一种双电机配合焊丝协调机构的送丝系统 【技术领域】
本发明属于焊接设备领域，具体涉及一种双电机配合焊丝协调机构的送丝系统。
背景技术
送丝机是熔化极焊接的基本设备，送丝机性能的好坏直接影响着焊接过程的稳定性。通常完整的送丝系统由两部分组成——机械部分(包括驱动电机及机械传动装置)和控制电路。为了适应不同焊接过程的要求，随着焊接技术的发展，先后出现了推送式，拉送式以及推拉式送丝机构。进入20世纪八十年代以来，针对如何减小送丝阻力和解决诸如熔滴强制等工艺问题，推拉送丝机构的研究取得了多方面的成果。总体来讲，目前推拉送丝机构大致可归纳为两种形式：一种是起初研究较多的机械式结构，其结构形式多样。这类推拉送丝系统结构复杂，机械惯性较大，无法实现焊丝高频率的送进-回抽，另外其夹头部分磨损较快，需定期更换，日常维护和维修工作量大。另一种是采用高性能电机以及相应的控制手段来实现的直接变速驱动式结构，具有代表性的是采用步进电机的推拉送丝系统。20世纪80、90年代，步进电机被广泛应用于焊接领域。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常简单。为了更好地与熔滴过渡过程相配合，推拉送丝短路过渡焊接过程对焊丝的动态响应速度要求很高，而步进电机在高速转动时扭矩会随之下降，并且在较高的脉冲频率时会出现丢步，使得该方法只能在较低的焊丝的送进-回抽频率下进行焊接，难于实际应用。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是提供一种数字化推拉送丝系统，使焊丝能够实时地在较高的频率(最高可达90Hz)下送进-回抽，以满足基于焊丝高频送进-回抽的焊接工艺方法的要求。
一种双电机配合焊丝协调机构的送丝系统，包括上位机1、接口电路2、推拉丝电机控制单元3、推拉送丝伺服电机单元4、焊丝协调机构5、推丝电机单元6、PWM调速电路7。
所述的上位机1可以是PC机或DSP、MCU等嵌入式控制系统。
所述推拉送丝伺服电机单元4实际上是一套装配有推拉丝伺服电机的熔化极气体保护焊焊枪，主要包括焊枪部分、推拉丝伺服电机、固定在电机轴上的送丝轮、压丝轮和压紧手柄，如图2所示。通过装配在伺服电机轴上的主动送丝轮与压丝轮相配合，实现焊丝的高频送进与回抽，这种采用电机轴直接驱动的方式，显著提高了送丝机构的动态响应能力和送丝精度。为保证压丝轮有足够的压紧力以减小送丝轮与焊丝之间的相对滑动，本系统采用双压紧手柄的方式来增加压紧力。
所述推拉丝电机控制单元3包含带有DSP或MCU的专用运动控制卡，可以通过伺服电机驱动器对推拉丝伺服电机单元4的位置、速度、加速度、转矩进行精确控制，以达到焊接工艺的要求。推拉送丝电机的运动采用与焊接过程协同控制的方式，即运动控制卡根据焊接状态由上位机发送信号来控制焊丝的启动、停止以及状态切换。为了保证系统正常工作，采用接口电路2将焊接信号与运动控制卡联系起来。接口电路如图3所示：图中的Signal-in为上位机的输出信号，也是接口电路的输入信号，包括保护信号、焊枪信号、引弧判断信号。Signal-Out为这些信号对应的输出信号，它将直接与运动控制卡相连，进行触发焊丝的运动。
所述的推丝电机单元6采用熔化极气体保护焊通用送丝机，其作用是按照焊接规范以恒定的速度送出焊丝。由于本系统对送丝速度的要求极为严格，因此在推丝电机轴上加装旋转编码器，将电机转速反馈给PWM调速电路以保证推丝电机的送丝速度与推拉丝电机相匹配。旋转编码器将脉冲输出到PWM调速电路7，PWM调速电路以DSP芯片为控制核心，对输入的脉冲进行计数，并与设定值比较，通过PI控制算法计算后，输出对应的PWM波形，驱动推丝电机运动。
所述焊丝协调结构5如图4所示，它是两送丝电机联系的桥梁，通过焊丝协调机构可以将两部分送丝有机的结合为一个整体，使等速送丝部分可以平稳的向前送进焊丝。在焊丝协调机构中，装有两个可以定心旋转并成一定夹角(60-120度)的送丝软管，焊丝被两软管强制弯曲成一定地角度，从而可以使推拉送丝部分以很高的频率快速送进-回抽焊丝。此外，焊丝协调机构上还装有两个光电行程开关用以限制焊丝的活动范围，当焊丝协调机构中的焊丝超界时，便通过提高或降低推丝电机的速度予以补偿。
本发明具有以下有益效果：
1、系统采用控制精度高、速度快的运动控制卡对转动惯量小，响应速度快的高性能交流伺服电机进行控制，从而实现焊丝的高频率、实时送进-回抽，工作稳定。
2、焊丝协调机构将推丝部分和推拉丝交流伺服电机有机的结合为一个整体，使焊丝送进顺畅。
3、基于编码器转速负反馈的PWM调速系统，直接对推丝电机转速进行控制，既可以补偿负载变化造成的转速变化，又能补偿电网电压波动造成的转速变化，使系统抗干扰能力强，送丝稳定。
【附图说明】
图1是推拉送丝系统结构框图
图2是推拉丝枪的结构图
图3是焊接信号与运动控制卡进行通信的隔离接口电路图
图4是焊丝协调机构的结构图
图5是焊丝协调机构的运动示意图
【具体实施方式】
现通过一个具体实例对本发明的实施方式进行具体说明。
推拉送丝伺服电机选用西班牙玛威诺公司生产的BLS40三相同步精密交流伺服电机，运动控制卡采用美国Delta Tau公司的PMAC2-PC104运动控制卡。
焊接开始时，收到焊枪按下的信号后上位机1向PWM调速电路7和运动控制卡发送送丝速度开始送丝引弧，引弧成功后，推丝电机6以恒定的速度送进焊丝，运动控制卡根据接收到的焊接状态信号驱动推拉丝电机正反转运动，使焊丝送进或回抽。由于推拉丝电机不断重复送进-回抽的过程，而推丝电机又一直保持送进状态，因此，推拉丝电机在回抽焊丝时必然会与推丝电机的送进发生冲突，而焊丝协调机构5则用来解决这一矛盾，由于在焊丝协调机构中，焊丝被弯曲成一定角度(60-120度)，减小了对推拉送丝部分的送丝阻力，从而可以使推拉送丝部分以很高的频率快速送进-回抽焊丝。焊丝协调机构5可以保证焊丝有足够的余度进行送进-回抽，焊丝的具体的运动过程如图5所示：送丝时C点保持一定的速度向前送进，当A点焊丝高速送进时，焊丝协调机构B点下移，以补充A、C两点速度不同时送丝量的差别；同理，A点焊丝高速回抽时，B点上移，使余出的焊丝保留在缓冲器内部以保证下一次焊丝的正常送进。研究表明，综合考虑焊丝弹性和送丝软管摩擦的情况下，当两送丝软管成90度时，送丝阻力最小，因此，在送丝过程中，应尽量保持焊丝协调机构中两送丝软管夹角在90度左右，虽然两部分送丝单元都具备完善的速度反馈系统，但两送丝系统的送丝速度总存在微小差别，长时间不间断的焊接会造成此差别的累积，因此，焊丝协调机构上还装有两个光电行程开关用以限制焊丝的活动范围，当焊丝协调机构中的焊丝超界时，便通过提高或降低推丝电机的速度予以补偿，使得焊丝回到合适的位置。
本系统不仅保证了两部分送丝单元的稳定、和谐送进，又能有效避免由于高频推拉丝运动造成的焊丝弯折，从而造成堵丝现象。