明弧堆焊工件輪廓自動檢測系統設計

侯 明 周惠興

(①中國農業大學工學院精密直驅技術研究室，北京 100083;②北京信息科技大學自動化學院，北京 100192)

明弧堆焊系統是一種堆焊成型設備，使用帶有自保護藥芯焊絲，在工件與焊絲間通過較大電流拉弧產生的高溫將焊絲熔化，并逐層敷著凝固在工件表面上，漸次成型。其主要用于磨煤輥、水泥磨輥的修復上。現有的堆焊設備需要人工控制;實現先堆焊自動化有助于提高堆焊效率。現有的設備基礎上，增加必要的檢測、控制裝置，實現堆焊系統的自動化，能以較小的硬件成本換回較高的生產效益提升，是項目主要研究目的。另外，實現自動控制的系統可對堆焊工藝進行深入研究以優化堆焊系統的能耗指標，比如研究明弧堆焊的飛濺特性與線速度及電流之間的模型可獲得最省原料的焊接模式;研究焊接成型截面與電流、速度的平臺上，后端通過固定器保持位置;當滑桿遇到意外剪切力時，固定器可斷開，電子尺可繞旋轉軸旋轉，防止電子尺滑桿折斷，其總行程為:

2.3 檢測誤差估計

靜態檢測誤差因素包括電子尺誤差ΔεEM、直線電動機誤差ΔεDM、輪狀接觸器零件安裝誤差及電子尺旋轉軸安裝誤差Δεa。總靜態誤差為:

動態誤差主要為直線電動機運動過程中，電子系統采樣延遲及數據處理時間(Td小于0.1 ms)，誤差上限為:ΔεD=Vx×Td

本實例中:

滿足設計要求。

3 電控系統設計

3.1 硬件系統設計

控制器采用自行開發的XS128 控制板外擴正交編碼器接口芯片構成［4］，預留RS232 接口與主控DSP(TMS28335)通信。電動機為微納科技U 型直線電動機，另外配備了一塊I/O 信號電平調理板，用于工業24 V 與DSP 的信號調理;直線電動機驅動器采用Elmo系列驅動器，控制器模式設定在速度跟蹤模式，控制信號為±10 V;直線電動機的Z 相行進增量脈沖由DSP 的兩路QEP 單元完成增減計數，電子尺采用電阻式，外接標準參考電壓進行位置-電壓轉換。

3.2 軟件系統設計

軟件按功能模塊主要為:系統接口初始化;直線電動機的起始歸零;電子尺伸出、定位、復位;輪廓實時跟蹤與測量;數據傳輸;故障處理。

4 動態性能驗證

4.1 建模及仿真分析

檢測系統是一種運動隨動系統，有別于一般的位置隨動系統，對電動機位置控制精度要求不高;但需保證動態隨動過程中最大位移偏差Emax小于自回復電子尺量程的1/2。應用原理建模法，檢測系統的運動傳遞函數為［5］:

式中:Ka為驅動放大器系數;Km為推力常數;L、R 為電機動子電感及電阻;M 為電機動子、平臺、電子尺質量和;B 為滑動摩擦系數;Kb為反電動勢系數;Kx為電子尺倔強系數。

應用Dspace 系統對系統進行辨識，并略去微量高頻參數得到的系統傳遞函數［6-7］:

一類直徑在1.5 m 左右的磨煤輥堆焊旋轉過程中，徑向尺寸的變化率Vx最大不超過0.4 m/s，持續時間不大于1 s。因此，設計的系統需要在此最大速率下，在1 s 內動態誤差不超過25 mm。

應用MATLAB 仿真分析，采用開環系統控制，結果見圖4，誤差可達+80 mm/-170 mm，達不到設計要求，需考慮閉環控制。本系統對精度要求不高，但對電動機響應速度要求較高，采用P 控制增加對速度響應的性能。

采用P 控制的閉環系統傳遞函數為:

對于如式(3)所示的欠阻尼二階系統，其跟蹤斜坡相應的最大誤差及其出現的時間為［5］:

此函數是Emax關于Ka的高階函數，計算機輔助計算并繪圖得Emax與Ka的關系如圖5 所示。Ka大于2.5時，系統呈振蕩衰減趨勢，Emax關于Ka遞減，Ka＞5.7時，Emax＜0.025 mm。若希望獲得較大緩沖范圍，在不引起系統振蕩的前提下，可適當增大Ka。

圖6 為不同Ka時系統的動態誤差響應，圖中3 條曲線由上開始分別是Ka=5.7，10，20 的響應曲線。

4.2 實驗驗證

應用硬件控制系統進行驗證，主要使用C 語言進行算法編程，應用LabView 進行實時數據采集與顯示［8］，實際設計中Ka大于9.7 時滿足設計要求，當Ka等于15 時，誤差Emax可小于10 mm，Ka大于19 時，系統現高頻諧振，不宜再增加Ka。

5 結語

本文提出了一種實現堆焊工件檢測的方法，實現了系統裝置、并進行了仿真分析及實測驗證;邁出了明弧堆焊自動控制系統的研究重要一步。該系統可通過參數預估提高數據精度，通過二階IIR 濾波器抑制高頻諧振［9］，獲得更好的動態特性。項目基于研究為目的，以現有的、自行開發硬件系統構建，重在未來自動化系統的研制過程中重要數據的采集測量;其性能超過基本應用需求。本設計采用現代的計算機輔助分析的方法，避免了設計過程中高階方程解算的困難，具體結構、實驗數據、驗證方法可以給設計者提供參照，更經濟的實現方案可根據性能裕量來酌情設計。

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