第4章自动控制系统

1、第4章 电弧焊自动控制基础 4.1 4.1 电弧焊的程序自动控制电弧焊的程序自动控制 电弧焊程序自动控制电弧焊程序自动控制: : 是以合理的次序使自动电弧焊设备的各 个部件进人特定的工作状态，从而使电弧 焊设备的各环节能够协调的工作。 要做到这一点，必须明确明确程序自动控制的 对象和基本要求，了解了解程序自动控制的转 换方法以及电弧焊各个基本环节的实现方 法。 1. 控制对象控制对象 电弧焊程序自动控制的对象就是自动电弧焊设备 中即将投入工作的各个部件的执行机构， 主要有： 1)提供焊接能量的焊接电源。 2)焊车行走或焊件移动的拖动电动机。 3)送丝电动机。 4)控制保护气或离子气的电磁气阀。

2、 5)引弧用的高频发生器或高压脉冲发生器。 6)焊件定位或夹紧用的控制阀，以及焊剂回收装 置等。 2基本要求基本要求 不同的电弧焊方法和不同的工作条件对程序自动控 制有不同的要求， 基本要求基本要求： (1)(1)按照要求提前送气或滞后停气按照要求提前送气或滞后停气 。 (2)(2)可靠地一次引燃电弧可靠地一次引燃电弧 (3)(3)顺利地熄弧收焊顺利地熄弧收焊 (4)(4)对受控对象的特征参数进行程序自动控制对受控对象的特征参数进行程序自动控制 特征参数主要有电弧电压、焊接电流、送丝速度、 焊接速度、保护气流、离子气流、高频引弧电压等。 要使这些特征参数按照预定的要求，以一定的次序 进入工作状

3、态或退出工作状态。 4.1.2 电弧焊程序控制的转换方式和方法电弧焊程序控制的转换方式和方法 1 1程序自动控制的转换方式程序自动控制的转换方式 除了需人工操作指令(如启动、停止、急停)以 外，电弧焊的程序转换都应自动地实现。 转换方式有以下三种：转换方式有以下三种： (1)(1)行程转换行程转换 即按预定的空间距离进行程序转换。 环缝焊焊接参数的分段转换、环缝焊到终点时自 动停止、焊枪自动返回等。常用行程开关来实现。 (2)(2)时间转换时间转换 即按预定的时间间隔进行程序转换。 保护气提前给送和滞后停止、焊丝返烧熄弧等可 以使用延时继电器或延时电路来实现。 (3)(3)条件转换条件转换 即

4、以系统达到某种特定状态(如电弧 引燃、熄灭、焊枪达到某个位置等)为条件所进行 的程序转换。 (1)(1)继电器程序控制继电器程序控制 其由按钮、开关、继电器、接触器和电磁气阀 等器件按一定逻辑条件组合而成，是电弧焊设备 常用的方法。基本逻辑组合有“或”、“与”、 “非”三种，复杂一些的程序控制系统可以由它 们复合而成。其中，逻辑“或”组合实例如图4 2a 4.2 电弧焊自动调节系统电弧焊自动调节系统 焊接参数焊接参数是焊接时为保证焊接质量而选定的各项 参数的总称。 最重要的参数: 焊接电流、电弧电压和焊接速度。 这些参数在焊接过程中能否始终保持恒定，不仅 影响到焊丝熔化和熔滴过渡、母材熔化和焊

5、缝形 成等过程，而且影响到焊缝的最终质量，包括焊 缝成形、焊缝的组织和性能，以及有无缺陷等。 保持电弧焊参数恒定是电弧焊自动控制的重要内 容 一、电弧自动焊调节的概念一、电弧自动焊调节的概念 自动焊：电弧焊过程包括.引燃电弧、焊接、收尾、三个 阶段.如果借助于机械和电气的方法，使上述三个阶段自 动实现，则为埋弧自动焊。 1. 自动调节的必要性自动调节的必要性 电弧焊工艺参数 、I、V、要获得优质的焊缝， 主要取决于此参数，在主要的焊接工艺参数中，I、U，在 外界干扰下会发生大的变化。 、 要求波动不超过2550A。 、 要求波动不超过2v。 否则会影响成形和质量 手工电弧焊手工电弧焊：手手电弧

6、电弧眼眼脑脑手手 观测观测 比较比较 调整运条动作调整运条动作 埋弧焊：埋弧焊： 机械代替手工机械代替手工 自动调节系统取代人工调节系统。自动调节系统取代人工调节系统。 (1) 使电弧静特性曲线发生变化的因素使电弧静特性曲线发生变化的因素 弧长LL1工作点OO1曲线由弧长、弧柱、 气体成分决定的。 弧长：工件表面不平，坡口不规则， 表面质量不好，送 不均匀等。 弧柱气体成份：成份不同， 弧柱电场强度不同，导致曲线变化。 (电离电位波动引起) (2) 电源外特性发生变化因素电源外特性发生变化因素. 曲线由12变化， 工作点O1O2 主要是:供电网络中负载突变.使网压突变. 3、电弧长度的自动调节

7、方法：、电弧长度的自动调节方法： 正常状态正常状态:送送 =熔熔 . 平衡平衡.L弧弧不变不变. 当当送送 熔熔 . L减小焊丝插入熔池熄弧减小焊丝插入熔池熄弧 当当送送 使熔 送 .L不变.(L)与(H)稳定 (2)自动调节送 二二. 等速送丝埋弧自动焊调节系统等速送丝埋弧自动焊调节系统 原理原理: 选定一个选定一个送送 ，当变化，依靠电弧自动调节作用，当变化，依靠电弧自动调节作用 来改变来改变熔熔 来保证来保证 熔 送 ，恢复稳定性。. 当L增大熔 ，当L熔 ，保证L不变。 下面讨论等速送丝式熔化极电弧焊过程的工作特性. 1.等熔化曲线等熔化曲线.(主要决定熔 ) 影响熔 的因素. (H)

8、：(H)熔 (H)：(H)熔 (熔化焊剂量熔化焊丝量) 所以：KIKV 焊丝熔化速度 ：熔 随变化的系数，取决于电阻率D丝， 伸及大 小（/s.A) ：熔 随变化的系数,取决于电位梯度.弧大小 （cm/s.v）。 当送 一定时，弧长稳 定燃烧时： 送送 熔熔 U 送送 .U 在一给定送 条件下，(H)和H之间关系，通过公式 可做出曲线如图： 等熔化曲线或自动调节静特性曲线。 曲线上的各点，曲线上的各点， 送送 熔熔 曲线上的左面，曲线上的左面，送送 熔熔 曲线上的右面，曲线上的右面， V送送 U1。 所以所以V熔熔2 1,电机电机D有稳定的送有稳定的送 ： 送送 （）。（）。 送丝电机转子和转

9、速与送送丝电机转子和转速与送 成正比成正比 所以所以，a，f，得到恢复。，得到恢复。 缺点：缺点：电动机反转需另外继电器转换电动机反转需另外继电器转换.所以回抽所以回抽 引不可靠。引不可靠。 2.2.电弧电压反馈自动调节的静态特性电弧电压反馈自动调节的静态特性： 电压反馈系统曲线：电压反馈系统曲线： 稳定工作状态：稳定工作状态：f=m f（UaUg），）， miaua f送丝速度，送丝速度，m熔化速度。熔化速度。 联立后：联立后： 可看成直线方程，可看成直线方程，I和控制量的关系。可求和控制量的关系。可求 出出： i ga uu KK UUI KKKK a Og u K UUU KK 给 ai

10、 au UK tg IKK a=0时， （u 是截距） 1) 直线为截距直线为截距 UO其斜率为其斜率为tg的直线。的直线。 2) 当当k足够大时足够大时.tgo 平行于横坐标轴的直线。平行于横坐标轴的直线。 3) 给定电压给定电压Ug增大，曲线平行上移增大，曲线平行上移,Ug减小曲线减小曲线 平行下移。平行下移。 4) D丝丝 减小减小L伸伸时，时，Ki，tg，曲线斜率，曲线斜率。 （D丝丝 ）。）。 5) 焊丝材质不同，焊丝材质不同， 其电阻率不同，其电阻率不同， 曲线斜率也不同。曲线斜率也不同。 3.电弧电压反馈自动调节过程电弧电压反馈自动调节过程： 如图：电弧在O点燃烧VfVm。 若：

11、L。到L1， 此时V0减小到1， 燃烧点。1，由于Vl到L1，由于VL 使 （VaVg）值，所以Vf（V送 ）。 还可看出：V熔 在两种调节作用下电弧便逐渐 拉长恢 复原长。所以，这种调节过程中，两种调 节系统都存在。 但反 馈调节为主，自身调节处于 次要地位。 4. 电弧电压自动调节的灵敏度电弧电压自动调节的灵敏度 用于3mm以上粗焊丝，减小，调节灵敏度，取决于放 大系数和电压的变化量，fKVa，K，灵敏度， K过大电机惯性，系统会振荡。可采用机械惯性 小的电动 机，Va，灵敏度。 5. 反馈调节的精度反馈调节的精度： 1) 弧长波动影响，也会产生静态误差：主要是导电阻到焊 件距离变化， 调

12、节后也会产生静 态误差，但很小，可 忽略。 2) 网络电压波动的影响如图：网络电压波动的影响如图： 误差大小决定网络电压的变化大小， 还决定于值： tgKi/（KKu)i/。 当值增大电流误差小， 所以变速送丝埋弧焊宜采用陡降的外特性。 6. 变速送丝，变速送丝，U调节方法调节方法： 采用陡降电源： 调节特性曲线接近水平轴的直线，调节 送丝V。 给定电压就是调U，外特性是调。所以图为调 节 范围： 如果细焊丝mm，则斜率增大，曲线向上 倾斜，调节范围减小，减小，电弧不稳，所以， 变速送丝反馈调节不适于细丝焊。 自动调节与自动反馈调节作用特点的应用场合见 表86： 小结：小结： 43弧焊机器人概

13、述 弧焊机器人是从事焊接(包括切割与喷涂) 的工业机器人。 根据国际标准化组织(ISO)下的定义，工业 机器人是一种多用途的、可重复编程的自 动控制操作机，它具有三个或更多可编程 的轴，用于工业自动化领域。 焊接机器人突破了传统的焊接刚性自动化， 开始了一种柔性自动化的新方式，因此被 认为是具有焊接自动化革命性的进步。 弧焊机器人在生产中具有以下作用：弧焊机器人在生产中具有以下作用： 1)稳定和提高焊接质量，保证其均一性。 2)实现小批量产品的焊接自动化，并可缩短 产品改型换代的周期。 3)改善劳动条件。 4)提高焊接生产率。 5)可用在核能设备、空问站建设、深水焊接 等极限条件下，完成人工难

14、以进行的焊接 作业。 6)为建立柔性焊接生产线提供技术基础。 2 2弧焊机器人的特点弧焊机器人的特点 1) 弧焊机器人受控运动方式是连续轨迹控 制型，即机械手总成终端按预期的轨迹和 速度运动。 2)由于弧焊过程比点焊过程复杂得多，要 求机器人终端的运动轨迹的重复精度、焊 枪的姿态、焊接参数都要有更精确的控制。 为了满足填丝条件下角焊缝及多焊道的成 形要求，弧焊机器人还应具有终端横向摆 动的功能。 3)弧焊机器人经常工作在焊缝短而多的情 况，需要频繁地引弧和收弧，因此要求机 器人具有可靠的引弧和收弧功能。对于空 间焊缝，为了确保焊接质量，还需要机器 人能实时调整焊接参数。 4)电弧焊时容易发生粘丝、断丝等故障， 如不及时采取措施，将会损坏机器人或报 废工件，因此要求机器人必须具有及时检 出故障并实时自动停车、报警等功能。 复习思考题复习思考题 1.什么是电弧焊程序自动控制?试述其控制对象和应达到的基 本要求。 2.电弧焊程序控制的转换方式和转换方法有哪些? 3.举例说明实现延时控制、引弧控制和熄弧控