小孔型等离子弧焊熔透自动控制系统研究

论文摘要

等离子弧焊具有能量密度高，一次性可焊厚度大等优点。但由于这种压缩电弧的稳定性受到诸多因素的影响，致使在实际应用中规范参数的再现性较差。要解决这一难题，除了选用性能稳定的等离子弧焊炬和焊接设备系统外，采用闭环熔透控制是一种最佳的途径。本文针对小孔法等离子弧焊，提出了以反映熔透程度的小孔电压作为检测信号，以焊接电流和焊接速度为操作量，采用MSP430F155单片机为核心控制器件，实现小孔法等离子弧焊自动熔透的闭环质量控制方法。 通过对4、6mm厚30CrMnSi和4、6mm厚1Cr18Ni9Ti板材进行平板敷焊试验研究，揭示了反映电弧穿孔直径大小的小孔电压随焊接电流、焊接速度、离子气流量的改变，呈非线性变化的规律。据此提出了实现等离子弧焊闭环质量控制的基本思想并设计了总体控制方案。 以高性能单片机MSP430F155为核心器件，研制出了具有起弧、单参数控制、双参数控制、小孔电压短路处理、收弧控制等功能较完善的等离子弧焊熔透质量控制系统。 系统软件设计中，提出了对焊接电流、焊接速度的调节按照小孔电压大小分区控制的思想，有效地解决了系统中的非线性因素影响，较好地兼顾了控制系统的调节精度与工作稳定性。 对电流调控过程的调试考核结果表明：所研制的控制系统能很好地按照小孔电压的不同区间调节焊接电流，电流的调试值与实测值吻合良好。本文所取得的阶段性研究成果，对于实现小孔法等离子弧焊闭环质量控制，提高焊缝质量的稳定性具有一定的理论与实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 本文的创新和主要贡献
• 第一章 资料综述
• 1.1 引言
• 1.1.1 等离子弧的分类
• 1.1.2 等离子弧焊的适用范围
• 1.1.3 等离子弧焊的分类及其特点
• 1.2 小孔型等离子弧焊国内外的研究现状
• 1.3 本文选题背景和意义
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 研究方案和实验装置
• 2.1 引言
• 2.2 研究的设备与试验条件
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 试验条件
• 2.3 研究方案与总体设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 主要焊接规范参数对小孔电压的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验数据
• 3.3 焊接电流对小孔电压的影响
• 3.4 焊接速度对小孔电压的影响
• 3.5 等离子气流量对小孔电压的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 控制系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统相关量的选取
• 4.2.1 检测信号的选取
• 4.2.2 被控制量的选取
• 4.3 模拟电路部分设计
• 4.3.1 运算放大器的选择
• 4.3.2 线性光耦的选择
• 4.3.3 小孔电压采集电路
• 4.3.4 焊接电流控制电路
• 4.3.5 焊接速度控制电路
• 4.4 数字电路部分设计
• 4.4.1 MSP430F155单片机及其外围电路
• 4.4.2 JTAG接口设计
• 4.4.3 报警电路和键盘电路设计
• 4.5 电源电路的设计
• 4.6 PCB板设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 控制系统软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 分区控制的基本思想
• 5.3 最佳焊透参数的确定
• 5.4 单片机输出量对焊接电流的控制
• 5.5 单片机输出量对焊接速度的控制
• 5.6 主程序设计
• 5.7 起弧过程控制
• 5.7.1 起弧主程序
• 5.7.2 起弧子程序
• 5.8 正常焊接过程控制
• 5.8.1 焊接主程序
• 5.8.2 电流调节子程序
• 5.8.3 焊接速度调节程序
• 5.9 小孔电压短路处理程序
• 5.10 收弧控制
• 5.11 软件抗干扰措施
• 5.12 本章小结
• 第六章 控制系统调试
• 6.1 引言
• 6.2 调试方法
• 6.3 调试结果及分析
• 6.4 本章小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 附录 系统硬件电路原理图