數(shù)字化焊機發(fā)展概述

1、數(shù)字化焊機發(fā)展概述作者：北京工業(yè)大學機電學院 殷樹言 劉嘉21世紀計算機技術發(fā)展迅速，以DSP、MCU應用為特征的數(shù)字產(chǎn)品層出不窮。計算機技術正在向各個層面擴展、滲透，某種程度上已經(jīng)改變了人類的生產(chǎn)、生活、娛樂、消費等方方面面的方式。從大的環(huán)境來看，數(shù)字化焊機的出現(xiàn)和發(fā)展是技術發(fā)展的必然結果。如何看待數(shù)字化焊機，如何迎接數(shù)字化焊機所帶來的機遇和挑戰(zhàn)，我想這些是我們今天應該思考的問題。 數(shù)字化焊機在國外的發(fā)展 單片機控制的焊接設備由來已久，但是數(shù)字化焊機真正的發(fā)展卻是在國外。這不但體現(xiàn)在“數(shù)字化”這一概念的提出，我認為更體現(xiàn)在DSP的應用、更高頻率的逆變器，根本上講是其更完美的工藝性能。 數(shù)字化

2、焊機的生產(chǎn)從開始的幾家廠商，逐步為多數(shù)廠商所追捧，F(xiàn)ronius、Kemppi、EWM、OTC、松下等等。在日趨多樣的數(shù)字化焊機中，盡管外形不盡相同，處理器型號和主電路形式千差萬別，但是卻存在著兩方面共同的特點：DSP的應用和高頻率的逆變器。在國外焊接設備廠商追求高速DSP運算能力和逆變器高頻化的背后，我們不得不思考其真正的目的。與此同時，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)字化焊機在走過其“宣傳期”之后，更加注重對焊接電弧物理、焊接工藝的研究，在改進現(xiàn)有工藝的基礎上，基于數(shù)字化焊機的新型焊接工藝方法研究成績斐然。 很顯然，數(shù)字化焊機與焊接工藝性能并不存在直接的聯(lián)系。 數(shù)字化焊機的優(yōu)越性 經(jīng)過幾年的資料匯總和實際的研究

3、開發(fā)，我們認為數(shù)字化焊機的特點，體現(xiàn)在超強的控制能力和快速的響應性能這兩個方面，正是這兩方面的優(yōu)勢使其具備了更完美地控制焊接工藝過程的潛能。圖1為北京工業(yè)大學研制的數(shù)字化焊機的總體框圖，其它種類的數(shù)字化焊機在細節(jié)上不盡相同，但總體結構雷同。 圖1 數(shù)字化焊機總體框圖（北京工業(yè)大學）應用DSP作為焊接工藝控制的核心處理器，首先其內(nèi)部結構適于高速運算，有可能對焊接工藝過程進行快速的采樣、判斷，并進行實時的控制。其次，在DSP系統(tǒng)中，焊接工藝過程控制是以穩(wěn)定的二進制運算來完成的，不受分立元件的影響，因此，焊機性能穩(wěn)定，一致性好，焊接過程穩(wěn)定。其三，在DSP系統(tǒng)中，焊接工藝過程控制體現(xiàn)在一定的控制軟件

4、和控制算法上，代替了大部分的硬件電路，這樣不但簡化的硬件的設計，同時更使得對焊接工藝過程的控制更加靈活。以往想到的，而又沒有機會和辦法實現(xiàn)的工藝控制想法，在數(shù)字化焊機平臺上都可以進行嘗試，而這種嘗試不再需要長時間的電路設計和調(diào)試，只需要編寫控制程序就可以開展工藝試驗了。 數(shù)字化焊機另一個特點是其快速的響應性能。如果說DSP為數(shù)字化焊機插上了騰飛的翅膀的話，其快速的響應性能就是其飛翔的動力。我們注意到僅僅具備了DSP，數(shù)字化焊機的性能是得不到實質(zhì)性的提高的。提高焊機的動態(tài)響應能力的方法有許多種，控制器上、輸出電抗器上等等，但是根本上講，我們認為還必須在提高逆變頻率上做文章。 圖2為PMIG焊接工

5、藝中電流曲線和熔滴過渡的示意圖。在PMIG焊接工藝中，峰值電流Ip通常較大，高于射流過渡的臨界值，峰值電流時間tp又比較短，23ms不等。峰值電流期間的電弧能量對熔滴過渡起主導作用，因此，為了獲得良好的、穩(wěn)定的工藝效果，必須對Ip和tp嚴格控制。 圖2 PMIG焊接工藝中電流曲線與熔滴過渡圖2僅以PMIG焊接工藝為例說明了控制精度和控制穩(wěn)定性對于焊接工藝的影響。實際上，焊接工藝中需要這種高精度控制的場合很多，隨著生產(chǎn)對焊接工藝要求的提高，數(shù)字化焊機的優(yōu)勢也會更加突出。 數(shù)字化焊機在中國 數(shù)字化焊機已經(jīng)有了幾年的銷售歷史了，目前以國外品牌為主，國內(nèi)也已經(jīng)有幾家廠商可以自主地進行開發(fā)和生產(chǎn)。但是，

6、總體上看數(shù)字化焊機影響力已經(jīng)具備，但還遠遠沒有成為市場的主流。 從國內(nèi)的研究來看，數(shù)字化焊機的研制主要集中在北京工業(yè)大學、上海交通大學、華南理工大學、蘭州理工大學等幾所院校。 從多次技術交流的結果來看，我們認為國內(nèi)數(shù)字化焊機的發(fā)展相當迅速，短短幾年內(nèi)，從無到有，焊機性能和水平不斷提高。但是，產(chǎn)業(yè)化程度普遍偏低，難以形成足夠的影響力。這與研究單位的性質(zhì)有關，一種新產(chǎn)品除了技術層面的因素，產(chǎn)業(yè)化的因素不可忽略。以數(shù)字化焊機的控制軟件開發(fā)為例，其中不但要體現(xiàn)焊接工藝研究的成果，還包含了程序設計、控制策略的選擇和實施、通訊協(xié)議的制定等諸多因素。以有限的財力、人力、物力資源來看，發(fā)展是快速的，但是與市場

7、的變化相比，我們感到壓力巨大。 同時，與國際公司相比，中國企業(yè)自主技術開發(fā)能力較弱，低端焊接設備競爭的結果是利潤極低。走“產(chǎn)學研”聯(lián)合的道路是發(fā)展數(shù)字化焊機的上上之選。但是，與以往的技術進步相比較，數(shù)字化焊機的發(fā)展是一項系統(tǒng)工程，這其中不但涉及到DSP應用、逆變技術，更涉及到焊接工藝的每一個環(huán)節(jié)，如送絲系統(tǒng)、抗干擾措施、焊機的EMC設計、外觀設計、通風設計等等。如何將技術資源整合，不單純是研究單位的任務，更需要有識之士能借助資本的力量加以運作。焊接設備技術高科技化，其研究和制造必然走上高科技發(fā)展之路。高等院校和科研院所要發(fā)揮基礎研究的優(yōu)勢，在DSP應用、焊接電弧物理、焊接工藝理論、電力電子技術等關鍵技術方面加大力度，企業(yè)應在整體設計、制造等方面發(fā)揮長處，把握好市場的脈搏。 展望 數(shù)字化焊機是計算機技術與焊接技術“熔合”的產(chǎn)物，其發(fā)展必然以服務于焊接生產(chǎn)為目的。當前，數(shù)字化焊機比較多地以相對獨立的系統(tǒng)的形式存在，但是自動化焊接生產(chǎn)才是數(shù)字化焊機真正的用武之地。 其發(fā)展前景大體如下： 在機器人焊接系統(tǒng)中集成數(shù)字化焊機，利用其較強的數(shù)字通訊能力，發(fā)揮數(shù)字化焊機穩(wěn)定的、優(yōu)異的焊接工藝性能； 網(wǎng)絡化焊接，將數(shù)字化焊機組成網(wǎng)絡，工藝調(diào)試、質(zhì)量監(jiān)控和管理網(wǎng)絡化； 柔性制造，數(shù)字化焊機將多種工藝集于一身，以其為基礎組成的焊接加工系統(tǒng)具備一定的柔性，可以一定程度上滿足不