CN112276298A - 一种垂直气电立焊控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直气电立焊控制方法和系统，通过电压方差和设定焊接参数结合判断是否完成起弧。具体条件通过基础公式和后期自学习获得，样本使用后续人为操作干预情况进行分类。焊接参数设定不同，焊接电压方差也会不同。而且焊接参数与被焊钢板有直接的对应关系，所以在自学习时，就建立了起弧方差和焊接钢板之间的数学关系。当焊接人员在起弧后主动将行走调至手动减速或停止焊接，则证明起弧阶段未结束。当焊接人员在起弧后主动将小车调至手动加速上提，则证明起弧阶段已结束，应开始焊接。将两种判断错误时的焊接参数进行自学习，就会不断得到精确的判断条件，应对复杂的焊接工艺。

Description

一种垂直气电立焊控制方法和系统

技术领域

本发明涉及气电立焊弧长稳定技术、数字化显示及控制技术，特别是一种垂直气电立焊控制方法和系统。

背景技术

气电立焊(简称EGW)是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧焊方法。EGW与依靠多次焊接完成焊缝的窄间隙熔化极气体保护焊相比，可一次焊接成型焊缝；与依靠熔渣电阻热进行焊接的电渣焊相比，气电立焊依靠电弧热进行焊接，能量密度较高且更加集中。

现有的气电立焊系统主要由晶闸管平外特性焊接电源、等速或变速送丝机构和变速爬行小车组成，其中变速爬行小车以集成电路为核心组成自动控制系统，焊接过程弧长变化会引起焊接电流变化，故可根据电流变化作为弧长变化反馈控制信号适时调节爬行小车行走速度，以保证焊接过程弧长稳定，且无需输入焊接坡口的形状和大小。另外，这种气电立焊系统可根据不同板厚和不同焊接工艺要求，进行焊枪相应的摆动以保证焊接质量。焊接时多配合水冷滑块或陶瓷衬垫进行冷却，保证焊接质量。关于这种气电立焊系统的相关专利有中国专利号为201010150887.4，发明专利名称为“基于FPGA的气电立焊弧长控制器”的专利，公开了一种以FPGA为控制核心的、使用平外特性焊接电源、等速送丝的、以电流为控制依据的气电立焊弧长控制器；还有中国专利号为201110192353.2，发明专利名称为“基于AVR单片机控制的粗死气电立焊机机控制方法”，公开了一种以AVR单片机为控制核心的、使用垂降外特性焊接电源、变速送丝的、以电压为跟踪依据的控制器和控制方法。

现有的气电立焊系统，存在控制精度低、爬升速度变化波动大、未将电流电压有效统一、起弧控制不精确、参数调整不直观、焊接能耗高、无冷却液报警系统等缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种垂直气电立焊控制方法和系统，该垂直气电立焊控制方法和系统使用数字IGBT逆变式焊接电源、变速送丝机构和以ARM单片机为核心的气电立焊系统，可显著降低焊接能耗、直观设置焊接参数、实时监控冷却液、通过电流电压等焊接参数结合的方法准确控制自动焊接。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种垂直气电立焊控制方法，包括如下步骤。

步骤1、判断起弧是否完成：在自动焊接起弧阶段，采用焊接电压方差自学习的方法，判断起弧是否完成。

步骤2、立焊，包括如下步骤：

步骤21、建立焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数；

步骤22、当步骤1判断为起弧完成后，焊接小车向上爬升；

步骤23、采集并计算焊接电流平均值：实时采集当前测量周期T内的焊接电流，并计算当前测量周期T内焊接电流的平均值；

步骤24、计算行走速度：根据步骤21建立的焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数，以及步骤23计算的焊接电流平均值，实时计算出焊接小车的行走速度；

步骤25，焊接小车行走速度调整：焊接小车根据步骤24计算的行走速度向上爬升，使得焊接电流与目标等效电流保持一致，进而使得焊接阶段的电弧弧长保持稳定；

步骤26，重复步骤23至步骤25，直至当前焊缝焊接结束。

步骤1中，在判断起弧是否完成的过程中，焊接电压方差自学习的方法，包括如下步骤：

步骤11、计算起始电压方差阈值

在自动焊接起弧阶段，按照公式(1)，计算起弧电压方差阈值

公式(1)中，

为起弧电压方差阈值；U_set为焊接电压设定值；I_set为焊接电流设定值；K_u为设定电压阈值修订系数，通过实验数据曲线拟合而成；K_I为设定电流阈值修订系数，单位为V²/I，通过实验数据曲线拟合而成；K为电压方差偏差，待修正；未修正时，令K＝K₀，则

其中，K₀为初始设定电压偏差，

为初始设定焊接电压方差。

步骤12、计算当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²：在自动焊接起弧阶段，且在设定的当前测量周期T内，按照设定时间间隔t，采集一次实时焊接电压，共得到n个实时焊接电压，其中n＝T/t；对n个实时焊接电压，求取方差，得到当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²。

步骤13、判断起弧是否完成：在自动焊接起弧阶段，将步骤12计算的实时起弧电压方差σ²与步骤11计算的起始电压方差阈值

进行比较，以及实时检测焊接小车的手动/自动切换信号以及自动焊接启停信号，并按照如下方法进行判断：

步骤13A、当

且未检测到自动焊接停止信号时，则判断起弧完成，且起始电压方差阈值

设置合理，直接跳转至步骤2。

步骤13B、当

且检测到切换至手动减速或焊接停止信号时，则判断为起弧未完成；此时，起始电压方差阈值

设置偏小，令

并跳转至步骤14，进行电压偏差的修正。

步骤13C、当

且检测到焊接小车切换到手动加速信号时，则判断为起弧已完成，且起始电压方差阈值

设置偏大，令

并跳转至步骤14，进行电压偏差的修正。

步骤13D、当

且未检测到焊接小车的手动/自动切换信号时，则判断为起弧未完成；此时，起始电压方差阈值

设置合理。

步骤14、电压偏差修正：采用如下公式(2)，对公式(1)中的电压偏差K进行修正，得到修正后的电压偏差K′；

K′＝σ²+K_uU_set ²+K_II_set (2)

公式(2)中，σ²为当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²。

步骤15、在下次自动焊接时，利用步骤14得到的修正后电压偏差K′，进行自动焊接起弧阶段的起始电压方差阈值的计算。

步骤11和步骤14中，K_u取值为-0.0285，K_I取值为-0.015V²/I。

步骤21中，在当前时刻，建立焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数，如下所示：

其中，

I_aim＝K_IaI_set+K_UaU_set+K_lal+I_aim0 (4)

公式(3)至(4)中，v为求出的焊接小车行走速度；v₀为初始速度；a为结合小车驱动能力和自重计算出的加速度常系数，单位为m/s²；I为上一个测量周期实时采集并计算的焊接电流平均值；I_aim为等效目标电流；T为测量周期时长；K_a1为电流-加速度修正系数，单位为m·s^-2·I^-1；K_Ia为等效电流修正系数；K_Ua为等效电压修正系数，单位为A/V；K_la为等效干身长修正系数，单位为A/mm；I_set为焊接电流设定值；U_set为焊接电压设定值；l为设定干身长，单位为mm；I_aim0为等效电流修正值，单位为A；a、K_a1、K_Ia、K_Ua、K_la和I_aim0均采用实验数据拟合获得。

步骤21中，K_a1为0.25m·s^-2·I^-1；a为1.43m/s²，K_Ia为1.029，K_Ua为1.589A/V，K_la为-2.414A/mm，I_aim0为33.995A。

一种垂直气电立焊控制系统，包括焊接电源模块、ARM单片机、两路电机驱动电路、电机脉冲反馈电路、焊接开始/结束控制电路、焊接电源控制电路、数字显示电路、焊接电压/电流反馈电路、手/自速度控制电路；电机脉冲反馈电路、焊接电压/电流反馈电路、手/自速度控制电路、冷却液检测模块的输出端分别与ARM单片机的输入端相连；

焊接电源控制电路、两路电机驱动电路、焊接开始/结束控制电路、数字显示电路分别于ARM单片机的输出端相连。

焊接电源模块的输入端分别与焊接电源控制电路、焊接开始/结束控制电路的输出端相连。

还包括冷却液检测模块，冷却液检测模块的输出端与ARM单片机的其中一个输入端相连，用于对焊接过程中的冷却液流量进行实时监控。

还包括与ARM单片机其中一个输出端相连的摆动正反面停留及延时电路。

本发明具有如下有益效果：

1、解决了起弧阶段的行走判断问题，传统气电立焊设备对起弧和焊接不进行区分，而起弧阶段电流电压不稳定，经常出现自动控制起弧判断失败，人工干预次数多的情况，进而导致了返工次数多，人员培养难度大等问题。使用本发明所述的判断方法，通过自学习的手段，不断接近使用场景的起弧情况，适应了焊缝、焊材、焊接电源的变化。保证了起弧阶段焊接质量，减少了返工，一定程度上替代了焊接人员对焊接状态变化的培训。

2、在自动焊接跟踪阶段，通过设定的焊接参数，利用逆变焊接电源的输出特性、数字化控制方法和变速送丝机构，使得电弧长度控制更稳定，响应速度达到0.1s。

在气电立焊过程中，焊缝坡口大小、间隙宽窄、熔池情况都会导致焊接成形速度的变化，而小车的爬行速度和焊缝成形速度改变了弧长，从而使焊接实时电流、焊接实时电压的大小发生改变，影响焊接质量。故控制小车爬行速度与焊缝成形速度按一定规则相匹配，是气电立焊自动焊接控制的关键。

在传统的气电立焊控制系统中，没有将焊接设定参数、焊接实时参数等焊接参数结合起来控制小车爬行速度，使爬行速度控制目标不正确，响应不精确，进而导致弧长不稳定，焊缝成形质量较差。本发明使用的控制方法，结合焊接设定电流电压、设定干身长和焊接实时电流，系统性的完整提出了控制弧长稳定的爬升速度控制相关公式和方法，保证了焊接过程中电弧稳定燃烧，焊接成型质量更好。本发明提出了等效目标电流的相关公式作为表征弧长的方法，通过控制小车爬行速度使焊接实时电流与等效目标电流相近，进而使弧长稳定。

3、焊接全过程均对冷却液流量进行实时监控，一旦冷却液不足立刻报警，保证焊接质量，解决了目前设备冷却液不足很难察觉，导致焊缝返工的情况。

4、选用数字IGBT逆变式焊接电源，效率高，耗电少，体积小，能实现理想的焊接过程控制，获得优于晶闸管焊机的焊接效果。

附图说明

图1是本发明一种垂直气电立焊控制系统的电路框图。

图2是本发明一种垂直气电立焊控制系统的电路图

图3是本发明中焊接电压/电流反馈电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种垂直气电立焊控制系统，包括焊接电源模块2-1、ARM单片机、两路电机驱动电路1-2、电机脉冲反馈电路1-3、摆动正反面停留及延时电路1-4、焊接开始/结束控制电路1-5、焊接电源控制电路1-1、数字显示电路1-6、焊接电压/电流反馈电路1-7、手/自速度控制电路1-8和冷却液检测模块1-9。

上述ARM单片机的型号优选为TLV5617AID或STM32F407等，但也可以为其他型号。

上述两路电机驱动电路1-2优选使用如图2所示的DA电路，选用模拟量控制速度的电机，通过TLV5617AID1-2-1的OUTA1-2-2引脚输出指定电压控制行走电机，OUTB1-2-3引脚控制摆动电机。

上述摆动正反面停留及延时电路1-4通过在摆动器上安装微动开关，焊枪运动到位后，通过微动开关发送信号至ARM单片机，单片机根据用户设定进行摆动电机的延时。

上述焊接电压/电流反馈电路1-7使用如图3所示的AD电路，通过将模拟信号接入CS55321-7-1的引脚AIN1+1-7-2、AIN1-1-7-3、AIN2+1-7-4、AIN2-1-7-5采集分流器上的电压求出焊接电流，通过采集焊接电源上的电压传感器的信号得出焊接电压，并将模拟信号转换为数字信号供ARM单片机分析使用。

其中，冷却液检测模块1-9使用带数显的流量开关，当焊接冷却液流量不足时，会输出NPN信号，ARM单片机收到信号后，会产生报警，并停止焊接。

一种垂直气电立焊控制方法，包括如下步骤。

步骤1、判断起弧是否完成：在自动焊接起弧阶段，采用焊接电压方差自学习的方法，判断起弧是否完成。

上述采用焊接电压方差自学习的方法，优选包括如下步骤。

步骤11、计算起始电压方差阈值

在自动焊接起弧阶段，按照公式(1)，计算起弧电压方差阈值

公式(1)中，

为起弧电压方差阈值；U_set为焊接电压设定值；I_set为焊接电流设定值；K_u为设定电压阈值修订系数，通过实验数据曲线拟合而成，优选取值为-0.0285；K_I为设定电流阈值修订系数，单位为V²/I，通过实验数据曲线拟合而成，优选取值为-0.015V²/I；K为电压方差偏差，待修正；未修正时，令K＝K₀，则

其中，K₀为初始设定电压偏差，

为初始设定焊接电压方差。

步骤12、计算当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²：在自动焊接起弧阶段，且在设定的当前测量周期T内，按照设定时间间隔t，采集一次实时焊接电压，共得到n个实时焊接电压，其中n＝T/t；对n个实时焊接电压，求取方差，得到当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²。本实施例中，优选T取2s，t取50ms，则n＝20。

步骤13、判断起弧是否完成：在自动焊接起弧阶段，将步骤12计算的实时起弧电压方差σ²与步骤11计算的起始电压方差阈值

进行比较，以及实时检测焊接小车的手动/自动切换信号以及自动焊接启停信号，并按照如下方法进行判断：

步骤13A、当

且未检测到自动焊接停止信号时，则判断起弧完成，且起始电压方差阈值

设置合理，直接跳转至步骤2。

步骤13B、当

且检测到切换至手动减速或焊接停止信号时，则判断为起弧未完成；此时，起始电压方差阈值

设置偏小，令

并跳转至步骤14，进行电压偏差的修正。

步骤13C、当

且检测到焊接小车切换到手动加速信号时，则判断为起弧已完成，且起始电压方差阈值

设置偏大，令

并跳转至步骤14，进行电压偏差的修正。

步骤13D、当

且未检测到焊接小车的手动/自动切换信号时，则判断为起弧未完成；此时，起始电压方差阈值

设置合理。

步骤14、电压偏差修正：采用如下公式(2)，对公式(1)中的电压偏差K进行修正，得到修正后的电压偏差K′；

K′＝σ²+K_uU_set ²+K_II_set (2)

公式(2)中，σ²为当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²；K_u为设定电压阈值修订系数，通过实验数据曲线拟合而成，优选取值为-0.0285；K_I为设定电流阈值修订系数，单位为V²/I，通过实验数据曲线拟合而成，优选取值为-0.015V²/I。

步骤15、在下次自动焊接时，利用步骤14得到的修正后电压偏差K′，进行自动焊接起弧阶段的起始电压方差阈值的计算。

步骤2、立焊，包括如下步骤：

步骤21中，在当前时刻，建立焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数，如下所示：

其中，

I_aim＝K_IaI_set+K_UaU_set+K_lal+I_aim0 (4)

公式(3)至(4)中，v为求出的焊接小车行走速度；v₀为初始速度；a为结合小车驱动能力和自重计算出的加速度常系数，单位为m/s²；I为上一个测量周期实时采集并计算的焊接电流平均值；I_aim为等效目标电流；T为测量周期时长；K_a1为电流-加速度修正系数，单位为m·s^-2·I^-1；K_Ia为等效电流修正系数；K_Ua为等效电压修正系数，单位为A/V；K_la为等效干身长修正系数，单位为A/mm；I_set为焊接电流设定值；U_set为焊接电压设定值；l为设定干身长，单位为mm；I_aim0为等效电流修正值，单位为A；a、K_a1、K_Ia、K_Ua、K_la和I_aim0均采用实验数据拟合获得，优选取值分别为：K_a1为0.25m·s^-2·I^-1；a为1.43m/s²，K_Ia为1.029，K_Ua为1.589A/V，K_la为-2.414A/mm，I_aim0为33.995A。

步骤22、当步骤1判断为起弧完成后，焊接小车向上爬升。

步骤23、采集并计算焊接电流平均值：实时采集当前测量周期T内的焊接电流，并计算当前测量周期T内焊接电流的平均值。本实施例中，优选T＝2s，焊接电流采集时间间隔优选为50ms，但也可以为其他时间间隔。

步骤24、计算行走速度：根据步骤21建立的焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数，以及步骤23计算的焊接电流平均值，实时计算出焊接小车的行走速度。

行走速度判断的时机，优选选择在每个测量周期的结束时刻以及新一个测量周期的开始时刻，如上一个测量周期为8-10s，则优选在10s时进行行走速度的判断。

步骤25，焊接小车行走速度调整：焊接小车根据步骤24计算的行走速度向上爬升，使得焊接电流与目标等效电流保持一致，进而使得焊接阶段的电弧弧长保持稳定。

步骤26，重复步骤23至步骤25，直至当前焊缝焊接结束。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种垂直气电立焊控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、判断起弧是否完成：在自动焊接起弧阶段，采用焊接电压方差自学习的方法，判断起弧是否完成；

步骤2、立焊，包括如下步骤：

步骤21、建立焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数；

步骤22、当步骤1判断为起弧完成后，焊接小车向上爬升；

步骤23、采集并计算焊接电流平均值：实时采集当前测量周期T内的焊接电流，并计算当前测量周期T内焊接电流的平均值；

步骤24、计算行走速度：根据步骤21建立的焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数，以及步骤23计算的焊接电流平均值，实时计算出焊接小车的行走速度；

步骤25，焊接小车行走速度调整：焊接小车根据步骤24计算的行走速度向上爬升，使得焊接电流与目标等效电流保持一致，进而使得焊接阶段的电弧弧长保持稳定；

步骤26，重复步骤23至步骤25，直至当前焊缝焊接结束。

2.根据权利要求1所述的一种垂直气电立焊控制方法，其特征在于：步骤1中，在判断起弧是否完成的过程中，焊接电压方差自学习的方法，包括如下步骤：

步骤11、计算起始电压方差阈值

在自动焊接起弧阶段，按照公式(1)，计算起弧电压方差阈值

公式(1)中，

为起弧电压方差阈值；U_set为焊接电压设定值；I_set为焊接电流设定值；K_u为设定电压阈值修订系数，通过实验数据曲线拟合而成；K_I为设定电流阈值修订系数，单位为V²/I，通过实验数据曲线拟合而成；K为电压方差偏差，待修正；未修正时，令K＝K₀，则

其中，K₀为初始设定电压偏差，

为初始设定焊接电压方差；

步骤12、计算当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²：在自动焊接起弧阶段，且在设定的当前测量周期T内，按照设定时间间隔t，采集一次实时焊接电压，共得到n个实时焊接电压，其中n＝T/t；对n个实时焊接电压，求取方差，得到当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²；

步骤13、判断起弧是否完成：在自动焊接起弧阶段，将步骤12计算的实时起弧电压方差σ²与步骤11计算的起始电压方差阈值

进行比较，以及实时检测焊接小车的手动/自动切换信号以及自动焊接启停信号，并按照如下方法进行判断：

步骤13A、当

且未检测到自动焊接停止信号时，则判断起弧完成，且起始电压方差阈值

设置合理，直接跳转至步骤2；

步骤13B、当

且检测到切换至手动减速或焊接停止信号时，则判断为起弧未完成；此时，起始电压方差阈值

设置偏小，令

并跳转至步骤14，进行电压偏差的修正；

步骤13C、当

且检测到焊接小车切换到手动加速信号时，则判断为起弧已完成，且起始电压方差阈值

设置偏大，令

并跳转至步骤14，进行电压偏差的修正；

步骤13D、当

且未检测到焊接小车的手动/自动切换信号时，则判断为起弧未完成；此时，起始电压方差阈值

设置合理；

步骤14、电压偏差修正：采用如下公式(2)，对公式(1)中的电压偏差K进行修正，得到修正后的电压偏差K′；

K′＝σ²+K_uU_set ²+K_II_set (2)

公式(2)中，σ²为当前测量周期T内的实时起弧电压方差σ²；

步骤15、在下次自动焊接时，利用步骤14得到的修正后电压偏差K′，进行自动焊接起弧阶段的起始电压方差阈值的计算。

3.根据权利要求2所述的一种垂直气电立焊控制方法，其特征在于：步骤11和步骤14中，K_u取值为-0.0285，K_I取值为-0.015V²/I。

4.根据权利要求1所述的一种垂直气电立焊控制方法，其特征在于：步骤21中，在当前时刻，建立焊接小车行走速度与焊接电流的对应函数，如下所示：

其中，

I_aim＝K_IaI_set+K_UaU_set+K_lal+I_aim0 (4)

公式(3)至(4)中，v为求出的焊接小车行走速度；v₀为初始速度；a为结合小车驱动能力和自重计算出的加速度常系数，单位为m/s²；I为上一个测量周期实时采集并计算的焊接电流平均值；I_aim为等效目标电流；T为测量周期时长；K_a1为电流-加速度修正系数，单位为m·s^-2·I^-1；K_Ia为等效电流修正系数；K_Ua为等效电压修正系数，单位为A/V；K_la为等效干身长修正系数，单位为A/mm；I_set为焊接电流设定值；U_set为焊接电压设定值；l为设定干身长，单位为mm；I_aim0为等效电流修正值，单位为A；a、K_a1、K_Ia、K_Ua、K_la和I_aim0均采用实验数据拟合获得。

5.根据权利要求4所述的一种垂直气电立焊控制方法，其特征在于：步骤21中，K_a1为0.25m·s^-2·I^-1；a为1.43m/s²，K_Ia为1.029，K_Ua为1.589A/V，K_la为-2.414A/mm，I_aim0为33.995A。

6.一种垂直气电立焊控制系统，其特征在于：包括焊接电源模块、ARM单片机、两路电机驱动电路、电机脉冲反馈电路、焊接开始/结束控制电路、焊接电源控制电路、数字显示电路、焊接电压/电流反馈电路、手/自速度控制电路；电机脉冲反馈电路、焊接电压/电流反馈电路、手/自速度控制电路、冷却液检测模块的输出端分别与ARM单片机的输入端相连；

焊接电源控制电路、两路电机驱动电路、焊接开始/结束控制电路、数字显示电路分别于ARM单片机的输出端相连；

焊接电源模块的输入端分别与焊接电源控制电路、焊接开始/结束控制电路的输出端相连。

7.根据权利要求6所述的垂直气电立焊控制系统，其特征在于：还包括冷却液检测模块，冷却液检测模块的输出端与ARM单片机的其中一个输入端相连，用于对焊接过程中的冷却液流量进行实时监控。

8.根据权利要求6所述的垂直气电立焊控制系统，其特征在于：还包括与ARM单片机其中一个输出端相连的摆动正反面停留及延时电路。

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