TIG弧长跟踪系统研究

摘要

　　TIG传由于其烟接质量好,辉缝成型美观等优点广泛应用于化工、能源设备、船舶、轨道交通、航空航天等高精尖制造领域。在辉接过程中,电弧长度的变化会导致工件出现未焰合或挥穿现象,为保证烤接质量,需要引入TIG弧长跟踪系统。

　　在查阅弧长控制资料的基础上,分析了　TIG弧长控制存在的问题,现有TIG弧长跟踪系统中存在高频高压的干扰和动态响应速度慢以及成本较高的问题,提出了以单片机为控制核心,设计新型的TIG弧长跟踪系统解决这些问题的方案,并对该方案开展了系统设计与相关试验工作。

　　(1)通过挥接试验,测试了不同挥接工艺下弧压、电流和弧长参数,绘制了弧压、电流和弧长3者关系曲线,分析了三者的关系。

　　(2)利用已应用于市场的TIG挥弧长跟踪器,通过试验测试了其跟踪精度和动态响应速度,并查阅相关文献确定了新系统设计的目标。

　　(3)�塖TC12C5A60S2单片机为控制核心,设计了弧压釆样电路、电流釆样电路、单片机检测与控制小系统和弧长调节电机驱动电路等弧长跟踪控制系统硬件。

　　(4)在硬件设计基础上编制了弧长控制软件,包括弧压、电流和弧压设定值的采集程序,弧长控制算法程序以及PWM控制信号生成程序。

　　在设计制作的基础上,进行了弧长跟踪试验,确定了基于比例+微分调节的弧长控制算法的相关控制参数,通过挥接试验表明:(1)单片机PWM控制信号频率影响直流电机的带载能力、跟踪精度和动态响应速度,带载能力与动态响应速度之间存在矛盾,不可同时提高,经反复调试确定了最佳PWM控制信号频率;(2)采用所设计釆样电路在TIG燥引弧时能有效保护后级电路,在燥机的整个运行过程中,起弧,正常辉接和断弧都能够正常工作;(3)系统能很好的实现TIG伟的弧长跟踪,动态响应度快、调节精度高,且系统成本低、工作性能稳定可靠。

　　关键词:TIG辉;弧长跟踪;弧长控制算法;高频高压;动态响应

Abstract

　　TIG is widely used in chemical industry, energy equipment, marine, rail transportation, aerospace and other high-tech manufacturing field for its advantages of good welding quality and beautiful welding seam. In the process of welding, the change of arc length can lead to welding defects such as the not fusion or penetration phenomenon, in order to ensure the welding quality, there is need to use the TIG arc length tracing system.

　　The paper analyzes the problems in the process of TIG arc length trace control on the foundation of the papers about the arc lengthcontrol. In view of the problems about the slow dynamic response and the high frequency and the high expense and thehighvoltageduring TIG arc length tracing process,the paper designs hardware and software o f arc length tracking system based on SCM,and carry out the relevant tests.

　　(1)The�塸aper analyzes the relationship between the Voltage,arc current and arc length and draw the picture about the curve based on the dates of the welding test.

　　(2)The�塸aper tests the tracking precision anddynamic response speed of the TIG arc tracker which has been applied in the market, and determine the new system design objectives.

　　(3)The�塸aper designs hardware of arc length tracking system based on SCM of STC12C 5A60S2. The hardware includes arc voltage sampling circuit, SCM detection and control sys tern, and drive circuit of arc length control motor.

　　(4)The�塸aper designs software of arc length tracking system based on hardware.The soft: ware includes the the acquisition process of the arc voltage,current and arc voltage of the set , the control algoriihm of the arc length and the generating program of PWM control signal.

　　The paper determines the relevant control parameters ofcontrol algorithm of PD based on thearc length tracing test.The welding experiments show that:(l)The signal frequency about the PWM of the microcontroller duringthe arc length tracing influences the loadcapacity, tracking precision and dynamic response speed of DC motor. The contradiction between the load capacityand dynamic response speedcan not be increased at the same time, then the paper determines the best frequency of the PWM control signalafter lots of tests;(2)The design of sampling circuit in TIG welding arc can effectively protect the circuit during the process of arc length tracing. The system works well during the arcbreaking;(3)The system can be a very good implementation of TIG welding arc length tra eking, and the control system can overcome the influence of high frequency during arc strike ,and the system has the advantages of fast dynamic response, high controlling precision, and stable and reliable working performance.

　　Keywords:TIG welding; arc tracking; control algorithm of the arc length ; high frequency; dynamic response

　　扞接是现在工业制造技术的重要组成部分,而TIG传由于其爆接质量好,辉缝成型美观等优点广泛应用于化工、能源设备、船舶、轨道交通、航空航天等高精尖制造领域。目前,K-TIG　(锁孔TIG焊)的成功应用更是以其煌接生产效率高、质量好、低成本等优点大大扩展了　TIG燥的应用范围。

　　在TIG煌中,挥接电源一般采用陆降外特性,燥接电流的恒定通过电源的特性得到了保障,但伟接接头的质量除与电流有关外,还与爆接弧长有非常重要的关系。在挥接过程中,由于工件表面不平整、工件的特殊外形或者挥枪移动不稳定均有可能改变弧长,致使挥接热量输入及工件表面热量分布发生变化,导致工件出现传接缺陷如未溶合或辉穿现象,如此降低了爆接质量。因此在一些对挥接接头质量要求较髙的场合,如军工、航天、轨道交通、能源设备等,在煌接过程中需要对辉接弧长进行精确控制,而传接弧长在挥接电流、保护气体流量、鹤极直径和尖端锥度一定的条件下,同电弧电压之间有很好的线性关系,因此,弧长的控制往往转化为弧压的检测与控制对于TIG弧长跟踪有几个方面的问题一直是研究人员努力去解决与提高的:引弧时产生的高频高压对弧长控制系统的影响;弧长跟踪的精度和动态响应速度;弧长跟踪系统的成本。为此,针对TIG传的弧长跟踪的这些问题进行了研究工作。

　　Tungsten　Inert　Gas　Welding简称TIG燥,又称非擦化极惰性气体鹤极保护焊,属于气体保护辉。气保辉是以一些特定的气体为保护介质,把辉接高温区与空气隔离,从而实现保护燥接区域的一种电弧煌方法。气体保护燥的优点在于烙池和电弧可见,工作人员操作方便;溶澄几乎没有或培渔的量较少,弹后一般不需要进行清澄。然而气保燥也有自身的缺陷,在户外焊接时一般要有很好的防风措施来保证挥接质量。

　　TIG挥的特点如下:

　　(1)氩气本身不参加反应,又不溶于溶池,气流可以有效隔绝空气,保护可靠,冶金反应简单,可传金属多,易于控制,烟接品质高。

　　(2)小电流烧接时TIG燥的电弧燃烧稳定,烟接的热输入较小,适用于一些其他常规挥接方法不能爆接的薄板或超薄板。择丝的溶化依靠电弧的热量而稳定溶化过渡,基本没有飞溅,挥缝成形好。

　　(3)交流具有阴极雾化作用,适用母材范围广,包括一些活拨金属,适煌位置灵活。

　　(4)鹤电极承载电流能力有限,太大的辉接电流会使鹤电极温度太高而溶化甚至蒸发,培化和蒸发的鹤可能进入到溶池而引起夹鹤,因此TIG得挥接效率比较低,培深浅,溶敷率小。

　　TIG弧长跟踪系统研究：

XPTHC-200弧压高度控制器实物图

弧长调节执行机构

直流引弧电压曲线

交流引弧电压曲线

交流弧压曲线

 目录
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　　第1章 绪论
　　　　1.1 课题研究背景
　　　　1.2 TIG燥接简介
　　　　　　1.2.1 TIG得接原理及特点
　　　　　　1.2.2 TIG燥工艺规范简介
　　　　　　1.2.3 TIG煌的发展
　　　　1.3 弧长跟踪系统研究现状
　　　　　　1.3.1 炼化极电弧辉弧长控制系统研究现状
　　　　　　1.3.2 非培化极电弧燥弧长跟踪系统研究现状
　　　　1.4 本课题的主要研究内容
　　第2章 弧长跟踪系统硬件设计
　　　　2.1 电弧电压-电流-弧长关系测试与分析
　　　　2.2 某市售弧长跟踪器性能测试
　　　　2.3 系统硬件设计
　　　　　　2.3.1 系统总体框架结构
　　　　　　2.3.2 基于单片机的弧压信号采集和处理电路
　　　　2.4 弧长跟踪系统执行机构及驱动电路设计
　　　　　　2.4.1 执行机构设计
　　　　　　2.4.2 电机驱动电路设计
　　　　2.5 供电模块设计
　　第3章 弧长跟踪系统软件设计
　　　　3.1 系统软件工作原理
　　　　3.2 单片机A/D转换
　　　　3.3 弧长控制算法设计
　　　　3.4 PWM控制信号生成
　　　　　　3.4.1 PCA可编程计数阵列
　　　　　　3.4.2 PWM信号生成程序设计
　　第4章 弧长跟踪系统调试与分析
　　　　4.1 高频高压引弧及交流弧压采集试验
　　　　4.2 直流电机频率试验
　　　　4.3 PID控制参数确定
　　结论
　　参考文献
　　攻读硕士期间发表的论文及科研成果

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