CN1261274C - 控制电弧焊机的系统和方法 - Google Patents

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CN1261274C CN 02105923 CN02105923A CN1261274C CN 1261274 C CN1261274 C CN 1261274C CN 02105923 CN02105923 CN 02105923 CN 02105923 A CN02105923 A CN 02105923A CN 1261274 C CN1261274 C CN 1261274C
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Abstract

一种使电弧焊机在焊极和工件之间实施焊接过程的控制系统,所述系统包括:高速开关式电源,其具有工作在至少约为10kHz开关频率的调整所述电源的输出电流的输入电流控制信号的控制器;第一传感器,检测实际电弧电压;第二传感器,检测实际电弧电流;第一电路,用于在焊接过程中产生表示在进行时间的要求实时功率电平的功率信号;第二电路,用于产生检测的实际电压和检测的实际电流的函数;第三电路,用于根据所述功率信号和所述实际电压和电流的函数之差来调整所述电流控制信号。

Description

控制电弧焊机的系统和方法

技术领域

本发明涉及电弧焊接技术,特别涉及用于在焊接过程中控制电源的系统和方法。

背景技术

在电弧焊接中,通常采用高速开关式电源,如逆变器或断路器,使得能通过包含电流反馈的高速控制回路来调整电源的输出电流。在这样的电弧焊机中,包括外控制回路,用于根据平均电弧电压与参考电压的比较产生电流命令。在有些情况下,向电源提供的电流命令信号直接由外控制回路控制。因此,内部高速控制是基于电流反馈并对其调整以保持平均电压。这些内部高速控制回路以接近逆变器或断路器的速度工作。外部电压控制回路工作速度大约为高速开关式电源速度的十分之一。此外,外部回路的工作与高速内部控制回路中所使用的实际电流无关。因此,在低电流工作状态下,电弧电流会降得过低并可引起断弧。铝GMAW的焊接要求更精确的控制以保持高焊接速度。这样,由于外部控制回路具有较短反应时间,因此控制高速开关式电源的输出电流包含电流过调量。在反馈为平均电压的短路和脉冲焊接中,必须处理整个焊接循环或部分焊接循环,在外部回路中产生较短反应时间。必须放慢控制回路以保持平均电压,使其足以补偿短路电弧焊接过程中零电压附近的长持续时间。控制回路由此非常慢,并且使焊接过程中的电弧长急剧改变。由于具有这样的慢控制回路,迫使电流转变较大的量以使电弧长达到由外部回路设定的要求控制电压。这带来两个问题。在低电流的短路电弧焊接中,如在恒定电压系统中看到的那样,本底电流已经低到电流中的摆动使电流降得过低并造成灭弧。这在清除每次短路后更为明显。当电流降低到本底电平时,控制电压系统可以过调量并使实际电流降得过低,使得电弧等离子体熄灭。该现象会发生在焊接过程的每个焊接循环中,使得除非采用正确的费用高的过程,否则会发生间歇的灭弧。因此,当工作在短路模式下时,通常很难进行低电流的焊接。当焊接铝时,由慢控制引起的伸出或电弧长中的快速变化产生焊接过程的间歇中断,导致不均匀的焊道。

发明内容

如上所述,本发明已经克服了在采用具有或不具有高速内部电流控制回路的外部控制回路中产生的问题,本发明基本上只采用用于控制焊接过程的内部高速回路。这可以通过采用检测的电弧电流和检测的电弧电压以便产生表示电流和电压乘积即功率的反馈信号来实现。本质上,电弧焊接过程,无论是喷射、脉冲或AC,具有由要求功率控制的实际电弧功率。为了获得该结果,使用检测的电流和检测的电压。过去,电弧电压用其慢响应时间控制外部回路。内部高速回路仅是电流响应反馈系统,其数字误差放大器调整激励高速开关式电源的宽度调制器的输入。通过使用实际输出电流和电压反馈信号的乘积,检测实际输出瓦数或功率。信号P与由波整形器产生的要求功率比较。这使输出电流以迫使实际功率等于要求功率的方式改变。这以通常十倍于外部回路控制的速度完成。通过使用根据电流和电压之间关系的反馈信号,自动调整电弧长,快速反应时间防止任何电流的过调量。

根据本发明,电压和电流积乘以因数k。然后将乘积kP传递到高速控制器中以将电弧功率保持在与焊接循环中的时间位置相关的设定量。不再需要慢外部回路控制。焊接电流依赖于输入焊机的高速控制回路的电压和电流。优选实施例包括反馈信号,该反馈信号只包含电弧电压和电弧电流之乘积。这是电弧功率P。该积可以由乘数k来改变。该因数可以用于补偿行走速度或金属丝进给速度。反馈信号是kP,但k通常是1.0。

根据本发明的另一方面,电弧的功率P是与来自波整形器的功率信号或功率分布相比较的补偿信号。在这一方面,波整形器产生功率分布,特别是在焊接循环的电弧状态期间。例如,当完成短路型焊接,如STT焊接过程,波整形器提供在短路后产生的要求电弧功率并重新形成电弧。当以脉冲焊接过程焊接时,波整形器输出峰值电弧功率,然后输出与高速控制回路中的功率反馈信号比较的本底电弧功率。在AC电弧焊接过程中,在正极性期间的要求电弧功率由波整形器输出,用于与实际正极性期间的功率反馈信号kP比较。以类似方式,在负极性期间的要求功率由波整形器输出,用于与功率反馈信号kP比较以控制负极性电弧功率。当然,如在铝焊接中所使用的那样,正极性期间的功率可以显著区别于负极性期间的功率。总之,提供功率信号并检测功率反馈信号kP。比较这两个参数以控制来自高速开关式电源的电流。当然,当恒定功率信号Pset控制内部控制回路并用于与来自电弧的功率反馈信号kP比较时,在喷射或熔滴焊接期间不必有波整形器。本发明在低电流焊接中有显著的优点。

称为功率反馈函数或信号kP的反馈是检测的电弧电压和检测的电弧电流的相互关系,其乘积可以乘以为常数或变量的因数k。在优选实施例中,乘数是常数1.0,使得反馈信号仅为电弧功率。该功率反馈或信号要求的电弧功率比较,用于控制电源的输出电流。乘数k可以是常数,或线性方程、非线性方程或其它方程。因数k可以依赖于实际电压或电流,并用于以补偿各种焊接参数的方式改变反馈信号,这些焊接参数如金属丝进给速度、焊极行走速度、保护气体、金属丝直径、金属丝材料等等。已经发现,乘数k可以是电流加上电压除以电流乘电压,以产生用于条状物焊接或铝MIG焊接的下垂(drooper)机中的斜率类型。该因数k产生电流和电压之间的直线关系以产生倾斜工作曲线。如图所示,乘数k可以具有任何值以产生电压和电流之间的特定关系。但是,实际上,反馈信号是通过乘以电弧电流和电弧电压获得的电弧功率。该电弧功率信号与焊接循环中任何给定时间所要求的电弧功率比较。控制功率以设定电平的好处是可以在逆变器或断路器的极高开关速度下调整功率。在此高速下,电弧长中的任何变化会导致电弧强度的变化,该电弧强度会升高或降低电弧长以保持平衡。例如,当设定电弧功率以工作在给定电平如2000瓦时,在电压为20伏而电流为100安培时建立平衡。这形成要求电弧长。如果电弧长增大,输出功率保持在2000瓦。但是,电压升高,例如升高到22伏。这使电流降低到901安培的电平。降低的电流减小了电弧强度并使电弧长减小。然后使电压返回到20伏电流升高到100安培。以类似方式。如果电弧长减小并变的过短,输出功率保持在固定的2000瓦。因此,电压下降。这引起电流立即快速增大。增大的电流使电弧强度增大,并趋于强制形成较大的电弧长。因此,短的电弧长增大,电流和电压趋于平衡以产生2000瓦控制的功率电平。采用本发明的电弧长变化达到最小化。保持了快速的稳定性。通过使用本发明,电源对电弧长的变化快速反应,使得电流只波动较小量以保持要求设定电弧长。在清除每个短路后,这一优点特别明显。通过使用本发明,即时在突然清除短路后,控制器也会迅速寻找电弧长的平衡,并保持该平衡。

如在率GMAW焊接中所公知的,由于金属丝的低电阻率和熔化温度,更难于控制电弧长。即使当焊接铝时,由本发明获得的电弧长的快速控制也使电源保持一致控制电弧长。因此,即使伸出部在快速变化,电弧长也保持一致。

本发明用于脉冲焊接系统,以及具有恒定要求电弧功率的焊接过程。在本发明的脉冲焊接装置中,获得峰值功率输出功率和本底输出功率的高速控制。过去,包括自适应控制的脉冲焊接,其中根据变化频率或峰值、本底电流和频率的组合由自适应回路确定电弧长。因此,反馈控制回路每一脉冲仅工作一次,由此进行计算并执行下一脉冲的校正。本发明解决了这一问题,并仅仅控制峰值期间的功率和本底期间的功率。这不是自适应。它是在脉冲焊接循环的峰值和本底部分期间获得维持恒定电弧长的优点的实时功率控制。具有本发明的脉冲焊接使电弧长的自调整快于用普通自适应脉冲焊接控制器获得的调整。通过使用功率控制在脉冲波的本底部分期间的低电流,提高了电源的耐久性,使其更能抗突然熄火(pop outs)。

还可以发现本发明应用于混合极性焊接,如GMAW、FCAW、SAW、MCAW、SMAW和其它系统。所有这些焊接过程可以由反馈信号kP调整。例如,如果要求方波AC焊接过程,波整形器提供所需的正极性的电弧功率和所需的负极性的电弧功率。这些不同功率电平期间的高速度调整迅速控制正脉冲和负脉冲期间的电弧长。根据标准焊接实践,正功率值可以不同于负功率值。当波型的形状和时间改变时,根据其它条件,波型的控制是根据功率分布,功率分布与来自电弧的实际功率反馈信号kP比较以根据要求分布保持电弧功率。该功率分布由模拟或最好是数字波整形器输出。波整形器产生要求的功率分布以在AC焊接循环的所有部分控制电弧功率。

根据本发明的基本方面,高速控制回路的反馈信号是电弧功率。这是检测的电弧电压和检测的电弧电流的乘积。为了修改反馈信号,本发明还采用称为因数或乘数k的乘数。因数k可以是.5和1.0之间的可变量。如上所述,最好是1.0。当电压变化时,电源的电流控制信号改变以保持恒定电弧功率。因数k的使用使电流和电压相互关系的改变具有灵活性。因数k的使用不改变反馈信号的功率特征。这样,当在说明本发明中涉及反馈“功率”信号时,其通常为电流和电压的乘积,即P;但是,它可以具有使用的因数乘数,即kP。实际上,当信号是实际电弧功率P时,反馈信号可以称为k=1.0的kP。这样,功率用于本发明并且定义为控制变量,电弧功率P最好表示为kP。为产生上述反馈信号的斜工作特性,因数k可以是电压加上电流除以电压乘电流。而且该关系可以是另一线性kP,如avarc+bIarc+c,其中a、b和c是常数。当该k乘以电压和电流之乘积时,反馈信号是电弧电压乘以电弧电流。在前述的开关操作期间,该反馈信号与要求功率信号比较以获得电压的快速响应。因数k可以根据金属丝进给速度变化。例如,因数k可以是150/wfs。如果金属丝进给速度是300英寸/分钟,则因数k是0.5。这样,金属丝进给速度可以用于改变因数k来修改反馈信号。因数k还可以根据气体或行走速度或电压本身改变。当因数k基于时间时,反馈信号以焦耳为单位。当电压是因数k时,反馈信号是IV2。可以有其它修改包括电弧电流和电弧电压乘积的反馈信号的可能性,但是它们不能改变基本控制信号是电弧上电流和电压乘积的事实。因数k可以由几个焊接变量或这些变量的组合来修改。现在使用的这些变量是行走速度、金属丝进给速度、电压、电流、时间、气体混合、实际焊极伸出部、金属丝尺寸或类型、电感设置或其它设置。

根据本发明,提供完成焊极和工件之间焊接过程的电弧焊机的控制系统。在优选实施例中,焊极是以电机操作金属丝进给驱动装置控制的金属丝进给速度喂送到电弧中的焊接金属丝。该系统包括高速开关式电源,如逆变器或断路器。通过具有输入电流控制信号的控制器,该电源具有至少10kHz的开关频率以调整电源输出电流。控制器以快于电源的开关顺序工作,但是控制是以开关速度。第一传感器检测实际电压,而第二传感器检测实际电弧电流。然后提供第一电路以产生以功率信号,该功率信号表示焊接过程中以渐进时间的所要求的实时功率电平。在优选实施例中,功率信号由输出要求功率分布的波整形器产生。当实施喷射或熔滴焊接时,电源是固定的电弧功率值。为形成该控制系统,有用于产生所检测实际电压和所检测实际电流的函数的第二电路,以提供这两个电弧参数的函数,用于控制电弧功率。因此,第三电路用于根据任何给定时间的要求功率信号和实际电压和电流的函数之间差值来调整电源的电流控制信号。该函数是与电弧状态期间任何给定时间的要求功率信号比较的反馈信号kP,使得电弧功率保持在要求电平。这获得前述的电弧长的平衡。如果焊接过程包括具有短路电路的循环,则电源在短路状态期间工作在电流反馈模式。因此,在焊接循环的连续起弧状态,系统变换到通过反馈函数或信号kP的控制。函数或反馈信号kP最好仅为k=1.0的电压和电流的乘积。但是,可以采用非单一(non-unity)乘数,如上所述。乘数可以是根据控制系统中使用的功率反馈函数的要求调制的固定数或可变数。反馈功率信号最好是Ia×Va。在功率信号kP的情况下,k=1.0。

根据本发明的另一方面,根据标准焊接控制技术,所有电路是数字电路并且由数字信号处理器运行。但是控制系统的一些方面,可以是不背离本发明精神和范围的模拟电路或模拟部件。高速开关式电源最好是工作在大于10kHz频率的逆变器,事实上频率最好大于18kHz。当然,断路器使用高速开关并具有可以由功率反馈信号kP控制的高速内控制回路。最好,第一数字电路是波整形器,该波整形器在焊接循环的所有时间输出配合要求功率电平的功率分布。

本发明与各种焊接过程一起使用。如果焊接过程具有固定功率,本发明不要求波整形器。可变功率循环,如脉冲焊接和AC焊接,由反馈信号kP控制并采用一装置输出要求电弧功率。当实施短路焊接过程时,在短路状态期间使用电流控制,在电弧状态期间使用反馈信号kP。在本发明中,实际电弧功率与要求电弧功率的比较由数字误差放大器完成,该数字误差放大器具有控制脉冲宽度调制器的输出误差信号,用于调整高开关速度电源的输出电流。其它实施例也在本技术领域范围内。

根据本发明的另一方面,信号或函数kP用作反馈信号以调整金属丝进给速度。以这种方式,通过金属丝进给速度(WFS)的变化,改变电弧长以调整电弧的要求功率。根据本发明另一方面,提供一种控制电弧焊机的方法,该焊机的控制是通过检测实际输出电流、检测实际输出电压、产生功率循环、产生表示电弧功率的实时反馈信号kP、然后通过功率循环和实时kP的比较调整电源的输入信号来实现的。以该方式,当电压下降时,电流升高,反之亦然。该方法可以通过在焊机的高速控制回路中提供的各种模拟和数字控制电路来实现。

根据本发明另一方面,功率反馈信号P或kP由表示为参数的值来修正,如金属丝进给速度或焊极行走速度。

本发明的首要目的是提供一种系统和方法,通过采用功率反馈函数或信号kP来保持所要求的电弧功率的方式,控制高速开关式电源。更主要的目的是产生控制电弧焊接过程的焊接参数的反馈信号kP。

本发明的另一目的是提供一种系统和方法,如上所述,该系统和方法特别是当工作在低电流时和焊接铝时保持电弧稳定性并降低电流过调量。

本发明的另一目的是提供一种系统和方法,如上所述,易于采用标准焊接技术来实现该系统和方法,而不显著修改电弧焊机的控制系统。

由下述参照附图的说明可以清楚理解本发明的这些和其它目的和优点。

附图说明

图1是本发明优选实施例的方框图和电路图的组合图;图1A是当因数k调整到产生电压和电流之间的直线关系时所使用的反馈信号关系的电压/电流坐标图;

图1B是当因数k为1.0时,类似于本发明优选实施例的图1A的坐标图;图2是当因数k为1.0并且焊接过程包括恒定电弧功率的本发明坐标图;图3是具有电弧状态图示的坐标图,该电弧状态为采用本发明的短路焊接过程的电弧状态;图4是类似于图1的、脉冲焊接过程实施例的方框图和电路图的组合图;图5是类似于图2的坐标图,显示了采用图4所示本发明实施例的功率分布和电弧电压和电路;图5A是图5所示功率分布的放大部分;图6是用于AC焊接时本发明的方框图和电路图的组合图;图7是具有当实施图6所示的本发明实施例时产生的曲线s的视图;图8是图7所示的波整形器功率分布的放大部分;图9是显示采用具有固定要求电弧功率的本发明的部分方框图和电路图;图10是类似于图9的示意图,图中表示控制金属丝进给速度的功率反馈函数或信号kP的使用;图11是表示本发明变形的部分方框图和电路图,其中通过金属丝进给速度检测反馈信号kP;图12是表示本发明变形的部分方框图和电路图,其中通过行走速度检测反馈信号kP;图13是实现本发明的方框图和电路图的组合图。

具体实施方式

现在参照附图,其目的只在于图示说明本发明优选实施例而不是为了限制本发明,图1显示了焊机A,通过采用高速开关式电源10完成预选焊接过程,所示的电源为逆变器,但是它也可以是高速开关断路器。根据标准技术,电源的开关速度超过10kHz,最好超过18kHz。逆变器10由三相整流器12通过呈输入引线14、16形式的DC接线供电。输出电压器20包括中心分接的次极线圈22,次级线圈22激励输出整流器24以执行输出电路30中的焊接过程,输出电路30包括电感器32和与工件形成电弧间隙的焊极34。实际上,在执行焊接操作中,焊极34是由向着工件36驱动的供线架向前行进的焊丝。图10给出了金属丝进给器的示意图。根据标准技术,控制器C是采用脉冲宽度调制器4的数字处理器装置,脉冲宽度调制器40由在高速开关速度通常超过10kHz的振荡器42激励。数字误差放大器44具有第一输入端46,其电位或电压值由波整形器50的输出来确定。根据本发明,通过误差放大器44将输入端46的电弧功率信号与输入端2的反馈信号相比,线44a上的误差信号调整线48上的电流命令信号。这样,由线52上的反馈函数或信号kP和线46上的要求功率电平之间的关系来控制电流命令信号。在操作中,由输入端46、52之间的关系调整线48上的电流信号以便瞬时改变电弧电流。输入端46上的功率电平由数字波整形器50产生。在喷射或溶滴焊接中,输入端46上的功率电平是恒定的。但是,在其它焊接过程中,如脉冲焊接或AC焊接,改变线46上的功率信号以控制要求的实时电弧功率。该操作是在焊接循环的飞弧状态期间。这样,在焊接过程的焊接循环中,线46上的功率电平实时改变。根据本发明第一方面,可以使用焊机10的高速控制回路以去除慢外部控制回路。这是可以实现的,因为电流和电压都用于内部控制回路,如图1所示。反馈线52上的函数或信号kP由反馈电路FB获得。根据本发明,信号电弧功率P表示为电弧功率kP的函数。该函数包括电弧电压和电弧电流与要求功率的瞬时比较。为了获得电弧电流,分路器60在线62上产生电压信号。该信号Ia表示瞬时电弧电流。以类似方式,由传感器70在线72上提供瞬时电弧电压Va。函数发生器100使线62和72中的信号值倍增以产生作为电弧功率P的乘积。根据以下要说明的本发明的一方面,电弧功率P乘以因数k,因数k可以是常数,是可调整的,或可以是可变函数。这样,功率反馈信号是P或kP。当表示为kP时,如k=1.0,则为电弧功率P。

在焊接过程中,存在有短电弧或没有电弧的焊接循环部分。此时,不需要使用来自函数发生器100的电弧功率。为了确定电弧的产生,已知有许多电路。这样的电路图示为电弧探测器102。将线72上的电弧电压与阈值电压比较,使得当电弧电压升高以探测电弧时,在输出端102a上产生特定逻辑。线72上的低值识别为短路。在短路中不需要使用来自函数发生器100的电弧功率反馈kP。当没有电弧即短路时,线102a上的逻辑控制数字式两路开关110在线112上输出功率电平。在该状态下,通过开关110将所检测的线62上的电弧电流导向误差放大器44的输出端52。因此,当没有电弧时,控制C根据电弧电流Ia的反馈工作。在焊接操作的短路部分期间,在线46上使用电流命令信号,线102a将波整形器50变换到电流控制模式。在电弧状态期间,函数发生器110在线114中提供函数或信号,经过开关110然后在线52上形成函数或信号kP。信号kP是电弧功率反馈信号。在线46上提供电弧功率,使得线46和52上信号功率电平的比值确定线48的电流命令信号。实际上因数k是1.0。这样,电弧功率kP是线52上的函数或信号,在电弧状态期间的要求电弧功率由波整形器50输出到输入线46上。根据本发明,内部高速控制回路检测电弧功率kP,将其与要求功率比较以产生焊接低电流即时快速高速校正。通过乘数的值或因数k确定电流和电压之间的关系。在图1A中,因数k等于电流加上电压除以电流和电压之乘积。因此,导向输入端52的线114上的功率信号是电压加上电流以形成图1A中曲线120所示的斜度。该关系在条状物(stick)焊接时是很有用的。实际上,乘数k是1.0,使得线52上的信号是通过将电弧电流和电弧电压相乘而获得的电弧功率P。图1B显示了电弧电流和电弧电压之间的关系,其因数k是1.0。要求功率固定在曲线130所示的2000瓦或曲线132所示的4000瓦。图1A和1B代表性示出乘数因数k可以具有多个值以控制如图1所示反馈网络或系统FB中电流和电压之间的关系。图2示出了具有恒定功率焊接操作的本发明操作。这可以是脉冲焊接过程中的恒定脉冲峰值功率或短路焊接操作中的恒定本底功率。在这种情况下,反馈kP与要求的功率电平相比,因数k是1.0。确实,它可以是喷射或熔滴焊接操作中的要求固定功率。在此期间,当线46上的要求功率保持在图2所示的功率电平时,电弧长度的每个变化改变曲线142所示的电弧电压。在电源10的开关期内,瞬时调整线48上的电流命令信号以将电弧功率保持在曲线140的设定值。内部高速控制回路工作在开关频率。它不是现有技术的慢速自适应型控制回路。这样,当电弧长度减小时,电压下降而电流立即增大。这引起电弧强度随电弧长增大而快速增大。反馈函数或信号kP将功率保持在自线46上波整形器50的功率电平。如果电弧增大,电压升高而电流立即减小以减小电弧强度,这样引起电弧长减小。因此,本发明采用与要求电弧功率比较的电弧功率反馈信号kP以快速达到平衡状态并保持要求电弧长。这在低电流操作期间或当焊接铝GMAW时是特别重要的。

图3显示了本发明短路焊接的操作,其中在电弧状态期间的功率信号显示为曲线150。这是用于根据曲线152所示电压控制曲线154所示电流的波整形器的输出。当电弧检测器102检测到电弧产生时,开关110使线52上的函数或信号为kP。在时间t1,形成短路。熔化的熔融球接触工件而使电弧检测器102将开关110变换到仅使输入端52产生电流。波整形器50通过线102a上的逻辑变换到电流控制模式。曲线150的部分160显示转变到电流控制模式的变化。在曲线部分162所示的电压是很低的。曲线164表示的电流由波整形器和线46上的电流值控制。当在时间t2短路时,线46上的信号再次为功率曲线部分150a所示的下降转变的要求功率。这样,转变部分52a中的电压和转变部分154a中的电流的乘积保持要求功率电平。短路后的该快速转变部分终止于时间t3。再次形成电弧状态,焊机10通过将实际电弧功率kP与曲线150的要求电弧功率比价而工作。在焊接过程的每个短路循环中重复该过程。其它短路型焊接过程可以由焊机10实现,如STT短路焊接。

现在参照图4、5和5A,图中显示了本发明脉冲波焊接过程的使用。功能相同的部件采用与图1中相同的标号。当采用用于脉冲焊接的本发明时,波整形器200产生与脉冲焊接循环的要求功率对应的功率分布202。图5显示了功率分布202,图5A中更详细显示了功率分布。为保持要求电弧功率分布202,电压曲线210和电流曲线212通过函数发生器100相乘以保持误差放大器44的输入端46的电弧分布。图5A所示的功率分布202包括具有峰值功率部分202b的倾斜部分202a。因此,功率分布沿曲线202c呈指数下降到点202d的要求靶功率。因此,分布立即变化到本底功率202e,等待下一脉冲的下一倾斜部202a。根据本发明的这一方面,在脉冲焊接循环的每个部分期间,功率分布202控制电弧的功率。实际上,倾斜部分202a和指数部分202c有时由电压或电流控制,同时通过比较电弧功率函数kP和波整形器200的要求功率峰值来控制本底202b的固定功率和本底202e的固定功率。脉冲循环的所有部分最好由功率分布控制。但是在变形中,选择的电弧部分由一功率控制,该功率具有由电流或电压控制的剩余部分。在本发明的一种装置中,脉冲压缩部分202a、202b、202c快速变化到电流控制。通过比较要求电弧功率和实际电弧功率kP仅控制循环的本底部分202e。

本发明即使不用于所有类型的电弧焊接也是最常用的。图6显示了工作在AC焊接模式的焊机B的一个示例,具有图7和8所示的工作曲线。电弧焊机B具有与图1所示相同的基本结构,功能相同的部件采用相同方式标号。输出次级线圈22用于驱动正整流器24a和负整流器24b。通过分别具有激励门220a、222a的极性开关220、222向电弧供电。这是AC焊接中的标准实际应用,除了该模式表示为功率外。来自波整形器240的线230上的一系列脉冲在脉冲230a的频率下交替开关极性开关220、222。门232是引起极性开关220在不同于极性开关220的时间工作的非重合门。根据林肯电器公司(Lincoln Electric Company)开发的技术,开关220、222最好在焊接电流降低到要求的较低功率电平,如100安培。这不构成本发明的一部分,而是用于防止高电弧电流的极性变换的技术。波整形器240形成功率分布260,该功率分布输出到数字误差放大器44的输入端46。误差放大器具有输出44a以根据标准技术激励脉冲宽度调制器40。函数发生器100的输出是线250上的函数、值或信号kP。根据AC操作,采用线250上的功率绝对值。通过变换电路252获得该绝对值。这样,设计图7所示的功率分布曲线260只具有正值。为控制正脉冲和负脉冲期间的相对功率,功率分布曲线的正部分262a大于负脉冲的功率分布电平262b。而且,所示的正脉冲具有比负脉冲更长的持续时间。t4和t5之间的时间长于t5和t4之间的时间。功率电平和定时由功率分布260控制。图8更详细显示了该功率分布,其中在时间t5开关极性之前,较高电弧部分262a沿线262c转变以向下倾斜。功率电平降低然后在开关后沿线262d上升。这样,每个极性变化包括功率下降,在开关后功率向上倾斜到下一功率电平。功率分布的这一方面产生极性变化的较低功率。来自波整形器240的功率分布260与曲线270所示的线230上的信号共同作用,该曲线270具有一系列用于开关输出电流极性的脉冲270a。根据本发明,具有正部分272a和负部分272b的曲线272显示了实际功率。实际电流是具有正部分274a和负部分274b的曲线274。以类似方式,实际电流是具有正部分276a和负部分276b的曲线276。极性在t4和t5之间变化。这样,在低功率下发生开关。图6-8显示了本发明在AC焊接过程中的使用,目的是显示本发明的多种普遍使用。

如上所述,误差放大器44的输入不需要是波整形器的输出,如图1、图4和图6所示。图9中误差放大器44的输入300具有对应设定的要求功率电平的值Pset。通过误差放大器44将功率电平和线52上的函数或信号kP比较,以便随着电弧电压变化产生线48上电流命令信号中的即时变化。图9显示了本发明的最简单形式,其中可以调整的设定功率电平与来自函数发生器100的反馈函数或信号kP相比较,以控制焊机的内部控制回路。图10显示了本发明的变化,其中函数或信号kP用于反馈。要求功率与线52上的函数或信号kP相比。这样,来自误差放大器314的输出316控制金属丝进给器的微处理器320。线316上的信号控制金属丝进给电机322的速度,该金属丝进给电机驱动金属丝进给器324以由供线盘向着工件强制输送焊接金属丝。通过使用该反馈函数或信号kP,当电压升高以减小电弧长度时,金属丝进给速度提高。当电压下降,金属丝进给速度降低以校正电弧长。该示例显示了用于焊机参数反馈控制的函数或信号kP的使用。

图11和12显示了反馈函数或信号kP的进一步使用。每个图均显示了设定的要求电弧功率300,如参照图9所述的那样。当然,输出端300上的电平可以调整或可以是波整形器的输出。为了显示函数或信号kP的进一步使用,图11公开了函数发生器100,其函数kP由接通金属丝进给速度按钮352的线350上的信号来改变。该电路和焊机A或焊机B或其变型一起使用。在新的反馈函数或信号kP的使用中,通过设定用于调整金属丝进给速度的按钮352而改变函数。在图12中,接通焊机行走速度按钮362的线360上的信号改变信号kP。这样,反馈信号kP由表示焊接操作的行走速度设置的信号来改变。当然,采用其它反馈信号或函数kP的变型以通过改变函数或信号kP来控制焊接操作。

现在参照图13,显示了本发明的实施例。焊机A具有图1所示的部件,并且这些部件采用相同标号。电弧检测器102控制线102a上的逻辑,使得仅当焊机34和工件36之间出现电弧时由波整形器400输出命令功率电平或功率分布。将电弧电流和电弧电压导向控制器C并使其由数字信号处理器C的电路410所表示的那样相乘。输出410a乘以因数k以在线52上提供馈函数或信号kP。这是反馈功率信号,实际上包括等于1.0的因数k。这样在线52上产生表示实际电弧电流的信号。这与线46上的要求电弧功率比较以随着电弧电压的变化瞬时控制电流。因此,电弧功率保持恒定或处于电弧长平衡的要求电平。对电弧焊接领域的技术人员来说显然有采用反馈信号或函数kP的本发明的其它实施例。

在本说明书中,使用线路和模拟部件是为了解释本发明,但是实际上,这些线路和模拟部件是数字值和软件程序或模拟和数字件的组合。通过模拟数字转换器将电弧值的反馈数字化。所有这些设计在焊接技术中是所公知。在本发明的实际应用中,波整形器是数字的并嵌入在微处理器中。

Claims (26)

1.一种用于电弧焊机的控制系统,其特征在于,该电弧焊接用于在焊极和工件之间实施焊接过程,所述过程至少包括存在电弧条件的时间,所述系统包括:具有控制器的高速开关式电源,该控制器工作在至少为10kHz开关频率,并具有输入电流控制信号用来调整所述电源的输出电流;第一传感器,检测实际电弧电压;第二传感器,检测实际电弧电流;第一电路,用于在所述焊接过程的所述电弧条件进行时间内产生表示所要求的实时功率电平的功率轮廓信号;第二电路,用于在实时的基础上产生实时信号,该实时信号为检测的实际电压和检测的实际电流的函数;第三电路,用于根据所述功率轮廓信号和所述实时信号之差来调整所述电流控制信号。
2.如权利要求1所述的系统,其中所述函数是所述实际电压和实际电流的乘积。
3.如权利要求2所述的系统,其中所述函数包括乘数。
4.如权利要求2所述的系统,其中所述函数包括乘数并且是常数。
5.如权利要求4所述的系统,其中所述常数是1.0。
6.如权利要求2或3所述的系统,其中所述函数包括限定一个斜率的乘数。
7.如权利要求6所述的系统,其中所述乘数是电流和电压之和除以电流和电压的乘积。
8.如权利要求1-7任一项所述的系统,其中所述电路是数字电路。
9.如权利要求1-8任一项所述的系统,其中所述高速开关式电源是逆变器。
10.如权利要求1-9任一项所述的系统,其中所述第一电路是波整形器。
11.如权利要求10所述的系统,其中所述波整形器是数字设备。
12.如权利要求11所述的系统,其中所述波整形器是数字处理器。
13.如权利要求1-12任一项所述的系统,其中所述焊接过程是脉冲焊接方法。
14.如权利要求1-13任一项所述的系统,其中所述第三电路是误差放大器。
15.如权利要求1-14任一项所述的系统,包括脉冲宽度调制器,用于根据所述输入电流控制信号调整所述电源的输出。
16.如权利要求1-15任一项所述的系统,其中所述功率信号是一设定值。
17.如权利要求16所述的系统,其中所述设定值是可以调整的。
18.如权利要求1-17任一项所述的系统,其中所述电弧信号由表示金属丝进给速度的信号修改。
19.如权利要求1-17任一项所述的系统,其中所述电弧信号由焊极在工件上的行走速度的信号修改。
20.一种通过高速开关式电源控制电弧焊机在焊极和工件之间实施焊接过程的方法,该高速开关式电源工作在至少为10kHz的开关频率,并利用输入电流控制信号调整所述电源的输出电流,所述过程至少包括存在电弧条件的时间和不存在电弧条件的时间;所述方法包括:(a)检测实际瞬时电弧电压;(b)检测实际瞬时电弧电流;(c)在所述焊接过程的所述电弧条件进行时间内产生表示所要求的实时功率电平的功率轮廓信号,(d)在实时的基础上产生检测的实际瞬时电压和检测的实际瞬时电流的函数,以及(e)在实时的基础上,根据所述功率信号与所述实际电压和电流的函数之差来调整所述电流控制信号。
21.如权利要求20所述的方法,其中所述函数为所述实际电压和实际电流的乘积。
22.如权利要求21所述的方法,其中所述函数包括乘数。
23.如权利要求21所述的方法,其中所述函数包括乘数并且是常数。
24.如权利要求23所述的方法,其中所述常数是1.0。
25.如权利要求20-24任一项所述的方法,其中所述功率信号由波整形器产生。
26.如权利要求25所述的方法,其中所述波整形器是数字装置。
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