GMAW-P数字电源设计及熔滴过渡特征信号提取与建模研究

论文摘要

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-P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-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合理分配,为优化GMAW-P工艺奠定了基础。采用模块化熵（?）度量系统的模块化程度,其中,p为产品模块化的级数;i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: f = k * vf/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φd,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φr。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: f =εk * vf/D,（?）,ε为考虑熔滴过渡后残余熔滴的体积系数。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-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。搭建了基于Lab VIEW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、不确定的影响因素导致了熔滴过渡的随机性,最终体现在电压,电流的具体变化中。实验结果表明,对于多脉一滴GMAW-P熔滴过渡形式,发现在脉冲周期的下降阶段脉冲电压波形上存在一个拐点,定义该点为熔滴过渡电压;熔滴过渡电压的持续时间称为熔滴过渡电压持续时间。熔滴过渡电压及该点的电压变化率与熔滴过渡状态密切相关。熔滴过渡电压持续时间决定了熔滴过渡的状态。熔滴过渡电压持续时间小于1ms,在该脉冲周期内,熔滴发生过渡;如果某脉冲周期内,熔滴过渡电压持续时间大于1ms,则熔滴不过渡。因此通过提取熔滴过渡特征电信号参数,建立特征参数与熔滴过渡预判的数学模型。在一个脉冲周期内,熔滴只有过渡和未过渡两种状态,是典型的二分类变量,常采用对数线性模型。取熔滴过渡状态作为因变量,特征信号参数为自变量,建立了基于Logistic回归判断熔滴过渡预测数学模型: （?）。试验验证结果表明:该预测模型对焊接过程中,脉冲周期内熔滴成功过渡的预测准确率为92.9%;对熔滴未过渡的预测准确率为93.3%,可见所建立的模型能够较好的预测焊接过程中的熔滴过渡情况。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数字化焊接电源的研究与发展现状
• 1.3 GMAW-P 焊接工艺的研究现状
• 1.3.1 脉冲电流波形的获得与设计的研究和发展现状
• 1.3.2 脉冲焊熔滴过渡形式及控制研究现状
• 1.3.2.1 熔滴过渡检测方法研究现状
• 1.3.2.2 脉冲焊熔滴过渡形式及脉冲参数选择
• 1.3.2.3 脉冲焊一脉一滴熔滴过渡控制
• 1.3.3 脉冲焊接弧长控制的发展现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 DSP 数字控制GMAW-P 电源研究
• 2.1 GMAW-P 数字化逆变脉冲电源系统总体设计
• 2.1.1 模块化设计原理
• 2.1.2 模块划分与创建
• 2.1.2.1 模块划分
• 2.1.2.2 模块化程度的度量
• 2.1.3 模块化软件设计
• 2.2 GMAW-P 焊接过程控制模块
• 2.2.1 GMAW-P 过程控制目的
• 2.2.2 脉冲电流控制实现
• 2.2.3 弧长控制实现
• 2.3 外设接口模块设计
• 2.3.1 外设接口模块的功能和组成
• 2.3.2 分层故障监测设计
• 2.3.2.1 故障及异常的类型
• 2.3.2.2 分层控制策略的提出
• 2.3.2.3 分层故障监测的实现
• 2.4 数字化人机交互模块设计
• 2.4.1 人机交互系统的意义
• 2.4.2 GMAW-P 焊接电源人机交互模块设计
• 2.4.3 人机交互系统通讯网络构建
• 2.4.4 基于软件握手方式通讯协议制定
• 2.4.4.1 软件握手协议规定
• 2.4.4.2 数据帧含义
• 2.4.4.3 握手协议工作过程
• 2.5 本章小结
• 第三章 GMAW-P 特征过程控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 GMAW-P 熔滴过渡控制
• 3.2.1 GMAW-P 脉冲参数选择原则
• 3.2.2 GMAW-P 一脉一滴控制
• 3.2.3 工艺实验监测系统设计
• 3.2.3.1 系统硬件平台
• 3.2.3.2 监测系统软件设计
• 3.2.4 熔滴过渡控制效果实验
• 3.2.5 熔滴过渡控制实验结果讨论
• 3.3 GMAW-P 弧长适应控制
• 3.3.1 GMAW-P 等速送丝电弧系统模型
• 3.3.2 弧长适应控制方案
• 3.3.2.1 GMAW-P 脉冲电弧传递函数
• 3.3.2.2 弧长适应控制方案
• 3.3.3 频率－特性复合弧长控制器原理
• 3.3.3.1 电弧工作点的运动
• 3.3.3.2 弧长信号采样与离散优化处理
• 3.3.3.3 频率－特性复合弧长控制器误差分析
• 3.3.4 频率－特性复合控制器调节过程
• 3.3.5 弧长适应控制工艺试验与分析
• 3.3.5.1 台阶试验
• 3.3.5.2 斜坡试验
• 3.4 本章小结
• 第四章 GMAW-P 熔滴过渡过程特征电信号分析及建模
• 4.1 GMAW-P 熔滴过渡
• 4.2 GMAW-P 一脉一滴熔滴过渡电信号特征
• 4.2.1 GMAW-P 试验设备与条件
• 4.2.2 GMAW-P 工艺试验步骤
• 4.2.3 GMAW-P“多脉一滴”熔滴过渡工艺试验分析
• 4.2.4 GMAW-P 熔滴过渡对应电信号特征
• 4.2.5 理论分析
• 4.2.5.1 质量－弹簧模型
• 4.2.5.2 熔滴受力分析
• 4.5.2.3 熔滴振荡与电压变化率的内在联系
• 4.3 基于Logistic 回归GMAW-P 一脉一滴熔滴过渡建模
• 4.3.1 熔滴过渡过程分析
• 4.3.2 Logistic 回归原理
• 4.3.3 Logistic 回归估计
• 4.3.3.1 最大似然估计
• 4.3.3.2 牛顿-拉夫逊方法
• 4.3.4 熔滴过渡特征参数提取
• 4.3.4.1 特征参数的选取与计算
• 4.3.4.2 特征参数的计算结果和熔滴过渡结果
• 4.3.5 GMAW-P 熔滴过渡Logistic 回归模型
• 4.3.5.1 Logistic 回归建模算法
• 4.3.5.2 Logistic 回归模型
• 4.3.5.3 模型的整体检验
• 4.3.6 模型的试验验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 本文创新点
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文及科研业绩
• 致谢