專利名稱：短路過渡co的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數字控制方法，尤其涉及一種短路過渡CO2焊的通信結構的數字控制方法。用于焊接技術領域。
背景技術：
CO2氣體保護焊是高效節(jié)能的焊接方法，該方法大多采用短路過渡，飛濺是短路過渡CO2焊的一個主要問題，國內外有關于這方面有較多的研究。短路過渡的CO2焊接的過程中飛濺是瞬間產生的，對它的抑制也需要在極短的時間內發(fā)生作用；同時，CO2短路過渡過程是一個動態(tài)的相對穩(wěn)定的過程，對于這樣一個動態(tài)過程的控制，其電源外特性也應有適應性的變化。要滿足上述兩個條件，需要有能動態(tài)調節(jié)電源外特性形狀的控制系統(tǒng)，同時具有瞬時抑制飛濺的功能。最新的波控理論為精細的短路過渡焊接電流波形控制，是從微觀的角度有效地抑制飛濺的產生提供了強有力的支持，要實現這一過程，同樣要求快速性的控制系統(tǒng)。對于純硬件電路控制系統(tǒng)，線路復雜，結構不緊湊，各部分之間很易相互干擾，并且只能實現簡單的單一的電源外特性的控制，很難實現快速的實時性的電源外特性調節(jié)；而目前有關CO2短路過渡電流波形控制一般采用單一CPU的單片機處理器或數字信號處理器控制，雖可以較好地進行單一任務或較少任務的焊接工藝過程的控制，但由于CPU的任務執(zhí)行是依靠逐條執(zhí)行指令來完成，而這些指令的執(zhí)行是分時進行的，對于如CO2短路過渡這樣一個復雜的動態(tài)工藝過程、且具有快速波控和實時外特性調節(jié)功能的多任務結構控制的控制系統(tǒng)，單一的CPU微機控制系統(tǒng)，很難實現多任務結構時間上的并置發(fā)生問題，同時很難實現實時性很強的復雜電源外特性算法的計算和快速的波控要求。
經對現有技術文獻的檢索發(fā)現，美國2002年發(fā)明專利，專利號6335511，專利名稱“Control method and apparatus for an arc welding system”(電弧焊系統(tǒng)的控制方法和裝置)，實現脈沖焊雙閉環(huán)的復雜控制系統(tǒng)，采用一個數字信號處理器只實現數字濾波和控制算法的實現，而其它重要功能(如脈沖信號發(fā)生器、電機的控制驅動等)很難在此數字信號處理器上同步實現，需采用其它的控制電路。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種短路過渡CO2焊的通信結構的數字控制方法，使其一方面實時地輸出滿足短路過渡CO2動態(tài)過程的復雜電源外特性，使電源外特性由宏觀的控制變?yōu)槲⒂^的精細控制，并進行實時焊接電流波形的控制，有效地解決多任務系統(tǒng)的任務并置發(fā)生的時序問題和CO2短路過渡快速波控的問題，可方便地進行雙處理器之間的通信，合理地進行任務的分配。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明的一個關鍵的技術是用數字信號處理器和單片機處理器雙處理器的雙處理器結構，進行對CO2動態(tài)短路過渡過程多任務控制的合理任務分配，通過串口異步通信協(xié)議完成此二快速處理器之間的快速數據傳遞單片機處理器在進行焊接過程時序控制任務時顯示的參數由數字信號處理器傳遞給單片機處理器；數字信號處理器的電源外特性確定和波形控制算法確定需根據單片機處理器傳遞過來的焊接工藝及過程參數，而在CO2短路過渡動態(tài)控制中的焊接階段判斷需要單片機處理器傳遞得到具體的焊接階段信息。對CO2動態(tài)短路過渡過程的控制是一個多任務的控制結構，而對各個任務的控制在時間上是并置發(fā)生，利用數字信號處理器和單片機處理器雙處理器合理地分配任務，有效地解決多任務結構的時間沖突問題，二者之間通過串口異步通信完成快速的數據傳遞。這樣利用數字信號處理器作為現場信息采集、處理，計算的信息處理器，利用單片機處理器作為現場控制、驅動、設置等的控制處理器，來完成CO2短路過渡復雜動態(tài)過程的多任務實時控制。
本發(fā)明另一個關鍵的技術是單片機處理器和數字信號處理器均對信號檢出電路(電流有/無、短路/燃弧)進行檢測，以保證二處理器在焊接過程中的嚴格同步1)在單片機處理器的控制方面，主要在于焊接過程的啟動和停止及斷弧現象的檢測，當單片機處理器通過信號檢出電路檢出電流有時，在引弧時則啟動焊接過程；當檢出電流無時，正常情況則結束焊接過程，非正常情況則為斷弧現象。2)在數字信號處理器的控制方面，除了包括信號檢出電路在單片機處理器的控制方面的作用外，還進行短路和燃弧的檢測，當數字信號處理器通過信號檢出電路檢出短路時，進行短路期的控制；否則，進行燃弧期的控制。
本發(fā)明中，數字控制任務包括工藝參數設置、過程參數設置、CO2短路過渡過程時序控制、現場參數顯示、CO2短路過渡過程參數采集、復雜電源外特性及焊接電流波形控制、故障診斷控制。
1)單片機處理器分配到的控制任務包括工藝參數設置、過程參數設置、焊接過程時序控制、現場參數顯示，由4個步驟完成①工藝參數設置工藝參數包括CO2/MAG的焊接方法選擇、實芯/藥芯的焊絲材料選擇、1.2mm/1.0mm的焊絲直徑選擇、一元化調節(jié)/個別調節(jié)的參數調節(jié)方式選擇、脈沖焊/直流焊的焊接電流形式選擇，單片機處理器通過工藝選擇電路對這五個工藝參數進行檢測，當檢測信號為“1”，則為相應參數的上檔參數，否則為相應參數的下檔參數；②過程參數設置過程參數包括焊接電壓、焊接電流、一元化參數(在一元化調節(jié)中)、脈沖電流(在脈沖焊中)、基值電流(在脈沖焊中)、脈沖頻率(在脈沖焊中)、脈沖時間(在脈沖焊中)，這7個過程參數將根據工藝參數設置的結果進行設置，單片機處理器通過人機對話接口讀取過程參數設置鍵盤，根據讀取的鍵盤值，首先判斷對那個參數進行設置，然后對后面的鍵盤輸入數據進行讀取，完成該參數的設置。
③焊接過程時序控制焊接過程包括預氣階段、慢送絲引弧階段、正常焊接階段、防粘絲階段、延氣階段五個階段，是單片機處理器通過時序控制電路輸出控制信號，對焊接電源、送絲機、電磁氣閥、慢送絲/正常送絲切換這四個受控對象的控制在預氣階段，打開電磁氣閥，并由單片機處理器中的定時器進行預氣時間的定時，時間在100ms～500ms之間可調；在慢送絲引弧階段，控制切換到慢送絲檔，打開電源和送絲機，慢送絲速度固定，由實驗確定；在正常焊接階段，控制切換到正常送絲檔，送絲速度由在過程參數設置過程中的焊接電流設置決定；在防粘絲階段，停止送絲機，讓焊絲回燒，并由單片機處理器中的定時器進行防粘絲時間的定時，時間有380ms防粘絲定時和100ms防粘絲定時，定時結束后關掉電源；在延氣階段，由單片機處理器中的定時器進行預氣時間的定時，時間在100ms～500ms之間可調，關掉電磁氣閥。
④現場參數顯示顯示上述①的工藝參數、②的過程參數、③的焊接過程時序控制時五個階段的現場參數。
2)數字信號處理器分配到的控制任務包括電源外特性確定和波形控制算法確定、CO2短路過渡動態(tài)控制、故障診斷控制，由3個步驟完成①電源外特性確定和波形控制算法確定采用的電源外特性包括恒壓外特性、恒流外特性、緩降外特性，其控制規(guī)律采用具有比例系數Kp、積分系數Ki兩個調節(jié)參數的PI控制，采用的波形控制算法包括CO2短路過渡小電流瞬短抑制I1、短路電流上升速度(di/dt)1、小電流縮頸爆斷I2、燃弧脈沖電流I3、燃弧電流下降速度(di/dt)2、燃弧基值電流I4這六種情況的波形控制。不同焊接工藝時的不同過程參數和不同焊接階段，采用不同的PI控制的比例系數Kp和積分系數Ki及各波形控制參數I1、(di/dt)1、I2、I3、(di/dt)2、燃弧基值電流I4。在短路初期和后期，采用恒流電源外特性，在燃弧的初期和后期，同時采用恒壓外特性和恒流外特性，而在燃弧中期，采用恒壓外特性。
②CO2短路過渡動態(tài)控制主要由參數采集、焊接階段判斷、外特性及波形控制算法計算、控制輸出四個小步驟首先通過數字信號處理器中的A/D接口和數據采集電路對焊接電流和焊接電壓進行采集，采集頻率為100μs，并對采集到的數據進行濾波處理，計算電流變化速度(di/dt)和電壓變化速度(du/dt)；根據單片機處理器傳遞得到具體的焊接階段信息和信號檢出電路獲取焊接電流特征參數(電流有無)和短路特征參數(短路/燃弧)進行焊接階段的判斷；外特性及波形控制算法計算通過①中選擇的不同工藝參數、不同過程參數和不同焊接階段的外特性算法和波形控制算法進行計算；最后將計算的結果通過數字信號處理器的PWM接口控制輸出到PWM驅動電路。
③故障診斷控制上述①或②之后均進行故障診斷控制。故障包括網壓的過壓和欠壓、功率元件的過熱、焊接電流的過流和功率開關元件的過流，故障診斷控制包括故障檢測、故障診斷、故障報警、故障處理、報警消除五個動作。通過數字信號處理器的不可屏蔽中斷對故障進行檢測當無故障時，直接結束該過程；當有故障時，用查詢的方法診斷是那個故障，然后控制故障報警指示燈進行相應故障的報警，對故障的處理采用關掉焊接電源和送絲機、停止控制輸出的手段，處理完后，解除相應的報警(即關閉相應的故障報警指示燈)。
本發(fā)明數字信號處理器，具有豐富的運算功能和快速計算能力，快速實時地進行動態(tài)短路過渡過程參數檢測和復雜電源外特性算法的實現，作為現場信息采集、處理，計算的信息處理器；利用單片機處理器強大的驅動控制能力實時地進行焊接工藝和焊接過程參數設置、CO2短路過渡過程時序控制、現場參數的動態(tài)顯示，作為控制、驅動、設置等的控制處理器；并進一步通過單片機處理器和數字信號處理器的通信能力，實現雙處理器之間的快速通信，構成基于雙處理器通信結構的CO2焊機的完整控制系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明單片機處理器的控制框圖如圖1所示，單片機處理器的控制框圖，有參數設置過程、焊接過程兩部分，完成焊接過程控制、工藝參數設置、過程參數設置和現場參數顯示四個任務，在參數設置過程中主要完成工藝參數設置和過程參數設置；在焊接過程中主要完成CO2短路過渡過程時序控制；而參數顯示在這兩大過程中均存在。參數設置過程與焊接過程由過程開關檢測的檢測結果來決定具體進入哪一個過程。當檢測到過程開關在焊接位置，則進入到焊接過程；當檢測到過程開關在參數設置位置，則進入參數設置過程。
圖2為本發(fā)明數字信號處理器的控制框圖如圖2所示，數字信號處理器的控制框圖，同步單片機處理器的控制，數字信號處理器的控制也有兩大過程參數設置過程和焊接過程，完成電源外特性確定和波形控制算法確定、CO2短路過渡動態(tài)控制、故障診斷控制三個任務。在參數設置過程中完成電源外特性確定和波形控制算法確定，在焊接過程中進行CO2短路過渡動態(tài)控制，此二過程的最后均進行故障診斷控制。數字信號處理器通過接受單片機處理器傳遞過來的過程信息進行判斷，當為設置信息時，進入過程參數設置過程；當為焊接信息時，進入焊接過程。
具體實施例方式
實施例1.工藝參數設置(通過焊接電源面板上的5個工藝選擇開關)①焊接方法選擇開關CO2/MAG；②焊絲材料選擇開關實芯/藥芯；
③焊絲直徑選擇開關1.2mm/1.0mm；④參數調節(jié)方式選擇開關一元化調節(jié)/個別調節(jié)；⑤焊接電流形式選擇開關脈沖焊/直流焊。
2.過程參數設置①焊接電壓15～26V；②焊接電流40～350A；3.焊接過程完成技術指標①預氣時間100ms～500ms可調；②慢送絲速度1～2m/min可調；③防粘絲時間380ms和100ms；④延氣時間100ms～500ms可調。
4.現場參數顯示①工藝參數；②過程參數；③焊接過程的五個階段預氣、慢送絲引弧、正常焊接、防粘絲、延氣。
5.電源外特性燃弧時采用恒壓外特性，短路初期0.8ms內為恒流外特性；6.波形控制短路初期0.8ms內進行瞬短抑制；7.電源系統(tǒng)故障①網壓的過壓和欠壓≥10％；②焊接電流的過流＞400A。
本發(fā)明的最突出優(yōu)點在于充分利用雙處理器各自優(yōu)勢和功能，在對于實時性較強的CO2短路動態(tài)過渡復雜精細過程的控制，很好地解決了靜態(tài)電源外特性、動態(tài)焊接電流波形控制的時間并置發(fā)生的問題，同時根據雙處理器合理的任務搭配，很好地完成CO2短路過渡過程中各特征階段精細的外特性調節(jié)控制，具有很強的實時性和可控性；同時充分利用數字信號處理器各種豐富的運算能力和快速運算的指令結構，對大量焊接現場信息的快速采集處理提供了強有利的支持，并進行任意電源外特性的計算和優(yōu)化控制規(guī)律的選擇；更進一步地，在數字信號處理器上方便的進行數字信號處理、專家數據庫的建立，使CO2短路過渡過程的控制提升到了數字化、信息化的高度上，在很大程度上使由它控制的CO2焊機具有先進、新穎、和高檔次。鑒于該技術在焊接設備及方法技術領域中很少開發(fā)應用，因此該開發(fā)成果在焊接領域具有一定的先進性和前沿性。
權利要求
1.一種短路過渡CO2焊的通信結構的數字控制方法，其特征在于，用數字信號處理器和單片機處理器雙處理器的雙處理器結構，進行對CO2動態(tài)短路過渡過程多任務控制的合理任務分配，控制任務包括工藝參數設置、過程參數設置、焊接過程時序控制、現場參數顯示、CO2短路過渡過程參數采集、復雜電源外特性及焊接電流波形控制、故障診斷控制，具體如下1)單片機處理器分配到的控制任務包括工藝參數設置、過程參數設置、焊接過程時序控制、現場參數顯示，由4個步驟完成①工藝參數設置工藝參數包括CO2MAG的焊接方法選擇、實芯/藥芯的焊絲材料選擇、1.2mm/1.0mm的焊絲直徑選擇、一元化調節(jié)/個別調節(jié)的參數調節(jié)方式選擇、脈沖焊/直流焊的焊接電流形式選擇，單片機處理器通過工藝選擇電路對這五個工藝參數進行檢測，當檢測信號為“1”，則為相應參數的上檔參數，否則為相應參數的下檔參數；②過程參數設置過程包括焊接電壓、焊接電流、一元化參數、脈沖電流、基值電流、脈沖頻率、脈沖時間，這7個過程參數將根據工藝參數設置的結果進行設置，單片機處理器通過人機對話接口讀取過程參數設置鍵盤，根據讀取的鍵盤值，首先判斷對那個參數進行設置，然后對后面的鍵盤輸入數據進行讀取，完成該參數的設置；③焊接過程時序控制焊接過程包括預氣階段、慢送絲引弧階段、正常焊接階段、防粘絲階段、延氣階段五個階段，是單片機處理器通過時序控制電路輸出控制信號，對焊接電源、送絲機、電磁氣閥、慢送絲/正常送絲切換這四個受控對象的控制在預氣階段，打開電磁氣閥，并由單片機處理器中的定時器進行預氣時間的定時，時間在100ms～500ms之間可調；在慢送絲引弧階段，控制切換到慢送絲檔，打開電源和送絲機，慢送絲速度固定，由實驗確定；在正常焊接階段，控制切換到正常送絲檔，送絲速度由在過程參數設置過程中的焊接電流設置決定；在防粘絲階段，停止送絲機，讓焊絲回燒，并由單片機處理器中的定時器進行防粘絲時間的定時，時間有380ms防粘絲定時和100ms防粘絲定時，定時結束后關掉電源；在延氣階段，由單片機處理器中的定時器進行預氣時間的定時，時間在100ms～500ms之間可調，關掉電磁氣閥；④現場參數顯示顯示上述①的工藝參數、②的過程參數、③的焊接過程時序控制時五個階段；2)數字信號處理器分配到的控制任務包括電源外特性確定和波形控制算法確定、CO2短路過渡動態(tài)控制、故障診斷控制，由3個步驟完成①電源外特性確定和波形控制算法確定采用的電源外特性包括恒壓外特性、恒流外特性、緩降外特性，其控制規(guī)律采用具有比例系數Kp、積分系數Ki兩個調節(jié)參數的PI控制，采用的波形控制算法包括CO2短路過渡小電流瞬短抑制I1、短路電流上升速度(di/dt)1、小電流縮頸爆斷I2、燃弧脈沖電流I3、燃弧電流下降速度(di/dt)2、燃弧基值電流I4這六種情況的波形控制，不同焊接工藝時的不同過程參數和不同焊接階段，采用不同的PI控制的比例系數Kp和積分系數Ki及各波形控制參數I1、(di/dt)1、I2、I3、(di/dt)2、燃弧基值電流I4，在短路初期和后期，采用恒流電源外特性，在燃弧的初期和后期，同時采用恒壓外特性和恒流外特性，而在燃弧中期，采用恒壓外特性；②CO2短路過渡動態(tài)控制主要由參數采集、焊接階段判斷、外特性及波形控制算法計算、控制輸出四個小步驟首先通過數字信號處理器中的A/D接口和數據采集電路對焊接電流和焊接電壓進行采集，采集頻率為100μs，并對采集到的數據進行濾波處理，計算電流變化速度(di/dt)和電壓變化速度(du/dt)；根據單片機處理器傳遞得到具體的焊接階段信息和信號檢出電路獲取焊接電流特征參數和短路特征參數進行焊接階段的判斷；外特性及波形控制算法計算通過①中選擇的不同工藝參數、不同過程參數和不同焊接階段的外特性算法和波形控制算法進行計算；最后將計算的結果通過數字信號處理器的PWM接口控制輸出到PWM驅動電路；③故障診斷控制上述①或②后均進行故障診斷控制。故障包括網壓的過壓和欠壓、功率元件的過熱、焊接電流的過流和功率開關元件的過流，故障診斷控制包括故障檢測、故障診斷、故障報警、故障處理、報警消除五個動作，通過數字信號處理器的不可屏蔽中斷對故障進行檢測當無故障時，直接結束該過程；當有故障時，用查詢的方法診斷是那個故障，然后控制指示燈進行相應故障的報警，對故障的處理采用關掉焊接電源和送絲機、停止控制輸出的手段，處理完后，解除相應的報警。
2.根據權利要求1所述的短路過渡CO2焊的通信結構的數字控制方法，其特征是，關鍵在于通過通信串口在單片機處理器和數字信號處理器之間進行快速的數據傳遞單片機處理器在進行焊接過程時序控制任務時顯示的參數由數字信號處理器傳遞給單片機處理器；數字信號處理器的電源外特性確定和波形控制算法確定需根據單片機處理器傳遞過來的焊接工藝及過程參數，而在CO2短路過渡動態(tài)控制中的焊接階段判斷需要單片機處理器傳遞得到具體的焊接階段信息。
3.根據權利要求1所述的短路過渡CO2焊的通信結構的數字控制方法，其特征還在于，單片機處理器和數字信號處理器均對信號檢出電路進行檢測，以保證二處理器在焊接過程中的嚴格同步1)在單片機處理器的控制方面，主要在于焊接過程的啟動和停止及斷弧現象的檢測，當單片機處理器通過信號檢出電路檢出電流有時，在引弧時則啟動焊接過程；當檢出電流無時，正常情況則結束焊接過程，非正常情況則為斷弧現象。2)在數字信號處理器的控制方面，除了包括信號檢出電路在單片機處理器的控制方面的作用外，還進行短路和燃弧的檢測，當數字信號處理器通過信號檢出電路檢出短路時，進行短路期的控制；否則，進行燃弧期的控制。
全文摘要
一種焊接技術領域的短路過渡CO
文檔編號B23K9/09GK1613592SQ20041008454
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月25日 優(yōu)先權日2004年11月25日
發(fā)明者何建萍, 孫廣, 張春波, 華學明, 吳毅雄, 曹平, 孫光明, 施成源 申請人:上海交通大學, 上海冠達爾鋼結構有限公司