CN110421244A - 储能焊机的焊接控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明所公开的一种储能焊机的焊接控制系统，包括中央处理模块；绝缘栅双极型晶体管IGBT,根据放电控制模块的驱动控制来决定储能焊机中所存储的电能量是否瞬间释放；放电控制模块，用于驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT关断或导通；充电控制模块，对储能焊机进行充电储能控制；充电控制模块和放电控制模块均与中央处理模块相连，放电控制模块与绝缘栅双极型晶体管IGBT相连，根据绝缘栅双极型晶体管IGBT是否关断的信号通过中央处理模块来控制充电控制模块。其结构利用绝缘栅双极型晶体管IGBT可随时关断或导通的特性来实现对储能焊机中的储能模块进行随时充电的效果，进一步提升储能焊机进行焊接操作的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种储能焊机技术领域，尤其是一种储能焊机的焊接控制系统。
背景技术
储能电阻焊机是利用电流通过工件及焊接接触面的电阻产生热量，同时对焊接处施加压力进行焊接的一种焊接工艺，具有生产效率高、成本低、节省材料和易于自动化等特点，被广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车、轻工等工业。
目前，传统的中压储能电阻焊通过电容储能，可控硅SCR放电，由于可控硅SCR具有一旦导通就无法关断的特性，每次储能必须要待电容电压全部放完后才能进行关断，在电能量没有放完就进行充电容易造成充电回路短路，并且电能量也无法进行续充，而储能焊机一般进行一次焊接操作完成后就需要对储能模块进行一次充电操作，如果在一次焊接操作完成后发生储能模块中的电能量未释放完，此时只能等待一段时间将触摸模块中的电能量释放完后再进行充电，此方式再大批量工件焊接操作时耗费时间较多，降低了焊接工作效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术的不足而设计的一种可随时进行对储能焊机中的储能模块进行充电储能的储能焊机的焊接控制系统。
本发明所设计的中央处理模块；
绝缘栅双极型晶体管IGBT,根据放电控制模块的驱动控制来决定储能焊机中所存储的电能量是否瞬间释放；
放电控制模块，用于驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT关断或导通；
充电控制模块，用于控制是否对储能焊机进行充电储能；
充电控制模块和放电控制模块均与中央处理模块相连，放电控制模块与绝缘栅双极型晶体管IGBT相连，根据绝缘栅双极型晶体管IGBT是否关断的信号通过中央处理模块来控制充电控制模块。
进一步优选，还包括：
压力检测模块，对储能焊机中对焊接工件压紧定位的机构压紧定位焊接工件的压力进行检测；
位移检测模块，焊接工件经焊接后变形而促使对焊接工件压紧定位的机构自动位移的位移量进行检测；
压力检测模块和位移检测模块均与中央处理模块相连，将压力检测模块和位移检测模块所检测到的数据传输至中央处理模块内运算处理后形成控制指令和数据参数。
进一步优选，还包括：
电压检测模块，用于对储能焊机所储存的电能量中的电压进行检测；
电流检测模块，对储能焊机释放电能量后所输出的电流进行检测；
电流检测模块、电压检测模块分别与中央处理模块相连，电压检测模块和电流检测模块所检测的数据中央处理模块内运算处理后形成控制指令，中央处理模块将控制指令输入至放电控制模块或充电控制模块中，促使放电控制模块或充电控制模块工作，以对储能焊机中所储存的电能量进行释放控制或对储能焊机的充电储能控制。
进一步优选，储能焊机包括三相电源、升压变压器、三相整流模块、储能模块和焊接变压器，三相电源连接在升压变压器的输入端，三相整流模块、储能模块和焊接变压器三者相互并联连接；绝缘栅双极型晶体管的发射极与储能模块相连，其集电极与焊接变压器相连，其门极与放电控制模块相连；焊接变压器的输出端位置处安装有压力传感器和位移传感器，压力检测模块与压力传感器相连，位移检测模块与位移传感器相连，焊接变压器的电流输出端上安装有电流传感器，电流检测模块与电流传感器相连；充电控制模块与三相整流模块相连，电压检测模块与储能模块相连。
进一步优选，电压检测模块包括充电电压HV、分压电路、电阻R59、运算放大器U18A、运算放大器U18B、光耦合器U24和运算放大器U49A，充电电压HV由储能模块输入，并输出至分压电路中后再经电阻R59输入至运算放大器U18A和运算放大器U18B中进行运放处理，运放处理后的电信号输入至光耦合器U24进行隔离输出至运算放大器U49A中还原采样电压，还原后采样电压信号输入至中央处理模块。
进一步优选，电流检测模块包括输出电流信号Signal_MU、积分电路U71A、精密滤波整形电路U71B和精密滤波整形电路U71C；输出电流信号Signal_MU由电流传感器输入，并输出至积分电路U71A中将采样电流还原，还原后采样电流经精密滤波整形电路U71B和精密滤波整形电路U71C滤波整形后输出至中央处理模块。
进一步优选，压力检测模块包括输出电流信号Signal_YL和运算放大器U49D；输出电流信号Signal_YL由压力传感器输入，并输出至运算放大器U49D中，运算放大器U49D的输出端与中央处理模块相连。
进一步优选，位移检测电路包括输出电流信号Signal_WY和运算放大器U49C；输出电流信号Signal_WY由位移传感器输入，并输出至运算放大器U49C中，运算放大器U49C的输出端与中央处理模块相连。
进一步优选，充电控制模块包括充电脉冲PWMMAC、光耦合器U43和脉冲变压器T3，充电脉冲PWM MAC由中央处理模块输入，并输出至光耦合器U43中，光耦合器U43与脉冲变压器T3相连，脉冲变压器T3的输出端与三相整流模块相连。
进一步优选，放电控制模块包括放电脉冲PWMA、光耦合器U50、三极管Q8、三极管Q15和三极管Q16；放电脉冲PWMA有中央处理模块输入，并输出至光耦合器U50，光耦合器U50与三极管Q8相连，三极管Q8分别三极管Q15和三极管Q16相连，三极管Q15和三极管Q16的发射极均与绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极相连。
进一步优选，控制系统中的各模块进行供电的供电系统、对储能模块进行充电的充电保护模块，供电系统包括PCB电源、抗干扰模块和24V开关电源，PCB电源、抗干扰模块和24V开关电源相互串联，PCB电源对控制系统的各模块进行供电。
本发明所设计的储能焊机的焊接控制系统，利用绝缘栅双极型晶体管IGBT可随时关断或导通的特性来实现对储能焊机中的储能模块进行随时充电的效果，解决了现有储能焊接中需要等待储能模块内的电能量释放完后再进行充电操作，此方式耗费时间，影响焊接效率的技术问题，进一步提升储能焊机进行焊接操作的工作效率。
附图说明
图1是实施例1的整体系统结构示意图；
图2是实施例1的充电控制模块电路结构示意图；
图3是实施例1的放电控制模块电路结构示意图；
图4是实施例1的压力检测模块电路结构示意图；
图5是实施例1的位移检测模块电路结构示意图；
图6是实施例1的电压检测模块电路结构示意图；
图7是实施例1的电流检测模块电路结构示意图；
图8是实施例1的抗干扰模块电路结构示意图；
图9是实施例1的充电保护模块电路结构示意图；
图10是实施例1的中央处理模块结构示意图；
图11是实施例2的整体系统的工作流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1-图10所示，本实施例所描述的储能焊机的焊接控制系统，包括中央处理模块14、绝缘栅双极型晶体管IGBT、放电控制模块3和充电控制模块1；充电控制模块1和放电控制模块3均与中央处理模块14相连，放电控制模块3与绝缘栅双极型晶体管IGBT相连，绝缘栅双极型晶体管IGBT,根据放电控制模块的驱动控制来决定储能焊机中所存储的电能量是否瞬间释放。
放电控制模块，根据中央处理模块发送过来的控制指令进行控制绝缘栅双极型晶体管IGBT关断或导通，以决定储能焊机中所存储的电能量是否瞬间释放；充电控制模块用于控制是否对储能焊机进行充电储能。
根据绝缘栅双极型晶体管IGBT是否关断的信息传输至中央处理模块中，中央处理模块根据信息形成控制指令，中央处理模块将控制指令传输至充电控制模块中，以通过充电控制模块控制决定是否对储能焊机进行充电储能。其中，中央处理模块采用CPU处理器，该系统可与上位机配合使用，上位机可以是PC计算机。
本实施例中，储能焊机的焊接控制系统还包括压力检测模块6和位移检测模块5；压力检测模块和位移检测模块均与中央处理模块14相连。
上述中，压力检测模块对储能焊机中对焊接工件压紧定位的机构压紧定位焊接工件的压力进行检测；位移检测模块，焊接工件经焊接后变形而促使对焊接工件压紧定位的机构自动位移的位移量进行检测；将压力检测模块和位移检测模块所检测到的数据传输至中央处理模块内运算处理后形成控制指令和数据参数。焊接工件压紧定位的机构在储能焊机中一般采用气缸进行压紧定位，气缸的活塞杆随压力变化进行位移，位移量由位移检测模块进行检测，检测到的位移数据和压力数据直接在上位机中存储和显示。
本实施例中，还包括电压检测模块2和电流检测模块4，电压检测模块和电流检测模块分别与中央处理模块相连。
上述中，电压检测模块对储能焊机所储存的电能量中的电压进行检测而检测到的电流数据和电流检测模块对储能焊机释放电能量后所输出的电流进行检测而得到电流数据传输至中央处理模块内运算处理后形成控制指令，中央处理模块将控制指令输入至放电控制模块或充电控制模块中，促使放电控制模块或充电控制模块工作，以对储能焊机中所储存的电能量进行释放控制或对储能焊机的充电储能控制。
本实施例中，储能焊机为中压电容储能焊机，具体包括三相电源13、升压变压器12、三相整流模块11、储能模块和10焊接变压器9，三相电源连接在升压变压器的输入端，三相整流模块、储能模块和焊接变压器三者相互并联连接；绝缘栅双极型晶体管的发射极与储能模块相连，其集电极与焊接变压器相连，其门极与放电控制模块相连；焊接变压器的输出端位置处安装有压力传感器8和位移传感器9，压力检测模块与压力传感器相连，位移检测模块与位移传感器相连，焊接变压器的电流输出端上安装有电流传感器7，电流检测模块与电流传感器相连；充电控制模块与三相整流模块相连，电压检测模块与储能模块相连。储能模块10采用储能电容进行储能；其中储能焊机的供电系统由绝缘栅双极型晶体管控制放电，使得放电控制精准可靠，而且可随时将放电关断而对储能模块进行充电操作。
本实施例中，用于对储能焊机所储存的电能量中的电压进行检测的电压检测模块包括充电电压HV、分压电路(由电阻R60、电阻R61、电阻R62、电阻R63和电阻R64组成)、电阻R59、运算放大器U18A、运算放大器U18B、光耦合器U24和运算放大器U49A，充电电压HV由储能模块输入，并输出至分压电路中后再经电阻R59输入至运算放大器U18A和运算放大器U18B中进行运放处理，运放处理后的电信号输入至光耦合器U24进行隔离输出至运算放大器U49A中还原采样电压，还原后采样电压信号输入至中央处理模块，最后给中央处理模块进行采集处理，转化成可显示、存储的数据和/控制指令。
本实施例中，对储能焊机释放电能量后所输出的电流进行检测的电流检测模块包括输出电流信号Signal_MU、积分电路U71A、精密滤波整形电路U71B和精密滤波整形电路U71C；输出电流信号Signal_MU由电流传感器输入，并输出至积分电路U71A中将采样电流还原，还原后采样电流经精密滤波整形电路U71B和精密滤波整形电路U71C滤波整形后输出至中央处理模块，最后给中央处理模块进行采集处理，转化成可显示、存储的数据和/控制指令。
本实施例中，对储能焊机中对焊接工件压紧定位的机构压紧定位焊接工件的压力进行检测的压力检测模块包括输出电流信号Signal_YL和运算放大器U49D；输出电流信号Signal_YL由压力传感器输入，并输出至运算放大器U49D中，运算放大器U49D的输出端与中央处理模块相连；最后给中央处理模块进行采集处理，转化成可显示、存储的数据。
本实施例中，由焊接工件经焊接后变形而促使对焊接工件压紧定位的机构自动位移的位移量进行检测的位移检测电路包括输出电流信号Signal_WY和运算放大器U49C；输出电流信号Signal_WY由位移传感器输入，并输出至运算放大器U49C中，运算放大器U49C的输出端与中央处理模块相连；最后给中央处理模块进行采集处理，转化成可显示、存储的数据。
本实施例中，用于控制是否对储能焊机进行充电储能的充电控制模块包括充电脉冲PWM MAC、光耦合器U43和脉冲变压器T3，充电脉冲PWM MAC由中央处理模块输入，并输出至光耦合器U43中，光耦合器U43与脉冲变压器T3相连，脉冲变压器T3的输出端与三相整流模块相连。其利用充电脉冲通过光耦隔离控制光耦合器U43，驱动脉冲变压器T3初级，脉冲变压器次级输出控制主电路导通以进行充电。
本实施例中，用于驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT关断或导通的放电控制模块包括放电脉冲PWMA、光耦合器U50、三极管Q8、三极管Q15和三极管Q16；放电脉冲PWMA有中央处理模块输入，并输出至光耦合器U50，光耦合器U50与三极管Q8相连，三极管Q8分别三极管Q15和三极管Q16相连，三极管Q15和三极管Q16的发射极均与绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极相连。放电脉冲高频率输出通过光耦隔离控制三极管Q8，驱动三极管Q15、三极管Q16组成推挽驱动，控制绝缘栅双极型晶体管IGBT导通放电，电路中的DRA端接IGBT门极；放电脉冲PWMA为低频率时，输入至光耦合器U50处理后再经其输出极输出的为高频率，而ICA端为低脉冲频率，KBA也为低脉冲频率，驱动三极管Q15，三极管Q16形成推挽输出DRA也为低脉冲频率，起到绝缘栅双极型晶体管IGBT关断作用。
本实施例中，控制系统中的各模块进行供电的供电系统、对储能模块进行充电的充电保护模块18，供电系统包括PCB电源17、抗干扰模块16和24V开关电源15，PCB电源、抗干扰模块和24V开关电源相互串联，PCB电源分别与中央处理模块14、绝缘栅双极型晶体管IGBT、放电控制模块3、充电控制模块1、电流检测模块、电压检测模块、位移检测模块和压力检测模块的供电端相连而进行供电。
本实施例的控制系统电路设计：通过精确的迟滞热关断保护并具备自动恢复功能，无需人工重新置位；改善的自动重启动功能在短路及开环故障状况下实现<3％的最大输出功率；可选择使用Zener实现输出过压关断；可选择使用一个电阻来设置输入欠压保护阈值。
采用了抗干扰模块，参见图8的电路图，其中，共模电感EMI1起到共模滤波作用，电容C1做滤波同时起到差模干扰吸收；从而使得源极引脚为“电气”上的安静点,从而降低了EMI电子干扰，高带宽提供快速的无过冲启动及出色的瞬态负载响应，扩大了漏极与其它引脚间的爬电距离，提高了应用的可靠性
采用高速光耦隔离；对于高频交流模拟信号,供从直流到几K的频率内提供0.025％的线性度,这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行隔离,然后进行频率-电压转换得到隔离效果。
采用低失调高速运算电路；设计时选用高速元件，实行闭环反馈，结合旁路、滤波的设计达到高速并稳定的信号输出。
还内置NANDFLASH+SRAM+FRAM快速存储器；随机存储与片外存储紧密结合，存取速度更快，效率更高。
参见图9的电路图，由于场效应晶体管U15与场效应晶体管U16串联，耐压达到2kV，PCB布局加大间距，隔离耐压达到3kV，从而该电路图与中央处理模块相连后，促使储能模块能实现1200V可靠充电以及3000V的耐压隔离。
实施例2：
如图11所示，本实施例所描述的是实施例1中储能焊机中焊接控制系统的工作流程，具体工作流程如下：
S101、系统通电启动；
S102、各模块呈初始化状态；
S103、自检，利用电压检测模块、电流检测模块、位移检测模块和压力检测模块进行自行检测储能焊机的电源和气源是否正常；若正常，则执行S104，否则根据故障信息进行故障报警；
S104、系统运行，充电控制模块促使储能焊机的三相整流模块工作，对储能电容进行充电；
S105、启动焊接，
1)电压检测模块实时检测储能电容的电压；当储能电容的电压达到阈值时，执行S106；否则返回S104，继续充电；
2)储能焊机的三相整流模块关闭，焊接程序开始；
3)储能焊机的气缸下行压紧工件，系统的放电控制模块促使绝缘栅双极型晶体管IGBT导通，储能电容放电；
具体的，储能电容存储的电荷经过焊接变压器释放出焊接能量，对工件的焊接点进行瞬间放电，使工件的焊接点瞬间高温熔解，从而实现一次焊接；
S106、压力检测模块和位移检测模块对焊接过程中的气缸压力和气缸的活塞杆位移量进行检测数据是否正常，若正常，则执行S108，否则根据故障信息进行故障报警；
S107、进行将采集的数据进行存储、显示和回放数据列表；
S108、气缸回程，开始下一次充电或者结束系统。
上述中的控制系统信号传输的通信部分采用高速串口、双通信模块。采用级联式设计思想方便程序功能的删减。采用差分通讯方式，按照MODBUS_RTU的规约编写，启动后从站仪表为接收状态，中断方式完成收发。当接收到数据满足条件后，采用中断方式进行数据回送，通讯操作分成数据采集和信息写操作两种，同时增加扩展生产模式下的校准和检验通讯协议。主功能处理部分：包括AD、DI、DO、AI，其中AD处理各通道信号值，DI部分完成遥信和遥脉功能；DO部分完成遥控和驱动功能；AI完成遥测功能。
最后，综合实施例1和实施例2的技术方案得出：根据数据采集模块采集焊接参数，对焊接参数进行模数转换处理，并实时发送数字信号；与传统的SCR放电模式比较，本发明可以实现快速储能并精准放电的优势，对电阻焊焊机在焊接过程中的各个工艺点量化进行数据采集，全面监测，以便于生产者既可实时掌握和分析焊接质量，又可对历史数据进行追溯，其具有专业的焊接质量分析和对数据进行分析的功能，从而可分析焊接过程的质量，预报可能产生的焊接问题，也可对事故进行追溯，提高了工作效率的技术效果。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，包括：
中央处理模块；
绝缘栅双极型晶体管IGBT,根据放电控制模块的驱动控制来决定储能焊机中所存储的电能量是否瞬间释放；
放电控制模块，用于驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT关断或导通；
充电控制模块，用于控制是否对储能焊机进行充电储能；
充电控制模块和放电控制模块均与中央处理模块相连，放电控制模块与绝缘栅双极型晶体管IGBT相连，根据绝缘栅双极型晶体管IGBT是否关断的信号通过中央处理模块来控制充电控制模块。
2.根据权利要求1所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，还包括：
压力检测模块，对储能焊机中对焊接工件压紧定位的机构压紧定位焊接工件的压力进行检测；
位移检测模块，焊接工件经焊接后变形而促使对焊接工件压紧定位的机构自动位移的位移量进行检测；
电压检测模块，用于对储能焊机所储存的电能量中的电压进行检测；
电流检测模块，对储能焊机释放电能量后所输出的电流进行检测；
压力检测模块和位移检测模块均与中央处理模块相连，将压力检测模块和位移检测模块所检测到的数据传输至中央处理模块内运算处理后形成控制指令和数据参数；
电流检测模块、电压检测模块分别与中央处理模块相连，电压检测模块和电流检测模块所检测的数据中央处理模块内运算处理后形成控制指令，中央处理模块将控制指令输入至放电控制模块或充电控制模块中，促使放电控制模块或充电控制模块工作，以对储能焊机中所储存的电能量进行释放控制或对储能焊机的充电储能控制。
3.根据权利要求2所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，储能焊机包括三相电源、升压变压器、三相整流模块、储能模块和焊接变压器，三相电源连接在升压变压器的输入端，三相整流模块、储能模块和焊接变压器三者相互并联连接；绝缘栅双极型晶体管的发射极与储能模块相连，其集电极与焊接变压器相连，其门极与放电控制模块相连；焊接变压器的输出端位置处安装有压力传感器和位移传感器，压力检测模块与压力传感器相连，位移检测模块与位移传感器相连，焊接变压器的电流输出端上安装有电流传感器，电流检测模块与电流传感器相连；充电控制模块与三相整流模块相连，电压检测模块与储能模块相连。
4.根据权利要求3所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，电压检测模块包括充电电压HV、分压电路、电阻R59、运算放大器U18A、运算放大器U18B、光耦合器U24和运算放大器U49A，充电电压HV由储能模块输入，并输出至分压电路中后再经电阻R59输入至运算放大器U18A和运算放大器U18B中进行运放处理，运放处理后的电信号输入至光耦合器U24进行隔离输出至运算放大器U49A中还原采样电压，还原后采样电压信号输入至中央处理模块。
5.根据权利要求3所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，电流检测模块包括输出电流信号Signal_MU、积分电路U71A、精密滤波整形电路U71B和精密滤波整形电路U71C；输出电流信号Signal_MU由电流传感器输入，并输出至积分电路U71A中将采样电流还原，还原后采样电流经精密滤波整形电路U71B和精密滤波整形电路U71C滤波整形后输出至中央处理模块。
6.根据权利要求3所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，压力检测模块包括输出电流信号Signal_YL和运算放大器U49D；输出电流信号Signal_YL由压力传感器输入，并输出至运算放大器U49D中，运算放大器U49D的输出端与中央处理模块相连。
7.根据权利要求3所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，位移检测电路包括输出电流信号Signal_WY和运算放大器U49C；输出电流信号Signal_WY由位移传感器输入，并输出至运算放大器U49C中，运算放大器U49C的输出端与中央处理模块相连。
8.根据权利要求3所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，充电控制模块包括充电脉冲PWM MAC、光耦合器U43和脉冲变压器T3，充电脉冲PWM MAC由中央处理模块输入，并输出至光耦合器U43中，光耦合器U43与脉冲变压器T3相连，脉冲变压器T3的输出端与三相整流模块相连。
9.根据权利要求3所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，放电控制模块包括放电脉冲PWMA、光耦合器U50、三极管Q8、三极管Q15和三极管Q16；放电脉冲PWMA有中央处理模块输入，并输出至光耦合器U50，光耦合器U50与三极管Q8相连，三极管Q8分别三极管Q15和三极管Q16相连，三极管Q15和三极管Q16的发射极均与绝缘栅双极型晶体管IGBT的门极相连。
10.根据权利要求3所述的储能焊机的焊接控制系统，其特征在于，还包括对控制系统中的各模块进行供电的供电系统、对储能模块进行充电的充电保护模块，供电系统包括PCB电源、抗干扰模块和24V开关电源，PCB电源、抗干扰模块和24V开关电源相互串联，PCB电源对控制系统的各模块进行供电。
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