CN110449694A - 一种tig焊弧长闭环控制电路 - Google Patents

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袁勇
鲁金涛
党莹樱
杨珍
谷月峰
严靖博
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Abstract

本发明公开了一种TIG焊弧长闭环控制电路，属于焊接自动化领域，包括封装在印刷电路板上的信号采集模块、A/D转换模块及单片机；其中，信号采集模块的一端用于与焊枪连接，另一端依次连接A/D转换模块和单片机。本发明可根据电弧电压的波动自动输出弧长调整的信号控制焊枪伺服机构调整焊枪高度，进而保持焊接弧长的稳定。本发明电路可通过串口编写及修改控制程序，以灵活适用不同的焊接工况。与现有的TIG焊弧长跟踪电路相比，具有电路结构简单、成本低，可兼容现有的步进电机驱动的焊枪伺服机构，可广泛用于有色金属薄壁件的长距离焊接。

Description

一种TIG焊弧长闭环控制电路
技术领域
本发明属于焊接自动化领域，具体涉及一种基于单片机编程自动控制的TIG焊弧长闭环调节电路。
背景技术
在机械、化工、能源等领域设备制造中，有色金属(合金)的薄壁件的焊接生产量大，常用到TIG焊。由于薄壁件焊接的热输入较小，焊接过程中遇到焊接接头高低起伏引起焊接弧长的变化，进而导致焊接电弧电压的波动，易发生未焊透、未熔合及焊穿的情况。
传统上通常是焊工通过观察手动调整焊枪高度，来保持焊接弧长，但往往因人工调节的速度和精度不够，而无法消除焊接缺陷。现有的弧长跟踪系统价格较高，且可靠度、灵敏度不够理想。
根据TIG焊弧压特性，焊接弧长与电弧电压具有正相关性，采用单片机进行自动负反馈控制，既灵活可靠、兼容性强、应用范围广，成本又较为低廉，且采用数字信号反应时间大幅缩短。
发明内容
本发明的目的是针对现有的薄板TIG焊过程中弧长波动的情况，提出了一种电路设计合理、性价比高的TIG焊弧长闭环控制电路。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种TIG焊弧长闭环控制电路，包括封装在印刷电路板上的信号采集模块、A/D转换模块及单片机；其中，
信号采集模块的一端用于与焊枪连接，另一端依次连接A/D转换模块和单片机。
本发明进一步的改进在于，信号采集模块包括依次连接的弧压采集电路、低通滤波电路、降压电路和信号放大电路。
本发明进一步的改进在于，弧压采集电路包括电阻R1、集成运算放大器CF1和电阻R2，电阻R1的一端和集成运算放大器CF1的反相输入端与焊枪连接，电阻R1的另一端与工件连接，集成运算放大器CF1的同相输入端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端和集成运算放大器CF1的输出端与低通滤波单元连接。
本发明进一步的改进在于，低通滤波电路包括电阻R3至R6，电容C1、C2，以及集成运算放大器CF2，电阻R3的一端与弧压采集电路连接，另一端分别与电阻R4的一端和电容C1的一端连接，电阻R4的另一端与电容C2的一端和集成运算放大器CF2的反相输入端连接，电容C2的另一端与工件连接，电阻R5的一端与工件连接，另一端与电阻R6的一端和集成运算放大器CF2的同相输入端连接，电阻R6的另一端、集成运算放大器CF2的输出端以及电容C1的另一端与降压电路连接。
本发明进一步的改进在于，降压电路包括电阻R7至R10以及集成运算放大器CF3，电阻R7的一端与低通滤波电路连接，另一端与电阻R8的一端和集成运算放大器CF3的反相输入端连接，电阻R8的另一端与工件连接，电阻R9的一端接入电源，另一端与电阻R10的一端和集成运算放大器CF3的同相输入端连接，电阻R10的另一端和集成运算放大器CF3的输出端与信号放大电路连接。
本发明进一步的改进在于，信号放大电路包括电阻R11至R13以及集成运算放大器CF4，电阻R11的一端与降压电路连接，另一端与集成运算放大器CF4的反相输入端连接，电阻R12的一端与工件连接，另一端与集成运算放大器CF4的同相输入端和电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端和集成运算放大器CF4的输出端与A/D转换模块连接。
本发明进一步的改进在于，A/D转换模块采用A/D装换芯片AD将采集信号转换为8位数字信号。
本发明进一步的改进在于，A/D转换模块采用8位A/D转换芯片ADC0809，单片机采用AT89S52单片机，用于将模拟弧压信号转换为数字信号，模拟输入信号从A/D转换芯片的IN-0端口输入，转换后的8位数字信号由D0～D7端口输出；A/D转换芯片的D0～D7端口输出的数字信号顺序接入单片机的P0～P7端口，单片机的RD端口和WD端口通过非门电路分别与A/D转换芯片的ENABLE端口和ALE端口连接，来控制A/D转换芯片的读取；采集信号经过单片机运算处理后，从P13和P14端口输出脉冲控制信号来控制机构动作。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种TIG焊弧长闭环控制电路，通过封装在印刷电路板(PCB)上的信号采集模块、A/D转换模块和单片机组成，可通过通讯串口对单片机进行编程和修改，以适用不同的焊接工况。此外，可在焊接过程中对TIG焊弧长实现闭环实时负反馈调节，适用于直流正接及直流反接极性电压在11～17V范围内的TIG焊接。
综上，本发明可进行实时调节，响应速度快，成本低，且可对单片机进行编程和修改，以适用不同的焊接工况，应用范围广、兼容性强。
附图说明
图1为本发明TIG焊弧长闭环控制电路的拓扑结构图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
参见图1，一种TIG焊弧长闭环控制电路，由封装在印刷电路板上的信号采集模块、A/D转换模块和单片机组成，采用12V直流供电。
(1)信号采集模块
采用集成运算放大器CF1和电阻R1(2MΩ)、R2(510Ω)构成弧压采集电路。R1在输入端+与焊接工件相接，R2连接运算放大器CF1输出端及输入端－作为反馈电阻，以平衡内阻，这样大幅提高了电弧电压信号的精度和稳定性。
采用集成运算放大器CF2和电阻R3(1KΩ)、R4(1KΩ)、R5(3.9KΩ))、R6(3.9KΩ)以及电容C1(1μF)、C2(1μF)构成二阶有源的低通滤波电路。电阻R3、R4顺向串联至CF2的输入端+，电容C1从电阻R3、R4之间连接(分压)与CF2的输出端相连，电容C2从电阻R4、CF2的输入端+之间连接(分压)与被焊工件相连。电阻R5、R6从CF2的输出端顺向串联至被焊工件，CF2输入端－连接至电阻R5、R6之间。使用运算放大器作为有源滤波相对于传统的一阶无源的滤波效果要好。
采用集成运算放大器CF3和电阻R7(20KΩ)、R8(20KΩ)、R9(20KΩ))、R10(20KΩ)构成降压电路。信号经电阻R7、R8顺向串联至被焊工件，CF3输入端+连接至电阻R7、R8之间。R9、R10从CF3的输出端顺向串联至12V电源，CF3输入端－连接至电阻R9、R10之间。这样可对滤波后的信号降低12V，控制在5V以内，以保证后续A/D转换的需要。
采用集成运算放大器CF4和电阻R11(1KΩ)、R12(1KΩ)、R13(1KΩ)构成信号放大电路。信号经电阻R11联至CF4输入端+，电阻R12、R13从CF4的输出端顺向串联至被焊工件，CF4输入端－连接至电阻R12、R13之间。
(2)A/D转换模块
使用8位A/D转换芯片ADC0809将模拟弧(电)压信号转换为数字信号，采用5V直流供电。模拟输入信号从A/D转换芯片的IN-0端口输入，转换后的8位数字信号由D0～D7端口输出。
(3)单片机
使用成本较低的AT89S52单片机，采用5V直流供电。从A/D转换芯片的D0～D7端口输出的数字信号顺序接入单片机的P0～P7端口；单片机的RD端口和WD端口通过非门电路分别与A/D转换芯片的ENABLE端口和ALE端口连接，来控制A/D转换芯片的读取。采集信号经过单片机运算处理后，从P13和P14端口输出脉冲控制信号来控制(步进电机)伺服机构动作。
工作时，单片机的控制程序是对TIG焊实时采集，并与设定的标准弧压相比较。如果采集的弧压信号在标准弧压的(误差)范围内，则可认为对应的焊接弧长满足要求，程序控制不作任何调节；如果弧压信号一旦超过了标准弧压的(误差)范围，则单片机通过程序计算焊机弧长调节矢量(包括调节方向和大小)，输出脉冲信号给步进电机进行正/反转，从而带动焊枪上下移动来调节弧长。
焊接开始后，只要采集到的电弧电压不为零，程序一直执行循环，一直运行到焊接结束。

Claims (8)

1.一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，包括封装在印刷电路板上的信号采集模块、A/D转换模块及单片机；其中，
信号采集模块的一端用于与焊枪连接，另一端依次连接A/D转换模块和单片机。
2.根据权利要求1所述的一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，信号采集模块包括依次连接的弧压采集电路、低通滤波电路、降压电路和信号放大电路。
3.根据权利要求2所述的一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，弧压采集电路包括电阻R1、集成运算放大器CF1和电阻R2，电阻R1的一端和集成运算放大器CF1的反相输入端与焊枪连接，电阻R1的另一端与工件连接，集成运算放大器CF1的同相输入端与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端和集成运算放大器CF1的输出端与低通滤波单元连接。
4.根据权利要求2所述的一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，低通滤波电路包括电阻R3至R6，电容C1、C2，以及集成运算放大器CF2，电阻R3的一端与弧压采集电路连接，另一端分别与电阻R4的一端和电容C1的一端连接，电阻R4的另一端与电容C2的一端和集成运算放大器CF2的反相输入端连接，电容C2的另一端与工件连接，电阻R5的一端与工件连接，另一端与电阻R6的一端和集成运算放大器CF2的同相输入端连接，电阻R6的另一端、集成运算放大器CF2的输出端以及电容C1的另一端与降压电路连接。
5.根据权利要求2所述的一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，降压电路包括电阻R7至R10以及集成运算放大器CF3，电阻R7的一端与低通滤波电路连接，另一端与电阻R8的一端和集成运算放大器CF3的反相输入端连接，电阻R8的另一端与工件连接，电阻R9的一端接入电源，另一端与电阻R10的一端和集成运算放大器CF3的同相输入端连接，电阻R10的另一端和集成运算放大器CF3的输出端与信号放大电路连接。
6.根据权利要求2所述的一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，信号放大电路包括电阻R11至R13以及集成运算放大器CF4，电阻R11的一端与降压电路连接，另一端与集成运算放大器CF4的反相输入端连接，电阻R12的一端与工件连接，另一端与集成运算放大器CF4的同相输入端和电阻R13的一端连接，电阻R13的另一端和集成运算放大器CF4的输出端与A/D转换模块连接。
7.根据权利要求1所述的一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，A/D转换模块采用A/D装换芯片AD将采集信号转换为8位数字信号。
8.根据权利要求1所述的一种TIG焊弧长闭环控制电路，其特征在于，A/D转换模块采用8位A/D转换芯片ADC0809，单片机采用AT89S52单片机，用于将模拟弧压信号转换为数字信号，模拟输入信号从A/D转换芯片的IN-0端口输入，转换后的8位数字信号由D0～D7端口输出；A/D转换芯片的D0～D7端口输出的数字信号顺序接入单片机的P0～P7端口，单片机的RD端口和WD端口通过非门电路分别与A/D转换芯片的ENABLE端口和ALE端口连接，来控制A/D转换芯片的读取；采集信号经过单片机运算处理后，从P13和P14端口输出脉冲控制信号来控制机构动作。
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