自动焊接焊丝运动轨迹设置范文

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1引言

受大学招生“3＋X”制度的影响，对于一些学生来说，中学物理课程逐渐被边缘化．由于十多年来的大学扩招，地方大学大量增加“机械设计制造”、“电气工程及其自动化”等工程类应用专业，中学物理的许多概念又需要这些工程专业学生掌握，这两者成为大学物理教学中的一对矛盾．把工程实例引入大学物理的教学中，可以促使学生爱学物理、会做物理、善用物理，帮助学生理解物理概念，提高物理教学的有效性［1］．胡海云等人提出在大学工科物理教学过程中结合工程实例的教学改革方案［1］，他们通过巧克力仓爆炸事故的实例帮助学生理解静电场，通过旋转实验发生爆炸的实例帮助学生理解刚体旋转势能等案例教学方案对我们很有启发．胡海云等认为：高质量的实例是教学成功的关键，这些例子最好是“真实”，而不是“假象”的或人为“设计”的，否则容易与实际脱节，达不到预想的效果．速度或速率是物理教学中非常重要且最基本的概念之一［3］．作者结合自己科研工作中遇到的自动焊接过程中焊丝的表达方程问题，建立了焊丝一边以机械方式送进燃弧区一边在电弧区燃烧的运动方程的实例，希望该实例可以加深对速度或速率问题的进一步理解．

2工程模型

按电弧电极是否燃烧，电弧焊可以简单分为燃烧极电弧焊和非燃烧极电弧焊两种．用于不锈钢焊接的钨极氩弧焊属于非燃烧极电弧焊，最常见的用于钢铁工件的手工电弧焊接工艺属于燃烧极电弧焊．在手工电弧焊工艺中，一个电极加在工件上，另一个电极加在焊枪上，焊枪再通过导电良好夹具连接焊条．焊接过程中，焊条既是电极，同时又被燃烧填充在焊缝中．自动埋弧焊工艺与手工电弧焊工艺的原理基本相同，主要的特点是用导电嘴取代焊枪；用很长（成卷安装使用）的焊丝取代焊条．两个电极一个加在工件上，另一个加在导电嘴上，见图1．这样就可以避免经常更换焊条带来的麻烦，形成连续不断的焊接，其焊接质量和焊接速度得到大大提高．焊丝一边通过导电嘴被送丝机送到燃弧区，一边在燃弧区不断燃烧，两者只有达到动态平衡，才能形成良好焊缝．如果焊丝送进过快，后果就是焊丝插入熔池，形成短路；如果焊丝送进过慢，电弧拉得过长而灭弧，正常焊接过程两者都是不允许出现的．焊接控制器的作用主要是完成焊丝运动的动态控制，而建立正确的焊丝运动方程是实现良好控制的前提．

3焊丝运动速度的表达式

3．1以导电嘴为参照系的焊丝速度表达式从导电嘴测量焊丝的速度其表达式是最简单的，假设在Δt时间内通过导电嘴的焊丝长度是Δl，则焊丝的平均速度S1可以表示为S1＝ΔlΔt焊丝的瞬时速度为S1＝limΔt→0ΔlΔt＝dldt（1）.

3．2以弧长表达焊丝速度从工件角度观察，焊丝的运动有两个：一个是焊丝从导电嘴送出的速度S1，另一个是焊丝跟随导电嘴沿焊缝行走的速度S2，S2实际上就是焊接速度．大部分情况下焊丝的上述两个运动在方向上是垂直的关系，两者的矢量和才是焊丝相对于工件的总速度，但这并不是本文要讨论的重点，如果对工科学生深入讨论是用速度还是用速率容易把问题复杂化．本文主要讨论焊丝沿垂直于工件方向的运动．由于控制器是通过采集电弧电压来控制电弧的稳定性，而电弧电压又与弧长成正比关系．因此，了解弧长与焊丝运动的关系是后续建立控制方程的关键．电弧的弧长是焊丝头部与工件之间的距离，与S2基本没有关系．图2是近弧区的示意图，其中L代表导电嘴头部与工件表面之间的距离，l1代表弧长，l2代表焊丝从导电嘴的伸出长度．保持L固定，则存在下面的关系：L＝l2＋l1或l2＝L－l1dl1dt＝－dl2dt（2）（1）首先进行静态分析，即焊丝不燃烧情况下焊丝的运动与l1之间的关系．注意，这时l1还不图2近弧区各种关系示意图能说成是弧长．假设在Δt时间内由导电嘴送出的焊丝长度是Δl，在这种情况下，l1将缩短Δl，从0时刻的l1变为Δt时刻的l1＋Δl1＝l1－Δl．则焊丝的瞬时速度可以表达为S2＝－dl1dt＝dldt＝S1（3）上式说明，在电弧不燃烧情况下，从工件处测量的焊丝速度和从导电嘴处测量的焊丝速度相同．（2）现在分析动态情况下，即焊丝一边在电弧中燃烧一边从导电嘴送进燃弧区的情况下，弧长的变化关系．设Δt时间内焊丝被燃烧掉的长度是Δl2，由导电嘴送出的焊丝长度依然是Δl．在这种情况下，弧长从0时刻的l1变为Δt时刻的l1－Δl＋Δl2．在Δt时间内弧长的变化Δl1为－Δl1＝Δl－Δl2（4）可以这样理解式（4）：假定在一定时间内（Δt），送丝机送入10mm焊丝，而电弧只燃烧掉9mm焊丝，则电弧（Δl1）会缩短（上式Δl1为负系数）1mm．式（4）还可以表达为Δl＝Δl2－Δl1（4’）这种情况下焊丝速度的表达式为S1＝dldt＝dl2dt－dl1dt＝S0－dl1dt（5）.

3．3表达式的物理意义由于Δl2代表Δt时间内焊丝被燃烧掉的长度，公式（5）中的S0＝dl2dt表示焊丝在电弧中燃烧的速度．公式（5）的物理意义很明确：（1）当电弧长度恒定，即dl1dt＝0时，这时S1＝S0，表明送丝机送到燃弧区的焊丝速度恰好等于电弧燃烧焊丝的速度．正常焊接时属于这种情况．（2）当电弧长度变短，即dl1dt≤0时，说明送丝速度过快，或焊丝燃烧速度过慢．（3）当电弧长度拉长，即dl1dt≥0时，表明送丝速度过慢，或焊丝燃烧速度过快．

4应用与结论

建立正确的焊丝运动方程，是后续自动焊接电弧控制的基础．以往的稳弧方法一般是通过调节焊接电源的参数，如电弧电压或焊接电流，达到调节电弧热输入的大小．从前面的分析知道，可以将焊接电流（或电压）设置成恒定方式，通过调节焊丝的送进速度达到调节电弧的稳定性．由于送丝速度的调节等于送丝电机的调节，相对与电弧的调节，电机转速的调节要容易得多．另外，由于建立了焊丝送进速度与焊接电弧长度之间的关系，后续可以方便地引入各类先进控制方法，如闭环的PI／PD控制、PID控制等．值得一提的是，由于送丝速度与电弧之间已经具有一阶微分关系，如果闭环控制系统再增加一阶微分器或积分器，可能使原来的一阶系统变为二阶系统．