基于工业控制机的变极性TIG焊控制器

陈树君，张爱丽，张开亮，张宇
(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京l00022)
摘要：以NI PCI-622l 数据采集卡和工业控制机为硬件平台，应用LabVIEW 软件建立了一套人机
界面良好、易于操作的变极性TIG 焊控制系统。

该控制系统和双逆变式交流电源相配合可以输出变极性焊接电流波形，并可以对变极性电流波形进行低频脉仲调制和高频脉仲调制，进而实现任意的波形组合。

该控制系统除了完成基本的TIG 焊接时序控制外，还具有数据采集、波形显示、记录保存和数据通信等功能，为焊接过程监控、焊接质量的信息化管理奠定了坚实的基础。

试验表明，采用该控制系统的变极性TIG 焊机操作简单，焊接工艺性能优良。

关键词：变极性；脉仲调制；串行通信；LabVIEW 中图分类号：TG434.l 文献标识码：A
文章编号：l00l-2303(2007)0l-000l-0S
Controller for VPTIG welding based on industrial computer
CHEN Shu-jun ，ZHANG Ai-ii ，ZHANG Kai-iiang ，ZHANG Yu
(Coiiege of Mechanicai Engineering Appiied Eiectrons Technoiogy !Beijing University of Technoiogy !Beijing l00022!China)
Abstract "Based on NI PCI-622l data acguisition card and LabVIEW software ，a muitifunctionai TIG controi system is deveioped
on industriai computer.It has weii man-machine interface ，and easy to controi.This controi system with the weiding power suppiy which is a doubie inverter can output the waves of variabie poiarity ，iow freguency moduiated puise ，and high freguency moduiated puise or the combination of the above waves.At the same time ，it can accompiish seguentiai controi of VPTIG weiding.Data can be acguired ，wave can be dispiayed,parameters can be recorded ，and it can be communicated with other controiiers.It iays a firm foundation on guaiity monitoring in weiding processes.Easier operation and good seam guaiity of WSE weider using this controiier is vaiidated experimentaiiy.
Key words "variabie poiarity #moduiated puise #seriai communication #LabVIEW
收稿日期!2006-ll-29
基金项目!北京市教委科技发展资助项目(KM200Sl000S02l)作者简介!陈树君(l97l 一)，男，黑龙江双城人，副教授，博士，
主要从事新型焊接电源、电力电子技术、电磁兼容技术、电源可靠性及焊接电弧物理等方面的研究工作。

第37卷第l 期2007年l 月
Voi.37No.l jan.2007
Eiectric Weiding Machine
0前言
钨极氖弧焊简称TIG 焊(Tungsten Gas Weiding)，是一种高质量的焊接方法，它以其焊接过程稳定、易于控制、焊接质量高等特点被广泛应用。

铝合金
以其质量轻、强度高的优点，己被广泛地应用在航空航天、汽车和民用工业中，成为一种重要的加工材料[l]。

目前，铝及其合金的焊接通常采用方波交流TIG 焊。

然而，交流TIG 焊机由于其控制面板设计复杂，旋钮太多，操作繁杂，很容易操作失误
，给焊接生产带来极大的不便。

目前，绝大多数逆变焊接电源都以集成运放为核心组成控制系统，对于控制要求高的情况，单纯依靠传统的模拟控制难以达到精确控制。

市场上出现了以单片机为控制核心的数
专题讨询询询数字化焊接电源
字化焊机，使焊机的性能和焊接质量控制水平上升到一个新的台阶。

焊接自动化的发展不仅要求焊机接口简单，易于扩展，还要求其具有多功能、智能化、控制灵活、人机界面性能良好等特点[2]。

对于焊接参数的数据管理，焊接电流波形的显示和控制功能都需进一步加以完善。

工业控制机是一种主要用于工业过程测量、控制、数据采集等方面的专用计算机，它能将工业生产的过程控制与管理相结合，使工业自动化在分布控制、集中控制的基础上进一步向综合自动化方向发展，其可靠性高、实时性好、环境适应性强，并且过程输入和输出配套较好、系统通信功能强、后备措施齐全。

在现有焊接设备基础上，开发了一套基于工业控制机的功能较为完备的上位机焊接控制器，大大改善了TIG 焊接电源的操作性能，并为TIG 焊工艺的自动化应用和焊接质量提高奠定了坚实的基础。

本研究以工业控制机配置PCI-6221多功能数据采集板卡作为控制核心、液晶触摸屏为主要人机交互接口，应用图形化编程语言LabVIEW ，开发出一种适用于变极性TIG 焊机的控制器，并将其成功应用到WSE 系列TIG 焊机上，可方便进行焊接程序控制并输出合理的复杂焊接电流波形，获得了良好的焊接工艺效果。

对于数字化焊机，本系统可以作为数字化焊机的上位机，利用RS-232接口进行通信，传递焊接波形参数和程序控制命令。

在此基础上，可以对焊接参数进行保存、分析和处理，实现焊接生产管理的可记录、可追溯。

系统操作简单，通用性和扩展性强，可方便移植到等离子、脉仲MIG 等需要复杂电流波形的焊接电源上。

1控制系统组成和功能
控制系统由工业控制计算机、多功能数据采集板卡、信号调理电路以及LabVIEW 软件开发环境等组成。

控制系统框图如图1所示。

在LabVIEW 软件开发的控制界面下，进行参数设置，通过工控机的PCI 总线传输到多功能数据采集卡，再从采集卡的相应数据端口输出，经信号调理电路，将控制信号传输给焊机控制电路，控制焊机的工作。

多功能数据采集卡采用NI 公司的PCI-6221板卡，它共有68个数据端口，具有16路模拟输入、2路模拟输出和24路数字I !O ，完成模拟量及数字
量的输入和输出，以达到采集数据和控制相应装置的功能。

本设计中的采集卡端口资源分配如图2所示。

图2PCI-6221端口资源分配Fig.2
Interface of PCI-6221
LabVIEW 是目前国际上首推应用最广的虚拟仪器开发环境之一，采用强大的图形化语言(G 语言)编程，编程方便，人机交互界面直观友好，具有强大的数据可视化分析和仪器控制能力等特点[3]。

TIG 焊接电源工作的电磁环境是比较恶劣的，焊接电源在工作时不仅要受到从电网上传来的“噪声”干扰，其本身也是一个很强的干扰源，如电源内部的逆变电路开关电流和变压器绕组电流、电压的变化以及焊接时负载上的电流频繁变化都会产生高频噪声，尤其是TIG 焊接电源中的高频引弧器也会产生一定的干扰。

因此，系统中在数据采集卡和焊接控制电路之间加了信号调理电路，采用光电耦合器和继电器进行隔离。

2
变极性TIG 焊的软件控制
2.1
电流波形输出和二次逆变驱动
传统焊机的每一种电流波形都需要一套相应的硬件电路，使得设计复杂，难于维护，系统可靠性低。

采用软件电流发生器输出变极性焊接的给定信号，不仅可以方便地实现正极性电流和反极性电流的幅值和时间调整，还可以对焊接电流输出进行低频、高频或高低频的调制，以达到改善TIG 焊的
图1控制系统框图
Fig.1Scheme of control system
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第37
卷
专题讨询询询数字化焊接电源
名称符号名称符号基值低频调制周期中频调制周期高频调制周期低频调制占空比
中频调制占空比高频调制占空比低频调制比例系数中频调制比例系数高频调制比例系数
IB T_L T_M T_H D_L
D_M D_H K_L K_M K_H
表1变极性电流波形示意图符号说明
Tab.1
Annotation of variable polarity current waveform
电弧形态和提高焊缝性能的目的。

高低频调制变极性电流波形及二次逆变驱动信号示意如图3所示，表l 为变极性电流波形的符号说明。

根据设定的焊接方法和参数，输出对二次逆变电路的' M 信号，保证其与高低频调制段电流输出波形的中频周期的同步关系。

图3
高低频调制变极性电流波形及二次逆变驱动信号示意
Fig.3
Scheme of freguency modulation variable polarity currrent waveform and secondary inverter drive signal 2.2时序控制
焊接过程时序图如图4所示。

变极性TIG 焊工作时序比较复杂，时序一般包括预送气流段(a b >、引弧段(bc >、初始段(cd >、上升段(de >、平稳工作段(ef >、下降段(fg >、火口段(gh >和延时送气段(hi >。

为适应不同的工作模式，本系统可以对上述工作区段进行删节，并具有焊枪开关操作的二步!四步功能。

焊枪开关工作于四步模式时，各信号的状态变化情况如下所述。

(l>电流给定信号。

焊枪开关按下前，初始化程序使其为预定电流值。

焊枪开关按下时，执行预送气和引弧段。

高频引弧3S 内，一旦引弧成功，即引弧成功信号置高电平，执行初始段。

焊枪开关断开时，结束初始段，接着执行上升段和平稳工作段。

焊枪开关再次按下时，结束平稳工作段焊接，转入下降段和火口段。

焊枪
开关再次断开时，结束火口段，进入延时送气段，结束一次焊接过程，然后再回到初始化状态。

注意：在图4的c -h 段可以按控制面板的设定输出图3中规定的波形。

(2>二次驱动信号。

初始状态为高电平，开始引弧后置低电平，焊接进入初始段后开始输出二次逆变电路IGBT 的驱动波形(相位互补的两路>。

(3>气阀控制信号。

焊枪开关按下前，该信号处于低电平初始状态。

焊枪开关按下时，气阀控制信号置高电平，打开气阀，直到给定电流的延时送气段结束，气阀控制信
数字化焊接咆源
陈树君等：基于工业控制机的变极性TIG 焊控制器第l 期
专题讨询询询数字化焊接电源
图4焊接过程时序
Fig.4
Schedule of welding process
号置低电平，关掉保护气。

(4)主电路使能信号。

焊枪开关按下前，该信号处于低电平初始状态。

焊枪开关按下时，主电路使能信号置高电平，打开主电路，直到给定电流的火口段结束，主电路使能信号置低电平，主电路断开。

(5)送丝机起动信号。

焊枪开关按下前，该信号处于低电平初始状态。

一旦给定电流信号开始进入平稳工作段，送丝机起动信号置高电平，送丝机延时起动送丝，直到下降段结束，才恢复为低电平状态，送丝机延时结束送丝。

(6)高频引弧信号。

焊枪开关按下前，使该控制信号处于低电平初始状态。

当焊枪开关初次按下后，延时规定的时间高频引弧信号置高电平，开始引弧，一旦引弧成功，高频引弧信号置低电平。

如果3s 之内未引弧成功，高频引弧信号置低电平，并且各输出信号置初始状态。

无论焊枪开关为二步或四步模式，在正常焊接过程中，一旦出现熄弧，高频引弧信号立即置高电平，进入引弧状态，3s 之内未重新燃弧则各输出信号恢复到初始状态，若重新燃弧则继续原焊接过程。

焊枪四步控制时的用户界面如图5所示。

只需将图中的各个参数设置完成，运行程序，就能进行焊接过程时序控制。

整个操作过程简单易行，控制界面美观清楚，焊接时序控制准确，程序易于开发更改。

2.3参数管理
该控制器还具有焊接参数管理功能，实现参数的保存与调用。

一次焊接结束后，程序处于初始等待状态，而且焊接操作可以重复进行，当按下“退出系统”按钮之后，即可退出焊接操作程序。

焊接参数可以按照规定秩序以文本文件加以保存，而且可以通过RS232接口保存到其他计算机。

通过RS232串口可以实现与其他计算机的异步串行通信，也可以实现对数字化焊机的控制。

操作者可以直接在工控机上修改、设定焊接参数，按照规定的协议(格式)传送给数字化焊机，同时数字化焊机也可以把焊接规范参数传回工控机，加强了对现场的远程实时监控能力。

LabVIEW 具有串口操作模块，位于功能模块!Instrument I !O !SeriaI 子模块中!。

串行通信流程如图6所示。

首先要完成串口的初始化。

设置串口的端口号、波特率、数据位、停止位、奇偶校验位等。

本设计中采用的波特率为9600，数据方式为一个起始位，八个数据位，一个停止位，无奇偶校验位。

当工控机发送数据时，数字化焊机会对接受到的字符串数据进行判断，如格式符合设定要求就自动截取有效字符串进行保存。

工控机也可以下发命令，数字化焊机接收到命令后，会从其存储器中调用相应的焊接参数上传到工控机。

当工控机接收到的数据格式符合预定要求，则会弹出修改保存子程序界面如图7所示，可以修改数据，并连同焊接参数名称一起保存为文本文件。

3试验
采用高、低频对焊接电流调制可有效改善焊缝性能。

低频脉仲(远小于交流频率)对焊接电流进行调制，可以搅拌熔池，抑制气孔产生，形成一个脉仲一个熔池的鱼鳞焊缝；高频脉仲(远大于交流频率)对焊接电流进行调制，提高电弧力和电弧能量密度；通过低频调制和高频调制分别或同时起作用，进而改变电弧形态、电弧作用力及对母材的热输入量，控制熔深及正反面成形、细化晶粒，提高接头力学性能。

通过示波器观察到的焊接给定电流波形和焊机输出的电流波形的对比如图8所示。

4结论
(l)基于工业控制机的变极性TIG 焊控制器可以方便地实现变极性TIG 焊工艺，人机交互界面良好。

可以与传统模拟控制焊机接口，进行相应的焊
!LabVIEW User ManuaI ，NationaI I Instruments Corporation ，l998.
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第37卷
专题讨询询询数字化
焊
接电源
图5焊枪四步控制时的用户界面
Fig.5User interface of 4-step control of welding
接时序控制，操作简便，便于更改。

(2)该控制器可以输出较传统TIG 焊机更为复杂的焊接电流波形，通过变极性、低频调制和高频调制等电流波形的配合，可以大大改善TIG 焊接电弧的稳定性和焊缝性能。

(3)该控制器有传统仪器无法比拟的可持续开发性，便于二次开发，并可进行丰富的功能扩展。

并己成功开发实现了数据采集、回放、分析功能和RS232串口的通信功能。

参考文献：
[1]陈树君，张宝良，殷树言，等.双脉仲变极性波形对铝合金TIG 焊接质量的影响[J].电焊机，2006，36(2)：7-9.[2]陈树君，吴焕荣，殷树言，等.基于MSP430单片机的TIG 焊控制器[J].电焊机，2005，35(4)：20-23.
[3]
杨乐平，李海涛，杨磊.labVIEW 程序设计与应用(第2版)[M].北京：电子工业出版杜，2005.
c 低频调制电流波形
c Low freguency modulation waveform b 高频调制电流波形
b High freguency modulation waveform
a 高低频调制电流波形
a High and low freguency modulation waveform
图8给定电流和焊机输出电流波形对比
Fig.8Serving current and output current of welding power supply
图7
修改保存子程序界面
Fig.7
Interface of modity and save subprogram
数字化焊接咆源
陈树君等：基于工业控制机的变极性TIG 焊控制器第1期
专题讨询询询数字化焊接
电源
图6
串行通信流程
Fig.6
Proceeding of serial communication。