CN103143812A

CN103143812A - 一种数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统

Info

Publication number: CN103143812A
Application number: CN2013100639612A
Authority: CN
Inventors: 杜长禄
Original assignee: GUANGZHOU SUNCEN WELDING EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: Guangzhou long winning chance electricity Co., Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: CN103143812B

Abstract

本发明公开了一种数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，包括设有开关器件的逆变主电路，还包括主控芯片电路、PWM控制电路和推力引弧电流电路，所述主控芯片电路发送一预设的推力引弧电流信号至推力引弧电流电路，由推力引弧电流电路触发一驱动信号驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，令所述逆变主电路输出一比预置电流值大的电流。通过本发明，不需用焊条头出力敲击工件来引弧，自动引弧，也不会出现焊条粘工件现象。而且在焊机在焊接过程中，系统自动识别焊条末端与工件的距离，进而改变输出电流，自动补偿相应的电流以达到恒流稳弧的效果。

Description

一种数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统

技术领域

本发明涉及金属焊接设备行业中的一种电焊机控制系统，尤其是一种能具有自动推力引弧功能的数字化逆变焊机。

背景技术

我国目前市场上的逆变焊机的引弧方法包括两种：第一种是敲击法引弧，通过使用焊条去敲击工件，使焊条的末端与工件短路后，再拉开引燃电弧，操作时要保持焊条和工件的距离，才能保证引弧正常；第二种是划擦法引弧，先将焊条的末端对准工件，然后通过焊条与工件表面划擦，当电弧引燃后，迅速保持焊条与工件的距离，电弧就可以稳定燃烧。以上两种方法都是普遍焊机起弧的方法，都存在缺点：敲击起弧时，要用较大的力气敲击工件，引弧效果不好；小电流难起弧，容易粘焊条，粘焊条时间过长容易损坏焊机；大电流引弧对小焊条又不合适，而且市场上的逆变弧焊机对焊工的操作要求高，焊工需要根据焊材的特性和工艺要求调整各种焊接参数，而调整的途径则是听声音、看现象、看效果，焊接效果的好坏全凭操作工的焊接水平。如果焊工操作不好，拉高了焊条，容易引起断弧，要重新引弧，降低焊接效率，费时费电。

市场上的逆变焊机普遍存在起弧困难，引弧不方便，焊接过程对焊工的技术要求高，同时相对的焊接效率低的问题。

发明内容

本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种数字化逆变焊机自动推力引弧系统，该系统具有数字化控制技术，能够实时控制焊机工作的电流、电压等参数，有效的减少对焊接技术的依赖，让焊接在更多环境下顺利进行，节省人工、电力、用料成本。

为了达到上述目的，采用如下技术方案：

一种数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，包括设有开关器件的逆变主电路，还包括主控芯片电路、PWM控制电路和推力引弧电流电路，所述主控芯片电路发送一预设的推力引弧电流信号至推力引弧电流电路，由推力引弧电流电路触发一驱动信号驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，令所述逆变主电路输出一大于或等于预置电流值的电流。

进一步地，所述主控芯片电路包括单片机，所述单片机输出预设的推力引弧电流信号至推力引弧电流电路控制其触发一驱动信号驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，所述单片机还输出控制PWM控制电路控制开关器件导通或关闭的控制信号。

进一步地，所述PWM控制电路主要由控制芯片和偏置模块组成，所述偏置模块接收单片机的控制信号，控制控制芯片输出或关闭控制逆变主电路的开关器件的电压信号；所述偏置模块包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管发射极接地，其基极接收单片机的控制信号，集电极通过第五电阻与第二三极管的基极连接；所述第二三极管的基极通过第六电阻与发射极连接，其集电极连接至控制芯片的输入脚。

进一步地，所述推力引弧电流电路包括电压反向单元和脉冲信号单元，所述电压反向单元输出负极性电压信号至脉冲信号单元，所述脉冲信号单元将所述负极性电压信号转化为驱动信号，进而驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，令所述逆变主电路输出一大于或等于预置电流值的电流。

进一步地，所述电压反向单元包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的正输入极接收主控芯片电路的预设的推力引弧电流信号，负输入极连接至其输出极；所述第二运算放大器的负输入极通过第一电阻和第二电阻连接至第一运算放大器的输出极、并通过第三电阻连接至其输出极，正输入极接地；所述第一运算放大器输出端的电压与第二运算放大器输出端的电压形成1：1的反向极性。

进一步地，所述脉冲信号单元包括第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器为跟随器，其负输入极连接至其输出极；所述第四运算放大器的负输入极连接至第三运算放大器的输出极，并通过第四电阻连接至其输出极，其正输入极接地，输出极连接至PWM控制电路。

进一步地，所述推力引弧电流电路还包括主要由霍尔传感器和第五运算放大器组成的反馈电压单元，所述焊机输出电流通过霍尔传感器反馈至第五运算放大器的反馈电压信号与第三运算放大器输出端的负极性电压信号进行积分运算后，通过第四运算放大器再次积分后控制PWM控制电路的输出，进而控制逆变主电路输出恒定电流。

进一步地，所述推力引弧电流电路还包括主要由第六运算放大器U201A组成的焊接电流显示输入信号单元，其正输入极与霍尔传感器连接，负输入极连接至其输出极，输出极通过端口weldcur连接至主控芯片电路，为LED显示提供输入信号。

进一步地，所述逆变主电路输出的比预置电流值大的电流的时间为0.1-1秒。

进一步地，所述逆变主电路输出的比预置电流值大20％-30%的电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用了先进的微处理器软件控制技术，具有自动推力引弧功能，引弧快捷准确，电弧稳定集中，熔深穿透力强，焊接速度快，焊道成形好，飞溅少，保证在各种环境下安全高效使用。本发明在初始起弧时焊条接触到工件在0.3秒内便会自动引弧，起弧迅速简单，不需用焊条头出力敲击工件来引弧。而且小电流起弧亦不会出现焊条粘工件现象。

应用本系统的焊机在焊接过程中，所有的反馈信号交由主控芯片处理，并自动输出匹配的焊接参数，极大的提高焊机的智能化程度，降低了焊机对焊工的操作要求，焊工只需提前预置一个焊接电流，就可以很好的操作焊接。当焊条末端与工件的距离变大或者变小时，焊机的电流会自动增大或减少输出电流，自动补偿相应的电流以达到恒流稳弧的效果。焊道位置变化、弧距变化、电流变化时，芯片技术自动控制，给予自动匹配弥补相应的推力电流，以满足最佳焊接效果。

附图说明

图1是本发明所述数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统的结构示意图；

图2是本发明所述系统的主控芯片电路的结构图；

图3是本发明所述系统的电压反向单元的电路结构图；

图4是本发明所述系统的脉冲信号单元的电路结构图；

图5是本发明所述系统的PWM控制电路的电路结构图；

图6是本发明所述系统的焊条接触工件的瞬间电流的变化示意图；

图7是第四运算放大器Ua与Ub运算后波形输出示意图；

图示：1逆变主电路；2-主控芯片电路；3推力引弧电流电路；4-PWM控制电路。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参阅图1，其为本实施所述一种数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，包括设有开关器件的逆变主电路1，还包括主控芯片电路2、PWM控制电路4和推力引弧电流电路3。

所述主控芯片电路2发送一预设的推力引弧电流信号至推力引弧电流电路3，由推力引弧电流电路3触发一驱动信号驱动PWM控制电路4控制逆变主电路1的开关器件的导通时间，从而促使逆变主电路1输出一大于或等于预置电流值的电流。通过主控芯片电路2设定推力引弧电流信号的大小，可以最终使逆变主电流1输出大于预置电流值的电流，提高焊条接触工具的瞬间电流，方便引弧。通过主控芯片电路2、推力引弧电流电路3和PWM控制电路4可以在焊机正常工作时，形成与预置电流匹配的焊接电流。

请参阅图2，所述主控芯片电路包括单片机，其型号为PIC16F877A-I/PT。PIC16F87系列单片机构成，是microchip生产的中级产品，具有FLASH存储器的8位COMS单片机，PIC16F87系列单片机采用高性能的哈佛结构的CPU和RISC指令集，CPU通过不同的总线访问存储器的指令和数据，提高了CPU的工作速度和效率，比传统的程序与数据共用的存储体和总线的冯诺依曼结构改善了带宽。I/O端口驱动带负载能力较强，每个输出端口可以驱动达到25mA的负载，可以高电平直接驱动发光二极管、光电耦合器、小型继电器，也可以低电平直接驱动，大大简化了控制电路。在单片机中提取输入各种参数、参数的匹配公式等资料。通过单片机的管脚RC2发送一推力引弧电流信号至推力引弧电流电路的setweldcur端口。控制其触发一驱动信号驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，所述单片机还输出控制PWM控制电路控制开关器件导通或关闭的控制信号。

所述推力引弧电流电路3包括电压反向单元和脉冲信号单元。

请参阅图3，所述电压反向单元输出负极性电压信号至脉冲信号单元。所述电压反向单元包括第一运算放大器U202A和第二运算放大器U202B，所述第一运算放大器U202A的正输入极接收主控芯片电路的预设的推力引弧电流信号，负输入极连接至其输出极；所述第二运算放大器U202B的负输入极通过第一电阻R223和第二电阻R219连接至第一运算放大器U202A的输出极、并通过第三电阻R220连接至其输出极，正输入极接地。

请参阅图4，所述脉冲信号单元将所述负极性电压信号转化为驱动信号。所述脉冲信号单元包括第三运算放大器U201B和第四运算放大器U201C，所述第三运算放大器U201B的负输入极连接至其输出极；所述第四运算放大器U201C的负输入极连接至第三运算放大器U201B的输出极，并通过第四电阻R216连接至其输出极，其正输入极接地，输出极连接至PWM控制电路。进而驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，令所述逆变主电路输出一比预置电流值大的电流。

进一步地，所述推力引弧电流电路还包括主要由霍尔传感器和第五运算放大器U201D组成的反馈电压单元，所述焊机输出电流通过霍尔传感器反馈至第五运算放大器U201D的反馈电压信号与第三运算放大器U201B输出端的负极性电压信号进行积分运算后，通过第四运算放大器U201C再次积分后控制PWM控制电路的输出，进而控制逆变主电路输出恒定电流。

在焊机待机过程中，并不需要反馈电压单元也可以实现推力引弧功能。通过单片机直接计算待机中输出端的反馈电压可取代反馈电压单元，同样可以实现推力引弧功能。在焊接过程中，需要反馈电压单元反馈焊机实时输出电流，进而调整焊机的输出电流，保持输出电流的恒定。

所述PWM控制电路4主要由控制芯片和偏置模块组成，所述偏置模块接收单片机PIC16F877A-I/PT的控制信号，控制控制芯片输出或关闭进而控制逆变主电路的开关器件的电压信号。所述偏置模块包括第一三极管Q104和第二三极管Q103，所述第一三极管Q104发射极接地，其基极通过PwrPWM端口接收单片机的控制信号，集电极通过第五电阻R115与第二三极管Q103的基极连接；所述第二三极管Q103的基极通过第六电阻R114与发射极连接，其集电极连接至控制芯片的输入脚。当PwrPWM端口为高电平时，偏置模块断开，控制芯片UC3846断开，其AOUT和BOUT输出脚就不可以正常输出PWM信号驱动IGBT正常工作。当PwrPWM为低电平时，偏置模块导通，控制芯片UC3846供电正常，其AOUT和BOUT输出脚就可以正常输出PWM信号驱动IGBT正常工作。

当焊机在待机时，单片机的PIC16F877A-I/PT通过程序设定提前给RC2脚SetWeldCur一个推力引弧电流信号至图2中的SetWeldCur端口。正常焊接时，霍尔传感器输出电压信号和焊接电流的比例为1:100，根据预置电流20—400A，对应的霍尔传感器返回的电压信号为0.2V—4V。SetWeldCur的信号可以通过程序设置比霍尔传感器传回来的信号大一点，可以设置为0.3—5V。图4中SetWeldCur信号经过第一运算放大器U202A和第二运算放大器U202B后为1:1的比例反向为负极性的电压信号，即U202A的输出电压和U202B的输出电压为反向电压，并通过端口S-2跟随到图3中第三运算放大器U201C的正输入极。设置比例为1:1是不改变单片机的SetWeldCur信号的大小，只是经过运算放大器U202B后，极性相反，与第五运算放大器U201D的输出信号的极性刚好相反。即Ua，Ub的极性相反，Ui的信号是Ua和Ub的信号叠加，Ui的信号就是要Ua和Ub的误差信号来调节Uo的信号。这样设计的作用是第一运算放大器U2O2A的作用是电压跟随，降低输出阻抗提高负载能力，第二运算放大器U202B的作用就是使SetWeldCur信号反相，第二运算放大器U201B起到隔离作用和增加对后级电路的驱动能力。其对前级电路呈现高阻态，对后级电路呈现低阻态。此时由于待机，霍尔传感器反馈的信号为0。SetWeldCur的信号通过第四运算放大器U201C的积分运算，由公式U₀=-∫U₁dt运算后的信号是一个脉宽较大的脉冲信号。该脉冲信号通过端口S-1连接到图5的PWM控制电路的控制芯片UC3846的ERR+脚，驱动控制芯片UC3846，使得控制芯片UC3846输出两路脉宽较大的驱动信号去驱动逆变主电路的开关器件IGBT，通过增加IGBT的导通时间，在焊接之前给焊机一个比预置电流值大的电流信号。当预置电流为100A时，焊条接触工件的瞬间电流的变化是如图6所示。从图6中可以看出当预置电流为100A时，焊机的控制芯片给焊机的输出起弧电流会比100A大20%到30%，这样当焊条接触工件的一瞬间就有一个持续0.1-1S的比预置电流值大的推力起弧电流通过焊条，只要轻轻一碰工件，焊条就能轻松引燃。焊条引燃后，控制芯片就自动切断焊机的推力引弧电流，焊机转入正常的焊机状态。

进一步地，为了焊接正常运行，且出于稳定性和节能的考虑，所述逆变主电路输出的比预置电流值大20%—30%的电流。这个瞬间电流可以令焊条在不大力敲击工件表面也能快速有效地启动。根据焦耳定律可以知道，当电流和电阻越大时，焊条与工件轻触时产生的热量就越大，焊条就越容易起弧。在焊机设计时，当焊接电流达到最大时，焊机开关器件的IGBT只用到70%-80%，留有20%-30%的余量。设置起弧电流比焊接电流大20%到30%，就差不多刚好用到开关器件IGBT的最大功率，由于起弧电流的持续时间小于1秒，不会使开关器件IGBT超负荷运行，同时也可以降低设计开发的成本。

当焊机正常焊接时，由图1所示的单片机PIC16F877A-I/PT的RC2脚输出一个预置电流的电压信号经反向后得到图4的Ua点的电压值，焊接电流通过霍尔传感器反馈回来的电压信号为Ub。第四运算放大器U201C的反向输入端的输入信号Ui=Ua+Ub,积分运算的输出电压U_o=K+∫U_idt，K为比例系数。所以在焊接过程中，当实际焊接电流小于预置电流时，即Ub<Ua时，Ui的电压下降，Uo的输出脉宽会变宽。由于控制芯片UC3846的ERR+脚输入脉宽增大，控制芯片UC3846的输出驱动信号的脉宽同时增大，促使焊机的输出电流增大，这样就能与预置电流匹配。当输出电流大于预置电流时，Ub>Ub，Ui的电压上升，Uo的输出脉宽会变窄。由于控制芯片UC3846的ERR+脚输入脉宽变窄，控制芯片UC3846的输出驱动信号的脉宽同时变窄，促使焊机的输出电流减少，这样就能与预置电流匹配。当Ub=Ua时是最理想的状态，此时预置的电流和输出电流一致，电流恒定。三者信号的变化如图7所示，焊接反馈信号的变化先后顺序是Ub<Ua、Ub=Ua、Ub>Ua、Ub=Ua如此循环，最后处于一种动态平衡状态。这样焊机的输出电流就可以自动恒流。本系统自动调节电弧稳定集中，熔深穿透力强，焊接速度快，焊道成形好，飞溅少。

由于控制芯片UC3846承受的输入正电压不能超过5V，输入负电压不能太大。而第四运算放大器U201C的输出电压最大为14V，超过了控制芯片UC3846的5脚承受能力，通过电阻R213和R222组成分压电路可以满足端口S-1的输入要求。再通过二极管D201的作用，可以将第四运算放大器U201C的输出的有正负电压的波形维持在-0.2V到4V之间，符合电路设计的要求。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，包括设有开关器件的逆变主电路，其特征在于：还包括主控芯片电路、PWM控制电路和推力引弧电流电路，所述主控芯片电路发送一预设的推力引弧电流信号至推力引弧电流电路，由推力引弧电流电路触发一驱动信号驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，令所述逆变主电路输出一大于或等于预置电流值的电流。

2.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述主控芯片电路包括单片机，所述单片机输出预设的推力引弧电流信号至推力引弧电流电路控制其触发一驱动信号驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，所述单片机还输出控制PWM控制电路控制开关器件导通或关闭的控制信号。

3.根据权利要求2所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述PWM控制电路主要由控制芯片和偏置模块组成，所述偏置模块接收单片机的控制信号，控制控制芯片输出或关闭控制逆变主电路的开关器件的电压信号；所述偏置模块包括第一三极管和第二三极管，所述第一三极管发射极接地，其基极接收单片机的控制信号，集电极通过第五电阻与第二三极管的基极连接；所述第二三极管的基极通过第六电阻与发射极连接，其集电极连接至控制芯片的输入脚。

4.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：

所述推力引弧电流电路包括电压反向单元和脉冲信号单元，所述电压反向单元输出负极性电压信号至脉冲信号单元，所述脉冲信号单元将所述负极性电压信号转化为驱动信号，进而驱动PWM控制电路控制逆变主电路的开关器件的导通时间，令所述逆变主电路输出一大于或等于预置电流值的电流。

5.根据权利要求4所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述电压反向单元包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述第一运算放大器的正输入极接收主控芯片电路的预设的推力引弧电流信号，负输入极连接至其输出极；所述第二运算放大器的负输入极通过第一电阻和第二电阻连接至第一运算放大器的输出极、并通过第三电阻连接至其输出极，正输入极接地；所述第一运算放大器输出端的电压与第二运算放大器输出端的电压形成1：1的反向极性。

6.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述脉冲信号单元包括第三运算放大器和第四运算放大器，所述第三运算放大器为跟随器，其负输入极连接至其输出极；所述第四运算放大器的负输入极连接至第三运算放大器的输出极，并通过第四电阻连接至其输出极，其正输入极接地，输出极连接至PWM控制电路。

7.根据权利要求6所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述推力引弧电流电路还包括主要由霍尔传感器和第五运算放大器组成的反馈电压单元，所述焊机输出电流通过霍尔传感器反馈至第五运算放大器的反馈电压信号与第三运算放大器输出端的负极性电压信号进行积分运算后，通过第四运算放大器再次积分后控制PWM控制电路的输出，进而控制逆变主电路输出恒定电流。

8.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述推力引弧电流电路还包括主要由第六运算放大器U201A组成的焊接电流显示输入信号单元，其正输入极与霍尔传感器连接，负输入极连接至其输出极，输出极通过端口weldcur连接至主控芯片电路，为LED显示提供输入信号。

9.根据权利要求1所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述逆变主电路输出的比预置电流值大的电流的时间为0.1—1秒。

10.根据权利要求9所述的数字化逆变弧焊机自动推力引弧系统，其特征在于：所述逆变主电路输出的比预置电流值大20%—30%的电流。