定子鐵心脈沖焊接程控系統(tǒng)
劉岳臣（掛林通信機(jī)械廠）
1引言
美國德立臺(tái)阿姆柯公司的TL型縫紉機(jī)電動(dòng)機(jī)，其定子鐵心的緊固系采用非溶化極焊接方法。我們承制的TE型電機(jī)定子鐵心，曾采用鎢極半自動(dòng)氬孤焊方法，它具有設(shè)備簡單，容易掌握等特點(diǎn)。隨著生產(chǎn)的不斷發(fā)展，由于產(chǎn)品批量大．規(guī)格增多，鐵心尺寸相應(yīng)縮小，對焊接質(zhì)量提出了更高的要求。加之鐵心材料可焊性偏差．即因焊縫金屬的高含硅量而對鐵索體有強(qiáng)化作用．降低其塑性和韌性，且易形成柱狀晶，增加品粒長大傾向和回火脆性。為適應(yīng)實(shí)際所需，確保焊接質(zhì)量，我們從改進(jìn)焊接工藝及設(shè)備入手，采用了混合氣體保護(hù)脈沖焊方法，同時(shí)對焊接電流，焊接速度和電弧長度進(jìn)行了實(shí)時(shí)閉環(huán)的程序控制，使這一新工藝更臻完善。本文主要介紹利用微機(jī)對焊接電流、焊速和弧長的程控系統(tǒng)。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由焊接主回路中脈沖電流，焊接速度和電弧長度三個(gè)參數(shù)的閉環(huán)控制電路、微機(jī)主機(jī)以及主控制柜；轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和機(jī)械夾具等組成（圖1）。
2．1 焊接主回路由Ax／l-300-l型直流弧焊機(jī)、可控硅直流斷續(xù)器、艦一d型高頻引弧器，方波發(fā)生器和水冷焊槍組成。
2.2焊接逮度控制系統(tǒng)由焊槍行走導(dǎo)軌、S569直流伺服電機(jī)、減速器、測速發(fā)電機(jī)和與之配套的晶體管調(diào)速電源、接口板、擴(kuò)展電路等組成。
2.3焊接電流控制系統(tǒng)由電流檢測傳感器、接口、擴(kuò)展電路和大功率晶體管調(diào)流電路組成。
2.4 電弧長度調(diào)節(jié)系統(tǒng)由電弧電壓檢測傳感器、接口、擴(kuò)展電路、步進(jìn)機(jī)電源、環(huán)形分配器．步進(jìn)機(jī)等高精度機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。
2.5 微機(jī)部分的基本裝置，其主機(jī)由TP -801單板機(jī)、8086CPU、時(shí)鐘主頻2MH、PROM三片鍵盤、六位數(shù)碼顯示、接口板、擴(kuò)展接口板、打印機(jī)等組成。參數(shù)控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。
2.6抗干擾方波發(fā)生器由大規(guī)模集成時(shí)鐘電路、脈沖觸發(fā)電路組成；中斷請求發(fā)生器；系統(tǒng)的硬件程序控制為MC-3型控制拒；系統(tǒng)的機(jī)械夾具為可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)組和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)組；參數(shù)控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。
微機(jī)控制，如圖d所示。圖中表明，焊接電流經(jīng)電流的傳感器采樣．將信號(hào)送入有源帶阻濾波器，參數(shù)系統(tǒng)調(diào)整電路．通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微波器，參數(shù)系統(tǒng)調(diào)整電路，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入微機(jī)，再經(jīng)數(shù)學(xué)濾波處理后與標(biāo)準(zhǔn)給定值進(jìn)行比較。由PID數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路將控制量送入運(yùn)算放大、功率放大電路，最終控制調(diào)流電路中大功率三極管，實(shí)現(xiàn)對焊接電流的控制。
3控制原理
3.1 焊接電流的控制
對于本系統(tǒng)使用的Axd一300-I型直流弧焊機(jī)而言．焊接電流的控制依靠它激磁通進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此設(shè)計(jì)了一套大功率晶體管激磁回路和相應(yīng)的微機(jī)采樣反饋電路．以取代手工調(diào)節(jié)的瓷盤電阻．實(shí)現(xiàn)了焊接電流的數(shù)字濾波IO.規(guī)范EPROM l1，譯碼器l2. D/A。
3.1.1 初始給定值的設(shè)置。為保證系統(tǒng)在控制量為零時(shí)，焊接主回路有一初始電流供引弧的需要．系統(tǒng)設(shè)置初始電流為50.4．此時(shí)參數(shù)調(diào)整電路的輸出電壓信號(hào)為零。
3．1．2焊接電流的含義。本電路控制的焊接電流是指脈柏電流，基值電流，用作“弧長控制系統(tǒng)”弧壓采樣信號(hào)源。
3.2焊接速度控制系統(tǒng)
在生產(chǎn)中焊接速度不穩(wěn)定的顧因除了網(wǎng)壓波動(dòng)外．機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的各種傳動(dòng)力矩的變化以及摩擦阻力的變化也是重要的因素，這些不利因素用穩(wěn)壓的辦法是無法解決的。本系統(tǒng)除了設(shè)計(jì)一套對網(wǎng)壓變化補(bǔ)償特快的晶體管穩(wěn)壓調(diào)速電路外，還特別設(shè)計(jì)了一套積分調(diào)壓電路，以提高負(fù)載力矩對速度的影響，本系統(tǒng)用測速發(fā)電機(jī)作為速度反饋的采樣傳感器。速度系統(tǒng)控制原理見圖5。
3.2．1 本系統(tǒng)不用微機(jī)控制仍然是一個(gè)閉環(huán)的速度控制系統(tǒng)。因?yàn)楫?dāng)焊接速度的初始給定值運(yùn)行時(shí)．速度反饋的積分調(diào)節(jié)電路已能把電壓；吱動(dòng)或傳動(dòng)力矩變化引起的速度變化量，輸入塌體管調(diào)速度電路，并進(jìn)行調(diào)整。加入微機(jī)控制后．可起到進(jìn)一步提高焊速穩(wěn)定精度的怍用，且能實(shí)現(xiàn)變速焊接之目的。
3.2.2為保證系統(tǒng)穩(wěn)定．讓電動(dòng)機(jī)在負(fù)載較大的情況下工作在轉(zhuǎn)速較高的狀態(tài)是必要的。
3.2.3 由二極管D、三極管T和電阻R組成的電路．其作用是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，D管壓降增大，導(dǎo)致T管導(dǎo)通．使電樞電壓急速降低．其轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn)。
3.2.4 實(shí)驗(yàn)證明．為保證焊速在網(wǎng)壓38017波動(dòng)的條件下。焊速的變化量標(biāo)準(zhǔn)值．對于測逑機(jī)激磁電壓的穩(wěn)定性是不可忽視的。因?yàn)楫?dāng)網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)，測速機(jī)激磁電壓的波動(dòng)是必然的。此時(shí)電樞電壓的變化已在網(wǎng)壓不穩(wěn)．力矩變化的基礎(chǔ)上又增加了測速機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)和變化因素．這一影響因素要設(shè)法排除。
3.2．5本系統(tǒng)在控制量為零時(shí)，直縫焊接的
初始給定轉(zhuǎn)速為70r／min．此時(shí)經(jīng)系數(shù)調(diào)整電路，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換電路的電壓值為零。當(dāng)增加控制量使電樞轉(zhuǎn)速為325r／min時(shí)，進(jìn)入AlD轉(zhuǎn)換電路的電壓值為+5v。這樣，微機(jī)可以在70～325r／min的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)速度．其優(yōu)越性在于可以不加改造地使用8位AlD和D/A接口轉(zhuǎn)換電路板。
3.3電弧長度控制系統(tǒng)
對于脈沖TIC焊接而言，電弧長度是影響焊縫質(zhì)量的一個(gè)重要因素。實(shí)現(xiàn)弧長怛定的傳統(tǒng)方法是以測量弧壓的變化去控制弧長。在脈沖TIG焊接條件下，由于脈沖電流im和基值電流ij在交替工作．所以弧壓U孤也在不斷地變化，而弧長卻沒有發(fā)生變化。在此情況下，若欲用弧壓信號(hào)作為弧長的調(diào)節(jié)依據(jù)，即必須對弧壓的高低兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行同步處理�；￠L控制系統(tǒng)原理見圖6�；￠L調(diào)節(jié)原理是基值電流產(chǎn)生的低電平弧壓信號(hào)，經(jīng)同步采樣處理后．與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值進(jìn)行比較并判定方向。接著將正或負(fù)的控制量輸入脈沖觸發(fā)器，同時(shí)置入CTC計(jì)數(shù)器。脈沖信號(hào)經(jīng)環(huán)形分配器和功率放大后進(jìn)入步進(jìn)機(jī)．步進(jìn)機(jī)每一步都有cTc計(jì)數(shù)。當(dāng)步進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)與CTC置入步數(shù)相符時(shí)．CTC減到零并自動(dòng)發(fā)出正脈沖To使能發(fā)脈沖指令寄存器清零，步進(jìn)機(jī)停止工作。在此系統(tǒng)中應(yīng)注意的是，電極端面直經(jīng)和端部夾角大小對弧壓穩(wěn)定也甚重要；工件裝配間隙和裝卡的一致性對熔池深度影響很大，否則會(huì)造成弧長不應(yīng)有的變化。
3.4采樣同步信號(hào)發(fā)生器
焊接電流Im和弧壓U弧是同頻率同相位的脈沖信號(hào)。由于正常周時(shí)，脈沖電流Im對熔化工件伯用大，所以確定正半周時(shí)Im進(jìn)行采樣。對弧壓來說，由于負(fù)半周l較小，熔深淺，弧壓相對穩(wěn)定，所以確定在負(fù)半周對弧壓U孤進(jìn)行采樣。為了準(zhǔn)確地對方波電流浪形進(jìn)行正負(fù)半周采樣，而需要有一個(gè)與電流波形嚴(yán)格對齊的方波信號(hào)，供微機(jī)識(shí)別正負(fù)半周之用。采樣同步信號(hào)發(fā)生器原理見圖7。方波同步信號(hào)產(chǎn)生的過程是將整形后的電流
波形放大再通過射極跟隨器、微分電路和單穩(wěn)電路產(chǎn)生與電流方波上升沿和下降沿分別對應(yīng)的窄脈沖。將這些脈沖信號(hào)分別引到JK觸發(fā)器5和6的觸發(fā)端．接著通過邏輯式：FB-Q．Q6+Q．Q6所表示的邏輯電路產(chǎn)生有波同步信號(hào)，將此信號(hào)送入Pl0的PAM端供微機(jī)識(shí)別正負(fù)半周，同時(shí)也控制中斷請求發(fā)生器。是嚴(yán)格控制各參數(shù)在正負(fù)半周上的采樣程序。它的工作原理是：方波的上升沿和下降沿一到，CTCi便開始計(jì)時(shí)。每隔一定時(shí)間產(chǎn)生一次中斷HR務(wù)程序。對軟件程序所指定的信號(hào)采樣并作數(shù)字處理后．控制相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。采樣間隔的安排見圖8。中斷服務(wù)程序見圖9。值得指出的是，參數(shù)采樣區(qū)間要盡量避開上升沿和下降沿，將電流采樣時(shí)間安排在波形比較平緩的區(qū)段；無論是參數(shù)I。還是U斑和V采樣點(diǎn)不宜過多，輸出控制頻率不能過快；參數(shù)采樣過程不許跨入下半周。
3.5中斷請求發(fā)生器
如何避免高頻高壓(300kH，3kV)的引弧該發(fā)生器在微機(jī)控制下工作。它的作用是解決抗高頻干擾過程對微機(jī)硬件程序的破壞和干擾.
4 徽機(jī)應(yīng)用于脈沖TIG焊接高頻引弧過程和實(shí)時(shí)參數(shù)控制的技術(shù)難題。為此采取了如下措施；將引弧器置入專線接地金屬盒內(nèi)，讓引弧線路遠(yuǎn)離微機(jī)；用硬件保證高頻引弧期間所有采樣及控制線路暫時(shí)脫離焊接主回路，以避免損壞微機(jī)硬件；用電容電路在干擾源進(jìn)入控制電路的關(guān)鍵部位吸收干擾；時(shí)間差避開干擾；邏輯封鎖干擾；干擾過后自動(dòng)啟動(dòng)程序；設(shè)計(jì)抗高頻干擾的集成電路脈中斷續(xù)觸發(fā)器。
5結(jié)語
微機(jī)控制的單臺(tái)脈沖TIG焊機(jī)，或微機(jī)控制的多臺(tái)脈沖TIG焊機(jī)高頻引弧時(shí)，微機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)不受干擾，微機(jī)工作穩(wěn)定可靠。在網(wǎng)壓380V士百分之10～15波動(dòng)條件下各參數(shù)控制精度：脈沖電流I。調(diào)節(jié)范圍50～305A，控制精度；孤長L調(diào)節(jié)范圍1—2．5mm，控制精度（孤壓的反應(yīng)靈敏度為0. 0019V，機(jī)械傳動(dòng)精度為土0.Olmm．包括裝配間隙和工件裝夾誤差）
參考文獻(xiàn)
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