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电弧焊的数字化发展
双击自动滚屏 发布者:chinaweld 发布时间:4/10/2006 阅读:4952

 

 

电 弧 焊 的 数 字 化 发 展

 

——新型电弧焊机&机器人系统

 

松田健一   浜本康司

 

 

AbstractRecently,Digital Controlhas been the trend for all electronic devices.

This is also the case for welding machines. There are machines using “Digital Control” for “current wave shape control” or “high speed feed back control”.

But most of semi - automatic welding machines still use analog control for “wire feed control” or “condition setting control”, because this requires to use industrial robots or dedicated automation systems. Therefore by means of repeatability and accuracy, analogue control is still not in the level to full fill the quality of customer need.

In this report, I will explain about “Digital Control” used in welding machine, advantage of this technology and the future forecast.

Key wordsArc welding, digital control, power source

 

0             

 

近年来,身边的电器的数字化风潮急剧扩展,现在数字控制已经形成了主流。

关于焊接电源数字化的趋向,在焊接输出控制及指令控制中从20世纪80年代开始一直推进着数字化,现在实现焊接电流波形控制及高速反馈控制等数字化焊接电源大量存在。但是,送丝的数字化及输出设定的数字化还停留在通过机器人及自动机器等实现,在半自动焊接中使用的大多数焊接电源在送丝控制及输出设定控制中还持续着模拟控制。而且模拟控制在再现性和精度上不一定能够满足谋求的高焊接质量。

在本文中将为大家介绍在焊接机器中数字化的发展以及今后的展望。

 

1           数字控制焊机

 

数字控制焊机的最大特点是再现性。当然,施工条件变化及焊接施工母材变化等情况的影响不能排除在外,但通过数字输入器正确的进行条件设定,能够得到相同的焊接电弧。这种控制在恒定电流特性、非熔化极的TIG焊机和恒定电压特性、熔化极的CO2/MAG焊机有所不同。

1.1    数字控制TOG焊机

在恒定电流特性的TIG焊机中,进行着和模拟控制同样的定电流的高速反馈控制。但是,为了使反馈控制的应答时间提高通过将逆变频率提高到约是模拟机的2倍,可以用模拟机的1/2的时间将高速反馈控制反映到焊接输出中。因此,使输出电流的脉动率降低,反馈应答性提高了约2倍。其结果,通过安定的焊接输出,1A单位的电流值设定也可以对应。

具有通信功能,可与机器人、电脑连接。在机器人连接中,仅通过一根通信电缆和松下公司机器人连接,焊接的全部控制功能都可在机器人的示教器上进行。通过普通电脑装备的串联接口和1根电缆就可进行条件设定、存储调用等输出控制和输出电流的监测。

1.2    数字控制CO2/MAG焊机

在恒定电压特性的CO2/MAG焊机中,单凭借高速反馈控制并不能实现稳定的焊接。在用熔化极(焊丝)反复和母材短路口产生电弧的CO2/MAG焊接中,对焊接输出稳定性影响最大的是送丝。当每次焊接速度不同或者在焊接中送丝变动时,就不能实现焊接100%的再现性。以往使用的是一般的印刷电动机,利用电动机旋转时产生的感应电压来检测电动机旋转数,这种方式叫感应电压反馈方式。在感应电压反馈方式下,无常当电动机产生的感应电压有个体离散性时,既使给于电动机的旋转指令值一定,输出的转数也会变化。结果,在焊机间产生离散性,不能进行充分焊接再现。在图1中表示的是模拟控制和数字控制差异的方块图。

 

弥补此不足的关键是数字信号控制的数字送丝机。通过此数字送丝机能够正确的检测电动机的旋转状态,使送丝稳定化,确保再现性。

 

2 数字控制的效果(Ⅰ)

 

CO2焊机中显示出了以上概略说明的数字控制的效果。

2.1    实验方法

使用将输入、输出信号全部为数字信号的焊接电源,焊丝为碳钢ф1.2mm,保护气体为CO2100%(体积分数)。送丝速度变化通过在焊丝上照射激光,用多普勒传感器测定反射波。关于短路间隔测定,通过在电脑上装载的波形处理软件计算电压波形。

2.2    实验结果及考察

首先显示的是与送丝相关的结果。在图2中显示的是焊接电源的一次输入电源电压发生200V±10V的变动时送丝速度的变化量(旋转数)。相对于模拟控制中的变化率1.54%。,数字控制中的变化率为0.16以内。

 

在图3中显示为定速送丝时的送丝速度变位分布。相对于模拟控制中的分布为标准偏差σ=0.06,数字控制中的分布为标准偏差σ=0.04

 

下面显示的是与输出波形相关的结果。在溶滴过渡区间进行模拟控制和数字控制的焊接波形比较时,发现在数字控制中可观测到周期性的短路。在图4中显示的是模拟控制中的短路时间间隔分布。

 

在图5中显示的是数字控制中的短路时间间隔分布。相对于模拟控制中的分布为标准偏差σ=5.06,数字控制的分布为标准偏差σ=3.47

 

通过以上结果可以判定,通过数字控制使送丝稳定性提高。

 

3 数字控制的效果(Ⅱ)

 

关于在TIG焊机中显示出的数字控制的效果。

3.1    交流输出频率的影响

通过数字控制交流输出频率最大可扩展到400Hz,表现出和以往的70100Hz领域中交流TIG焊接施工的比较结果。

3.2   电弧集中性

6照片1中显示为交流50Hz400Hz时的电弧状态。在电极正下方的电弧中心部基本没看到差别;但是在电弧周边部,与50Hz相比,400Hz时抑制了从电极上部放电,可判定为全体电弧都集中到电极端部。

6照片2中显示的是在同一焊接条件中,将交流输出频率变化为50Ha200Hz400Hz时的焊缝断面。

可以看到频率增加的同时熔深变浅,其关系如图7所示。由图可看出,不仅熔深深度而且熔深的截面积也随频率的增加而减少。此结果和在有效电流值相等时,频率越高,电弧越集中,熔深越深的一般预想相反。一般在电磁收缩效应以及热收缩效应下电弧集中时,通过电弧压力带来的掘下力使熔深变深。

关于交流输出频率增加时熔深变浅的原理,成立以下的假定学说。比较1周期的正极性(EN)时间及负极性(EP)时间时,输出频率400Hz50Hz8倍。正极性时从在电极上形成的阴极点上向母材释放电子在母材上形成熔池,由于在50Hz1周期释放的电子持续时间长,可推定在电极温度上升的同时,电子放出量增加熔池扩大的效果明显。400Hz时在电子放出量增加之前由于进行极性切换,和50Hz时相比熔池的扩大受到了抑制。而且,负极性时在母材上形成的阴极点在除去氧化膜的同时移动,50Hz时由于1周期移动时间长,所以氧化膜除去(清除)的范围扩大。400Hz时由于在清除范围扩大之前进行极性切换,所以电弧集中。

 

3.3    电极消耗量的降低

8中显示的是交流频率和钨极消耗尺寸的关系,可观测到随着频率的上升电极消耗降低的结果。如前面所述,由于频率越高释放电子的持续时间越短,推断电极的发热受到控制。

 

4  对应数字控制焊机的机器人

 

前面介绍了通过直接数字信号来控制数字,控制CO2焊机的机器人。其最大的特点是通过机器人的示教器直接设定各种焊接参数及焊接模式,使非常细微的波形控制成为可能,可轻松实现高速条件下的高质量焊接。而且,通过新装载的高速粘丝检测功能使生产节拍时间大幅度缩短的同时,由于具有包括外部轴控制功能,节约生产现场的面积。其性能除了能全部发挥前面

所述的数字焊机性能之外,还能通过机器人特有的指令来实现生产节拍时间的缩短和焊接品质的提高。而且在示教器上装载了WindowsCE,通过综合控制系统实现了全世界通用的人机接口使操作性大幅提高。增加了3点自动开关及安全电路的双重化等设计,可轻松对应美国的UL规格和欧洲的CE规格等 。作为和外部机器的连接功能,装载了DeviceNet Ethernet 等网络功能的同时,还装载了可使3台机器人协调工作的多机械控制功能,为生产率的提高做出了重大贡献。

除对应数字控制CO2焊机以外还可对应脉冲MAG/MIG焊机,外观如图9所示。

 

5  MIG铝焊接机器人系统

 

在汽车行业中,正谋求着车体的轻型化,作为轻型化的原材料铝倍受瞩目,对能够进行高品质、高效率化的铝焊接机器人系统需求强烈。在铝焊接的生产技术中最严重的不良原因是送丝的问题。作为解决送丝问题的手段就是装载了推拉丝送丝机 MIG Force 的铝MIG焊接机器人系统。图10MIG Force的拉丝焊枪部的外观。

MIG Force 的特点是,通过在送丝机构上采用着游星送丝轮的送丝结构紧凑,通过游星送丝轮的焊丝校正作用能够使焊丝选定位置稳定。而且,通过旋转构造部的低惯性化和AC伺服电动机控制,实现了稳定送丝和高速应答。又进一步装载了焊丝压曲检测回路,在预防压曲不良的同时装载着扭矩限制器式推丝装置。本系统通过直接控制机器人的送丝伺服电动机,使ф0.8~ф1.6mm焊接用铝MIG焊丝在20m/min(最大)的速度下可实现稳定送丝。通过和松下公司的数字控制脉冲MIG电源组合实现了最高焊接速度5m/min的高速铝焊接。

 

6 桶装焊丝用送丝辅助装置

 

下面介绍的是为桶装焊丝送丝装置开发的推丝装置Wire BoosterWire Booster为松下独自开发,不需要复杂的同期控制,对焊丝材质、焊丝直径、焊接方法没有特别要求,可以广泛的使用。

11中显示为Wire Booster的外观。

使用此Wire Booster时,不仅可使送丝负荷阻力极大地减小,防止送丝管磨擦及镀金脱落,还降低了消耗品成本和维护的工时费用。另外,最大可送丝长度为30m,可以将桶装焊丝集中设置,使工厂布局的自由度大幅提高。

 

7 今后的展望

 

将数字TIG焊机、数字CO2/MAG焊机产品化后,其反响比预想的要强烈,切身感到用户对数字控制的高度期待。通过熟练作业者的感性及经验所摸索出的“诀窍”,需要向下一代传授,“再现性”不用说是熟练作业者的技能,具有条件设定的数字焊机可确保再现性。今后熟练作业者所积累的经验怎样传授继承成为一个重点。在软件方面的提高也是今后被期待的对象,就是将必要的数据及熟练作业者的“技巧诀窍”进行详细分析使之数值化。

 

8 结束语

 

数字化对焊接性能的提高有很大的贡献,在焊接品质的提高和管理上是有用的工具。确信今后数字技术和焊接技术将进一步紧密结合。

 

 
 
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