CN113031533A - 一种钢轨交流闪光焊的控制方法、装置及焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢轨闪光焊技术领域，具体涉及一种钢轨交流闪光焊的控制方法、装置及焊接设备，使用控制器和电液伺服阀来实现动夹具的高速响应，控制信号响应准确迅速。采用控制器的固定扫描周期而非定时器的方式来控制振动周期，消除了定时器误差的影响。在实时计算而来的烧化速度上叠加振动，使动夹具脉动送进，提高了最小电流值，增加了焊接效率。基于电流反馈实现速度调节控制，系统灵活度高，可适用于不同机型的闪光焊机。

Description

一种钢轨交流闪光焊的控制方法、装置及焊接设备

技术领域

本发明涉及钢轨闪光焊技术领域，具体而言，涉及一种钢轨闪光焊的控制方法、装置及焊接设备。

背景技术

现有钢轨闪光焊分为交流闪光焊和直流闪光焊，其各有特点。直流闪光焊终常用的预热闪光焊对设备要求高且负载大，不利于设备寿命。交流闪光焊采用电流反馈实时调节送进速度的控制方式，但是其小焊接电流较小，普遍低于100A，并且在焊接开始的预闪和高压阶段，闪光很少，对接头端面保护不够好。

并且现有交流闪光焊控制方式由于速度调节的区间很大，因此输出到电液伺服阀的信号变化就很大，油压变化大，对油缸和输油管的负载大，不利于设备寿命。并且现有交流闪光焊控制方式的电压波动也大，对发电机寿命影响较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢轨交流闪光焊的控制方法，以提高最低控制电流，提高闪光效率，使得高压阶段闪光密集且连续，进而提高加热效率和焊接质量。

本发明的另一目的在于提供一种钢轨交流闪光焊的控制装置，以提高最低控制电流，提高闪光效率，使得高压阶段闪光密集且连续，进而提高加热效率和焊接质量。

本发明的另一目的在于提供一种焊接设备，以提高最低控制电流，提高闪光效率，使得高压阶段闪光密集且连续，进而提高加热效率和焊接质量。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提供了一种钢轨交流闪光焊的控制方法，所述方法应用于焊接设备内的控制器，所述焊接设备还包括寄存器、电液伺服阀以及动夹具，所述方法包括：采集所述焊接设备进行焊接工作时的实时电流；当所述实时电流小于第一电流值，按照预设前进速度控制所述动夹具前进；当所述实时电流大于第一电流值且小于第二电流值，按照脉动送进速度逐步控制所述动夹具前进，所述脉动送进速度按照预设脉动波形振动叠加实时烧化速度计算得到，所述实时烧化速度依据所述动夹具的实时位移计算得到；当所述实时电流大于第二电流值，按照预设后退速度控制所述动夹具后退。

第二方面，本发明实施例还提供了一种钢轨交流焊的控制装置，所述装置应用于焊接设备内的控制器，所述焊接设备还包括寄存器、电液伺服阀以及动夹具，所述装置包括：采集模块，用于采集所述焊接设备进行焊接工作时的实时电流；第一控制模块，用于当所述实时电流小于第一电流值，按照预设前进速度控制所述动夹具前进；第二控制模块，用于当所述实时电流大于第一电流值且小于第二电流值，按照脉动送进速度逐步控制所述动夹具前进，所述脉动送进速度按照预设脉动波形振动叠加实时烧化速度计算得到，所述实时烧化速度依据所述动夹具的实时位移计算得到；第三控制模块，用于当所述实时电流大于第二电流值，按照预设后退速度控制所述动夹具后退。

第三方面，本发明实施例还提供了一种焊接设备，所述焊接设备包括控制器、寄存器、电液伺服阀以及动夹具，所述控制器执行所述方法通过控制所述寄存器、电液伺服阀对动夹具进行运动，以实现对钢轨的闪光焊焊接。

本发明实施例提供的钢轨交流闪光焊的控制方法、装置及焊接设备，使用控制器和电液伺服阀来实现动夹具的高速响应，控制信号响应准确迅速。采用控制器的固定扫描周期而非定时器的方式来控制振动周期，消除了定时器误差的影响。在实时计算而来的烧化速度上叠加振动，使动夹具脉动送进，提高了最小电流值，增加了焊接效率。基于电流反馈实现速度调节控制，系统灵活度高，可适用于不同机型的闪光焊机。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例提供的一种钢轨交流闪光焊的控制方法的流程示意图。

图2示出了本发明实施例提供的一种预设脉动波形的示意图。

图3示出了本发明实施例提供的一种速度与时间的关系示意图。

图4示出了本发明实施例提供的一种钢轨交流闪光焊的控制装置的功能模块示意图。

图示：

100-钢轨交流闪光焊的控制装置；110-采集模块；120-第一控制模块；130-第二控制模块；140-第三控制模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

随着高速铁路的发展，钢轨的应用越来越广泛，也越来越重要。其中，钢轨总的焊接阶段包括预闪阶段、高压阶段、低压阶段、加速阶段、顶锻阶段和保压推瘤阶段，其中：

顶闪阶段，是将焊件端面加热熔化形成液桥爆破，对接头进行预先加热，为高压阶段做准备。

高压I阶段，使用新型脉动闪光加热控制方式，在低速高压的情况下持续加热，闪光密集加热效果好，继续加热接头，为端面营造一个良好的热场，此时最小电流增大，电流曲线上升。

高压II阶段，使用新型脉动闪光加热控制方式，在高速的情况下加热，电压相比高压I有所减小，闪光更密集，加热效率再次提高，此时最小电流再次增大，电流曲线再次上升。

低压及加速阶段，在预闪和高压营造的良好热场下，进行连续闪光继续加热接头。

顶锻阶段，挤焊缝的过量金属，完成塑性变形。

保压推瘤阶段，将焊瘤使用推瘤刀推出，完成焊接。

常规的钢轨脉动交流闪光焊加热控制方式，在高压阶段时，电流会在动夹具后退时出现猛降的情况，通常会降低至100A以下，随后随着夹具的送进再次回升，呈现一种“大开大合”的趋势，并且闪光不密集不连续。为此，本申请在研究钢轨交流闪光焊加热控制方式的基础上，经过大量实验发现：结合原有钢轨交流脉动闪光焊加热控制模型，将电流值I1到电流值I2之间的控制模型更改为烧化速度叠加振动，不仅可将最低电流提高，并且还提高了钢轨闪光频率，使高压阶段闪光密集且连续，提高端面平整度，进而提高了加热效率和焊接质量。

本申请提供一种焊接设备，该焊接设备包括但不限于，控制器、寄存器、电液伺服阀以及动夹具，该控制器通过控制寄存器、电液伺服阀操控动夹具按照脉动波形叠加烧化速度运动，以实现钢轨交流闪光焊。其中，控制器可以为可编程逻辑控制器(PLC，Programmable Logic Controller)，也可以为其他可以实现相同功能的控制器，且本控制方法适用于不同型号之间的钢轨焊接，如将型号为U75V及UIC60E1钢轨进行焊接。

请参照图1，是本发明实施例提供的一种钢轨交流闪光焊的控制方法的流程示意图。该控制方法应用于焊接设备的控制器上，该方法具体包括：

S110，采集所述焊接设备进行焊接工作时的实时电流。

具体为，该焊接设备还包括霍尔传感器、变压器、板卡，进而可以通过霍尔传感器获得变压器原边电流，采集板卡采集该电流值将其传送给PLC的AD，此采样周期约为200hz，PLC使用该采集到的电流进行计算和控制。

S120，当所述实时电流小于第一电流值，按照预设前进速度控制所述动夹具前进。

具体为，当焊接工艺为第一高压阶段时，所述第一高压阶段的电压范围区间为370～380V，其中，所述第一电流值为150～200A，所述预设前进速度为0.9～1.3mm*s-1,则此时当实时电流小于150～200A时，将按照0.9～1.3mm*s-1的速度控制所述动夹具前进；

当焊接工艺为第二高压阶段时，所述第二高压阶段的电压范围区间为360～370V，其中，所述第一电流值为250A，所述预设前进速度为1.3～1.6mm*s-1，则此时当实时电流小于250A时，则按照1.3～1.6mm*s-1的速度控制所述动夹具前进。

S130，当所述实时电流大于第一电流值且小于第二电流值，按照脉动送进速度逐步控制所述动夹具前进，所述脉动送进速度按照预设脉动波形振动叠加实时烧化速度计算得到，所述实时烧化速度依据所述动夹具的实时位移计算得到。

具体为，如图2所示，是本申请实施例提供的一种预设脉动波形的示意图，当焊接工艺为第一高压阶段，所述第一高压阶段的电压范围为370～380V，所述预设脉动波形的频率为2.5～5hz，第一时间区间段的振幅为0.05～0.2mm，第二时间区间段的振幅为-0.08～-0.2mm；

当焊接工艺为第二高压阶段，所述第二高压阶段的电压范围为360～370V，所述预设脉动波形的频率为2.5～5hz，第一时间区间段的振幅为0.05～0.2mm，第二时间区间段的振幅为0.05～0.2mm。

进一步地，第一时间区间段为0～t2，第二时间区间段为t2～t4，图中振幅可用A进行表示。

需要说明的是，本申请考虑到定时器精度问题，使用PLC的固定扫描周期来完成振动的波形计时。所述振动波形的计时方式：固定PLC的扫描周期为10ms，使用寄存器D表示10ms标志位，每扫描一次标志位+1，即表示脉动波形过了10ms，以此来调节频率。

此外，实时烧化速度的计算方式为：

其中，V_烧化为实时烧化速度，S为每次预设脉动波形公开时对应的实际位移；当处于第一高压阶段时，v_始＝0.1mm*s-1，v_终＝0.15mm*s-1，S_终＝5-10mm；当处于第二高压阶段时，v_始＝0.15mm*s-1，v_终＝0.2mm*s-1，S_终＝5-10mm。

进一步地，由T＝1/f及t1/t2计算出t1，t2,t3,t4。通过脉动的频率和振幅计算出S-t曲线，根据S-t曲线,由v＝s/t计算出脉动的v-t曲线，将该v-t曲线与由实时位移计算而来的烧化送进速度叠加，得到整体的v-t曲线，如图3所示速度与时间的示意图。

进而，当实时电流大于第一电流值且小于第二电流值时，则按照预设脉动波形振动叠加实时烧化速度计算得到的脉动送进速度，控制动夹具前进。

S140，当所述实时电流大于第二电流值，按照预设后退速度控制所述动夹具后退。

具体为，当所述实时电流大于第二电流值且小于第三电流值，按照第一预设后退速度控制所述动夹具后退；当所述实时电流大于第三电流值，按照第二预设后退速度控制所述动夹具后退。

进一步地，当处于第一高压阶段时，第二电流值为500～600A，第一预设后退速度为-0.7～-1.0mm*s-1，第二预设后退速度为-1.0～-1.5mm*s-1；

当处于第二高压阶段时，第二电流值为650A，第一预设后退速度为-0.8～-1.2mm*s-1，第二预设后退速度为-0.9～-1.5mm*s-1。

采用上述参数可有效提高焊接电流最小值，让其在高压I阶段最小电流稳定在130A以上，在高压II阶段稳定在150A以上，并且提高电流平均值，增大了热输入。其与一般的钢轨交流闪光焊不同，一般的钢轨交流闪光焊通常在高压II末期或低压I开始之后，由于热量的积累，才会开始剧烈闪光。而本脉动控制方式可使焊接阶段进入高压I5s内，闪光就开始连续且密集，有效地保护了接头端面，提高了平整度，从而提高焊接质量。

因此，本申请提出的钢轨交流焊的控制方法包括但不限于如下有益效果：

1.可以提高最低焊接电流，改善接头端面平整度，提高焊接效率和焊接质量，可获得满足使用要求的钢轨焊接接头。

2.使用PLC和电液伺服阀来实现动夹具的高速响应，控制信号响应准确迅速。采用PLC固定扫描周期而非定时器的方式来控制振动周期，消除了定时器误差的影响。在实时计算而来的烧化速度上叠加振动，使动夹具脉动送进，提高了最小电流值，增加了焊接效率。基于电流反馈实现速度调节控制，系统灵活度高，可适用于不同机型的闪光焊机。

3.与常规钢轨闪光焊相比，本申请提出的控制方法在进入高压I的5s内开始密集连续地闪光，并且电液伺服阀的压力变化不大。从大量试验中可看出，电压变化波动小，电液伺服阀压力变化小，对焊接系统的发电机影响小，有利于系统长时间运行。

进一步地，在每个时间节点计算得到预设前进速度、脉动送进速度以及预设后退速度后，还需要将各个速度转换成电液伺服阀可以识别的电压输入，以便于电液伺服阀输出额定压力控制动夹具按照既定要求对钢轨进行焊接。由于电液伺服阀输入的是电压，故首先要对速度进行标定计算，通过测量换算转换为对应的寄存器的值，进而由寄存器对电液伺服阀输出对应的电压，以便于电液伺服阀控制动夹具对钢轨进行焊接。具体为：

使用10s定时器，计算在设置参数下该时间内动夹具走过的位移，根据v＝s/t计算得出对应的速度，此时寄存器的值即对应该速度。在选取四个常用的速度，±v_标定1mm*s-1、±v_标定2mm*s-1，测量该四个速度对应的寄存器值，分别记为D_v标定1、|D_-v标定1|、D_v标定2、|D_-v标定2|。保存在寄存器中的值均为正，负值只需要将该正值取反+1即可得到，由这四组值可组成两个一次函数，其余的速度可由该一次函数计算而来，公式如下：

正：

负：

Dv_负＝Dv′取反+1

其中，Dv_正和Dv_负即为各个速度v对应的寄存器D的值，当实时电流小于第一电流值时，以及实时电流大于第二电流值时，±v_标定1的值为±0.6mm*s-1，±v_标定2的值为±1.6mm*s-1，当实时电流的值处于第一电流值和第二电流值之间时，±v_标定1的值为±0.1mm*s-1，±v_标定2的值为±v标定2。

进而将预设前进速度、脉动送进速度以及预设后退速度代入上述公式即可得到对应的寄存器的值，进而寄存器可将对应的电压给到电液伺服阀，由电液伺服阀输出额定压力控制动夹具以对应速度运动以对钢轨进行焊接。

请参照图4，是本申请实施例提供的一种钢轨交流焊的控制装置的功能模块示意图，该钢轨交流焊的控制装置100包括采集模块110、第一控制模块120、第二控制模块130以及第三控制模块140。

采集模块110，用于采集所述焊接设备进行焊接工作时的实时电流。

在本发明实施例中，S110可以由采集模块110执行。

第一控制模块120，用于当所述实时电流小于第一电流值，按照预设前进速度控制所述动夹具前进。

在本发明实施例中，S120可以由第一控制模块120执行。

第二控制模块130，用于当所述实时电流大于第一电流值且小于第二电流值，按照脉动送进速度逐步控制所述动夹具前进，所述脉动送进速度按照预设脉动波形振动叠加实时烧化速度计算得到，所述实时烧化速度依据所述动夹具的实时位移计算得到。

在本发明实施例中，S130可以由第二控制模块130执行。

第三控制模块140，用于当所述实时电流大于第二电流值，按照预设后退速度控制所述动夹具后退。

在本发明实施例中，S140可以由第三控制模块140执行。

由于在钢轨交流焊的控制方法部分已经详细描述，在此不再赘述。

综上所述，本申请提供一种钢轨交流闪光焊的控制方法、装置及焊接设备，使用控制器和电液伺服阀来实现动夹具的高速响应，控制信号响应准确迅速。采用控制器的固定扫描周期而非定时器的方式来控制振动周期，消除了定时器误差的影响。在实时计算而来的烧化速度上叠加振动，使动夹具脉动送进，提高了最小电流值，增加了焊接效率。基于电流反馈实现速度调节控制，系统灵活度高，可适用于不同机型的闪光焊机。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种钢轨交流闪光焊的控制方法，其特征在于，所述方法应用于焊接设备内的控制器，所述焊接设备还包括寄存器、电液伺服阀以及动夹具，所述方法包括：

采集所述焊接设备进行焊接工作时的实时电流；

当所述实时电流小于第一电流值，按照预设前进速度控制所述动夹具前进；

当所述实时电流大于第一电流值且小于第二电流值，按照脉动送进速度逐步控制所述动夹具前进，所述脉动送进速度按照预设脉动波形振动叠加实时烧化速度计算得到，所述实时烧化速度依据所述动夹具的实时位移计算得到；

当所述实时电流大于第二电流值，按照预设后退速度控制所述动夹具后退。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述实时电流小于第一电流值，按照预设前进速度控制所述动夹具前进的步骤包括：

当焊接工艺为第一高压阶段时，所述第一高压阶段的电压范围区间为370～380V，其中，所述第一电流值为150～200A，所述预设前进速度为0.9～1.3mm*s-1,则此时当实时电流小于150～200A时，将按照0.9～1.3mm*s-1的速度控制所述动夹具前进；

当焊接工艺为第二高压阶段时，所述第二高压阶段的电压范围区间为360～370V，其中，所述第一电流值为250A，所述预设前进速度为1.3～1.6mm*s-1，则此时当实时电流小于250A时，则按照1.3～1.6mm*s-1的速度控制所述动夹具前进。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当焊接工艺为第一高压阶段，所述第一高压阶段的电压范围为370～380V，所述预设脉动波形的频率为2.5～5hz，第一时间区间段的振幅为0.05～0.2mm，第二时间区间段的振幅为-0.08～-0.2mm；

当焊接工艺为第二高压阶段，所述第二高压阶段的电压范围为360～370V，所述预设脉动波形的频率为2.5～5hz，第一时间区间段的振幅为0.05～0.2mm，第二时间区间段的振幅为0.05～0.2mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实时烧化速度的计算方式为：

其中，V_烧化为实时烧化温度，S为每次预设脉动波形公开时对应的实际位移；当处于第一高压阶段时，v_始＝0.1mm*s-1，v_终＝0.15mm*s-1，S_终＝5-10mm；当处于第二高压阶段时，v_始＝0.15mm*s-1，v_终＝0.2mm*s-1，S_终＝5-10mm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当所述实时电流大于第二电流值，按照预设后退速度控制所述动夹具后退的步骤包括：

当所述实时电流大于第二电流值且小于第三电流值，按照第一预设后退速度控制所述动夹具后退；

当所述实时电流大于第三电流值，按照第二预设后退速度控制所述动夹具后退。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，当处于第一高压阶段时，第二电流值为500～600A，第一预设后退速度为-0.7～-1.0mm*s-1，第二预设后退速度为-1.0～-1.5mm*s-1；

当处于第二高压阶段时，第二电流值为650A，第一预设后退速度为-0.8～-1.2mm*s-1，第二预设后退速度为-0.9～-1.5mm*s-1。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，分别依据所述预设前进速度、脉动送进速度以及预设后退速度控制所述动夹具运动的方法包括：

将所述预设前进速度、脉动送进速度以及预设后退速度分别代入预定义转换公式分别计算得到对应速度下所述寄存器对应的参数，以便于所述寄存器依据所述参数控制所述电液伺服阀输出额定压力控制所述动夹具运动。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预定义转换公式为：

正：

负：

Dv_负＝Dv′取反+1

其中，Dv_正和Dv_负即为各个速度v对应的寄存器D的值，当实时电流小于第一电流值时，以及实时电流大于第二电流值时，±v_标定1的值为±0.6mm*s-1，±v_标定2的值为±1.6mm*s-1，当实时电流的值处于第一电流值和第二电流值之间时，±v_标定1的值为±0.1mm*s-1，±v_标定2的值为±v标定2。

9.一种钢轨交流焊的控制装置，其特征在于，所述装置应用于焊接设备内的控制器，所述焊接设备还包括寄存器、电液伺服阀以及动夹具，所述装置包括：

采集模块，用于采集所述焊接设备进行焊接工作时的实时电流；

第一控制模块，用于当所述实时电流小于第一电流值，按照预设前进速度控制所述动夹具前进；

第二控制模块，用于当所述实时电流大于第一电流值且小于第二电流值，按照脉动送进速度逐步控制所述动夹具前进，所述脉动送进速度按照预设脉动波形振动叠加实时烧化速度计算得到，所述实时烧化速度依据所述动夹具的实时位移计算得到；

第三控制模块，用于当所述实时电流大于第二电流值，按照预设后退速度控制所述动夹具后退。

10.一种焊接设备，其特征在于，所述焊接设备包括控制器、寄存器、电液伺服阀以及动夹具，所述控制器执行如权利要求1-8任意一项所述的方法通过控制所述寄存器、电液伺服阀对动夹具进行运动，以实现对钢轨的闪光焊焊接。

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