学位文．2001．5．
[11] 李鹤岐、徐德进等．脉冲MIG焊机数字化控制设计[J]．电焊机．2002(8)，1-4．
[12] 刘嘉、卢振洋等．电焊机数字化[J]．焊接学报．2002．23(1)．
[13] 曲智明．逆变焊接电源的现状和发展[J]．电焊机．Vol．30．2000，2-4．
[14] 褚振勇．FPGA设计及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2001．
[15] 何景山、杨春利等．埋弧焊图像法焊缝自动跟踪传感系统．焊接．1999．
[16] 黄石生、王秀嫒等．埋弧焊跟踪控制系统及发展．焊接．2001．
[17] Kottilingam. s, Aee. R. H, etal. Infrared sensing techniques for penetration depth control of the submerged are welding process, Journal of Materials Processing Technology, 2001, 113 (1-3), 228-233.
[18] Tusek, J. Narrow-gap submerged-arc welding with a mutliple-wire electrode, Faculty of Metalurgy, 2002, 41(2):83-88.
[19] 马跃洲、梁卫东等．数字控制的埋弧自动焊机研制[J]．电焊机．2002(8)，11-12
[20] 陈祝年．焊接工程师手册[M]．机械工业出版社．2002．2(1)．
[21] 胡特生．电弧焊[M]．机械工业出版社．1993．1．
[22] 潘际銮．现代弧焊控制[M]．机械工业出版社，2000，56-58．
[23] 中国机械工程学会焊接学会等编．焊接手册(第二版)第一卷焊接方法及设备[M]．北京：机械工业出版社．1998．10。
[24] 雷环利、计丹、黄光明、叶苏孙．基于FPGA的核物理实验定标器的设计与实现[J]．单片机与嵌入式系统应用．
[25] 刘扬超、孙慎言、李巍巍．Atmega16在开关磁阻电机调速系统中的应用[J]．国外电子元器件．2005，6．
[26] 王福瑞等．单片机测控系统设计大全[M]．北京，北京航天大学出版社．1998．
[27] 骆德阳、宋彬、方培泉．开关型送丝电源的研制[J]．电焊机．1997(2)：9-110．
[28] 李鹤岐，吴荣，路广．单片机控制IGBT逆变埋弧焊机设计[J]．电焊机．2004，34(10)：2-3．
[29] 尹红、唐煜．单片机RS-485通讯的实现．电子在线编程．
[30] 李朝青等．PC机及单片机数据通信技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社．1999，8-12．
[31] 龚建伟．接口技术的基础知识[J]．中国工控网．
[32] 陈红伟．微型计算机基本原理与接口技术[M]．北京：科学出版社．2003．
[33] 刘振安．徽型机应用系统抗干扰技术术[M]．北京：人民邮电出版社．1991．8．
[34] 苟彦新．无线电抗干扰通信原理及应用[M]．西安电子科技大学出版社．2005，1-10．
[35] 诸邦田．电子电路实用抗干扰设计技术[M]．北京：人民邮电出版社．1994．4．
[36] 滕旭、胡志昂．电子系统抗干扰实用技术[M]．北京：国防工业出版社．2004
[37] Daniel G. Schwartz, George J. Klir, Senior Member, IEEE, Harold W. Lewis Ⅲ, and Yoshinori Ezawa, Member, IEEE, Applications of Fuzzy Sets and Approximate Reasoning, PROCEEDING OF THE IEEE, VOL. 82, NO. 4, APRIL 1994.
[38] 李士勇．模糊控制和智能控制理论与应用[M]．哈尔滨工业大学出版社．1990．12．
[39] Gilberto C. D. Sousa, Student Member, IEEE, and Bimal K. Bose, Fellow, IEEE, "A Fuzzy Set Theory Based Control of a Phase-Controlled Converter DC Machine Drive", IEEETRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, VOL. 30, NO. 1, JANUARY 1994.
[40] 黄石生，李迪．焊接过程的神经网络建模及控制研究[J]．机械工程学报， 1994，30(3)：24-30．
[41] 闻信等．MATLAB模糊逻辑工具箱分析与应用[M]．北京：科学出版社．2001．04
[42] 孙增圻，张再兴，邓志东．智慧控制理论与技术[M]．清华大学出版社．广西科学技术出版社，1997．
[43] Guo, H. -J.; Shiroishi, Y.; Ichinokura, O.; Digital PI controller for high frequency switching DC/DC converters based on FPGA[J]. Telecommunications Energy Conference, 2003. INTELEC'03. The 25th International 19-23 Oct. 2003 Page(s): 536-541.
[44] 卢毅、赖杰．VHDL与数字电路设计[M]．北京科学出版社．2001．04．
[45] 东方华人等．MAX+PLUSⅡ入门与提高[M]．北京：清华大学出版社．2004．
[46] 高书莉、罗朝霞．可编程逻辑技术及应用[M]．北京：人民邮电出版社．2001
[47] 冯涛、王程．可编程逻辑开发技术[M]．北京：人民邮电出版社．2002．
[48] 辛春艳．VHDL硬件描述语言[M]．北京：国防工业出版社．2002．01．
[49] 王伟东、段可博等．基于CPLD的直流电动机PWM驱动器设计[J]．计算机测量与控制，2003，第10期：793-795．
[50] 冯小林、张林等．一种基于CPLD实现的数字化PWM波形发生器[J]．现代电子技术，2003年，第3期：71-72．
[51] 熊承义、孙奉娄．一种基于CPLD的宽可调PWM信号发生器[J]．中南民族学院学报，2001，第3期：9-11．
[52] 周渊深，等．交流调速系统与MATLAB仿真[M]．中国电力出版社，2003．
[53] 陶永华、尹怡欣、葛芦生．新型PID控制及其应用[M]．北京：机械工业出版社，1998，第一版，1-7．
[54] 仇慎谦．PID调节规律和过程控制[M]．江苏科学出版社，1986，35-62．
[55] 陈传硕、田丽华．PID控制参数的整定方法[J]．长春邮电学院学报，1994，第1期：9-16．
[56] 王幸之、王雷、翟成．单片机应用系统抗干扰技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1999．