王振民 馮銳杰 馮允樑 黃石生

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510640)

近年來(lái)，海洋工程、核電工程以及船舶工業(yè)等的高速發(fā)展，對(duì)水下自動(dòng)化焊接技術(shù)(尤其是水下焊接機(jī)器人技術(shù))提出了迫切需求.水下焊接存在較大的復(fù)雜性和不確定性，為獲得優(yōu)良的水下焊接效果，除了要有高質(zhì)量的水下機(jī)器人焊接專(zhuān)用電源，專(zhuān)用的潛水送絲系統(tǒng)也至關(guān)重要.

與地面上使用的常規(guī)送絲系統(tǒng)相比，潛水送絲系統(tǒng)不僅要具有足夠小的體積以利于密封防水，還要能在足夠?qū)挼乃徒z調(diào)速范圍內(nèi)確保送絲的穩(wěn)定性和均勻性;尤其需要注意的是，由于水下焊接的速度普遍比陸上焊接的慢，潛水送絲系統(tǒng)必須具有優(yōu)異的低速送絲性能，并可對(duì)水下焊接的高速動(dòng)態(tài)變化過(guò)程做出實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的響應(yīng)［1-2］.此外，為了保證水下焊接工作的連續(xù)性，還需要對(duì)焊絲的消耗情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［3］.目前，市面上銷(xiāo)售的送絲機(jī)體積一般都比較大，難以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊絲的消耗情況，而且多為模擬控制型送絲機(jī)，控制的精確性和柔性欠佳，難以滿(mǎn)足水下焊接機(jī)器人優(yōu)質(zhì)、高效焊接的需求.

針對(duì)上述問(wèn)題，文中充分利用數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)級(jí)ARM 嵌入式微處理器的優(yōu)異運(yùn)算性能、高功能集成度和實(shí)時(shí)性，結(jié)合電渦流式接近開(kāi)關(guān)對(duì)焊絲的渦流檢測(cè)特性，采用體積小、運(yùn)行平穩(wěn)、能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的直流印刷電機(jī)，設(shè)計(jì)了一種低成本、高穩(wěn)定性、全數(shù)字化控制的智能潛水送絲系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了送絲速度的無(wú)級(jí)調(diào)速與焊絲狀態(tài)的非接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).該系統(tǒng)能滿(mǎn)足水下熔化極氣體保護(hù)焊的工藝要求，可無(wú)縫集成應(yīng)用于水下焊接機(jī)器人等智能化焊接設(shè)備.

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 送絲系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及控制方式

圖1 為潛水送絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖.送絲電機(jī)、電渦流式接近開(kāi)關(guān)、送絲輪組件等均安裝于密封罩內(nèi).送絲電機(jī)采用低慣性量的直流印刷電機(jī)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和繞組的電感值與其他類(lèi)型的伺服電機(jī)相比要小得多，所以其時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量輕，完全可以滿(mǎn)足高質(zhì)量水下焊接工藝對(duì)送絲系統(tǒng)性能的要求［4］.

圖1 潛水送絲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the structure of underwater wire feeder

該送絲系統(tǒng)采用全數(shù)字控制方式，信號(hào)的輸入、輸出完全由數(shù)字芯片控制.控制系統(tǒng)的核心為ARM CortexTM-M4 架構(gòu)的32 位精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)嵌入式微處理器STM32F405RGT6.該微處理器支持JTAG 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線(xiàn)編程，其運(yùn)行頻率高達(dá)168 MHz，集成單周期數(shù)字信號(hào)處理(DSP)指令和浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)，適合復(fù)雜的信號(hào)處理和過(guò)程控制;片上集成12 位高速模/數(shù)變換器(ADC)模塊，能夠滿(mǎn)足對(duì)各種信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣要求;內(nèi)置支持控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0A和2.0B 的CAN 收發(fā)器，保證了系統(tǒng)與焊接電源間的可靠通信;內(nèi)置14 個(gè)定時(shí)器模塊，可以產(chǎn)生多路PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)，用于產(chǎn)生送絲電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且每個(gè)通用輸入/輸出(GPIO)均可觸發(fā)中斷，可用于焊接過(guò)程中各開(kāi)關(guān)信號(hào)量的處理，在大大簡(jiǎn)化外圍電路的同時(shí)保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性［5］.

1.2 送絲驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

目前，許多新型焊接工藝都要求送絲系統(tǒng)不但可以正轉(zhuǎn)送絲，還可以反轉(zhuǎn)抽絲，而且要求在引弧階段能實(shí)現(xiàn)焊絲的低速送進(jìn)，在焊接階段能實(shí)現(xiàn)焊絲的勻速送進(jìn)［6-7］.因此，在送絲驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，必須實(shí)現(xiàn)可逆PWM 送絲電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求，以達(dá)到所需的送絲效果.而根據(jù)直流印刷電機(jī)轉(zhuǎn)速n 的數(shù)學(xué)表達(dá)式，要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流印刷電機(jī)的速度調(diào)節(jié)，一般有兩種方法:一是對(duì)勵(lì)磁磁通Ф 進(jìn)行控制的勵(lì)磁控制法，另一種是對(duì)電機(jī)的電樞電壓U 進(jìn)行控制的電樞電壓控制法［8］.直流印刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

式中，I 為電樞電流，R 為電樞回路的電阻，k 是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，di/dt 表示電機(jī)勵(lì)磁電流隨時(shí)間的變化率.由于電機(jī)的勵(lì)磁磁通難以準(zhǔn)確檢測(cè)及控制，為保證在精確控制電機(jī)速度的同時(shí)簡(jiǎn)化送絲系統(tǒng)控制電路，采用電樞電壓控制法.采用該電機(jī)速度調(diào)節(jié)方法能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)電樞電壓的穩(wěn)定，可以在一定程度上補(bǔ)償由網(wǎng)壓波動(dòng)及電源內(nèi)阻變化造成的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，且由式(1)可以看出，采用電樞電壓控制法可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流印刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)級(jí)平滑調(diào)節(jié).

通過(guò)脈寬調(diào)制型半橋可逆斬波電路實(shí)現(xiàn)電樞電壓的調(diào)節(jié)控制，如圖2 所示.設(shè)開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比為q，則電機(jī)電樞的平均電壓U 可以表示為

式中，U0為脈沖電壓幅值.調(diào)節(jié)占空比q，也就改變了送絲電機(jī)電樞的平均電壓U，從而實(shí)現(xiàn)了送絲速度的調(diào)節(jié)［9］.驅(qū)動(dòng)器件選擇International Rectifier 公司的N 溝道型功率MOS 管IRF540N，該模塊具有開(kāi)關(guān)損耗低、開(kāi)關(guān)快速的特點(diǎn)，開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間分別只需8 和26 ns，足以實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)的開(kāi)通和關(guān)斷，保證了送絲速度的精確調(diào)制與快速響應(yīng).

圖2 送絲驅(qū)動(dòng)電路Fig.2 Drive circuit of wire feeder

1.3 焊絲狀態(tài)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

區(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械接觸式的焊絲狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)，文中系統(tǒng)的焊絲狀態(tài)檢測(cè)模塊采用電渦流式接近開(kāi)關(guān)作為檢測(cè)元件，配合外部電路和軟件，能實(shí)現(xiàn)焊絲狀態(tài)的非接觸式、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［10-11］.模塊組成如圖3 所示.

圖3 焊絲狀態(tài)檢測(cè)模塊框圖Fig.3 Block diagram of wire state detection module

接近開(kāi)關(guān)采用二線(xiàn)制的TCO-3040BL NPN 常閉型電渦流式接近開(kāi)關(guān)，其檢測(cè)距離達(dá)40 mm，應(yīng)答頻率最高可達(dá)20 Hz，重復(fù)精度≤3%，且內(nèi)部集成浪涌保護(hù)回路，在確保穩(wěn)定、可靠工作的同時(shí)也簡(jiǎn)化了外部硬件電路，使得控制更加靈活［12］.為避免在焊絲接近耗盡時(shí)出現(xiàn)誤判，在檢測(cè)端加入電壓采樣電路，對(duì)接近開(kāi)關(guān)的輸出端電壓進(jìn)行采樣和運(yùn)算處理，當(dāng)結(jié)果低于一定閥值時(shí)，則認(rèn)為焊絲已經(jīng)耗盡，保證了檢測(cè)結(jié)果的可靠性.

2 控制軟件的設(shè)計(jì)

2.1 送絲系統(tǒng)的電壓采樣

為了進(jìn)一步提高送絲穩(wěn)定性，在對(duì)比幾種送絲調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上［13］，綜合考慮送絲系統(tǒng)體積、整體成本等因素，采用基于電機(jī)的電樞電壓負(fù)反饋的PWM 送絲調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖4，其中Uf為經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的送絲電機(jī)采樣電壓.

圖4 電樞電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of the negative feedback control based on armature voltage

充分考慮到送絲系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)性能與功率管的開(kāi)關(guān)損耗，設(shè)定電機(jī)的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為20.4 kHz.同時(shí)，為保證電機(jī)電壓的可靠采樣及程序的執(zhí)行效率［14］，設(shè)置電機(jī)電壓采樣及A/D 轉(zhuǎn)換為PWM 上升沿觸發(fā)，且每0.7 ms 為一個(gè)調(diào)節(jié)周期，即每0.7 ms 采樣一組送絲電機(jī)電壓信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.

為使采樣后的電壓信號(hào)不失真，應(yīng)滿(mǎn)足采樣定理，即電壓采樣信號(hào)的頻率fs必須高于輸入模擬信號(hào)頻譜中的最高次諧波成分頻率fimax的2 倍，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇采樣頻率fs＞2fimax即可滿(mǎn)足采樣定理的要求.潛水送絲系統(tǒng)的電機(jī)電壓變化最高次諧波成分頻率為fimax=20.4 kHz，故選取電機(jī)電壓采樣頻率為fs=83.3 kHz，信號(hào)波形見(jiàn)圖5.電機(jī)電壓采樣及A/D 轉(zhuǎn)換的PWM 觸發(fā)信號(hào)周期Ts=12 μs，即在電機(jī)電壓采樣階段，每12 μs 進(jìn)行一次采樣動(dòng)作.設(shè)定一組電機(jī)電壓采樣信號(hào)包含49 個(gè)采樣點(diǎn)，即在0.7 ms 內(nèi)采樣49 次送絲電機(jī)電壓并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，而Timax=49 μs，則采樣49 個(gè)點(diǎn)共經(jīng)歷了12 個(gè)PWM 周期.Ts與Timax互質(zhì)，這就保證了49 個(gè)電壓采樣點(diǎn)的位置在PWM 周期中相互錯(cuò)開(kāi)，確保了采樣數(shù)據(jù)的隨機(jī)性與代表性，使得采樣值更加接近實(shí)際電壓值.

圖5 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)與A/D 采樣觸發(fā)信號(hào)Fig.5 PWM driving signal and A/D sampling trigger signal

2.2 采樣信號(hào)的濾波設(shè)計(jì)

潛水送絲系統(tǒng)的工作環(huán)境相對(duì)惡劣，焊接電源產(chǎn)生的噪聲干擾信號(hào)會(huì)對(duì)電壓的采樣精度產(chǎn)生影響，所以需要對(duì)每組采樣的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以保證其準(zhǔn)確性.所用的濾波算法結(jié)合了去極值滑動(dòng)濾波法與限幅平均濾波法，能有效消除偶然因素引起的脈沖干擾與隨機(jī)干擾引起的采樣偏差［15］，使速度調(diào)節(jié)曲線(xiàn)更加平滑.算法流程如圖6所示.

圖6 電壓采樣濾波算法流程Fig.6 Flow chart of voltage sampling and filtering algorithm

2.3 焊絲狀態(tài)檢測(cè)流程

圖7 所示為焊絲狀態(tài)檢測(cè)模塊的工作流程.為優(yōu)化程序、提高執(zhí)行效率，控制芯片定時(shí)對(duì)模塊檢測(cè)端的值進(jìn)行掃描及去抖，當(dāng)控制芯片確認(rèn)模塊檢測(cè)端可靠復(fù)位后［16］才觸發(fā)，對(duì)電渦流式接近開(kāi)關(guān)輸出端電壓按確定的采樣頻率進(jìn)行采樣，以確保采樣的電壓值更接近真實(shí)電壓.所采樣的電壓值經(jīng)過(guò)等比例降壓、A/D 轉(zhuǎn)換及軟件濾波后，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，高于閾值則認(rèn)為此時(shí)焊絲已經(jīng)耗盡，繼而進(jìn)行相應(yīng)的故障處理;反之則表明檢測(cè)結(jié)果為有焊絲.

圖7 焊絲狀態(tài)檢測(cè)流程Fig.7 Flow chart of welding wire state detection

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 送絲軟管狀態(tài)變化試驗(yàn)

考量送絲速度穩(wěn)定性的指標(biāo)一般是電網(wǎng)電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)、焊槍送絲軟管狀態(tài)變化時(shí)送絲速度的變化率［17］.由于所研制的潛水送絲系統(tǒng)采用獨(dú)立的供電模塊提供系統(tǒng)所需的24 V 直流電壓，保證了系統(tǒng)輸入電壓的線(xiàn)性度，所以電網(wǎng)電壓在范圍內(nèi)的波動(dòng)對(duì)送絲速度的影響可忽略不計(jì)，因此影響系統(tǒng)送絲速度穩(wěn)定性的主要因素是送絲軟管狀態(tài)變化造成的送絲阻力變化.當(dāng)輸入額定電壓時(shí)，測(cè)量送絲系統(tǒng)在送絲軟管平直狀態(tài)下和在其中部繞一直徑為400mm 的圈的狀態(tài)下各自的送絲速度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.圖8 所示為送絲系統(tǒng)實(shí)物圖.

表1 送絲軟管狀態(tài)變化時(shí)的送絲速度Table 1 Wire feeding speed in different wire f eeder tube states

圖8 送絲系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Picture of the developed wire feeding system

由表1 數(shù)據(jù)可知，當(dāng)送絲軟管狀態(tài)變化導(dǎo)致送絲阻力變化時(shí)，系統(tǒng)送絲速度的波動(dòng)均在±3.5%以?xún)?nèi)，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中送絲速度變化率不超過(guò)±10%的要求.送絲速度越低，速度的變化率越明顯，這是由于送絲電機(jī)工作在低速狀態(tài)下的扭矩比高速狀態(tài)下的小，故送絲阻力變化時(shí)送絲速度的波動(dòng)更為明顯.因此，文中送絲系統(tǒng)的送絲穩(wěn)定性以及送絲速度的可調(diào)節(jié)性能夠滿(mǎn)足水下熔化極焊接技術(shù)的工藝要求.兩種軟管狀態(tài)下的送絲速度曲線(xiàn)如圖9 所示.

圖9 送絲速度曲線(xiàn)Fig.9 Curves of wire feeding speed

3.2 焊絲狀態(tài)檢測(cè)模塊實(shí)驗(yàn)

根據(jù)氣體保護(hù)焊中焊接電流與送絲速度的關(guān)系曲線(xiàn)［18］，選擇實(shí)驗(yàn)條件如下:焊接電流，260 A;送絲速度，7m/min;采用直徑φ1.2mm 的不銹鋼焊絲.在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)送絲電機(jī)兩端電壓進(jìn)行采樣，結(jié)果如圖10 所示.當(dāng)檢測(cè)結(jié)果為有焊絲時(shí)，送絲電機(jī)以給定速度穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)兩端平均電壓為10V;當(dāng)檢測(cè)到焊絲已經(jīng)耗盡時(shí)，電渦流式接近開(kāi)關(guān)閉合，主控芯片隨即調(diào)整送絲電機(jī)的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，使其處于剎車(chē)狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)兩端平均電壓為2V.由圖10 可知，焊絲狀態(tài)檢測(cè)模塊由發(fā)現(xiàn)焊絲已經(jīng)耗盡至完成送絲電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的切換，用時(shí)少于4 ms，反應(yīng)迅速，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠.

圖10 電機(jī)電壓曲線(xiàn)Fig.10 Curve of motor voltage

4 結(jié)論

(1)文中開(kāi)發(fā)的以DSC 級(jí)ARM 嵌入式微處理器為控制核心的全數(shù)字智能潛水送絲系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制靈活、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足水下焊接工藝的要求.

(2)采用脈寬調(diào)制的半橋可逆斬波送絲驅(qū)動(dòng)電路方案，結(jié)合送絲電機(jī)的電樞電壓負(fù)反饋控制，在減小系統(tǒng)體積的同時(shí)提高了送絲的穩(wěn)定性、均勻性，電壓和送絲速度線(xiàn)性度好，抗負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化能力強(qiáng).

(3)基于電渦流式接近開(kāi)關(guān)的焊絲狀態(tài)檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)焊絲狀態(tài)的非接觸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，響應(yīng)迅速，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定、可靠，能滿(mǎn)足水下焊接機(jī)器人等智能化焊接設(shè)備的要求.

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