等离子弧自动焊缝清根机控制系统设计

四川自贡职业技术学校 （643000） 黄智高

1. 概述

随着焊接技术的不断进步，焊缝清根机也朝着自动化、数字化、智能化方向发展。与此同时，对大罐或长输管道内部焊缝清根的质量和速度要求也越来越高。现有的焊缝清根技术主要包括人工角磨机清根、手工气刨清根、自动碳弧气刨清根及电火花刀具清根等。其中手工气刨清根和人工角磨机清根完全由人工控制，劳动强度大，对工人技术要求高，工作条件恶劣，工作效率低。自动碳弧气刨清根时电路不稳定，清根连续性不好，且消耗大量的碳，易造成环境污染并危害工人身体健康。为了避免渗碳的影响，生产中通常采用碳弧气刨加砂轮铲磨的方法清根，在某些空间位置，砂轮磨削很难实施。而采用等离子自动焊缝清根有以下优点：一是等离子弧清根是利用高温高速的等离子流，将局部金属熔化并吹除，形成切口，无渗碳现象。二是等离子弧能力密度高，热量集中，电弧温度高，流速大。三是可实现自动清根，大大提高了生产效率，保证焊缝质量。基于此，结合数字化控制技术，设计了一种新型等离子弧自动焊缝清根机。

2. 焊缝清根机的组成

等离子弧焊缝自动清根机主要由等离子电源、悬臂、悬臂机、割枪、割枪调节机构、定位器、操作盒、DSP控制系统、LCD显示、执行机构、气路与水路系统组成。等离子电源和割枪及DSP控制系统连接，提供电源。DSP控制整个清根顺序。执行机构依靠电动机带动丝杆旋转实现悬臂的升降、平移，以及割枪位置的调节。气路系统提供离子气和保护气，水路系统提供割枪冷却水，防止割枪烧坏。等离子弧焊缝清根机结构如图1所示。

图1 等离子弧焊缝清根机结构

在清根机工作时，通过操作箱控制并启动电动机，使悬臂能够平稳移动。再由定位器精确检测割枪和焊缝之间的距离，然后打开气路、水路系统，启动等离子电源开始清根工作。在清根过程中，通过霍尔传感器对电弧电压的检测，自动调整割枪与焊缝的距离，实现自动清根。完成X方向的清根以后判断Y方向需不需要清根，完成Y方向清根以后再判断Z方向，从而实现割枪的三维行走。

3. 硬件系统设计

（1）DSP控制系统 该等离子自动焊缝清根机以DSP为控制核心，整个控制系统包括键盘电路、LCD显示电路、电动机驱动电路、数据采集电路及报警电路构成。其中键盘电路用于输入参数、显示功能通过LCD实现、DSP通过驱动电路可以精确控制电动机，数据采集电路主要由霍尔传感器采集电流、电压数据，当电流、电压出现异常时，启动声光报警，并将信号反馈到控制器。通过对电流、电压的检测，自动调整割枪和焊缝之间的距离，从而达到全自动清根的目的。报警系统分两级：当电流、电压超过一级预设时，启动报警设备；当电流、电压超过二级预设时，直接切断系统电源以保证设备安全。控制系统如图2所示。

图2 控制系统

（2）执行机构 执行机构包括一台伺服电动机和两台步进电动机。伺服电动机的作用是控制小车的前后移动，一台步进电动机用于控制悬臂的水平移动，另一台步进电动机则控制等离子割枪的上下移动，通过三个电动机的配合，实现等离子割枪的三维行走，满足了清根要求。

为了保证清根质量，必须提高控制精度。因此，步进电动机采用闭环控制方案。根据速度、转动方向和反馈结果，通过计算偏差，进行PID调节，得到的输出作为输入，通过控制驱动电路实现对电动机速度和方向的精确控制。

（3）驱动机构 由于直流电动机的转速与电枢电压U成正比，因此通过控制电枢电压U就能控制电动机的速度。直流电动机采用H桥双极性电压驱动方式，驱动系统如图3所示。电动机的电枢绕组两端电压平均值U0为

其中α＝t1/T为占空比，0≤α≤1，改变占空比的大小可以实现对电动机的PWM调速。在一个PWM周期里，当VT1、VT4导通时，VT2、VT3截止，电压为A到B的正向电压；反之，电枢绕组承受B到A的反向电压。

图3 H型双极可逆PWM驱动系统

4. 软件系统设计

根据清根的工艺要求和加工特点，有时需要手动调整，因此设置了自动控制和手动控制两种模式。同时，为了确保系统的安全性，除了电流报警之外，还设置了行程保护、急停开关和连锁保护等。

工件安装到位以后，判断选择自动控制模式或手工控制模式。在自动控制模式下，步进电动机驱动割枪按程序在X-Y面移动，直至整个清根过程结束。与此同时，数据采集程序进行电流数据检测，并实时显示在LCD上，当电流超过设定值时启动报警程序。数据采集子程序有三个作用：①从霍尔传感器处获得电流数据。②通过放大、滤波、A/D转换等将模拟信号转换为数字信号。③负责向DSP发送数据。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程

5. 结语

该等离子弧自动焊缝清根机不但可对管道、筒体及容器焊缝自动清根，而且还能实时显示各参数，并能实现两级声光报警，确保了清根安全。与传统清根技术相比，减小了劳动强度，提高了工作效率，保证了清根质量，具有很大的应用价值。