基于STM32的PDC鉆頭釬焊溫度控制系統設計

沈放，陳學海，楊光友

(1.湖北工業大學農機工程設計研究院，湖北武漢 430068；2.湖北省農機裝備智能化工程技術研究中心，湖北武漢 430068)

0 前言

自20世紀80年代使用PDC鉆頭以來，PDC鉆頭的研究便開始獲得迅速的發展。PDC鉆頭在石油勘探、機械制造等領域得到廣泛應用，釬焊溫度控制是PDC鉆頭制造工藝中的關鍵技術[1-2]。發達國家對于焊接噴漆等工藝的研究取得了較大的進展，這些工藝大部分實現了全自動化水平。如LEE等[3]針對回流彎管焊接難點，開發了一種利用數字控制方法自動控制火焰強度的技術，制作樣機并進行相關實驗，結果表明該自動控制技術通用性強、焊接質量高，能夠實現連續生產。

雖然國內外的釬焊技術有一定差距，但是近些年自動化釬焊技術在國內發展迅速，部分高校和研究單位也開始了投入自動釬焊的研究。2017年，中國計量大學的毛翎[4]基于PIC單片機設計了一種燃氣控制系統，可以滿足目前的生產要求，但是控制效果還需要提高。2019年，大連理工大學的王磊[5]借鑒手工釬焊工藝流程，基于STM32設計了一種PDC刀片高頻感應自動釬焊裝置，實驗表明該裝置滿足釬焊工藝要求，但是還不能精準地控制釬焊溫度與恒溫時間。目前國內諸多的PDC鉆頭生產廠家制造鉆頭過程中，復合片和鉆頭體間的連接大都采用手工火焰釬焊技術，難以保證焊接質量的穩定性[6]。

本文作者研究一種基于STM32和RT-Thread的PDC鉆頭釬焊溫度控制系統。基于PDC鉆頭釬焊工藝對溫度控制策略進行分析，研究控制系統所用的硬件和軟件設計，通過樣機實驗進行驗證。

1 釬焊溫度控制原理

火焰釬焊是以碳化焰(氧氣和乙炔的比值小于1)為熱源加熱釬料熔化的釬焊技術。PDC鉆頭焊接過程中常采用高頻感應釬焊法和火焰釬焊法相結合，高頻感應將鉆頭預處理到620 ℃，然后由人工使用火焰釬焊[7-9]。火焰釬焊過程中對溫度的控制是焊接中保證焊接質量的關鍵因素，焊縫溫度以及升溫速率都會對PDC鉆頭產生較大的影響[10-11]。釬焊溫度控制是通過氧氣和乙炔的流量大小及其比值實現的，因此在火焰釬焊過程中，需要頻繁調節氧氣和乙炔的燃氣閥門，確保輸出合適比例的乙炔和氧氣，乙炔和氧氣在焊槍中混合燃燒形成碳化焰進而加熱母材和釬料。因焊縫溫度變化的過程受到火焰的影響，而焊接火焰由乙炔和氧氣流量比值決定，為此將乙炔流量和焊縫溫度的控制回路串聯形成串級控制；將氧氣和乙炔的流量控制回路并聯，并設定比例系數形成比值控制。釬焊溫控系統控制原理如圖1所示。

系統外環為溫度控制，將焊縫的設定溫度與紅外溫度檢測儀測得的焊縫實際溫度相比較，得出溫度差值后送入溫度控制環節進行運算，溫度控制環節采用積分分離式PID算法，將該環節的輸出值作為流量環的給定值。內環為流量控制，將設定的流量目標值與流量傳感器反饋回來的實際流量相比較，計算出流量誤差后送入流量控制環節進行增量式PID運算，最后輸出相應的模擬量。模擬量越大，比例閥的開度越大，釬焊過程中單位時間產生的溫度就越高。此過程中氧氣調控環節會基于乙炔流量的實際值和比例系數不斷進行追蹤，以此保證乙炔與氧氣的比值。

圖1 溫控系統控制原理

2 硬件系統設計

系統以STM32F103ZET6微處理器為核心，選用高性能紅外測溫傳感器進行PDC鉆頭焊縫溫度測量，溫度傳感器配合電流轉電壓模塊向單片機輸出模擬信號，微處理器自帶A/D和D/A轉換器，可以實現模擬量的采集和輸出。串口上位機進行系統參數設置，顯示升溫曲線。火焰釬焊溫度控制系統結構框圖如圖2所示。

圖2 火焰釬焊溫度控制系統結構框圖

2.1 微控制器

使用意法半導體公司的STM32F103ZET6微處理器作為控制系統的核心，意法半導體為具有Cortex-M內核的STM32系列微處理器提供了程序開發的標準庫，使開發人員避開了繁瑣的寄存器操作，降低了軟件的開發難度和項目開發周期。該處理器采用ARMCortex-M3的32位RISC處理器，最高工作頻率72 MHz，高達512 kB的Flash，支持定時器、USART、A/D、D/A等外設。

2.2 采集模塊

釬焊過程中，PDC鉆頭焊縫的溫度需要控制在680～720 ℃。為達到良好的測溫效果，采用非接觸式測溫方式，選用型號為IT8系列的高精度紅外測溫儀，測量范圍在400～1 000 ℃。氣體流量的測量選用型號為PFM5系列的數字顯示式流量傳感器，測量范圍為0～100 L/min，顯示精度±3%F.S。

2.3 執行單元

選用SMC公司的PVQ30系列流量比例閥為執行單元，其流量控制范圍在0～60 L/min，重復精度在3%以下。該流量比例閥的流量開度與輸入電流成比例，通過調節電流，可以對比例閥的流量開度進行無級控制。

3 控制系統軟件設計

3.1 任務規劃

PDC復合片的焊溫控制是通過控制氧氣和乙炔的流量開度實現的。結合火焰釬焊工藝過程，釬焊溫控系統可劃分為溫度采集處理、氧氣和乙炔流量采集處理、乙炔流量控制、氧氣流量控制、焊接溫度控制和界面顯示等6個任務。結合RT-Thread嵌入式實時操作系統進行模塊化編程。將以上任務創建為線程，其線程優先級如表1所示。

表1 釬焊溫控系統線程優先級

系統軟件啟動后，先進行硬件資源和RT-Thread內核的初始化，然后創建線程以及信號量等內核對象。初始化完畢后，所有線程將在RT-Thread任務調度器下按照優先級進行調度，調度響應時間可達1 ms，整個釬焊溫控系統的軟件結構如圖3所示。

圖3 溫控系統流程

3.2 溫控系統線程說明

在實時操作系統RT-Thread中，線程是它調度的基本單位。在溫控系統控制過程中，溫度環節的調節周期為500 ms，當溫度采集處理線程完成任務后，焊接溫度控制線程依據當前溫度進行PID運算，將運算結果作為流量環節的目標值。流量環節的調節周期為100 ms，當流量采集處理線程完成任務后，乙炔控制線程和氧氣控制線程將依據流量數據進行運算，調整流量輸出。為了達到較好的流量比值控制效果，使用二值信號量進行乙炔線程和氧氣線程的同步。釬焊溫控系統線程任務以及狀態轉換如圖4所示。

圖4 溫控系統多線程調度

3.3 控制算法

溫度控制系統是變參數、有時滯和隨機干擾的動態系統。根據圖1所示的溫控系統控制原理，焊縫溫度對象和乙炔流量對象通過串聯的方式形成雙閉環控制回路的控制系統，其中焊縫溫度的閉環控制作為主回路，乙炔和氧氣流量的控制形成副回路。

3.3.1 內環流量控制

流量控制采用增量式PID算法，增量式PID不需要做累加，所以不產生積分失控。控制量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關，計算誤差對控制量計算的影響較小，必要時還可通過邏輯限制或禁止此次輸出，適用于閥門的控制。其控制核心公式如式(1)所示：

Δu(t)=kp·e(k-1)+ki·e(k)+kd·[e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)]

(1)

增量式PID運算結果為控制量增量，只輸出比例閥開度的變化部分，誤動作影響小，不會嚴重影響系統的工作，通過加權處理容易得到比較好的控制效果。公式(1)中Δu(t)為輸出流量的增量，所以對于流量比例閥實際的輸出為公式(2)：

u(t)=kp·e(k-1)+ki·e(k)+kd·[e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)]+u(k-1)

(2)

3.3.2 外環溫度控制

焊縫溫度控制采用位置式PID算法，為了減少超調量，改善系統的動態特性，釬焊溫度控制器中引入了積分分離思想，即在系統偏差大時，取消積分的作用；當偏差減小到某一值時，再使積分起作用。積分分離表達式如下：

e(n)<εδindex=1

(3)

e(n)>εδindex=0

(4)

u(t)=kp·εerror(k)+δindex·ki·εerror，sum+

kd·[εerror(k)-εerror(k-1)]

(5)

式中：e(n)為目標溫度與實際溫度的偏差絕對值；ε為誤差閾值；δindex為積分系數比例值；u(t)表示PID控制器的輸出，將溫度環的輸出作為流量環的目標值。根據PDC釬焊溫度控制系統PID參數的實際調試情況，當誤差閾值ε=30 ℃時系統控制效果最佳。

4 試驗與結果分析

4.1 現場試驗

為了驗證釬焊溫度控制系統的可行性，搭建溫控系統試驗平臺，試驗條件如表2所示，釬焊試驗工作過程如圖5所示。

具體試驗步驟如下：

(1)試驗前先將PDC鉆頭放進高頻加熱爐中加熱到620 ℃，然后將它放置在固定的工作臺上。

(2)開啟焊槍進行釬焊，焊接全程由研制的溫控系統進行溫度控制。

表2 釬焊試驗條件

圖5 工作過程

4.2 試驗分析

試驗以690 ℃為基準，設定積分分離閾值為30 ℃，為了便于試驗效果的分析，通過串口上位機將焊縫溫度的變化實時顯示出來，得到溫度變化曲線以及流量實時開度曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 溫度調控曲線 圖7 流量調控曲線

由圖6可知，系統溫度由620 ℃上升到690 ℃時響應時間為2.6 s左右，系統超調量約為2.34 ℃，超調率在0.339%以內，控制精度可達99.66%。由此可知，此釬焊溫控系統具有良好的控制精度，滿足PDC鉆頭火焰釬焊的工藝要求。

5 結語

(1)設計了一套基于雙閉環PID結構的溫控系統，實現了釬焊的溫度自動控制。

(2)結合RT-Thread實時操作系統，實現了溫度、乙炔和氧氣流量實時采集及精準控制。

(3)后續將進一步深入研究自動釬焊技術，引入智能控制技術，實現釬焊過程的全程自動化控制。