塑料压力管道热熔对接自动焊机的控制系统

阳代军，霍立兴，张玉凤，齐芳娟（天津大学材料科学与工程学院，天津300072）同时还受人为因素的影响。因此利用液压系统来完成焊接的四个阶段及提供各阶段所需的不同压力；利用80C196单片机控制焊接温度、时间及液压缸的动作，以及根据管道参数和环境条件自动选择和校正焊接参数，消除人为因素的影响，提高焊接质量。

　　序言塑料压力管道焊接技术的优劣，直接关系到管网系统的运行效果和使用寿命。塑料压力管道的焊接向自动化、智能化和信息化方向发展。能自动适应环境的变化以及自动调整在新材料上焊接的焊接参数；具有记忆功能，自动记录所采用陕西塑料包装,西安塑料包装,的焊接参数；采用磁卡作为数据载体；对塑料焊机采用ID卡进行授权管理。随着网络技术的发展，将对焊机利用网络进行辅助管理、远程故障诊断及远程参数设置。充分利用网络的快捷、方便，使塑料焊接技术向前发展丨1.热熔对接焊是采用热熔对焊机来加热管道端面，使其熔化，迅速将其贴合，并保持一定的压力，经冷却达到熔接的目的。各尺寸的塑料压力管道均可采取热熔对接方式焊接，该方法经济可靠，其焊接接头在受拉和受压时都比管道本身具有更高的强度。如所示，热熔对接焊的过程较为复杂，大体上可以分为四个阶段123：准备阶段，清洁焊接部位的油污及泥土等脏物，装夹管道，并保证二个互相对接焊管道的同轴度和各自的圆柱度不超过公差范围，然后切削和修整管道的端面，保证端面的平直以及与轴线的垂直度。

　　加热阶段，将互相对接焊的二个管道在较高压力作用下与加热板接触，陕西塑料包装,西安塑料包装,以保证管道的二个表面与加热板充分接触，并保持压力P1不变，如a所示。当熔化的塑料开始向两侧流动时，降低压力至P2，便于熔化的塑料流动，如b所示。

　　切换阶段，当有足够的熔化层厚度时，管道与加热板分开，将加热板快速移出，如c所示。

　　压焊和冷却阶段，在压力P3的作用下，将二个管道连在一起，保持压力一定的时间，如d所示。

　　在焊接过程中，多余的熔融塑料被挤出，形成了焊接接头，且焊接接头的大小和几何形状影响焊接质量。研究表明，接头性能的好坏主要由焊接过程中的温度、压力及加热时间决定。

　　1液压控制系统的设计液压系统用来完成焊接过程中所需的各种动作和各阶段所需的不同压力。液压系统原理图如所示。该系统采用溢流阀调节系统的压力。液压缸采用双出杆形式，固定活塞杆，在油压的作用下缸筒在活塞杆上来回运动。同时两个液压缸通过机械连接方式将其固定在一起，以保证同步。该系统压力稳定，可调节，且噪音低。141 2单片机控制系统的设计2.1系统的基本组成80C196单片机控制，主要包括：温度控制系统、焊接过程控制系统及工艺参数设置系统。陕西塑料包装,西安塑料包装,该系统采用热电偶检测加热板的温度。同时利用集成温度传感器AD590检测环境温度，一方面作为热电偶的补偿温度，另一方面用于修正焊接过程参数的比较温度。并根据PID算法对加热元件进行控制。对液压缸的控制是通过控制换向阀的两个电磁铁（如中1DT和2DT）的通断，从而达到控制液压系统的油路来实现焊接过程的控制。如所示。

　　2.2温度检测及热电偶冷端补偿电路加热板的温度为210C左右，选用镍铬一康铜热电偶作为温度传感器，并利用集成温度传感器AD590对热电偶冷端进行补偿。如所示。

　　集成温度传感器AD590是一种电流型二端器件，可将温度变化直接转换成电流的变化，且它的输出电流和绝对温度成正比。AD590极易与热电偶配合，实施高精度的温度测量。在0°C时输出电流为273.2MA，因此流过AD590的电流：2.3调功方式采用双向可控硅调功，双向可控硅调功控温具有不冲击电网、对用电设备不产生干扰等特点，是一种应用广泛的控温方式。双向可控硅串在50Hz交流电源和加热装置中，只要在给定周期内改变可控硅开关的接通时间，就能达到改变加热功率的目的，从而实现温度调节。采用固定周期控制方式，设定控制周期T=10s即500个电网周波，1000个过零脉冲。若令Pm为加热器全导通时的功率，N为过零脉冲数，P为加热器平均输出功率则：2.4温度控制加热是热熔对接焊过程中最重要的过程，其加热采用电加热的加热板，加热板是热熔对接焊机的核心，要求加热板的材料必须导热容易、且不易腐蚀，一般用铝合金制成。同时为了保证加热板表面清洁，防止塑料粘在加热板上，在加热板表面涂有聚四氟乙烯薄膜。加热板的温度直接厉热熔对接焊接头的质量。因此，要求加热板温度必须恒定在一定的范围内。焊接高密度聚乙烯管道的加热板温试验证明，采用PID算法控制温度可获得满意的效果。它主要根据温度设定值与实际值之差的比例值、积分值和微分值来确定控制量的大小。输出控制量为一个控制周期内交流电导通的正弦波半波数。为PID控制系统原理图，图中r为温度设定值，为实际测量值，e为误差值，且e=r―yU为PID输出值，即一个控制周期内交流电导通的正弦波半波数。

　　在PID控制中，积分的作用是消除残差，为了克服积分饱和，防止超调，提高控制性能，采取积分分离的措施。积分分离法是在误差量较大时，不进行积分，控制量U的计算中，只计算比例项和微分项，直到误差达到一定值之后，才加入积分累积。即当Ie（n）1>￡时，用PD算法控制；其中，￡为设定温度偏差，即控制精度，如±2C.若积分分离值￡值过大，达不到积分分离的目的；若积分分离值e值过小，一旦被控量无法跳出积分分离区，则只能进行PD算法控制，将会出现残差。

　　2.5液压系统电磁换向阀的控制换向阀电磁铁采用24V直流电驱动，利用继电器控制电磁铁中电路的通断，由于继电器动作时对电源有干扰作用，因此采用光电耦合器隔离。如所示。

　　3系统软件设计软件包括主程序、外部中断服务程序、HSI.0中断服务程序、HSI数据有效中断服务程序、温度采集与数据处理程序（包括标度变换、三字节浮点数的转换及加减乘除和BCD码转换为二进制数程序等）、PID控制程序、键码识别与动作控制程序、时间显示程序及报警程序等。液压缸动作过程中陕西塑料包装,西安塑料包装,时间控制利用DS12887时钟芯片和HSI.0中断定时1s来实现。

　　温度采样时间控制采用软件定时器实现，键盘扫描采用外部中断实现。中国塑料，200115（3）：16~20.北京：北京理工大学出版社，刘迎春，叶湘滨。传感器原理、设计与应用。长沙：国防科技大学出版社，1997.。北京：北京航空航天大学，1995.压力管道焊接技术的研究。发表论文9篇。