侯 明 周惠兴

(①中国农业大学工学院精密直驱技术研究室，北京 100083;②北京信息科技大学自动化学院，北京 100192)

明弧堆焊系统是一种堆焊成型设备，使用带有自保护药芯焊丝，在工件与焊丝间通过较大电流拉弧产生的高温将焊丝熔化，并逐层敷着凝固在工件表面上，渐次成型。其主要用于磨煤辊、水泥磨辊的修复上。现有的堆焊设备需要人工控制;实现先堆焊自动化有助于提高堆焊效率。现有的设备基础上，增加必要的检测、控制装置，实现堆焊系统的自动化，能以较小的硬件成本换回较高的生产效益提升，是项目主要研究目的。另外，实现自动控制的系统可对堆焊工艺进行深入研究以优化堆焊系统的能耗指标，比如研究明弧堆焊的飞溅特性与线速度及电流之间的模型可获得最省原料的焊接模式;研究焊接成型截面与电流、速度的平台上，后端通过固定器保持位置;当滑杆遇到意外剪切力时，固定器可断开，电子尺可绕旋转轴旋转，防止电子尺滑杆折断，其总行程为:

2.3 检测误差估计

静态检测误差因素包括电子尺误差ΔεEM、直线电动机误差ΔεDM、轮状接触器零件安装误差及电子尺旋转轴安装误差Δεa。总静态误差为:

动态误差主要为直线电动机运动过程中，电子系统采样延迟及数据处理时间(Td小于0.1 ms)，误差上限为:ΔεD=Vx×Td

本实例中:

满足设计要求。

3 电控系统设计

3.1 硬件系统设计

控制器采用自行开发的XS128 控制板外扩正交编码器接口芯片构成［4］，预留RS232 接口与主控DSP(TMS28335)通信。电动机为微纳科技U 型直线电动机，另外配备了一块I/O 信号电平调理板，用于工业24 V 与DSP 的信号调理;直线电动机驱动器采用Elmo系列驱动器，控制器模式设定在速度跟踪模式，控制信号为±10 V;直线电动机的Z 相行进增量脉冲由DSP 的两路QEP 单元完成增减计数，电子尺采用电阻式，外接标准参考电压进行位置-电压转换。

3.2 软件系统设计

软件按功能模块主要为:系统接口初始化;直线电动机的起始归零;电子尺伸出、定位、复位;轮廓实时跟踪与测量;数据传输;故障处理。

4 动态性能验证

4.1 建模及仿真分析

检测系统是一种运动随动系统，有别于一般的位置随动系统，对电动机位置控制精度要求不高;但需保证动态随动过程中最大位移偏差Emax小于自回复电子尺量程的1/2。应用原理建模法，检测系统的运动传递函数为［5］:

式中:Ka为驱动放大器系数;Km为推力常数;L、R 为电机动子电感及电阻;M 为电机动子、平台、电子尺质量和;B 为滑动摩擦系数;Kb为反电动势系数;Kx为电子尺倔强系数。

应用Dspace 系统对系统进行辨识，并略去微量高频参数得到的系统传递函数［6-7］:

一类直径在1.5 m 左右的磨煤辊堆焊旋转过程中，径向尺寸的变化率Vx最大不超过0.4 m/s，持续时间不大于1 s。因此，设计的系统需要在此最大速率下，在1 s 内动态误差不超过25 mm。

应用MATLAB 仿真分析，采用开环系统控制，结果见图4，误差可达+80 mm/-170 mm，达不到设计要求，需考虑闭环控制。本系统对精度要求不高，但对电动机响应速度要求较高，采用P 控制增加对速度响应的性能。

采用P 控制的闭环系统传递函数为:

对于如式(3)所示的欠阻尼二阶系统，其跟踪斜坡相应的最大误差及其出现的时间为［5］:

此函数是Emax关于Ka的高阶函数，计算机辅助计算并绘图得Emax与Ka的关系如图5 所示。Ka大于2.5时，系统呈振荡衰减趋势，Emax关于Ka递减，Ka＞5.7时，Emax＜0.025 mm。若希望获得较大缓冲范围，在不引起系统振荡的前提下，可适当增大Ka。

图6 为不同Ka时系统的动态误差响应，图中3 条曲线由上开始分别是Ka=5.7，10，20 的响应曲线。

4.2 实验验证

应用硬件控制系统进行验证，主要使用C 语言进行算法编程，应用LabView 进行实时数据采集与显示［8］，实际设计中Ka大于9.7 时满足设计要求，当Ka等于15 时，误差Emax可小于10 mm，Ka大于19 时，系统现高频谐振，不宜再增加Ka。

5 结语

本文提出了一种实现堆焊工件检测的方法，实现了系统装置、并进行了仿真分析及实测验证;迈出了明弧堆焊自动控制系统的研究重要一步。该系统可通过参数预估提高数据精度，通过二阶IIR 滤波器抑制高频谐振［9］，获得更好的动态特性。项目基于研究为目的，以现有的、自行开发硬件系统构建，重在未来自动化系统的研制过程中重要数据的采集测量;其性能超过基本应用需求。本设计采用现代的计算机辅助分析的方法，避免了设计过程中高阶方程解算的困难，具体结构、实验数据、验证方法可以给设计者提供参照，更经济的实现方案可根据性能裕量来酌情设计。

［1］李振英.磨辊明弧堆焊自动控制方法研究［J］.焊接学报，2008，29(4):83-87.

［2］周志军.埋弧自动堆焊工业参数确定［J］.南通航运职业技术学院学报，2006(12):81-83.

［3］微纳科技有限公司.直线电机运动控制［Z］.2008.

［4］林明泉、侯明.XS128MCU 双轴双向测速设计［J］.数字技术应用，2012(8):102-104.

［5］胡寿松.自动控制原理［M］.北京:科学出版社，2006:93-97.

［6］Dspace manuel of programming guide［Z］.Dspace Co.Ltd.，2006.

［7］杜志强.高响应短行程直线直流电机的建模与控制［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［8］侯明.基于LabViewVISA 智能车无线调试系统［J］.国外电子测量，2012(1):67-69.

［9］李杰.伺服系统惯量识别及谐振抑制方法研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008.