□羅云萌陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院　陜西渭南　714000

基于AVR單片機的粗絲氣電立焊機弧長控制器研究

□羅云萌
陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院陜西渭南714000

目前氣電立焊主要采用1.6 mm以下的細絲焊，應(yīng)用于40 mm以下的中厚板焊接。在焊接40 mm以上的大厚板時，細絲氣電立焊的焊接生產(chǎn)效率還不能滿足實際生產(chǎn)的要求。通過對氣電立焊焊接電弧弧長穩(wěn)定性的研究，分析了氣電立焊焊接過程，尤其是粗絲氣電立焊弧長控制技術(shù)及原理，設(shè)計了一套以單片機Atmega128為控制核心的，由變速送絲垂降外特性電源焊接系統(tǒng)和變速小車爬行系統(tǒng)組成的組合式弧長控制系統(tǒng)。試驗表明，該弧長控制系統(tǒng)抗干擾能力強、響應(yīng)速度快，能夠迅速對外界干擾引起的弧長變化進行精確的補償控制，并能精確控制焊槍擺動，焊接質(zhì)量好。

長期以來，立焊焊縫主要依賴焊條電弧焊，效率低，難以滿足實際焊接生產(chǎn)的需要。自動氣電立焊（EGW）是20世紀80年代初期由普通的熔化極氣體保護焊和電渣焊發(fā)展而來的一種高效熔化極氣體保護電弧焊方式，而強迫成形自動立焊氣電技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新的高效焊接技術(shù)［1］。

氣電立焊廣泛應(yīng)用于造船、冶金高爐、重型機械和鍋爐等行業(yè)，目前氣電立焊主要采用1.6 mm以下的細絲焊，應(yīng)用于40 mm以下的中厚板焊接。在焊接40 mm以上的大厚板時，細絲氣電立焊的焊接生產(chǎn)效率還不能滿足實際生產(chǎn)的要求。筆者以AVR單片機為控制核心，構(gòu)建了由變速送絲垂降外特性焊接系統(tǒng)和變速小車爬行系統(tǒng)組成的粗絲氣電立焊弧長控制系統(tǒng)，能基本滿足實際生產(chǎn)中大厚板焊接的需求。

1　弧長控制系統(tǒng)分析

由于氣電立焊本身的工藝特點，焊接時通常采用擺動焊接工藝，電弧在擺動過程中極易出現(xiàn)不穩(wěn)定。坡口大小、間隙寬窄、熔池溢流等造成液面高度的變化會干擾電弧長度的穩(wěn)定性，從而使焊接電流I和焊接電壓U發(fā)生波動，進而影響焊接質(zhì)量，此時就要依靠系統(tǒng)對電弧的自動調(diào)節(jié)能力來補償電弧長度的變化量，以保證焊接過程的穩(wěn)定性［2］。對于氣電立焊控制系統(tǒng)的選擇，既要保證焊接過程中弧長的穩(wěn)定性與可調(diào)性，又要保證有好的焊接質(zhì)量，只有這樣才能說明該弧長控制系統(tǒng)是理想的。

對于直徑大于2.5 mm的焊絲，焊接電流密度較小，依靠等速送絲配合平特性電源，電弧自調(diào)節(jié)作用隨即減弱，弧長恢復時間過長，不能滿足實際要求。若采用變速送絲方式與垂降外特性電源配合變速爬行小車控制系統(tǒng)，根據(jù)弧長變化規(guī)律：

式中：VS為送絲速度，mm/s；VL為熔池液面上升速度，mm/s；VM為焊絲熔化速度，mm/s；VP為小車爬行速度，mm/s；Δv為速度變化量，mm/s；Δh為弧長變化量，mm；t為弧長變化（t1-t2）所用時間，s；K為修正因數(shù)。

當弧長發(fā)生變化時，電弧電壓變化較大，此時通過送絲速度和變化的小車速度所提供的補償，可以保證弧長系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是在保證弧長系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，提高了焊接過程的熔敷率，因此本控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于大厚板一次性焊接成型。

本控制系統(tǒng)中，送絲速度調(diào)節(jié)僅是微調(diào)，而起主要調(diào)節(jié)作用的是爬行小車行走控制系統(tǒng)，以AVR單片機為控制核心，以弧壓反饋為控制信號調(diào)節(jié)爬行小車行走速度，保證焊接過程中弧長的穩(wěn)定。

2　基于AVR-MCU的控制系統(tǒng)

根據(jù)生產(chǎn)實際要求及氣電立焊弧長控制原理，設(shè)計了以AVR單片機為控制核心的自動氣電立焊機弧長控制系統(tǒng)，其主控電路系統(tǒng)如圖1所示，本控制系統(tǒng)具有以下功能和特點。

圖1　AVR MCU系統(tǒng)框圖

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外停留時間、擺動速度和擺動幅度的精確控制；

（2）能夠精確地實現(xiàn)焊槍自動焊縫對中調(diào)節(jié)；

（3）根據(jù)弧長變化，自動調(diào)節(jié)爬行小車行走速度，保證焊接弧長的穩(wěn)定；

（4）具有計算、數(shù)據(jù)存儲處理、程序控制［3］功能；

（5）可實現(xiàn)多路PWM波輸出；

（6）內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊，無需外部轉(zhuǎn)換電路；

（7）可靠性、穩(wěn)定性較高。

根據(jù)基于AVR-MCU的自動氣電立焊弧長控制系統(tǒng)的分析及要求，筆者編譯了一套控制程序，其流程如圖2所示。

圖2　程序流程圖

3　試驗研究

3.1行走系統(tǒng)試驗與分析

為實現(xiàn)電機的平穩(wěn)行走，設(shè)計了直流電機電壓負反饋和電流正反饋閉環(huán)反饋系統(tǒng)，并將反饋信號比較運算后經(jīng)光耦隔離送入單片機，參與PI運算以決定輸出PWM占空比的大??；同時保證弧長在發(fā)生變化時，爬行小車能及時而又準確地調(diào)整爬行速度以維持弧長的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)將焊接電壓作為反饋信號，經(jīng)光耦隔離后送入單片機，并與電機反饋信號進行運算后改變PWM占空比大小［4］，以調(diào)整爬行小車的行走速度來保證弧長系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為驗證爬行控制系統(tǒng)的性能，進行了調(diào)試試驗，分別在弧長較短和弧長較長的情況下進行試驗，圖3為弧長較短時電機高速爬行時的驅(qū)動波形，此時爬行小車高速運行產(chǎn)生了一個VP，補償了弧長的變化，保證了弧長的穩(wěn)定性；圖4為弧長較長時爬行小車低速行走的控制波形，此時爬行小車以低速運行產(chǎn)生一個VP'，能夠補償弧長的變化以保證弧長的穩(wěn)定性。因此，本控制系統(tǒng)在焊接弧長發(fā)生變化時能夠維持弧長的穩(wěn)定性。

圖3　高速爬升電機驅(qū)動波形

3.2擺動系統(tǒng)試驗與分析

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，大型重要構(gòu)件的焊接越來越多，僅僅依靠手工焊接難于滿足焊接質(zhì)量和焊接效率的要求，焊接自動化將成為焊接技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。當焊道較寬時，為了提高焊接質(zhì)量，在大坡口對接或搭接的焊縫自動焊接過程中，焊機必須采用擺動結(jié)構(gòu)，焊槍一邊隨焊道長度方向運動，一邊在焊道寬度方向做一定頻率的擺動。為了滿足不同坡口形式焊縫的需要，擺動參數(shù)（擺速、擺幅、左右滯時）應(yīng)能調(diào)整。

對擺動的要求：根據(jù)焊件的厚度調(diào)節(jié)擺幅增大或擺幅減少；前后停留時間的調(diào)節(jié)有利于鐵水在焊縫坡口內(nèi)的流動，焊縫前面寬，停留時間要長，后面窄，停留時間要短；焊槍擺動能夠增加熔池液態(tài)金屬的流動速度，改善熔池液態(tài)金屬的流動狀態(tài)，從而可增加對兩側(cè)母材傳熱量和熔深，提高焊接質(zhì)量。

為滿足焊接生產(chǎn)的需求，設(shè)計了以步進電機為執(zhí)行元件的擺動驅(qū)動控制系統(tǒng)。通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確控制擺動幅度；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)能夠精確實現(xiàn)在焊接過程中控制焊槍的擺動速度、擺動幅度和擺動內(nèi)外停留時間。

在擺動電機運行過程中，對驅(qū)動波形進行測試，圖5為擺動電機驅(qū)動波形，圖6為擺動電機驅(qū)動波形的展開，驅(qū)動波形由4部分組成：擺幅、擺速和內(nèi)、外停留時間，其中擺幅由給定脈沖個數(shù)決定，擺速由給定脈沖頻率決定，內(nèi)外停留時間由給定控制信號決定。因此，通過調(diào)節(jié)4個給定值可以精確實現(xiàn)焊槍的擺動軌跡調(diào)節(jié)。

4　結(jié)論

（1）以AVR-MCU為控制核心，采用由變速送絲垂降外特性焊接系統(tǒng)和變速小車爬行系統(tǒng)組成的粗絲氣電立焊機弧長控制系統(tǒng)，采用PWM調(diào)制模式能精確控制爬行小車的變速運動，結(jié)合變速送絲控制系統(tǒng)，能夠保證焊接過程弧長的穩(wěn)定。

（2）以步進電機為核心的焊槍擺動電氣控制系統(tǒng)，通過調(diào)整驅(qū)動脈沖的頻率和個數(shù)，能夠精確地控制擺動電機的擺速和擺幅，通過調(diào)節(jié)內(nèi)外停留給定信號，能夠精確實現(xiàn)焊槍前后的停留。

圖4　低速爬升電機驅(qū)動波形

圖5　擺動電機驅(qū)動波形

圖6　擺動電機驅(qū)動波形的展開

［1］李景波，王剛，沙玉章，等.船體厚板高效氣電立焊焊接技術(shù)的研究［J］.電焊機，2004（2）：14-15.

［2］李雪梅.大型儲油罐縱縫氣電立焊焊接工藝［J］.焊接技術(shù)，2006（5）：69-70.

［3］沈建良，趙文宏，賈玉坤，等.ATmega128單片機入門與提高［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［4］張立勛，沈錦華，路敦民，等.AVR單片機實現(xiàn)的直流電機PWM調(diào)速控制器［J］.機械與電子，2004（4）：29-32.

Currently gas-electric vertical welder mainly adopts fine wire with a diameter under 1.6 mm for welding of medium plate with a thickness under 40 mm.When welding the plate with a thickness over 40 mm，the welding productivity of gas-electric vertical welder with fine wire can not satisfy real production requirement. Through the examination of arc length stability provided by the gas-electric vertical welder，and the analyses of the welding processes of the gas-electric vertical welder，especially the control technique and theory of arc length in gas-electric vertical welder using thick wire，we have designed a welding system with additional features of variable wire feedrate&rappelling wire，and an arc length control system with variable speed cart crawling system combined.Both systems are mainly controlled by Atmega128 microcontroller.Tests demonstrate that the arc length control system has strong anti-interference ability and fast response.it can enable accurate compensate control against the changing arc length caused by external interference and provide precise control of the wobble ofthe weldingtorch toachieve fine weldingquality.

AVR單片機；氣電立焊；弧長控制

AVR Microcontroller；Gas-electric VerticalWelder；Arc Length Control

TG434.5

A

1672-0555（2015）03-042-04

2015年4月

羅云萌（1987年-）男，碩士，主要從事焊接方面的技術(shù)和教學和科研工作