gmawp数字电源设计及熔滴过渡特征信号提取与建模研究

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1、摘要GMAW．P数字电源设计及熔滴过渡特征信号提取与建模研究摘要脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)在工业生产中的应用日益广泛。当前，铝合金等材料的广泛应用，由此而带来的新工艺等对焊接设备提出了更高的要求。GMAW-P焊接方法在应用中存在的其中一个工艺问题就是：弧长稳定性。由于GMAW-P焊接过程中，脉冲电流波形不断地在基值与峰值电流之间进行切换，因此弧长也在两个值之间不断变化，很容易出现导电嘴的回烧。如何有效的控制电弧长度是GMAW-P亟待解决的工艺问题之一。GMAW-P熔滴形成、长大及过渡与脉冲参数有着密切的关系，而GMAW-P熔滴过渡过

2、程对GMAW-P焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量有重要影响。如何能有效、精确控制熔滴过渡的形式，实现精确的一脉一滴熔滴过渡过程也是GMAW巾研究的一个重要任务。对于GMAW-P焊接电源，应用环境多为开放式的车间或野外，各种高频信号干扰容易导致数字焊接电源发生故障。目前，GMAW-P数字焊接电源从控制方案设计角度存在以下问题：1)采用单一的CPU，信号高度集中；2)资源独占，程序设计复杂；3)可靠性不高，某一环节的问题可能会导致系统的瘫痪。针对当前GMAW-P数字焊接电源存在的问题，应用模块化理论，计算各零部件之间的相似程度系数，形成模糊相似矩

3、阵，从数字控制角度对GMAW-P焊接电源系统进行了模块划分。系统的主模块分为主回路模块和控制模块。控制模块又包括信息交互模块、过程控制模块、辅助功能模块三大部分。信息交互模块与过程控制模块分别采用DSP和MCU独立控制。过程控制模块以DSP为核心，通过RS一485总线与MCU控制的信息交互模块采用软件握手的方式进行数据通讯，实现对GMAW-P焊接过程中脉冲电流、电弧长度控制。此外，通过CAN总线实现了GMAW-P焊接电源与PC机之间的通讯，方便的进行产品的升级。双CPU设计将管理功能与算法功能摘要合理分配，为优化GMAW-P工艺奠定了基础。采

4、用模块化熵s”=三罗卵度量系统P。t。=。‘i的模块化程度，其中，P为产品模块化的级数；f为模块的级别。论文分析了GMAW-P焊接电源的故障类型，研究了GMAW-P焊接电源系统的可靠性。采用分层控制技术，构建了GMAW-P焊接电源系统故障树模型。确定了故障传播的逻辑关系，根据传播矩阵来确定各故障节点的排查次序。如果故障一旦发生，从直接导致顶事件发生的第一级节点按照排查次序检查各个节点，快速确定故障源，提高故障的诊断效率。根据故障的关键重要度采用了不同的处理方法，可以有效的节约DSP的软件资源，并且快速的处理异常状况，达到保护焊接电源的目的。理

5、想的GMAW-P一脉一滴熔滴过渡方式可以保证熔滴尺寸的一致性，而脉冲频率与熔滴直径有着密切关系：／=七·吁／D。一个脉冲周期内焊丝熔化的体积由两部分组成，一部分为发生过渡的熔滴体积九，另一部分为没有过渡而残留在焊丝端部的熔化金属的体积以。基于对焊丝端部熔化金属体积的考虑，修正了GMAW-P熔滴过渡时熔滴的尺寸与脉冲频率的关系方程：厂=F晴+吁／D，占：÷‘：————F———』霉竺====可——一，s为考虑熔滴过渡后残余占=—L=————下—————======可—一，6为考虑烙、倜恕拔庙残余九+方3a02西一叫2露一只2一√名木(露一R2)I

6、+4万3R3熔滴的体积系数。修正公式为优化选择脉冲参数提供了理论支持。建立了等速送丝GMAW-P系统传递函数，从控制理论角度解释缓降外特性对于GMAW-P电弧弧长控制的必要性。针对GMAW-P焊接的特点，对GMAW-P弧长适应控制展开研究，设计了频率一特性复合弧长控制器。一方面通过脉冲频率控制使弧长保持稳定，同时，控制焊接电源的外特性，以保证脉冲频率在小范围内波动。台阶试验和爬坡试验表明，该控制方法的调节过程快速、稳定。一方面通过电压反馈，调节基值时间；同时，监控每个脉冲周期的平均电流变化情况，根据平均电流的大小来实时优化电压给定值，通过焊接

7、电源外特性控制，以保证维持稳定弧长的条件下脉冲频率的波动范围在±10％以内。在弧长受到扰动的当前脉冲周期内及时调整焊接电压的设定值，对于防止焊丝回烧或抑制短路的发生具有重要的意义。Ⅱ摘要i

8、一——i'liiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii搭建了基于LabVIEW技术和高速摄像的GMAW-P多信息采集分析系统，将焊接过程中的电信号与图像信号相结合，实现了焊接过程的电流、电压与熔滴过渡形态的量化对应，为分析熔滴过渡过程提供了动态信息。基于此系统平台，进行GMAW-P焊接工艺实验，综合分析熔滴过渡的图像信息及同步对应的电信号，提

9、取了GMAW-P熔滴过渡过程特征信号。在一个脉冲周期内熔滴脱离焊丝过渡是一个电，热，力等相互作用，且伴随着各种干扰，复杂的物理化学过程。其中大量随机的、不确定的影响