數(shù)字化焊機(jī)發(fā)展概述

1、數(shù)字化焊機(jī)發(fā)展概述作者：北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 殷樹言 劉嘉21世紀(jì)計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，以DSP、MCU應(yīng)用為特征的數(shù)字產(chǎn)品層出不窮。計(jì)算機(jī)技術(shù)正在向各個(gè)層面擴(kuò)展、滲透，某種程度上已經(jīng)改變了人類的生產(chǎn)、生活、娛樂、消費(fèi)等方方面面的方式。從大的環(huán)境來看，數(shù)字化焊機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展是技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。如何看待數(shù)字化焊機(jī)，如何迎接數(shù)字化焊機(jī)所帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，我想這些是我們今天應(yīng)該思考的問題。 數(shù)字化焊機(jī)在國(guó)外的發(fā)展 單片機(jī)控制的焊接設(shè)備由來已久，但是數(shù)字化焊機(jī)真正的發(fā)展卻是在國(guó)外。這不但體現(xiàn)在“數(shù)字化”這一概念的提出，我認(rèn)為更體現(xiàn)在DSP的應(yīng)用、更高頻率的逆變器，根本上講是其更完美的工藝性能。 數(shù)字化

2、焊機(jī)的生產(chǎn)從開始的幾家廠商，逐步為多數(shù)廠商所追捧，F(xiàn)ronius、Kemppi、EWM、OTC、松下等等。在日趨多樣的數(shù)字化焊機(jī)中，盡管外形不盡相同，處理器型號(hào)和主電路形式千差萬別，但是卻存在著兩方面共同的特點(diǎn)：DSP的應(yīng)用和高頻率的逆變器。在國(guó)外焊接設(shè)備廠商追求高速DSP運(yùn)算能力和逆變器高頻化的背后，我們不得不思考其真正的目的。與此同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)字化焊機(jī)在走過其“宣傳期”之后，更加注重對(duì)焊接電弧物理、焊接工藝的研究，在改進(jìn)現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上，基于數(shù)字化焊機(jī)的新型焊接工藝方法研究成績(jī)斐然。 很顯然，數(shù)字化焊機(jī)與焊接工藝性能并不存在直接的聯(lián)系。 數(shù)字化焊機(jī)的優(yōu)越性 經(jīng)過幾年的資料匯總和實(shí)際的研究

3、開發(fā)，我們認(rèn)為數(shù)字化焊機(jī)的特點(diǎn)，體現(xiàn)在超強(qiáng)的控制能力和快速的響應(yīng)性能這兩個(gè)方面，正是這兩方面的優(yōu)勢(shì)使其具備了更完美地控制焊接工藝過程的潛能。圖1為北京工業(yè)大學(xué)研制的數(shù)字化焊機(jī)的總體框圖，其它種類的數(shù)字化焊機(jī)在細(xì)節(jié)上不盡相同，但總體結(jié)構(gòu)雷同。 圖1 數(shù)字化焊機(jī)總體框圖（北京工業(yè)大學(xué)）應(yīng)用DSP作為焊接工藝控制的核心處理器，首先其內(nèi)部結(jié)構(gòu)適于高速運(yùn)算，有可能對(duì)焊接工藝過程進(jìn)行快速的采樣、判斷，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。其次，在DSP系統(tǒng)中，焊接工藝過程控制是以穩(wěn)定的二進(jìn)制運(yùn)算來完成的，不受分立元件的影響，因此，焊機(jī)性能穩(wěn)定，一致性好，焊接過程穩(wěn)定。其三，在DSP系統(tǒng)中，焊接工藝過程控制體現(xiàn)在一定的控制軟件

4、和控制算法上，代替了大部分的硬件電路，這樣不但簡(jiǎn)化的硬件的設(shè)計(jì)，同時(shí)更使得對(duì)焊接工藝過程的控制更加靈活。以往想到的，而又沒有機(jī)會(huì)和辦法實(shí)現(xiàn)的工藝控制想法，在數(shù)字化焊機(jī)平臺(tái)上都可以進(jìn)行嘗試，而這種嘗試不再需要長(zhǎng)時(shí)間的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試，只需要編寫控制程序就可以開展工藝試驗(yàn)了。 數(shù)字化焊機(jī)另一個(gè)特點(diǎn)是其快速的響應(yīng)性能。如果說DSP為數(shù)字化焊機(jī)插上了騰飛的翅膀的話，其快速的響應(yīng)性能就是其飛翔的動(dòng)力。我們注意到僅僅具備了DSP，數(shù)字化焊機(jī)的性能是得不到實(shí)質(zhì)性的提高的。提高焊機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的方法有許多種，控制器上、輸出電抗器上等等，但是根本上講，我們認(rèn)為還必須在提高逆變頻率上做文章。 圖2為PMIG焊接工

5、藝中電流曲線和熔滴過渡的示意圖。在PMIG焊接工藝中，峰值電流Ip通常較大，高于射流過渡的臨界值，峰值電流時(shí)間tp又比較短，23ms不等。峰值電流期間的電弧能量對(duì)熔滴過渡起主導(dǎo)作用，因此，為了獲得良好的、穩(wěn)定的工藝效果，必須對(duì)Ip和tp嚴(yán)格控制。 圖2 PMIG焊接工藝中電流曲線與熔滴過渡圖2僅以PMIG焊接工藝為例說明了控制精度和控制穩(wěn)定性對(duì)于焊接工藝的影響。實(shí)際上，焊接工藝中需要這種高精度控制的場(chǎng)合很多，隨著生產(chǎn)對(duì)焊接工藝要求的提高，數(shù)字化焊機(jī)的優(yōu)勢(shì)也會(huì)更加突出。 數(shù)字化焊機(jī)在中國(guó) 數(shù)字化焊機(jī)已經(jīng)有了幾年的銷售歷史了，目前以國(guó)外品牌為主，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有幾家廠商可以自主地進(jìn)行開發(fā)和生產(chǎn)。但是，

6、總體上看數(shù)字化焊機(jī)影響力已經(jīng)具備，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成為市場(chǎng)的主流。 從國(guó)內(nèi)的研究來看，數(shù)字化焊機(jī)的研制主要集中在北京工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、蘭州理工大學(xué)等幾所院校。 從多次技術(shù)交流的結(jié)果來看，我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)數(shù)字化焊機(jī)的發(fā)展相當(dāng)迅速，短短幾年內(nèi)，從無到有，焊機(jī)性能和水平不斷提高。但是，產(chǎn)業(yè)化程度普遍偏低，難以形成足夠的影響力。這與研究單位的性質(zhì)有關(guān)，一種新產(chǎn)品除了技術(shù)層面的因素，產(chǎn)業(yè)化的因素不可忽略。以數(shù)字化焊機(jī)的控制軟件開發(fā)為例，其中不但要體現(xiàn)焊接工藝研究的成果，還包含了程序設(shè)計(jì)、控制策略的選擇和實(shí)施、通訊協(xié)議的制定等諸多因素。以有限的財(cái)力、人力、物力資源來看，發(fā)展是快速的，但是與市場(chǎng)

7、的變化相比，我們感到壓力巨大。 同時(shí)，與國(guó)際公司相比，中國(guó)企業(yè)自主技術(shù)開發(fā)能力較弱，低端焊接設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是利潤(rùn)極低。走“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合的道路是發(fā)展數(shù)字化焊機(jī)的上上之選。但是，與以往的技術(shù)進(jìn)步相比較，數(shù)字化焊機(jī)的發(fā)展是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，這其中不但涉及到DSP應(yīng)用、逆變技術(shù)，更涉及到焊接工藝的每一個(gè)環(huán)節(jié)，如送絲系統(tǒng)、抗干擾措施、焊機(jī)的EMC設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)、通風(fēng)設(shè)計(jì)等等。如何將技術(shù)資源整合，不單純是研究單位的任務(wù)，更需要有識(shí)之士能借助資本的力量加以運(yùn)作。焊接設(shè)備技術(shù)高科技化，其研究和制造必然走上高科技發(fā)展之路。高等院校和科研院所要發(fā)揮基礎(chǔ)研究的優(yōu)勢(shì)，在DSP應(yīng)用、焊接電弧物理、焊接工藝?yán)碚?、電力電子技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面加大力度，企業(yè)應(yīng)在整體設(shè)計(jì)、制造等方面發(fā)揮長(zhǎng)處，把握好市場(chǎng)的脈搏。 展望 數(shù)字化焊機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與焊接技術(shù)“熔合”的產(chǎn)物，其發(fā)展必然以服務(wù)于焊接生產(chǎn)為目的。當(dāng)前，數(shù)字化焊機(jī)比較多地以相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)的形式存在，但是自動(dòng)化焊接生產(chǎn)才是數(shù)字化焊機(jī)真正的用武之地。 其發(fā)展前景大體如下： 在機(jī)器人焊接系統(tǒng)中集成數(shù)字化焊機(jī)，利用其較強(qiáng)的數(shù)字通訊能力，發(fā)揮數(shù)字化焊機(jī)穩(wěn)定的、優(yōu)異的焊接工藝性能； 網(wǎng)絡(luò)化焊接，將數(shù)字化焊機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，工藝調(diào)試、質(zhì)量監(jiān)控和管理網(wǎng)絡(luò)化； 柔性制造，數(shù)字化焊機(jī)將多種工藝集于一身，以其為基礎(chǔ)組成的焊接加工系統(tǒng)具備一定的柔性，可以一定程度上滿足不