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研究生:林文雄
論文名稱:氬銲銲道自動擺弧循跡銲接製程之開發與研究
論文名稱(外文):Design of automatic seam tracking processing/controlling system in GTAW
指導教授:侯光華
指導教授(外文):Kuang-Hua Hou
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:125
中文關鍵詞:自動循跡工件接頭開槽氬銲銲接電弧電壓自動控制
外文關鍵詞:Seam TrackingGTAWAVCArc WeavingJoint Preparation
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摘要
在氬銲銲接製程中,較常採用人工方式施銲,但由於人工施銲缺點甚多,諸如:銲接品質不易控制、人工成本較高、銲接技術熟練之銲工日益短缺、長期施銲對人體健康造成影響等。因此發展自動化銲接之技術與設備是目前銲接產業界重要的課題。
自動化銲接具有銲道品質穩定、生產效率高、人員訓練容易並可長期施銲等優點。目前在自動化銲接銲道之路徑控制上,較常採用CNC機械手臂作記憶教導式銲接、軌道式控制路徑、視訊系統檢測控制路徑及紅外線檢測控制等。但因設備昂貴、對工件開槽之精度要求較高、裝置維修困難等因素,導致無法廣為使用。
本研究的目的在於簡化銲接循跡之控制方式,設計開發三軸向自動擺弧循跡機構,並利用基本之銲接設備,於施銲過程中直接擷取銲機上的電壓變化訊號作回授控制,無需再加裝其他設備即可達到自動循跡之目的,使現場施銲更加便利。
由於氬銲銲接機為定電流型銲機,故在銲接時,當電弧長度隨著與母材距離增加而變長時,電弧電壓也隨之上昇,反之亦然。所以在銲接機二次側輸出端上可以擷取到此電壓變化訊號,此反覆變化之訊號可用以判斷電極與銲縫之相對距離與位置,並透過8051CPU計算,驅動系統步進馬達運轉,可精確地控制銲接路徑。其優點除可簡化銲接設備及其操作外,更因自身的擺弧作用,可放大銲接參數操作視窗,進而提高銲接品質、降低對工件開槽的精度要求。
本研究將針對利用銲槍擺弧時之電壓變化訊號作循跡控制的可行性作實驗,初步將完成平板銲道之三軸向自動循跡機構,進一步研發設計圓管外軌式自動銲接機構。以簡化圓管銲接時之操作流程、設備成本、銲接參數需求、行走軌跡及工件開槽規格化之要求,可實際應用於現場施工上,相信更具市場競爭力。

Abstract
Manual gas tungsten arc welding (GTAW) is still widely used in industry even for its numerous drawbacks, including inconsistent welding quality control, high labor cost, inadequate supply of skilled welders, and hazardous to human health, etc. Therefore, developing techniques and equipment for automatic GTA welding has been one of the most important topics for decades.
Automatic welding has some advantages over manual welding including consistent weld quality, higher productivity, easier training and longer welding production period for operators, etc. In order to achieve automatic seam tracking during GTA welding, various mechanical and visual controlling systems were developed and their limited applications in industry were due to costly equipments, higher precision requirements for weld joints, and difficulty in maintenance.
The objective of this research was to develop a reliable, simple and inexpensive weld seam tracking control system for automatic GTA welding process. The development of the automatic weld seam tracking system in this study was based on the relationship between arc voltage and arc length. Because the GTAW uses a constant current (CC) type power supply, increases in arc length results in the corresponding arc voltage increases. Consequently, the position of a weaving torch in welding a V-grooved joint can be predicted by the variation in arc voltage. This varying voltage signal can then be used for the seam tacking system, using a 8051 CPU program and stepping motors.
The experiments in this study focused on developing an automatic seam tracking system for the GTA welding and selected suitable parameters for welding plates and pipes. An automatic voltage control (AVC) system operating simultaneously with the torch weaving system was developed using the arc voltage signals as well. Welding experiments were conducted on welding of V-grooved butt-joint stainless plates to acquire proper welding parameters. In addition, welding of V-grooved butt-joint pipes was also conducted. By using a weaving arc with AVC control, the requirements of weld joint precision can be lessened significantly. Consequently, quality weld joints in plates and pipes can be successfully achieved by using the seam tracking system developed in this study.

指導教授推薦書………………………………………………………
口試委員會審定書……………………………………………………
授權書…………..………………………………………………………………..iii
中文摘要………………………………………………………………...v
英文摘要…………………………………………………………….….vi
致謝……………………………………………………………………..vii
目錄…………………………………………………………………….viii
表 目 錄……………………………………………………………..….xi
圖 目 錄………………………………………………………………..xii
第一章 研究背景 1
1-1 人工銲接 1
1-2 自動化銲接 1
1-3 擺弧銲道 2
1-4常見之銲道循跡方式 3
1-5利用擺弧作循跡控制之原理 6
1-6 Z軸電弧電壓自動控制原理 7
1-7研究目的與研究方法 8
第二章 實驗設備 9
2-1.1平板自動擺弧循跡機構 9
2-1.2圓管自動擺弧循跡機構 15
2-2 銲接機 26
2-3 步進馬達及馬達控制器 26
2-4 Mcs 8051單晶片及控制電路 28
第三章 實驗方法 30
3-1實驗簡介 30
3-2平板及圓管實驗流程圖 32
3-3電弧電壓量測…………………………………………………...33
3-4高週波屏避 34
3-5 8051CPU程式撰寫 38
3-6 銲接實驗 41
第四章 結果與討論 51
4-1平板對銲實驗結果與討論 51
4-1.1實驗固定參數 51
4-1.2不同根面開口距離(Root opening)對銲實驗 56
4-1.3對接的接頭高低差對銲實驗 58
4-1.4不同的根面高度(Root face)對銲實驗 60
4-2圓管對銲實驗結果與討論 62
4-2.1圓管對銲銲接最佳參數 62
4-2.2圓管對銲實驗結果比較 64
4-3綜合討論 70
第五章 結論 72
第六章 後續研究 73
6-1 後續研究項目 73
6-2 後續研究方向 73
參考文獻 75
附錄一 銲接機 HTP- 400規格表 77
附錄二 關於ISD1000步進馬達 79
附錄三 8051/8052單晶片接腳功能表 81
附錄四 圓管銲道銲珠與銲接位置的關係 85
附錄五 平板銲道自動擺弧循跡對銲實驗結果 86
附錄六 英文論文

(1) 張登棋、李永泰、謝同進 自動擺弧銲道循跡機構設計,長庚大學機械系2001年專題研究。
(2) Wikle, H.C., III, Zee, R.H. and Zee, B.A. “A Sensing system for weld process control”, Journal of Materials Processing Technology, 1999
(3) 高向東,黃石生 廣東工業大學GTAW 神經網路─模糊控制技術的研究 銲接學報 第21卷第1期 2000/3
(4) Suga,Y., Mukai, M. and Usui, S., “Monitoring of Molten Pool and Adaptive Control of Penetration in GTAW of Thin Mild Steel Plates,” Proceedings of the Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference Honolulu, USA, May 25-30, 1997.
(5) 李正芳 可程式控制器原理與應用,全華圖書公司,81年。
(6) 郭鴻達 非恆定銲接端口條件下外軌式自動化銲接管路氬銲銲接參數研究,1999。
(7) 孫 瑜可程式控制器實習,高立出版,82年2刷。
(8) 許溢适 步進馬達原理與應用,全華圖書出版,82年2刷。
(9) 陳熹棣 步進馬達應用技術,全華圖書出版,84年8刷。
(10) 葉明財 步進馬達活用技術,高立出版,84年出版。
(11) 龔伯康 譯 現代銲接學(下冊),徐氏基金會,81年出版。
(12) 吳炳煌 PLC可程式控制器原理與實習,全華圖書公司,81年。
(13) 陳茂林、洪士賢 單晶51電路實習與應用,滄海出版,89年出版。
(14) 廖明通 銲接工作法與實習,高立出版,83年出版。
(15) 李隆盛 銲接實習,全華出版,82年出版。
(16) 紀念慈、陳少卿 編譯 電腦輔助設計與製造概念,全華出版,86年出版。
(17) 小藪健,淺野恭-,高橋英則,“Weldability of Neutron- Irradiated Stainless Steel and Nickel-Base Alloy’’,溶接學會論文集, NO.4,vol.18,Nov,2000。
(18) 林文雄CNC數控工具機實習,高立出版,80年出
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