CN113843487A - 电阻焊接系统 - Google Patents

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Abstract

一种功率输送系统包括功率输入通道、AC/DC转换器、一个或多个控制器电路、可控硅整流器、变压器和输出引线对。功率输入通道从电源接收交流电。AC/DC转换器将交流电转换为在转换器输出处的直流电。一个或多个控制器电路与转换器输出连接并且控制指示在期望时间内输送的期望功率电平的信号。可控硅整流器与功率输入通道连接并控制与该信号成比例的SCR输出电压到SCR输出通道。变压器将来自初级侧的SCR输出电压减少成在次级侧上的次级电压。该输出引线对与次级侧的多极连接。焊接接头设置在该输出引线对之间。一个或多个控制器电路基于期望功率电平和期望时间来确定施加到可控硅整流器的、熔化焊接接头所需的信号，从而熔化设置在该输出引线对之间的焊接接头。

Description

电阻焊接系统
本申请是申请日为2019年6月19日、申请号为201910531588.6、名称为“电阻焊接系统”的中国发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年6月20日提交的申请号为16/012,919的美国专利申请的权益，其全部公开内容藉此通过引用并入本发明中。
技术领域
本公开总体上涉及一种焊接系统，更具体地涉及一种电阻焊接系统。
背景技术
使用电阻焊接工艺焊接电子元件是已知的。焊接接头(solder joint)的质量受到在电阻焊接工艺期间施加的总能量的影响。
附图说明
现将参照附图通过示例的方式描述本发明，其中：
图1是根据一个实施例的电阻焊接系统的示意图；
图2A是示出根据一个实施例的图1的电阻焊接系统随时间输送的功率的图；
图2B是示出根据一个实施例的图1的电阻焊接系统随时间输送的功率的另一曲线图；
图2C是示出根据一个实施例的图1的电阻焊接系统随时间输送的功率的又一曲线图；
图3是根据一个实施例的图1的电阻焊接系统的控制器电路的示意图；
图4是根据不同实施例的图1的电阻焊接系统的另一控制器电路的示意图；以及
图5是示出根据另一实施例的操作图1的电阻焊接系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照实施例，在附图中示出这些实施例的示例。在以下详细描述中，阐述了众多具体细节以便提供对各个所描述的实施例的透彻理解。然而，对本领域的普通技术人员将显而易见的是，无需这些具体细节就可实践所描述的各种实施例。在其它实例中，并未对公知方法、程序、部件、电路以及网络进行详细描述以免不必要地模糊各实施例的各方面。
图1示出了电阻焊接系统10，以下称为系统10。如本文中将更详细描述的，系统10是有益的，因为系统10控制在指定的时间内输送到焊接接头(未图示)以熔化焊接接头的功率。系统10包括从电源(例如连接到电网的电源插座-未图示)接收交流电14的功率输入通道12。电源可以是任何电源，并且在图1所示的示例中是120伏AC(120VAC)电源。
系统10还包括与功率输入通道12电性连通的AC到DC转换器16(AC/DC转换器16)。AC/DC转换器16将交流电14的一部分转换成在转换器输出20处的直流电18。AC/DC转换器16可以是任何类型的AC/DC转换器，并且在图1所示的示例中产生大约24VDC的输出电压。
系统10还包括与转换器输出20电性连通的一个或多个控制器电路22。一个或多个控制器电路22控制指示在期望时间28内输送的期望功率电平(desired-power-level)26的信号24。在图1所示的示例中，该信号24是在0mA至20mA范围内的电流信号。在另一实施例(未图示)中，该信号24是电压信号。一个或多个控制器电路22可以包括处理器(未图示)，诸如为微处理器或者其他控制电路系统，该其他控制电路系统诸如包括对本领域的技术人员显而易见的用于处理数据的专用集成电路(ASIC)的模拟和/或数字控制电路系统。一个或多个控制器电路22可以包括存储器30，存储器30包括非易失性存储器，诸如用于存储一个或多个例程、阈值和捕获数据的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。如上所述的，处理器可以执行一个或多个例程以执行用于控制信号24的步骤。一个或多个控制器电路22可以分布在整个系统10中并且通过线束(未具体图示)彼此通信，或者可以容纳在共同的外壳中。将理解的是，一个或多个控制器电路22可以是分开的电路、相同的电路、彼此的子系统或其任何组合。还将理解的是，由一个或多个控制器电路22执行的功能可以由每个单独的控制器电路22处理或者在它们之间分布(例如负载平衡)。
系统10还包括与功率输入通道12、转换器输出20和信号24电性连通的可控硅整流器32(SCR 32)。SCR 32控制SCR输出电压34到SCR输出通道36，其中SCR输出电压34与信号24成比例。SCR 32可以是适合于应用的任何相角操作的SCR 32。一种这样的SCR 32是由美国明尼苏达州查哈森市的控制概念公司(Control Concepts，Inc)制造的UF1HXTE0-08-PIR0Z。在图1所示的示例中，SCR输出电压34是0VAC至120VAC。
系统10还包括具有初级侧40和次级侧42的变压器38。初级侧40与SCR输出通道36电性连通并且从如上所述的SCR 32接收0VAC至120VAC的电势。变压器38将来自初级侧40的SCR输出电压34(例如120VAC)减少(即降压)成在次级侧42上的次级电压44。变压器38可以是减少SCR输出电压34的任何变压器38，并且在图1所示的示例中，其将SCR输出电压34减少到0VAC到大约5VAC的范围。
系统10还包括与变压器38的次级侧42的多极电性连通的输出引线对46。该输出引线对46被配置成将次级电压44施加到设置在该输出引线对46之间的焊接接头。该输出引线对46可以终止于与焊接接头接触的并且优选地由碳基材料(诸如石墨)形成的相应的电极(未图示)。
图2A-2C是示出在期望时间28内施加到焊接接头的期望功率电平26的示例的曲线图。一个或多个控制器电路22基于期望功率电平26和期望时间28确定施加到SCR 32的熔化焊接接头所需的信号24，从而熔化设置在该输出引线对46之间的焊接接头。将理解的是，施加到焊接接头的总能量是由每个曲线图的曲线下方的面积指示，并且在图2A-2C所示的示例中具有瓦特秒(W-s)的单位。基于包括几何尺寸、焊料合金成分和由焊料连接的材料的焊接接头的特性，可以利用特定的斜坡率(ramp-rates)和/或停留时间(dwell-times)来对一个或多个控制器电路22进行编程。一个或多个控制器电路22独立于期望时间28控制期望功率电平26。这与现有技术的电阻焊接系统形成对比，现有技术的电阻焊接系统通常需要被命令的总能量输入，其中输送能量的时间基于接触件和焊接接头之间的电连接质量而变化。系统10是对现有技术的电阻焊接系统的改进，因为系统10为电阻焊接工艺增加了另一个自由度，即期望时间28。相应地，一个或多个控制器电路22独立于期望功率电平26控制期望时间28。如在图2A-2B中所示的，期望功率电平26被表征为线性函数48和/或分段线性函数(piece-wise-linear-function)50。如图2C中所示的，期望功率电平26被表征为多项式函数(polynomial-function)52。包含期望功率电平26和期望时间28的焊接轮廓(profiles)是用户定义的并且基于如上所述的焊接接头的特性。
往回参考图1，SCR 32还包括与一个或多个控制器电路22电性连通的电压输出信号54和电流输出信号56。电压输出信号54和电流输出信号56指示到变压器38的初级侧40总功率输送(total-power-delivered)58。也就是说，电压输出信号54和电流输出信号56由一个或多个控制器电路22缩放(scaled)以确定到变压器38的初级侧40的总功率输送58，并且两者由4mA至20mA范围中的电流表征。一个或多个控制器电路22基于电压输出信号54和电流输出信号56确定到输出引线对46的总功率输送58，并且还可以考虑通过变压器38和/或布线的任何电气效率损失。出于历史目的，系统10将电压输出信号54和电流输出信号56存储在一个或多个控制器电路22的存储器30中，并且可以由操作者访问。
系统10还包括视觉显示器60，视觉显示器60是人机界面(HMI，未具体图示)的部件。电压输出信号54和电流输出信号56被显示在视觉显示器60上以供操作者观察，并且可以用于质量控制目的。
图3-4示出了系统10中使用的一个或多个控制器电路的附加细节。
图5是示出操作电阻焊接系统10(在下文中称为系统10)的方法100的另一实施例的流程图。
步骤102，“接收AC”，其包括利用功率输入通道12从电源接收交流电14，如上所述并在图1中示出的。
步骤104，“将AC转换为DC”，其包括利用与功率输入通道12电性连通的AC-DC转换器16(AC/DC转换器16)将交流电14的一部分转换为在转换器输出20处的直流电18，如上所述并在图1中示出的。
步骤106，“控制信号”，其包括利用与转换器输出20电性连通的一个或多个控制器电路22控制指示在期望时间28内输送的期望功率电平26的信号24。在图1所示的例子中，信号24是在0mA至20mA范围中的电流信号，而在另一实施例(未图示)中，信号24是电压信号。一个或多个控制器电路22独立于期望时间28控制期望功率电平26，并且独立于期望功率电平26控制期望时间28。
步骤108，“控制SCR输出电压”，其包括利用如上所述的可控硅整流器32(SCR 32)将与信号24成比例的SCR输出电压34控制到SCR输出通道36。在图1所示的示例中，SCR输出电压34是0VAC至120VAC。如上所述并在图1中示出的，SCR 32还包括指示到变压器38的初级侧40的总功率输送58的电压输出信号54和电流输出信号56。
步骤110，“减少SCR输出电压”，其包括利用变压器38将来自初级侧40的SCR输出电压34减少成在变压器38的次级侧42上的次级电压44，如上所述的。如上所述的，变压器38可以是减少SCR输出电压34的任何变压器38，并且优选地将SCR输出电压34减少到0VAC到大约5VAC的范围内。
步骤112，“施加次级电压”，其包括利用与变压器38的次级侧42的多极电性连通的输出引线对46，将次级电压44施加到设置在输出引线对46之间的焊接接头。该输出引线对46可以终止于与焊接接头接触的并且优选地由碳基材料(诸如石墨)形成的相应的电极(未图示)。
步骤114，“确定信号”，其包括利用一个或多个控制器电路22，基于期望功率电平26和期望时间28确定施加到SCR 32的、熔化焊接接头所需的信号24。图2A-2B示出由线性函数48和/或分段线性函数50表征的期望功率电平26。如图2C中所示的，期望功率电平26由多项式函数52表征。如上所述的，将指示到变压器38的初级侧40的总功率输送58的电压输出信号54和电流输出信号56存储在一个或者多个控制器电路22的存储器30中。如上所述的，电压输出信号54和电流输出信号56被显示在视觉显示器60上以供操作者观察，并且可以用于质量控制目的。
步骤116，“熔化焊接接头”，其包括利用次级电压44熔化设置在输出引线对46之间的焊接接头，如上所述的。
相应地，提供了电阻焊接系统10(系统10)和操作系统10的方法100。系统10是对现有技术的电阻焊接系统的改进，因为系统10独立于期望时间28控制期望功率电平26。
尽管已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，然而本发明并不旨在受限于此，而是仅受所附权利要求书中所阐述的范围限制。“一个或多个(One or more)”包括：由一个元件执行的功能，由不止一个元件例如以分布式方式执行的功能，由一个元件执行的若干功能，由若干元件执行的若干功能或上述的任何组合。还将理解的是，虽然在一些实例中，术语第一、第二等在本文中用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个区别开来。例如，第一接触件可被称为第二接触件，并且类似地，第二接触件可被称为第一接触件，而没有背离各个所描述的实施例的范围。第一接触件和第二接触件两者都是接触件，但它们并非相同的接触件。在对本文中各个所描述的实施例的描述中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在构成限定。如在对各个所描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”是指并且包含相关联的所列项目中的一个或更多个的任何和所有可能的组合。将进一步理解的是，术语“包含(includes)”、“包含有(including)”、“包括(comprises)”和/或“包括有(comprising)”当在本申请文件中使用时指明所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加。如本文中所使用的，取决于上下文，术语“如果(if)”可选地被解释为表示“当…时或”在…后”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，取决于上下文，短语“如果被确定”或“如果检测到“[所陈述的状况或事件]”被可选地解释为表示“在确定…后”或“响应于确定”或“在检测到[所陈述的状况或事件]后”或“响应于检测到[所陈述的状况或事件]”。

Claims (18)

1.一种电阻焊接系统，包括：
功率输入，所述功率输入被配置成从电源接收交流电；
控制器电路，所述控制器电路被配置成生成指示在期望时间内输送的期望功率电平的控制信号；
可控硅整流器，所述可控硅整流器电连接到所述功率输入和所述控制器电路，并且被配置成产生与所述控制信号成比例的控制电压；
变压器，所述变压器被配置成接收来自所述可控硅整流器的所述控制电压，并且被配置成将输出电压施加到焊接接头，其中，所述控制器电路基于所述期望功率电平和所述期望时间来确定施加到所述可控硅整流器的、熔化所述焊接接头所需的控制信号，并且其中所述控制器电路独立于所述期望时间来控制所述期望功率电平。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制信号是电流信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制信号是控制电压信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述可控硅整流器从所述控制器电路接收电压输出信号和电流输出信号，其中所述电压输出信号和所述电流输出信号指示到所述变压器的所述初级侧的总功率输送，由此所述控制器电路基于所述电压输出信号和所述电流输出信号来确定从所述变压器到输出引线对的所述总功率输送。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述电压输出信号和所述电流输出信号被存储在所述控制器电路的存储器中。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述系统进一步包括视觉显示器，并且其中在所述视觉显示器上显示所述电压输出信号和所述电流输出信号。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述期望功率电平被表征为线性函数。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述线性函数进一步被表征为分段线性函数。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述期望功率电平被表征为多项式函数。
10.一种操作电阻焊接系统的方法，包括：
从电源接收交流电；
经由控制器电路生成指示在期望时间内输送的期望功率电平的控制信号；
经由电连接到所述电源和所述控制器电路的可控硅整流器，产生与所述控制信号成比例的控制电压；
当初级侧接收来自所述可控硅整流器的所述控制电压时，从具有所述初级侧和次级侧的变压器产生输出电压；
将所述输出电压施加到设置在输出引线之间的焊接接头，所述输出引线电连接到所述次级侧；以及
经由所述控制器电路，基于所述期望功率电平和所述期望时间确定施加到所述可控硅整流器的、熔化所述焊接接头所需的所述控制信号，其中，所述控制器电路独立于所述期望功率电平来控制所述期望时间。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制信号是电流信号。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述控制信号是电压信号。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述可控硅整流器从所述控制器电路接收电压输出信号和电流输出信号，其中所述电压输出信号和所述电流输出信号指示到所述变压器的所述初级侧的总功率输送，并且其中所述方法进一步包括：
经由所述控制器电路，基于所述电压输出信号和所述电流输出信号来确定到输出引线对的所述总功率输送。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括将所述电压输出信号和所述电流输出信号存储在所述控制器电路的存储器中。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述方法进一步包括：
提供视觉显示器；以及
在所述视觉显示器上显示所述电压输出信号和所述电流输出信号。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述期望功率电平被表征为线性函数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述线性函数进一步被表征为分段线性函数。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述期望功率电平被表征为多项式函数。
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