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交流伺服系统在真空等离子焊机中的应用

供稿:lick713 2004/11/30 13:43:00

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[摘要]本文主要介绍了交流伺服系统用于真空等离子焊接设备以实现其定枪全自动、连续焊接的精确定位控制原理及设计,系统的软、硬件选型方案
[关键词]精确定位、交流伺服控制
前言
  在超导材料生产的工艺流程中,电极焊接时非常重要的一环,一方面要满足不能被氧化、充分保证材料的纯度,另外一方面也要提高工作效率并降低工人的劳动强度。过去很长的一段的时间内,我国超导材料的生产过程中均采用在大气环境的氩弧焊接,但效果始终不是很理想,还经常造成钨极夹杂。为了很好地解决这一问题,我公司设计并制造完成了一种综合利用等离子焊枪和氩弧焊枪的焊接设备。设备主体上配有两把固定式等离子弧焊枪,一把手持式等离子弧焊枪、一把手持式氩弧焊枪、四套电极专用卡具,可灵活方便的进行各种方式的焊接。专门适用于焊接钨、钼、钽、铌、钛、锆、铪等难熔及活泼金属电极及构件,还可作为铸件缺陷补焊、以及熔化中间合金小铸锭供制备合金电极使用,还可制备小铸锭供理化分析使用,其用途广泛,操作灵活,使用方便,是真空自耗电弧炉、EB炉的必备辅助设备。
主要用来用在生产工艺过程中经过抽真空后充氩气进行保护的条件下实现工件的纵向焊缝和环焊缝的焊接,并保证其焊接质量的良好以及焊接过程的连续性。
一、设备主要的技术指标如下:
(1)环缝焊接速度、纵缝焊接速度均要求在一定范围内可调;
(2)固定式等离子焊枪功率:35KW/支;
(3)起弧方式选择高频起弧,从而有效避免钨或铜的夹杂;
(4)最大空载电压65V,负载持续率100%;
(5)焊接电流为200~1000A,可连续调节
(6)空炉极限真空度 ≤1*10-1pa
(7)环缝焊接速度:100-200 mm/min
(8)旋转最大速度:3转/min
(9)纵缝焊接速度:100-300mm/min
二、系统介绍
2.1 计算运动关系公式
分别实现纵焊缝和环焊缝的焊接其中纵焊缝焊接时的运动如下图示:



根据材料的外形尺寸(所焊接工件为近似六棱体)及焊接速度,经过计算得出环缝焊接时,焊枪的运动关系如下公式:
h={ 117/cos(α-27.15), α∈[0,54.3]} ,{131.5, α∈[0,54.3]}
其中,h代表焊枪头的位移参数, α为焊枪完成焊缝对中后,与该环缝切线方向的夹角,其取值范围是经过工艺摸索得出范围中的经验参数。经过工艺试验,能够满足工件焊接质量要求。工件旋转一圈,上述运动关系重复4个周期.
在工作过程中,焊枪头至工件表面的距离与设定距离的误差不大于1mm;
2.2工作过程描述:


2.3控制系统提供的参数指标:
焊枪转台检测信号中电压信号和电流信号均为4-20mA的标准电流信号;
位置反馈信号为27-44V的直流信号;
电机通过滚珠丝杠传动焊枪头的直线运动,螺距P=7mm;三、伺服驱动系统设计
下面主要介绍以FP∑及交流伺服电机为核心的控制系统的设计原理(以定枪1的控制为例)。
1、系统原理框图:


由于焊枪定位精度要求高,其闭环控制系统需要将实时检测信息及时反馈到控制端,因此中间环节及外界干扰影响比较小,精度相对要高很多,而它附带的数字化伺服控制系统满足要求,而且内设位置环可和多种上位控制机相配接。伺服电机和控制方式的选择是关键。
2、伺服驱动器1用于接收来自PID控制模块的响应输出信号,并接收来自PLC中模拟信号,进行比较,驱动电机按照实际中的位移传感器及电压变送器的反馈信号变化,进行焊枪位置的调整,其具体接线原理如下:


3、在焊枪定位控制系统中,设计了PID控制模块1,通过进行适当地PID参数调节,从而可以得到各种输出响应特性,其具体原理接线图如下:


四、软、硬件结构组成
3.1软件系统要求:
软件设计中能完成系统自检、参数设置、自动手动切换、界面友好,软件应具有良好的操作性和维护性。显控屏的软件开发采用组态软件EasyBuilder500,PLC采用SYSMAC-CPT进行开发。
3.2硬件构成:通过一个MT510T的10.4” TFT控制屏对C200H-CPU32-E进行操控,并配以PID控制模块、模拟量输入模块构成。采用这种所有参数可以全部通过软件设置,便于现场调试,抗干扰能力强,可靠性高。五、结束语
本设备的设计、制造难度在目前国内同等用途的设备中独一无二的,采用了国内最大的可控硅整流电源,焊接材料及工艺的特殊性增加了其对控制系统要求,同时也集成了固定枪和手动枪的全部动作,并实现其控制系统的最大程度的自动化,经过现场调试,焊枪起弧容易、弧压反馈准确、位置控制精确,但是由于材料的六棱外形,我们对定枪结构进行了适当地缩小化,并更换的较小直径的钨电极,目前该设备已经顺利投入使用,能够充分保证焊接质量.
[参考文献]
1、胡国清 机电控制工程理论与应用基础[M] 北京:机械工业出版社 1997.9
2、松下通用交流伺服系统伺服放大器技术资料集 2001
[作者简介]
李超鲲,学士,助理工程师,主要从事非标设备的设计研发及生产设备的电气调试工作
单位:陕西省西安市西部超导材料科技有限公司
地址:陕西省西安市北经济技术开发区D3区明光路12号
邮政编码:710016
联系电话:029-86514525

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