CN1074334C - 逆变电阻焊接的控制方法和设备 - Google Patents

Abstract

为使电阻焊接机和焊接操作用的焊接电流快速而不超过规定地升高。将电流传感器30，初级电流测量电路，模-数转换器34、CPU38和逆变驱动电路组合成用于逆变电阻焊机的脉冲宽度调制恒流控制电路。焊接操作第一周期中，供给逆变电路18有初始脉冲宽度的控制脉冲CP₁，开始焊接操作。在随后的焊接操作周期中，CPU38读出每个周期的测量电流值，并与所选电流值对比，算出测量电流值的偏差。按偏差CPU确定下一个脉冲宽度，消除偏差。

Description

逆变电阻焊接的控制方法和设备

本发明涉及以恒流控制为基础的逆变电阻焊接机的控制方法和设备。

图7是现有逆变焊接机的电路图。逆变电路100包括如巨型晶体管(GTR)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或功率FET等转换元件。为响应逆变控制116来的控制脉冲CP。逆变电路100将所加直流(DC)电压E转换成高频脉冲调制的交流电路I₁(初始电流)。从逆变电路100来的脉冲调制的交流电流I₁加给焊接变压器102的初级线圈。结果，变压器的次级线圈供给一个与初级脉冲调制的交流电流I₁成正比的次级脉冲调制的交流电流。用有一对二级管104a和104b的整流电路106将次级脉冲调制的交流电流转换成直流电流I₂。次级直流电流I₂通过焊接电极108和110流进工件112和114。

为了控制逆变电阻焊接机，最广泛使用的是包括反馈环的恒流控制，使其在焊接操作中给工件供给恒定电流。其主要原因是，焊接电流是电阻焊接的三个主要条件之一，其余的两个条件是焊接力和焊接时间，用测量焊接电流的环形线圈或电流变压器易于实现恒流控制的反馈环。恒流控制中所说的“恒定”是指有效电流值、平均电流值和电流峰值恒定。

外部控制器(未画出)供给图7中逆变控制116一个直接起动焊接的控制信号ST。然后，逆变控制116产生初始脉冲宽度为W₁的第一控制脉冲CP₁并将它供给逆变电路100，用于焊接操作的第一周期。初始控制脉冲CP₁使逆变电路100中的转换元件导通。导通时间相当于控制脉冲CP₁的初始脉冲宽度W₁。因此，逆变电路100输出一个相应的脉冲I₁，因而，在焊接变压器102的次级电路中、次级直流电流I₂产生，流过工件112和114。逆变控制116通过次级电路中设置的电流传感器(环形线圈)118测得的次级电流I₂来确定次级电流的有效值[I₂]。图8给出了初级电流I₁和次级电流I₂的波形。

逆变控制116比较所获得的有效电流值[I₂]与所选电流值Is，由此确定测得的电流与所选电流的偏差(误差)。然后逆变控制116计算将要消除或降低误差的第二脉冲宽度W₂。第二周期中，逆变控制116产生有第二脉冲宽度W₂的控制脉冲CP₂给逆变电路100。对第三周期和以后的周期，逆变控制116重复上述操作。

如果有效电流值[I₂]小于所选的或规定的电流值[Ig]，控制信号CP的脉冲串中的脉冲宽度将逐渐增大，使其由逆变电路100产生的脉冲调制的交流电流I₁的相应脉冲宽度增宽。另一方面，若有效电流值[I₂]大于所选的或规定的电流值[Ig]，控制脉冲CP的脉冲宽度立即变窄，使逆变电路100产生的脉冲调制交流电流I₁的相应脉冲宽度压缩。按该方式，用反馈环调制脉冲宽度(PWM)实现恒流控制。

在焊接操作开始周期，用上述PWM恒流控制、使初级和次级焊接电流I₁和I₂逐渐朝规定电平Is增大(见图8所示波形)。为保证焊接质量和生产率，应将电流上升时间减至最短。

现有技术中，焊接操作第一周期用的控制脉冲CP的脉冲宽度W₁设定为一个确定的初始值Ws。从两方面固定初始脉冲宽度Ws。首先，有不同焊接能力的许多不同类型的逆变电阻焊接机用相同的或共用的初始值Ws。第二，固定初始值Ws用于单个逆变电阻焊接操作设定不同的焊接电流。因而，很难提供单个焊接机使用的和单个焊接操作使用的快速而稳定的电流上升时间。

任何环境中，均不得使焊接电流的增大过程按经验而做得过了头。使焊接电流明显地超过规定值，如图9中点划线所示。焊接电流过大会出现不希望有的闪光。为了避免过大、现有技术是用较窄的脉冲宽度用于控制脉冲CP的初始脉冲宽度W₁(Ws)。但是，这必然会使焊接电流上升时间加长。

某些现有技术是，在实际焊接操作前用试验性焊接(pilot welding)。试验性焊接操作包括用不同脉冲宽度去测量焊接操作。将单个脉冲宽度获得的测量电流值与所选电流值比较，由此按所选电流值确定最佳初始脉冲宽度。但是，试验性焊接过程由于要用许多不同的脉冲宽度去试焊接机，因此很费时，降低了操作性和生产率。

为克服上述缺陷，本发明的目的是，提供逆变电阻焊接的控制方法和设备，对各焊接操作和各焊接机提供快速稳定的电流上升时间。

按本发明的有逆变器的逆变电阻焊机的控制方法，是用控制脉冲控制逆变器的转换，使初级或次级电流总的保持在接近所选的电流值，该方法包括以下步骤：

确定电阻焊接机最大允许的初级或次级电流值；

电允许的最大电流值和所选电流值，计算控制脉冲的初始脉冲宽度；

给逆变器供给有初始脉冲宽度的控制脉冲用于焊接操作第一周期；

给逆变器供给具有脉冲宽度是由上一焊接操作周期测得的电流值和所选电流值的偏差计算出的控制脉冲，用于第二焊接周期或随后的焊接操作周期。

按本发明的用于控制具有逆变器的逆变电阻焊机的设备，用控制脉冲控制逆变器的转换，使初级或次级电流总是保持在接近所选电流值，它包含：

输入装置，用于输入电阻焊机的所选电流值和允许的最大初级或次级电流值。

储存装置，用于储存由输入装置输入的所选电流值和允许的最大电流值。

初始脉冲宽度计算装置，用于由允许的最大电流值和所选电流值计算控制脉冲的初始脉冲宽度；

电流测量装置，用于测量焊接操作中的电流；

后续脉冲宽度计算装置，用于计算出由电流测量装置测得的测量电流值与所选电流值的偏差，并由此算出控制脉冲的后续脉冲宽度；和

控制脉冲发生装置，用于在焊接操作的第一周中，供给逆变器具有由初始脉冲宽度计算装置获得的脉冲宽度的控制脉冲，以及用于在焊接操作的后续周期中、供给逆变器具有由后续脉冲宽度计算装置获得的脉冲宽度的控制脉冲。

术语“周期”是指一个控制脉冲供给逆变器的周期。典型的一个周期相当于逆变器频率的一个或半个周期。

按照本发明，确定恒流控制中包括的逆变电阻焊机用的最大允许电流值。确定恒流控制用的焊接操作的规定电流值(标准值)。然后，确定焊接操作第一周期用的初始控制脉冲宽度，或由最大允许电流值和规定的预选电流值计算出焊接操作第一周期用的初始控制脉冲宽度。在焊接操作第一周期中，用具有由这样确定的初始脉冲宽度的控制脉冲控制逆变器转换。在第二或后续周期中，用具有以反馈控制为基础计算出的脉冲宽度的后续控制脉冲控制逆变器转换。用本发明方法和设备，焊接操作总是以最佳脉冲宽度开始，该最佳脉冲宽度使焊接操作的焊机额定电流和预选电流值最佳，这是本发明的一种函数关系。

通过以下结合附图的说明，本发明的上述目的和其它目的，本发明的特征和优点将会更清楚。

图1是使用本发明的逆变电阻焊接控制设备的一个实施例的逆变电阻焊机系统的方框图。

图2是图1中为了输入和储存按照本发明的最大允许电流值和所选焊接电流值，CPU处理流程图。

图3是图1中按本发明的焊接操作中用于提供脉冲宽度调制控制，CPU处理流程图。

图4是不同焊接工艺过程中的次级电流的波形图，其各个焊接操作均使用单独选择的电流值。

图5是凸焊示意图，凸焊中用本发明方法和设备是有利的。

图6是能有利地使用本发明方法和设备的间歇式线焊示意图。

图7是现有逆变电阻焊机系统的配置方框图。

图8是焊接操作起始周期的初级电流和焊接电流的波形图，正如现有逆变电阻焊接控制设备中所熟知的。

图9是焊接操作起始周期的焊接电流过大的波形图，正如现有逆变电阻焊机所熟知的。

现在参见图1至6说明实施例来详细说明发明。

图1是按本发明的逆变电阻焊接机的配置和控制设备的一个实施例的配置图。

接收三相交流工业电功率的三相工业电功率供电端10连接到整流电路12的输入端、整流电路12在输出端产生整流后的电流。包括线圈14和电容器16的滤波电路滤波整流的电流。滤波过的直流电流供给逆变电路18。逆变电路18包括转换元件如GTR、IGBT等，并将滤波过的DC电流转换成脉冲(矩形脉冲)的高频AC电流。用通过逆变驱动电路36由CPU38供给的控制脉冲CP控制逆变电路18的转换操作和由它输出的高频AC输出的脉冲宽度。

来自逆变电路18的高频AC输出电压跨接到焊接变压器20的初级线圈。焊接变压器20的次级线圈包括跨接于此的降压高频AC电压。来自焊接变压器20的次级线圈的高频AC电流加到有一对二极管22a和22b的整流电路24。整流电路24将高频AC电流转变成通过焊接电极26a和26b流到工件28a和28b的DC次级电流I2。

本电阻焊接控制设备包含电流传感器(即环形线圈)30，初级电流测量电路32，模-数转换器34、CPU 38逆变驱动电路36,ROM40,RAM42，面板控制器44，键盘46，显示器48和接口电路50。

逆变电路18的输出与焊接变压器20的初级线圈之间有设置在焊机初级电路中的电流传感器30，以便环绕初级电线，产生初级焊接电流I₁的波形指示信号或其衍生信号。初级电流测量电路32由每半个周期或一个周期中的电流传感器30的输出信号决定初级电流I₁的有效值。用模-数转换器34将初级电流测量电路32获得的模拟初级电流测量值[I₁]转换成相应的数字信号。

CPU38读出来自初级电流测量电路32的每个周期的测量电流值[I₁]，并与储存的(寄存的)所选电流值[Is]比较，计算出测量电流值的偏差。以偏差为基础、CPU38确定下一个脉冲宽度W_i+1，以消除该偏差。下一个周期中CPU产生具有这样确定的脉冲宽度W_i+1的控制脉冲CP_i+1。电流传感器30，初级电流测量电路32，模-数转换器34、CPU38和逆变驱动电路36组合成控制逆变电路18转换的带反馈环的脉冲宽度调制恒流控制电路，因而使初级电流I₁总是保持接近所选电流值[Is]。

ROM40储存CPU38用的程序。存储的程序包括提供上述恒流控制的控制程序。控制板上的主机接口用的显示程序，键盘输入程序，通过接口电路50与外部装置进行数据交流的通信程序等等。

RAM42储存各种所选值作寄存数据。RAM42还暂时存储焊接操作的测量结果，中间数据和来自CPU38的最终数据。可用备用电池保持RAM42的信号内容。面板控制器44接收来自CPU38和键盘46的信号并将信号送到控制板上的显示器48(例如液晶显示器和LED指示器)。

接口电路50通过内部总线连接到CPU38。接口电路50还通过通信电缆52连接到外部装置如焊接自动控制器，焊接起始开关和/或焊接工艺编程单元。

本电阻焊接控制设备中，可用键盘46操作输入电阻焊机的最大额定电流或允许的最大电流值[Imax]。最大允许电流值[Imax]实质上或本质上由电阻焊机的形状和条件决定。可输入近似的值来代替实质上允许的最大电流的精确值。若需要，可测量最大允许电流并输入测量结果。例如，当逆变电路18输入有最大脉冲宽度Wmax的控制脉冲CP时，可由测量的电流值[I₁]确定或算出最大允许电流值[Imax]。

当初级电路加反馈控制时，像本实施例中，可用术语初始电路表示从键盘46输入的最大允许电流值。因而，可用焊接变压器18的线圈匝数比确定初级与次级焊接电流之比。因此，可引入最大允许的级电流来代替。然后，CPU38可将其转换或换算成最大允许初级电流。

图2是用于输入并储存最大允许电流值[I_max]和所选择[Is]的CPU38的处理程序图。在寄存用的预定储存位置将输入的最大允许电流值[I_max]写入RAM42(步骤A₁)。输入实际焊接操作的所选电流值[Is](步骤A₂)。然后CPU38按预定公式由最大允许电流值[I_max]和所选电流值[Is]算出初始脉冲宽度Ws，例如，以下给出的一个(1)(步骤A₃)。

Ws=W_max+ISI_max    ……(1)

式中Wmax是指预定的最大脉冲宽度。初始脉冲宽度Ws确定焊接操作第一周期中产生的第一控制脉冲CP₁的脉冲宽度。因此、算出的初始脉冲宽度数据Ws写入RAM42的预定存储位置。

各个焊接操作可单独确定电流值数据[Is]。这种情况下，对用共用最大允许电流值数据[I_max]的各选择电流值数据(Is)，CPU重复步骤A2和A3。

图3是提供焊接操作中的脉冲宽度调制控制的CPU38的处理程序图。

当它有通过接口电路50从外部装置收到的焊接起始信号(步骤B₁)时，响应焊接起始信号。CPU38从存储器(RAM42)读出初始脉冲宽度数据Ws以及焊接工艺过程的其它参数(所选电流值数据、焊接时间数据等)开始焊接操作(步骤B₂)，然后CPU38产生有初始脉冲宽度Ws的第一控制脉冲CP₁(步骤B₃)。因此，焊接操作第一周期中，逆变电路18中的转换元件转换成导通，导通时间相当于初始控制脉冲宽度Ws，因而AC初级电流I₁开始流过初级电路，DC次级电流(焊接电流)I₂开始流过次级电路。用初级电流测量电路32通过电流传感器30测量焊接操作第一周期的初级焊接电流I₁。然后，CPU38接收到的初级电流[I₁]的测量值表示成RMS(步骤B₅)，CPU38从所选电流值[Is]算出测量电流值[I₁]的误差或偏差[步骤B₆]。然后CPU38从误差算出新的或第二控制脉冲宽度W₂，从而消除误差(步骤B₇)。

为下一个或第二焊接操作周期、CPU38产生要供给有脉冲宽度W₂的控制脉冲CP₂(步骤B₃)。因此，在焊接操作的第二周期中，逆变电路18中的转换元件转换成导通，导通时间相当于第二控制脉冲宽度W₂，因此，第二周期的初级和次级电流I₁和I₂会变得大于第一周期的初级和次级电流I₁和I₂。

同样测量第二周期的初级电流I₁。CPU38读出其测量值[I₁](步骤B₅)，从所选电流值[Is]算出测量值的误差(步骤B₆)，并算出第3控制脉冲宽度W₃，以减小误差(步骤B₇)。然后，为焊接操作第三周期CPU38产生脉冲宽度为W₃的第三控制脉冲CP₃(步骤B₃)。对下一周期重复步骤B₃至B₇的处理，直至焊接时间结束(步骤4)。

按该方式，本电阻焊接控制设备，只是从逆变焊机中允许的最大焊接电流值[I_max]，确定相当于为进行焊接操作规定的所选电流值[Is]的初始控制脉冲宽度Ws。在有所选电流[Is]的焊接操作的第一周期中，设备给逆变电路18供给有初始脉冲宽度Ws的第一控制脉冲CP₁。为第二和随后的焊接操作周期，设备给逆变电路18供给一个随后的控制脉冲，该脉冲的宽度由前一周期的实际初始电流测量值[I₁]和所选的或所规定的电流值[Is]的偏差计算得出。用本发明的电阻焊接控制设备的配置，焊接操作总是以适当的初始脉冲宽度Ws开始，因为这会使逆变电阻焊机的焊接能力最佳，并选择规定的焊接电流值[Is]进行焊接操作。因此可在最短时间内使焊接电流达到规定电流值[Is]而不会出现过大。一旦确定，焊接电流总是保持比接近规定电流电平，直到焊接完成。

图4是按焊接工艺过程用单独选择的电流值的随后的不同焊接操作中次级电流的波形图。例如，按No.1焊接工艺过程，第一第二焊接操作中分别包括单独选择的电流值[Is]_1.1和[Is]_1.2。按No.2焊接工艺过程，第一和第二焊接操作采用单独选择的电流值[Is]_2.1和[Is]_2.2。

按本电阻焊接控制设备、从表示逆变电阻焊机额定电流的最大允许电流值[I_max]和从表示各个所选电流值[Is]_1.1,[Is]_1.2,[Is]_2.1,[Is]_2.2等，单独确定电流初始控制脉冲宽度[Ws]_1.1,[Ws]_1.2,[Ws]_2.1,[Ws]_2.2等的规定大小或电平(图2中步骤A₂和A₃)。当任何实际焊接工艺过程的实际焊接操作开始时，逆变器用作为规定电流电平的函数的最佳的初始控制脉冲宽度开始转换，该规定电流电平与焊接操作所规定的电流电平以及焊机额定电流密切相关(图3中步骤B₂和B₃)。

按该方式，开始焊接操作时，为一个规定的所选电流值[Is]选择一个规定的初始控制脉冲宽度[Ws]、并加给脉冲宽度调制恒流控制，使电流能在最短时间上升而不超出规定。因而，本发明的方法和设备使在逆变电阻焊机中能最好地使用脉冲宽度调制恒流控制，由此能改进焊接质量及生产率。

本发明的逆变电阻焊接方法和设备特别适用于某些类型的电阻焊接，如凸焊和线焊。其中焊接电流必须迅速达到规定电平，以确保良好的焊接质量。

图5是凸焊图，一个工件28a′可以是第一材料板，如铜，另一工件28b′可以是第二材料，如铁板。为了使工件28a′和28b′结合或焊在一起这些工件的材料应是硬的。这种情况下，一个工件28a′在要结合位置形成凸头R。在焊接操作开始，凸头R经受集中电流流过此处，因而由其电阻值产生大量热。当工件开始熔化时，一对电极26a和26b上急剧地加高压力P。因此凸头R在压力作用下变形或变平而经受电阻焊接。

规定凸焊的凸头R在焊接操作开始后立即由电阻产生大量热。在此步骤结束时，焊接电流必须在尽可能短的时间内上升。用按本发明的逆变电阻焊的控制方法和设备，能完全满足凸焊的这种要求。用本发明的方法和设备，凸焊能制成合格的焊件。

图6是间歇电流型线焊示意图。一对工件60和62各自有用环形法兰60b,62b形成的半球60a,62a。有法兰盘的工件60和62相互平接。而在圆周方向相对于电极26a和26b一步挨一步地角移工件60和62，按有规则的间隔焊接电流间歇而重复地加到工件的各个接缝点F。因此，焊接电流(次级电流)周期性地和间歇地通过，如图6(C)所示。

这种线焊中，进行间歇式焊接操作、每个点F在短时间内焊接在一起。因此，若电流慢慢上升，将会缩短净焊接时间，因此很难在各焊点F有满意的结合。本发明的逆变电阻焊的控制方法和设备能成功地用于间歇电流线焊，因此，在各焊点F供给短电流上升时间，获得合格焊件。

使用有反馈环的脉冲宽度调制恒流控制的说明例，可用焊机的次级电路中设置的电流传感器代替有关的初级电流I₁，可将恒流控制加于次级电流I₂。因而，在说明的实施例中、用专门的硬件电路，电流测量电路32算出各周期用电流值(RMS)；程控CPU38计算或确定各周期的测量电流值。

需要改变电阻焊机的结构和/或焊机结构老化时，可修改允许的最大电流值Imax。按公式(1)由最大允许电流值[Imax]和所选电流值[Is]算出的初始控制脉冲宽度Ws只是为了说明。为了最好地计算出作为最大电流和所选电流值函数的初始脉冲宽度，可调整和增加其它条件。

按照本发明的逆变电阻焊接的控制方法和设备，用由逆变电阻焊机的额定电流和所选电流转化了的初始控制脉冲宽度开始焊接操作。因而，逆变电阻焊机用的和焊接操作均要求焊接电流迅速达到所选电流电平而不超出规定。本发明的方法和设备能最好地使用脉冲宽度调制恒流控制，能明显改善焊接质量和提高生产率。

Claims (2)

1．一种用于控制具有逆变器的逆变电阻焊机的方法，用控制脉冲控制逆变器的转换，使初级或次级电流总是保持在接近所选的电流值，它包含以下步骤：

确定电阻焊机的最大允许初级和次级电流值；

从最大允许电流值和所选电流值算出控制脉冲的初始脉冲宽度；

为焊接操作的第一周期给逆变器供给具有初始脉冲宽度的控制脉冲；和

为第二或随后的焊接操作周期，给逆变器供给一随后的控制脉冲，该脉冲宽度由前一焊接操作周期实际测得的电流值和所选电流值的偏差算出。

2．一种用于控制具有逆变器的逆变电阻焊机的设备，用控制脉冲控制逆变器的转换，使初级和次级电流总是接近所选电流值，它包含：

输入装置，用于输入电阻焊机的所选电流值和最大允许的初级或次级电流值；

存储装置，用于存储来自输入装置的所选电流值和最大允许电流值；

初始脉冲宽度计算装置，用于由最大允许电流值和所选电流值算出确定逆变器转换的控制脉冲的初始脉冲宽度；

电流测量装置，用于测量焊接操作中的电流；

后续脉冲宽度计算装置，用于计算由电流测量装置测得的测量电流与所选电流值的偏差，并由此计算随后的控制脉冲的脉冲宽度；和

控制脉冲发生装置，用于在焊接操作的第一周期内，给逆变器供给具有从初始脉冲宽度计算装置获得的脉冲宽度的控制脉冲、在焊接操作的后续周期中，给逆变器供给具有由后续脉冲宽度计算装置获得的脉冲宽度的控制脉冲。

Images