CN116441674B - 一种高精度焊接气流控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度焊接气流控制系统，包括气路模块和电路模块；保护气进气气路接入气路模块；所述气路模块包括依次连接的气流传感器和比例阀；比例阀出气口连接至出气气路；所述电路模块包括固定于基座外壳的气流控制电路板；气流传感器通过RS485将气流数据实时传输至LC主板，LC主板向MCU下达预设流速和比例阀开合度指令；此外本发明还提供了配套的控制方法，实时捕捉焊接状态，根据起弧、焊接、熄弧的不同状态提供了精细化的气流控制方法，不仅可以快速控制气路流速，还解决了起弧时的气流过冲或过小的问题，同时提供了熄弧后的气流控制方法，为下次焊接动作提供快速恢复条件。

Description

一种高精度焊接气流控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于智慧焊接技术领域，特别涉及一种高精度焊接气流控制系统及控制方法。

背景技术

气体保护电弧焊是一种广泛应用的熔化焊接方法，具体可细分为非熔化极气体保护电弧焊和熔化极气体保护电弧焊两类。一般情况下保护气既作为焊接保护气体，也作为电弧空间导电介质。

传统焊接企业在焊接作业中，保护气用量占到企业生产成本中较高部分，而一般企业管道供气均设定为定量使用，即根据焊接时的电流匹配对应的保护气流速，以此流速持续不断供应，这样做可以保证气路中保护气起到隔绝空气的效果，但同样会造成很明显的气体浪费现象，尤其是CO2作为保护气时，会排出大量碳排放，为企业造成环保负担。传统对气流速度进行控制的方法是采用人为调整阀门开合度，进而调整气体流速，这样做不够精密，同样存在气流过冲或过小的问题。

发明内容

发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种高精度焊接气流控制系统及控制方法，通过LC主板同时接收气流和电流数据，实时捕捉焊接动作的各个时间段，针对不同动作进行精细化控制，实现焊接时充足供气，非焊接时尽量减少供气，进而大幅度降低企业焊接保护气用气成本。

技术方案：一种高精度焊接气流控制系统，包括设置于基座外壳内的气路模块和电路模块；保护气进气气路接入气路模块；所述气路模块包括依次连接的气流传感器和比例阀；比例阀出气口连接至出气气路；所述电路模块包括固定于基座外壳的气流控制电路板；气流传感器与气流控制电路板上设置的MCU通过RS485总线连接，MCU输出控制信号，直接控制比例阀开合度；

所述气流传感器还通过RS485将气流数据实时传输至LC主板，LC主板分别接收电流传感器和气流传感器传输数据，并向MCU下达预设流速和比例阀开合度指令。

进一步地，所述保护气进气气路通过第一自锁接头接入气路模块；气流传感器和比例阀间设有第二自锁接头；比例阀出口通过第三自锁接头连接至出气气路。

进一步地，所述气流控制电路板通过螺柱固定于基座外壳的内部侧壁，在气流控制电路板和基座外壳间设置有用于给电路板散热的铝块。

进一步地，所述MCU直接输出控制信号，通过D/A转换产生电压控制信号；所述电压控制信号经过电压/电流转换，输出恒定电流作为控制电流，控制比例阀开合度。

一种采用上述高精度焊接气流控制系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1、气流控制电路板通电，MCU读取断电记忆，并下达相应控制指令；所述断电记忆包括LC主板下发的预设流速及实际气路流速达到预设流速时比例阀的开合度；当未读取到断电记忆时，将比例阀全部打开；

步骤S2、LC主板实时接收气流传感器和电流传感器传输数据，实时判断焊接状态，根据焊接状态进行对应气流控制。

进一步地，步骤S2中实时判断焊接状态具体步骤包括：

设置电流滑动窗，大小为x，滑动窗实时接收电流数据，根据滑动窗中电流数值进行焊接状态捕捉；当前x-1个电流值均小于预设阈值th1，且第x个电流值大于等于th1时，代表发生起弧，焊接动作开始；当x个电流值均大于等于th1时，焊接动作持续进行；当滑动窗中出现连续2个电流值均小于th1时，代表发生熄弧，焊接动作结束；当x个电流值均小于th1时，表示处于非焊接状态。

进一步地，当检测到发生起弧动作时，通过气流判断，控制比例阀，防止起弧过程气流过冲或过小；具体地，

捕捉到起弧动作后，寻找第一个气流速度大于预设阈值th2的气流点，该气流点则代表气路根据焊接动作开始，增大气流供应，使其满足焊接所需保护气流速；从该气流点开始1秒内，比例阀不进行调节，从该点起1秒后进入主动控制阶段；

主动控制阶段内，将气路中气体流速调整至平台下发的焊接时的预设流速；采用增量式PID算法，对比例阀进行控制，设定比例阀控制频率，将气体流速控制到预设流速水平。

进一步地，当检测到熄弧动作时，根据预先设置的非焊接流速进行熄弧气流控制；具体地，

焊接动作结束后，当气路中需要保持气体流通时，通过LC主板设置非焊接流速，通过增量式PID算法控制比例阀，使气流速度调整至非焊接状态流速；

当气路中无需保持气体流通时，在捕捉到熄弧动作后，控制比例阀在时间t内不进行控制，由气路端进行气流关闭；

经过时间t后，检测气路中气体流速；当连续3次接收的气体流速值均小于2L/min时，则判定气路已经关闭，此时输入断电记忆时的比例阀开合度，下次焊接动作开启时，直接将比例阀调整至上次焊接时的预设模拟量；否则控制比例阀闭合，直至满足气路关闭判定条件。

本发明采用的技术方案与现有技术方案相比，具有以下有益效果：

（1）本发明提供了一种高精度焊接气流控制系统及控制方法，分别采集电流及气流数据，依据电流数据实时捕捉焊接动作，并针对不用焊接动作下发不同指令，根据不同状态采用不同的控制方法，不仅解决了保护气流速的快速控制问题，同样解决了起弧过程中可能出现的气流过冲或过小的问题。

（2）本发明提供的焊接气流控制系统具备断电记忆功能，无需每次重新配置比例阀，在下次重复焊接时，可以实现上电即可回复上次焊接时的保护气流速。

（3）本发明提供的焊接气流控制系统，可以根据下发的预设流速，通过增量式PID控制算法在短时间内完成气流控制，实际在3-4秒内即可达到预设气流速度。此外，为了起弧时比例阀过度控制，提出了间歇控制的思路，有效解决了气流过冲或过小的问题。

（4）针对焊接动作结束后气路中需要预留保护气的情况，给出了非焊接状态流速的概念，在熄弧后同样持续进行检测并给出相应气流的控制方案，使其能够满足下次焊接时尽快提升至预设流速。

附图说明

图1为本发明提供的焊接气流控制系统结构示意图；

图2为本发明提供的焊接气流控制系统连接方式示意图；

附图标记说明：

1-第一自锁接头；2-气流传感器；3-第二自锁接头；4-比例阀；5-第三自锁接头；6-基座外壳；7-气流控制电路板；8-铝块；9-螺柱。

实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明提供了一种高精度焊接气流控制系统及控制方法，

焊接气流控制系统具体结构如图1所示，主体结构设置于基座外壳6内部，包括气路模块和电路模块。保护气进气气路通过第一自锁接头1接入气路模块。气路模块包括依次连接的气流传感器2、和比例阀4。气流传感器2和比例阀4间还设有第二自锁接头3；比例阀出气口通过第三自锁接头5连接至出气气路。

电路部分主体为气流控制电路板7，通过螺柱9固定于基座外壳6内部侧壁。气流传感器2通过RS485总线传输信号至气流控制电路板7上的MCU中，MCU输出控制信号，通过D/A转换产生0-1V的电压控制信号。电压控制信号经过电压电流转换，输出0-200mA的恒定电流作为控制电流，用于直接控制比例阀4的开合度。此外，本实施例中在气流控制电路板7与基座外壳间还设置有用于给电路板散热的铝块8。

将上述焊接气流控制系统安装于焊接保护气管道处，包括但不限于管道供气、瓶装供气等典型供气场景。如图2所示，安装完毕后，打开供气气路，气流传感器2实时测量保护气体流速，并传输至MCU。此外，气流传感器2还通过RS485总线结构将气流数据传输至LC主板；LC主板同时接收气体流速数据和电流传感器数据，并向MCU下发指令，如预设流速，比例阀开合度等，由MCU给出具体控制信号。比例阀4通过接收转换后的恒定控制电流，在极短时间内实现气流速度控制。下面提供一份详细实施例，具体阐述本发明提供的焊接气流控制方法。

步骤S1、气流控制电路板通电，MCU读取断电记忆；其中断电记忆包括LC主板下发的预设流速和实际气路流速达到预设流速时比例阀的开合度。当断电记忆不存在时，则将比例阀全部打开。

本系统具备断电记忆功能，可以存储平台下发的预设流速及比例阀开合度，无需重复配置，可以在重新上电后迅速恢复上次焊接时的气流控制情况。

步骤S2、LC主板实时接收气流传感器和电流传感器传输数据，MCU根据LC主板下发的预设流速进行控制；具体包括以下步骤：

步骤S2.1、判断当前焊接状态。

设置电流滑动窗，本实施例中设置滑动窗大小为x，根据滑动窗中电流数值进行焊接状态捕捉。具体地，当前x-1个电流值均小于预设阈值th1，且第x个电流值大于等于th1时，代表发生起弧，焊接动作开始；当x个电流值均大于等于th1时，焊接动作持续进行；当滑动窗中出现连续2个电流值均小于th1时，代表发生熄弧，焊接动作结束；当x个电流值均小于th1时，表示处于非焊接状态。

步骤S2.2、发生起弧动作时，通过气流判断，控制比例阀，防止起弧过程中过冲或过小。具体地，

当通过步骤S2.1所述方法捕捉到起弧动作后，寻找第一个气流速度大于预设阈值th2的气流点，该气流点则代表气路根据焊接动作开始，增大气流供应，使其满足焊接所需保护气流速。从该气流点开始1秒内，比例阀不进行调节，从该点起1秒后，默认进入主动控制阶段。

由于气路内保护气流速变化较为缓慢，气体流速需要一定时间方可达到稳定，为了防止未稳定阶段气流过小、而比例阀过度调节导致气流过冲，以及未稳定阶段气流过大、而比例阀过度调节导致气流过小的问题，则需要放空一定时间，由气路自然提速。

主动控制阶段，需要将气路中气体流速调整至平台下发的焊接时的预设流速。采用增量式PID算法，对比例阀进行控制，设定比例阀控制频率，在尽可能短的时间内将气体流速控制到预设流速水平。

步骤S2.3、当通过步骤S2.1所述方法捕捉到熄弧动作后，根据预先设置的非焊接流速进行熄弧气流控制；具体地，

实际焊接过程中，两个相邻焊接动作间可能间隔时间较短，气流并不会完全关闭。因此LC主板会设置非焊接状态流速，在非焊接状态时控制比例阀，使气路输出一个相对较低的气体流速，当下一阶段焊接动作开始时可以在更短时间内提升至焊接预设流速。此时通过增量式PID算法控制比例阀，使其在尽可能短的时间内将气流速度调整至非焊接状态流速。

此外，在捕捉到熄弧动作后，由于保护气关闭，流速下降，可能出现由于阀门过度调节，导致下次通气时气流过冲进而造成浪费。因此在捕捉到熄弧动作后5秒内不进行比例阀控制，气路流速自然下降。

步骤S2.4、当焊接动作全部结束后，气路关闭，此时MCU接着接收气体流速数据，当连续3次接收的气体流速值均小于2L/min时，则判定气路已经关闭，此时输入断电记忆时的比例阀开合度，下次焊接动作开启时，直接将比例阀调整至上次焊接时的预设模拟量。

由于管道内部在气路关闭时仍然存在残留气体，同时管道内部可能存在漏气情况，因此本实施例中设置气体流速值为2L/min，留有部分余量，防止比例阀过度控制。

本发明提供了一种高精度焊接气流控制系统，通过包含气流传感器和电流传感器在内的传感器系统，实时接收焊接电流数据及气流速度数据，并通过MCU下发比例阀控制指令，对气路中的气体流速进行快速控制。针对焊接过程中的不同状态，从起弧到熄弧后可能存在的情况进行精细化控制，不仅解决了比例阀过度调节导致气流过小、过冲的问题，同时在接收预设的气体流速和非焊接流速后，基于PID增量控制算法，使气体流速在短时间内调整至设定值。

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 (4)

1.一种高精度焊接气流控制方法，其特征在于，使用焊接气流控制系统进行控制，所述焊接气流控制系统包括设置于基座外壳内的气路模块和电路模块；保护气进气气路接入气路模块；所述气路模块包括依次连接的气流传感器和比例阀；比例阀出气口连接至出气气路；所述电路模块包括固定于基座外壳的气流控制电路板；气流传感器与气流控制电路板上设置的MCU通过RS485总线连接，MCU输出控制信号，直接控制比例阀开合度；

所述气流传感器还通过RS485将气流数据实时传输至LC主板，LC主板分别接收电流传感器和气流传感器传输数据，并向MCU下达预设流速和比例阀开合度指令；

所述控制方法包括以下步骤：

步骤S1、气流控制电路板通电，MCU读取断电记忆，并下达相应控制指令；所述断电记忆包括LC主板下发的预设流速及实际气路流速达到预设流速时比例阀的开合度；当未读取到断电记忆时，将比例阀全部打开；

步骤S2、LC主板实时接收气流传感器和电流传感器传输数据，实时判断焊接状态，根据焊接状态进行对应气流控制；所述判断焊接状态具体步骤包括：

设置电流滑动窗，大小为x，滑动窗实时接收电流数据，根据滑动窗中电流数值进行焊接状态捕捉；当前x-1个电流值均小于预设阈值th1，且第x个电流值大于等于th1时，代表发生起弧，焊接动作开始；当检测到发生起弧动作时，通过气流判断，控制比例阀，防止起弧过程气流过冲或过小；具体地，

捕捉到起弧动作后，寻找第一个气流速度大于预设阈值th2的气流点，该气流点则代表气路根据焊接动作开始，增大气流供应，使其满足焊接所需保护气流速；从该气流点开始1秒内，比例阀不进行调节，从该点起1秒后进入主动控制阶段；

主动控制阶段内，将气路中气体流速调整至平台下发的焊接时的预设流速；采用增量式PID算法，对比例阀进行控制，设定比例阀控制频率，将气体流速控制到预设流速水平；

当x个电流值均大于等于th1时，焊接动作持续进行；当滑动窗中出现连续2个电流值均小于th1时，代表发生熄弧，焊接动作结束；当检测到熄弧动作时，根据预先设置的非焊接流速进行熄弧气流控制；具体地，

焊接动作结束后，当气路中需要保持气体流通时，通过LC主板设置非焊接流速，通过增量式PID算法控制比例阀，使气流速度调整至非焊接状态流速；

当气路中无需保持气体流通时，在捕捉到熄弧动作后，控制比例阀在时间t内不进行控制，由气路端进行气流关闭；

经过时间t后，检测气路中气体流速；当连续3次接收的气体流速值均小于2L/min时，则判定气路已经关闭，此时输入断电记忆时的比例阀开合度，下次焊接动作开启时，直接将比例阀调整至上次焊接时的预设模拟量；否则控制比例阀闭合，直至满足气路关闭判定条件；

当x个电流值均小于th1时，表示处于非焊接状态。

2.根据权利要求1所述的一种高精度焊接气流控制方法，其特征在于，所述保护气进气气路通过第一自锁接头接入气路模块；气流传感器和比例阀间设有第二自锁接头；比例阀出口通过第三自锁接头连接至出气气路。

3.根据权利要求1所述的一种高精度焊接气流控制方法，其特征在于，所述气流控制电路板通过螺柱固定于基座外壳的内部侧壁，在气流控制电路板和基座外壳间设置有用于给电路板散热的铝块。

4.根据权利要求1所述的一种高精度焊接气流控制方法，其特征在于，所述MCU直接输出控制信号，通过D/A转换产生电压控制信号；所述电压控制信号经过电压/电流转换，输出恒定电流作为控制电流，控制比例阀开合度。