電焊機(jī)的數(shù)字化

          數(shù)字信號(hào)處理相對(duì)于模擬信號(hào)處理具有很大的優(yōu)越性，表現(xiàn)在精度高、靈活性大、可靠性好以及易于犬規(guī)模集成等方面。因此．?dāng)?shù)字信號(hào)處理技術(shù)在通信、語(yǔ)音處理、圖形／圖像處理、自動(dòng)控制、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用川。作為數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與弧焊工藝結(jié)合的產(chǎn)物，數(shù)字化焊機(jī)的出現(xiàn)引起了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。本文將對(duì)效字化埠機(jī)的概念、特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方式及其未來(lái)的發(fā)晨前景進(jìn)行探討。

1 數(shù)字化焊機(jī)及其特點(diǎn)

          因?yàn)閿?shù)字化掉機(jī)出現(xiàn)得比較晚，例如nD“m是在1998年才開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字化埠機(jī)的生產(chǎn)，因此剜目前為止還沒(méi)有形成敷字化焊機(jī)的統(tǒng)一的、得到各個(gè)方面認(rèn)同的定義。作者理解．所謂數(shù)字化焊機(jī)應(yīng)當(dāng)是指這樣—些焊機(jī)，它們主要的控制電路由傳統(tǒng)的模擬技術(shù)直接被數(shù)字技術(shù)所代瞢，在控制電路中的控制信號(hào)也隨之由模擬信號(hào)過(guò)渡到0／l編碼的數(shù)字信號(hào)。

          在計(jì)算控制技術(shù)的發(fā)展中經(jīng)歷過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵的階段，即開(kāi)創(chuàng)時(shí)期和直接效字控謝時(shí)期。在開(kāi)刨時(shí)期，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度慢、價(jià)格高，也不可靠，因此這個(gè)階段的計(jì)算控制主要以兩種方式進(jìn)行。一種方式是計(jì)算機(jī)打印出指令給操作者；另一種方式是計(jì)算機(jī)修改模擬調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。進(jìn)入直接數(shù)字控制時(shí)期后，計(jì)算機(jī)的任務(wù)不再局限于向操作者發(fā)送指令和謦改摸{I重l調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而是直接替代了模擬調(diào)節(jié)器的功能”J。在數(shù)字化焊機(jī)的發(fā)晨中同樣有與此類似的兩個(gè)階段。以∞蛆或∞c196為代表的單片機(jī)控制弧焊逆變電源基本上屬于數(shù)字化焊機(jī)開(kāi)創(chuàng)時(shí)期的產(chǎn)品。其主要特征就是單片機(jī)在焊機(jī)中的主要作用是完成焊機(jī)的蕾理和焊接參數(shù)的給定。而焊接工藝中的恒壓、恒流控制則通過(guò)模擬的PI(比例積分)控制器來(lái)完成。當(dāng)然這并不是絕對(duì)的．在有些單片機(jī)控制的可控硅焊機(jī)中，從參數(shù)設(shè)定、焊接參數(shù)反饋采樣、Pl控制，到可控硅觸發(fā)脈沖的發(fā)生都是由單片機(jī)完成的。這種情況下的單片機(jī)控制的弧焊電源就應(yīng)當(dāng)屬于直接數(shù)字控制時(shí)期的產(chǎn)品。從某種意義上說(shuō)，只有在數(shù)字化焊機(jī)進(jìn)人到直接數(shù)字化階段才真正地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，才充分體現(xiàn)出了數(shù)字化控制所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

          不言而喻，數(shù)字化控制具有很好的系統(tǒng)靈活性。對(duì)于模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)的配量和增益由阻容網(wǎng)絡(luò)等硬件參數(shù)所決定，一旦確定就很難改變。而對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，這一切僅僅是改變軟件而已。對(duì)于數(shù)字化焊機(jī)來(lái)說(shuō)，靈活性意昧著同一套硬件電路可以實(shí)現(xiàn)不同的焊接工藝控悄，對(duì)于不同焊接工藝方法和不同焊絲材料、直徑可以選用不同的控制策略、控制參數(shù)，從而使焊機(jī)在實(shí)現(xiàn)多功能集成的同時(shí)，每一種焊接工藝方法的工藝效果也將得到大幅度的提高。以c0，焊接短路過(guò)渡的波形控制為例，短路時(shí)的電流波形決定了其焊接飛濺的大小和焊縫成形的好壞，并且對(duì)于不同的焊絲直徑和焊接工藝區(qū)間．最佳的電流波形會(huì)有所區(qū)別。在采用模擬控制時(shí)，往往是按照兼顧整個(gè)工藝區(qū)間的原則來(lái)選取電流波形，這樣就必然造成部分區(qū)間的工藝效果的不理想。數(shù)字化控鑭的靈活性同時(shí)也體現(xiàn)在數(shù)字化焊機(jī)的控稍軟件的在線升級(jí)的功能上。由于采用n∞h作為存儲(chǔ)器，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)上增加了在線的n*h編程功能，因此，數(shù)字化焊機(jī)的控制程序升級(jí)或在線調(diào)試修改，只需要簡(jiǎn)單地通過(guò)Rs232串行通訊接口進(jìn)行。

          數(shù)字化焊機(jī)的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是它具有更好的穩(wěn)定性。在模擬系統(tǒng)中．信號(hào)的處理是通過(guò)有潦或無(wú)源的電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的，處理參數(shù)的設(shè)定通過(guò)電阻、電容參數(shù)的選擇來(lái)完成。這樣在模擬系統(tǒng)中阻容參數(shù)的容差、漂移必然導(dǎo)蕺控制器參數(shù)的變化，一方面模擬控制的溫度穩(wěn)定性較差，另一方面模擬控制時(shí)的產(chǎn)品一致性難以保證。而在數(shù)字化控制中，信號(hào)的處理或控制算法的實(shí)施是通過(guò)軟件的加／堿、乘／除運(yùn)算來(lái)完成的，因此其穩(wěn)定性好，產(chǎn)品的一致性也得到了很好的保證。數(shù)字化焊機(jī)具有更高的控制精度。模擬控制的精度一般由元件參數(shù)值引起的誤差和運(yùn)算放大器非理想特性參數(shù)(如A。^“、％。、，循、噪聲等)引起的誤差所決定。以反向放大器電阻網(wǎng)絡(luò)引起放大倍數(shù)的相對(duì)誤差為倒，放大倍數(shù)IA，．I=瑪?shù)瑁?，其相?duì)誤差h=訛一|y。，這里*=△尺1／Rl，竹=△掣瑪為電阻R，和馬的相對(duì)誤差”J。如果月．和五：的相對(duì)謾差同為±5％，則放大倍數(shù)的相對(duì)誤差為±10％。而數(shù)字化控鑭的精度僅僅與模一數(shù)轉(zhuǎn)化的量化誤差及系統(tǒng)有限字長(zhǎng)有關(guān)，如果對(duì)一個(gè)O—lO V變化的信號(hào)進(jìn)行10位模一數(shù)轉(zhuǎn)化的話，模一數(shù)轉(zhuǎn)化中n 1 1n的量化誤差為IeI≤羊=÷x巖=o．004鷂2 812 5。‘ ‘Z一由此可見(jiàn)，數(shù)字化控制可以獲得很高的精度。

          最后，數(shù)字化焊機(jī)具有良好接口兼容性。由于散字化焊機(jī)大量采用了單片機(jī)、DsP(數(shù)字信號(hào)處理器)等數(shù)字芯片，因此數(shù)字化焊機(jī)與其它設(shè)備間就可以非常方便地實(shí)現(xiàn)大量的信息交換。隨著現(xiàn)代焊接生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化管理的發(fā)展和普及，數(shù)字化焊機(jī)良好的接口兼容性必然會(huì)發(fā)揮越來(lái)超重要的作用。數(shù)字化焊機(jī)與傳統(tǒng)模擬控制焊機(jī)相比具有無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)。但是，焊機(jī)數(shù)字化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有極大的挑戰(zhàn)性。處理速度慢和抗干擾能力差是數(shù)字控制的主要缺點(diǎn)。因此，在數(shù)字化焊機(jī)的實(shí)現(xiàn)中必須通過(guò)合理的控制芯片選擇和整體設(shè)計(jì)滿足弧焊工藝對(duì)數(shù)字系統(tǒng)處理速度的要求。同時(shí)，必須采取有效的抗干擾措施，使數(shù)字控制電路適應(yīng)高輻射、強(qiáng)電磁干擾的弧焊工藝環(huán)境。

2 數(shù)字化焊機(jī)的實(shí)現(xiàn)

          焊機(jī)向數(shù)字化方向發(fā)展，包吉兩方面的內(nèi)容。一個(gè)是主電路的數(shù)字化．另一個(gè)是控制電路的數(shù)字化。

         2．1主電路的數(shù)宇化

         在焊接電源中，變壓器的作用非常關(guān)鍵，它一方面滿足電流、電壓的匹配要求，另一方面對(duì)送電回路和焊接回路起到電氣隔離的作用。同時(shí)，變壓器在能量傳輸回路中的位置決定了焊接電源的體積和質(zhì)量。圖1為模擬式焊機(jī)的主電路框圖。這種電源由一個(gè)工頻變壓器、三相整流橋和一個(gè)晶體管組組成，晶體管組在回路中的作用相當(dāng)于負(fù)載的串聯(lián)電阻。晶體管組工作在放大區(qū)．焊接中不需要的電壓消耗在晶體管組的c、E極之間，因此功耗極大，晶體管組需要水冷。模擬焊機(jī)的輸出波形如圖2所示。這種焊機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是晶體管組的能耗大，因此基本上已經(jīng)被其它類型的電源所取代。

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