基于交流伺服電機的推拉絲送絲系統(tǒng)研究

董志強，陳克選，李 歡

(蘭州理工大學材料科學與工程學院，甘肅蘭州 730050)

0 前言

近年來，薄板在汽車、機械制造等行業(yè)中的應用越來越多，薄板的電弧焊接需要降低熱量輸入。由于推拉絲送絲方式在短路時通過送絲機反轉(zhuǎn)回抽焊絲，在回抽拉力的作用下使焊絲和熔滴分離的方式，使熔滴在幾乎無電流的狀態(tài)下過渡，從而降低了焊接過程能量輸入和產(chǎn)生飛濺的因素。

在國外，奧地利Fronius公司在2004年推出一種焊接方法——冷金屬過渡焊接法簡稱CMT法。CMT法采用推拉絲的送絲方式，當發(fā)生短路時，送絲機反轉(zhuǎn)回抽焊絲，從而使得焊絲與熔滴分離，使熔滴在幾乎無電流的狀態(tài)下過渡，從根本上消除了產(chǎn)生飛濺的因素[1]。在國內(nèi)，鄭州機械研究所孫子健等人研制了一種可以實現(xiàn)脈動送絲的“三鋼球”脈動送絲機構(gòu)(采用凸輪電機)[2]，以周期性定量送絲為前題，通過機械參數(shù)和電參數(shù)的配合，可以使熔滴按焊絲脈動規(guī)律實現(xiàn)一個步距一個熔滴的有規(guī)律短路過渡，從而減小飛濺，使焊接過程穩(wěn)定。哈爾濱工業(yè)大學的里強采用響應較好的五相混合式步進電機作為送絲電機，對推拉絲短路過渡做進一步研究。在短路階段，熔滴與熔池在小電流下接觸，降低了短路過渡時的飛濺[3]。

通過選用轉(zhuǎn)動慣量小、響應速度快的電機及其控制器，配合相應的軟件，編制了焊絲的運動曲線，使電機周期性的做前進-回抽運動，實現(xiàn)了高頻率的推拉絲送絲，從而滿足低能量、無飛濺焊接的需要。

1 系統(tǒng)的組成和工作原理

推拉絲送絲系統(tǒng)主要組成部分有普通直流送絲電機、交流伺服電機、伺服控制器、緩沖器、系統(tǒng)保護及控制電路等，如圖1所示。

圖1 推拉絲系統(tǒng)框圖Fig.1 Block-diagram of Push-pull feeding system

在焊接前編制焊絲的運動曲線，如圖2所示，圖2a為位移曲線，圖2b為焊絲運動的速度曲線。在焊接過程中，交流伺服電機按照編制的曲線運動，首先正轉(zhuǎn)，向前送進焊絲，焊接電源配合送絲曲線輸出相應的電流、電壓波形，使焊絲達到設定的前進距離時，形成熔滴,發(fā)生短路，然后電機反轉(zhuǎn)，回抽焊絲，拉斷熔滴，并完成電弧的再引燃，電機繼續(xù)回抽焊絲到達設定的回抽距離時，電機再次正轉(zhuǎn)，如此反復。在此過程中，等速送絲電機一直向前送進焊絲，焊絲經(jīng)由緩沖器后送到伺服電機軸上的送絲輪上。

2 系統(tǒng)硬件設計

推拉絲送絲系統(tǒng)是整個低能量焊接系統(tǒng)最重要的組成部分，由于低能量焊接采用推拉絲短路過渡方式，在發(fā)生短路后回抽焊絲拉斷熔滴，需要送絲電機頻繁的正反轉(zhuǎn)，對于電機及其控制系統(tǒng)要求很高，因此送絲電機及其控制系統(tǒng)的選擇與設計是整個推拉絲送絲系統(tǒng)能否實現(xiàn)高頻送絲的關鍵[4]。

2.1 送絲電機的選擇

送絲電機是推拉絲送絲系統(tǒng)的關鍵組成部分，其性能好壞對于能否實現(xiàn)低能量焊接至關重要。要實現(xiàn)較高頻率的正反轉(zhuǎn)（50 Hz以上），有兩個關鍵：一是電機本身的轉(zhuǎn)動慣量要小，二是電機需有一定的扭矩才能帶動焊絲。

圖2 焊絲運動曲線Fig.2 The movement curve of welding wire

傳統(tǒng)的推拉送絲電機主要采用凸輪電機或步進電機，但凸輪機構(gòu)無法進行靈活的參數(shù)設定，不適合在較寬的參數(shù)調(diào)節(jié)范圍使用；另外機械機構(gòu)本身慣性大，傳統(tǒng)電源的響應能力差，參數(shù)匹配關系容易遭到破壞，影響焊接穩(wěn)定性，只能在較低的頻率下完成焊絲的送進/回抽運動。而步進電機由于送絲系統(tǒng)響應速度的限制，使焊絲的回抽動作大大滯后于小橋的收縮破斷過程，也只能在較低的短路過渡頻率下實現(xiàn)。

本設計選用的推拉送絲電機是Lenze同步交流伺服電機，電機型號為MCS-06C41（見圖3）。其基本性能見表1，由表1可知，該電機扭矩大、轉(zhuǎn)動慣量小、響應速度快、控制精度高、靈活性及安全性較高，完全可以滿足高頻率推拉送絲的要求。

圖3MCS-06C41交流伺服電機Fig.3 The AC servo motor

表1 電機性能參數(shù)

Tab.1 The basic capability of AC servo motor

額定功率P/kW 0.25額定電流I/A 1.3額定轉(zhuǎn)矩M/N·m 0.8額定轉(zhuǎn)速ω/rpm 4 050最大轉(zhuǎn)矩M/N·m 2.4轉(zhuǎn)子慣量/kg·m2 14

2.2 電機控制器的選擇

電機控制器是送絲系統(tǒng)最重要的組成部分，主要用來設置、控制電機的運動形式及驅(qū)動電機。

目前，國內(nèi)數(shù)字化送絲機的控制部分采用專用的PWM控制芯片，通過芯片輸出不同占空比的脈沖來調(diào)節(jié)電機兩端的電樞電壓從而達到調(diào)節(jié)送絲速度的目的，部分采用單片機作為控制器進行送絲電機的數(shù)字化控制?？傮w上來說滿足了數(shù)字化送絲的需要，但是在硬件送絲穩(wěn)定性及送絲調(diào)速動態(tài)響應方面還可以改善和提高。

選用Lenze公司生產(chǎn)的單軸驅(qū)動E94ASHE0034型伺服控制器（如圖4所示），其特點有：（1）單軸緊湊設計，節(jié)省安裝空間；（2）內(nèi)置PID過程調(diào)節(jié)器；（3）通過PC機編程更簡單；（4）內(nèi)置自動化接口，使控制器擴展功能更強。

圖4 伺服控制器Fig.4 The servo controller

控制器主要控制MCS-06C41電機的推拉運動，通過Lenze公司專門的軟件（L-force Engineer HighLevel 2.14軟件)可以在上位機中編制不同的焊絲運動曲線，然后下載到電機控制器中，連接設計的送絲機構(gòu)與相應的焊接電源，在焊接過程中焊絲可以按照設計的曲線進行運動。

2.3 系統(tǒng)保護及控制電路

系統(tǒng)保護及控制電路是伺服控制器連接電源以及送絲電機的主要線路，其主要組成是交流接觸器、熔斷器、開關，如圖5所示。在實際工作過程中接入380 V交流電源，通過常開常閉開關控制電路的接通與斷開，在按下開關常開端時，與開關連接的接觸器線圈吸合，交流伺服電機及伺服控制器通電，電機及控制器正常工作；當按下開關常閉端時，交流接觸器線圈斷開，交流伺服電機及伺服控制器斷電，終止工作。在電流過大或發(fā)生短路時熔斷器熔斷，使接觸器線圈斷開，電路斷電，達到設備保護的目的。伺服控制器上X5端口連接的是一個使能開關，可以控制伺服驅(qū)動器的運行與停止，X105和X7端口分別接電源線及信號線與伺服電機連接，電源線給電機提供工作電壓，信號線則給電機輸出控制信號。

圖5 系統(tǒng)接線Fig.5 System wiring

3 系統(tǒng)的軟件編程與功能實現(xiàn)

推拉絲送絲系統(tǒng)運用的軟件主要是L-force Engineer，該軟件是用于調(diào)試和診斷9400伺服驅(qū)動的工程軟件。其通常使用的模式有4種：位置模式、速度模式、力矩模式、（電子）凸輪模式。PC機與伺服控制器的連接如圖6所示，L-force Engineer的工作界面如圖7所示。

采用L-force Engineer工程軟件的位置模式，該模式下，可以設定焊絲前進、回抽距離以及時間，設定完后系統(tǒng)自動生成焊絲運動曲線，圖8為位置模式下的編程界面。

圖6 PC機與驅(qū)動器的連接Fig.6 TheconnectionofPCmachineandservocontroller

L-force Engineer的工作過程如下：首先在L-force Engineer中創(chuàng)建工程，完成工程相關參數(shù)設置以及程序編制，通過專用的USB診斷接口上傳到9400伺服控制器，只要焊接的焊絲直徑不變，每個周期推拉絲的距離就可以不變，通過外接的旋鈕可以即時改變推拉絲的頻率即送絲速度，通過外接的使能開關可以隨時啟動伺服驅(qū)動器以及推拉絲電機，電機就可以按照所設計的曲線運動。

圖7 軟件界面Fig.7 The software interface

圖8 位置模式的編程界面Fig.8 The programming interface of the location model

4 送絲系統(tǒng)的調(diào)試和試驗

為檢驗系統(tǒng)是否達到設計要求，對所設計的系統(tǒng)進行了調(diào)試：

（1）對設計的推拉絲送絲系統(tǒng)做大量送絲試驗。試驗方法是在上位機中，通過L-force Engineer軟件設定焊絲的前進、回抽距離以及周期，計算出一定時間內(nèi)理論的焊絲前進距離（每個周期前進的距離減去回抽的距離再乘以這段時間對應的周期數(shù)），與焊絲實際的送進距離做比較，改變焊絲前進、回抽距離以及周期，再做大量重復試驗，發(fā)現(xiàn)每次試驗實際的焊絲送進距離與理論結(jié)果相符。試驗結(jié)果表明，焊絲能完全按照編制的曲線運動，且穩(wěn)定性、重復性好。

（2）用高速攝像對推拉絲送絲系統(tǒng)的送絲過程攝像，從拍攝的視頻中可以看到焊絲每個周期前進、回抽距離穩(wěn)定，與預先設定的曲線大致相符。圖9所示的三張照片是高速攝像生成的一個推拉絲周期三個位置，圖中對應的送絲曲線是焊絲送進距離為3 mm，回抽距離2.5 mm，頻率50 Hz，高速攝像的頻率600幀/s（一張照片到下一張照片約是1.67 ms）。焊絲從上一次回抽結(jié)束并開始做前進運動到回抽結(jié)束，一共有12張照片，與設定的一個推拉絲周期20 ms（1.67乘以12）相符。另外從圖中可以看出，從焊絲開始運動到前進末期，焊絲前進了約3 mm，從前進末期到回抽結(jié)束，焊絲回抽了約2.5 mm，與設定的曲線相符。試驗結(jié)果表明，設計的推拉絲送絲系統(tǒng)工作穩(wěn)定，焊絲能按照編制的曲線運動。

5 結(jié)論

在此研究的推拉絲送絲系統(tǒng)主要由普通直流送絲電機、推拉絲電機、伺服控制器、緩沖器、系統(tǒng)保護及控制電路組成，推拉絲電機選用的是Lenze公司同步交流伺服電機。通過在PC機中編制焊絲運動曲線，上傳到伺服控制器，伺服電機就可以按照設計的曲線運動。經(jīng)過大量送絲試驗及高速攝像，結(jié)果表明，設計的送絲系統(tǒng)工作穩(wěn)定，焊絲能按照設定的曲線運動，并且推拉絲的頻率可以達到50 Hz以上。

圖9 焊絲高速攝像相片F(xiàn)ig.9 The photos of wire picked up by high speed camera

：

[1]Bmclmer J.The CMT-process and its possible applications，especially joining of steel with aluminum[C].7th international conference on brazing.High Temperature Brazing and Diffusion Welding[A].Germany，2004.

[2]曹道鈞，孫子健.半周脈動送絲CO2氣體保護焊的特點[J].焊接學報，1984，5(1)：43-51.

[3]里 強.CO2氣體保護焊實時回抽送絲短路過渡控制研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，1996(7)：99-119.

[4]張撼鵬.新型低能量輸入電弧焊接系統(tǒng)及其過程控制研究[D].北京工業(yè)大學，2007(7)：45-54.