等離子弧自動(dòng)焊縫清根機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四川自貢職業(yè)技術(shù)學(xué)校 （643000） 黃智高

1. 概述

隨著焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊縫清根機(jī)也朝著自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。與此同時(shí)，對(duì)大罐或長輸管道內(nèi)部焊縫清根的質(zhì)量和速度要求也越來越高。現(xiàn)有的焊縫清根技術(shù)主要包括人工角磨機(jī)清根、手工氣刨清根、自動(dòng)碳弧氣刨清根及電火花刀具清根等。其中手工氣刨清根和人工角磨機(jī)清根完全由人工控制，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)工人技術(shù)要求高，工作條件惡劣，工作效率低。自動(dòng)碳弧氣刨清根時(shí)電路不穩(wěn)定，清根連續(xù)性不好，且消耗大量的碳，易造成環(huán)境污染并危害工人身體健康。為了避免滲碳的影響，生產(chǎn)中通常采用碳弧氣刨加砂輪鏟磨的方法清根，在某些空間位置，砂輪磨削很難實(shí)施。而采用等離子自動(dòng)焊縫清根有以下優(yōu)點(diǎn)：一是等離子弧清根是利用高溫高速的等離子流，將局部金屬熔化并吹除，形成切口，無滲碳現(xiàn)象。二是等離子弧能力密度高，熱量集中，電弧溫度高，流速大。三是可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清根，大大提高了生產(chǎn)效率，保證焊縫質(zhì)量。基于此，結(jié)合數(shù)字化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型等離子弧自動(dòng)焊縫清根機(jī)。

2. 焊縫清根機(jī)的組成

等離子弧焊縫自動(dòng)清根機(jī)主要由等離子電源、懸臂、懸臂機(jī)、割槍、割槍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、定位器、操作盒、DSP控制系統(tǒng)、LCD顯示、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、氣路與水路系統(tǒng)組成。等離子電源和割槍及DSP控制系統(tǒng)連接，提供電源。DSP控制整個(gè)清根順序。執(zhí)行機(jī)構(gòu)依靠電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)懸臂的升降、平移，以及割槍位置的調(diào)節(jié)。氣路系統(tǒng)提供離子氣和保護(hù)氣，水路系統(tǒng)提供割槍冷卻水，防止割槍燒壞。等離子弧焊縫清根機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 等離子弧焊縫清根機(jī)結(jié)構(gòu)

在清根機(jī)工作時(shí)，通過操作箱控制并啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使懸臂能夠平穩(wěn)移動(dòng)。再由定位器精確檢測割槍和焊縫之間的距離，然后打開氣路、水路系統(tǒng)，啟動(dòng)等離子電源開始清根工作。在清根過程中，通過霍爾傳感器對(duì)電弧電壓的檢測，自動(dòng)調(diào)整割槍與焊縫的距離，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清根。完成X方向的清根以后判斷Y方向需不需要清根，完成Y方向清根以后再判斷Z方向，從而實(shí)現(xiàn)割槍的三維行走。

3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）DSP控制系統(tǒng) 該等離子自動(dòng)焊縫清根機(jī)以DSP為控制核心，整個(gè)控制系統(tǒng)包括鍵盤電路、LCD顯示電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路及報(bào)警電路構(gòu)成。其中鍵盤電路用于輸入?yún)?shù)、顯示功能通過LCD實(shí)現(xiàn)、DSP通過驅(qū)動(dòng)電路可以精確控制電動(dòng)機(jī)，數(shù)據(jù)采集電路主要由霍爾傳感器采集電流、電壓數(shù)據(jù)，當(dāng)電流、電壓出現(xiàn)異常時(shí)，啟動(dòng)聲光報(bào)警，并將信號(hào)反饋到控制器。通過對(duì)電流、電壓的檢測，自動(dòng)調(diào)整割槍和焊縫之間的距離，從而達(dá)到全自動(dòng)清根的目的。報(bào)警系統(tǒng)分兩級(jí)：當(dāng)電流、電壓超過一級(jí)預(yù)設(shè)時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備；當(dāng)電流、電壓超過二級(jí)預(yù)設(shè)時(shí)，直接切斷系統(tǒng)電源以保證設(shè)備安全。控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)

（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)和兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)的作用是控制小車的前后移動(dòng)，一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于控制懸臂的水平移動(dòng)，另一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則控制等離子割槍的上下移動(dòng)，通過三個(gè)電動(dòng)機(jī)的配合，實(shí)現(xiàn)等離子割槍的三維行走，滿足了清根要求。

為了保證清根質(zhì)量，必須提高控制精度。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用閉環(huán)控制方案。根據(jù)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和反饋結(jié)果，通過計(jì)算偏差，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，得到的輸出作為輸入，通過控制驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)速度和方向的精確控制。

（3）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 由于直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電壓U成正比，因此通過控制電樞電壓U就能控制電動(dòng)機(jī)的速度。直流電動(dòng)機(jī)采用H橋雙極性電壓驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端電壓平均值U0為

其中α＝t1/T為占空比，0≤α≤1，改變占空比的大小可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速。在一個(gè)PWM周期里，當(dāng)VT1、VT4導(dǎo)通時(shí)，VT2、VT3截止，電壓為A到B的正向電壓；反之，電樞繞組承受B到A的反向電壓。

圖3 H型雙極可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)清根的工藝要求和加工特點(diǎn)，有時(shí)需要手動(dòng)調(diào)整，因此設(shè)置了自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式。同時(shí)，為了確保系統(tǒng)的安全性，除了電流報(bào)警之外，還設(shè)置了行程保護(hù)、急停開關(guān)和連鎖保護(hù)等。

工件安裝到位以后，判斷選擇自動(dòng)控制模式或手工控制模式。在自動(dòng)控制模式下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)割槍按程序在X-Y面移動(dòng)，直至整個(gè)清根過程結(jié)束。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行電流數(shù)據(jù)檢測，并實(shí)時(shí)顯示在LCD上，當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警程序。數(shù)據(jù)采集子程序有三個(gè)作用：①從霍爾傳感器處獲得電流數(shù)據(jù)。②通過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。③負(fù)責(zé)向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程

5. 結(jié)語

該等離子弧自動(dòng)焊縫清根機(jī)不但可對(duì)管道、筒體及容器焊縫自動(dòng)清根，而且還能實(shí)時(shí)顯示各參數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)兩級(jí)聲光報(bào)警，確保了清根安全。與傳統(tǒng)清根技術(shù)相比，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，保證了清根質(zhì)量，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。