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1、90弯管内壁堆焊四自由度运动单片机控制系统的研究北京华巍中兴电气有限公司 魏 征 副 总 经 理北京华巍中兴电气有限公司 魏 伦 总 工 程 师（此文刊登在MM现代制造杂志2008年5月北京埃森焊接展会专刊上）1. 前言随石化工业的飞速发展，我国石化炼制已进入加氢精制，加氢裂化的新阶段，由于加氢反应是在高温（450左右），高压（30Mpa左右）条件下进行的，若保证加氢设备长期安全运行，对加氢设备的制造技术要求很高，难度也很大。加氢反应器是加氢设备的心脏部件，用2 Cr-1Mo耐热钢制造，筒体壁厚为200毫米以上，并装有20多根内径不同（50mm300mm）长短不一（2米）的冷氢管、热偶管、开口
2、管和泄料管等。筒体及接管内壁均需堆焊三层不锈钢耐蚀层，以保证设备在上述工况条件下长期运行安全可靠。90弯管内壁耐蚀层自动堆焊是加氢反应器制造的关键技术之一，是加氢设备国产化须解决的一个难题。而加氢设备90弯管目前采用手工电弧分段堆焊拼接工艺是整套加氢反应器内壁堆焊唯一没有实现自动堆焊的落后技术，也是不能保证整套加氢设备长期稳定运行的薄弱环节，本文在完成加氢设备直管内壁堆焊技术的基础上，新开发出90弯管内壁自动堆焊技术成功的解决了这一难题。2. 主要技术关键为完成90弯管内壁TIG自动堆焊控制，应考虑和解决以下技术问题：2.1 堆焊过程工件与焊枪呈四个自由度做相对运动，需采用微机在程控条件下才可
3、实现。2.2每个弯管连续堆焊时间在20小时左右，首先需要解决微机抗干扰及长时间稳定运行问题。2.3工件在转动螺旋堆焊过程中为保证每堆焊点热输入量一定，其转动速度应根据弯管半径小R和大R作连续变速转动。2.4 工件在轴向变速转动其径向也要作连续运动，才能保证堆焊道呈螺旋状。2.5堆焊枪在工件作轴向变速转动时，需作连续变摆宽的运动，才能保证堆出的焊道呈扇形展开状，以实现弯管小R半径至大R半径的焊道搭边量一致。2.6由于厚壁弯头的加工较难，每点的圆周程度不同都会出现椭圆，所以必须采用TIG堆焊弧长自动调节，以保证堆焊规范一致，确保堆后焊道高度均匀，铁素体含量相同。2.7对不同半径的弯管，其工件轴向转
4、动速度，焊枪摆动宽度等参数都不相同，需预置多种规范并进行在线实时控制。3. 硬件电路的设计硬件电路方框图见图1。3.1 采用89C52单片机作为控制系统的核心，为防止微机系统在运行中遇到各种干扰而出现程序指针“跑飞”造成系统处于不可预知的状态，专门设计了PC程序指针引导电路，当单片机工作出现异常时，此电路即可识别，并自动引导PC程序指针按规定的程序运行，此方法经长时间堆焊运行证明是有效的，可确保微机系统正常工作。3.2 弧压给定信号、焊枪高度弧压反馈信号、工件转动速度直流伺服机电压反馈信号通过AD转换经光电隔离送入单片机。3.3 长时间摆动堆焊过程焊道偏离信号经识别电路送单片机。3.4 在控制
5、器面板上设有不同管径预置码盘，此预置信号经接口电路送单片机。3.5 堆焊焊枪摆动采用步进电机驱动，由单片机程控，摆宽信号经接口电路输出后改变焊枪的摆幅。3.6 焊枪高度调节采用步进电机驱动，由单片机程控，其上、下调节量信号经接口电路输出后改变焊枪的高度。3.7工件轴向变速转动采用直流伺服机驱动，由单片机程控，转速调节量信号经接口电路输出后调节工件的转速。3.8在控制器面板上设有堆焊过程弧压数字实时显示。4. 控制原理整个系统是由微机程序控制构成的闭环自适应控制系统，此系统的被控对象具有四自由度运动，在运动过程中四个控制量必须满足最佳配合才可堆焊出扇形面焊道，且焊道搭边量、焊道高度均匀、焊缝成型
6、美观。对于四维空间运动轨迹要达到最佳参数匹配，就需采用闭环控制才可实现自适应调节，而多参数的匹配调节首先应确定一组参数为基准，当这一基准参数发生变化时，其它各参数则随之变化，以实现最佳参数匹配的关系。本文以摆动宽度做为基准数据，其它各参数则根据摆宽的变化做相应的自适应调节。此方案的特点：4.1摆宽反馈信号的提取摆宽属机械位移量，需通过传感器才可将电信号取出，经反复试验确定了提取信号的最佳方式，设计了取信号的专用传感器。此传感器既可识别连续变化的摆宽，亦可识别步进电机长时间往复摆动累积丢步造成的摆宽偏移。当摆宽偏移量大于0.3mm时，传感器可输出摆动过程左或右侧偏移信号，此信号送入单片机系统。单
7、片机设置的中断响应将识别出左或右侧产生偏移，并可向相反摆动方向先补偿摆动0.3mm后，再进行正常的摆动控制。由于此传感器的独特设计，对不同半径的弯管，输出不同的摆宽变化信号，不同的摆宽变化信号又有与之对应的弯管轴向变速运动，其数学模型已知量是由传感器反馈电信号产生的。摆宽反馈电信号的提取方式可在一个往复摆动之后由传感器将信号送入微机系统，经微机识别判断后即可控制其它各自由度的相对运动，以实现最佳配合的空间运动轨迹。此传感器的设计，可将摆宽作为整个控制系统的大闭环反馈信号，即摆宽是一变化的已知量，而其它各执行机构的变量则根据变化的摆宽已知量做相应的变化，其总的合成运动轨迹是最佳的。此控制方法可在
8、工件任一位置引弧，所有的座标运动，参数匹配都是自适应完成的。此控制法可明显减轻对焊工的要求，也使弯管内壁堆焊机具有在工厂推广应用的实用性。4.2 摆宽控制系统由于弯管产品的品种较多，直径从150300。弯管的小R堆焊点最小摆宽为6，大R堆焊点最大摆宽为18mm，在工件沿轴向转动过程中，摆宽从小大小变化，在此变化中工件转动速度也要相应变化。当焊枪位于小R点时，即摆幅最窄时，工件转速最快。当焊枪位于大R点时，即摆幅最宽时，工件转速最慢。这样才能保证堆出的焊道高度均匀，焊道各点热输入量相同。当摆动堆焊至两端，为保证焊道搭接处熔合良好，根据工件不同摆宽两端停留时间0.11秒可调，堆焊过程摆速5mm/s
9、18mm/s可调。4.3 工件轴向转动速度控制系统根据摆宽传感器反馈的信号，工件轴向转速要做相应变化。转速的执行机构采用直流伺服机驱动，控制电路采用微机程控可控硅闭环调速系统。由电机主回路供电电源取出的同相交流电压经变压，全波整流后送至电压比较器，当电压每10ms过零点出现时，电压比较器输出一脉冲电压送至微机系统，微机系统则根据摆宽传感器反馈的信号做相应计算，以确定工件轴向转速的数值。89C52单片机通过改变8155接口电路定时器数值，延迟ts时间送出触发脉冲至可控硅控制极以实现改变转速的目的。4.4 弧长自动调节控制系统由于弯管产品的制作其椭圆度是不可避免的，为保证堆焊后焊道的化学成份均匀，
10、其焊接规范的控制尤为重要。而规范变化最大的是焊枪相对于工件的高度，即电弧电压。弯管产品的堆焊其弧压数值可在917之间变化，当低电压时，TIG焊枪钨极与填丝及熔池将造成短路；当高电压时，TIG焊电弧不稳，填丝偏离熔池，使堆焊过程无法进行。由于堆焊过程弯管的轴向转速较快，弯管相对于焊枪高度的变化速率很明显，既要保证快速应变速度，又要保证弧压控制精度。本研究采用了步进电机驱动焊枪调高机构的方案，当弧压发生偏差时，由AD转换芯片将弧压反馈信号送入微机系统，经过计算后输出控制信号可一次将焊枪高度调至给定状态，此控制方法经堆焊试验证明效果很好。5. 控制软件控制程序完成摆宽、焊道偏离信号的识别及摆动步进机的自适应调节；电弧给定电压、电弧反馈电压采样及调高步进机的闭环控制；根据摆宽信号、直流机电压反馈信号的采样及调节直流机转速及转速的闭环控制；对不同管径预置的识别及调用相应控制程序；实时送显弧压数值。6. 弯管内壁堆焊应用研制的弯管内壁TIG自动堆焊机已成功用于锅炉制造行业和石化设备制造行业产品管件堆焊，采用TIG填丝堆焊三层不锈钢，堆出的扇形焊道搭边量相同，母材熔深均匀，焊缝成型美观、平整，达到了工厂产品弯管堆焊技术要求。（见图2，弯管自动堆焊专机）（见图3，堆焊的弯管产品） 。图2 弯管自动堆焊专机图3 堆焊的弯管产品
