CN101391341B - 微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构，涉及焊接控制技术领域。其电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)、气路控制系统(2)、协同焊缝跟踪系统(3)、热输入控制系统(4)、协同焊矩行走系统(5)、协同控制焊接电源(6)及保护气流量控制信号线、离子气流量控制信号线、电流调整信号线①、弧长调整信号线①、弧长调整信号线②、电流调整信号线②、焊速调整信号线、焊速反馈线、焊接电流反馈线、焊接电压反馈线以电连接方式组成。为解决超薄细精密结构件精密焊焊缝成形质量和超薄细精密结构件精密焊接时的小电流电弧稳定性提供了全系统协同的控制方案。

Description

微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构

技术领域

本发明涉及焊接控制技术领域，具体指一种微束等离子弧焊焊接全系统的协同控制结构。

背景技术

小电流范围领域的微束等离子弧焊，适合于超薄、超细等精密结构件的焊接。但是，超薄、超细等精细结构部件的精密焊接存在极易变形、烧穿等关键技术问题，涉及到焊接电源、精细结构部件的工装系统、焊接的平稳行走机构、精密的焊缝跟踪系统、焊接工艺过程、电弧稳定性等诸多先进制造精密加工问题，现有技术仅仅从单方面的焊接设备、或焊接工艺过程、或焊接工装系统、或焊接行走机构、或焊缝跟踪系统、或电弧稳定性研究，很难解决解决超薄细精密结构件精密焊接的极易变形、烧穿等缺陷问题，最终完成高质量的焊缝成形，单纯的微束等离子弧焊焊接电源控制，只能实现陡降的电源外特性，完成焊接电流的稳定输出；焊接行走机构的焊接速度控制与焊接电流的大小密切相关，二参数作为焊缝成形的线能量热输入，直接影响到焊缝成形的质量，焊接行走机构和焊接电源的控制必须协同进行；同时，超薄、超细等精密结构件的无变形、无烧穿精密焊接，对焊缝跟踪系统的控制要求非常严格，且跟踪调节将影响到焊缝成形的线能量热输入，因此，对焊缝跟踪系统的控制也应与焊缝成形的线能量热输入控制协同。

经对现有技术文献和专利检索发现，一个专利申请号为200710190345.8的中国发明专利《数控龙门管板焊接系统》提出了一种集焊接电源、龙门架、电机、运动控制卡、上位机的焊接系统，其各部件的控制是通过通信实现的时序上的动作控制；但这种时序上的动作控制无法解决焊接工艺的质量问题。另一个专利申请号为200610144292.1的中国发明专利《一种低能量输入电弧焊接系统与方法》提出了由焊接电源和送丝机组成的焊接系统，通过对焊接电源和送丝机输出的焊接电流、焊接电压、送丝速度的控制，实现低能量输入的电弧焊过程；但未涉及综合焊接设备、焊接工艺过程、焊接行走机构、焊缝跟踪系统、电弧稳定性全系统的协同控制问题。

据此，目前还没有关于综合焊接设备、焊接工艺过程、焊接行走机构、焊缝跟踪系统、电弧稳定性全系统的协同控制研究。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足和缺陷，提供一种微束等离子弧焊焊接的全系统协同控制结构方案，从全方位的角度综合涉及微束等离子弧焊焊接过程的焊接电源、焊接工艺过程、焊缝成形质量、电弧稳定性与焊缝熔透、焊接行走机构、焊缝跟踪系统等各因素，通过微束等离子弧焊焊接全系统中各部分控制的相互影响和相互关系，提出各部分控制的协同控制关联结构，解决超薄、超细等精细结构部件的精密焊接极易变形、烧穿等关键技术问题。

本发明的技术方案：包括电弧柔性和挺直度协同控制系统、气路控制系统、协同焊缝跟踪系统、热输入控制系统、协同焊矩行走系统、协同控制焊接电源、保护气流量控制信号线、离子气流量控制信号线、电流调整信号线①、弧长调整信号线①、弧长调整信号线②、电流调整信号线②、焊速调整信号线、焊速反馈线、焊接电流反馈线、焊接电压反馈线。电弧柔性和挺直度协同控制系统和气路控制系统之间连接有保护气流量控制信号线和离子气流量控制信号线，电弧柔性和挺直度协同控制系统和协同焊缝跟踪系统之间连接有弧长调整信号线①，电弧柔性和挺直度协同控制系统和协同控制焊接电源之间连接有电流调整信号线①，协同焊缝跟踪系统和热输入控制系统之间连接有弧长调整信号线②，热输入控制系统和协同控制焊接电源之间连接有电流调整信号线②、焊接电流反馈线和焊接电压反馈线，热输入控制系统和协同焊矩行走系统之间连接有焊速调整信号线和焊速反馈线。

本发明结构中，气路控制系统由保护气流量控制电路、保护气流量调节装置、离子气流量控制电路、离子气流量调节装置组成，保护气流量控制电路的一端与保护气流量调节装置连接，保护气流量控制电路的另一端通过保护气流量控制信号线与电弧柔性和挺直度协同控制系统连接，离子气流量控制电路的一端与离子气流量调节装置连接，离子气流量控制电路的另一端通过离子气流量控制信号线与电弧柔性和挺直度协同控制系统连接。

协同焊缝跟踪系统由焊矩高度协同控制电路、焊矩高度机械驱动装置、焊缝对中光学传感电路、焊缝对中调节控制电路、焊缝对中机械驱动装置组成，焊缝对中光学传感电路和焊缝对中机械驱动装置之间连接有焊缝对中调节控制电路，焊矩高度协同控制电路的一端与焊矩高度机械驱动装置连接，焊矩高度协同控制电路的另一端通过弧长调整信号线①与电弧柔性和挺直度协同控制系统连接。

热输入控制系统由熔透检测电路和热输入协同控制电路组成，熔透检测电路的一端与热输入协同控制电路连接。协同焊矩行走系统由焊矩行走协同控制电路、焊矩行走机械驱动装置、焊接速度检测电路组成，焊矩行走协同控制电路和焊接速度检测电路之间连接有焊矩行走机械驱动装置，焊接速度检测电路通过焊速反馈线与焊矩行走协同控制电路。协同控制焊接电源由焊接电源协同控制电路、焊接电源主电路、焊接电流检测反馈电路、焊接电压检测反馈电路组成，焊接电源协同控制电路与电流检测反馈电路之间连接有焊接电源主电路，焊接电源协同控制电路与焊接电压检测反馈电路之间连接有焊接电源主电路，焊接电流检测反馈电路通过焊接电流反馈线与焊接电源协同控制电路，焊接电源协同控制电路通过电流调整信号线①与电弧柔性和挺直度协同控制系统连接。热输入协同控制电路通过弧长调整信号线②与焊矩高度协同控制电路连接，热输入协同控制电路通过电流调整信号线②与焊接电源协同控制电路连接，热输入协同控制电路通过焊速调整信号线与焊矩行走协同控制电路连接，热输入协同控制电路通过焊速反馈线与焊接速度检测电路连接，热输入协同控制电路通过焊接电流反馈线与焊接电流检测反馈电路连接，热输入协同控制电路通过焊接电压反馈线与焊接电压检测反馈电路连接。

本发明结构的一个关键技术是电弧柔性和挺直度协同控制系统根据钨棒形状、钨棒尺寸、喷嘴尺寸、工件尺寸、工件材料进行电弧的柔性和电弧的挺直度之间关系的协同控制算法运算，在确保电弧稳定性所要求的一定程度电弧挺直度的情况下使电弧具有相当的柔性，以使超薄细精密结构件焊接时不被烧穿，电弧的柔性和电弧的挺直度协同控制算法的运算结果得到与电弧柔性和挺直度有关的保护气流量控制信号、离子气流量控制信号、电流调整信号、弧长调整信号，分别控制和调整气路控制系统、焊矩高度协同控制电路、焊接电源协同控制电路。

本发明结构的另一个关键技术是热输入协同控制电路通过熔透检测电路对焊缝检测的焊缝成形信号和焊缝热输入信号焊接电流、焊接电压、焊速的反馈值，进行热输入协同控制运算，以超薄细精密结构件焊接时无变形、无烧穿为目的，输出弧长调整信号②、电流调整信号②、焊速调整信号，分别控制和调整焊矩高度协同控制电路、焊接电源协同控制电路、焊矩行走协同控制电路。

本发明结构的再一个关键技术是焊接电源的控制不仅仅是完成焊接电流大小调节和实现一定的电源外特性，同时，焊接电源的控制与超薄细精密结构件精密焊接的小电流电弧稳定性以及焊缝成形质量控制形成完整的焊接电源协同控制，构成焊接电源控制、焊缝跟踪控制、焊矩行走控制、焊缝质量控制、电弧稳定性控制、焊接工艺控制统一的控制结构，以各控制之间的内在联系和相互影响来实现协同的控制结构，最终解决超薄细精密结构件精密焊接的易变形、易烧穿的缺陷问题以及超薄细精密结构件精密焊接时的小电流电弧稳定性问题。

本发明的最突出优点在于：综合超薄细精密结构件精密焊焊缝成形质量和超薄细精密结构件精密焊接时的小电流电弧稳定性的各个影响因素，形成超薄细精密结构件精密微束等离子弧焊焊接系统各设备装置控制、工艺过程控制、焊接质量控制的完整的协同控制结构，该协同控制结构从根本上揭示了焊接电源控制、焊缝跟踪控制、焊矩行走控制、焊缝质量控制、电弧稳定性控制、焊接工艺控制的内在联系，为解决超薄细精密结构件精密焊焊缝成形质量和超薄细精密结构件精密焊接时的小电流电弧稳定性提供了协同的控制方案。

附图说明

图1本发明微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述

本发明的微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构(如附图1所示)，包括电弧柔性和挺直度协同控制系统1、气路控制系统2、协同焊缝跟踪系统3、热输入控制系统4、协同焊矩行走系统5、协同控制焊接电源6、保护气流量控制信号线、离子气流量控制信号线、电流调整信号线①、弧长调整信号线①、弧长调整信号线②、电流调整信号线②、焊速调整信号线、焊速反馈线、焊接电流反馈线、焊接电压反馈线。其连接关系为：

电弧柔性和挺直度协同控制系统1和气路控制系统2之间连接有保护气流量控制信号线和离子气流量控制信号线，电弧柔性和挺直度协同控制系统1和协同焊缝跟踪系统3之间连接有弧长调整信号线①，电弧柔性和挺直度协同控制系统1和协同控制焊接电源6之间连接有电流调整信号线①，协同焊缝跟踪系统3和热输入控制系统4之间连接有弧长调整信号线②，热输入控制系统4和协同控制焊接电源6之间连接有电流调整信号线②、焊接电流反馈线和焊接电压反馈线，热输入控制系统4和协同焊矩行走系统5之间连接有焊速调整信号线和焊速反馈线。

气路控制系统2由保护气流量控制电路7、保护气流量调节装置8、离子气流量控制电路9、离子气流量调节装置10组成，保护气流量控制电路7的一端与保护气流量调节装置8连接，保护气流量控制电路7的另一端通过保护气流量控制信号线与电弧柔性和挺直度协同控制系统1连接，离子气流量控制电路9的一端与离子气流量调节装置10连接，离子气流量控制电路9的另一端通过离子气流量控制信号线与电弧柔性和挺直度协同控制系统1连接；

协同焊缝跟踪系统3由焊矩高度协同控制电路11、焊矩高度机械驱动装置12、焊缝对中光学传感电路13、焊缝对中调节控制电路14、焊缝对中机械驱动装置15组成，焊缝对中光学传感电路13和焊缝对中机械驱动装置15之间连接有焊缝对中调节控制电路14，焊矩高度协同控制电路11的一端与焊矩高度机械驱动装置12连接，焊矩高度协同控制电路11的另一端通过弧长调整信号线①与电弧柔性和挺直度协同控制系统1连接；

热输入控制系统4由熔透检测电路16和热输入协同控制电路17组成，熔透检测电路16的一端与热输入协同控制电路17连接；

协同焊矩行走系统5由焊矩行走协同控制电路18、焊矩行走机械驱动装置19、焊接速度检测电路20组成，焊矩行走协同控制电路18和焊接速度检测电路20之间连接有焊矩行走机械驱动装置19，焊接速度检测电路20通过焊速反馈线与焊矩行走协同控制电路18；

协同控制焊接电源6由焊接电源协同控制电路21、焊接电源主电路22、焊接电流检测反馈电路23、焊接电压检测反馈电路24组成，焊接电源协同控制电路21与电流检测反馈电路23之间连接有焊接电源主电路22，焊接电源协同控制电路21与焊接电压检测反馈电路24之间连接有焊接电源主电路22，焊接电流检测反馈电路23通过焊接电流反馈线与焊接电源协同控制电路21，焊接电源协同控制电路21通过电流调整信号线①与电弧柔性和挺直度协同控制系统1连接。热输入协同控制电路17通过弧长调整信号线②与焊矩高度协同控制电路11连接，热输入协同控制电路17通过电流调整信号线②与焊接电源协同控制电路21连接，热输入协同控制电路17通过焊速调整信号线与焊矩行走协同控制电路18连接，热输入协同控制电路17通过焊速反馈线与焊接速度检测电路20连接，热输入协同控制电路17通过焊接电流反馈线与焊接电流检测反馈电路23连接，热输入协同控制电路17通过焊接电压反馈线与焊接电压检测反馈电路24连接。

微束等离子弧焊焊接全系统的协同控制有电弧柔性和挺直度协同控制、热输入协同控制、焊接电源协同控制、焊矩行走协同控制、焊矩高度协同控制五个部分。

电弧柔性和挺直度协同控制部分是电弧柔性和挺直度协同控制系统1根据钨棒形状、钨棒尺寸、喷嘴尺寸、工件尺寸、工件材料进行电弧的柔性和电弧的挺直度之间关系的协同控制算法运算，在确保电弧稳定性所要求的一定程度电弧挺直度的情况下使电弧具有相当的柔性，以使超薄细精密结构件焊接时不被烧穿，电弧的柔性和电弧的挺直度协同控制算法的运算结果通过保护气流量控制信号线、离子气流量控制信号线、电流调整信号线①、弧长调整信号线①，得到与电弧柔性和挺直度有关的保护气流量控制信号、离子气流量控制信号、电流调整信号①、弧长调整信号①，分别控制和调整气路控制系统2、焊矩高度协同控制电路11、焊接电源协同控制电路21。

热输入协同控制部分是热输入协同控制电路17通过熔透检测电路16对焊缝检测得到的焊缝成形信号，焊接电流检测反馈电路23和焊接电压检测反馈电路24对焊接电源主电路22进行检测，检测得到的焊接电流信号和焊接电压信号通过焊接电流反馈线和焊接电压反馈线反馈给热输入协同控制电路17，焊接速度检测电路20对焊矩行走机械驱动装置19进行检测，检测得到的焊接速度信号通过焊速反馈线也反馈给热输入协同控制电路17，热输入协同控制电路17根据输入的焊缝成形信号、焊接电流信号、焊接电压信号、焊接速度信号进行热输入协同控制运算，以超薄细精密结构件焊接时无变形、无烧穿为目的，通过弧长调整信号线②、电流调整信号线②、焊速调整信号线输出弧长调整信号②、电流调整信号②、焊速调整信号，分别控制和调整焊矩高度协同控制电路11、焊接电源协同控制电路21、焊矩行走协同控制电路18。

焊接电源协同控制部分是焊接电源协同控制电路21根据焊接电流给定信号、由电流调整信号线②传送的电流调整信号②、由电流调整信号线①传送的电流调整信号①进行焊接电源协同控制算法运算，运算的结果去控制焊接电源主电路22。

焊矩行走协同控制部分是焊矩行走协同控制电路18根据焊速给定信号、由焊速调整信号线传送的焊速调整信号、由焊速反馈线传送的焊速反馈信号进行焊矩行走机械驱动装置的协同控制算法运算，运算的结果去控制焊矩行走机械驱动装置19。

焊矩高度协同控制部分是焊矩高度协同控制电路11根据弧长给定信号、由弧长调整信号线①传送的弧长调整信号①、弧长调整信号线②传送的弧长调整信号②进行焊矩高度机械驱动装置的协同控制算法运算，运算的结果去控制焊矩高度机械驱动装置12。

Claims (6)

1.一种微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构，其特征是，所述协同控制结构由：电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)、气路控制系统(2)、协同焊缝跟踪系统(3)、热输入控制系统(4)、协同焊矩行走系统(5)、协同控制焊接电源(6)及保护气流量控制信号线、离子气流量控制信号线、电流调整信号线①、弧长调整信号线①、弧长调整信号线②、电流调整信号线②、焊速调整信号线、焊速反馈线、焊接电流反馈线、焊接电压反馈线以电连接方式组成；

其中，电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)和气路控制系统(2)经保护气流量控制信号线和离子气流量控制信号线连接；

电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)经弧长调整信号线①与协同焊缝跟踪系统(3)连接；

电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)经电流调整信号线①与协同控制焊接电源(6)连接；

协同焊缝跟踪系统(3)经弧长调整信号线②与热输入控制系统(4)连接，热输入控制系统(4)经电流调整信号线②、焊接电流反馈线、焊接电压反馈线与协同控制焊接电源(6)连接；

热输入控制系统(4)和协同焊矩行走系统(5)经焊速调整信号线和焊速反馈线连接。

2.如权利要求1所述的微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构，其特征是，气路控制系统(2)由保护气流量控制电路(7)、保护气流量调节装置(8)、离子气流量控制电路(9)、离子气流量调节装置(10)组成；保护气流量控制电路(7)的一端与保护气流量调节装置(8)连接，保护气流量控制电路(7)的另一端通过保护气流量控制信号线与电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)连接，离子气流量控制电路(9)的一端与离子气流量调节装置(10)连接，离子气流量控制电路(9)的另一端通过离子气流量控制信号线与电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)连接。

3.如权利要求1所述的微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构，其特征是，协同焊缝跟踪系统(3)由焊矩高度协同控制电路(11)、焊矩高度机械驱动装置(12)、焊缝对中光学传感电路(13)、焊缝对中调节控制电路(14)、焊缝对中机械驱动装置(15)组成，焊缝对中光学传感电路(13)经焊缝对中调节控制电路(14)与焊缝对中机械驱动装置(15)连接，焊矩高度协同控制电路(11)的两端分别与焊矩高度机械驱动装置(12)和经弧长调整信号线①与电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)连接。

4.如权利要求1所述的微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构，其特征是，热输入控制系统(4)由熔透检测电路(16)的一端与热输入协同控制电路(17)连接组成。

5.如权利要求1所述的微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构，其特征是，协同焊矩行走系统(5)由焊矩行走协同控制电路(18)经焊矩行走机械驱动装置(19)与焊接速度检测电路(20)连接及焊接速度检测电路(20)经焊速反馈线与焊矩行走协同控制电路(18)连接组成。

6.如权利要求1所述的微束等离子弧焊焊接全系统协同控制结构，其特征是，协同控制焊接电源(6)由焊接电源协同控制电路(21)、焊接电源主电路(22)、焊接电流检测反馈电路(23)、焊接电压检测反馈电路(24)组成；

其中，焊接电源协同控制电路(21)经焊接电源主电路(22)与焊接电流检测反馈电路(23)连接，焊接电源协同控制电路(21)经焊接电源主电路(22)与焊接电压检测反馈电路(24)连接；

焊接电流检测反馈电路(23)经焊接电流反馈线与焊接电源协同控制电路(21)连接，焊接电源协同控制电路(21)经电流调整信号线①与电弧柔性和挺直度协同控制系统(1)连接。

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