CN110814469A - 一种多模式自动弧压调节控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种多模式自动弧压调节控制系统，包括：人机界面设定单元、ARM控制器、伺服驱动模块、AVC电机和弧压采集单元；用户通过人机界面设定单元提供的人机交互界面输入工作模式和电弧电压值；弧压采集单元实施采集弧压值；ARM控制器根据用户输入的数据和采集数据生成驱动指令，通过伺服驱动模块驱动AVC电机调节钨极高度，并利用电流闭环反馈实现伺服稳定运行。本发明提出的多模式自动弧压调节控制系统是一种基于ARM微处理器的自动弧压调节系统，对于GTAW中的峰值电流和基值电流分别进行调节，实现峰值跟踪、基值跟踪和连续跟踪三种模式，适用于不同的焊接工艺，获得了良好的弧压调节效果。

Description

一种多模式自动弧压调节控制系统
技术领域
本发明涉及钨极气体保护焊电弧电压自动调节技术领域，尤其是一种多模式自动弧压调节控制系统。
背景技术
改革开放以来，我国工业发展迅速，焊接在工业生产中扮演着重要角色，在各项生产建设中发挥无可替代的作用，工业发展的同时带动着焊接技术的发展。然而，对于我国整体焊接工程技术而言，还存在着许多问题。其中自动化焊接的普及程度不够是急需解决的问题之一。自动化焊接可以实现自动控制，根据生产需要以及现场指令，开展自主作业，从而提高焊接质量和效率，有效降低劳动成本，获得更高生产效益。
为实现自动焊接，尤其对于大型管道的GTAW焊接，由于其建设周期长，焊接技术要求比较高，而且难以使用变位机对其施焊，目前仍多采用手工TIG焊对管道进行焊接。为了解决大型管道难以实现自动焊接的问题，近年来新兴了一种轨道式自动焊接技术，将焊接机头安装至轨道上，环绕管道焊缝位置自动施焊。然而，此种焊接方式因受到焊接角度、轨道精度、焊接机头安装精度等因素的影响，难以保证电弧电压在全位置施焊过程中维持恒定，成为大型管道焊接亟需解决的技术难题。
发明内容
发明目的：为了克服现有轨道式自动焊接技术中电弧电压在全位置施焊过程中难以维持恒定的技术问题，本发明提出一种多模式自动弧压调节控制系统，该系统对于GTAW中的峰值电流和基值电流分别进行调节，实现峰值跟踪、基值跟踪和连续跟踪三种模式，适用于不同的焊接工艺。
技术方案：为实现上述目的，本发明提出以下技术方案：
一种多模式自动弧压调节控制系统，包括：人机界面设定单元、ARM控制器、伺服驱动模块、AVC电机和弧压采集单元；其中，
人机界面设定单元提供人机交互界面，用户通过人机交互界面向ARM控制器输入弧压跟踪模式以及弧压跟踪模式相应的电弧电压值；
弧压采集单元采集电弧电压并送入ARM控制器；
ARM控制器对收到的电弧电压数据依次进行硬件滤波、ADC采样和软件滤波，并将软件滤波后的采集数据与用户设定的电弧电压值比较，将用户设定的电弧电压值与采集到的电弧电压值求差后输入伺服驱动模块；
伺服驱动模块根据输入的电弧电压差值生成PWM驱动信号，驱动AVC电机正向或反向转动，调节钨极高度；在调节钨极高度的过程中，弧压采集单元持续采集电弧电压并送入ARM控制器，当采集到的电弧电压与用户设置的电弧电压相等时，ARM控制器停止调节工作。
进一步的，所述弧压跟踪模式包括：峰值跟踪模式、基值跟踪模式、连续跟踪模式；三种模式下所述多模式自动弧压调节控制系统的工作流程分别为：
峰值跟踪模式：ARM控制器在峰值电流时间输出段内对电弧电压进行采集，并根据采集数据通过伺服驱动模块对AVC电机进行调节，经过AVC电机的闭环运动调节钨极高度，维持脉冲峰值电弧电压恒定为用户所设置的峰值电弧电压值；
基值跟踪模式：ARM控制器在基值电流输出时间内对电弧电压进行采集，并根据采集数据通过伺服驱动模块对AVC电机进行调节，经过AVC电机的闭环运动调节钨极高度，维持焊接过程中基值弧压恒定为用户所设置的即基值电弧电压值；
连续跟踪模式：对于峰值电流和基值电流均需要调节的，则分别设置峰值弧压和基值弧压，焊接过程中分别在峰值输出时间和基值输出时间，按照设定的峰值弧压值和基值弧压值对AVC电机进行控制，调节钨极高度，保障焊接过程中峰值和基值弧压的恒定。
进一步的，所述伺服驱动模块的工作流程具体包括：
当电弧电压的采集值低于设定值时：伺服驱动模块输出PWM信号驱动AVC电机正转，向上调节钨极，直至电弧电压的采集值与设定电弧电压值相等时，关闭PWM输出；
当电弧电压的采集值高于设定值时：伺服驱动模块输出PWM信号驱动AVC电机反转，向下调节电极，直至电弧电压的采集值降低到与设定值相同，关闭PWM输出。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明能够根据设定的电弧电压值在焊接过程中分别对峰值电流和基值电流的电弧电压值进行调节，解决管道全位置焊接机头在轨道运行过程中因轨道精度、焊缝的不规则引起的弧压不稳的问题，能够精确的调节焊接过程中的电弧电压值；
(2)可以实现自动控制，根据生产需要以及现场指令，开展自主作业，从而提高焊接质量和效率，能够有效降低劳动成本，获得更高生产效益。
附图说明
图1为系统功能模块结构图；
图2为所述ARM控制器的工作流程图；
图3为采样通道选择电路拓扑示意图；
图4为弧压采集电路拓扑示意图；
图5为伺服驱动电路拓扑图；
图6为人机界面示意图；
图7为三种弧压跟踪模式下的伺服波形图；其中，图7a为峰值跟踪模式下的伺服波形图，图7b为基值跟踪模式下的伺服波形图；图7c为连续跟踪模式下的伺服波形图。
具体实施方式
本发明为了解决现有轨道式自动焊接技术中电弧电压在全位置施焊过程中难以维持恒定的技术问题，提出了一种多模式自动弧压调节控制系统。该系统可以在焊接过程中对电弧电压进行实时采集跟踪，并通过与设定的电弧电压进行比较，根据比较的电弧电压差调整伺服驱动输出相应PWM信号，控制AVC调整钨极高度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。
实施例：本实施例所述多模式自动弧压调节控制系统的系统功能架构如图1所示，包括：人机界面设定单元、ARM控制器、伺服驱动模块、AVC电机和弧压采集单元；ARM控制器所执行的功能包括硬件滤波、ADC采样、软件滤波、弧压比较。
人机界面设定单元提供人机交互界面，如图6所示，人机界面设定单元经USB转RS232与ARM控制器进行通信，用户通过人机交互界面向ARM控制器输入弧压跟踪模式以及弧压跟踪模式相应的电弧电压值，人机交互界面将用户输入的弧压值传输至弧压调节的ARM程序中。用户还可以通过人机交互界面设置峰值弧压值、基值弧压值、调节模式、调节速度等参数，利用开始和停止按钮对弧压调节的启动和停止进行控制。人机交互界面还具有监视部分，监视部分由指示灯运行和故障组成，在报警条中显示系统的运行状态。此外，对全位置焊接过程中的电弧电压值进行实时显示。
所述多模式自动弧压调节控制系统工作流程如图2所示：
(1)模块初始化，即接收人工设置的弧压跟踪模式和电弧电压值；
(2)弧压采集单元采集电弧电压并送入ARM控制器；
(3)ARM控制器对收到的电弧电压数据依次进行硬件滤波、ADC采样和软件滤波，并将软件滤波后的采集数据与用户设定的电弧电压值比较，将用户设定的电弧电压值与采集到的电弧电压值求差后输入伺服驱动模块；
(4)伺服驱动模块根据输入的电弧电压差值生成PWM驱动信号，驱动AVC电机正向或反向转动，调节钨极高度；在调节钨极高度的过程中，弧压采集单元持续采集电弧电压并送入ARM控制器，当采集到的电弧电压与用户设置的电弧电压相等时，ARM控制器停止调节工作。
在上述方案中，弧压采集根据时序不同设计了峰值跟踪、基值跟踪、连续跟踪三种采样模式，由用户在人机交互界面选择，各个模式的工作流程如下所述：
(1)峰值跟踪：在峰值电流时间段内对伺服进行调节，维持脉冲峰值电弧电压恒定为所设置的电压值。其实施过程：人机界面设定峰值跟踪模式，设定峰值弧压值，焊接过程中峰值输出时间，经过AVC电机的闭环运动，调节钨极高度，保障焊接过程中峰值弧压恒定。
(2)基值跟踪：基值采样为基值电流时间内调节伺服维持基值电弧电压稳定为所设置的基值阶段的电压值。其实施过程：人机界面设定基值跟踪模式，设定基值弧压值，在焊接过程中的基值输出时间，经过AVC电机的闭环运动，调节钨极高度，保障焊接过程中基值弧压恒定。
(3)连续跟踪：对于峰值电流和基值电流均需要调节的可分别设置峰值弧压和基值弧压，对焊接过程进行连续调节，峰值阶段调节电弧电压为设定的电弧电压值，基值阶段调节电弧电压为设定的基值电弧电压值，结合组成连续跟踪模式。其实施过程：人机界面设定连续跟踪模式，设定峰值弧压值和基值弧压值，焊接过程中分别在峰值输出时间和基值输出时间，按照设定的峰值弧压值和基值弧压值对AVC电机进行控制，调节钨极高度，保障焊接过程中峰值和基值弧压的恒定。
上述三种弧压模式及伺服波形，如图7所示。峰值跟踪工作波形图如图7.a)所示，ARM控制器在峰值电流时间对电弧电压采样，伺服驱动模块依据采集值和设定值的误差调节电弧电压值，在基值电流输出时间段关闭ADC采样，同时伺服驱动模块关闭，弧压调节关闭。基值跟踪工作波形如图7.b)所示，基值电流时间段内对弧压采样，经采集值和设定值比较，由伺服驱动模块进行调节，从而维持恒定的电弧电压，在峰值电流阶段内关闭ADC采样，伺服驱动模块停止，弧压调节关闭。连续跟踪工作波形图，如图7.c)所示，峰值电流和基值电流时ADC采集全开，伺服根据采集值与设定值比较后调节弧压。
作为本发明的优选实施方式，本发明还提出如图3所示的通道选择电路，以适用于接触引弧和高频引弧，同时可匹配不同的焊接机头进行工作。图3和图4共同构成图1中的弧压采集模块。通道选择电路如图3所示，Terminal sense+，Terminal sense-和AVC_Sense+，AVC_sense-分别接焊接电源输出端和机头的正端和负端，即Terminalsense+接焊接电源输出正端，Terminal sense-，接焊接电源输出负端；AVC_Sense+接机头端的工件，AVC_sense-接机头端钨极。两组检测拓展了弧压检测的应用范围，对于具有AVC Sense检测信号的机头，可使用AVC sense检测弧压，对于不具有AVC Sense的机头，则选用Terminal sense进行弧压检测。ARM控制继电器RL1和RL2的输入端AVC_work，AVC_work_ret和Touch_sense，Touch_sense_ret两组触点，用以选择弧压检测通道。AVC_TEL+和AVC_TEL-将采集的弧压信号输出至图4，经信号调理上传至ARM的ADC采集通道。
通道选择电路的工作过程如下：
1)高频引弧，此时关闭弧压采集通道，避免高频引弧的电压过高烧毁检测电路，由ARM控制器驱动继电器RL1和RL2断开，此时AVC_TEL+和AVC_TEL-并未检测到弧压信号，当ARM控制器检测主电路的电流值恒定(引弧完成)，开通继电器RL1，检测AVC_Sense+，AVC_sense-端弧压信号，经AVC_Tel+和AVC_Tel-采集弧压。
2)接触引弧，由ARM控制器打开继电器RL1、RL2，此时AVC_Sense+和AVC_Sense-两端施加+12V-1，+12V-1-GND信号，即机头端的工件和钨极之间存在12V电压信号，钨极和工件接触瞬间，经电阻R4、R5、D7、F1、光耦U1、R6、R7形成回路，光耦导通，AVC_alarm将接触信号传输至ARM处理器，由ARM处理器发送电极抬起指令，迅速抬起电极，实现接触引弧。引弧完成，关闭继电器RL2，12V电压信号消失。AVC_Tel+和AVC_Tel-采集AVC_Sense+和AVC_Sense-之间的弧压信号。为适用于机头端无AVC_Sense弧压采集信号的设备，增加了Terminal_sense组信号，在起弧完成后，继电器RL1未得电，则检测Terminal_sense+，Terminal_sense-端的弧压信号，即机器输出端的正极和负极之间的弧压值。
电弧电压采集电路，如图4所示。弧压采样电路由高共模电压差分放大器U2、稳压二极管D8、滤波电容C1、C2和检测电阻R9、R10、R11组成。其工作过程为：经上述图3的弧压采样通道的判别后弧压信号(AVC_Tel+和AVC_Tel-)传输至R9、R10、R11分压，分压后的弧压信号经D8稳压和电容C1、C2滤波至共模电压差分放大器U2，获得弧压的输出信号传输至ARM控制器的ADC采集通道。
ARM控制器将采集值与设定值进行比较，根据采集的弧压值调节伺服动作，从而驱动AVC电机动作，实现电机正反转，完成对钨极高度调节。电弧电压调节电机伺服驱动电路，如图5所示。由U3和全桥拓扑Q1、Q2、Q3、Q4，驱动电阻R14、R15、R16、R17组成。由ARM控制器采集电弧的弧压信号与设定的弧压值进行对比，经U3的输入管脚3和4(PWMin1和PWMin2)调节全桥拓扑PWM占空比，通过motor+和motor-驱动AVC的伺服电机实现电弧电压调节(motor+和motor-与电机两端连接)。拓扑中电流检测电阻用于伺服部分的电流闭环反馈，避免焊接机头在圆形轨道上运行因阻力不同造成移动速度不稳定，采用电流闭环有效的解决了驱动过程中阻力不同造成速度不一至问题。
上述伺服电路的工作过程如下：
(1)弧压采集值低于设定弧压值；PWMin1输出PWM驱动Q1和Q4打开，经过电流检测电阻R18进行闭环检测，电机正转，向上调节钨极，到达设定电弧电压值，关闭PWM输出。
(2)弧压采集值高于设定弧压值；PWMin2输出PWM驱动Q2和Q3打开，此时电机反转，经电流检测电阻R18采集电流值，向下调节电极，当检测的弧压值与设定相同，关闭PWM。
经不同采样模式伺服波形的测试，在焊接过程中伺服电机通过正转和反转维持电极和工件的电弧电压恒定，获得了良好效果。通过峰值跟踪、基值跟踪、连续跟踪实现了非熔化极钨极惰性气体保护焊在全位置焊接过程中电弧电压的稳定，为获得良好的焊接质量奠定了基础。
本发明与现有技术相比，能够根据设定的电弧电压值在焊接过程中分别对峰值电流和基值电流的电弧电压值进行调节，解决管道全位置焊接机头在轨道运行过程中因轨道精度、焊缝的不规则引起的弧压不稳的问题，能够精确的调节焊接过程中的电弧电压值；可以实现自动控制，根据生产需要以及现场指令，开展自主作业，从而提高焊接质量和效率，能够有效降低劳动成本，获得更高生产效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种多模式自动弧压调节控制系统，其特征在于，包括：人机界面设定单元、ARM控制器、伺服驱动模块、AVC电机和弧压采集单元；其中，
人机界面设定单元提供人机交互界面，用户通过人机交互界面向ARM控制器输入弧压跟踪模式以及弧压跟踪模式相应的电弧电压值；
弧压采集单元采集电弧电压并送入ARM控制器；
ARM控制器对收到的电弧电压数据依次进行硬件滤波、ADC采样和软件滤波，并将软件滤波后的采集数据与用户设定的电弧电压值比较，将用户设定的电弧电压值与采集到的电弧电压值求差后输入伺服驱动模块；
伺服驱动模块根据输入的电弧电压差值生成PWM驱动信号，驱动AVC电机正向或反向转动，调节钨极高度；在调节钨极高度的过程中，弧压采集单元持续采集电弧电压并送入ARM控制器，当采集到的电弧电压与用户设置的电弧电压相等时，ARM控制器停止调节工作。
2.根据权利要求1所述的一种多模式自动弧压调节控制系统，其特征在于，所述弧压跟踪模式包括：峰值跟踪模式、基值跟踪模式、连续跟踪模式；三种模式下所述多模式自动弧压调节控制系统的工作流程分别为：
峰值跟踪模式：ARM控制器在峰值电流时间输出段内对电弧电压进行采集，并根据采集数据通过伺服驱动模块对AVC电机进行调节，经过AVC电机的闭环运动调节钨极高度，维持脉冲峰值电弧电压恒定为用户所设置的峰值电弧电压值；
基值跟踪模式：ARM控制器在基值电流输出时间内对电弧电压进行采集，并根据采集数据通过伺服驱动模块对AVC电机进行调节，经过AVC电机的闭环运动调节钨极高度，维持焊接过程中基值弧压恒定为用户所设置的即基值电弧电压值；
连续跟踪模式：对于峰值电流和基值电流均需要调节的，则分别设置峰值弧压和基值弧压，焊接过程中分别在峰值输出时间和基值输出时间，按照设定的峰值弧压值和基值弧压值对AVC电机进行控制，调节钨极高度，保障焊接过程中峰值和基值弧压的恒定。
3.根据权利要求1所述的一种多模式自动弧压调节控制系统，其特征在于，所述伺服驱动模块的工作流程具体包括：
当电弧电压的采集值低于设定值时：伺服驱动模块输出PWM信号驱动AVC电机正转，向上调节钨极，直至电弧电压的采集值与设定电弧电压值相等时，关闭PWM输出；
当电弧电压的采集值高于设定值时：伺服驱动模块输出PWM信号驱动AVC电机反转，向下调节电极，直至电弧电压的采集值降低到与设定值相同，关闭PWM输出。
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