数字化脉冲MIG焊技术方案论证课件.ppt

1、数字化脉冲MIG焊技术方案论证MIG（脉冲MIG）焊接工艺与设备问题研讨主要内容oMIG及脉冲MIG焊接方法概述o典型的脉冲MIG控制方法概述o脉冲MIG控制过程分析与方案论证o电源技术分析与方案论证o其它相关技术问题o工作进度讨论2MIG焊方法简述 MIG焊是熔化极气体保护焊（GMAW）的一种。在惰性气体保护作用下，电弧产生在连续送进的可熔化金属焊丝与焊接工件之间。保护气体通常采用惰性气体Ar气或以Ar气为主要成分的混合气体（85%Ar+15%CO2）。3MIG焊过程控制的基本原理o电弧的伏安特性o焊丝的熔化特性o电源的伏安特性o弧长的调节特性送丝速度送丝速度=熔化速度熔化速度4MIG焊基本

2、原理熔滴过渡 焊丝在电弧的加热作用下熔化后以一定的形式过渡到焊接熔池中的过程成为“熔滴过渡”，熔滴过渡方式与焊接规范参数有关。短路电流（A）电压（U）射流短路颗粒颗粒5脉冲MIG的优点 射流过渡是一种理想的熔滴过渡模式，但是需要在较大的电流（大于临界电流）下才能实现，因此限制了应用范围。脉冲MIG利用脉冲电流方式，可以在较低的平均电流（低热输入）实现稳定的射流过渡，因此具有以下优点：1、有利于薄板焊接 2、有利于全位置焊接 3、有利于使用粗丝焊接（粗丝送丝稳定性高）6脉冲MIG的关键技术与难点o脉冲参数与送丝速度的匹配 数字化技术解决的关键问题就是建立一个可以现场调用的数据库，即某一种焊丝（材

3、料、直径），在一定的送丝速度下所对应的脉冲参数组合（峰值电流、基值电流、峰值时间、基值时间）o脉冲模式下的弧长控制 脉冲电流作用下的弧长也是波动的，如何保证弧长稳定，特别是在干伸长波动的条件下保证弧长稳定是脉冲MIG的主要控制难题7脉冲MIG与数字化的关系o脉冲MIG的技术发展依赖于数字化信息处理的发展，而不是仅仅依赖于数字化电源技术o焊接领域中数字化技术应用的主要成就之一就是脉冲MIG的实用化o脉冲MIG的实用化关键是用数字化技术解决了复杂的脉冲参数与送丝速度之间的数据存储与调用（智能式控制）8脉冲MIG的弧长调节方式oI/I控制方式 脉冲的峰值和基值都为电流模式oU/I控制方式 脉冲的峰值

4、为电压模式、基值为电流模式oACUU控制方式 脉冲基值和峰值的初始为电流模式、之后转为电压模式9弧长调节的重要性 熔化极电弧焊接的稳定性核心问题就是弧长的稳定。良好的脉冲焊控制系统应该能够在焊丝干伸长较大幅度变化的条件下实现有效的弧长调节作用。焊丝干伸长变化的实况10I/I控制模式o基于改变恒流源给定的脉冲控制方式传统脉冲控制方式o脉冲峰值的时间是固定的o脉冲基值的时间是根据对一个脉冲周期内的电压信号采样平均值控制o当弧长波动时，脉冲频率将随之波动o由于是基于平均算法控制，所以对导电嘴到工件之间的距离控制的响应速度较低11I/I控制模式典型波形o设定量：Ip，Ib，Tp，Vseto调节量：Tb

5、o控制方式：V/Fo焊丝干伸长较长o焊丝干伸长较短12U/I控制模式o典型代表产品13U/I控制模式的设置菜单o典型代表产品14ACUU控制方式Millers Accu-Pulse Pulsed MIG Technology Tackles Exotic Metals,Provide 15 to 20 Percent Improvement,1 Year Payback 15典型脉冲参数参考-1o1.2mm 4043铝合金焊丝16典型脉冲参数参考-2o1.2mm 5356 铝合金焊丝17铝合金脉冲MIG焊接参数与熔滴过渡的关系o如何实现一脉一滴的熔滴过渡？o一脉一滴是由脉冲参数决定的：(常数)

6、,也就是脉冲峰值电流与脉冲宽度的乘积为常数。ctIpnpn/11/11/n18脉冲参数与弧长的关系19ItIcritImean1144223332143214脉冲MIG焊的熔滴过渡（铝合金）20脉冲MIG焊铝双丝焊I1I2熔滴过渡电流波形21脉冲MIG过程的深入分析o数字化仿真技术o焊接电弧模型化o电源数字化模型oMIG数字化模型22MIG焊系统o系统描述WeldingPowerSourceVAWire FeederWelding ArcWire Feeder23MIG电弧模型o从实际到抽象Lt-wLa+-Contact TipLeWork Piece24MIG焊系统的模型化o从实际到抽象Lc

7、La+-Contact TipLeWork PieceWFSVAUoLoRo25电弧电压的分布oCathode oArc ColumnoAnode UU arc=Ucathode+Uarc column+Uanode26电弧伏安特性的数学描述12aaUkk LUi0RaLa+-Contact TipLeLdWork PieceLt-wVoltAmpLinearizationpiecewise linearityfaaUUR I34/aaewRk Lk LA1234(/)faaewUkk Lk Lk LAI27电弧与电源的关系模型ISRLRUUoooof)1(VoltAmpUps=UaUoIV-

8、A Characteristic of the Arc in GMAW IntersectionUf=k1+k2La+(k3 La+k4Le)IILKLKLKKISRLRUeaaoooo)()1(4321)1()()(4321SRLRLKLKLKKUIoooeaao28焊丝熔化速度模型 Le=Lt-w La WMR=m1UdaI+m2Lek4I 2母材电弧电阻RLLe干伸长接触点导电嘴焊丝焊接电流I电源29电弧弧长模型dtWFSWMRLa)(WMR焊丝熔化速率；WFS 焊丝送丝速度。30MIG焊中个参数之间的基本关系weaafALKLKLKKUI/)(4321awteLLL)(1WFSWMRS

9、La21241(/)/1daewwmWMRmU Im K LA IAT SISRLRUUoooof)1(电弧电压电弧电流焊丝干伸长电弧长度焊丝熔化速率31脉冲MIG过程的控制技术要点o在脉冲电流作用下，焊丝的熔化速度会变化，因此脉冲MIG弧长控制的基本要求保持弧长动态稳定，即弧长La满足：0 La Lt-wo在焊接过程中动态调节焊接电流，动态地满足：WMR=WFSo弧长的控制调节方式32I/I脉冲MIG电压反馈积分电压设定积分33U/I脉冲过程波形34ACCU脉冲过程波形35脉冲MIG过程的控制原理（仿真）o仿真工具：LAbVIEW36U/I 及 ACCU 的优点o脉冲频率固定o脉冲频率固定对

10、于双丝焊的协同控制是必要的，这也是CLOOS在双丝焊接方面技术优势的基础。o弧长控制算法简单，利用了恒压电源的自身调节作用双丝脉冲MIG视频资料37U/I 及 ACCU 脉冲控制的关键技术o对电源的要求：平特性与陡特性的在线快速转换o技术途径：利用电源的复合外特性控制技术 38如何解决电源的CC/CV特性转换o了解电源外特性控制的基本原理o分析现有产品的中实现方法o从外特性变化到脉冲的关系39CC特性的实现o一次电源都是恒压源（CV）o二次电源实现CC采用电流反馈o所谓电流反馈的实质是根据负载变化引起电流变化的大小和方向调整输出电压R1R2V1V2IV I1I240CV特性的实现o电流内环+电

11、压外环是焊机中常用的CV方式o采用电压反馈控制电流反馈的给定o电流内环条件下所谓电压反馈的实质是根据负载变化引起电压变化的大小和方向调整输出电流R1R2V1V2IV I1I241+HC-II系列电源外特性控制电路分析PI控制器电流反馈-PI控制器电压给定+电压给定电压反馈-输出量42HC-II系列电源外特性曲线43HM系列电源外特性控制电路分析电压反馈推力控制量电流反馈电流反馈电流给定电流给定输出量推力给定推力限制44HM系列电源外特性曲线45电流内环+电压外环控制电路U1R1100kU2R5100kU3U4R6100kR7100kR8100kR9100kR10100kR11100kR1210

12、kR310kD2R41kD1R141kD3R13100kR15100kR16100kR17100kX1POWERIO1IO2IO3IO4+-Out1 V 12VGND132123223750%10kKey=AW4VGND10SH500150u198U5R181kR2268k2017R219k1850%10kKey=VW32810VVCCVCC50%10kKey=IW129VGND10VVCCVCC112625R231k32U650%10kKey=BW210VVCCVCCVGND24424VGNDVGNDX2SLIO1IO2IO3IO43Ib-Setting 100A/V Ip-Setting

13、100A/VSlopeVolt-setting 10V/V16D44R1910k7VGNDU859VGND27VGNDCurrent Feedback 1V/100ACurrent-Reference 100A/VVoltageFeedback 1V/10VPICurrent LoopVoltage Loop46U3U2U410k10kD3100k100k50M100kLoad1+-1 V 50%100kKey=A91k25%1kKey=V10V21%1kKey=B10VU150%1kKey=P10VIO1IO2IO3IO410k10kCT1V/100A0V 10V/V10k100nF100n

14、F300k10kD1Key=SpaceCVCC+AF50kIpIbCurrent FeedbackCurrent SettingVoltageFeedbackVoltage Setting优化的电流内环+电压外环控制电路电压外环电流内环47电流内环+电压外环控制系统的数学表达电流+电压双闭环控制系统传递函m电压反馈系数n电流反馈系数 48CC POWER V-A Characteristico恒流电源外特性曲线49CV POWER V-A Characteristico恒压电源外特性曲线50有最小电流限制的平特性电源低压输出时的电源伏安特性51有最小电流限制的平特性电源高压输出时的电源伏安特性

15、52电压/电流复合脉冲电路原理U1R1100kU2R5100kU3U4R6100kR7100kR8100kR9100kR10100kR11100kR1210kR310kD2R41kD1R141kD3R13100kR15100kR16100kR17100kX1POWERIO1IO2IO3IO4+-12VGND1321232237100%10kKey=AW4VGND10SH500150u198U5R181kR2268k2017R219k185%10kKey=IW129VGND10VVCCVCC112625R231k32U635%10kKey=BW210VVCCVCC24424VGNDVGNDIb-

16、Setting 100A/V Ip-Setting 100A/VSlopeVolt-setting 10V/V16D44R1910k7VGNDU859VGNDCurrent Feedback 1V/100ACurrent-Reference 100A/VVoltageFeedback 1V/10VPICurrent LoopVoltage LoopV11.5 V 4 V 2msec 5msec VGND14D5BZV55-B15R2050m3XSC1ABExt Trig+_+_XCP11527V24 Vpk 1.7kHz 15 J1Key=SpaceVGND162853改变电压实现电流脉冲的原

17、理Ip=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo （U=15+0.05I）54脉冲峰值时的电压/电流复合作用-I+LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo55脉冲基值时的电压/电流复合作用+I-LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo56电压/电流复合脉冲工作原理+I-I-L+LIp=350AIb=50AVp=40VVb=15VLo57脉冲MIG对送丝机的要求o高精度，要求送丝速度与脉冲参数之间的精确匹配o高响应速度，实现高质量的引弧和收弧的必要技术手段o数字化的AC伺服电机已经成为高档脉冲MIG的送丝驱动的首选电机o因此目前认为：数字化焊机应该包括送丝

18、机的数字化58初期实验方案o快速实现基本控制思想（电流/电压复合控制）o解决焊接参数的优化问题（脉冲参数与送丝速度的匹配）PCAD/DAI/O模拟电源AC伺服送丝机59产品技术方案框图PC嵌入式控制器DSP控制电源AC伺服送丝机o实现完整的嵌入式控制数字化脉冲MIG焊机60数字化电源框图61数字化电源控制系统的基本算法变参数数字PI设计及程序框图 00d1utteTteKtutiPkiipTieTkeKku0)(1)()()1()()()1()(kekeKkeKkukupi62数字焊接电源系统控制芯片（控制芯片（DSP+CPLDDSP+CPLD）选择）选择63数字化焊机操作面板几种形式oLED

19、方式oLCD方式o传统方式+上位机64FroniusFronius TPS TPS 系列系列o控制面板LED设置旋钮显示区材料选择操作模式选择65()()0.8（mm）0.91.01.21.41.6WARNINGLOADSAVEENTERJ O BMEMORYSecJO BN O.VAm/minAm/minVT1T2MAINCONDITIONINITIALCONDITIONDISPLAYCHANGEVOLT.CONTROLONINITIALCURR.SPOT TIMEGASCHECKINCHINGOFFONSPOTONCONSTANTPENETRATIONW ELDINGMETHODWIRE

20、DIAMILDSTEELMILDSTEELSTAINLESSSTEELMILDSTEELCOREDSTAINLESSCOREDAL/PUREAL/MG（2%O2）CO2MAGMIGMIGA R CCONTROLWATERTORCH%HzfDC PULSEDC Wave Pulse(op)DCWAVE PULSE(Op.)ONCRATER-FILLCONDITIONCRATER FILLSYNERG.SYNERG.INDIV.焊接条件记忆存储功能（最大可存100条）焊接模式的选择：用软触键设定焊接方法和焊丝直径，简便无误。用发光二极管指示设定结果，一目了然。显示区功能键：软触键数字显示操作面板可

21、以便捷地设定所有焊接相关功能而无需对电源内部进行复杂设置。用同一旋钮设定所有的焊接参数值，操作便捷电弧特性：可用电弧特性旋钮自由调节电弧硬度，根据作业内容和个人习惯设定最佳电弧状态。各种功能:备有初期电流设置、一元化电压调整，恒熔深控制等功能，实现高质量的焊接。预留模式：通过安装特殊软件追加焊接模式后，可以实现特种材料的焊接。OTC DP40066oLED350GR3、500GR367HD-500oLED68CLOOSoLEDoLCD69大屏幕的液晶显示电脑化操作界面CLOOSoLCD70LINCOLN POWERWAVE455M/STTo林肯焊机的操作面板很简单，几乎没有数字化的概念，但是它

22、提供与上位机的联机功能和波形设计软件。所以说：数字化不一定体现在外观o控制面板传统形式+上位机71上位机功能是发展方向72高频逆变电源的实现o60-100KHz的逆变电源在高档逆变焊机中已经成为一种主流，这主要是因为控制对机器响应速度的要求o单管技术的崛起支持了高频化o模块化、组合式支持了大功率73双单端组合的逆变电源o目前实施中的ZX7-315主电路74关于交流伺服电机用于送丝机的问题o交流伺服电机是目前性能最优异的电机之一，交流伺服电机的控制系统就是一个复杂的数字化控制器o交流伺服电机目前主要用于数控运动系统，用于焊接送丝机不是可不可以的问题，只是是否经济合算的问题o一台低档交流伺服电机价

23、格相当于一台中档的焊机，因此用于送丝在一般的韩集中是有些承受不起，但是在高档焊机中，交流伺服电机已经开始应用o主要是利用其高速的响应速度，快速停止，甚至反抽，是目前一些特殊焊接技术的必要支持75例如：CMT工艺的特征oAC 交流伺服马达在焊枪内o非常迅捷改变送丝速度是实非常迅捷改变送丝速度是实现现CMT工艺的先决条件工艺的先决条件76CMT过程示意图t=0 mst=4.59 mst=6.21 mst=7.56 mst=11.34 mst=13.23 mst=13.77 mst=14.31 mso反抽焊丝是技术核心，交流伺服电机是个必需的77例如：精确控制引弧过程的方法 引弧视频资料78高性能的

24、薄板低电流焊接问题o目标定位于：2mm铝板，50A有一定的技术难度，其难度主要表现在脉冲MIG不是解决此问题的最佳方式，因此与其说是难度，不如说是技术定位问题o目前薄板焊接的技术前沿是：CMT，COLD-ARC 等，其特点是控制短路过程（短路而无飞溅），而不是避免短路过程o因此产品如果就是要定位于薄板低电流，那么应该调整到短路控制技术，而不是脉冲MIG79CLOOS的冷焊技术o交流脉冲MIG80工作进度安排项目内容o电源（功率模块+控制模块）o焊接工艺试验（参数数据库建立）o操作面板（数据库的一元化使用及焊接时序）o送丝机（使用交流伺服电机）o焊接试验工作台（焊接参数数据库建立必备）o联机调试

25、81电源o电源功率模块采用单管IGBT技术，设计工作频率60-80KHz，200A模块组合。工作时间第一阶段样机50工作日，第二阶段完善改进30工作日，第三阶段定性20工作日o控制部分采用DSP或ARM，实现PWM的数字化控制。第一阶段样机60工作日（硬件30日、软件30日），第二阶段改进完善30工作日，第三阶段定型20工作日o考虑到部分可并行工作，以上两部分合计180工作日（约八个月）82焊接工艺试验o脉冲MIG参数的确定是一个大量焊接工艺试验的结果，由于送丝速度与脉冲参数之间不是线性关系，一元化调节是通过建立在大量实验数据基础上的插值算法获得，而插值算法的精度取决于数据量。如果按送丝速度每

26、0.1米（一般在数字化焊机中的送丝速度的最低分辨率为0.1米）一个数据点，当送丝速度从2米到22米就需要有200个实验数据支持，这样的数据工作量太大。可以采用插值算法，以0.5米为一个数据点，这样就可以将实验数据量降低到原来的1/5。即使这样，对于一种焊丝（直径、材料）也要有40个点试验数据才能获得进行一元化调节插值计算所必要数据。而每个数据点要有至少4个参数（峰值电流、峰值时间、基值电流、基值时间或），假设有3种焊丝材料（钢、不锈钢、铝），每种材料三个焊丝直径（1.0、1.2、1.6），那么要求有34360个实验数据支持。根据最理想的实验情况，获得一个点数据平均需要1小时（不含辅助工作、设备

27、故障因素和数据后处理工作），通常一天最多能完成4个数据点的工作，360个数据点意味着至少要90个工作日，实际上考虑到设备因素（由于是与电源部分不是成熟产品），至少要按100个工作日计算。83比较完整的脉冲MIG焊接工艺参数内容84焊机操作面板o焊机操作面板的核心就是建立一个由送丝速度控制的“一元化”调节控制器，由于前述送丝速度与脉冲参数之间非线性的，至少要集成360个实验数据点，而每个数据点中有至少4个数据，也就是说有一个上千个数据点的表格，这也就是为什么脉冲MIG一定要数字化的主要原因。换句话说：脉冲MIG焊机的电源可以不是数字化的，但是焊机的操作面板一定要数字化的。这部分的工作涉及到MCU

28、硬件、软件（也就是以前说的单片机）和界面设计三个方面的工作。界面设计可借用目前HD-500（如果没有意见的话）。操作界面的基础硬件设计达到可以编程调试至少需要30个工作日，编程调试也至少要30个工作日。考虑到部分工作可以交叉进行，因此第一轮设计调试需要至少50个工作日，第二轮改进需要25个工作日，第三轮定型设计需要15个工作日，合计90个工作日。另外与PC机的接口和遥控盒也是必须的，当然这部分不影响机器的焊接性能，如果考虑着部分至少需要增加20个工作日。85送丝机o一种关于数字化焊机的新定义：数字化焊机应该包括电源的数字化和送丝机的数字化两部分。所谓送丝机的数字化就是指交流伺服电机的采用。交流

29、伺服电机是一种可以用脉冲精确控制速度的电机，也就是现在数控切割、机器人等机构中使用的电机。交流伺服电机的唯一问题就是成本较高，因此在后续工作中可以考虑如何在现有的直流电机基础上提高速度稳定性，以降低成本。将交流伺服电机装到现有的送丝机上需要20个工作日左右（需要厂家配合）。现有的直流电机基础上提高速度稳定性的工作另计，属于降低成本的问题暂不考虑。86焊接试验平台o进行脉冲MIG焊接工艺参数的工作需要一个基本的自动化焊接平台，该平台应具有一定的数字化控制能力，特别是对焊枪的高度要有精确地控制能力，用来模拟实际焊接中的手工波动，主要是对弧长控制能力的考验。另外至少需要焊接参数采集与分析系统，最好有

30、高速摄像装置，并且能与电压电流波形同步显示，这对于设定最佳的脉冲参数极为重要。o完成数控的自动焊接平台部分需要30个工作日，目前已经开始了对数控系统的熟悉工作，控制对象是公司的小数控，这部分工作可以在这个基础上做。焊接参数采集与分析系统是必须的，这部分工作已有现成的产品，连接即可使用。87焊接试验平台参考构成示意图o三维数控系统88联机调试与小批量样机制作o联机调试也就是最后的整机定型，需要30个工作日o为了考核样机效果，要进行了5台样机的小批量制造，并送用户使用获得反馈意见，时间为50个工作日（其中制造20台，考核30天）89对于项目启动方式与时间要求 2009年12月31日以前完成：o提供

31、自动焊接平台，包括焊接参数采集与分析系统。o采用交流伺服的送丝机。o焊枪与自动焊接平台的结合，以焊枪高度的控制模拟焊枪波动，及焊接工件的快速装卡装置。o基于PC的脉冲控制软件与硬件。o可以进行PC机控制下的焊接。2010年1月15前完成：o提供基于目前HC-II机器的脉冲电源功率平台；o电源控制部分要改造成可以与模拟脉冲控制信号连接；oPC机的控制卡要与电源连接，实现PC对电源脉冲信号的数字化控制；oPC机的控制卡要与送丝机连接，实现送丝速度的数字化控制。2010年1月15日至2010春节放假前进行初步脉冲MIG焊接试验，达到单一参数下的稳定脉冲MIG焊接效果。90已进行的前期准备工作o基于PC的数字化控制器（LabVIEW编程环境和AD/DA接口卡）o数字化运动控制（LabVIEW编程环境驱动PCI动控制卡）o双单端ZX7-315o数字化控制器件的资料收集91谢谢！请提意见92