沈放，陳學(xué)海，楊光友

(1.湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)工程設(shè)計(jì)研究院，湖北武漢 430068；2.湖北省農(nóng)機(jī)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430068)

0 前言

自20世紀(jì)80年代使用PDC鉆頭以來(lái)，PDC鉆頭的研究便開(kāi)始獲得迅速的發(fā)展。PDC鉆頭在石油勘探、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，釬焊溫度控制是PDC鉆頭制造工藝中的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于焊接噴漆等工藝的研究取得了較大的進(jìn)展，這些工藝大部分實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化水平。如LEE等[3]針對(duì)回流彎管焊接難點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種利用數(shù)字控制方法自動(dòng)控制火焰強(qiáng)度的技術(shù)，制作樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該自動(dòng)控制技術(shù)通用性強(qiáng)、焊接質(zhì)量高，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

雖然國(guó)內(nèi)外的釬焊技術(shù)有一定差距，但是近些年自動(dòng)化釬焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展迅速，部分高校和研究單位也開(kāi)始了投入自動(dòng)釬焊的研究。2017年，中國(guó)計(jì)量大學(xué)的毛翎[4]基于PIC單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種燃?xì)饪刂葡到y(tǒng)，可以滿足目前的生產(chǎn)要求，但是控制效果還需要提高。2019年，大連理工大學(xué)的王磊[5]借鑒手工釬焊工藝流程，基于STM32設(shè)計(jì)了一種PDC刀片高頻感應(yīng)自動(dòng)釬焊裝置，實(shí)驗(yàn)表明該裝置滿足釬焊工藝要求，但是還不能精準(zhǔn)地控制釬焊溫度與恒溫時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)諸多的PDC鉆頭生產(chǎn)廠家制造鉆頭過(guò)程中，復(fù)合片和鉆頭體間的連接大都采用手工火焰釬焊技術(shù)，難以保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性[6]。

本文作者研究一種基于STM32和RT-Thread的PDC鉆頭釬焊溫度控制系統(tǒng)?；赑DC鉆頭釬焊工藝對(duì)溫度控制策略進(jìn)行分析，研究控制系統(tǒng)所用的硬件和軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 釬焊溫度控制原理

火焰釬焊是以碳化焰(氧氣和乙炔的比值小于1)為熱源加熱釬料熔化的釬焊技術(shù)。PDC鉆頭焊接過(guò)程中常采用高頻感應(yīng)釬焊法和火焰釬焊法相結(jié)合，高頻感應(yīng)將鉆頭預(yù)處理到620 ℃，然后由人工使用火焰釬焊[7-9]。火焰釬焊過(guò)程中對(duì)溫度的控制是焊接中保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，焊縫溫度以及升溫速率都會(huì)對(duì)PDC鉆頭產(chǎn)生較大的影響[10-11]。釬焊溫度控制是通過(guò)氧氣和乙炔的流量大小及其比值實(shí)現(xiàn)的，因此在火焰釬焊過(guò)程中，需要頻繁調(diào)節(jié)氧氣和乙炔的燃?xì)忾y門(mén)，確保輸出合適比例的乙炔和氧氣，乙炔和氧氣在焊槍中混合燃燒形成碳化焰進(jìn)而加熱母材和釬料。因焊縫溫度變化的過(guò)程受到火焰的影響，而焊接火焰由乙炔和氧氣流量比值決定，為此將乙炔流量和焊縫溫度的控制回路串聯(lián)形成串級(jí)控制；將氧氣和乙炔的流量控制回路并聯(lián)，并設(shè)定比例系數(shù)形成比值控制。釬焊溫控系統(tǒng)控制原理如圖1所示。

系統(tǒng)外環(huán)為溫度控制，將焊縫的設(shè)定溫度與紅外溫度檢測(cè)儀測(cè)得的焊縫實(shí)際溫度相比較，得出溫度差值后送入溫度控制環(huán)節(jié)進(jìn)行運(yùn)算，溫度控制環(huán)節(jié)采用積分分離式PID算法，將該環(huán)節(jié)的輸出值作為流量環(huán)的給定值。內(nèi)環(huán)為流量控制，將設(shè)定的流量目標(biāo)值與流量傳感器反饋回來(lái)的實(shí)際流量相比較，計(jì)算出流量誤差后送入流量控制環(huán)節(jié)進(jìn)行增量式PID運(yùn)算，最后輸出相應(yīng)的模擬量。模擬量越大，比例閥的開(kāi)度越大，釬焊過(guò)程中單位時(shí)間產(chǎn)生的溫度就越高。此過(guò)程中氧氣調(diào)控環(huán)節(jié)會(huì)基于乙炔流量的實(shí)際值和比例系數(shù)不斷進(jìn)行追蹤，以此保證乙炔與氧氣的比值。

圖1 溫控系統(tǒng)控制原理

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F103ZET6微處理器為核心，選用高性能紅外測(cè)溫傳感器進(jìn)行PDC鉆頭焊縫溫度測(cè)量，溫度傳感器配合電流轉(zhuǎn)電壓模塊向單片機(jī)輸出模擬信號(hào)，微處理器自帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)模擬量的采集和輸出。串口上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，顯示升溫曲線?；鹧驸F焊溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 火焰釬焊溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 微控制器

使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6微處理器作為控制系統(tǒng)的核心，意法半導(dǎo)體為具有Cortex-M內(nèi)核的STM32系列微處理器提供了程序開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，使開(kāi)發(fā)人員避開(kāi)了繁瑣的寄存器操作，降低了軟件的開(kāi)發(fā)難度和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。該處理器采用ARMCortex-M3的32位RISC處理器，最高工作頻率72 MHz，高達(dá)512 kB的Flash，支持定時(shí)器、USART、A/D、D/A等外設(shè)。

2.2 采集模塊

釬焊過(guò)程中，PDC鉆頭焊縫的溫度需要控制在680～720 ℃。為達(dá)到良好的測(cè)溫效果，采用非接觸式測(cè)溫方式，選用型號(hào)為IT8系列的高精度紅外測(cè)溫儀，測(cè)量范圍在400～1 000 ℃。氣體流量的測(cè)量選用型號(hào)為PFM5系列的數(shù)字顯示式流量傳感器，測(cè)量范圍為0～100 L/min，顯示精度±3%F.S。

2.3 執(zhí)行單元

選用SMC公司的PVQ30系列流量比例閥為執(zhí)行單元，其流量控制范圍在0～60 L/min，重復(fù)精度在3%以下。該流量比例閥的流量開(kāi)度與輸入電流成比例，通過(guò)調(diào)節(jié)電流，可以對(duì)比例閥的流量開(kāi)度進(jìn)行無(wú)級(jí)控制。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 任務(wù)規(guī)劃

PDC復(fù)合片的焊溫控制是通過(guò)控制氧氣和乙炔的流量開(kāi)度實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合火焰釬焊工藝過(guò)程，釬焊溫控系統(tǒng)可劃分為溫度采集處理、氧氣和乙炔流量采集處理、乙炔流量控制、氧氣流量控制、焊接溫度控制和界面顯示等6個(gè)任務(wù)。結(jié)合RT-Thread嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行模塊化編程。將以上任務(wù)創(chuàng)建為線程，其線程優(yōu)先級(jí)如表1所示。

表1 釬焊溫控系統(tǒng)線程優(yōu)先級(jí)

系統(tǒng)軟件啟動(dòng)后，先進(jìn)行硬件資源和RT-Thread內(nèi)核的初始化，然后創(chuàng)建線程以及信號(hào)量等內(nèi)核對(duì)象。初始化完畢后，所有線程將在RT-Thread任務(wù)調(diào)度器下按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度響應(yīng)時(shí)間可達(dá)1 ms，整個(gè)釬焊溫控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 溫控系統(tǒng)流程

3.2 溫控系統(tǒng)線程說(shuō)明

在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT-Thread中，線程是它調(diào)度的基本單位。在溫控系統(tǒng)控制過(guò)程中，溫度環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)周期為500 ms，當(dāng)溫度采集處理線程完成任務(wù)后，焊接溫度控制線程依據(jù)當(dāng)前溫度進(jìn)行PID運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果作為流量環(huán)節(jié)的目標(biāo)值。流量環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)周期為100 ms，當(dāng)流量采集處理線程完成任務(wù)后，乙炔控制線程和氧氣控制線程將依據(jù)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，調(diào)整流量輸出。為了達(dá)到較好的流量比值控制效果，使用二值信號(hào)量進(jìn)行乙炔線程和氧氣線程的同步。釬焊溫控系統(tǒng)線程任務(wù)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4 溫控系統(tǒng)多線程調(diào)度

3.3 控制算法

溫度控制系統(tǒng)是變參數(shù)、有時(shí)滯和隨機(jī)干擾的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。根據(jù)圖1所示的溫控系統(tǒng)控制原理，焊縫溫度對(duì)象和乙炔流量對(duì)象通過(guò)串聯(lián)的方式形成雙閉環(huán)控制回路的控制系統(tǒng)，其中焊縫溫度的閉環(huán)控制作為主回路，乙炔和氧氣流量的控制形成副回路。

3.3.1 內(nèi)環(huán)流量控制

流量控制采用增量式PID算法，增量式PID不需要做累加，所以不產(chǎn)生積分失控?？刂屏康拇_定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計(jì)算誤差對(duì)控制量計(jì)算的影響較小，必要時(shí)還可通過(guò)邏輯限制或禁止此次輸出，適用于閥門(mén)的控制。其控制核心公式如式(1)所示：

Δu(t)=kp·e(k-1)+ki·e(k)+kd·[e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)]

(1)

增量式PID運(yùn)算結(jié)果為控制量增量，只輸出比例閥開(kāi)度的變化部分，誤動(dòng)作影響小，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，通過(guò)加權(quán)處理容易得到比較好的控制效果。公式(1)中Δu(t)為輸出流量的增量，所以對(duì)于流量比例閥實(shí)際的輸出為公式(2)：

u(t)=kp·e(k-1)+ki·e(k)+kd·[e(k)-

2e(k-1)+e(k-2)]+u(k-1)

(2)

3.3.2 外環(huán)溫度控制

焊縫溫度控制采用位置式PID算法，為了減少超調(diào)量，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，釬焊溫度控制器中引入了積分分離思想，即在系統(tǒng)偏差大時(shí)，取消積分的作用；當(dāng)偏差減小到某一值時(shí)，再使積分起作用。積分分離表達(dá)式如下：

e(n)<εδindex=1

(3)

e(n)>εδindex=0

(4)

u(t)=kp·εerror(k)+δindex·ki·εerror，sum+

kd·[εerror(k)-εerror(k-1)]

(5)

式中：e(n)為目標(biāo)溫度與實(shí)際溫度的偏差絕對(duì)值；ε為誤差閾值；δindex為積分系數(shù)比例值；u(t)表示PID控制器的輸出，將溫度環(huán)的輸出作為流量環(huán)的目標(biāo)值。根據(jù)PDC釬焊溫度控制系統(tǒng)PID參數(shù)的實(shí)際調(diào)試情況，當(dāng)誤差閾值ε=30 ℃時(shí)系統(tǒng)控制效果最佳。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證釬焊溫度控制系統(tǒng)的可行性，搭建溫控系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)條件如表2所示，釬焊試驗(yàn)工作過(guò)程如圖5所示。

具體試驗(yàn)步驟如下：

(1)試驗(yàn)前先將PDC鉆頭放進(jìn)高頻加熱爐中加熱到620 ℃，然后將它放置在固定的工作臺(tái)上。

(2)開(kāi)啟焊槍進(jìn)行釬焊，焊接全程由研制的溫控系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。

表2 釬焊試驗(yàn)條件

圖5 工作過(guò)程

4.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)以690 ℃為基準(zhǔn)，設(shè)定積分分離閾值為30 ℃，為了便于試驗(yàn)效果的分析，通過(guò)串口上位機(jī)將焊縫溫度的變化實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，得到溫度變化曲線以及流量實(shí)時(shí)開(kāi)度曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 溫度調(diào)控曲線 圖7 流量調(diào)控曲線

由圖6可知，系統(tǒng)溫度由620 ℃上升到690 ℃時(shí)響應(yīng)時(shí)間為2.6 s左右，系統(tǒng)超調(diào)量約為2.34 ℃，超調(diào)率在0.339%以內(nèi)，控制精度可達(dá)99.66%。由此可知，此釬焊溫控系統(tǒng)具有良好的控制精度，滿足PDC鉆頭火焰釬焊的工藝要求。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)設(shè)計(jì)了一套基于雙閉環(huán)PID結(jié)構(gòu)的溫控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了釬焊的溫度自動(dòng)控制。

(2)結(jié)合RT-Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫度、乙炔和氧氣流量實(shí)時(shí)采集及精準(zhǔn)控制。

(3)后續(xù)將進(jìn)一步深入研究自動(dòng)釬焊技術(shù)，引入智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)釬焊過(guò)程的全程自動(dòng)化控制。