專利名稱：雙絲交-直流焊接控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
雙絲交-直流焊接控制器
技術(shù)領(lǐng)械
本實(shí)用新型專利涉及一種雙絲交-直流焊接控制器，屬于焊接設(shè)備技術(shù)。
背景技術(shù)：
窄間隙焊是一種髙焊接質(zhì)量、高焊接生產(chǎn)率、低生產(chǎn)成本的特別工業(yè)技 術(shù)，在厚板焊接中尤為明顯。窄間隙焊接技術(shù)在焊接方法上，主要可分為兩 種。 一種是窄間隙埋弧焊方法，另一種是窄間隙熔化極氣體保護(hù)焊方法，但 是這兩種方法都有一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，由于窄間隙破口很窄并且很陡，在焊接過(guò) 程中基本與電弧軸線保持平行。 一般情況下，線能量極低的電弧周邊也很難 作用到破口側(cè)壁(以下稱側(cè)壁)，電弧中心就更加困難，這就造成了窄間隙焊 接的側(cè)壁熔合困難，由此造成焊件整體質(zhì)量低下在我國(guó)還不能廣泛應(yīng)用，為 使窄間隙技術(shù)在我國(guó)能夠廣泛使用，必須發(fā)明一種焊接工藝能夠解決窄間隙 焊接側(cè)壁融合問(wèn)題，天津大學(xué)為此做了深入研究，發(fā)明了 "雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調(diào)電弧焊方法"在這種方法中的核心部分就是，通過(guò)對(duì)交流焊接 過(guò)程的采樣，來(lái)控制直流電焊機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，是交流和直流電焊機(jī) 按設(shè)計(jì)要求輸出脈沖信號(hào)，利用兩焊絲之間的電弧力來(lái)解決窄間隙融合不充 分的問(wèn)題。這個(gè)部分的工作是由雙絲交-直流焊接控制器來(lái)完成的。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型專利是實(shí)施雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調(diào)電弧焊方法的核心 設(shè)備，包括交流檢測(cè)模塊和直流電焊機(jī)脈沖控制模塊，檢測(cè)模塊與控制模塊
采用標(biāo)準(zhǔn)接口連接；
上述交流檢測(cè)模塊依次串接電壓釆集濾波電路，對(duì)雜波進(jìn)行過(guò)濾；電 壓過(guò)零比較電路及微分電路，找到交流電壓過(guò)零點(diǎn)，將其變?yōu)榧夥宀ㄝ敵觯?分壓隔離及半波整流電路，分壓隔離電路將提取正半波信號(hào)，半波整流電路 提取負(fù)半波信號(hào)；穩(wěn)壓及反相電路，生成可以被控制模塊識(shí)別的交流正半波
檢測(cè)信號(hào)；
上述直流電焊機(jī)脈沖控制模塊包括MCU (單片機(jī))、鍵盤、數(shù)碼管顯示 器、電壓給定器、光電耦合器、接口端子；電路是以MCU單片機(jī)為核心的數(shù) 字電路，其他外設(shè)分別與其相應(yīng)的管腳相連。
控制器要完成的任務(wù)是，通過(guò)檢測(cè)楔塊檢測(cè)交流電弧的電壓狀態(tài)，再根 據(jù)交流電弧的狀態(tài)，控制直流電弧的脈沖輸出。本控制器在直流焊絲接正， 工件接負(fù)的條件下，能夠使直流脈沖在交流焊絲在處于正電壓時(shí)輸出基值， 使電弧引力最小，相反當(dāng)交流焊絲負(fù)電壓時(shí)，控制直流電弧產(chǎn)生峰值輸出， 使電弧力間斥力最大。通過(guò)加大斥力，來(lái)使焊接時(shí)兩電弧盡量偏向側(cè)壁，同 時(shí)合理的減小了引力，使兩電弧保持了一定的挺度，從而也保證了焊接熔深。
附困說(shuō)明
圖i控制器方框圖2電壓采集濾波電路；
圖3電壓過(guò)零電路；
圖4標(biāo)準(zhǔn)微分電路；
圖5分壓隔離及半波整流電路；
圖6控制端輸出信號(hào)波形；
圖7 運(yùn)放LM324;
圖8 反相器MC14584BCP;
圖9控制器中AT89C2051的復(fù)位及時(shí)鐘電路；


圖10顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路；
圖ll數(shù)碼管選片譯碼驅(qū)動(dòng)電路；
圖12鍵盤接口電路；
圖13光電耦合器示意圖；圖中l(wèi)， 3代表ANODE; 2, 4代表CATHODE; 5, 7代表EMITTER; 6, 8代表COLLECTOR;
圖14控制器電路原理具體實(shí)施方式
控制器原理
對(duì)照
圖1所示的控制器的方框圖。本控制器釆用了模塊化設(shè)計(jì)，答題分 兩個(gè)模塊，即交流檢測(cè)模塊(以下稱檢測(cè)模塊)，直流電焊機(jī)脈沖控制模塊(以 下稱控制模塊)，檢測(cè)模塊釆用了以模擬電路為主的設(shè)計(jì)方法，控制模塊釆用了以單片機(jī)(MCU)為核心的數(shù)字結(jié)構(gòu)，共有3個(gè)工作模式，可以分別使焊接 電源以恒定峰值電壓模式(model )、恒定基值電壓模式(raode2)、峰值-基值 脈沖電壓模式(mode3)輸出，可以在實(shí)際操作中靈活選用。整個(gè)控制器釆用 了 "黑匣子"模式，接口簡(jiǎn)潔，設(shè)備的產(chǎn)品化程度較高。
檢測(cè)模塊
一、電壓采集濾波電路
對(duì)照?qǐng)D2，濾波電路釆用了有無(wú)源原件R、 C與集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的由 原濾波電路，本控制器檢測(cè)的交流頻率范圍在10 200Hz，考慮到交流電弧 的電壓波動(dòng)嚴(yán)重本設(shè)計(jì)釆用低通濾波電路，設(shè)計(jì)上限為500Hz，交流電焊機(jī) 的最高空載電壓大約為100v左右，所以釆集進(jìn)來(lái)的電壓需要先進(jìn)行分壓和濾 波，為了增強(qiáng)濾波效果，本電路釆用了兩個(gè)濾波電路， 一級(jí)無(wú)源濾波和一級(jí) 有源濾波。
二、電壓過(guò)零比較電路及微分電路
對(duì)照?qǐng)D3、 4，本發(fā)明中要釆集到交流電弧的電壓過(guò)零信號(hào)，故釆用電壓 過(guò)零比較電路。微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波，微分電路的輸出波形 只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。由 電壓釆集濾波電路進(jìn)來(lái)的電壓，送到電壓過(guò)零比較電路，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn) 行過(guò)零比較運(yùn)算，再經(jīng)過(guò)微分電路，輸出為正半波過(guò)零瞬間的正脈沖信號(hào)和 負(fù)半波過(guò)零瞬間的負(fù)脈沖信號(hào)。
三、分壓隔離及半波整流電路
對(duì)照?qǐng)D5，由于前級(jí)電路輸出的電壓超出了單片機(jī)的輸入電壓，所以首先應(yīng)進(jìn)行分壓，然后再把脈沖信號(hào)送到電壓跟隨器中。電壓跟隨器輸出電壓 近似輸入電壓幅度，并對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，因 而對(duì)前后級(jí)電路起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。由電壓跟隨器出來(lái) 的電壓，再進(jìn)行正負(fù)脈沖信號(hào)的分離。
四、 穩(wěn)壓及反相電路
為了確保輸入給單片機(jī)的電壓為5V，在兩路中都添加5V的穩(wěn)壓管進(jìn)行 穩(wěn)壓。由于所選的單片機(jī)觸發(fā)信號(hào)為低電平觸發(fā)，所以上述電路輸出的脈沖 信號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)反相器進(jìn)行反相后，才能成為單片機(jī)有效的觸發(fā)信號(hào)。反相器使用反相器MC14584BCP原件，圖6為檢測(cè)模塊輸出的檢測(cè)信號(hào)，為兩個(gè)有相位 差的低電平信號(hào)。
五、 檢測(cè)電路的硬件選擇
由上述電壓過(guò)零檢測(cè)電路各部分電路的功能，可知硬件部分可用到四個(gè) 運(yùn)算放大器，兩個(gè)二極管，兩個(gè)穩(wěn)壓管以及兩個(gè)反相器。綜合上述功能結(jié)合 實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明設(shè)計(jì)的電壓過(guò)零檢測(cè)電路的硬件部分選擇運(yùn)放LM324, 二 極管1N4148,穩(wěn)壓管1N4007及反相器MC14584BCP。圖7、圖8分別為運(yùn)放 LM324和反相器MC14584BCP結(jié)構(gòu)框圖。
交流電焊機(jī)的電壓信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線輸入到檢測(cè)接口 (TP1)的2端口輸入進(jìn)入 電路，經(jīng)過(guò)電阻R1與R2的分壓，輸入由Cl構(gòu)成的一級(jí)無(wú)源濾波電路經(jīng)過(guò)初 級(jí)濾波，此后信號(hào)輸入到由U1A(LM324AN)、 R3、 R4、 R5、 C2組成的一級(jí)有源 濾波電路進(jìn)行濾波，完全濾掉雜波后由U1A的輸出端輸出，進(jìn)入由R6與U1C (LM324AN)組成的電壓過(guò)零比較電路，由U1A輸出的信號(hào)與U1C的正輸入端 相連接，經(jīng)與零電位比較后輸入到C3進(jìn)行微分變換，微分信號(hào)輸入到R7、 R8進(jìn)行分壓，在R7與R8之間取得分壓后的微分信號(hào)，輸入到U1B(LM324AN) 構(gòu)成的電壓跟隨器中，電壓跟隨器的輸出電壓近似輸入電壓的幅度，并對(duì)前 級(jí)呈高阻態(tài)，對(duì)后級(jí)呈低阻態(tài)，因而對(duì)前后級(jí)電路起到緩沖、隔離、提高帶 載能力的作用。由U1B輸出的電壓跟隨信號(hào)一方面與二極管D1(1N4148)與R9組成的濾波電路相連接通過(guò)濾波將負(fù)半波的信號(hào)隔離保留正半波信號(hào)，正半波信號(hào)經(jīng)由U2A(MC14584BCP)、 R14、穩(wěn)壓管(1N4007 )組成的反相穩(wěn)壓電路 連接，最終生成可以被控制模塊識(shí)別的交流正半波檢測(cè)信號(hào)(焊絲端為正)， 輸入到控制模塊單片機(jī)P3.1腳。另一方面U1B輸出的電壓跟隨信號(hào)，將與由 RIO、 Rll、 R12、 U1D(LM324AN)組成半波整流電路相連進(jìn)行正負(fù)半波的反相置 換，最后由U1D的輸出端輸出到二極管，D2(1N4148)和R13組成的濾波電路， 最終將交流負(fù)半周(焊絲端為負(fù))的檢測(cè)信號(hào)送入控制模塊單片機(jī)的P3.2腳。
控制模塊
一、 MCU:
MCU采用AT89C2051，是控制電路的核心。內(nèi)置2K FLASH程序存儲(chǔ)器及 128字節(jié)內(nèi)部RAM。 AT89C2051帶有2個(gè)I/0 口， Pl和P3。 Pl口用作數(shù)碼管 掃描及驅(qū)動(dòng)。P3 口用作鍵盤和脈沖控制端口。
二、 顯示
顯示部分釆用了 3位八段數(shù)碼管。其中，可以顯示當(dāng)前焊接脈沖頻率， 范圍為l-500Hz;另外，利用后兩位，即第2、 3位數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)分別監(jiān)視 兩個(gè)脈沖控制位的三種工作狀態(tài)第2位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)常亮(model )、第3 位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)常亮(mode2)、第2、 3位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際頻率參數(shù)交 替點(diǎn)亮(mode3)。可直觀、形象地表示出脈沖控制器的運(yùn)行狀態(tài)。
三、 鍵盤
鍵盤由2個(gè)按鍵組成Reset、 Mode。其中，Reset為MCU復(fù)位鍵，使控 制器恢復(fù)到默認(rèn)頻率參數(shù)；Mode鍵為脈沖控制器工作狀態(tài)選擇鍵，循環(huán)選擇 3個(gè)狀態(tài)恒定峰值焊接電壓輸出(model )、恒定基值焊接電壓輸出(mode2 )、 峰值-基值脈沖焊接電壓輸出(mode3)。
四、 電壓給定
焊接電壓通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的電位器，分別給定峰值電壓和基值電壓信號(hào)。
五、接口開關(guān)
本部分是一組光電耦合器構(gòu)成的電子開關(guān)，其作用是根據(jù)MCU的控制脈
沖，分別將峰值電壓和基值電壓給定信號(hào)送到焊機(jī)的控制接口端子。
控制模塊包括由MCU (單片機(jī))、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、電壓給定器和光 電耦合器、接口端子構(gòu)成的控制模塊。其特征在于MCU釆用AT89C2051為核 心的控制電路，內(nèi)置2k FLASH程序存儲(chǔ)器及128字節(jié)內(nèi)部RAM。它的一個(gè)I/0 口 Pl用作數(shù)碼管掃描及驅(qū)動(dòng)。另一個(gè)I/0接口 P3用作鍵盤、檢測(cè)信號(hào)輸入 和脈沖信號(hào)輸出端口；鍵盤Reset、 Mode鍵組成。其中Mode循環(huán)選擇恒定峰 值焊接電壓輸出、恒定基值焊接電壓輸出、峰值-基值脈沖焊接電壓輸出；數(shù) 碼顯示器釆用3位八段數(shù)碼管，其可以表示1—999Hz的脈沖頻率；其中后兩位 數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)位表示當(dāng)前的模式，第二個(gè)數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)單亮，表示當(dāng)前處 于恒定基值電壓輸出模式(model);第三個(gè)數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)單亮，表示恒定峰 值電壓輸出模式(mode2);兩個(gè)數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)同時(shí)點(diǎn)亮，表示峰值-基值脈 沖電壓輸出模式(mode3)。光電耦合器使用了光耦元件TLP521-2，其特點(diǎn)在 于可以將控制電路與焊接電路完全隔離，避免了焊接時(shí)的復(fù)雜電環(huán)境對(duì)控制 器造成千擾。電壓給定器是由兩個(gè)獨(dú)立電位器組成；多路接口開關(guān)與電焊機(jī) 給定電位器端子板連接。
權(quán)利要求1、一種雙絲交-直流焊接控制器，包括交流檢測(cè)模塊和直流電焊機(jī)脈沖控制模塊；檢測(cè)模塊與控制模塊采用標(biāo)準(zhǔn)接口連接，其特征是所述交流檢測(cè)模塊依次串接電壓采集濾波電路，對(duì)雜波進(jìn)行過(guò)濾；電壓過(guò)零比較電路及微分電路，找到交流電壓過(guò)零點(diǎn)，將其變?yōu)榧夥宀ㄝ敵?；分壓隔離及半波整流電路，分壓隔離電路將提取正半波信號(hào)，半波整流電路提取負(fù)半波信號(hào)；穩(wěn)壓及反相電路，生成可以被控制模塊識(shí)別的交流正負(fù)半波檢測(cè)信號(hào)；所述直流電焊機(jī)脈沖控制模塊包括MCU單片機(jī)、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、電壓給定器、光電耦合器、接口端子；其電路是以MCU單片機(jī)為核心的數(shù)字電路，其他外設(shè)分別與其相應(yīng)的管腳相連。
專利摘要本實(shí)用新型專利涉及一種雙絲交-直流焊接控制器，屬于焊接設(shè)備技術(shù)。所述控制器包括交流檢測(cè)模塊和直流電焊機(jī)脈沖控制模塊；交流檢測(cè)模塊依次串接電壓采集濾波電路、電壓過(guò)零比較電路及微分電路、分壓隔離及半波整流電路、穩(wěn)壓及反相電路；直流電焊機(jī)脈沖控制模塊包括MCU(單片機(jī))、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、電壓給定器、光電耦合器、接口端子?？刂破饕瓿傻娜蝿?wù)是，通過(guò)檢測(cè)模塊檢測(cè)交流電弧的電壓狀態(tài)，再根據(jù)交流電弧的狀態(tài)，控制直流電弧的脈沖輸出。
文檔編號(hào)B23K9/09GK201179586SQ200720097810
公開日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者鵬 劉, 勃 孫, 丹 曲, 桓 李, 楊戰(zhàn)勝, 楊立軍, 陸權(quán)森, 瑩 高 申請(qǐng)人:天津大學(xué)