耿正
前言
现在国内已有相当数量的焊机制造厂家成功地掌握了逆变电源技术。不仅传统的PWM硬开关技术已被广泛地应用到各种焊机种，而且各种软开关技术也已经投入使用。不仅基于逆变技术的焊机产品已经覆盖了整个电弧焊机产品系列，而且近年来又实现了以OEM方式为主的出口。从这个角度看国内焊机制造厂家在逆变电源技术应用方面已经达到相当高的水平，或者可以说：国内电焊机行业已经成功地实现了从传统机电产品到现代电力电子产品技术的战略转移。但同时还应看到：目前国内逆变焊机制造厂家的成功主要是体现在逆变焊机的经济性。目前国内逆变焊机的制造成本不仅低于同类型晶闸管焊机，而且由于金属材料涨价的因素，某些机型甚至已经可以与传统交流焊机一搏。也就是说：目前国内逆变电源技术在产品核心竞争力中的主要还是体现在低成本方面。然而，随着该项技术的日趋成熟，使得进入逆变焊机的技术门槛不断降低，逆变电源技术本身在构成电焊机产品核心竞争力中的贡献和作用也在不断降低。因此国内电焊机行业中的一些有实力、有远见的企业已经把发展目光聚焦在数字化焊机技术上，并且少数厂家已经推出了自己的数字化焊机产品，可以说数字化焊机已经成为电焊机行业新的热点。然而，目前国内电焊机行业对数字化焊机的理解却不尽相同。其实，目前国内关于数字化焊机的概念主要来自于国外一些焊机厂家的产品展示和相应的商业性宣传，而不是真正意义上的技术交流。本文将从现代焊机基本结构的角度解析数字化焊接技术、焊接电源技术和焊接工艺几个方面的技术特点和相互关系，探讨数字化焊机核心技术的内涵与外延。
1数字化焊接与数字化焊机的关系
首先应该指出，关于数字化焊接是目前尚无严格的定义概念。实际上目前在国际刊物、会议、网站以及其它媒体上很难找到数字化焊接（DigitalWelding）的概念，所能找到的只有数字化焊接系统（DigitalWeldingSystem）。而这些数字化焊接系统都是具体指某种数字化控制的焊接设，如焊接机器人系统、精密焊管机等专用焊接系统。实际上，国内目前所探讨的“数字化焊接”也就是指这一类数字化焊接系统。
目前国内有一种观点认为：数字化焊机是数字化焊接的关键技术。这不无一定道理，如果没有数字化焊机又何谈数字化焊接呢？不过如果认真地分析一下数字化焊接系统就会发现：事实上，数字化焊接系统早在我们今天所谈论的数字化焊机出现前就已经成功地应用于制造业。例如，现在多数焊接机器人工作站中或精密焊管机中所用的焊机并非数字化焊机，但是所有的焊接参数，包括焊接电流，焊接电压，以及焊接时序等这些通常需要由焊机提供的控制参数都是由控制计算机系统数字化设置、显示和可编程的，而这也正是目前关于数字化焊机的基本特征。由上述分析可见，实现数字化焊接系并不一定必须使用数字化焊机。实际上，只要具有完善的远控接口的焊机原则上都可以应用于数字化焊接系统。
从科学发展观的角度看，是数字化焊接系统孕育了数字化焊机。实际上所谓数字化焊机是随着微处理器技术的进步，将原数字化焊接系统中有焊机控制部分移植到传统焊机内部而制成的一种新型焊机。从系统构成的角度看，数字化焊机当然更适合于数字化焊接系统，但是从焊接工艺效果的角度看，在数字化焊接系统中，数字化焊机与传统焊机相比实际上并无显著优势。既然如此，那为何又要研制数字化焊机呢？
事实上，数字化焊机的真正的优势在于脱离数字化焊接系统，在简易自动焊接、半自动焊接甚至手工焊接过程中独立使用。数字化焊机将原来只有在昂贵的大型数字化自动焊接系统中才具有某些信息化、智能化焊接功能带到更广泛的焊接应用领域。从这个角度看，数字化焊机的最主要贡献是将信息技术在焊接中的应用范围最大化。
2数字化焊机结构解析
由于在数字化焊机中采用了数字化可编程器件，这些器件的实际功能主要决定于它的内部程序代码，而这些代码通常又是难以解读的，因此数字化焊机具有一定的神秘色彩。而在这种神秘色彩下，数字化焊机的核心技术也变得模糊了。为了清晰地理解数字化焊机的核心技术，有必要先对数字化焊机的结构进行解析。
将焊机构成分为：主电、驱动与闭环控制和焊接参数设置及接口电路3个部分，下面分析这三个部分中数字化的可能性和数字化的作用：
Ⅰ.主电路：主电路是焊机的底层基础，对于逆变焊机其主电路结构都是基本相同的（实际上所有开关电源都是大致相同的）。这部分主要是功率器件，无所谓数字化问题。
Ⅱ.驱动与闭环控制：这部分主要是解决电源外特性控制问题，虽然具体电路结构可以多样化的，但从原理上主要分为基于电流反馈的都特性电源和基于电压反馈的平特性电源，以及两者的转换和组合技术。其中PWM调解器可以采用传统的模拟器件也可以采用数字化器件。目前已有一些专门面向电源控制应用的DSP芯片，如TI公司的TMS320C2000系列。这类芯片不仅具有极高的数据处理能力，而且有多路片内PWM输出和AD输入，可以很方便地用于替代模拟控制器，实现PWM调解器的数字化。对于焊接电源，数字化PWM调解器的主要优点是：可以方便地实现复杂电源外特性的控制。
Ⅲ.焊接参数设置及接口电路：这部分对于不同的焊机有很大的不同，例如对于简单的手工电弧焊机可能只是一个电位器，而对于高档气体保护焊机则需要采用复杂的数字和模拟电路或微处理器。也就是说，这一部分是可以数字化的。数字化的主要优点是：幅值、时序控制器采用微处理器可以极大地简化电路设计、制造和提高性能，特别是使一些复杂的非线性控制成为可能；焊机参数人机操作界面的数字化可以使用户对焊接过程进行更精确、更多样化的设置；而数字化的焊接参数远控接口则提供了一个近于无限的焊机性能发展空间。
根据上述对焊机结构的解析，数字化焊机的结构可重新组合。将数字化焊机的核心技术的划分，而这种划分主要是基于它对焊机焊接性能的重要性提出的，并可进一步分为：技术内涵——实线部分，技术外延——虚线部分。
通过以上分析，所谓“全数字化焊机”的概念和其技术优点都存在一定问题的。首先从整体结构上看，尽管全数字化焊机用DSP为核心的数字处理器取代了模拟PI控制电路，但是在整个焊机中的不可替代的模拟器件仍占很大比例，因此模拟与数字混合是现代焊机结构的基本特征；再从控制技术的角度看，DSP所接收的反馈信号是模拟量，而且要通过模拟量变换器获得，而一般模拟量变换器的精度和稳定性都是相对较低的（比模拟PI控制电路低），因此采用DSP不会对焊接电源的内部反馈控制其性能带来显著提高；最后从实现具体焊接工艺的角度看，数字化焊机中的焊接电源主要是执行数字化的焊接参数设置，例如对于最为复杂的脉冲MIG焊而言，焊接电源的作用也只不过是将数字控制器的信号放大到实际焊接电流，也就是说：在数字化焊机中焊接电源实际是作为一个线性功率放大器使用，因此基于DSP控制的数字化的线性功率放大器，也就是所谓“全数字化焊机”，在实际焊接工艺性能方面很难突现特殊优点。
3数字化焊机的技术内涵
3.1线性功率放大器
在数字化焊机中，焊接电源部分主要是执行数字化控制器的指令，第Ⅰ部分中的B点与第Ⅱ部分中的A点之间是比例关系（严格地说是比例积分关系），因此这两部分合在一起，从实际功能上看，与其说是一个电源，不如说是一个线性功率放大器更为合适。
线性功率放大器是数字化焊机的基础，数字化焊机的性能，在很大程度上是由该线性功率放大器的性能所决定的。因此该线性功率放大器除了满足一般的电焊机技术标准外，还应满足以下两个基本技术条件：线性度不低于0.2%；电流摆率不低于1000A/ms。这两个技术指标对于数字化焊机，特别是高档焊机，如进行波形控制和脉冲焊控制是十分重要的。至于其中的PWM调节器是模拟的还是数字的并不十分重要，因为数字技术并不能有效地提高上述技术指标。
该变换器从狭义的角度看只是电流、电压传感器，但从广义的角度看应包括线性功率放大器（焊接电源）的全部工作状态，这对高级数字化焊机是必要的信息资源。
3.2数字化控制器与人机界面
如果数字化控制器仅仅是简单地取代传统焊机中的幅值、时序控制电路，这样的数字化焊机实际上与传统焊机并无显著差异。实际上，数字化控制器中真正用于控制的程序代码是很少一部分（10%以下），而主要的程序代码是用于焊接专家参数库的数据管理和人机界面操作。
例如对脉冲MIG焊有：脉冲峰值电流（Apk）、脉冲基值电流（Abk）、脉冲频率（PPS）和脉冲峰值时间（PWms）4个基本焊接参数。如果仅从输出波形的角度看，无论是采用微处理器（对于C编程不过十几行代码），还是采用硬件电路，控制焊机输出电流波形都是很容易的。也就是说，传统焊机同样可以实现完美的脉冲MIG焊，从这点看，数字化焊机并未改变焊机的焊接性能。但是这个结论只是在对于一种焊丝（材料、直径），在一定的送丝速度（焊接电流）下是正确的。因为对于一个送丝速度，至少就要对应的一组4个参数，如果送丝速度在2-18米/分范围内，以0.1米的间隔精度连续调节，就将需要上百组参数，再考虑不同的焊丝材料，其数据量还要成倍增加。要实现脉冲MIG焊的关键有两个：一是脉冲MIG焊专家参数库的建立；二是对该专家参数库的调用，显然这对于传统焊机的参数调节是困难的，甚至是无法实现的。由此可见，数字化焊机真正价值在于极大地改善了焊机的参数调节性能，特别是在大范围、多数据的非线性协调方面。数字化焊机用户调节焊机参数的过程，实际就是通过人机界面对焊接专家参数库进行调用，对于数字化焊机的用户来说体验的数字化技术实际上主要是人机界面技术，或则也可以说数字化焊机的实际功能是通过人机界面发挥的。
目前使用的人机界面技术包括数据输入和显示两个方面。作为输入主要是采用按键，作为显示有两种选择：LED数码管和LCD屏或两者结合使用。由于焊机的面板面积有限，以及操作性能等方面的考虑，输入按键和显示单元的数量也是有限的，因此要设计一个简洁而方便实用的人机界面是数字化焊机研发中的关键技术之一。而且人机界面所涉及的编程工作量和技术难度要远大于焊接控制过程。
4数字化焊机的技术外延
通过数字接口与外界通讯是数字化焊机更重要的技术优势，尽管这点目前尚未被十分注意，但它提供了多种扩展功能使数字化焊机从根本上区别于传统焊机。数字化的目的是信息化，而信息化的根本价值在于信息的传递与更新，因此通过数字接口与外界通讯获得信息的传递与更新将是今后数字化焊机的主要技术进步点。
4.1上位机控制技术
数字化焊机可以通过数字接口由上位机控制，上位机可以采用工业PC机，不仅可以完全替代焊机原有的人机界面，而且可以提供更丰富、更强大的集成化数字化控制功能。这种技术主要是用于自动化焊接系统，使焊机的参数设置与系统中其他设备的参数设置一体化。另外目前的焊接机器人系统也都具有标准数字化接口，因此作为数字化焊机研发也要考虑到接口的兼容性。
4.2上位机在线诊断技术
前面讲过，变换器从广义的角度看应包括线性功率放大器（焊接电源）的全部工作状态参数，而且这些参数都可以被焊机内部的微处理器采集和监测。由一些高档的数字化焊机具有简单的故障代码指示，甚至可以记录短时的焊接参数，但由于人机界面和内部数据存储量的限制，实际功能很有限。上位机可以采用工业PC机或笔记本机，通过数字接口和专用焊机性能和焊接参数分析软件系统对焊机的工作状态进行全程监测。这对于焊机内部故障或焊接质量问题的诊断具有重要应用意义。
4.3数字化焊机在线升级技术
一方面，是技术进步的需要对产品不断升级换代。目前微处理器广泛采用Flash作为程序存储器，因此对于已经出厂产品，可以通过数字接口对数字化焊机中的控制程序和焊接专家参数库进行更新，在硬件系统不作任何改变的条件下对焊机性能进行升级。
另一方面，在今后数字化焊机中，随着基本技术的成熟，其基本硬件系统的质量及性能将趋于大同，所以真正的技术含量和主要的价格差异将越来越多地体现在一些特殊的焊接专家参数库中。为了实现数字化焊机性能的分期、分块销售，在线升级技术也是必须的。
4.4数字化焊机的组网技术
网络技术已经广泛地应用于工业控制领域，数字化焊机具有网络通讯功能已经成为一个必然的要求。事实上，网络技术可以覆盖上述三个技术。
5结论
数字化焊机是随着微处理器技术的进步，从数字化焊接系统中向传统焊机进行技术移植而形成的一种新型焊机。在数字化焊机的核心技术中，焊接电源扮演着线性功率放大器的作用，焊机的操作性能由数字控制器和人机界面所决定，焊机的焊接性能由内置的焊接专家参数库决定。全数字化焊机，即含接电源内部的PWM调节器采用DSP控制技术在控制方面有一定的技术优势，但对数字化焊机的整体性能的影响作用不显著。可能影响数字化焊机未来技术走向的是通过数字接口与外界的数字化通讯技术。
参考文献
数字化焊接，郑思潜等，现代制造，MM论坛，2004.11