自動焊接焊絲運動軌跡設置范文

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1引言

受大學招生“3＋X”制度的影響，對于一些學生來說，中學物理課程逐漸被邊緣化．由于十多年來的大學擴招，地方大學大量增加“機械設計制造”、“電氣工程及其自動化”等工程類應用專業，中學物理的許多概念又需要這些工程專業學生掌握，這兩者成為大學物理教學中的一對矛盾．把工程實例引入大學物理的教學中，可以促使學生愛學物理、會做物理、善用物理，幫助學生理解物理概念，提高物理教學的有效性［1］．胡海云等人提出在大學工科物理教學過程中結合工程實例的教學改革方案［1］，他們通過巧克力倉爆炸事故的實例幫助學生理解靜電場，通過旋轉實驗發生爆炸的實例幫助學生理解剛體旋轉勢能等案例教學方案對我們很有啟發．胡海云等認為：高質量的實例是教學成功的關鍵，這些例子最好是“真實”，而不是“假象”的或人為“設計”的，否則容易與實際脫節，達不到預想的效果．速度或速率是物理教學中非常重要且最基本的概念之一［3］．作者結合自己科研工作中遇到的自動焊接過程中焊絲的表達方程問題，建立了焊絲一邊以機械方式送進燃弧區一邊在電弧區燃燒的運動方程的實例，希望該實例可以加深對速度或速率問題的進一步理解．

2工程模型

按電弧電極是否燃燒，電弧焊可以簡單分為燃燒極電弧焊和非燃燒極電弧焊兩種．用于不銹鋼焊接的鎢極氬弧焊屬于非燃燒極電弧焊，最常見的用于鋼鐵工件的手工電弧焊接工藝屬于燃燒極電弧焊．在手工電弧焊工藝中，一個電極加在工件上，另一個電極加在焊槍上，焊槍再通過導電良好夾具連接焊條．焊接過程中，焊條既是電極，同時又被燃燒填充在焊縫中．自動埋弧焊工藝與手工電弧焊工藝的原理基本相同，主要的特點是用導電嘴取代焊槍；用很長（成卷安裝使用）的焊絲取代焊條．兩個電極一個加在工件上，另一個加在導電嘴上，見圖1．這樣就可以避免經常更換焊條帶來的麻煩，形成連續不斷的焊接，其焊接質量和焊接速度得到大大提高．焊絲一邊通過導電嘴被送絲機送到燃弧區，一邊在燃弧區不斷燃燒，兩者只有達到動態平衡，才能形成良好焊縫．如果焊絲送進過快，后果就是焊絲插入熔池，形成短路；如果焊絲送進過慢，電弧拉得過長而滅弧，正常焊接過程兩者都是不允許出現的．焊接控制器的作用主要是完成焊絲運動的動態控制，而建立正確的焊絲運動方程是實現良好控制的前提．

3焊絲運動速度的表達式

3．1以導電嘴為參照系的焊絲速度表達式從導電嘴測量焊絲的速度其表達式是最簡單的，假設在Δt時間內通過導電嘴的焊絲長度是Δl，則焊絲的平均速度S1可以表示為S1＝ΔlΔt焊絲的瞬時速度為S1＝limΔt→0ΔlΔt＝dldt（1）.

3．2以弧長表達焊絲速度從工件角度觀察，焊絲的運動有兩個：一個是焊絲從導電嘴送出的速度S1，另一個是焊絲跟隨導電嘴沿焊縫行走的速度S2，S2實際上就是焊接速度．大部分情況下焊絲的上述兩個運動在方向上是垂直的關系，兩者的矢量和才是焊絲相對于工件的總速度，但這并不是本文要討論的重點，如果對工科學生深入討論是用速度還是用速率容易把問題復雜化．本文主要討論焊絲沿垂直于工件方向的運動．由于控制器是通過采集電弧電壓來控制電弧的穩定性，而電弧電壓又與弧長成正比關系．因此，了解弧長與焊絲運動的關系是后續建立控制方程的關鍵．電弧的弧長是焊絲頭部與工件之間的距離，與S2基本沒有關系．圖2是近弧區的示意圖，其中L代表導電嘴頭部與工件表面之間的距離，l1代表弧長，l2代表焊絲從導電嘴的伸出長度．保持L固定，則存在下面的關系：L＝l2＋l1或l2＝L－l1dl1dt＝－dl2dt（2）（1）首先進行靜態分析，即焊絲不燃燒情況下焊絲的運動與l1之間的關系．注意，這時l1還不圖2近弧區各種關系示意圖能說成是弧長．假設在Δt時間內由導電嘴送出的焊絲長度是Δl，在這種情況下，l1將縮短Δl，從0時刻的l1變為Δt時刻的l1＋Δl1＝l1－Δl．則焊絲的瞬時速度可以表達為S2＝－dl1dt＝dldt＝S1（3）上式說明，在電弧不燃燒情況下，從工件處測量的焊絲速度和從導電嘴處測量的焊絲速度相同．（2）現在分析動態情況下，即焊絲一邊在電弧中燃燒一邊從導電嘴送進燃弧區的情況下，弧長的變化關系．設Δt時間內焊絲被燃燒掉的長度是Δl2，由導電嘴送出的焊絲長度依然是Δl．在這種情況下，弧長從0時刻的l1變為Δt時刻的l1－Δl＋Δl2．在Δt時間內弧長的變化Δl1為－Δl1＝Δl－Δl2（4）可以這樣理解式（4）：假定在一定時間內（Δt），送絲機送入10mm焊絲，而電弧只燃燒掉9mm焊絲，則電弧（Δl1）會縮短（上式Δl1為負系數）1mm．式（4）還可以表達為Δl＝Δl2－Δl1（4’）這種情況下焊絲速度的表達式為S1＝dldt＝dl2dt－dl1dt＝S0－dl1dt（5）.

3．3表達式的物理意義由于Δl2代表Δt時間內焊絲被燃燒掉的長度，公式（5）中的S0＝dl2dt表示焊絲在電弧中燃燒的速度．公式（5）的物理意義很明確：（1）當電弧長度恒定，即dl1dt＝0時，這時S1＝S0，表明送絲機送到燃弧區的焊絲速度恰好等于電弧燃燒焊絲的速度．正常焊接時屬于這種情況．（2）當電弧長度變短，即dl1dt≤0時，說明送絲速度過快，或焊絲燃燒速度過慢．（3）當電弧長度拉長，即dl1dt≥0時，表明送絲速度過慢，或焊絲燃燒速度過快．

4應用與結論

建立正確的焊絲運動方程，是后續自動焊接電弧控制的基礎．以往的穩弧方法一般是通過調節焊接電源的參數，如電弧電壓或焊接電流，達到調節電弧熱輸入的大小．從前面的分析知道，可以將焊接電流（或電壓）設置成恒定方式，通過調節焊絲的送進速度達到調節電弧的穩定性．由于送絲速度的調節等于送絲電機的調節，相對與電弧的調節，電機轉速的調節要容易得多．另外，由于建立了焊絲送進速度與焊接電弧長度之間的關系，后續可以方便地引入各類先進控制方法，如閉環的PI／PD控制、PID控制等．值得一提的是，由于送絲速度與電弧之間已經具有一階微分關系，如果閉環控制系統再增加一階微分器或積分器，可能使原來的一階系統變為二階系統．