CN101856768B

CN101856768B - 一种基于数字载波控制mag/mig焊机控制系统

Info

Publication number: CN101856768B
Application number: CN 201010156239
Authority: CN
Inventors: 方臣富; 向明; 常旭
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2010-04-23
Filing date: 2010-04-23
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: CN101856768A

Abstract

本发明公布了一种基于数字载波控制MAG/MIG焊机控制系统，由送丝板系统与主控板系统构成，送丝板系统与主控板系统之间通过载波线相连，送丝板系统中有程控电路与送丝电路，主控板系统中有引弧判断电路、空载给定电路与显示电路；送丝板系统还包括电压给定模块、第一单片机芯片和耦合电路模块，主控板系统还包括接收电路模块、前级解调模块、第二单片机芯片和数模转化电路。本发明实时性好、抗干扰能力强、稳定性高。

Description

一种基于数字载波控制MAG/MIG焊机控制系统

技术领域

本发明涉及一种焊机，尤其涉及一种数字载波控制MAG/MIG(活性气体保护焊/惰性气体保护焊)焊机控制系统。

背景技术

传统的逆变MAG/MIG焊机参数的遥控通过一根多芯的控制电缆实现，以逆变CO₂焊机为例，逆变CO₂焊机的六芯控制电缆分别完成气阀、送丝电动机驱动、点动送丝、焊枪开关开闭、焊接电流、焊接电压给定信号的传输。在造船和高层建筑上使用时，大量的电缆容易缠结，焊工的拖拽、钢板的掉落砸击也经常导致断线，故障率较高，并且维修较为困难，维修成本高，焊接控制电缆的脆弱易断，已经成为了焊机常见的故障之

为解决控制线的问题，陆续出现了一些其它方式的参数调节手段，如利用空载电压调节参数、利用无线电波传输焊接参数，但这些方式同样存在一定的问题。利用空载电压实现的调制不能调制MAG/MIG焊机全部焊接参数，且只能实现焊前调节；利用无线电波进行参数遥控的焊机在一定程度上解决了控制电缆的问题，但由于管道、狭小金属空间所具有屏蔽作用，实际上并不适合特定场所的焊接。近年来，一些焊机采用了载波控制方式来调节焊接参数，但载波控制依然不够稳定，干扰较大，容易造成焊接电压不稳、引弧成功地低、焊缝成型差等现象。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种数字载波控制系统，整个系统由弧焊电源系统与送丝机系统构成，弧焊电源与送丝机之间通过一根数字载波线相连，数字载波线给送丝机提供稳定的直流电源，载波信号也通过数字载波线传输，通过焊接电缆正端构成回路。取消以往载波焊机模拟控制的调制解调系统，在单片机控制的逆变MAG/MIG焊机基础上，增加一些很小的电路模块就可以实现载波控制。将载波线包裹在屏蔽线内，隔绝传输过程中的干扰。解决了在焊接过程中由于控制电缆难于移动、易损坏、恶劣电磁环境下由于干扰而造成的信号传输不良等问题，节约了成本的同时仍然可以实现MAG/MIG焊机所有焊接参数的遥控调节。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明一种基于数字载波控制MAG/MIG焊机控制系统，由送丝板系统与主控板系统构成，送丝板系统与主控板系统之间通过载波线相连，送丝板系统中有程控电路与送丝电路，主控板系统中有引弧判断电路、空载给定电路与显示电路；其特征在于：送丝统还包括电压给定模块、第一单片机芯片和耦合电路模块，主控板系统还包括接收电路模块、前级解调模块、第二单片机芯片和数模转化电路，其中电压给定模块依次串接第一单片机芯片和耦合电路模块，单片机芯片与程控电路与送丝电路双向连接，接收电路模块依次串接前级解调模块、单片机芯片和数模转化电路，第二单片机芯片分别与引弧判断电路、空载给定电路双向连接，引弧判断电路连接到显示电路，耦合电路模块通过载波线相连接收电路模块。

所述电压给定模块由电阻R1、R2、R3、R4、R5，可变电阻R_W、R_W′，芯片LM324和CD4053组成，电阻R4一端接+15V电源，另一端接电阻R2与电阻R5一端，电阻R5另一端接地，电阻R2另一端与电阻R3及芯片LM324的同向输入端相连，电阻R3另一端接芯片LM324的输出端、芯片CD4053的15脚和第一单片机芯片的输入端，可变电阻RW一端连芯片CD4053的2号脚，另一端连电阻R1一端和可变电阻R_W′另一端，可变电阻R_W′一端连芯片CD4053的1号脚，电阻R1的另一端接至芯片LM324的反相输入端与电容C1的一端，电容C1的另一端与电阻R5另一端连接。

所述耦合电路模块由三极管Q10、电阻R65、电容C22、电阻R7、三极管Q2和电容C3组成，三极管Q10的集电极接电阻R65、电容C22一端，电阻R65的另一端通过一个开关电路与送丝电机电源部分相连接，电容C22的另一端接三极管Q2的基极和电阻R7一端，三极管Q2发射极与电阻R7另一端连接接地，三极管Q2的集电极接至送丝电路(8)与电容C3一端，电容C3另一端接接收电路模块(9)。

所述接收电路模块由电感L1、电容C59、C41、电阻R52、二极管D9、D6、电容C20组成，电感L1上有两个同磁芯的线圈，其中一个的一端接保险丝SF1和载波线，另一端接电容C59，电容C59另一端接地，另一个的一端接电阻R52、电容C41一端，另一端与电容C41的另一端、二极管D9的阴极、D6的阳极、电容C20一端相连接地，电阻R52另一端接二极管D9的阳极、D6的阴极、电容C20另一端。

所述前级解调模块(10)由芯片KA567、电容C36、C37、C39、C40、C44、电阻R37、R53、可变电阻VR3组成，电容C36一端与芯片KA567的3脚相连，电容C36另一端与接收电路模块输出端连接，电容C37一端与芯片KA567的2号脚相连，电容C37另一端接地，电阻R53一端接+5V电源，另一端接芯片KA567的8号脚、第二单片机芯片的输入端，可变电阻VR3一端与电阻R37一端相连，另一端与芯片KA567的5脚和可变电阻VR3中间端相连，电阻R37另一端接电容C44一端与芯片KA567的6号脚，电容C44的另一端接地，芯片KA567的7号脚也接地，电容C39与电容C40并联，一端接地，一端接芯片KA567的1号脚。

所述载波线被包裹在金属屏蔽网内，载波线与金属屏蔽网之间有绝缘层，金属屏蔽网外面有绝缘层。

本发明具有实时性好、抗干扰能力强、稳定性高等优点，避免了六芯控制电缆的断线、缠线故障，焊接电压稳定，引弧成功率高，焊缝成型好。

附图说明

图1是本发明的焊机整机示意图；

图2是本发明的一种基于数字载波控制MAG/MIG焊机控制系统框图；

图3是本发明的送丝机上的遥控板电路原理图。

图4是本发明的焊接电源内部主控板电路原理图。

图5是本发明的载波线剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，一种基于数字载波控制逆变MAG/MIG焊机，由弧焊电源、送丝机组成。焊接电缆的正端连接弧焊电源与送丝机，作为送丝机遥控板的地线。载波线中有稳定的直流电压，给送丝机及遥控板提供电源，载波信号亦由此线传输。

如图2所示，控制系统由送丝板系统1、主控板系统2和载波线3组成，送丝板系统1对应为图1中的送丝机内部电路系统，主控板系统2对应为图1中的焊接电源内部电路框图，载波线3对应为图1中的载波线，送丝板系统1与主控板系统2通过载波线3相连。送丝板系统1由电压给定模块4、单片机芯片5、耦合电路模块6、程控电路7、送丝电路8等部分组成，电压给定信号经电压给定模块4后输入到单片机芯片5进行调制，程控电路7、送丝电路8以单片机芯片5为核心组成外围电路，进行焊接程序控制与送丝控制。单片机芯片5的输出端与耦合电路模块6相连，耦合电路模块6将调制后的数字脉冲信号耦合到载波线3上。主控板系统2由接收电路模块9、前级解调模块10、单片机芯片11、数模转化电路12、引弧判断电路13、空载给定电路14、显示电路15等组成。载波线3传输的信号接入接收电路模块9，9的输出端接前级解调模块10进行前级解调，解调后输入到单片机芯片11进行后级解调。引弧判断电路13与空载给定电路14以单片机芯片11为核心组成外围电路，实现引弧信号的判断与空载电压的给定。引弧判断电路13连接到显示电路15，进行焊接电压、焊接电流的显示。单片机芯片11的解调信号输入到数模转化电路12，进行数模转化，最终控制焊机的输出。

如图3所示，为本发明的送丝机上遥控板原理图。电路中电阻R1、R2、R3、R4、R5、可变电阻R_W、电阻R_W′、芯片LM324、CD4053组成电压给定模块3，电阻R4一端接+15V电源，另一端接电阻R2与电阻R5，电阻R5另一端接地。电阻R2另一端与电阻R3及芯片LM324的同向输入端相连，电阻R3另一端接芯片LM324的输出端，芯片LM324的输出端接至电阻R6与芯片CD4053的15脚。可变电阻RW一端连CD4053的2号脚，另一端连电阻R1，可变电阻R_W′一端连芯片CD4053的1号脚，另一端连电阻R1。电阻R1的另一端接至芯片LM324的反相输入端与电容C1。电压给定模块4通过电阻R6与单片机芯片5的21脚相连，当调节送丝机遥控板上的焊接电压(收弧电压)给定旋钮时，电路中的可变电阻R_W(R_W′)发生变化，电压给定模块4输出的信号频率发生变化，频率的计算公式可按下式计算：

f = \frac{1}{2 (R_{1} + R_{W}) C_{1} In (\frac{1 + K_{1}}{1 + K_{2}})}

其中

可见调整可变电阻R_W(R_W′)时会得到不同的输出频率。电位器旋钮的阻值与电压给定电路模块4输出频率的对应关系按下式计算：

R_{W} = \frac{{K_{1}}^{'}}{f} - {K_{2}}^{'}

其中

K₂′＝R₁，根据此对应关系可标出给定旋钮上的给定值。电压给定模块4的输出接至电阻R6、R7进行分压，通过电阻R6接至单片机芯片5的21脚进行调制，调制过程受焊枪信号和收弧有无信号的控制。焊枪信号电路、收弧有无信号电路、送丝电路、送气电路等组成程控电路7与送丝电路8。焊枪和点动电路由电阻R25、R26、R27、R28、R30、芯片U5A、U5B、二极管V5等组成，电阻R26接+15V电源，电阻R26另一端与电阻R25、芯片U5的6号脚相连，电阻R25另一端接焊枪与点动开关，其中点动开关串有电阻。电阻R27一端接+15V电源，另一端接芯片U5的5号脚、电阻R28，电阻R28再接至电阻R29与芯片U5的2号脚，电阻R29另一端接地。电容C58一端接至芯片U5的3号脚，另一端接地。芯片U5A与芯片U5B组成窗口比较器，芯片U5A的输出端接至芯片U8的2号脚，芯片U5B的输出端接至芯片U8的1号脚，与电阻R30相连，电阻R30另一端接+15V电源。芯片U8的3号脚接+15V电源，4号脚接电阻R43与程控电路。电阻R43与电阻R33组成分压电路，电阻R33接地。电阻R43的另一端与单片机的22脚相连，当焊枪开关按下时，电阻R43与芯片U8的4号脚相连端为高电平，单片机芯片5的22脚的电平就为高，单片机芯片5调用调制程序。当焊枪未按下或者按下点动送丝按钮时，单片机芯片5的22脚为低电平，终止单片机调制程序。+5V电源经电阻R8接至收弧有无开关，收弧无的开关一端悬空，收弧有的开关一端接至单片机芯片5的23脚，当开关打至无收弧时，单片机芯片5的23脚为低电平，此时调制程序的调用与终止仅受焊枪信号控制；开关打至有收弧时，单片机芯片5的23脚为高电平，此时调制程序的调用与终止受两个信号同时控制。单片机芯片5的输出信号通过13脚输出，接至稳压管ZD11的阴极。ZD11的阳极接三极管Q10，三极管Q10、电阻R65、电容C22、电阻R7、三极管Q2、电容C3组成耦合电路模块6，三极管Q10的集电极接电阻R65、电容C22，电容C22的另一端接三极管Q2的基极，三极管Q2发射极接地。三极管Q2的集电极接至电阻R19与电容C3，电阻R19另一端接至二极管D30、二极管D32阴极，二极管D30、二极管D32的阳极通过二极管D49的阴极相连。二极管D49的阳极与电感L1相连，电感L1的另一端与电容C3相连接至载波线上。电感L1通过直流信号，给整个遥控板及送丝机提供电源。电容C3为耦合电容，直流电不能由此通过。电容C2另一端与载波线相连。载波线上同时存在直流电压与高频数字脉冲信号，电感L1可通过直流电压，电容C2通过高频脉冲信号。单片机外围的程控电路7与送丝电路8，实现了程序控制与送丝控制，在送丝机的遥控盒上就可完成所有的MAG/MIG逆变焊机的参数调节。以逆变CO₂焊机为例，遥控盒上可完成焊接(收弧)电压、焊接(收弧)电流、两步/四步、自动焊接、点动、丝径选择、检气等所有参数的遥控调节。遥控板上的电源由载波线上的直流电压分压、稳压而来，整个遥控板只有一个地，与焊接电缆正极相连。

如图4所示，为本发明的焊接电源内部主控板电路原理图。变压器输出的约30V的交流电压经二极管D3模块整流，二极管D3模块的阴极接至电容C12、C24与电感SF1，电容C12与电容C24的另一端接地。电感SF1滤波之后分别接至保险丝Fu3与电感L1，整流后的直流电经保险丝Fu3传输到载波线上。载波线上的载波信号经接收电路模块9提取出来。接收电路模块9由电感L1、电容C59、C41、电阻R52、二极管D9、D6、电容C20等元件组成。电感L1上有两个同磁芯的线圈，其中一个一端接保险丝SF1，另一端接电容C59，电容C59另一端接地。另一个一端接电阻R52、电感C41，另一端接地。电容C41的另一端也接地。电阻R52另一端接二极管D9的阳极、D6的阴极、电容C20、C36，二极管D9的阴极、D6的阳极、电容C20的另一端接地。当有载波信号时，接收电路模块9输出一系列小脉冲，反映出载波信号的变化。芯片KA567、电容C36、C37、C39、C40、C44、电阻R37、R53、可变电阻VR3等组成前级解调芯片模块10，电容C36与前级解调芯片KA567的3脚相连，电容C37与芯片KA567的2号脚相连，电容C37另一端接地。电阻R53一端接+5V电源，另一端接芯片KA567的8号脚、单片机芯片11(PIC16F876)的13脚、21脚，可变电阻VR3一端与R37相连，另一端与芯片KA567的5脚相连，电阻R37另一端接电容C44与芯片KA567的6号脚，电容C44的另一端与芯片KA567的7号脚接地。电容C39与电容C40并联，一端接地，一端接芯片KA567的1号脚。耦合电容C36和芯片KA567的内部输入电阻构成一个高通滤波器。芯片KA567的解调中心频率f₀由5脚与6脚间的电阻及6脚的接地电容决定，其中心频率的计算公式为：

f_{0} = \frac{1}{1.1 \times {RC}_{44}}

距离中心频率左右范围内仍可被芯片KA567解调的信号宽度为带宽，其宽度范围由2脚的接地电容决定，输出信号延迟时间由1脚接地电容决定。1脚的电容至少需是2脚电容值的两倍以上。3脚是输入端，最小工作电压为25mv。芯片KA567内部的积分相位检测器比较输入信号和振荡器输出信号的相对频率和相位，当芯片KA567的输入端有电压输入且频率在带宽范围内时，则这两个信号频差、相差在锁定范围内(即锁相环锁定)时8脚由高电平变为低电平。带宽的计算公式为：

BW = 1070 \sqrt{\frac{V_{i}}{f_{0} C_{37}}} \times 100 %

其中V_i为芯片KA567的3脚输入电压。前级解调模块的输出端为芯片KA567的8号脚，通过上拉电阻R53接至单片机解调芯片8的13脚与21脚，单片机12脚为输出端，通过上拉电阻R20与+5V电源相连。当13脚和21脚有信号输入时，单片机对其信号频率进行解调，12脚输出解调后的PWM信号，同时12脚具有一个上拉电阻R20，电阻R20接+5V电源。光耦TLP521、电阻R21、R22、R23、可变电阻Rw、电容C7、芯片LM324等组成数模转化电路12，将PWM信号转化为电压模拟量，进行焊机的焊接电压(收弧)电压的给定、运算，控制焊机的输出。单片机解调信号由12脚接至电阻R21，电阻R21另一端接光耦控制端的发光二极管阳极，光耦发光二极管的阴极接地。受控端阳极接电阻R22，电阻R22另一端接可变电阻Rw，可变电阻Rw另一端接+15V电源，这里的+15V电源与图3中的+15V电源不同，因此图4中不同的+15V电源用VEE表示。光耦的受控端阴极接电阻R23、电容C7的阳极、芯片LM324的同向输入端，电阻R23的另一端与电容C7的阴极接地。引弧判断电路13与空载给定电路14以单片机芯片11为核心组成外围电路，当有载波信号时，单片机芯片11判断引弧成功信号，若引弧成功信号为低电平，则引弧未成功，单片机芯片11的24脚输出高电平，控制焊机输出空载电压。当有载波信号，且引弧成功信号为高电平时，说明引弧已成功，单片机芯片11的24脚为低电平，切除空载给定信号，由单片机芯片11的12脚控制焊机输出给定的焊接电压。引弧判断电路13连接到显示电路15，进行焊接电压、焊接电流的显示。主控板中的信号解调采用了两级解调方法，前级解调模块10采用芯片KA567解调，后级解调采用单片机芯片11，第一可以大大增强抗干扰能力，第二可以简化单片机解调程序，增强可靠性。

如图5所示，为本发明的载波线剖视图。16为载波线，被包裹在最内层。17为绝缘层，将载波线与屏蔽金属网隔离绝缘。18为屏蔽金属网，实现静电屏蔽、抗电磁干扰。19为绝缘层，将屏蔽金属网与外界隔离绝缘。

传统的逆变MAG/MIG焊机参数的遥控通过一根多芯的控制电缆实现，以逆变CO₂焊机为例，逆变CO₂焊机的六芯控制电缆分别完成气阀、送丝电动机驱动、点动送丝、焊枪开关开闭、电流调节、电压调节。采用本发明后，调制后的焊接电压给定信号沿着一根载波线传输进入焊接电源内部，解调后控制焊机的输出。送丝板内利用载波线上的直流电压，可实现气阀、送丝电动机驱动、点动送丝、焊枪开关开闭、焊接电流调节等功能，将以前焊接电源内的这些功能移到了送丝机上的电路板上，因此可以取消6芯控制电缆，可以仅仅通过一根载波线就实现所有功能的调节。

Claims

1.一种基于数字载波控制MAG/MIG焊机控制系统，包括送丝板系统(1)与主控板系统(2)，送丝板系统(1)与主控板系统(2)之间通过载波线(3)相连，送丝板系统(1)中有程控电路(7)与送丝电路(8)，主控板系统(2)中有引弧判断电路(13)、空载给定电路(14)与显示电路(15)；其特征在于：送丝板系统(1)还包括电压给定模块(4)、第一单片机芯片(5)和耦合电路模块(6)，主控板系统(2)还包括接收电路模块(9)、前级解调模块(10)、第二单片机芯片(11)和数模转化电路(12)，其中电压给定模块(4)依次串接第一单片机芯片(5)和耦合电路模块(6)，第一单片机芯片(5)与程控电路(7)与送丝电路(8)双向连接，接收电路模块(9)依次串接前级解调模块(10)、第二单片机芯片(11)和数模转化电路(12)，第二单片机芯片(11)分别与引弧判断电路(13)、空载给定电路(14)双向连接，引弧判断电路(13)连接到显示电路(15)，耦合电路模块(6)通过载波线(3)相连接收电路模块(9)；

所述电压给定模块(4)由电阻R1、R2、R3、R4、R5，可变电阻R_W、R_W′，芯片LM324和CD4053组成，电阻R4一端接+15V电源，另一端接电阻R2与电阻R5一端，电阻R5另一端接地，电阻R2另一端与电阻R3及芯片LM324的同向输入端相连，电阻R3另一端接芯片LM324的输出端、芯片CD4053的15脚和第一单片机芯片(5)的输入端，可变电阻R_W一端连芯片CD4053的2号脚，另一端连电阻R1一端和可变电阻R_W′另一端，可变电阻R_W′一端连芯片CD4053的1号脚，电阻R1的另一端接至芯片LM324的反相输入端与电容C1的一端，电容C1的另一端与电阻R5另一端连接；

所述耦合电路模块(6)由三极管Q10、电阻R65、电容C22、电阻R7、三极管Q2和电容C3组成，三极管Q10的集电极接电阻R65、电容C22一端，电阻R65的另一端通过一个开关电路与送丝电机电源部分相连接，电容C22的另一端接三极管Q2的基极和电阻R7一端，三极管Q2发射极与电阻R7另一端连接接地，三极管Q2的集电极接至送丝电路(8)与电容C3一端，电容C3另一端接接收电路模块(9)；

所述接收电路模块(9)由电感L1、电容C59、C41、电阻R52、二极管D9、D6、电容C20组成，电感L1上有两个同磁芯的线圈，其中一个的一端接保险丝SF1和载波线(3)，另一端接电容C59，电容C59另一端接地，另一个的一端接电阻R52、电容C41一端，另一端与电容C41的另一端、二极管D9的阴极、D6的阳极、电容C20一端相连接地，电阻R52另一端接二极管D9的阳极、D6的阴极、电容C20另一端；

所述前级解调模块(10)由芯片KA567、电容C36、C37、C39、C40、C44、电阻R37、R53、可变电阻VR3组成，电容C36一端与芯片KA567的3脚相连，电容C36另一端与接收电路模块(9)输出端连接，电容C37一端与芯片KA567的2号脚相连，电容C37另一端接地，电阻R53一端接+5V电源，另一端接芯片KA567的8号脚、第二单片机芯片(11)的输入端，可变电阻VR3一端与电阻R37一端相连，另一端与芯片KA567的5脚和可变电阻VR3中间端相连，电阻R37另一端接电容C44一端与芯片KA567的6号脚，电容C44的另一端接地，芯片KA567的7号脚也接地，电容C39与电容C40并联，一端接地，一端接芯片KA567的1号脚。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字载波控制MAG/MIG焊机控制系统，其特征在于：所述载波线(3)被包裹在金属屏蔽网(18)内，载波线(3)与金属屏蔽网(18)之间有绝缘层(17)，金属屏蔽网(18)外面有绝缘层(19)。