高速埋弧焊数字化协同控制系统的研究

唐爱武 唐葆霖

摘 要：在众多的焊接方法当中，埋弧焊这种焊接的方式还是非常有效的，并且这种焊接方式还有着较为广泛的焊接用途，尤其适用于中厚板的焊接以及长焊缝的焊接，这种焊接方式是非常受欢迎的焊接方式方法之一，而在焊接技术不断发展的过程当中，这一焊接方式也是出现了双丝焊接以及多丝焊接，这样一来就使得埋弧焊的焊接变得更加的高效，尤其是在近几年间，随着科技的快速发展，也是进一步的促进了这一焊接方式的发展，目前已近已经研制出了双丝高速焊接设备，这一焊接设备的工作原理就在于把两根焊丝其电弧在同一个融电池上进行燃烧，这样就能够有效的增加焊接的总热量，并且能够使得热量的分配更加的合理，确保两个电弧，能够为融电池的两侧供给足够的热量以及热熔的金属，同时，两个电弧之间还会产生互相热，这样还可以减少第二根焊丝耗费的电能。并且利用这种焊接方式，能够减少焊接的缺陷，为焊接工作的进行提供更好的质量保证。

关键词：双电弧共熔池;高速埋弧焊;数字化控制;协同控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.003

1 数字化协同控制系统的组成

双电弧熔电池埋弧焊设备的组成分别是利用两套埋弧焊接系统协同焊接构成的。在设计的这一焊接系统里面，设定两台逆变电源为焊接的主从模式，主从机电弧分别一前一后，但是为了防止主从电弧之间形成干扰，所以主机的逆变电源选择为直流式的，而从机的逆变电源选择为交流式的。两个焊接电弧的焊丝之间，要保持在25-35毫米之间，两根焊丝之间的导电嘴要形成大概10°左右的夹角，并且前焊丝的导电嘴要是处于垂直的状态，而后丝则需要稍微的向前倾一些，这样就能够确保在进行焊接的过程中，熔宽能够增大而熔深则能够减小，在进行焊接之前，还可以进行对于焊接材料提前进行预热处理，这样进行焊接的效果会更好。

1.1 协同控制器的组成

在进行利用双电弧共熔池埋弧焊焊接的时候，因为这一焊接方式焊接系统构成的影响，导致两个电弧之间会存在着电磁的互相影响，因此就需要选择一种能够有效解决这一问题的处理器，下面就介绍了一种能够有效解决这一问题的处理器，这种处理器有着非常强大的抗干扰性能，这种处理器的型号为三菱FX2N-64MR型，将这一处理器作为整个系统的核心处理器，在选用两个FX2N-4AD以及两个FX2N-4DA作为辅助处理器，这两种辅助处理器的作用就是进行数模以及模数的转换，主辅处理器的功能如下：（1）主处理器的功能主要就是进行传输数字量，指的就是将计算机当中所传出的数字信号进行有效的传递到双丝或者是多丝埋弧焊的总控制系统当中，从而实现对两个电弧其电源以及送丝和行走机构的控制，控制工作的停止以及启动。（2）两种辅助处理器的功能就是进行数模以及模数的转换，所谓的数模转换就是实现两个电弧其焊接的电流电压以及化解速度的控制。所谓的模数转换就是现实对两个电弧的电流电压以及小车的行走速度的采样，在利用计算机进行对采集的数据以及信号进行及时的分析处理。

1.1.1 数据通信

双电弧埋弧焊焊接设备在进行焊接工作的时候，对于控制系统是有着一定的要求的，要求其控制系统要能够实现数据的双向传输，本文进行研究所选用的PLC和计算机之间的通行是利用RS422转换RS232来最终实现的。在工控机Windows操作系统中，采用DELPHI进行通信程序的设计，实现与PLC的串行通信，利用编程工具VisualBasic提供的特定通信控件MSComm，分别对该控件Input属性和Output属性编程来实现串行数据的接收与发送的操作。工控机接收數据和向PLC发送数据的程序流程是一样的，其程序流程如图2所示。

1.1.2 系统软件的设计与实现

在双电弧埋弧焊设备当中，其控制系统选择协同控制系统，这一系统广泛的使用与双电弧埋弧焊自动化焊接设备当中，这一系统的控制是具有一定的复杂性的，在进行这一系统的设计时，主要的设计依据就是控制系统所需要实现的功能。这一系统最终要能够实现对主从电弧的电源控制以及焊接的电流电压和送丝的速度以及各项参数的设定，还要能够进行数据信息的采集以及分析处理，进行对焊接过程的实时监控等各项功能。

依据上述的各项要求，这一系统软件的设计要求要有这四个方面，分别为主从机的焊前准备、引弧以及在进行焊接的时候进行实时的监控和最后的收弧这几个方面。在将各个方面所包含的部分分别编成函数，编成的函数以及设计的流程如下：

（1）参数预置函数，这一函数是进行设置焊接系统的相关参数的，用Csyzhs来进行表示，F1、F2、F3为设定的函数返回值，（返回以16进制为准，用H表示），这样就能够有效的进行判断设置的相关参数是否有效。相关的流程如图3。

（2）起弧控制函数，这一函数是实现对两根焊丝的起弧时序性的有效控制，本文用Qhkzhs来进行表示，Fq1、Fq2、Fq3为设定的函数返回值，这些返回值的作用就是可以对起弧是不是成功进行判断的，当Fq1、Fq3的值显示1的时候，就说明起弧成功了，而要是Fq1、Fq3的值显示0的时候，那么也就说明是起弧是没有成功的。前丝起弧后，Fq2用于判断延时是否为后丝以焊接速度v移动焊丝间距l所需的时间t。函数流程如图4所示。

（3）焊接过程监测函数，这一函数本文用Hjgcjchs来进行表示，Ix1、Ix2、Ux1、Ux2为设定的函数返回值，这些返回值的作用就是实现对采集的电流电压信号及时的传输到前台，在有前台进行显示出来。在这一函数正常运作的时候，有霍尔传感器来实现对电流电压的采集还有显示，对这两台埋弧焊电源的监测函数流程图如图5。

（4）焊接停止时，这一函数还有收弧控制函数进行配合，本文中将这一函数表示为Shkzhs，Fs为设定的返回值，这一返回值的作用就在于对收弧是不是成功进行有效的判断，相关的流程如图6所示。

2 双丝高速焊试验结果

进行焊接试验所需的条件：选用的埋弧焊逆变式电源为MZ2000+MZE1800这一组合，焊接试验所选取的材料为厚度达到20毫米的低碳钢板，双丝高速埋弧焊的前后丝的直径分别为5毫米和4.8毫米，选择的焊丝型号为H08A，选择的焊剂型号为HJ431，并且利用数字化协同控制系统来进行控制，在利用堆焊的方式来进行了三次焊接试验，试验结果如表1、图8所示。

通过对表1以及图8的研究分析，我们就能够得知，利用这一焊接方式进行焊接工作，其焊接的速度都是保持在没分钟一米四以上的焊接长度，在利用这一焊接方式进行焊接的时候，整个过程都是非常的稳定的，没有出现断弧以及短路的现象，并且焊缝的起收弧效果都是比较令人满意的，整体而言，焊接的质量都是非常良好的。说明了本文设计的双电弧埋弧焊数字化协同控制系统，适用于单双电弧埋弧自动焊接，而且焊接过程系统运行稳定、可靠。

3 结论

通过对PLC以及工控机的有效应用，在很大程度上对于双电弧高速埋弧焊其核心控制系统的设计提供了极大的帮助，有效的简化了系统的复杂性，通过对设计出来的系统的应用，能够有效的实现对这一焊接方式焊接的起收弧以及两个电弧其时序性的控制。并且进行了相关的焊接试验，结果表明，所研制出来的控制系统也是能够实现对各个部分的有效控制，整个的焊接过程不但焊接的速度有所提升，而且焊接非常的稳定，焊接的質量也很好。

参考文献：

[1]解生冕.机器人双丝共熔池脉冲MAG高速焊及协同控制模式熔滴过渡行为研究[D].华南理工大学，2012.

[2]陈晓东.基于DSP的一体化双丝脉冲MIG弧焊逆变电源的研制[D].华南理工大学，2011.

[3]刘超英.恒流特性埋弧焊的机电一体动力学模型与电弧稳定机理研究[D].华南理工大学，2011.

[4]张红兵.基于ARM的双丝脉冲MIG高速焊分布式控制系统的研究[D].华南理工大学，2010.

[5]吴水锋.双丝高速埋弧焊协同监控系统研究[D].华南理工大学，2010.

[6]缪正平.基于DSP的双丝脉冲MAG高速焊逆变式电源数字化控制研究[D].华南理工大学，2010.

注明：湖南省教育厅科研一般项目（15C1390）