一种基于专家数据库的MIG电焊机控制系统的制作方法

本实用新型涉及逆变电焊机技术领域，具体是涉及一种基于专家数据库的MIG电焊机控制系统。

背景技术：

气体保护焊由于其优良的焊接性能，在工业上应用非常广泛。当采用气体保护焊机进行焊接操作时，依据所采用的焊接材料、焊接电流的大小、环境温度以及采用不同的保护气体需要匹配一组精准的过程参数才能达到优良的焊接效果，同时也是一个多环节相关的复杂的参数控制过程。这就要求电焊机操作人员具备深厚的焊接经验才能调节好过程控制参数，才能顺利地进行焊接，进而减少废品率以降低生产成本。性能优良的电焊机可以花钱购买，但优秀的焊接操作人员却由于培养时间长而不可多得。

随着电焊机技术的不断发展，焊接技术层出不穷。特别是数字化焊机的出现，实现了电焊机性能良好的一致性和可控性，同时也大幅降低了成本。这是可喜的进步，然而数字化焊机同样需要整定复杂的一系列参数，并没有从根本上把操作人员从复杂多变的电焊机参数设置中解放出来。通过什么方法能让电焊机能够根据简单输入的焊接目标而自动设置出对应的电焊机过程控制参数，即是所谓的“一元化”设置的问题就成为了热门的研究方向。通过上述“一元化”技术能大幅度地降低焊接的过程控制参数整定难度，让电焊机的上述“一元化”技术代替复杂的过程参数设置操作，从而使得经过简单培训的焊机操作人员就可以顺利地完成优秀的焊接工作。

目前，国际上已经有电焊机厂家采用各自不同的波形控制策略实现了电焊机的“一元化”操作，但各有优缺点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种使用者只需要在电焊机操作界面上调节焊接电流并选择焊接材料，就能够自动调整出最优的焊接过程控制参数，大大降低了焊接操作难度的基于专家数据库的MIG电焊机控制系统。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型所述的基于专家数据库的MIG电焊机控制系统，其特点是：包括整流模块、滤波模块、IGBT逆变电路模块、电压电流检测模块、工作电源模块、工作面板模块、送丝控制模块和内设有专家数据库的DSP控制模块，其中所述IGBT逆变电路模块、电压电流检测模块、工作电源模块、工作面板模块和送丝控制模块分别与DSP控制模块连接，所述整流模块、滤波模块、IGBT逆变电路模块和电压电流检测模块依次连接，且所述整流模块连接工作电源模块及外界电源，所述电压电流检测模块连接焊接电极。

其中，所述DSP控制模块包含有电流控制环节、外特性控制环节及专家数据库环节，且所述IGBT逆变电路模块为执行环节，所述电压电流检测模块为检测环节，所述执行环节、电流控制环节和检测环节中的电流检测环节一起组成电流控制内环，所述电流控制内环、外特性控制环节和检测环节中的电压检测环节一起组成外特性控制环。

所述专家数据库环节在建立过程中采用了最小二乘法对实验数据进行曲线拟合。通过最小二乘法的数据曲线拟合方法，可以加大实验步长，提高实验效率和提高数据插入精度。

所述电流控制内环能够根据指令准确地控制输出电流的大小稳定在给定值30～500A。

所述送丝控制模块为能够实现送丝速度与强弱电流脉冲群周期相匹配的送丝控制环节。通过该控制逻辑环节以进一步控制焊接弧长，保证了焊丝伸出长度稳定的同时也保证了焊接过程热输入稳定以稳定焊接质量。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

本实用新型针对气体保护焊过程参数众多，调整困难的问题，通过在MIG电焊机中应用了本实用新型所述的基于专家数据库的MIG电焊机控制系统，有效地实现了MIG电焊机操作的“一元化”，采用该“一元化”的控制策略，使用者只需在电焊机操作界面上调好焊接电流或者送丝速度并选择好焊接材料等焊接环境控制参数，电焊机的控制系统就能够自动调整出最优的MIG电焊机焊接过程的控制参数，大大降低了焊接操作难度，因而经过简单培训的电焊操作人员也能够应用本实用新型所述的基于专家数据库的MIG电焊机焊接出优秀的工件。本实用新型不会提高逆变电焊机的硬件生产成本，能够广泛应用于各种焊接材料和多种类型的焊条，实用性强，市场前景广阔。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1 为本实用新型的结构原理框图。

图2 为本实用新型的控制逻辑框图。

图3 为本实用新型的双脉冲波形控制参数示意图。

图4 为本实用新型的送丝速度与焊接电流关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的基于专家数据库的MIG电焊机控制系统，包括整流模块1、滤波模块2、IGBT逆变电路模块3、电压电流检测模块4、工作电源模块5、工作面板模块6、送丝控制模块8和内设有专家数据库的DSP控制模块7，其中所述IGBT逆变电路模块3、电压电流检测模块4、工作电源模块5、工作面板模块6和送丝控制模块8分别与DSP控制模块7连接，所述整流模块1、滤波模块2、IGBT逆变电路模块3和电压电流检测模块4依次连接，且所述整流模块1连接工作电源模块5及外界电源，所述电压电流检测模块4连接焊接电极。

上述硬件系统为实现基于专家数据库的MIG电焊机控制算法打好了物质基础。MIG电焊机控制算法的实现需要对焊机的输出电流进行快速地、精确地控制，电流在几十安培到几百安培之间反复高速变化。同时，对于电流的上升时间和下降时间都有特殊的要求。如果没有一个优良的硬件系统做保障，不可能最终实现基于专家数据库的MIG电焊机控制算法。

MIG电焊机控制算法采用双脉冲的电流波形控制方法，其主要目的是为了减少对目标焊接材料的热能输入，同时也有对熔池的搅拌作用，是实现对铝合金薄板等难焊材料焊接的优先选用的波形控制方案。双脉冲的电流波形控制方法是采用低频的电流变化来调制高频的电流脉冲，使得总体上焊接电流呈现疏密脉冲群相交替的脉冲电流群组合，脉冲间隔密的脉冲电流群称为强电流脉冲群，而脉冲间隔疏的脉冲电流群则称为弱电流脉冲群。双脉冲的电流调节方法在实现一个脉冲一滴熔滴过渡的基础上，调节总体熔滴过渡数量的周期变化，因而焊接效果外型美观呈漂亮的鱼纹效果，同时也降低了总体热量的输入，使得焊接材料热变形小，减少了焊接材料内部残余应力，有效提高了焊接质量。

为精确控制总焊接平均电流，需要对高频电流脉冲周期中的基值电流时间、每个强弱脉冲群周期里面的电流脉冲个数以及高频电流脉冲周期中的基值电流的大小进行综合匹配。随着送丝速度的周期变化，电焊机必须调整焊接平均电流至对应匹配的电流大小才能够顺利将焊接过程控制平稳。如果匹配不当则电流大了会造成回烧，而相反电流小了则会造成短路。增加平均电流可以通过加快脉冲频率以增加单位时间内峰值电流时间，同时单位时间内的熔滴过渡数量也会增大。但是这是粗糙的增加平均电流的方法，而且为保证一脉一滴的顺利实现，增加的脉冲频率是受到限制的。因此必须在增加脉冲频率的基础上适当地调节脉冲基值电流以配合频率加快的电流脉冲，这样才能顺利地实现一脉一滴的基础上，对脉冲电流的电流平均值大小进行精确控制。电焊机能够精确地控制脉冲电流的电流平均值大小，也就能够精准控制熔滴的总体热量的输入，为实现与送丝速度精确匹配的焊接电流控制提供了坚实的基础。

为能快速地对弧长变化做出反应，上述控制系统的软件逻辑中加入了对送丝速度的变速控制。为配合实现双脉冲电流的脉冲电流波形变化，送丝速度就必须跟随强弱脉冲群的变化而调节送丝速度。如果没有送丝速度的配合，在强电流脉冲群到来的时候，由于熔滴过渡速度加快而送丝速度没有跟随就有可能造成回烧；而相反在弱电流脉冲群来的时候，熔滴过渡速度减慢了而送丝速度没有减慢就有可能造成短路。为了稳定弧长，就需要对送丝速度跟随脉冲群变化而变化。主控制器通过数据总线对于送丝机上的送丝速度控制器发送速度指令，使得送丝速度能够根据弧长变化的总体情况进行相应变化，从而帮助实现弧长稳定，稳定焊接过渡过程。

完整地建立专家数据库是一个异常繁重的过程。为快速建立专家数据库，减少实验数据建立时间，对于实验数据建立过程的数据样本采用基于最小二乘法的数据曲线拟合方法进行处理。数据库含有多个过程参数在不同设定条件下的最优控制值，要想实现好的控制效果就必须有个精确的控制参数，这就要求尽可能小的实验步长以达到高的精度。在不采用科学的曲线拟合方法的情况下，要想建立一个实用的专家数据库是非常耗时的工作，同时过长的研发实验周期也会带来了整体的风险。应用基于最小二乘法的数据曲线拟合方法就可以对实验数据进行高次的曲线拟合以提高数据曲线的拟合精度。通过选择最佳的拟合方法，就可以有效地减少实验样本数，加大实验步长，从而快速有效地建立专家数据库。

上述建立在良好硬件系统基础上的配合了本实用新型所述的一种基于专家数据库的MIG电焊机控制的软件逻辑系统最终实现了以焊接电流或者供丝速度为一元化输入参数的MIG电焊机控制系统。使用者只需要在工作面板上选择好需要焊接的材料和焊接方法后，根据焊接速度等情况调节好焊接电流或者送丝速度就可以开始焊接过程，而不需要再对焊接过程的各种参数进行设置。本实用新型所述的基于专家数据库的MIG电焊机控制系统实现电焊机所谓的“一元化”设置，其核心内容是建立了一个一元输入参数与其他过程控制参数之间数学模型，配合对输出电流进行变参数的PID控制以达到控制电流大小稳定，并配合对电焊机外特性曲线进行有针对性的设计，即是采用调节脉冲电流波形频率和基值电流的大小以达到调节整体焊接热量输入的效果。本实用新型所介绍的设计方法实现了MIG电焊机对低碳钢、纯铝、铝合金以及不锈钢材料，焊丝0.8～1.6直径内的一元化焊接，使得MIG电焊机只需要简单进行焊接电流大小或者供丝速度大小的调节后就可以进行最优状态下的焊接工作，大大降低了焊接难度提高了焊接稳定性。

如图2所示，所述内设有专家数据库的DSP控制模块7包含有电流控制环节、外特性控制环节及专家数据库环节，所述IGBT逆变电路模块3为执行环节，所述电压电流检测模块4为检测环节。

上述执行环节、电流控制环节和检测环节中的电流检测环节一起组成了电流控制内环，该电流控制内环是实现MIG电焊机进行双脉冲方式焊接的重要环节。电焊机在焊接过程中，由于焊丝长度和弧长等参数在不断随机地变化中，要实现对焊接过程进行稳定控制的第一步就是要对焊接过程的电流能够精准而有效地控制。因为在导电嘴伸出部分的焊丝长度是不断变化的，而产生焊丝熔化热的很大部分是由焊丝伸出部分的电流热效应产生的热量来提供，为有效地控制焊丝的熔化速度，实现对通过焊丝电流的恒值控制是最好的热量控制方法。为此设置了电流控制内环以实时对焊接电流进行恒值控制。再结合对通过电流时间的精准控制就能够进一步稳定地通过控制热量产生进一步控制熔滴的过度过程。控制采用变参数的PID控制方法，兼顾稳定和精度。在良好的硬件构成的执行环节的基础上，上述电流控制内环能够根据指令准确地控制输出电流大小稳定在给定值30～500A，是本实用新型实现后续控制策略的重要基础。

上述电流控制内环、外特性控制环节和检测环节中的电压检测环节一起组成了外特性控制环，该外特征控制环是实现MIG电焊机进行双脉冲焊接的关键环节。为实现双脉冲方式的焊接过程，就要使得焊接电流脉冲由强脉冲群和弱脉冲群交替进行变换，这就要求电流强度必须按照预设定的一个波形形式进行变化。由于随着实际焊机环境的焊丝材料、焊丝直径的大小、焊接环境的温度以及焊接材料的厚度等参数的变化导致焊丝所需的溶化热量输入是不同的，必然要求预设的电流大小和波形是不同的，以适应不同焊接环境。这就要求MIG电焊机能够根据所设定的环境参数输出不同波形形状的电流波形，包括脉冲基值电流大小、基值电流时间、峰值电流大小、峰值电流时间、电流上升和下降的速率以及每个强弱脉冲周期内包含的脉冲数量，如图3所示。同时，为实时对焊丝的伸出长度和电弧长度进行跟随并将其控制在恰当的长度范围内，也要求对电焊机的输出电流脉冲的周期能够实时调整：当发现焊丝伸出长度过长时，电弧长度变短，就需要减少电焊机的输出电流脉冲周期，加速焊丝融化速度；而当检测到焊丝伸出长度过短时，则加大电焊机的输出电流脉冲周期，减少焊丝熔化速度。焊丝的直径不同也造成了熔化焊丝所需要的热量不同，这就需要在不改变电焊机的输出电流脉冲周期的情况下根据焊丝直径和材料的不同调整每个电流脉冲周期里面的热量产生的大小。基本的方法是调整电流脉冲的基值电流大小，调整的幅度不大，但要求精准。这就需要有良好的硬件电路做基础，使得上述电焊机控制方法能够准确地输出所需的电流大小。上述外特性控制环也为送丝控制模块8提供了调整送丝速度大小的依据。

所述送丝控制模块8为能够实现送丝速度与强弱电流脉冲群周期相匹配的送丝控制环节。该送丝控制模块8是实现上述一种基于专家数据库的MIG电焊机控制系统的必要内容。送丝控制模块8的基本任务是为焊接过程提供恰当速度的焊丝，其焊丝供给速度是保证焊接过程不会短路或者是回烧的关键参数。然而MIG电焊机的双脉冲焊接过程的电焊机平均电流强度是反复变化的，造成了焊丝熔化速度的周期性变化，如果还是采用恒定速度供丝而仅仅依靠调整电流脉冲周期的方法将很难取得良好的焊接效果。由于送丝电机的电磁响应时间大而电焊机的电流脉冲变化的响应时间惯性小，因此在供丝电机电磁响应时间允许的情况下，快速地周期性改变焊丝的供给速度，而电焊机的双脉冲输出的强脉冲群和弱脉冲群则相应地跟随供丝电机的速度变化。从而实现是送丝速度跟随电焊机强弱脉冲群周期变化的MIG电焊机的双脉冲焊接方法。

专家数据库环节是实现上述一种基于专家数据库的MIG电焊机控制系统的核心内容。数据库中包含有对应于各种焊接材料、焊丝材料、焊丝直径等不同情况下的电焊机内部的过程控制参数以及非线性的插值公式，其中例子曲线如图4所示。建立专家数据库是一个复杂、精细而又持久的工作。有大量的数据需要测量和验证，因此为提高数据库建立的速度以及质量，上述专家数据库环节在建立过程中采用了最小二乘法的曲线拟合方法来增加实验步长，很大程度上减少了实验数据的采集数量。最小二乘法是一种采用数学方法对实验数据进行非线性趋势曲线拟合的方法，随着拟合模型的优化能最大程度地减少专家数据库建立过程中实验数据的采集次数，而不会降低数据精度。经过大量的实验验证，采用最小二乘法的拟合方法是行之有效的。我们只需在专家数据库中记录少量的精密实验数据和对应的拟合公式，就能够完整地恢复整个参数相关曲线，进而在焊接前根据调整好的参数计算出所需要的过程控制数据表格以应用到焊接过程控制中去。

本实用新型所设计的一种基于专家数据库的MIG电焊机控制系统的控制逻辑原理。实施的关键是: 通过在建立了良好硬件系统基础上，在MIG电焊机中应用了上述基于专家数据库的MIG电焊机控制系统,实现了MIG电焊机操作的“一元化”。即是采用上述“一元化”的控制策略后，使用者只需要在电焊机的人机界面上调整焊接电流大小或者送丝速度的快慢，并选择焊接好材料等焊接环境控制参数，电焊机的控制系统就能够自动调整出最优的MIG电焊机的焊接过程的控制参数，大大降低了焊接操作难度。

本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。