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逆变式GMA单脉冲和双脉冲焊机数字控制系统研究

王伟明  
【摘要】:随着半自动焊与自动焊的推广应用,GMA 焊在各种焊接方法中占有越来越重 要的地位,我国目前已达到 25%左右,而先进的工业化国家已高达 50~80%。这 是因为 GMA 焊是一种高质量、高效率的焊接工艺,其中脉冲 MIG/MAG 焊除扩 大了焊接规范区间外,还具有良好的环保效果。当前,新材料的应用,薄板焊接 的增多,为满足更高焊接质量要求而产生的新工艺等都对焊接设备提出了更高的 要求。从全数字控制的角度对脉冲焊进行研究以提高逆变焊机控制性能,进而进 一步提高焊接工艺性能是焊接领域中的重要任务之一,本文同时尝试进行了薄板 双脉冲铝焊新工艺的研究。 对于恒流特性(I-I)脉冲焊电源,从脉冲电流控制的角度存在如下问题:大 多数传统方法采用一片模拟控制芯片对脉冲电流进行控制,很难兼顾基、峰值期 间及引弧期间的控制系统静、动态性能指标,也难在全电流范围获得灵活的、控 制较为精确的脉冲波形效果。从脉冲焊电弧控制的角度,与一般离散采样系统不 同,在传统的基于单片机的弧长控制系统中(采用调节器),脉冲频率一般是不 固定的,这导致与脉冲频率同步工作的弧压采样器变成多速率采样器,使解决离 散问题的有利工具 Z 变换无法在此应用,无法通过 Z 变换来利用离散控制系统分 析法对电弧控制系统动态调节过程进行分析,再加上脉冲焊电弧模型难于确定, 控制器参数很难确定。即使确定了该参数也很难在较大电流范围内获得理想的弧 长调节特性。 针对当前脉冲焊设备存在的上述问题,与采用模拟调节芯片的脉冲电流传统 控制方法不同,本文提出采用变参数数字 PI 设计实现脉冲电流波形控制。实现了 对脉冲上升沿和下降沿的分别、独立调节,同时很好保证了基值电流和峰值电流 控制期间的稳态精度。试验表明在较大的电流范围内,波形调节的灵活性、波形 的一致性和可重复性都很好。本文同时提出一种新的电弧控制方法,即弧长同步 脉冲控制法,与传统电弧控制方案不同,在设计中不再采用调节器。实现了全电 流范围内对弧长的快速稳定调节。取得了良好的工艺效果。对薄板铝焊而言,脉 冲电流波形的精确控制,弧长的及时调整、有效控制对防止自动焊回烧、短路等 现象的发生,获得稳定的焊接过程很重要。 脉冲焊全数字控制达到了如下目的,与传统方法相比在较大电流范围内实现 了稳定的和控制较为精确的熔滴过渡,基值电流期间电流稳定不易熄弧。同时实 -I- WP=5 北京工业大学工学博士学位论文 现全电流范围内弧长好的动态调节性能,满足自动焊接的需要,抗扰动能力较强。 实现了整体进一步提高脉冲焊的控制性能和焊接性能,突破了当前国内焊接设备 研究对于数字控制特点认识不全面,设计中对传统的弧焊工艺控制思路继承过多, 导致产品性能难以提高。 铝焊过程易产生气孔,为获得理想的焊接质量,近年在国外又开发了双脉冲 焊焊铝合金。本文双脉冲焊接过程中送丝速度不变。目前,只有国外几家公司掌 握该技术,国内还未有相关研究和产品。由于与钢相比铝对扰动变化更为敏感, 而双脉冲焊弧长本身又在不停变换,因此对电弧调节性能要求很高。本研究在单 脉冲焊设计的基础上提出铝合金薄板双脉冲焊全数字控制系统设计,并对双脉冲 焊工艺进行了实验设计和研究。试验表明双脉冲全数字控制系统设计获得了一致 性好的脉冲电流波形,同时对弧长强有力的控制使双脉冲焊两个不同的弧长即便 在切换频率较高(即焊速较高)的情况下,也得到了很好的控制,获得了非常稳 定的焊接过程,无回烧、顶丝现象发生(目前铝自动焊中常发生的现象),焊接 过程非常稳定。同时,好的弧长控制效果与合理设计工艺参数相结合可以有效的 防止双脉冲焊中飞溅的发生。试验表明,双脉冲焊铝有效的减小了气孔发生的几 率,甚至无气孔,薄板焊焊缝变形小。 针对当前 Matlab/Simulink 环境下对 GMAW 焊仿真建模较为理想、仿真结果 与实际情况有一定差距的现状。本文根据数字控制研究的需要,在 Matlab/Simulink 环境下首次建立了逆变式数字控制 GMAW-P 电源整体建模(包括“功率变换器 -数字控制系统-动态电弧负载”),提出用受控电流源实现动态电弧负载模型 与系统模型的连接,解决了系统整合中的关键问题。本文研究表明,所建仿真模 型能够较为真实的模拟实际系统的动态过程,将熔化极气保焊系统的建模和仿真 研究水平向前推进了一步。该模型用于其它 GMAW 方法,只需修正相应的电弧 负载模型即可。另外,该模型为进一步仿真先进控制算法提供了很好的平台。


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