专利名称：短路过渡co的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字控制方法，尤其涉及一种短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制方法。用于焊接技术领域。
背景技术：
CO2气体保护焊是高效节能的焊接方法，该方法大多采用短路过渡，飞溅是短路过渡CO2焊的一个主要问题，国内外有关于这方面有较多的研究。短路过渡的CO2焊接的过程中飞溅是瞬间产生的，对它的抑制也需要在极短的时间内发生作用；同时，CO2短路过渡过程是一个动态的相对稳定的过程，对于这样一个动态过程的控制，其电源外特性也应有适应性的变化。要满足上述两个条件，需要有能动态调节电源外特性形状的控制系统，同时具有瞬时抑制飞溅的功能。最新的波控理论为精细的短路过渡焊接电流波形控制，是从微观的角度有效地抑制飞溅的产生提供了强有力的支持，要实现这一过程，同样要求快速性的控制系统。对于纯硬件电路控制系统，线路复杂，结构不紧凑，各部分之间很易相互干扰，并且只能实现简单的单一的电源外特性的控制，很难实现快速的实时性的电源外特性调节；而目前有关CO2短路过渡电流波形控制一般采用单一CPU的单片机处理器或数字信号处理器控制，虽可以较好地进行单一任务或较少任务的焊接工艺过程的控制，但由于CPU的任务执行是依靠逐条执行指令来完成，而这些指令的执行是分时进行的，对于如CO2短路过渡这样一个复杂的动态工艺过程、且具有快速波控和实时外特性调节功能的多任务结构控制的控制系统，单一的CPU微机控制系统，很难实现多任务结构时间上的并置发生问题，同时很难实现实时性很强的复杂电源外特性算法的计算和快速的波控要求。
经对现有技术文献的检索发现，美国2002年发明专利，专利号6335511，专利名称“Control method and apparatus for an arc welding system”(电弧焊系统的控制方法和装置)，实现脉冲焊双闭环的复杂控制系统，采用一个数字信号处理器只实现数字滤波和控制算法的实现，而其它重要功能(如脉冲信号发生器、电机的控制驱动等)很难在此数字信号处理器上同步实现，需采用其它的控制电路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制方法，使其一方面实时地输出满足短路过渡CO2动态过程的复杂电源外特性，使电源外特性由宏观的控制变为微观的精细控制，并进行实时焊接电流波形的控制，有效地解决多任务系统的任务并置发生的时序问题和CO2短路过渡快速波控的问题，可方便地进行双处理器之间的通信，合理地进行任务的分配。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的一个关键的技术是用数字信号处理器和单片机处理器双处理器的双处理器结构，进行对CO2动态短路过渡过程多任务控制的合理任务分配，通过串口异步通信协议完成此二快速处理器之间的快速数据传递单片机处理器在进行焊接过程时序控制任务时显示的参数由数字信号处理器传递给单片机处理器；数字信号处理器的电源外特性确定和波形控制算法确定需根据单片机处理器传递过来的焊接工艺及过程参数，而在CO2短路过渡动态控制中的焊接阶段判断需要单片机处理器传递得到具体的焊接阶段信息。对CO2动态短路过渡过程的控制是一个多任务的控制结构，而对各个任务的控制在时间上是并置发生，利用数字信号处理器和单片机处理器双处理器合理地分配任务，有效地解决多任务结构的时间冲突问题，二者之间通过串口异步通信完成快速的数据传递。这样利用数字信号处理器作为现场信息采集、处理，计算的信息处理器，利用单片机处理器作为现场控制、驱动、设置等的控制处理器，来完成CO2短路过渡复杂动态过程的多任务实时控制。
本发明另一个关键的技术是单片机处理器和数字信号处理器均对信号检出电路(电流有/无、短路/燃弧)进行检测，以保证二处理器在焊接过程中的严格同步1)在单片机处理器的控制方面，主要在于焊接过程的启动和停止及断弧现象的检测，当单片机处理器通过信号检出电路检出电流有时，在引弧时则启动焊接过程；当检出电流无时，正常情况则结束焊接过程，非正常情况则为断弧现象。2)在数字信号处理器的控制方面，除了包括信号检出电路在单片机处理器的控制方面的作用外，还进行短路和燃弧的检测，当数字信号处理器通过信号检出电路检出短路时，进行短路期的控制；否则，进行燃弧期的控制。
本发明中，数字控制任务包括工艺参数设置、过程参数设置、CO2短路过渡过程时序控制、现场参数显示、CO2短路过渡过程参数采集、复杂电源外特性及焊接电流波形控制、故障诊断控制。
1)单片机处理器分配到的控制任务包括工艺参数设置、过程参数设置、焊接过程时序控制、现场参数显示，由4个步骤完成①工艺参数设置工艺参数包括CO2/MAG的焊接方法选择、实芯/药芯的焊丝材料选择、1.2mm/1.0mm的焊丝直径选择、一元化调节/个别调节的参数调节方式选择、脉冲焊/直流焊的焊接电流形式选择，单片机处理器通过工艺选择电路对这五个工艺参数进行检测，当检测信号为“1”，则为相应参数的上档参数，否则为相应参数的下档参数；②过程参数设置过程参数包括焊接电压、焊接电流、一元化参数(在一元化调节中)、脉冲电流(在脉冲焊中)、基值电流(在脉冲焊中)、脉冲频率(在脉冲焊中)、脉冲时间(在脉冲焊中)，这7个过程参数将根据工艺参数设置的结果进行设置，单片机处理器通过人机对话接口读取过程参数设置键盘，根据读取的键盘值，首先判断对那个参数进行设置，然后对后面的键盘输入数据进行读取，完成该参数的设置。
③焊接过程时序控制焊接过程包括预气阶段、慢送丝引弧阶段、正常焊接阶段、防粘丝阶段、延气阶段五个阶段，是单片机处理器通过时序控制电路输出控制信号，对焊接电源、送丝机、电磁气阀、慢送丝/正常送丝切换这四个受控对象的控制在预气阶段，打开电磁气阀，并由单片机处理器中的定时器进行预气时间的定时，时间在100ms～500ms之间可调；在慢送丝引弧阶段，控制切换到慢送丝档，打开电源和送丝机，慢送丝速度固定，由实验确定；在正常焊接阶段，控制切换到正常送丝档，送丝速度由在过程参数设置过程中的焊接电流设置决定；在防粘丝阶段，停止送丝机，让焊丝回烧，并由单片机处理器中的定时器进行防粘丝时间的定时，时间有380ms防粘丝定时和100ms防粘丝定时，定时结束后关掉电源；在延气阶段，由单片机处理器中的定时器进行预气时间的定时，时间在100ms～500ms之间可调，关掉电磁气阀。
④现场参数显示显示上述①的工艺参数、②的过程参数、③的焊接过程时序控制时五个阶段的现场参数。
2)数字信号处理器分配到的控制任务包括电源外特性确定和波形控制算法确定、CO2短路过渡动态控制、故障诊断控制，由3个步骤完成①电源外特性确定和波形控制算法确定采用的电源外特性包括恒压外特性、恒流外特性、缓降外特性，其控制规律采用具有比例系数Kp、积分系数Ki两个调节参数的PI控制，采用的波形控制算法包括CO2短路过渡小电流瞬短抑制I1、短路电流上升速度(di/dt)1、小电流缩颈爆断I2、燃弧脉冲电流I3、燃弧电流下降速度(di/dt)2、燃弧基值电流I4这六种情况的波形控制。不同焊接工艺时的不同过程参数和不同焊接阶段，采用不同的PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki及各波形控制参数I1、(di/dt)1、I2、I3、(di/dt)2、燃弧基值电流I4。在短路初期和后期，采用恒流电源外特性，在燃弧的初期和后期，同时采用恒压外特性和恒流外特性，而在燃弧中期，采用恒压外特性。
②CO2短路过渡动态控制主要由参数采集、焊接阶段判断、外特性及波形控制算法计算、控制输出四个小步骤首先通过数字信号处理器中的A/D接口和数据采集电路对焊接电流和焊接电压进行采集，采集频率为100μs，并对采集到的数据进行滤波处理，计算电流变化速度(di/dt)和电压变化速度(du/dt)；根据单片机处理器传递得到具体的焊接阶段信息和信号检出电路获取焊接电流特征参数(电流有无)和短路特征参数(短路/燃弧)进行焊接阶段的判断；外特性及波形控制算法计算通过①中选择的不同工艺参数、不同过程参数和不同焊接阶段的外特性算法和波形控制算法进行计算；最后将计算的结果通过数字信号处理器的PWM接口控制输出到PWM驱动电路。
③故障诊断控制上述①或②之后均进行故障诊断控制。故障包括网压的过压和欠压、功率元件的过热、焊接电流的过流和功率开关元件的过流，故障诊断控制包括故障检测、故障诊断、故障报警、故障处理、报警消除五个动作。通过数字信号处理器的不可屏蔽中断对故障进行检测当无故障时，直接结束该过程；当有故障时，用查询的方法诊断是那个故障，然后控制故障报警指示灯进行相应故障的报警，对故障的处理采用关掉焊接电源和送丝机、停止控制输出的手段，处理完后，解除相应的报警(即关闭相应的故障报警指示灯)。
本发明数字信号处理器，具有丰富的运算功能和快速计算能力，快速实时地进行动态短路过渡过程参数检测和复杂电源外特性算法的实现，作为现场信息采集、处理，计算的信息处理器；利用单片机处理器强大的驱动控制能力实时地进行焊接工艺和焊接过程参数设置、CO2短路过渡过程时序控制、现场参数的动态显示，作为控制、驱动、设置等的控制处理器；并进一步通过单片机处理器和数字信号处理器的通信能力，实现双处理器之间的快速通信，构成基于双处理器通信结构的CO2焊机的完整控制系统。
图1为本发明单片机处理器的控制框图如图1所示，单片机处理器的控制框图，有参数设置过程、焊接过程两部分，完成焊接过程控制、工艺参数设置、过程参数设置和现场参数显示四个任务，在参数设置过程中主要完成工艺参数设置和过程参数设置；在焊接过程中主要完成CO2短路过渡过程时序控制；而参数显示在这两大过程中均存在。参数设置过程与焊接过程由过程开关检测的检测结果来决定具体进入哪一个过程。当检测到过程开关在焊接位置，则进入到焊接过程；当检测到过程开关在参数设置位置，则进入参数设置过程。
图2为本发明数字信号处理器的控制框图如图2所示，数字信号处理器的控制框图，同步单片机处理器的控制，数字信号处理器的控制也有两大过程参数设置过程和焊接过程，完成电源外特性确定和波形控制算法确定、CO2短路过渡动态控制、故障诊断控制三个任务。在参数设置过程中完成电源外特性确定和波形控制算法确定，在焊接过程中进行CO2短路过渡动态控制，此二过程的最后均进行故障诊断控制。数字信号处理器通过接受单片机处理器传递过来的过程信息进行判断，当为设置信息时，进入过程参数设置过程；当为焊接信息时，进入焊接过程。
具体实施例方式
实施例1.工艺参数设置(通过焊接电源面板上的5个工艺选择开关)①焊接方法选择开关CO2/MAG；②焊丝材料选择开关实芯/药芯；
③焊丝直径选择开关1.2mm/1.0mm；④参数调节方式选择开关一元化调节/个别调节；⑤焊接电流形式选择开关脉冲焊/直流焊。
2.过程参数设置①焊接电压15～26V；②焊接电流40～350A；3.焊接过程完成技术指标①预气时间100ms～500ms可调；②慢送丝速度1～2m/min可调；③防粘丝时间380ms和100ms；④延气时间100ms～500ms可调。
4.现场参数显示①工艺参数；②过程参数；③焊接过程的五个阶段预气、慢送丝引弧、正常焊接、防粘丝、延气。
5.电源外特性燃弧时采用恒压外特性，短路初期0.8ms内为恒流外特性；6.波形控制短路初期0.8ms内进行瞬短抑制；7.电源系统故障①网压的过压和欠压≥10％；②焊接电流的过流＞400A。
本发明的最突出优点在于充分利用双处理器各自优势和功能，在对于实时性较强的CO2短路动态过渡复杂精细过程的控制，很好地解决了静态电源外特性、动态焊接电流波形控制的时间并置发生的问题，同时根据双处理器合理的任务搭配，很好地完成CO2短路过渡过程中各特征阶段精细的外特性调节控制，具有很强的实时性和可控性；同时充分利用数字信号处理器各种丰富的运算能力和快速运算的指令结构，对大量焊接现场信息的快速采集处理提供了强有利的支持，并进行任意电源外特性的计算和优化控制规律的选择；更进一步地，在数字信号处理器上方便的进行数字信号处理、专家数据库的建立，使CO2短路过渡过程的控制提升到了数字化、信息化的高度上，在很大程度上使由它控制的CO2焊机具有先进、新颖、和高档次。鉴于该技术在焊接设备及方法技术领域中很少开发应用，因此该开发成果在焊接领域具有一定的先进性和前沿性。
权利要求
1.一种短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制方法，其特征在于，用数字信号处理器和单片机处理器双处理器的双处理器结构，进行对CO2动态短路过渡过程多任务控制的合理任务分配，控制任务包括工艺参数设置、过程参数设置、焊接过程时序控制、现场参数显示、CO2短路过渡过程参数采集、复杂电源外特性及焊接电流波形控制、故障诊断控制，具体如下1)单片机处理器分配到的控制任务包括工艺参数设置、过程参数设置、焊接过程时序控制、现场参数显示，由4个步骤完成①工艺参数设置工艺参数包括CO2MAG的焊接方法选择、实芯/药芯的焊丝材料选择、1.2mm/1.0mm的焊丝直径选择、一元化调节/个别调节的参数调节方式选择、脉冲焊/直流焊的焊接电流形式选择，单片机处理器通过工艺选择电路对这五个工艺参数进行检测，当检测信号为“1”，则为相应参数的上档参数，否则为相应参数的下档参数；②过程参数设置过程包括焊接电压、焊接电流、一元化参数、脉冲电流、基值电流、脉冲频率、脉冲时间，这7个过程参数将根据工艺参数设置的结果进行设置，单片机处理器通过人机对话接口读取过程参数设置键盘，根据读取的键盘值，首先判断对那个参数进行设置，然后对后面的键盘输入数据进行读取，完成该参数的设置；③焊接过程时序控制焊接过程包括预气阶段、慢送丝引弧阶段、正常焊接阶段、防粘丝阶段、延气阶段五个阶段，是单片机处理器通过时序控制电路输出控制信号，对焊接电源、送丝机、电磁气阀、慢送丝/正常送丝切换这四个受控对象的控制在预气阶段，打开电磁气阀，并由单片机处理器中的定时器进行预气时间的定时，时间在100ms～500ms之间可调；在慢送丝引弧阶段，控制切换到慢送丝档，打开电源和送丝机，慢送丝速度固定，由实验确定；在正常焊接阶段，控制切换到正常送丝档，送丝速度由在过程参数设置过程中的焊接电流设置决定；在防粘丝阶段，停止送丝机，让焊丝回烧，并由单片机处理器中的定时器进行防粘丝时间的定时，时间有380ms防粘丝定时和100ms防粘丝定时，定时结束后关掉电源；在延气阶段，由单片机处理器中的定时器进行预气时间的定时，时间在100ms～500ms之间可调，关掉电磁气阀；④现场参数显示显示上述①的工艺参数、②的过程参数、③的焊接过程时序控制时五个阶段；2)数字信号处理器分配到的控制任务包括电源外特性确定和波形控制算法确定、CO2短路过渡动态控制、故障诊断控制，由3个步骤完成①电源外特性确定和波形控制算法确定采用的电源外特性包括恒压外特性、恒流外特性、缓降外特性，其控制规律采用具有比例系数Kp、积分系数Ki两个调节参数的PI控制，采用的波形控制算法包括CO2短路过渡小电流瞬短抑制I1、短路电流上升速度(di/dt)1、小电流缩颈爆断I2、燃弧脉冲电流I3、燃弧电流下降速度(di/dt)2、燃弧基值电流I4这六种情况的波形控制，不同焊接工艺时的不同过程参数和不同焊接阶段，采用不同的PI控制的比例系数Kp和积分系数Ki及各波形控制参数I1、(di/dt)1、I2、I3、(di/dt)2、燃弧基值电流I4，在短路初期和后期，采用恒流电源外特性，在燃弧的初期和后期，同时采用恒压外特性和恒流外特性，而在燃弧中期，采用恒压外特性；②CO2短路过渡动态控制主要由参数采集、焊接阶段判断、外特性及波形控制算法计算、控制输出四个小步骤首先通过数字信号处理器中的A/D接口和数据采集电路对焊接电流和焊接电压进行采集，采集频率为100μs，并对采集到的数据进行滤波处理，计算电流变化速度(di/dt)和电压变化速度(du/dt)；根据单片机处理器传递得到具体的焊接阶段信息和信号检出电路获取焊接电流特征参数和短路特征参数进行焊接阶段的判断；外特性及波形控制算法计算通过①中选择的不同工艺参数、不同过程参数和不同焊接阶段的外特性算法和波形控制算法进行计算；最后将计算的结果通过数字信号处理器的PWM接口控制输出到PWM驱动电路；③故障诊断控制上述①或②后均进行故障诊断控制。故障包括网压的过压和欠压、功率元件的过热、焊接电流的过流和功率开关元件的过流，故障诊断控制包括故障检测、故障诊断、故障报警、故障处理、报警消除五个动作，通过数字信号处理器的不可屏蔽中断对故障进行检测当无故障时，直接结束该过程；当有故障时，用查询的方法诊断是那个故障，然后控制指示灯进行相应故障的报警，对故障的处理采用关掉焊接电源和送丝机、停止控制输出的手段，处理完后，解除相应的报警。
2.根据权利要求1所述的短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制方法，其特征是，关键在于通过通信串口在单片机处理器和数字信号处理器之间进行快速的数据传递单片机处理器在进行焊接过程时序控制任务时显示的参数由数字信号处理器传递给单片机处理器；数字信号处理器的电源外特性确定和波形控制算法确定需根据单片机处理器传递过来的焊接工艺及过程参数，而在CO2短路过渡动态控制中的焊接阶段判断需要单片机处理器传递得到具体的焊接阶段信息。
3.根据权利要求1所述的短路过渡CO2焊的通信结构的数字控制方法，其特征还在于，单片机处理器和数字信号处理器均对信号检出电路进行检测，以保证二处理器在焊接过程中的严格同步1)在单片机处理器的控制方面，主要在于焊接过程的启动和停止及断弧现象的检测，当单片机处理器通过信号检出电路检出电流有时，在引弧时则启动焊接过程；当检出电流无时，正常情况则结束焊接过程，非正常情况则为断弧现象。2)在数字信号处理器的控制方面，除了包括信号检出电路在单片机处理器的控制方面的作用外，还进行短路和燃弧的检测，当数字信号处理器通过信号检出电路检出短路时，进行短路期的控制；否则，进行燃弧期的控制。
全文摘要
一种焊接技术领域的短路过渡CO
文档编号B23K9/09GK1613592SQ20041008454
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月25日 优先权日2004年11月25日
发明者何建萍, 孙广, 张春波, 华学明, 吴毅雄, 曹平, 孙光明, 施成源 申请人:上海交通大学, 上海冠达尔钢结构有限公司