CN108127239B - 铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：等离子电源包括主弧主电路、维弧主电路和控制电路；主弧主电路包括主弧输入整流滤波模块、主弧SiC高频逆变电路、主弧高频变压器、主弧快速整流滤波电路、主弧SiC低频调制电路和主弧SiC高压稳弧电路；维弧主电路包括维弧输入整流滤波模块、维弧高频逆变电路、维弧高频变压器和维弧快速整流滤波电路；控制电路包括控制器、主弧高频逆变驱动电路、主弧电流采样反馈电路、主弧低频调制驱动电路、主弧稳弧驱动电路、维弧电流采样反馈电路、维弧高频逆变驱动电路。该焊接系统的逆变频率高，具有良好的动特性和稳定性，可降低功率管开关损耗，满足大功率需求。
Description
技术领域
本发明涉及焊接设备技术领域，更具体地说，涉及一种铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统。
背景技术
铝及铝合金具有耐蚀性佳、导电性好以及强度高等特点，广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶等领域。但在铝及铝合金的焊接过程中，其表面易产生致密、难熔的氧化膜，而变极性等离子弧焊接技术可很好地去除氧化膜，其还具有能量密度大以及焊后变形小等特点，尤其在穿孔立焊工艺中不仅有效地消除气孔缺陷，还能实现“单面焊双面成形”，大大提高工作效率，被称为铝合金“零缺陷”焊接方法。
近年来，变极性等离子弧焊接设备成为国内铝合金焊接领域的研究重点。在铝合金机器人变极性等离子弧焊接系统中，等离子电源的性能至关重要，其不仅要精确地为焊接过程提供能量，还需实现与系统其他设备的协同运行。总体而言，国内的等离子电源设备的工业化水平同发达国家之间还存在较大的差距，电源的功率器件大多采用IGBT，但由于IGBT自身结构的因素导致在关断后产生拖尾电流，其开关损耗较大，制约了电路逆变频率的提高，一般为20kHz，这使得整机尺寸过大且动特性欠佳。另一方面，对于焊接起始点形成稳定小孔熔池的时机难以把握，极有可能造成未穿孔或因穿孔过大而熔池塌陷等问题，而且焊接本身是一个极复杂的过程，易因受不确定因素影响而导致焊缝熔池不稳定。因此，诸多因素限制了铝合金机器人变极性等离子弧焊接工艺技术在国内的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种逆变频率高、具有良好的动特性和稳定性、可降低功率管开关损耗、满足大功率需求的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：包括工控机、等离子电源和等离子焊枪；所述等离子电源包括主弧主电路、维弧主电路、控制电路和人机交互系统；
所述主弧主电路包括依次连接的主弧输入整流滤波模块、主弧SiC高频逆变电路、主弧高频变压器、主弧快速整流滤波电路和主弧SiC低频调制电路，以及主弧SiC高压稳弧电路；
所述维弧主电路包括维弧输入整流滤波模块、维弧高频逆变电路、维弧高频变压器和维弧快速整流滤波电路；
所述控制电路包括控制器、主弧高频逆变驱动电路、主弧电流采样反馈电路、主弧低频调制驱动电路、主弧稳弧驱动电路、维弧电流采样反馈电路、维弧高频逆变驱动电路、继电器模块、主电路故障检测模块；
所述控制器通过主弧高频逆变驱动电路与主弧SiC高频逆变电路连接；主弧快速整流滤波电路通过主弧电流采样反馈电路与控制器连接；控制器通过主弧低频调制驱动电路与主弧SiC低频调制电路连接；控制器通过主弧稳弧驱动电路与主弧SiC高压稳弧电路连接；控制器通过维弧高频逆变驱动电路与维弧高频逆变电路连接；维弧快速整流滤波电路通过维弧电流采样反馈电路与控制器连接；继电器模块和主电路故障检测模块分别与控制器连接。
优选地，所述主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构；所述主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构；所述主弧SiC高压稳弧电路采用SiC功率管全桥拓扑结构。
优选地，所述主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构是指：主弧SiC高频逆变电路包括SiC功率管Q101～Q104、二极管D101～D106、电容C103～C105和电感L102；SiC功率管Q101和SiC功率管Q102串联后并联到主弧输入整流滤波模块上；二极管D105、SiC功率管Q103、SiC功率管Q104和二极管D106串联后并联到主弧输入整流滤波模块上；SiC功率管Q101分别与电容C103和二极管D101并联；SiC功率管Q102分别与电容C104和二极管D102并联；SiC功率管Q103与二极管D103并联；SiC功率管Q104与二极管D104并联；SiC功率管Q101与SiC功率管Q102的连接处通过电容C105连接到主弧高频变压器的初级；SiC功率管Q103与SiC功率管Q104的连接处通过电感L102连接到主弧高频变压器的初级；
所述主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构是指：主弧SiC低频调制电路包括SiC功率管Q105～Q108、电容C110、电容C111、电阻R105和电阻R106；SiC功率管Q105和SiC功率管Q106串联后并联到主弧快速整流滤波电路上；电容C110和电阻R105串联组成的电路，以及SiC功率管Q107分别与SiC功率管Q105并联；电容C111和电阻R106串联组成的电路，以及SiC功率管Q108分别与SiC功率管Q106并联。
优选地，所述维弧主电路包括维弧输入整流滤波模块、维弧高频逆变电路、维弧高频变压器和维弧快速整流滤波电路是指：
维弧主电路包括由整流桥BR301、电容C301、电容C302和电感L301组成的维弧输入整流滤波模块，由功率管VT301～VT304、电容C303～C307、电阻R301～R304和二极管D301～D304组成的维弧高频逆变电路，由变压器T301组成的维弧高频变压器，以及由二极管D305～D308、电阻R305～R309、电容C308～C314、压敏电阻YR301～YR304和电感L302组成的维弧快速整流滤波电路。
优选地，所述主弧高频逆变驱动电路包括高频放大器U201、高频放大器U202、电压钳位电路一、电压钳位电路二、高频脉冲变压器T201和两个高频驱动信号产生电路；
高频放大器U201通过电压钳位电路一与高频脉冲变压器T201的初级输入端一连接，高频放大器U202通过电压钳位电路二与高频脉冲变压器T201的初级输入端二连接；
所述高频脉冲变压器T201带有两个次级，两个高频驱动信号产生电路结构相同，且两个高频驱动信号产生电路以相反方向分别连接于两个高频脉冲变压器T201的次级上。
优选地，所述高频驱动信号产生电路包括电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、泄排电阻R206、电容C202、电容C203、二极管D205、二极管D206、二极管D207、二极管D208、稳压二极管ZD201、稳压二极管ZD202、稳压二极管ZD203和功率场效应管Q201；高频脉冲变压器T201的次级输出端一通过依次连接的电阻R202和二极管D205与高频脉冲变压器T201的次级输出端二连接；功率场效应管Q201源极和二极管D206连接后并联在电阻R202上；二极管D207和电阻R203连接形成串接电路，之后与稳压二极管ZD201串联后并联在功率场效应管Q201栅源极上；稳压二极管ZD203和稳压二极管ZD202反向串联后并联在所述串接电路上；电阻R204、二极管D208和泄排电阻R206串联后并联在所述串接电路上；电阻R201与二极管D205并联；电容C202与稳压二极管ZD201并联；电阻R205与二极管D208并联；电容C203与泄排电阻R206并联；电容C203的两端分别与高频全桥逆变模块连接。
优选地，焊接系统还包括机器视觉系统、工业机器人、送丝机、制冷装置、送气装置和工装夹具；所述工业机器人、送丝机和机器视觉系统分别与工控机信号连接；所述工装夹具分别与工业机器人和等离子焊枪连接；所述等离子电源还分别与制冷装置和送气装置连接；所述等离子焊枪还分别与制冷装置、送气装置和送丝机连接。
优选地，所述送丝机包括电机、夹紧轮、固定支架和控制系统；所述控制系统包括供电模块、DSC控制器、MOSFET驱动电路、电机驱动电路、电压采样反馈电路、故障检测电路和数字控制面板。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明焊接系统中，等离子电源具有更强的工艺能力，采用了新型的SiC功率管，逆变频率高达200kHz，相对比目前较常用的IGBT提高了近十倍，不仅整机尺寸大幅减小，动特性也更为理想；另外，主弧SiC高压稳弧电路采用SiC功率管，使得电流换向期间稳弧高压介入更为快捷，极大地提高了变极性等离子弧的稳定性；
2、本发明焊接系统中，等离子电源的主弧SiC高频逆变电路实现了“零电压零电流”开关，从而大大降低了功率管的开关损耗；主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构，以满足大功率需求；主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构，可提高承受大电流的能力，充分利用了功率管的功率裕量；主弧SiC高压稳弧电路采用SiC功率管全桥拓扑结构，在主弧电源输出电流极性转换的时刻施加较高的电压，从而确保在电流过零时电弧的可靠再引燃；
3、本发明能够实现智能化的铝合金变极性等离子弧焊接工艺，通过机器视觉来准确捕捉熔池穿孔的瞬间，并实现等离子焊枪运动行为的视觉驱动，不仅避免了未穿孔和过度烧穿的问题，还可通过深度学习实现焊接过程焊缝熔池质量的实时监控和预测，建立专家系统，在线调整焊接参数，获得稳定可靠的工艺性能。
附图说明
图1是本发明焊接系统的系统框图；
图2是本发明焊接系统中等离子电源的结构示意图；
图3是本发明焊接系统中等离子电源的主弧主电路的电路图；
图4是本发明焊接系统中等离子电源的控制电路的框图；
图5是本发明焊接系统中等离子电源的主弧高频逆变驱动电路的原理图；
图6是本发明焊接系统中等离子电源的主弧电流采样反馈电路和维弧电流采样反馈电路的原理图；
图7是本发明焊接系统中等离子电源的CAN隔离通信电路的原理图；
图8是本发明焊接系统中等离子电源的人机交互系统的总体框图；
图9是本发明焊接系统中等离子电源的维弧主电路的电路图；
图10是本发明焊接系统中送丝机控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
如图1至图10所示，本实施例铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，包括工控机、等离子电源和等离子焊枪，以及机器视觉系统、工业机器人、送丝机、制冷装置、送气装置和工装夹具。工业机器人、等离子电源和送丝机分别通过CAN BUS与工控机相连；机器视觉系统通过TCP/IP与工控机相连；工装夹具分别与工业机器人和等离子焊枪相连；等离子电源还分别与制冷装置、送气装置和等离子焊枪相连；等离子焊枪还分别与制冷装置、送气装置以及送丝机相连，如图1所示。
机器视觉系统用于判断焊接起始点小孔熔池的形成以及焊接过程状态的监控。工控机用于完成系统各部分之间的协同运行控制、识别并处理机器视觉系统反馈的信息、焊接参数和焊接故障的专家系统。工业机器人作为执行机构，用于夹持等离子焊枪按既定路径进行焊接操作。送丝机用于实现焊丝送给速度的精确无级调节以及送丝方式的多样化，保证焊丝的送入能与焊接工艺及参数完美配合。制冷装置用于冷却等离子电源和等离子焊枪。送气装置用于提供离子气和保护气。工装夹具用于实现焊接工件的固定与变位以及使等离子焊枪和工业机器人相连等功能。等离子焊枪是能量转换的直接装置。
等离子电源包括主弧主电路、维弧主电路、控制电路和人机交互系统，主弧主电路主要用于为主弧提供能量，维弧主电路用于为维弧提供能量，而控制电路用于实现功率管驱动信号的发生、采样电流的闭环调节、故障保护、与系统其他部分的协同通信以及人机交互等功能。
如图2所示，主弧主电路包括依次连接的主弧输入整流滤波模块、主弧SiC高频逆变电路、主弧高频变压器、主弧快速整流滤波电路和主弧SiC低频调制电路，以及主弧SiC高压稳弧电路。维弧主电路包括维弧输入整流滤波模块、维弧高频逆变电路、维弧高频变压器和维弧快速整流滤波电路。控制电路包括控制器、主弧高频逆变驱动电路、主弧电流采样反馈电路、主弧低频调制驱动电路、主弧稳弧驱动电路、维弧电流采样反馈电路、维弧高频逆变驱动电路、继电器模块、主电路故障检测模块。
控制器通过主弧高频逆变驱动电路与主弧SiC高频逆变电路连接；主弧快速整流滤波电路通过主弧电流采样反馈电路与控制器连接；控制器通过主弧低频调制驱动电路与主弧SiC低频调制电路连接；控制器通过主弧稳弧驱动电路与主弧SiC高压稳弧电路连接；控制器通过维弧高频逆变驱动电路与维弧高频逆变电路连接；维弧快速整流滤波电路通过维弧电流采样反馈电路与控制器连接；继电器模块和主电路故障检测模块分别与控制器连接。
如图3所示，主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构；主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构；主弧SiC高压稳弧电路采用SiC功率管全桥拓扑结构。
具体的说，主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构是指：主弧SiC高频逆变电路包括SiC功率管Q101～Q104、二极管D101～D106、电容C103～C105和电感L102；SiC功率管Q101和SiC功率管Q102串联后并联到主弧输入整流滤波模块上；二极管D105、SiC功率管Q103、SiC功率管Q104和二极管D106串联后并联到主弧输入整流滤波模块上；SiC功率管Q101分别与电容C103和二极管D101并联；SiC功率管Q102分别与电容C104和二极管D102并联；SiC功率管Q103与二极管D103并联；SiC功率管Q104与二极管D104并联；SiC功率管Q101与SiC功率管Q102的连接处通过电容C105连接到主弧高频变压器的初级；SiC功率管Q103与SiC功率管Q104的连接处通过电感L102连接到主弧高频变压器的初级。
主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构是指：主弧SiC低频调制电路包括SiC功率管Q105～Q108、电容C110、电容C111、电阻R105和电阻R106；SiC功率管Q105和SiC功率管Q106串联后并联到主弧快速整流滤波电路上；电容C110和电阻R105串联组成的电路，以及SiC功率管Q107分别与SiC功率管Q105并联；电容C111和电阻R106串联组成的电路，以及SiC功率管Q108分别与SiC功率管Q106并联。
主弧SiC高频逆变电路中，SiC功率管Q101～Q104组成了一个移相全桥电路，二极管D101～D104为SiC功率管Q101～Q104内部反并联的二极管，二极管D105和D106为超快恢复大功率二极管，电容C103和C104为超前臂上SiC功率管Q101和Q102的寄生电容以及外接电容之和，电容C105为隔直电容，电感L102为主弧高频变压器漏感以及外接电感之和；换流过程中，由于和超前臂的SiC功率管Q101和Q102相并联的电容C103和C104电压不能突增以及其对SiC功率管Q101和Q102的电压钳位作用，实现了SiC功率管Q101和Q102的“零电压”开关；阻断电容C105使主弧高频变压器原边电流快速复位，而滞后臂串联的超快恢复大功率二极管可以阻止复位后电流反向，并且把电流钳位在零，实现了滞后臂的SiC功率管Q103和Q104的“零电流”开关；因此该主弧SiC高频逆变电路实现了“零电压零电流”开关，从而大大降低了功率管的开关损耗。
为提高输出极性转换速度以及保证稳弧电路作用的有效性，主弧SiC低频调制电路和主弧SiC高压稳弧电路也均使用开关速度更快的SiC功率管。主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构，以满足大功率需求；主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构，可提高承受大电流的能力，充分利用了功率管的功率裕量；主弧SiC高压稳弧电路采用SiC功率管全桥拓扑结构，在主弧电源输出电流极性转换的时刻施加较高的电压，从而确保在电流过零时电弧的可靠再引燃。
主弧主电路工作原理为通过主弧输入整流滤波模块将380V三相交流电转化成平滑的直流电，然后经过主弧SiC高频逆变电路逆变成频率为200kHz的交流电，又经过主弧高频变压器进行能量转换，得到等离子弧焊接所需的大电流、低电压的交流电，再经过主弧快速整流滤波模块，转变成大电流、低电压的直流电，最后经过主弧SiC低频调制电路进行换相和频率调制，输出焊接所需的电流电压波形。
控制电路以控制器为中心，用于实现功率管驱动信号的发生、采样电流的闭环调节、故障保护、驱动继电器模块以及与系统其他部分的协同通信等功能。人机交互系统主要用于焊接参数的输入设置以及焊接参数与工作状态(包括故障状态)的实时显示。
如图4所示，控制器可采用DSC控制器，例如采用32位的高速ARM处理器，其产生四组全数字PWM控制信号，分别作用于主弧高频逆变驱动电路、主弧低频调制驱动电路、主弧稳弧驱动电路以及维弧高频逆变驱动电路，其中作用于主弧低频调制驱动电路的控制信号为一组移相PWM信号；DSC控制器的UART通信接口电路与人机交互系统相连，DSC控制器的CAN通信接口电路与CAN BUS总线相连，完成系统各部分相互间的协同运行。主电路故障检测模块用于实现主弧主电路和维护主电路的欠压检测、过热检测、过压检测以及过流检测等，如检测到故障的发生，DSC控制器立即产生相应中断，停止相应器件的工作，提高了设备的安全可靠性。继电器模块主要用于气阀和水阀的开启和关闭。
如图5所示，主弧高频逆变驱动电路包括高频放大器U201、高频放大器U202、电压钳位电路一、电压钳位电路二、高频脉冲变压器T201和两个高频驱动信号产生电路；高频放大器U201通过电压钳位电路一与高频脉冲变压器T201的初级输入端一连接，高频放大器U202通过电压钳位电路二与高频脉冲变压器T201的初级输入端二连接；
高频脉冲变压器T201带有两个次级，两个高频驱动信号产生电路结构相同，且两个高频驱动信号产生电路以相反方向分别连接于两个高频脉冲变压器T201的次级上。
高频驱动信号产生电路包括电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、泄排电阻R206、电容C202、电容C203、二极管D205、二极管D206、二极管D207、二极管D208、稳压二极管ZD201、稳压二极管ZD202、稳压二极管ZD203和功率场效应管Q201；高频脉冲变压器T201的次级输出端一通过依次连接的电阻R202和二极管D205与高频脉冲变压器T201的次级输出端二连接；功率场效应管Q201源极和二极管D206连接后并联在电阻R202上；二极管D207和电阻R203连接形成串接电路，之后与稳压二极管ZD201串联后并联在功率场效应管Q201栅源极上；稳压二极管ZD203和稳压二极管ZD202反向串联后并联在串接电路上；电阻R204、二极管D208和泄排电阻R206串联后并联在串接电路上；电阻R201与二极管D205并联；电容C202与稳压二极管ZD201并联；电阻R205与二极管D208并联；电容C203与泄排电阻R206并联；电容C203的两端分别与高频全桥逆变模块连接。
电阻R204、电阻R205、二极管D208、泄排电阻R206和电容C203组成SiC功率管的“慢开快关”网络，有效地降低了SiC功率管的开关损耗。功率场效应管Q201、电阻R203、电容C202、二极管D206、二极管D207和稳压二极管ZD201组成了SiC功率管的负压关断网络，当二极管D206导通的时候，功率场效应管Q201关断，电容C03通过回路充电，充至稳压二极管ZD201的稳压值-5.1V，当二极管D206关断的时候，功率场效应管Q201导通，电容C03通过新的回路放电，给SiC功率管栅极提供负压，保证了SiC功率管的快速、可靠关断。
主弧电流采样反馈电路和维弧电流采样反馈电路可分别采用图6的电路结构；采用霍尔电流传感器测量采样主弧电流和维弧电流，为非接触式测量，具有测量准确、安装方便以及抗干扰能力强等特点，只要选择的霍尔器件线性度良好，主弧电流采样反馈电路和维弧电流采样反馈电的反馈电流值即可很好地跟踪实际电流值。霍尔电流传感器的输出接入接插端口P401，其经过电阻R401、R402和R403构成的电阻分压电路后再经过电压跟随电路传输至DSC控制器内部的ADC模块，二极管D401和D402使输出电压钳位在3.3V内，起保护DSC控制器的作用。
如图7所示，为提高通信模块的抗干扰能力和可靠性，CAN通信接口电路采用隔离式通信模块，主要由IB0503XT-1WR2隔离式贴片电源模块、ADuM1201隔离器以及SN65HVD230CAN收发器等构成。
如图8所示，人机交互系统包括DSC控制器、触摸液晶驱动电路、触摸液晶显示屏和供电模块。DSC控制器包括RS232接口、RS485接口、CAN接口、USB接口以及SD卡接口；DSC控制器通过RS485接口与等离子电源的控制电路相连，RS232接口、CAN接口以及USB接口可用来与其他设备进行通信，以提高系统的可扩展性和可移植性；还具备SD卡接口，能够实现数据的本地储存和在线调用。触摸液晶驱动电路的驱动信号由DSC控制器产生；触摸液晶显示屏优选采用电阻屏，因为电阻触屏的精度较高，价格低，且在戴手套的情况下仍可有效操作，符合实际焊接操作环境的要求。
如图9所示，维弧主电路包括由整流桥BR301、电容C301、电容C302和电感L301组成的维弧输入整流滤波模块，由功率管VT301～VT304、电容C303～C307、电阻R301～R304和二极管D301～D304组成的维弧高频逆变电路，由变压器T301组成的维弧高频变压器，以及由二极管D305～D308、电阻R305～R309、电容C308～C314、压敏电阻YR301～YR304和电感L302组成的维弧快速整流滤波电路。功率管VT301～VT304可以是SiC功率管，也可以是Si功率管；考虑到维弧主电路是小功率输出以及开发成本和周期，本发明优选使用成熟的Si功率管。380V三相交流电首先经过维弧输入整流滤波模块，得到平滑的直流电；再进入到维弧高频逆变电路，逆变成频率为100kHz交流电；经维弧高频变压器的能量转换后，最后由维弧快速整流滤波电路输出直流电。高频高压引弧电路通过变压器T302与维弧快速整流滤波电路的输出端相连。
送丝机包括电机、夹紧轮、固定支架和控制系统；电机采用低惯性量的直流印刷电机，其转动惯量和绕组的电感值比其他类型的伺服电机小得多，因此其时间常数小，响应速度快。如图10所示，控制系统包括供电模块、DSC控制器、MOSFET驱动电路、电机驱动电路、电压采样反馈电路、故障检测电路和数字控制面板。DSC控制器产生一组PWM信号，经过MOSFET驱动电路的放大隔离后，用于驱动电机驱动电路中的MOSFET，从而实现电机的运转；而电机的转速则采用电枢电压控制法进行调节，通过电压采样反馈电路采样得到电枢电压并反馈给DSC控制器，DSC控制器的ADC模块将馈入的信号进行模数转换后，与给定的数值比较并进行PI调节，进而输出相应脉宽的驱动信号，从而实现电枢电压的闭环调节，实现送丝速度的精确无级调节；所述故障检测电路主要用于检测送丝机是否出现缺丝、粘丝以及堵丝等故障，以便DSC控制器采取相应的保护措施；所述送丝机通过CAN BUS与系统其他设备相连，送丝机的运行参数可由等离子电源或工控机进行设置；所述数字控制面板主要用于方便操作者在测试时或其他特殊情形下，可单独通过数字控制面板设置送丝、抽丝、脉冲送丝、匀速送丝等功能以及送丝速度等参数，提高了该送丝机的兼容性。
本发明创新设计的基础原理为：采用机器视觉技术监测熔池的形态，并建立焊接缺陷的专家系统对焊接参数进行在线修正；采用基于SOC级高速DSC嵌入式控制技术和大功率新型SiC超高频逆变技术并结合软开关技术构建了高性能的等离子弧焊接电源；可视化人机交互系统不仅实现精确人机交互，而且将焊接参数和工作状态进行实时显示；基于DSC的全数字闭环送丝系统实现送丝速度的无级精确调节以及送丝方式的多样化；设计基于CAN 2.0的全数字协同控制网络，利用高速CAN总线实现系统整体的全数字高度集成。
本发明焊接系统的工作原理为：首先工控机根据焊接工件的材质及其板厚，由专家系统自动选择相应的工艺参数；然后利用机器视觉系统对拟焊接工件及其位置信息进行检测并反馈到工控机中，再进行焊接路径规划，设定好工业机器人的运动路径后，运行到焊接起始点；等离子电源控制启动制冷装置和送气装置后，等离子电源的维弧主电路首先工作，利用高频高压引弧电路产生的高频高压信号击穿等离子焊枪的钨极和喷嘴间的气隙，建立起小电流的维弧；等离子电源的控制器检测到维弧之后，控制主弧主电路开始工作，此时在焊接工件和钨极之间将形成大电流的转移弧；转移弧成功之后，等离子焊枪保持在焊接起始点，待机器视觉系统检测到熔池穿孔成功后，将信息反馈给工控机，工控机则向工业机器人发送一个开始行走信号，等离子焊枪则按照既定的路径和速度行走；在焊接过程中，机器视觉系统若检测到熔池出现未焊穿或熔池小孔过大，工控机的焊接故障专家系统则对焊接参数进行实时调整，以获得稳定的工艺质量。其中工业机器人、等离子电源、送丝机和工控机均通过CAN网络进行高速数字协同，机器视觉系统也通过TCP/IP与工控机相连，从而确保在整个焊接过程中，各组成能实现有机配合和高速协同，提高了等离子弧穿孔焊接过程的自动化和智能化水平。
本发明焊接系统的优点是：
1、本发明能够实现智能化的铝合金变极性等离子弧焊接工艺。所述发明通过机器视觉来准确捕捉熔池穿孔的瞬间，并实现等离子焊枪运动行为的视觉驱动，不仅避免了未穿孔和过度烧穿的问题，还可通过深度学习实现焊接过程焊缝熔池质量的实时监控和预测，建立专家系统，在线调整焊接参数，获得稳定可靠的工艺性能；
2、本发明的等离子电源具有更强的工艺能力。本发明采用了新型的SiC功率管，逆变频率高达200kHz，相对比目前较常用的IGBT提高了近十倍，不仅整机尺寸大幅减小，动特性也更为理想；另外，主弧SiC高压稳弧电路采用SiC功率管，使得电流换向期间稳弧高压介入更为快捷，极大地提高了变极性等离子弧的稳定性。
3、本发明具有极高的能效。由于SiC功率管自身的优异性能，其开关损耗和导通损耗均较小，并且实现了零电压零电流的软开关环流，极大地提高了等离子电源的能效，比现有的IGBT逆变式等离子体电源能效提高10％以上。
4、本发明实现了精确的全数字集成。焊接系统结合了高速DSC控制、高频逆变、数字自动控制等技术，以及将系统各部分通过CAN隔离通信电路进行协同运行，使得系统的集成度更高，控制更为精确，稳定性更好，自动化、智能化程度更高。
5、本发明具有更好的人机交互能力。本发明采用了可视化的人机交互系统，相对比目前国内大部分采用的由数码管、LED灯和按键等构成的等离子焊接系统面板而言，具有高清晰度、高亮度、宽角度观察、操作简便、界面直观以及实时显示丰富等优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：包括工控机、等离子电源、等离子焊枪、机器视觉系统、工业机器人、制冷装置、送气装置；所述等离子电源包括主弧主电路、维弧主电路、控制电路和人机交互系统；
所述主弧主电路包括依次连接的主弧输入整流滤波模块、主弧SiC高频逆变电路、主弧高频变压器、主弧快速整流滤波电路和主弧SiC低频调制电路，以及主弧SiC高压稳弧电路；
所述维弧主电路包括维弧输入整流滤波模块、维弧高频逆变电路、维弧高频变压器和维弧快速整流滤波电路；
所述控制电路包括控制器、主弧高频逆变驱动电路、主弧电流采样反馈电路、主弧低频调制驱动电路、主弧稳弧驱动电路、维弧电流采样反馈电路、维弧高频逆变驱动电路、继电器模块、主电路故障检测模块；
所述控制器通过主弧高频逆变驱动电路与主弧SiC高频逆变电路连接；主弧快速整流滤波电路通过主弧电流采样反馈电路与控制器连接；控制器通过主弧低频调制驱动电路与主弧SiC低频调制电路连接；控制器通过主弧稳弧驱动电路与主弧SiC高压稳弧电路连接；控制器通过维弧高频逆变驱动电路与维弧高频逆变电路连接；维弧快速整流滤波电路通过维弧电流采样反馈电路与控制器连接；继电器模块和主电路故障检测模块分别与控制器连接；
所述工业机器人和机器视觉系统分别与工控机信号连接；所述等离子电源还分别与制冷装置和送气装置连接；所述等离子焊枪还分别与制冷装置、送气装置连接；
铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统的工作方法为：
首先工控机根据焊接工件的材质及其板厚，由专家系统自动选择相应的工艺参数；然后利用机器视觉系统对焊接工件及其位置信息进行检测并反馈到工控机中，再进行焊接路径规划，设定好工业机器人的运动路径后，运行到焊接起始点；等离子电源控制启动制冷装置和送气装置后，等离子电源的维弧主电路首先工作，利用产生的高频高压信号击穿等离子焊枪的钨极和喷嘴间的气隙，建立起小电流的维弧；等离子电源检测到维弧之后，控制主弧主电路开始工作，在焊接工件和钨极之间将形成大电流的转移弧；转移弧成功之后，等离子焊枪保持在焊接起始点，待机器视觉系统检测到熔池穿孔成功后，将信息反馈给工控机，工控机向工业机器人发送一个开始行走信号，等离子焊枪按照设定的焊接路径和速度行走；在焊接过程中，机器视觉系统若检测到熔池出现未焊穿或熔池小孔过大，工控机的焊接故障专家系统则对焊接参数进行实时调整。
2.根据权利要求1所述的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：所述主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构；所述主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构；所述主弧SiC高压稳弧电路采用SiC功率管全桥拓扑结构。
3.根据权利要求2所述的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：所述主弧SiC高频逆变电路采用SiC功率管全桥拓扑结构是指：主弧SiC高频逆变电路包括SiC功率管Q101～Q104、二极管D101～D106、电容C103～C105和电感L102；SiC功率管Q101和SiC功率管Q102串联后并联到主弧输入整流滤波模块上；二极管D105、SiC功率管Q103、SiC功率管Q104和二极管D106串联后并联到主弧输入整流滤波模块上；SiC功率管Q101分别与电容C103和二极管D101并联；SiC功率管Q102分别与电容C104和二极管D102并联；SiC功率管Q103与二极管D103并联；SiC功率管Q104与二极管D104并联；SiC功率管Q101与SiC功率管Q102的连接处通过电容C105连接到主弧高频变压器的初级；SiC功率管Q103与SiC功率管Q104的连接处通过电感L102连接到主弧高频变压器的初级；
所述主弧SiC低频调制电路采用SiC功率管双半桥并联拓扑结构是指：主弧SiC低频调制电路包括SiC功率管Q105～Q108、电容C110、电容C111、电阻R105和电阻R106；SiC功率管Q105和SiC功率管Q106串联后并联到主弧快速整流滤波电路上；电容C110和电阻R105串联组成的电路，以及SiC功率管Q107分别与SiC功率管Q105并联；电容C111和电阻R106串联组成的电路，以及SiC功率管Q108分别与SiC功率管Q106并联。
4.根据权利要求1所述的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：所述维弧主电路包括维弧输入整流滤波模块、维弧高频逆变电路、维弧高频变压器和维弧快速整流滤波电路是指：
维弧主电路包括由整流桥BR301、电容C301、电容C302和电感L301组成的维弧输入整流滤波模块，由功率管VT301～VT304、电容C303～C307、电阻R301～R304和二极管D301～D304组成的维弧高频逆变电路，由变压器T301组成的维弧高频变压器，以及由二极管D305～D308、电阻R305～R309、电容C308～C314、压敏电阻YR301～YR304和电感L302组成的维弧快速整流滤波电路。
5.根据权利要求1所述的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：所述主弧高频逆变驱动电路包括高频放大器U201、高频放大器U202、电压钳位电路一、电压钳位电路二、高频脉冲变压器T201和两个高频驱动信号产生电路；
高频放大器U201通过电压钳位电路一与高频脉冲变压器T201的初级输入端一连接，高频放大器U202通过电压钳位电路二与高频脉冲变压器T201的初级输入端二连接；
所述高频脉冲变压器T201带有两个次级，两个高频驱动信号产生电路结构相同，且两个高频驱动信号产生电路以相反方向分别连接于两个高频脉冲变压器T201的次级上。
6.根据权利要求5所述的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：所述高频驱动信号产生电路包括电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、泄排电阻R206、电容C202、电容C203、二极管D205、二极管D206、二极管D207、二极管D208、稳压二极管ZD201、稳压二极管ZD202、稳压二极管ZD203和功率场效应管Q201；高频脉冲变压器T201的次级输出端一通过依次连接的电阻R202和二极管D205与高频脉冲变压器T201的次级输出端二连接；功率场效应管Q201源极和二极管D206连接后并联在电阻R202上；二极管D207和电阻R203连接形成串接电路，之后与稳压二极管ZD201串联后并联在功率场效应管Q201栅源极上；稳压二极管ZD203和稳压二极管ZD202反向串联后并联在所述串接电路上；电阻R204、二极管D208和泄排电阻R206串联后并联在所述串接电路上；电阻R201与二极管D205并联；电容C202与稳压二极管ZD201并联；电阻R205与二极管D208并联；电容C203与泄排电阻R206并联；电容C203的两端分别与高频全桥逆变模块连接。
7.根据权利要求1所述的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：还包括送丝机和工装夹具；所述送丝机与工控机信号连接；所述工装夹具分别与工业机器人和等离子焊枪连接；所述等离子焊枪还与送丝机连接。
8.根据权利要求7所述的铝合金机器人变极性等离子弧智能穿孔焊接系统，其特征在于：所述送丝机包括电机、夹紧轮、固定支架和控制系统；所述控制系统包括供电模块、DSC控制器、MOSFET驱动电路、电机驱动电路、电压采样反馈电路、故障检测电路和数字控制面板。
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