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双丝旁路耦合电弧高效MIG焊过程建模仿真及控制

朱明  
【摘要】:现代制造业为了增强市场竞争能力,对焊接生产加工的效率提出了高效、优质、低耗的迫切要求。而对于常规的MIG(熔化极气体保护)焊,随着焊接电流的增大,会导致焊穿以及熔滴过渡、熔池流动和电弧行为等会发生变化,最终引起焊接稳定性变差并出现咬边或驼峰焊道等严重缺陷。为了解决这一问题,美国肯塔基大学张裕明教授等人提出一种新型的焊接方法——双丝旁路耦合电弧高效MIG焊。但是由于双丝旁路耦合电弧高效MIG焊引入了旁路电弧,使得耦合电弧形态与焊接过程并不稳定。因此,本文针对如何保证耦合电弧及焊接过程的稳定性,并在此基础上如何通过控制母材电流来减少焊接缺陷的问题进行了仿真分析与控制研究。 在研究双丝旁路耦合电弧高效MIG焊接方法的基础上,针对其焊接过程中的电弧动态特性,采用等效电流路径的方法建立了焊接过程的动态数学解析模型.并利用MATLAB/Simulink软件平台进行了焊接参数对焊接过稳定性影响的仿真及分析。在此基础上,提出了针对旁路弧长的SISO(单输入单输出系统)单闭环控制方案、针对旁路弧长和母材电流的MIMO(多输入多输出系统)双闭环控制方案和针对旁路弧长速度和母材电流的MIMO解耦控制方案并进行了仿真及分析。 基于快速原型技术,设计了双丝旁路耦合电弧高效MIG焊的软硬件试验平台并进行了焊接试验。通过焊接试验验证了双丝旁路耦合电弧高效MIG焊接电流大、熔敷率高、焊缝堆高高且可以分流加热母材电流的特点。并通过进行不同电源特性下的焊接试验,得出了双丝旁路耦合电弧高效MIG焊电源特性的最佳组合,为进一步进行双丝旁路耦合电弧高效MIG焊控制实验奠定了基础。 通过已建立的快速原型控制平台,在控制仿真结果的基础上,确定了通过旁路送丝速度控制旁路弧长的SISO单闭环控制方案、针对旁路送丝速度和母材电流的MIMO双闭环控制方案和针对旁路送丝速度和母材电流的MIMO解耦控制方案。采用Matlab/Simulink设计了控制程序,进行了焊接试验并验证了所设计方案的实际控制效果并进行了对比分析。


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