應用DSP技術(shù)實現(xiàn)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(yè)職業(yè)技術(shù)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(fā)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(zhì)量及焊接生產(chǎn)效率的關(guān)鍵[1]。精確的電弧跟蹤技術(shù)為焊接自動化過程中焊接質(zhì)量的保證提供了強有力的支持[2]。目前國內(nèi)外廠商生產(chǎn)的跟蹤器主要是針對單一種類焊接類型。如JETLINE的產(chǎn)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(xiàn)聯(lián)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(fā)了一套弧長跟蹤控制系統(tǒng)。TMS320F28335芯片具有高速浮點運算能力的低功耗、低成本、易開發(fā)的特點，是適合大量數(shù)據(jù)處理的理想DSP處理器。通過開發(fā)實現(xiàn)了：既可DSP負責數(shù)據(jù)采集與處理并自控跟蹤電機，又可搭建PLC+DSP聯(lián)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)中弧長的變化即表現(xiàn)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(jīng)過硬件電路轉(zhuǎn)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(fā)出指令驅(qū)動跟蹤電機及執(zhí)行機構(gòu)進行偏差調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)弧長穩(wěn)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(zhuǎn)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(tǒng)獨立設計部分。

（1）電壓電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成-4～+4 V的電壓信號，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換板轉(zhuǎn)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(wěn)定電壓信號，如圖2所示。

圖2 電壓電流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生的弧壓信號。電壓電流兩路信號經(jīng)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(gòu)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(diào)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(tǒng)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(shù)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(shù)據(jù)及開關(guān)量信號的交換[5]，比如焊接類型選擇、跟蹤電機參數(shù)調(diào)節(jié)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(shù)傳遞使用。

3 軟件設計

采用 CCS5.1（Code Composer Studio）軟件集成開發(fā)環(huán)境，它集編輯、編譯、鏈接、仿真、調(diào)試等功能于一體，極大方便了DSP芯片的開發(fā)與設計，是目前使用最為廣泛的DSP開發(fā)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(jù)不同焊接類型，DSP內(nèi)核將ADC采集到的焊接數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行一階滯后濾波處理，權(quán)重0.7。然后識別并截取完整的正半波有效數(shù)據(jù)，固定周期進行滑動均值濾波處理。處理周期可以由現(xiàn)場操作人員通過手持盒或觸摸屏進行設置調(diào)整。濾波處理后數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器的再分析處理，驅(qū)動跟蹤電機及執(zhí)行機構(gòu)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(guī)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(qū)分基值峰值，對基值進行跟蹤。數(shù)據(jù)采集處理完成后通過PWM與DI/DO控制上下調(diào)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(nèi)。其中，電弧趨于穩(wěn)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(guī)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(nèi)，將正半波數(shù)據(jù)采集處理完成后通過普通IO傳遞給PLC上下調(diào)信息，PLC控制上下調(diào)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(nèi)，未在跟蹤范圍內(nèi)的電壓值通過跟蹤調(diào)節(jié)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(nèi)，將電流值采集處理完成后，通過PWM與DI/DO控制上下調(diào)電機。雙絲焊焊接規(guī)范參數(shù)如表3所示。

表3 雙絲焊焊接規(guī)范參數(shù)

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(nèi)，未在跟蹤范圍內(nèi)的電流值通過跟蹤調(diào)節(jié)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(nèi)，將焊接電流正半波數(shù)據(jù)采集處理完成后通過普通IO傳遞給PLC上下調(diào)信息，PLC控制上下調(diào)電機。單絲MAG短路過渡焊接規(guī)范如表4所示。

表4 單絲MAG焊短路過渡焊接規(guī)范參數(shù)

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(nèi)，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(jié)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(diào)節(jié)，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(wěn)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）