CN105710505B - 脉冲焊接设备及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脉冲焊接设备及其控制方法。所述脉冲焊接设备包括：主焊接指令送丝速度确定单元、预定指令标准电压确定单元、实际送丝速度获取单元、追加开始时刻确定单元、追加电压计算单元以及控制单元。本发明能够自动计算送丝超调量，并根据送丝超调量提高电压，从而有效消除送丝超调。

Description

脉冲焊接设备及其控制方法
[技术领域]
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种采用脉冲焊接方式进行焊接的焊接设备及其控制方法。
[背景技术]
焊接设备(也称焊机)已广泛应用于各类制造业。焊接设备根据其焊接方式不同，可以分为短路过渡和脉冲焊接两种。脉冲焊接具有电弧压缩效应，电弧集中，挺度好等优点，因而广泛应用于薄板焊接(如不锈钢、钢和钛等有色金属的焊接)中。以下，将采用脉冲方式进行焊接的焊接设备称为脉冲焊接设备。
通常，合上焊枪开关后，送丝电机启动并开始送丝。送丝电机使送丝速度按照一定的加速度上升到主焊接指令送丝速度目标值。这个过程中电压也会按照某个加速度递增到设定值，从而加速焊丝的熔化。
但是实际上，实际送丝速度与指令送丝速度并不会完全一致。图6A示出了指令送丝速度Vcmd和实际送丝速度Vfb随时间变化的对应关系图。在图6A中，实线部分表示指令送丝速度Vcmd，虚线部分表示实际送丝速度Vfb。如图6A所示，实际送丝速度Vfb会比指令送丝速度Vcmd快。
在此情况下，会产生送丝超调(过量送丝)的现象。一般来说，焊接电流越大，送丝速度越快，产生的超调量也越大。换言之，如图6B所示，与指令送丝速度匹配的预定指令标准电压Uset已经无法熔化超调的送丝(过量的送丝)，如果对超调的送丝不进行处理，则会产生大的飞溅甚至顶丝，严重时需要重新引弧，从而影响焊接速度和焊接质量。
目前，对于送丝超调的解决方案从理论上讲主要有以下两种方案。方案一：通过送丝速度控制，使实际送丝速度最大限度地接近指令送丝速度。方案二：增加指令电压，以加速熔化过量的送丝。但是，受PI(比例积分)控制和惯性等因素的影响，方案一始终无法完全解决送丝超调的问题。
对于方案二，已知的方法是从送丝速度上升时刻起将指令电压在标准指令电压的基础上，增加固定量，用于加速熔化过量的送丝。然而，由于送丝速度上升的初期，超调并不明显，因此增加固定值的电压会使焊丝熔化过快，即产生上燃现象，严重时会烧坏导电嘴。
[发明内容]
[技术问题]
本发明旨在针对现有脉冲焊接设备存在的送丝超调问题，提供一种脉冲焊接设备及其控制方法。
[解决方案]
本发明提供一种脉冲焊接设备，其包括：主焊接指令送丝速度确定单元，用于根据用户输入的焊接参数来确定主焊接指令送丝速度；预定指令标准电压确定单元，用于根据所述主焊接指令送丝速度和用户输入的预置电压，来确定各时刻的预定指令标准电压；实际送丝速度获取单元，用于按预定期间获取实际送丝速度；追加开始时刻确定单元，用于将所述实际送丝速度与第一阈值进行比较，并将所述实际送丝速度达到所述第一阈值的时刻确定为所述追加开始时刻，所述第一阈值小于所述主焊接指令送丝速度并且为主焊接指令送丝速度的预定比例。
所述脉冲焊接设备还包括：追加电压计算单元，用于根据获取到的所述实际送丝速度与同一时刻的指令送丝速度的差值，以及所述同一时刻的预定指令标准电压来计算追加电压；以及控制单元，从所述追加开始时刻起，控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。
本发明还提供一种脉冲焊接设备的控制方法，其包括如下步骤：根据用户输入的焊接参数来确定主焊接指令送丝速度；根据所述主焊接指令送丝速度和用户输入的预置电压，来确定各时刻的预定指令标准电压；按预定期间获取实际送丝速度；将所述实际送丝速度与第一阈值进行比较，并将所述实际送丝速度达到所述第一阈值的时刻确定为所述追加开始时刻，所述第一阈值小于所述主焊接指令送丝速度并且为主焊接指令送丝速度的预定比例。
所述控制方法还包括如下步骤：根据获取到的所述实际送丝速度与同一时刻的指令送丝速度的差值，以及所述同一时刻的预定指令标准电压来计算追加电压；以及从所述追加开始时刻起，控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。
[发明有益效果]
本发明通过上述技术方案，能够根据超调量精准地施加电压，从而有效消除送丝超调的现象。
[附图说明]
图1是本发明第一实施例的脉冲焊接设备的软件结构框图。
图2是本发明第一实施例的脉冲焊接设备的控制流程图。
图3是本发明第一实施例的脉冲焊接设备中追加电压随时间变化的对应关系图。
图4是本发明第二实施例的脉冲焊接设备的控制流程图。
图5是本发明第二实施例的脉冲焊接设备中追加电压随时间变化的对应关系图。
图6A是现有指令送丝速度和实际送丝速度随时间变化的对应关系图。
图6B是现有指令送丝电压随时间变化的对应关系图。
[具体实施方式]
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
首先，对本发明的脉冲焊接设备的基本焊接过程进行描述。在焊接时，首先接通焊接设备(包括焊接电源和送丝装置)，用户通过操作面板输入各种焊接参数，例如气体、材质、丝径、预置电流、预置电压等。之后，用户按下焊枪开关，此时焊接设备进入引弧阶段，同时，焊接设备控制送丝装置开始送丝。当送丝速度达到预定值时，焊接设备控制进入主焊接阶段。之后，当用户松开焊枪开关，焊接设备控制进入回烧阶段。在回烧阶段，送丝速度逐渐降低，同时输出的焊接电流也逐渐降低直到为0，此时焊接结束。
用户反复按下焊枪开关进行焊接的过程，就是重复上述各个阶段的过程。本发明的控制方法可以通过焊接设备的控制器执行相应的程序来实现。
此外，由于本发明是对脉冲焊接设备内部控制程序(软件)的改进，因此在此省略对脉冲电源的硬件构成的描述。
[第一实施例]
下面参照图1至图3描述本发明的第一实施例。图1示出了第一实施例的脉冲焊接设备的软件结构。
如图1所示，本发明的脉冲焊接设备包括：主焊接指令送丝速度确定单元，用于根据用户输入的焊接参数(包括材质、丝径、气体和预置电流)来确定主焊接指令送丝速度；预定指令标准电压确定单元，用于根据所述主焊接指令送丝速度和用户输入的预置电压，来确定各时刻的预定指令标准电压；实际送丝速度获取单元，用于按预定周期获取实际送丝速度；追加开始时刻确定单元，用于将所述实际送丝速度与第一阈值进行比较，并将所述实际送丝速度达到所述第一阈值的时刻确定为所述追加开始时刻，所述第一阈值小于所述主焊接指令送丝速度并且为所述主焊接指令送丝速度的预定比例。
本发明的脉冲焊接设备还包括：追加电压计算单元，用于根据获取到的所述实际送丝速度与同一时刻的指令送丝速度的差值，以及所述同一时刻的预定指令标准电压来计算追加电压；以及控制单元，从所述追加开始时刻起，控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。
接下来，参照图2和图3描述本发明第一实施例的脉冲焊接设备引弧阶段的控制方法。所述控制方法由脉冲焊接设备的控制器(CPU)执行与图1所示的各个模块相对应的软件程序来实现。
如图2所示，首先，在步骤S201中，CPU根据用户输入的焊接参数(包括材质、丝径、气体和预置电流)来确定主焊接指令送丝速度。材质、丝径、气体和预置电流均可以通过焊接设备的操作面板来输入。主焊接指令送丝速度与材质、丝径、气体和预置电流的对应关系可以作为表预先存储在存储器中。在本实施例中，该表存储在脉冲焊接设备的内部存储器(例如FLASH或者ROM)中，但是本发明不限于此，可以存储在外部存储器中。
接着，在步骤S202中，CPU根据所述主焊接指令送丝速度和用户输入的预置电压，来确定各时刻的预定指令标准电压Uset(参见图3中的实线部分)。所述预定指令标准电压Uset是假定实际送丝速度与指令送丝速度一致时，应当施加的电压。所述预定指令标准电压与主焊接指令送丝速度和用户输入的预置电压之间的关系，也可以作为表预先存储在存储器中。
如图3中的实线所示，当用户按下焊枪开关，开始进入引弧阶段。预定指令标准电压随时间的增加而增大，即随送丝速度的增加而增大。当进入主焊接阶段时，指令送丝速度保持不变，预定指令标准电压也保持不变。
接着，在步骤S203中，CPU按预定周期获取实际送丝速度。例如，每隔2ms进行一次读取运算。实际送丝速度可以根据送丝电机反馈回的速度代码来计算。
之后，在步骤S204中，CPU将实际送丝速度与第一阈值进行比较，并将所述实际送丝速度达到所述第一阈值的时刻确定为所述追加开始时刻T1，所述第一阈值小于所述主焊接指令送丝速度并且为主焊接指令送丝速度的预定比例。在本实施例中，所述预定比例为60％，但是本发明不限于此可以为70％。通过对预定比例的值的调整，能够减少CPU的处理负载。并且在所述实际送丝速度较小时，例如为主焊接指令速度的40％时，通过实验检测，超调很小，可以忽略。所述预定比例优选范围为45％到80％。
接着，在步骤S205中，CPU根据获取到的所述实际送丝速度Vfb与同一时刻的指令送丝速度Vcmd的差值，以及所述同一时刻的预定指令标准电压Uset来计算追加电压Uadd。可以通过下式来计算。指令送丝速度Vcmd与现有技术中的获得方法相同，例如根据主焊接指令送丝速度和预先设定的加速度来计算。
Uadd＝(Vfb-Vcmd)/Vcmd*Kp*Uset
其中，Kp为调整系数，其可以通过反复实验获得。
以上，是基于获取间隔2ms所进行的即时调整，但是本发明不限于此，也可以基于多个间隔(例如，6ms)获取的数值进行平均，来计算追加电压。
之后，在步骤S206中，从所述追加开始时刻T1起，CPU控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出(即，实际指令电压＝Uset+Uadd)，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同(T4时刻)为止。具体来说，CPU根据实际指令电压，计算主回路功率开关器件(IGBT)的导通角，并根据计算出的导通角，输出主回路IGBT的驱动信号，来控制主回路IGBT的导通，最终实现电压的输出。
通过第一实施例的技术方案，能够根据超调量精准地施加电压，从而有效消除送丝超调的现象。
[第二实施例]
下面参照图4和5描述本发明的第二实施例。由于第二实施例的软件构成及控制方法均与第一实施例基本相同，在此就不再重复描述。以下仅描述二者的不同之处。
第二实施例与第一实施例的不同之处在于控制单元(即，控制步骤S406)。在第二实施例中，步骤S406在第一实施例的步骤S206的基础上，增加如下步骤：在从指令送丝速度上升到主焊接指令送丝速度的时刻T2(也称为“保持时刻”)起，CPU控制按照将所述保持时刻的实际指令电压保持预定期间(T2-T3的期间)的方式进行电压输出。
在预定期间(T2-T3的期间)结束后，CPU控制使得继续按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出(即，实际指令电压＝Uset+Uadd)，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。即当预定期间结束后，恢复到第一实施例的步骤S206的控制。
在从追加开始时刻T1至保持时刻T2之间的预定期间，与第一实施例的步骤S206相同，CPU控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出(即，实际指令电压＝Uset+Uadd)。
在预定期间内，实际送丝速度较高，即使实际指令电压保持较高值，也不发生上燃现象。需要注意的是，预定期间的时间可以针对多种气体、材质、丝径的不同组合，灵活设计。通过实验得知，预定期间优选采用10ms至2000ms内的值，可以适用多个组合。
通过在保持时刻起的预定期间内始终保持较高的指令电压，不仅能够有效消除送丝超调，同时还能够有效降低CPU的处理负荷。
以上，已参照详细或特定的实施方式，对本发明进行了说明，但本领域技术人员理解，可以在不脱离本发明的思想与范围的前提下进行各种变更及修正。
[工业实用性]
本发明可以应用到现有的脉冲焊接设备中，能够有效消除送丝超调。

Claims (8)

1.一种脉冲焊接设备，其包括：
主焊接指令送丝速度确定单元，用于根据用户输入的材质、丝径、气体和预置电流来确定主焊接指令送丝速度；
预定指令标准电压确定单元，用于根据所述主焊接指令送丝速度和用户输入的预置电压，来确定各时刻的预定指令标准电压；
实际送丝速度获取单元，用于按预定周期获取实际送丝速度；
追加开始时刻确定单元，用于将所述实际送丝速度与第一阈值进行比较，并将所述实际送丝速度达到所述第一阈值的时刻确定为所述追加开始时刻，所述第一阈值小于所述主焊接指令送丝速度并且为所述主焊接指令送丝速度的预定比例；
追加电压计算单元，用于根据获取到的所述实际送丝速度与同一时刻的指令送丝速度的差值，以及所述同一时刻的预定指令标准电压来计算追加电压；以及
控制单元，从所述追加开始时刻起，控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。
2.根据权利要求1所述的脉冲焊接设备，其特征在于，所述控制单元还在从所述指令送丝速度上升到所述主焊接指令送丝速度的保持时刻起，控制按照将所述保持时刻的实际指令电压保持预定期间的方式进行电压输出，并在所述预定期间结束后，控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。
3.根据权利要求1或2所述的脉冲焊接设备，其特征在于，所述预定比例的范围为45％到80％。
4.根据权利要求2所述的脉冲焊接设备，其特征在于：所述预定期间的范围为10ms至2000ms。
5.一种脉冲焊接设备的控制方法，其包括如下步骤：
根据用户输入的焊接参数来确定主焊接指令送丝速度；
根据所述主焊接指令送丝速度和用户输入的预置电压，来确定各时刻的预定指令标准电压；
按预定期间获取实际送丝速度；
将所述实际送丝速度与第一阈值进行比较，并将所述实际送丝速度达到所述第一阈值的时刻确定为所述追加开始时刻，所述第一阈值小于所述主焊接指令送丝速度并且为所述主焊接指令送丝速度的预定比例；
根据获取到的所述实际送丝速度与同一时刻的指令送丝速度的差值，以及所述同一时刻的预定指令标准电压来计算追加电压；以及
从所述追加开始时刻起，控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。
6.根据权利要求5所述的脉冲焊接设备的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：在从所述指令送丝速度上升到所述主焊接指令送丝速度的保持时刻起，控制按照将所述保持时刻的所述实际指令电压保持预定期间的方式进行电压输出，并在所述预定期间结束后，控制使得按照实际指令电压为所述预定指令标准电压与所述追加电压之和的方式进行电压输出，直到所述实际送丝速度与所述主焊接指令送丝速度相同为止。
7.根据权利要求5或6所述的脉冲焊接设备的控制方法，其特征在于，所述预定比例的范围为45％到80％。
8.根据权利要求6所述的脉冲焊接设备的控制方法，其特征在于，所述预定期间的范围为10ms至2000ms。
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