應用DSP技術實現焊接電弧弧長跟蹤及控制

趙 輝，張洪國，董瑞佳，朱振偉

（1.唐山工業職業技術學院，河北唐山063299；2.唐山三友遠達纖維有限公司，河北唐山063299）

0 前言

隨著焊接工程的發展，對焊接精度和速度的要求越來越高。焊接過程自動化是提高焊接質量及焊接生產效率的關鍵[1]。精確的電弧跟蹤技術為焊接自動化過程中焊接質量的保證提供了強有力的支持[2]。目前國內外廠商生產的跟蹤器主要是針對單一種類焊接類型。如JETLINE的產品可跟蹤直流TIG焊，若其跟蹤交流TIG，則需增加交流跟蹤模塊，若跟蹤器自控跟蹤電機，則需要增加同品牌其他控制器，進而實現聯動控制。一臺弧長跟蹤器無法適合大部分焊接類型，需要另外購置固定功能模塊，成本大大提高。本研究采用TMS320F28335為核心控制芯片，配套電弧電壓電流采集模塊、手持操作盒模塊、PLC模塊開發了一套弧長跟蹤控制系統。TMS320F28335芯片具有高速浮點運算能力的低功耗、低成本、易開發的特點，是適合大量數據處理的理想DSP處理器。通過開發實現了：既可DSP負責數據采集與處理并自控跟蹤電機，又可搭建PLC+DSP聯合平臺，PLC控制跟蹤電機；既可控制直流TIG焊接、交流TIG焊接、直流TIG脈沖焊接、直流TIG擺動焊接、直流TIG脈沖擺動焊接，又可控制直流MAG焊接、脈沖MAG焊接，還可控制等離子焊接等多種焊接類型；既可實現普通焊接條件時跟蹤，又可在焊接速度快或脈沖頻率高的情況下實現跟蹤。

1 工作原理

弧長跟蹤控制器總體框架如圖1所示。焊接過程中焊道的高低起伏必然導致電弧弧長的變化，在恒電壓或恒電流焊接系統中弧長的變化即表現為電流或電壓信號的變化。焊接開始后，焊槍沿著焊接路徑進行焊接，同時，隨著電弧弧長的變化，焊接電流或電壓隨之改變。焊接電壓及由電壓型霍爾傳感器檢測到的焊接電流信號，經過硬件電路轉換及濾波降噪處理，輸入到控制器進行再處理和運算，通過分析焊接電流電壓變化，進而控制器發出指令驅動跟蹤電機及執行機構進行偏差調節，從而實現弧長穩定的焊接。

圖1 總體功能框圖

2 硬件設計

整個弧長跟蹤控制器主要包括：焊接電壓電流轉換模塊、采集板、DSP跟蹤模塊、操作盒。除操作盒外，都是該控制系統獨立設計部分。

（1）電壓電流轉換模塊。包括兩部分：一部分使用HAS400-S/SP50電壓型霍爾傳感器將電焊機輸出的電流信號-400～+400 A轉換成-4～+4 V的電壓信號，再經過轉換板轉換成-40～+40 mA的電流信號；另一部分使用多個線圈及電容配合搭建焊接電壓濾波模塊，獲取穩定電壓信號，如圖2所示。

圖2 電壓電流轉換模塊

（2）焊接電壓電流采集板。主要負責實時采集焊機的-30～+30 V或0～60 V的弧壓信號、電壓型霍爾傳感器采集轉換得到的-40～+40 mA焊機電流信號，以及輔助電源工作在接觸引弧模式時產生的弧壓信號。電壓電流兩路信號經過uPC4082運放和HCNR200光耦隔離電路后，向DSP跟蹤控制模塊輸出ADC可接受的0～3.3V的電壓信號[3]。其中，由P1、P2、P3、P4四組短接片構成不同組合，完成不同焊接類型下信號的采集工作。工作組合方式可以為直流TIG或者MAG（包括脈沖）模式下，P1的 1、2腳，P2的 1、2腳，P3的 2、3腳，P4的2、3腳短接；交流TIG（包括脈沖）模式下，更改為P3的1、2腳，P4的1、2腳短接即可，此種調整主要是為了墊高交流負半波電壓進而滿足ADC采集范圍。電壓電流采集電路如圖3所示。

（3）DSP跟蹤模塊。系統主要使用TMS320F28335的ADC、DI/DO、SCI、PWM、SPI等功能模塊。通過ADC模塊采集焊接電壓電流采集板的輸出電壓信號，并對其進行快速處理，通過DI/DO傳遞電焊機的起弧信號、峰值/基值信號。之后針對不同配合情況，將焊接用戶參數通過SCI以及DI/DO與PLC或者手持盒交換，從而通過PLC控制電機或者通過PWM和DI/DO配合直接控制電機[4]。DSP功能分布如圖4所示。

（4）操作盒。DSP跟蹤控制模塊中SCI模塊通過RS422和I/O與操作盒進行數據及開關量信號的交換[5]，比如焊接類型選擇、跟蹤電機參數調節以及急停等動作。在DSP自帶電機進行電弧跟蹤時，替代PLC與觸摸屏，進行人機交互的參數傳遞使用。

3 軟件設計

采用 CCS5.1（Code Composer Studio）軟件集成開發環境，它集編輯、編譯、鏈接、仿真、調試等功能于一體，極大方便了DSP芯片的開發與設計，是目前使用最為廣泛的DSP開發軟件之一[6]。

圖3 電壓、電流采集模塊

圖4 DSP功能分布

3.1 主程序流程設計

主程序流程如圖5所示。

3.2 跟蹤控制算法

根據不同焊接類型，DSP內核將ADC采集到的焊接數據分別按照不同方式進行濾波處理。TIG焊接以焊接電壓為跟蹤對象，MAG焊接以焊接電流為跟蹤對象。以交流TIG焊接跟蹤為例進行說明。首先，將ADC以10 μs為周期采集到的原始數據進行一階滯后濾波處理，權重0.7。然后識別并截取完整的正半波有效數據，固定周期進行滑動均值濾波處理。處理周期可以由現場操作人員通過手持盒或觸摸屏進行設置調整。濾波處理后數據經過控制器的再分析處理，驅動跟蹤電機及執行機構進行弧長跟蹤。

圖5 整體流程

4 弧長跟蹤控制器的應用舉例

4.1 直流TIG脈沖跟蹤實驗

焊接電源為松下500WX焊機；母材為Q345B，規格200 mm×100 mm×20 mm，表面進行銑床加工，試板與水平角度為5°；跟蹤策略：區分基值峰值，對基值進行跟蹤。數據采集處理完成后通過PWM與DI/DO控制上下調電機。焊機實際電壓如圖6所示。跟蹤測試條件如表1所示。

400 Hz脈沖頻率時的跟蹤效果如圖7所示，69.7%的電弧電壓在跟蹤精度范圍內。其中，電弧趨于穩定后電弧電壓最值差為0.41 V，反映靈敏度較高，電弧波動可以接受，跟蹤成功。

圖6 400 Hz直流TIG脈沖焊電壓波形

表1 跟蹤測試條件

4.2 交流TIG焊跟蹤實驗

焊接電源為松下YC-630BX；母材為純鋁板，規格150 mm×100 mm×12 mm，表面進行銑床加工，試板與水平角度為5°；跟蹤策略：固定周期內，將正半波數據采集處理完成后通過普通IO傳遞給PLC上下調信息，PLC控制上下調電機。跟蹤測試條件如表2所示。

圖7 400 Hz脈沖頻率時跟蹤效果

表2 跟蹤測試條件

200 Hz交流頻率時的跟蹤效果如圖8所示，66.25%的電弧電壓在跟蹤精度范圍內，未在跟蹤范圍內的電壓值通過跟蹤調節可以很快恢復到正常范圍，可控性較強，跟蹤成功。

圖8 200 Hz交流頻率時跟蹤效果

4.3 雙絲MAG焊（只跟前絲）跟蹤實驗

焊接電源為松下500GL3×2；焊槍為松下YT-50CS 焊槍×2；母材為 Q345B；焊絲為 ER50-6 φ1.2，試板與水平角度為5°；跟蹤策略：固定周期內，將電流值采集處理完成后，通過PWM與DI/DO控制上下調電機。雙絲焊焊接規范參數如表3所示。

表3 雙絲焊焊接規范參數

焊接速度為1 000 mm/min時的跟蹤效果如圖9所示，66.25%的電弧電流在跟蹤精度范圍內，未在跟蹤范圍內的電流值通過跟蹤調節可以很快恢復到正常范圍，可控性較強，跟蹤成功。

圖9 焊接速度1 000 mm/min時跟蹤效果

4.4 單絲MAG焊短路過渡跟蹤實驗

焊接電源為松下500GL3，焊槍為松下YT-50CS焊槍；母材為Q345B；焊絲為ER50-6 φ1.2，試板與水平角度為5°；跟蹤策略：固定周期內，將焊接電流正半波數據采集處理完成后通過普通IO傳遞給PLC上下調信息，PLC控制上下調電機。單絲MAG短路過渡焊接規范如表4所示。

表4 單絲MAG焊短路過渡焊接規范參數

單絲MAG焊短路過渡焊縫成形如圖10所示，95%的焊接電流保持在跟蹤精度內，跟蹤效果良好，正常成形（見圖11）。

圖10 單絲MAG焊短路過渡跟蹤效果

5 結論

本研究進行了大量重復性焊接跟蹤實驗。高頻條件下進行直流TIG脈沖焊和交流TIG焊，高速條件下進行雙絲MAG焊、直流MAG短路過渡焊。在實驗中，通過弧長跟蹤控制器調節，使用PLC控制跟蹤電機或者DSP控制跟蹤電機兩種方式進行弧長跟蹤實驗，保證了焊接過程中電弧弧長穩定，達到良好的焊接效果。

圖11 單絲MAG焊短路過渡實驗焊縫成形（自上而下）