基于交流伺服電機(jī)的推拉絲送絲系統(tǒng)研究

董志強(qiáng)，陳克選，李 歡

(蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050)

0 前言

近年來(lái)，薄板在汽車、機(jī)械制造等行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多，薄板的電弧焊接需要降低熱量輸入。由于推拉絲送絲方式在短路時(shí)通過(guò)送絲機(jī)反轉(zhuǎn)回抽焊絲，在回抽拉力的作用下使焊絲和熔滴分離的方式，使熔滴在幾乎無(wú)電流的狀態(tài)下過(guò)渡，從而降低了焊接過(guò)程能量輸入和產(chǎn)生飛濺的因素。

在國(guó)外，奧地利Fronius公司在2004年推出一種焊接方法——冷金屬過(guò)渡焊接法簡(jiǎn)稱CMT法。CMT法采用推拉絲的送絲方式，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，送絲機(jī)反轉(zhuǎn)回抽焊絲，從而使得焊絲與熔滴分離，使熔滴在幾乎無(wú)電流的狀態(tài)下過(guò)渡，從根本上消除了產(chǎn)生飛濺的因素[1]。在國(guó)內(nèi)，鄭州機(jī)械研究所孫子健等人研制了一種可以實(shí)現(xiàn)脈動(dòng)送絲的“三鋼球”脈動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)(采用凸輪電機(jī))[2]，以周期性定量送絲為前題，通過(guò)機(jī)械參數(shù)和電參數(shù)的配合，可以使熔滴按焊絲脈動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)一個(gè)步距一個(gè)熔滴的有規(guī)律短路過(guò)渡，從而減小飛濺，使焊接過(guò)程穩(wěn)定。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的里強(qiáng)采用響應(yīng)較好的五相混合式步進(jìn)電機(jī)作為送絲電機(jī)，對(duì)推拉絲短路過(guò)渡做進(jìn)一步研究。在短路階段，熔滴與熔池在小電流下接觸，降低了短路過(guò)渡時(shí)的飛濺[3]。

通過(guò)選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快的電機(jī)及其控制器，配合相應(yīng)的軟件，編制了焊絲的運(yùn)動(dòng)曲線，使電機(jī)周期性的做前進(jìn)-回抽運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了高頻率的推拉絲送絲，從而滿足低能量、無(wú)飛濺焊接的需要。

1 系統(tǒng)的組成和工作原理

推拉絲送絲系統(tǒng)主要組成部分有普通直流送絲電機(jī)、交流伺服電機(jī)、伺服控制器、緩沖器、系統(tǒng)保護(hù)及控制電路等，如圖1所示。

圖1 推拉絲系統(tǒng)框圖Fig.1 Block-diagram of Push-pull feeding system

在焊接前編制焊絲的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖2所示，圖2a為位移曲線，圖2b為焊絲運(yùn)動(dòng)的速度曲線。在焊接過(guò)程中，交流伺服電機(jī)按照編制的曲線運(yùn)動(dòng)，首先正轉(zhuǎn)，向前送進(jìn)焊絲，焊接電源配合送絲曲線輸出相應(yīng)的電流、電壓波形，使焊絲達(dá)到設(shè)定的前進(jìn)距離時(shí)，形成熔滴,發(fā)生短路，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)，回抽焊絲，拉斷熔滴，并完成電弧的再引燃，電機(jī)繼續(xù)回抽焊絲到達(dá)設(shè)定的回抽距離時(shí)，電機(jī)再次正轉(zhuǎn)，如此反復(fù)。在此過(guò)程中，等速送絲電機(jī)一直向前送進(jìn)焊絲，焊絲經(jīng)由緩沖器后送到伺服電機(jī)軸上的送絲輪上。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

推拉絲送絲系統(tǒng)是整個(gè)低能量焊接系統(tǒng)最重要的組成部分，由于低能量焊接采用推拉絲短路過(guò)渡方式，在發(fā)生短路后回抽焊絲拉斷熔滴，需要送絲電機(jī)頻繁的正反轉(zhuǎn)，對(duì)于電機(jī)及其控制系統(tǒng)要求很高，因此送絲電機(jī)及其控制系統(tǒng)的選擇與設(shè)計(jì)是整個(gè)推拉絲送絲系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)高頻送絲的關(guān)鍵[4]。

2.1 送絲電機(jī)的選擇

送絲電機(jī)是推拉絲送絲系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其性能好壞對(duì)于能否實(shí)現(xiàn)低能量焊接至關(guān)重要。要實(shí)現(xiàn)較高頻率的正反轉(zhuǎn)（50 Hz以上），有兩個(gè)關(guān)鍵：一是電機(jī)本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，二是電機(jī)需有一定的扭矩才能帶動(dòng)焊絲。

圖2 焊絲運(yùn)動(dòng)曲線Fig.2 The movement curve of welding wire

傳統(tǒng)的推拉送絲電機(jī)主要采用凸輪電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，但凸輪機(jī)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行靈活的參數(shù)設(shè)定，不適合在較寬的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍使用；另外機(jī)械機(jī)構(gòu)本身慣性大，傳統(tǒng)電源的響應(yīng)能力差，參數(shù)匹配關(guān)系容易遭到破壞，影響焊接穩(wěn)定性，只能在較低的頻率下完成焊絲的送進(jìn)/回抽運(yùn)動(dòng)。而步進(jìn)電機(jī)由于送絲系統(tǒng)響應(yīng)速度的限制，使焊絲的回抽動(dòng)作大大滯后于小橋的收縮破斷過(guò)程，也只能在較低的短路過(guò)渡頻率下實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)選用的推拉送絲電機(jī)是Lenze同步交流伺服電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為MCS-06C41（見(jiàn)圖3）。其基本性能見(jiàn)表1，由表1可知，該電機(jī)扭矩大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快、控制精度高、靈活性及安全性較高，完全可以滿足高頻率推拉送絲的要求。

圖3MCS-06C41交流伺服電機(jī)Fig.3 The AC servo motor

表1 電機(jī)性能參數(shù)

Tab.1 The basic capability of AC servo motor

額定功率P/kW 0.25額定電流I/A 1.3額定轉(zhuǎn)矩M/N·m 0.8額定轉(zhuǎn)速ω/rpm 4 050最大轉(zhuǎn)矩M/N·m 2.4轉(zhuǎn)子慣量/kg·m2 14

2.2 電機(jī)控制器的選擇

電機(jī)控制器是送絲系統(tǒng)最重要的組成部分，主要用來(lái)設(shè)置、控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式及驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

目前，國(guó)內(nèi)數(shù)字化送絲機(jī)的控制部分采用專用的PWM控制芯片，通過(guò)芯片輸出不同占空比的脈沖來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)兩端的電樞電壓從而達(dá)到調(diào)節(jié)送絲速度的目的，部分采用單片機(jī)作為控制器進(jìn)行送絲電機(jī)的數(shù)字化控制。總體上來(lái)說(shuō)滿足了數(shù)字化送絲的需要，但是在硬件送絲穩(wěn)定性及送絲調(diào)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面還可以改善和提高。

選用Lenze公司生產(chǎn)的單軸驅(qū)動(dòng)E94ASHE0034型伺服控制器（如圖4所示），其特點(diǎn)有：（1）單軸緊湊設(shè)計(jì)，節(jié)省安裝空間；（2）內(nèi)置PID過(guò)程調(diào)節(jié)器；（3）通過(guò)PC機(jī)編程更簡(jiǎn)單；（4）內(nèi)置自動(dòng)化接口，使控制器擴(kuò)展功能更強(qiáng)。

圖4 伺服控制器Fig.4 The servo controller

控制器主要控制MCS-06C41電機(jī)的推拉運(yùn)動(dòng)，通過(guò)Lenze公司專門的軟件（L-force Engineer HighLevel 2.14軟件)可以在上位機(jī)中編制不同的焊絲運(yùn)動(dòng)曲線，然后下載到電機(jī)控制器中，連接設(shè)計(jì)的送絲機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的焊接電源，在焊接過(guò)程中焊絲可以按照設(shè)計(jì)的曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2.3 系統(tǒng)保護(hù)及控制電路

系統(tǒng)保護(hù)及控制電路是伺服控制器連接電源以及送絲電機(jī)的主要線路，其主要組成是交流接觸器、熔斷器、開(kāi)關(guān)，如圖5所示。在實(shí)際工作過(guò)程中接入380 V交流電源，通過(guò)常開(kāi)常閉開(kāi)關(guān)控制電路的接通與斷開(kāi)，在按下開(kāi)關(guān)常開(kāi)端時(shí)，與開(kāi)關(guān)連接的接觸器線圈吸合，交流伺服電機(jī)及伺服控制器通電，電機(jī)及控制器正常工作；當(dāng)按下開(kāi)關(guān)常閉端時(shí)，交流接觸器線圈斷開(kāi)，交流伺服電機(jī)及伺服控制器斷電，終止工作。在電流過(guò)大或發(fā)生短路時(shí)熔斷器熔斷，使接觸器線圈斷開(kāi)，電路斷電，達(dá)到設(shè)備保護(hù)的目的。伺服控制器上X5端口連接的是一個(gè)使能開(kāi)關(guān)，可以控制伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行與停止，X105和X7端口分別接電源線及信號(hào)線與伺服電機(jī)連接，電源線給電機(jī)提供工作電壓，信號(hào)線則給電機(jī)輸出控制信號(hào)。

圖5 系統(tǒng)接線Fig.5 System wiring

3 系統(tǒng)的軟件編程與功能實(shí)現(xiàn)

推拉絲送絲系統(tǒng)運(yùn)用的軟件主要是L-force Engineer，該軟件是用于調(diào)試和診斷9400伺服驅(qū)動(dòng)的工程軟件。其通常使用的模式有4種：位置模式、速度模式、力矩模式、（電子）凸輪模式。PC機(jī)與伺服控制器的連接如圖6所示，L-force Engineer的工作界面如圖7所示。

采用L-force Engineer工程軟件的位置模式，該模式下，可以設(shè)定焊絲前進(jìn)、回抽距離以及時(shí)間，設(shè)定完后系統(tǒng)自動(dòng)生成焊絲運(yùn)動(dòng)曲線，圖8為位置模式下的編程界面。

圖6 PC機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接Fig.6 TheconnectionofPCmachineandservocontroller

L-force Engineer的工作過(guò)程如下：首先在L-force Engineer中創(chuàng)建工程，完成工程相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及程序編制，通過(guò)專用的USB診斷接口上傳到9400伺服控制器，只要焊接的焊絲直徑不變，每個(gè)周期推拉絲的距離就可以不變，通過(guò)外接的旋鈕可以即時(shí)改變推拉絲的頻率即送絲速度，通過(guò)外接的使能開(kāi)關(guān)可以隨時(shí)啟動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)器以及推拉絲電機(jī)，電機(jī)就可以按照所設(shè)計(jì)的曲線運(yùn)動(dòng)。

圖7 軟件界面Fig.7 The software interface

圖8 位置模式的編程界面Fig.8 The programming interface of the location model

4 送絲系統(tǒng)的調(diào)試和試驗(yàn)

為檢驗(yàn)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試：

（1）對(duì)設(shè)計(jì)的推拉絲送絲系統(tǒng)做大量送絲試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是在上位機(jī)中，通過(guò)L-force Engineer軟件設(shè)定焊絲的前進(jìn)、回抽距離以及周期，計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)理論的焊絲前進(jìn)距離（每個(gè)周期前進(jìn)的距離減去回抽的距離再乘以這段時(shí)間對(duì)應(yīng)的周期數(shù)），與焊絲實(shí)際的送進(jìn)距離做比較，改變焊絲前進(jìn)、回抽距離以及周期，再做大量重復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)每次試驗(yàn)實(shí)際的焊絲送進(jìn)距離與理論結(jié)果相符。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊絲能完全按照編制的曲線運(yùn)動(dòng)，且穩(wěn)定性、重復(fù)性好。

（2）用高速攝像對(duì)推拉絲送絲系統(tǒng)的送絲過(guò)程攝像，從拍攝的視頻中可以看到焊絲每個(gè)周期前進(jìn)、回抽距離穩(wěn)定，與預(yù)先設(shè)定的曲線大致相符。圖9所示的三張照片是高速攝像生成的一個(gè)推拉絲周期三個(gè)位置，圖中對(duì)應(yīng)的送絲曲線是焊絲送進(jìn)距離為3 mm，回抽距離2.5 mm，頻率50 Hz，高速攝像的頻率600幀/s（一張照片到下一張照片約是1.67 ms）。焊絲從上一次回抽結(jié)束并開(kāi)始做前進(jìn)運(yùn)動(dòng)到回抽結(jié)束，一共有12張照片，與設(shè)定的一個(gè)推拉絲周期20 ms（1.67乘以12）相符。另外從圖中可以看出，從焊絲開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到前進(jìn)末期，焊絲前進(jìn)了約3 mm，從前進(jìn)末期到回抽結(jié)束，焊絲回抽了約2.5 mm，與設(shè)定的曲線相符。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的推拉絲送絲系統(tǒng)工作穩(wěn)定，焊絲能按照編制的曲線運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)論

在此研究的推拉絲送絲系統(tǒng)主要由普通直流送絲電機(jī)、推拉絲電機(jī)、伺服控制器、緩沖器、系統(tǒng)保護(hù)及控制電路組成，推拉絲電機(jī)選用的是Lenze公司同步交流伺服電機(jī)。通過(guò)在PC機(jī)中編制焊絲運(yùn)動(dòng)曲線，上傳到伺服控制器，伺服電機(jī)就可以按照設(shè)計(jì)的曲線運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)大量送絲試驗(yàn)及高速攝像，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的送絲系統(tǒng)工作穩(wěn)定，焊絲能按照設(shè)定的曲線運(yùn)動(dòng)，并且推拉絲的頻率可以達(dá)到50 Hz以上。

圖9 焊絲高速攝像相片F(xiàn)ig.9 The photos of wire picked up by high speed camera

：

[1]Bmclmer J.The CMT-process and its possible applications，especially joining of steel with aluminum[C].7th international conference on brazing.High Temperature Brazing and Diffusion Welding[A].Germany，2004.

[2]曹道鈞，孫子健.半周脈動(dòng)送絲CO2氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)[J].焊接學(xué)報(bào)，1984，5(1)：43-51.

[3]里 強(qiáng).CO2氣體保護(hù)焊實(shí)時(shí)回抽送絲短路過(guò)渡控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1996(7)：99-119.

[4]張撼鵬.新型低能量輸入電弧焊接系統(tǒng)及其過(guò)程控制研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2007(7)：45-54.