焊接参数测试与显示系统方案

1、 . . . 材料科学与工程学院本科毕业设计（论文）开题报告论文题目 _焊接参数测试与显示系统_ 毕业论文题目焊接参数测定与显示系统题 目 来 源横向开发1、 选题依据：（课题来源、选题依据和背景情况、课题研究目的）焊接作为一种基本加工方法，应用很广泛。它与国民经济各个部门，如汽车车辆、锅炉管道压力容器、矿山、冶金、桥梁、国防工业、农业机械、石油化工、机械制造、造船、集装箱、航空航天、宇宙飞行和海洋工程开发等等方面的发展有着直接的关系。目前工业发达国家的钢产量有50%左右是以焊接结构形式应用于生产。随着我国四个现代化建设的发展，特别是我国进入贸易组织和成为世界制造业中心之后，作为钢铁缝纫机技术

2、的焊机技术将愈来愈显示出它的重要性1。比如在汽车行业方面，汽车制造业的需求对焊接科学技术的巨大牵动以与焊接科学技术对汽车这一支柱产业的重要支撑作用构成了基础制造技术与相关产业之间依存与互动的发展史和不断进步的动力。汽车的发动机、变速箱、车桥、车架、车身、车厢等六大组成部分都离不开焊接技术的应用。各种焊接方法“覆盖”了从车身、车架、底盘到悬挂系统、制动系统、转向器、离合器、变速器直至车轮轮圈等部件的成形加工。薄板结构由于重量轻、工艺性能好、连接方便等特点，因而广泛应用于各种类型汽车的制造当中。薄板焊接是汽车制造链中一项重要的加工环节，相应的焊接方法，如电阻焊、气体保护焊、螺柱焊、钎焊、摩擦焊、高

3、能束焊等都得到应用2。20世纪30年代，随工业生产进一步发展，不仅需要联接的产品数量增加了，而且出现了许多对联接质量要求高的产品，如车辆、大型远程航行的船舶、锅炉和桥梁等。为适应焊接生产量的迅速增加，从40年代初开始，焊接科学技术的发展迈入了一个新时期，首先，研究成功了埋弧焊。随后，航空、原子能等技术的发展，要求焊接高强钢和铝、钛与其合金等新型材料，出现了氩弧焊。50年代又相继出现CO2焊等各种气体保护焊接工艺，紧接着还研究成功了高能量密度的等离子焊，弧焊电源也相应地有了大幅度的发展。例如，40年代开始出现了硒片制成的弧焊整流器；到了60年代，由于大容量硅整流元件，晶闸管的问世，为发展硅弧焊整

4、流器等提供了条件。到后来，弧焊电源有了更大的发展。其中在控制技术的改进和发展方面，改进电流电压值测试、显示系统，从指针式电压、电流表，发展到数字电表和具有检测报警功能的检测系统，甚至可在焊接前就调节好焊接电流与焊接电压值并能把它显示出来。 目前我国弧焊电源和电焊机制造、研究的状态，与正在蓬勃发展的国民经济的需要仍不相适应，产品的品种、数量、质量、性能和自动化程度不能满足各使用部门的要求。数字化的控制技术向纵深发展，从单片机控制PLC/PLD控制ARM控制DSP控制。对弧焊电源电器性能的静动态特性与多参数的变换、优化匹配，以与输出的电压、电流波形等进行任意的控制和调节以与储存，对多种焊接材料进行

5、高质量的焊接。为获得最佳的脉冲弧焊的工艺效果和便于对脉冲多参数的调节和优化匹配3。脉冲MIG焊是焊接方法中主要焊接方法之一，是一种高效的焊接电流周期性变化的熔化极惰性气体保护焊。2、 文献综述：（国外研究现状、发展动态）1. 焊接参数测定与显示系统的研究现状随着科技的进步，材料科学的发展，焊接加工所涉与的领域越来越广泛。新材料、新技术的出现，对焊接工艺、焊接设备有了不同的要求。为了应对焊接领域出现的新问题，满足焊接自动化生产和现代焊接领域的需要，需要研发高效、低耗、智能化、多功能以与能在线升级的焊接设备。焊接参数测定与显示系统，首先涉与到的是信号的检测与处理，这里包括焊接过程中焊接参数和焊机工

6、作情况的检测，焊接参数检测是利用霍尔电流和电压传感器，采样焊接电流、焊接电压和送丝速度信号。在国外的研究现状有美国Idaho国家工程实验室Johnson等人4针对GMAW焊接过程的传感、建模以与控制方案开展了大量的研究工作。他们通过电信号检测熔滴过渡方式，设计了5KHz的低通电压、电流滤波器。作者认为熔滴过渡频率在5KHz以，因而滤波后可以提取出熔滴过渡的信号。1998年奥地利Fronius公司研制出世界上第一台全数字化焊机，之后国外众多焊接设备公司纷纷推出基于DSP数字控制的焊接电源并大量投放市场，奥地利Fronius公司生产的Transplus synergic系列TPS2700/4000

7、/5000全数字化焊接电源，该焊机可以实现多种工艺方法、不同材质、不同焊丝直径的焊接功能，有参数的测定与显示系统的装置，使得焊机越来越便于焊接的使用。另外在Fxonius公司的Transplus synergic 2700/4000/5000系列产品在一台焊接上实现MIG/MAG、TIG和手工电弧焊等多种焊接方法，可存储近80个焊接程序，实时显示焊接规参数，通过单旋钮给定焊接规参数和电流波形参数，可以实现熔滴过渡和弧长变化的精确控制。同时，此类焊接电源还可以通过网络进行工艺管理和控制软件升级。在国对此研究也很多，大学硕士学位卢亚静论文中基于DSP的脉冲MIG焊数字控制系统的研究号经滤波后送入A

8、/D转换芯片，转换结果送入DSP进行处理，得到控制量。实现了焊接参数的测定与显示系统。在国随着高精度响应速度快的霍尔电信号传感器、高分辨率的A/D转换器件以与快速的数据采集卡的出现，使得焊接电信号检测变得更加方便、可靠。焊接参数测定主要是电信号的检测问题，其电信号检测的常用基本思路是：采用高精度的霍尔电压传感器采集电弧电压信号，采用高精度霍尔电流传感器采集焊接电流信号，将传感器采集的信号接入高性能的数据采集卡，利用PC机保存数据，并对电流、电压信号进行相应计算、分析5。最后通过数码管的参数显示，利用一些专业驱动芯片比如MAX7219，这样可以节省大量单片机的硬件资源以与软件执行时间。合理制作出

9、完整的显示系统。2. 发展动态在焊机研制方面，具有焊接参数测定与显示系统的焊机越来越多，以前的焊机都没有数字化的显示系统，这样不便于焊接过程中电流电压的控制，使得焊接质量不能提高，这就需要靠经验去实施焊接，给焊接过程当中带来不便。在国国外有很多的研究机构也包括一些大学，都在研制焊接参数测定与显示系统的焊机，满足焊接自动化生产和现代焊接领域的需要，需要研发高效、低耗、智能化、多功能以与能在线升级的焊接设备。在国外，德国EWM公司生产的INTEGRAL系列数字化焊接电源，数字处理系统处理所有焊接数据，控制整个焊接过程，同样具有专家系统、一机多用、计算机或网络通讯、模块化设计、焊接数据的存储和分析系

10、统等功能。澳大利亚的WOLLONG大学利用美国TI公司生产的TMS320C32数字信号处理器高速采样率控制GMAW焊接过程6。芬兰的KEMPPI公司推出了基于单片机（MCU）的智能化数字控制全功能焊机PRO 3200/4200/5200EVOLUTION，它采用双微控制器（MCU）控制，一个处理器控制焊机面板的设置与显示，另一个主要用来完成焊接过程的数字信号采集、处理以与控制信号输出的作用。在理工大学鹤岐、徐德进和芳的关于脉冲MIG焊机数字化控制设计中，在焊接之前，参数预置面板预设焊接参数，单片机采样后送给DSP作为初始值备份，通过DSP计算出平均电流，送给单片机显示与输出给D/A芯片转换后送

11、给SG3525，产生PWM信号，主电路导通，单片机检测焊机按钮状态，进行焊接控制。在焊接中，焊接电流、电弧电压采用霍尔元件进行检测和隔离，送给A/D芯片采样变换后送给DSP系统，经过滤波和PI运算，得出PWM信号值，与单片机通讯，单片机又进行显示和输出该值给D/A芯片转换后送给SG3525，产生PWM信号，控制主电路的导通。在交通大学工学硕士傅论文中，参数采集系统采用NI公司DAQPCI-6023E数据采集卡完成对焊接电流、焊接电压、送丝速度和焊接过程时刻标定信号等四个信号进行采集分析，其中焊接过程时刻标定信号是由焊机的DSP（数字信号处理器）控制软件经数字I/O口输出，直接送给数据采集卡；送

12、丝速度信号也是由控制软件输出，经过D/A转换，控制送丝电机转速；焊接电流和焊接电压均由装在焊机部的霍尔电流和霍尔电压传感器变换得到，经过采集电路的转换得到虚拟仪器检测系统要求的适应信号。最终也实现了预定的参数采集功能。3、 研究容1、 课题研究容（1）霍尔电流传感器和霍尔电压传感器控制过程中需要采集焊接电流和电弧电压以与送丝速度的瞬时值以进行实时控制。对于电压的计量，低压可以用电压表直接测量到，而对于高压的话就需要有电压互感器变压后进行测量。那么对于电流的测量交流直流很小时，可以用万用表直接串入到电路中去测量，稍大点的（0-7000A以下）电流可以用分流器测量，但这种方法测量精度低，隔离程度低

13、，电流超过7000A分流器就无法使用了。霍尔电流传感器是测量电流的一种新型设备，该设备采用霍尔检测原理具有测量高精确度 、隔离程度高、线形好、安装更换简便等优点。 霍尔电流传感器的原理是：磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器，是由原边电路、聚磁环、位于空隙中的霍尔器件、初级线圈、放大电路组成；即原边电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其补偿电流Is精确的反映原边电流Ip，从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。具体工作过程为：如图1所示，当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动功率管并使其导通，从而获得一

14、个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来测试Ip。当Ip变化时，平衡受到破坏，霍尔器件有信号输出，即重复上述过程重新达到平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1s，这是一个动态平衡的过程。因此，从宏观上看，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测

15、电流的匝数相等。霍尔电压传感器因为是基于霍尔闭环零磁通原理，所以可以测量直流电压，交流电压和混合波形的电压。此特点区别于电磁隔离原理的电压互感器，电压互感器只能测量交流电压信号。如图2所示，电压传感器与电流传感器不同的是用它测量电压时，电压传感器的原边多匝数绕组上串联了一只限流电阻R1，然后再并联到被测电压U1上（即+HT与-HT端子上），得到与被测电压成比例的电流I1。副边工作原理完全同于电流传感器。当副边补偿电流I2流过测量电阻Rmes时，在Rmes两端转换成电压作为传感器的测量电压U0，即U0=I2XRmes.这样对应于被测电压U1就得到一个成比例变化的测量电压U0，从而完成了电压的电隔

16、离测量。因为是基于磁平衡霍尔原理，需要原边匹配一个置或外置电阻，该电阻随着测量的电压量程增大，需要的阻值和功率也相应增大，甚至需要加散热片。因为原边采用多匝绕组，故存在比较大的电感，一般响应速度不高，频率围有限。霍尔电压传感器适用围同于霍尔电流传感器。所不同的是它用于需要测量电压的场合，用它对直流、交流和脉动电压进行隔离测量，测量精度高7。 图1 霍尔电流传感器原理图图2 霍尔电压传感器原理图(2)采样电路逆变式焊机的外特性是通过电流、电压的反馈控制获得的。若只取电弧电压负反馈，只要给定信号一定，随着焊接电流的增加，只要保持逆变脉冲宽度不变，输出的电弧电压也保持一定，从而获得恒压特性；若只取电

17、弧电流负反馈，则可以获得恒流外特性；若按一定比例取电弧电压和电流负反馈，控制脉宽变化规律，即可以获得缓降外特性。在这里采用焊机为恒流外特性，通过焊接电流反馈控制恒流特性，通过电弧电压采样来控制弧长，故焊接过程中要实时对焊接电流、焊接电压进行采样8。本课题焊机是MIG250，最大焊接电流为250A，接触引弧时按照2.5倍焊接电流的比例，最大短路焊接电流为625A，霍尔电流传感器选用HBA300 YSA，其额定输入电流为300A，测量围为0900A，采用±12V±15V电源供电，额定输出为100mA。根据霍尔传感器的参数特性，设计电流采样处理电路如图3所示。电流霍尔传感器输出通

18、过电阻 R53 将电流采样信号转换成电压信号，经过电容C45低通滤波后送至LF353放大电路，之后通过幅值限定二极管D14送至单片机的ACH5引脚进行A/D转换。 图3 电流采样电路焊机空载电压设计为70V，根据网压波动围，最高空载电压为77V。根据电压围选用霍尔传感器型号为HV25 P，设计电压采样电路8如图4所示。 图4 电压采样电路（3）A/D转换电路A/D转换电路9时介于采集电路和显示电路中间的电路，起到连接两电路的作用，通过采集电路收集到的信号是一个很小的电压信号，并且采集的电压信号和实际电压信号在理论上是成线性关系的。所以在转换电路中只要给采集信号放大相应的倍数，然后通过显示电路就

19、显示出来了。符合电路设计的合理性。采集电路中采集到的信号是模拟量，它不能直接通过单片机，然后让数码管来显示，只有通过A/D转换之后才能将模拟量转换成数字量，最终来显示。本文采用的A/D转换芯片是ADC0809，采集的电压信号通过ADC0809的输入通道输入到单片机，将电压和电流信号分别输入到相应的通道中，经过ADC0809的转换后得到数字量，得到的数字量是十进制的数，然后再将十进制的数转换成BCD码，便于显示。ADC0809与单片机8031连接组成了一个完整的A/D转换电路，最后通过单片机8031的输出端口与译码器74LS138和数码管译码器74LS47相连接，最终将数据在数码管上显示出来。A

20、/D转换电路主要完成的就是对采集来的数据进行一个转换，此电路图如下图5所示。本文设计用到的核心元件就是单片机8031，这是比较老式的单片机，与现在使用较多的MCS-51单片机有很大的区别。因为单片机8031部没有程序存储器，使用的时候必须外接存储芯片来存储程序，中间用地址锁存器连接起来，锁存器所起到的作用类似于一个开关，对数据的传送进行控制。在输入程序时，直接把程序输入到存储器里就可以，不用再输入到单片机里，这样也保护了单片机的使用寿命10。 图5 A/D转换电路（4）显示电路参数显示采用五位数码管，参数设置时，前两位显示参数类型，后三位显示设定数值；焊接时，前两位显示焊接电压，后三位显示焊接

21、电流；出现故障时显示相应的故障代码。如图6所示。 图6 显示电路2. 拟采取的实验方案(1)总体构成焊接参数测试与显示系统结构如图7所示。系统主要由单片机控制系统、A/D转换、电流采集电路、电压采集电路、显示模块组成。A/D转换电路包括控制系统和A/D转换电路，单片机采用8031单片机，8031没有部存储器，外接一个存储器AT28C64B存储程序；转换芯片是ADC0809，把采集的模拟量转换为数字量。采集电路主要是用霍尔传感器采集焊接回路中的弧焊电压和焊接电流。显示电路由5个LED数码显示管显示弧焊电压和焊接电流的数值大小。把采集电路、A/D转换电路和显示电路连接起来就组成了一个焊接参数测试与

22、显示系统的完整结构。 图7 显示电路(1) 课题主要任务本文主要任务有以下几个方面： (1)设计采集信号电路图，并选用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器采集电路中的电弧电压和焊接电流。并按照电路的要求选择合适的传感器型号。 (2)设计以转换器ADC0809，通过通道的选择把电压和电流信号以模拟量转换成数字量。 (3)设计以单片机8031为核心的主控板，根据焊接的要求，设计显示、采样等功能。单片机8031和存储器28C64B、地址锁存器74LS373联合起来使用。然后单片机的输出端通过一些器件来和数码管相连，最终显示所需要的数字量。 (4)设计相应的软件程序，达到论文所要求的功能。最终完成焊机的焊接参数的测定与显示系统。四、主要参考文献：（不少于10篇，其中外文资料不少于2篇）1、