第4章自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、第4章 電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ) 4.1 4.1 電弧焊的程序自動(dòng)控制電弧焊的程序自動(dòng)控制 電弧焊程序自動(dòng)控制電弧焊程序自動(dòng)控制: : 是以合理的次序使自動(dòng)電弧焊設(shè)備的各 個(gè)部件進(jìn)人特定的工作狀態(tài)，從而使電弧 焊設(shè)備的各環(huán)節(jié)能夠協(xié)調(diào)的工作。 要做到這一點(diǎn)，必須明確明確程序自動(dòng)控制的 對(duì)象和基本要求，了解了解程序自動(dòng)控制的轉(zhuǎn) 換方法以及電弧焊各個(gè)基本環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)方 法。 1. 控制對(duì)象控制對(duì)象 電弧焊程序自動(dòng)控制的對(duì)象就是自動(dòng)電弧焊設(shè)備 中即將投入工作的各個(gè)部件的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 主要有： 1)提供焊接能量的焊接電源。 2)焊車行走或焊件移動(dòng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)。 3)送絲電動(dòng)機(jī)。 4)控制保護(hù)氣或離子氣的電磁氣閥。

2、 5)引弧用的高頻發(fā)生器或高壓脈沖發(fā)生器。 6)焊件定位或夾緊用的控制閥，以及焊劑回收裝 置等。 2基本要求基本要求 不同的電弧焊方法和不同的工作條件對(duì)程序自動(dòng)控 制有不同的要求， 基本要求基本要求： (1)(1)按照要求提前送氣或滯后停氣按照要求提前送氣或滯后停氣 。 (2)(2)可靠地一次引燃電弧可靠地一次引燃電弧 (3)(3)順利地熄弧收焊順利地熄弧收焊 (4)(4)對(duì)受控對(duì)象的特征參數(shù)進(jìn)行程序自動(dòng)控制對(duì)受控對(duì)象的特征參數(shù)進(jìn)行程序自動(dòng)控制 特征參數(shù)主要有電弧電壓、焊接電流、送絲速度、 焊接速度、保護(hù)氣流、離子氣流、高頻引弧電壓等。 要使這些特征參數(shù)按照預(yù)定的要求，以一定的次序 進(jìn)入工作狀

3、態(tài)或退出工作狀態(tài)。 4.1.2 電弧焊程序控制的轉(zhuǎn)換方式和方法電弧焊程序控制的轉(zhuǎn)換方式和方法 1 1程序自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換方式程序自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換方式 除了需人工操作指令(如啟動(dòng)、停止、急停)以 外，電弧焊的程序轉(zhuǎn)換都應(yīng)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)。 轉(zhuǎn)換方式有以下三種：轉(zhuǎn)換方式有以下三種： (1)(1)行程轉(zhuǎn)換行程轉(zhuǎn)換 即按預(yù)定的空間距離進(jìn)行程序轉(zhuǎn)換。 環(huán)縫焊焊接參數(shù)的分段轉(zhuǎn)換、環(huán)縫焊到終點(diǎn)時(shí)自 動(dòng)停止、焊槍自動(dòng)返回等。常用行程開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (2)(2)時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換 即按預(yù)定的時(shí)間間隔進(jìn)行程序轉(zhuǎn)換。 保護(hù)氣提前給送和滯后停止、焊絲返燒熄弧等可 以使用延時(shí)繼電器或延時(shí)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。 (3)(3)條件轉(zhuǎn)換條件轉(zhuǎn)換 即

4、以系統(tǒng)達(dá)到某種特定狀態(tài)(如電弧 引燃、熄滅、焊槍達(dá)到某個(gè)位置等)為條件所進(jìn)行 的程序轉(zhuǎn)換。 (1)(1)繼電器程序控制繼電器程序控制 其由按鈕、開關(guān)、繼電器、接觸器和電磁氣閥 等器件按一定邏輯條件組合而成，是電弧焊設(shè)備 常用的方法。基本邏輯組合有“或”、“與”、 “非”三種，復(fù)雜一些的程序控制系統(tǒng)可以由它 們復(fù)合而成。其中，邏輯“或”組合實(shí)例如圖4 2a 4.2 電弧焊自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電弧焊自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 焊接參數(shù)焊接參數(shù)是焊接時(shí)為保證焊接質(zhì)量而選定的各項(xiàng) 參數(shù)的總稱。 最重要的參數(shù): 焊接電流、電弧電壓和焊接速度。 這些參數(shù)在焊接過(guò)程中能否始終保持恒定，不僅 影響到焊絲熔化和熔滴過(guò)渡、母材熔化和焊

5、縫形 成等過(guò)程，而且影響到焊縫的最終質(zhì)量，包括焊 縫成形、焊縫的組織和性能，以及有無(wú)缺陷等。 保持電弧焊參數(shù)恒定是電弧焊自動(dòng)控制的重要內(nèi) 容 一、電弧自動(dòng)焊調(diào)節(jié)的概念一、電弧自動(dòng)焊調(diào)節(jié)的概念 自動(dòng)焊：電弧焊過(guò)程包括.引燃電弧、焊接、收尾、三個(gè) 階段.如果借助于機(jī)械和電氣的方法，使上述三個(gè)階段自 動(dòng)實(shí)現(xiàn)，則為埋弧自動(dòng)焊。 1. 自動(dòng)調(diào)節(jié)的必要性自動(dòng)調(diào)節(jié)的必要性 電弧焊工藝參數(shù) 、I、V、要獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫， 主要取決于此參數(shù)，在主要的焊接工藝參數(shù)中，I、U，在 外界干擾下會(huì)發(fā)生大的變化。 、 要求波動(dòng)不超過(guò)2550A。 、 要求波動(dòng)不超過(guò)2v。 否則會(huì)影響成形和質(zhì)量 手工電弧焊手工電弧焊：手手電弧

6、電弧眼眼腦腦手手 觀測(cè)觀測(cè) 比較比較 調(diào)整運(yùn)條動(dòng)作調(diào)整運(yùn)條動(dòng)作 埋弧焊：埋弧焊： 機(jī)械代替手工機(jī)械代替手工 自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)取代人工調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)取代人工調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 (1) 使電弧靜特性曲線發(fā)生變化的因素使電弧靜特性曲線發(fā)生變化的因素 弧長(zhǎng)LL1工作點(diǎn)OO1曲線由弧長(zhǎng)、弧柱、 氣體成分決定的。 弧長(zhǎng)：工件表面不平，坡口不規(guī)則， 表面質(zhì)量不好，送 不均勻等。 弧柱氣體成份：成份不同， 弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度不同，導(dǎo)致曲線變化。 (電離電位波動(dòng)引起) (2) 電源外特性發(fā)生變化因素電源外特性發(fā)生變化因素. 曲線由12變化， 工作點(diǎn)O1O2 主要是:供電網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載突變.使網(wǎng)壓突變. 3、電弧長(zhǎng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)

7、方法：、電弧長(zhǎng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)方法： 正常狀態(tài)正常狀態(tài):送送 =熔熔 . 平衡平衡.L弧弧不變不變. 當(dāng)當(dāng)送送 熔熔 . L減小焊絲插入熔池熄弧減小焊絲插入熔池熄弧 當(dāng)當(dāng)送送 使熔 送 .L不變.(L)與(H)穩(wěn)定 (2)自動(dòng)調(diào)節(jié)送 二二. 等速送絲埋弧自動(dòng)焊調(diào)節(jié)系統(tǒng)等速送絲埋弧自動(dòng)焊調(diào)節(jié)系統(tǒng) 原理原理: 選定一個(gè)選定一個(gè)送送 ，當(dāng)變化，依靠電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，當(dāng)變化，依靠電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)作用 來(lái)改變來(lái)改變?nèi)廴?來(lái)保證來(lái)保證 熔 送 ，恢復(fù)穩(wěn)定性。. 當(dāng)L增大熔 ，當(dāng)L熔 ，保證L不變。 下面討論等速送絲式熔化極電弧焊過(guò)程的工作特性. 1.等熔化曲線等熔化曲線.(主要決定熔 ) 影響熔 的因素. (H)

8、：(H)熔 (H)：(H)熔 (熔化焊劑量熔化焊絲量) 所以：KIKV 焊絲熔化速度 ：熔 隨變化的系數(shù)，取決于電阻率D絲， 伸及大 ?。?s.A) ：熔 隨變化的系數(shù),取決于電位梯度.弧大小 （cm/s.v）。 當(dāng)送 一定時(shí)，弧長(zhǎng)穩(wěn) 定燃燒時(shí)： 送送 熔熔 U 送送 .U 在一給定送 條件下，(H)和H之間關(guān)系，通過(guò)公式 可做出曲線如圖： 等熔化曲線或自動(dòng)調(diào)節(jié)靜特性曲線。 曲線上的各點(diǎn)，曲線上的各點(diǎn)， 送送 熔熔 曲線上的左面，曲線上的左面，送送 熔熔 曲線上的右面，曲線上的右面， V送送 U1。 所以所以V熔熔2 1,電機(jī)電機(jī)D有穩(wěn)定的送有穩(wěn)定的送 ： 送送 （）。（）。 送絲電機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)

9、速與送送絲電機(jī)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)速與送 成正比成正比 所以所以，a，f，得到恢復(fù)。，得到恢復(fù)。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)需另外繼電器轉(zhuǎn)換電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)需另外繼電器轉(zhuǎn)換.所以回抽所以回抽 引不可靠。引不可靠。 2.2.電弧電壓反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)的靜態(tài)特性電弧電壓反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)的靜態(tài)特性： 電壓反饋系統(tǒng)曲線：電壓反饋系統(tǒng)曲線： 穩(wěn)定工作狀態(tài)：穩(wěn)定工作狀態(tài)：f=m f（UaUg），）， miaua f送絲速度，送絲速度，m熔化速度。熔化速度。 聯(lián)立后：聯(lián)立后： 可看成直線方程，可看成直線方程，I和控制量的關(guān)系?？汕蠛涂刂屏康年P(guān)系?？汕?出出： i ga uu KK UUI KKKK a Og u K UUU KK 給 ai

10、 au UK tg IKK a=0時(shí)， （u 是截距） 1) 直線為截距直線為截距 UO其斜率為其斜率為tg的直線。的直線。 2) 當(dāng)當(dāng)k足夠大時(shí)足夠大時(shí).tgo 平行于橫坐標(biāo)軸的直線。平行于橫坐標(biāo)軸的直線。 3) 給定電壓給定電壓Ug增大，曲線平行上移增大，曲線平行上移,Ug減小曲線減小曲線 平行下移。平行下移。 4) D絲絲 減小減小L伸伸時(shí)，時(shí)，Ki，tg，曲線斜率，曲線斜率。 （D絲絲 ）。）。 5) 焊絲材質(zhì)不同，焊絲材質(zhì)不同， 其電阻率不同，其電阻率不同， 曲線斜率也不同。曲線斜率也不同。 3.電弧電壓反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程電弧電壓反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程： 如圖：電弧在O點(diǎn)燃燒VfVm。 若：

11、L。到L1， 此時(shí)V0減小到1， 燃燒點(diǎn)。1，由于Vl到L1，由于VL 使 （VaVg）值，所以Vf（V送 ）。 還可看出：V熔 在兩種調(diào)節(jié)作用下電弧便逐漸 拉長(zhǎng)恢 復(fù)原長(zhǎng)。所以，這種調(diào)節(jié)過(guò)程中，兩種調(diào) 節(jié)系統(tǒng)都存在。 但反 饋調(diào)節(jié)為主，自身調(diào)節(jié)處于 次要地位。 4. 電弧電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的靈敏度電弧電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的靈敏度 用于3mm以上粗焊絲，減小，調(diào)節(jié)靈敏度，取決于放 大系數(shù)和電壓的變化量，fKVa，K，靈敏度， K過(guò)大電機(jī)慣性，系統(tǒng)會(huì)振蕩。可采用機(jī)械慣性 小的電動(dòng) 機(jī)，Va，靈敏度。 5. 反饋調(diào)節(jié)的精度反饋調(diào)節(jié)的精度： 1) 弧長(zhǎng)波動(dòng)影響，也會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差：主要是導(dǎo)電阻到焊 件距離變化， 調(diào)

12、節(jié)后也會(huì)產(chǎn)生靜 態(tài)誤差，但很小，可 忽略。 2) 網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)的影響如圖：網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)的影響如圖： 誤差大小決定網(wǎng)絡(luò)電壓的變化大小， 還決定于值： tgKi/（KKu)i/。 當(dāng)值增大電流誤差小， 所以變速送絲埋弧焊宜采用陡降的外特性。 6. 變速送絲，變速送絲，U調(diào)節(jié)方法調(diào)節(jié)方法： 采用陡降電源： 調(diào)節(jié)特性曲線接近水平軸的直線，調(diào)節(jié) 送絲V。 給定電壓就是調(diào)U，外特性是調(diào)。所以圖為調(diào) 節(jié) 范圍： 如果細(xì)焊絲mm，則斜率增大，曲線向上 傾斜，調(diào)節(jié)范圍減小，減小，電弧不穩(wěn)，所以， 變速送絲反饋調(diào)節(jié)不適于細(xì)絲焊。 自動(dòng)調(diào)節(jié)與自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)作用特點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合見 表86： 小結(jié)：小結(jié)： 43弧焊機(jī)器人概

13、述 弧焊機(jī)器人是從事焊接(包括切割與噴涂) 的工業(yè)機(jī)器人。 根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)下的定義，工業(yè) 機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自 動(dòng)控制操作機(jī)，它具有三個(gè)或更多可編程 的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。 焊接機(jī)器人突破了傳統(tǒng)的焊接剛性自動(dòng)化， 開始了一種柔性自動(dòng)化的新方式，因此被 認(rèn)為是具有焊接自動(dòng)化革命性的進(jìn)步。 弧焊機(jī)器人在生產(chǎn)中具有以下作用：弧焊機(jī)器人在生產(chǎn)中具有以下作用： 1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。 2)實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化，并可縮短 產(chǎn)品改型換代的周期。 3)改善勞動(dòng)條件。 4)提高焊接生產(chǎn)率。 5)可用在核能設(shè)備、空問(wèn)站建設(shè)、深水焊接 等極限條件下，完成人工難

14、以進(jìn)行的焊接 作業(yè)。 6)為建立柔性焊接生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ)。 2 2弧焊機(jī)器人的特點(diǎn)弧焊機(jī)器人的特點(diǎn) 1) 弧焊機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式是連續(xù)軌跡控 制型，即機(jī)械手總成終端按預(yù)期的軌跡和 速度運(yùn)動(dòng)。 2)由于弧焊過(guò)程比點(diǎn)焊過(guò)程復(fù)雜得多，要 求機(jī)器人終端的運(yùn)動(dòng)軌跡的重復(fù)精度、焊 槍的姿態(tài)、焊接參數(shù)都要有更精確的控制。 為了滿足填絲條件下角焊縫及多焊道的成 形要求，弧焊機(jī)器人還應(yīng)具有終端橫向擺 動(dòng)的功能。 3)弧焊機(jī)器人經(jīng)常工作在焊縫短而多的情 況，需要頻繁地引弧和收弧，因此要求機(jī) 器人具有可靠的引弧和收弧功能。對(duì)于空 間焊縫，為了確保焊接質(zhì)量，還需要機(jī)器 人能實(shí)時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)。 4)電弧焊時(shí)容易發(fā)生粘絲、斷絲等故障， 如不及時(shí)采取措施，將會(huì)損壞機(jī)器人或報(bào) 廢工件，因此要求機(jī)器人必須具有及時(shí)檢 出故障并實(shí)時(shí)自動(dòng)停車、報(bào)警等功能。 復(fù)習(xí)思考題復(fù)習(xí)思考題 1.什么是電弧焊程序自動(dòng)控制?試述其控制對(duì)象和應(yīng)達(dá)到的基 本要求。 2.電弧焊程序控制的轉(zhuǎn)換方式和轉(zhuǎn)換方法有哪些? 3.舉例說(shuō)明實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制、引弧控制和熄弧控