CN105345226B - 一种焊条自动焊接系统及自动焊接方法 - Google Patents

一种焊条自动焊接系统及自动焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种焊条自动焊接系统及自动焊接方法，包括焊接电源、焊条、工件，还包括人机交互界面，用于设置参数、显示数据；电弧信息采集系统，用于实时采集所述焊条与工件之间焊接电压和焊接电流的数据；运动执行机构，根据所述电弧信息采集系统采集的信息，带动焊条移动，根据特定控制策略实时调节速度，从而实现对电弧电压的调节；焊接电源控制模块，根据所述电弧信息采集系统实时采集的信息，接通或者切断焊接电源；本发明装夹简单、无需定时调整、加工合理、焊接过程电弧电压波动范围小、能够自动引弧、调节焊条倾斜角度、自动调节焊条输送速度、焊接完成自动切断电源。

Description

一种焊条自动焊接系统及自动焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种焊条自动焊接系统及自动焊接方法。
背景技术
焊条电弧焊是一种通过焊工手持焊钳，夹持焊条施焊的传统焊接方法。该方法具有设备简单，操作灵活，应用广泛等优点。但由于该方法焊接质量受焊工操作水平影响较大，普通焊工操作时，焊缝质量稳定性差。
在焊接材料和焊接设备的开发过程中，经常需要对所开发的产品进行测试，这类测试需要严格保证测试过程中各个相关因素的稳定性，其中便包含焊工的手法。焊工手法主要涉及焊条的倾角、焊接行走速度和焊接过程中的送条速度等。前两种因素易于实现自动化控制，焊条自动化焊接的难点就在于在焊接过程中以合适的速度输送焊条。
目前，与现有的平特性焊接电源匹配的等速送丝技术较为成熟，易于实现自动化焊接，但是焊条电弧焊是下降特性电源，与其匹配的是变速送丝。大电流的粗丝埋弧焊能够实现自动变速送丝，而小电流的焊条电弧焊自动焊接设备鲜有文献报道。伊利诺斯器械工程公司的发明专利（CN 03146445.9）“回拉和进送焊条的方法和设备”实际上是介绍的一种焊丝送丝控制方法，而非传统意义上的焊条；倪雪峰的发明专利（CN 93112593.6）“连续电焊条”介绍了一种以提供工作效率为目的的连续焊条输送装置，焊接过程送丝速度不受弧压影响，速度恒定；昆山华恒工程技术中心有限公司的专利（CN 200710019267.5）“弧长自动控制装置”介绍了一种氩弧焊弧长自动控制装置，电极移动速度受电压影响，但由于电极是非熔化极，与熔化极焊条电弧焊有本质区别。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，提供一种组成合理，装夹简单，运行稳定，操作简便，无需定时调整，能够实现焊条自动化焊接，减少人为因素对焊条电弧焊焊接质量影响的焊条自动焊接系统及自动焊接方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种焊条自动焊接系统，其包括焊接电源、焊条、工件、人机交互界面、电弧信息采集系统、运动执行机构、焊接电源控制模块和PLC控制器，其特征在于：所述焊接电源连接焊条和焊接电源控制模块，所述人机交互界面连接PLC控制器，用于接受使用者操作指令并显示系统运行状态；所述电弧信息采集系统连接焊条、工件和PLC控制器，实时采集电弧电压，并对采集到的电压信号进行处理，传送到PLC控制器；所述运动执行机构，根据所述电弧信息采集系统采集的信息，在PLC控制器控制下，带动焊条移动，实时调节速度；所述焊接电源控制模块根据所述电弧信息采集系统实时采集的信息，在PLC控制器的控制下，接通或者切断焊接电源；所述PLC控制器包括自动引弧模块、焊条输送计算模块、恒压控制模块，用于实时接收人机交互界面、电弧信息采集系统提供的数据，经数据处理后、将数据发送到人机交互界面，并实现对运动执行机构、焊接电源控制模块的控制。
进一步，所述运动执行机构包括步进电机和机械滑台，所述步进电机连接机械滑台，为机械滑台的移动提供动力，PLC控制器与步进电机相连，控制步进电机的转动；所述机械滑台上固定焊条，带动焊条做相应的位移。
进一步，所述焊接电源控制模块连接工件和焊接电源，根据PLC控制器的控制指令，实现对焊接回路的通断控制。
进一步，所述人机交互界面包括文本控制器、按钮。
进一步，所述电弧信息采集系统包括电压分压装置、电压传感器、电流传感器。
本发明上述焊条自动焊接系统的自动焊接方法，其包括以下步骤：
（1）将焊条安装在运动执行机构上，根据需要使焊条与工件竖直方向成一定角度的夹角，启动焊接电源；
（2）通过人机交互界面设置焊条起始送条速度 V1、平均电弧电压Us、焊条倾角α以及焊条有效燃烧长度L，将焊条下端移到接近工件的位置；结合焊条起始送条速度V1，得出在竖直方向的起始送条速度V2，V2=V1*cosα；
（3）通过人机交互界面启动焊接过程；焊接电源控制模块中继电器吸合，回路导通，焊条带电；运动执行机构带动焊条以PLC控制器默认的较低的速度V0向下移动，电弧信息采集系统实时采集焊条与工件间的电弧电压U，当PLC控制器检测到引弧成功信号后，运动执行机构先以设定好的竖直方向的起始送条速度V2运送焊条；
（4）引弧成功后，PLC控制器开始计算焊条实际向下移动的距离H2；
（5）焊接过程中，PLC控制器实时采集电弧电压U，并依据相应的控制规则，通过实时调节步进电机的转速的方式，调整竖直方向焊条移动速度V2；
（6）当需要停止焊接过程时，PLC控制器根据控制需要，中断焊接过程。自动焊接过程停止过程主要包括通过焊接电源控制模块切断焊接电源，使焊机处于待机状态，运动执行机构停止动作。
进一步，步骤（3）中PLC控制器根据如下规则判定引弧是否成功：当U1<U<U2，且该状态持续达到时间T，可以判定起弧成功；其中，U1为PLC控制器默认正常燃弧时最小的电弧电压，U2为PLC控制器默认正常燃弧时最大的电弧电压，时间T为判定引弧成功的时间变量。
进一步，步骤（4）中H2计算方法是：步进电机每接受一个驱动脉冲，移动一步，步长与步进电机的细分数以及运动机构的螺距等参数有关，一旦该参数确定下来，步长恒定，记为δ，PLC控制器统计发出脉冲的个数n，从而计算实时的移动距离H2=n*δ,焊条燃烧长度即为H2/cosα。
进一步，步骤（5）中PLC控制器开始根据采集到的弧压，以保证弧压接近期望的平均电弧电压Us为目的调节V2的值，若弧压高于设定值，增加送条速度，反之，减少速度；将实时电弧电压U与期望的平均电弧电压Us差值分为几个段：|U-Us|≤0.5V 这种状态下不做调整；|U-Us|≤1.5V 这种状态下，每一个扫描周期增加或减少V2的值；|U-Us|＞1.5V这种状态下，直接将V2的值调整为PLC控制器默认的最大移动速度Vmax或者PLC控制器默认的最小移动速度Vmin。
进一步，步骤（6）中当焊接过程出现以下三种情况，停止自动焊接过程：第一、通过运算得出在竖直方向需要移动的距离H1，H1=L*cosα；焊条实际向下移动距离H2与竖直方向需要移动的距离H1相等时，焊条已经顺利燃烧完期望的长度，自动焊接过程停止；第二、在焊接过程中，电弧电压U低于U1且持续1秒，表明焊条粘到工件上，自动焊接过程停止；第三、在其他意外情况时，关闭控制开关，结束自动焊接过程。结束自动焊接过程主要包括通过焊接电源控制模块切断焊接电源与工件之间的连接，使焊机处于待机状态，运动执行机构停止动作。
本发明焊条自动焊接系统及其自动焊接方法的优点是：
（1）焊条自动焊接系统及其自动焊接方法，设置焊条倾角，焊条引弧过程自动完成，焊接过程中，电弧电压范围可以预置，设置焊条有效燃烧长度，焊接完成后自动切断焊接电源。设备简单，运行稳定，基本满足焊条工艺实验要求，能够实现焊条自动化焊接，有助于对焊条焊接工艺分析测试工作的开展。
（2）焊条自动焊接系统及其自动焊接方法，自动引弧模块实现自动引燃焊条，能够模拟焊工操作特点，高效迅速地引燃电弧。通过焊条输送计算模块计算燃烧的焊条长度，可以及时准确的关断焊接过程，保证设备安全。恒压控制模块可实现稳定的电弧电压，以送条速度为调节变量，模拟成熟焊工的操作特点，实现焊接过程恒压控制。
（3）焊条自动焊接系统及其自动焊接方法，焊接过程开始阶段有引弧成功判断功能，当采集的电弧电压介于一定范围之内时，判定为引弧成功。焊接过程中，送条速度受焊接电压影响且焊接电压可以预置，检测到焊接电压高于预置值时，增加送条速度加速，低于预置值时则减小送条速度。焊条有效燃烧长度可以预置，当达到预置长度时，PLC控制器自动停止焊接过程。
本发明根据电弧电压实时调整送条速度，通过设计运条装置，构建控制系统，实现自动引燃电弧，并根据预置焊条燃烧长度和焊条倾斜角度等信息，计算实时焊条燃烧长度，及时切断焊接过程。提供一种装夹简单、无需定时调整、加工合理、焊接过程电弧电压波动范围小、能够自动引弧、调节焊条倾斜角度、自动调节焊条输送速度、焊接完成自动切断电源的焊条自动焊接系统及自动焊接方法。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1 是本发明焊条自动焊接系统的组成示意图。
图2 为PLC控制器功能模块图。
图3为人机交互界面示意图。
图4为电弧信息采集系统示意图。
图中的标号是：1.焊接电源，2.焊条，3.工件，4.人机交互界面，5.电弧信息采集系统，6.运动执行机构，7.焊接电源控制模块，8.PLC控制器，61.步进电机，62.机械滑台。41.文本控制器，42.上升按钮Kup，43.下降按钮Kdn，44.控制开关Kw。51.电压分压装置，52.电压传感器，53.电流传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种焊条自动焊接系统，包括焊接电源1、焊条2、工件3，还包括人机交互界面4，用于设置参数、显示数据，设置起始送条速度 V1、平均电弧电压Us、焊条2倾角α以及焊条2有效燃烧长度L；显示实时的送条速度V、实时的电弧电压U、燃弧状态以及平均电压等信息，控制焊接过程的启停；电弧信息采集系统5，用于实时采集所述焊条2与工件3之间焊接电压和焊接电流的数据，将实际的焊接电流与焊接电压，按照相应的比例，转成0-10V信号，用于控制；运动执行机构6，根据所述电弧信息采集系统5采集的信息，在PLC控制器8下，带动焊条2移动，实时调节速度；焊接电源控制模块7，根据所述电弧信息采集系统5实时采集的信息，接通或者切断焊接电源1，操作开始前，先手动闭合焊接电源1供电电源，焊接电源1处于空载状态，焊接电源控制模块7将焊接回路切断；当PLC控制器8发出指令开始焊接时，内置于焊接电源控制模块7的接触器吸合，焊接回路导通，开始焊接；当焊接操作完成或因故终止时，PLC控制器8发出停止焊接指令，焊接电源控制模块7迅速将焊接回路切断，再次回到空载状态。
PLC控制器8包括自动引弧模块、焊条输送计算模块、恒压控制模块，用于实时接收人机交互界面4、电弧信息采集系统5提供的数据，经数据处理后、将数据发送到人机交互界面4，并实现对运动执行机构6、焊接电源控制模块7的控制。如图2所示。
在焊接过程起始阶段，PLC控制器8控制运动执行机构6使其以相对较低的速度，带动焊条2接近工件3，当焊条2端部与工件3接触后，由于短路，电流迅速上升，引燃电弧。电弧稳定燃烧时，焊接电流和焊接电压等参数达到一定值，PLC控制器8依据该数值，判定引弧成功，将送条速度切换到预制值。传统方式采用碳块接触起弧方式，该方式引弧成功率低，燃弧后，由于没有合理控制送条速度，易于再次熄弧。采用本发明的引弧方式自动引燃焊条2，能够模拟焊工操作特点，高效迅速地引燃电弧。
在焊接过程中，PLC控制器8自动计算消耗焊条2的长度，在自动焊接进行前，操作者将焊条2长度和焊条2倾斜角度输入控制系统，PLC控制器8根据引弧成功后带到焊条2移动的距离，确定此刻消耗的焊条2长度，并利用该信息，及时关断焊接过程。传统的自动焊接设备一般采用自动输送焊丝的方式，由于安装在丝盘内的焊丝数量较多，能够连续焊接若干小时，但对于焊条2自动焊接，由于焊条2燃烧时间在60秒左右，若不能及时关断焊接过程，设备容易损坏。通过计算燃烧的焊条2长度，可以及时准确的关断焊接过程，保证设备安全。
在PLC控制器8控制下，焊接过程的电压变化在±0.5V以内，基本保持不变。在PLC控制器8中，实时监测焊接电压，并与预制的焊接电压进行比较，若实时焊接电压较高，加速输送焊条2，以减少弧长的方式降低电弧电压，实现调节；同理，若实时电弧电压偏低，则需降低送条速度。
所述焊接电源1连接焊条2和焊接电源控制模块7。
所述人机交互界面4包括文本控制器41、上升按钮Kup42、下降按钮Kdn43和控制开关Kw44，如图3所示。
所述电弧信息采集系统5包括电压分压装置51、电压传感器52、电流传感器53。如图4所示，电压分压装置5与电压传感器52相连，将电弧电压转换成0-10V电压信号，传输到PLC控制器8，用于采集焊接电压；电流传感器53将电流信号转化成0-10V信号，传输到PLC控制器8，用于采集并显示焊接电流。
所述电弧信息采集系统5连接焊条2、工件3。
所述运动执行机构6包括步进电机61、机械滑台62，所述PLC控制器连接步进电机61，步进电机61带动机械滑台62工作。
所述焊接电源控制模块7连接工件3、焊接电源1。
所述PLC控制器8连接电弧信息采集系统5、焊接电源控制模块7。
本发明所述焊条自动焊接系统的自动焊接方法，其自动焊接过程包含以下步骤：
（1）首先检测控制开关Kw44状态，若处于非焊接状态，则允许上升按钮Kup42，下降按钮Kd,43工作。然后安装焊条2，根据需要使焊条2与工件3竖直方向成一定角度的夹角，启动焊接电源1。
（2）设置焊条2起始送条速度 V1、平均电弧电压Us、焊条2倾角α以及焊条2有效燃烧长度L，通过运算得出在竖直方向需要移动的距离H1，H1=L*cosα；结合焊条2起始送条速度V1，得出在竖直方向的起始送条速度V2，V2=V1*cosα；利用上升按钮Kup42，下降按钮Kdn43，将焊条2端部移到接近工件3的位置。
（3）通过控制开关Kw44，启动焊接过程；焊接电源控制模块7中继电器吸合，回路导通，焊条2带电；运动执行机构6带动焊条2以较低的速度V0向下移动；通过电弧信息采集系统5中的电压传感器Tv52实时采集焊条2与工件3间的电弧电压U，当U1<U<U2，且该状态持续达到时间T，可以判定起弧成功；其中，U1为PLC控制器8默认正常燃弧时最小的电弧电压，U2为PLC控制器8默认正常燃弧时最大的电弧电压，时间T为判定引弧成功的时间变量。
（4）从引弧成功开始，PLC控制器8开始计算焊条2实际向下移动的距离H2；在本实施例中，步长δ为0.05mm，H2=n*0.05mm。
（5）当检测到引弧成功信号后，焊条2以竖直方向的起始送条速度V2的速度向下移动时，调整焊条2移动速度是通过改变步进电机61的转速来实现的。PLC控制器8开始根据采集到的弧压，以保证弧压接近期望的平均电弧电压Us为目的调节V2的值，若弧压高于设定值，增加送条速度，反之，减少速度；将实时电弧电压U与期望的平均电弧电压Us差值分为几个段：
|U-Us|≤0.5V 这种状态下不做调整；
0.5V ≤|U-Us|≤1.5V 这种状态下，每一个扫描周期增加或减少V2的值，变动的幅度为0.1 *V2；
|U-Us|＞1.5V这种状态下，直接将V2的值调整为PLC控制器8默认的最大移动速度Vmax或者PLC控制器8默认的最小移动速度Vmin。
（6）当焊接过程出现以下三种情况，自动焊接过程停止：第一、焊条2实际向下移动距离H2与竖直方向需要移动的距离H1相等时，焊条2已经顺利燃烧完期望的长度，自动焊接过程停止；第二、在焊接过程中，电弧电压U很低且持续1秒，表明焊条2粘到工件3上，自动焊接过程停止；第三、在其他意外情况时，关闭控制开关Kw44，自动焊接过程停止。自动焊接过程停止过程主要包括切断焊接电源1，使焊接电源1处于待机状态，运动执行机构停止动作。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，做出的变化、改变、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种焊条自动焊接系统，其包括焊接电源、焊条、工件、人机交互界面、电弧信息采集系统、运动执行机构、焊接电源控制模块和PLC控制器，其特征在于：所述焊接电源连接焊条和焊接电源控制模块，所述人机交互界面连接PLC控制器，用于接受使用者操作指令并显示系统运行状态；所述电弧信息采集系统连接焊条、工件和PLC控制器，实时采集电弧电压，并对采集到的电压信号进行处理，传送到PLC控制器；所述运动执行机构，根据所述电弧信息采集系统采集的信息，在PLC控制器控制下，带动焊条移动，实时调节速度；所述焊接电源控制模块根据所述电弧信息采集系统实时采集的信息，在PLC控制器的控制下，接通或者切断焊接电源；所述PLC控制器包括自动引弧模块、焊条输送计算模块、恒压控制模块，用于实时接收人机交互界面、电弧信息采集系统提供的数据，经数据处理后、将数据发送到人机交互界面，并实现对运动执行机构、焊接电源控制模块的控制；所述运动执行机构包括步进电机和机械滑台，所述步进电机连接机械滑台，PLC控制器与步进电机相连，控制步进电机的转动；所述机械滑台上固定焊条，带动焊条做相应的位移；所述焊接电源控制模块连接工件和焊接电源，根据PLC控制器的控制指令，实现对焊接回路的通断控制；所述人机交互界面包括文本控制器、按钮；所述电弧信息采集系统包括电压分压装置、电压传感器、电流传感器。
2.一种权利要求1所述焊条自动焊接系统的焊条自动焊接方法，其特征在于：其包括以下步骤：
（1）将焊条安装在运动执行机构上，根据需要使焊条与工件竖直方向成一定角度的夹角，启动焊接电源；
（2）通过人机交互界面设置焊条起始送条速度 V1、平均电弧电压Us、焊条倾角α以及焊条有效燃烧长度L，将焊条下端移到接近工件的位置；结合焊条起始送条速度V1，得出在竖直方向的起始送条速度V2，V2=V1*cosα；
（3）通过人机交互界面启动焊接过程；焊接电源控制模块中继电器吸合，回路导通，焊条带电；运动执行机构带动焊条以PLC控制器默认的较低的速度V0向下移动，电弧信息采集系统实时采集焊条与工件间的电弧电压U，当PLC控制器检测到引弧成功信号后，运动执行机构先以设定好的竖直方向的起始送条速度V2运送焊条；
（4）引弧成功后，PLC控制器开始计算焊条实际向下移动的距离H2；
（5）焊接过程中，PLC控制器实时采集电弧电压U，并依据相应的控制规则，通过实时调节步进电机的转速的方式，调整竖直方向焊条移动速度V2；
（6）当需要停止焊接过程时，PLC控制器根据控制需要，中断焊接过程。
3.根据权利要求2所述焊条自动焊接方法，其特征在于：步骤（3）中PLC控制器根据如下规则判定引弧是否成功：当U1<U<U2，且该状态持续达到时间T，可以判定起弧成功；其中，U1为PLC控制器默认正常燃弧时最小的电弧电压，U2为PLC控制器默认正常燃弧时最大的电弧电压，时间T为判定引弧成功的时间变量。
4.根据权利要求2所述焊条自动焊接方法，其特征在于：步骤（4）中H2计算方法是：步进电机每接受一个驱动脉冲，移动一步，步长与包括步进电机的细分数以及运动机构的螺距在内的参数有关，一旦该参数确定下来，步长恒定，记为δ，PLC控制器统计发出脉冲的个数n，从而计算实时的移动距离H2=n*δ，焊条燃烧长度即为H2/cosα。
5.根据权利要求2所述焊条自动焊接方法，其特征在于：步骤（5）中PLC控制器开始根据采集到的弧压，以保证弧压接近期望的平均电弧电压Us为目的调节V2的值，若弧压高于设定值，增加送条速度，反之，减少速度；将实时电弧电压U与期望的平均电弧电压Us差值分为几个段：|U-Us|≤0.5V 这种状态下不做调整；|U-Us|≤1.5V 这种状态下，每一个扫描周期增加或减少V2的值；|U-Us|＞1.5V这种状态下，直接将V2的值调整为PLC控制器默认的最大移动速度Vmax或者PLC控制器默认的最小移动速度Vmin。
6.根据权利要求2所述焊条自动焊接方法，其特征在于：步骤（6）中当焊接过程出现以下三种情况，停止自动焊接过程：第一、通过运算得出在竖直方向需要移动的距离H1，H1=L*cosα；焊条实际向下移动距离H2与竖直方向需要移动的距离H1相等时，焊条已经顺利燃烧完期望的长度，自动焊接过程停止；第二、在焊接过程中，电弧电压U低于U1且持续1秒，表明焊条粘到工件上，自动焊接过程停止；第三、在其他意外情况时，关闭控制开关，结束自动焊接过程。
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