專利名稱：雙絲交-直流焊接控制器的制作方法
技術領域：
雙絲交-直流焊接控制器
技術領械
本實用新型專利涉及一種雙絲交-直流焊接控制器，屬于焊接設備技術。
背景技術：
窄間隙焊是一種髙焊接質(zhì)量、高焊接生產(chǎn)率、低生產(chǎn)成本的特別工業(yè)技 術，在厚板焊接中尤為明顯。窄間隙焊接技術在焊接方法上，主要可分為兩 種。 一種是窄間隙埋弧焊方法，另一種是窄間隙熔化極氣體保護焊方法，但 是這兩種方法都有一個嚴重問題，由于窄間隙破口很窄并且很陡，在焊接過 程中基本與電弧軸線保持平行。 一般情況下，線能量極低的電弧周邊也很難 作用到破口側壁(以下稱側壁)，電弧中心就更加困難，這就造成了窄間隙焊 接的側壁熔合困難，由此造成焊件整體質(zhì)量低下在我國還不能廣泛應用，為 使窄間隙技術在我國能夠廣泛使用，必須發(fā)明一種焊接工藝能夠解決窄間隙 焊接側壁融合問題，天津大學為此做了深入研究，發(fā)明了 "雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調(diào)電弧焊方法"在這種方法中的核心部分就是，通過對交流焊接 過程的采樣，來控制直流電焊機產(chǎn)生相應的脈沖信號，是交流和直流電焊機 按設計要求輸出脈沖信號，利用兩焊絲之間的電弧力來解決窄間隙融合不充 分的問題。這個部分的工作是由雙絲交-直流焊接控制器來完成的。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型專利是實施雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調(diào)電弧焊方法的核心 設備，包括交流檢測模塊和直流電焊機脈沖控制模塊，檢測模塊與控制模塊
采用標準接口連接；
上述交流檢測模塊依次串接電壓釆集濾波電路，對雜波進行過濾；電 壓過零比較電路及微分電路，找到交流電壓過零點，將其變?yōu)榧夥宀ㄝ敵觯?分壓隔離及半波整流電路，分壓隔離電路將提取正半波信號，半波整流電路 提取負半波信號；穩(wěn)壓及反相電路，生成可以被控制模塊識別的交流正半波
檢測信號；
上述直流電焊機脈沖控制模塊包括MCU (單片機)、鍵盤、數(shù)碼管顯示 器、電壓給定器、光電耦合器、接口端子；電路是以MCU單片機為核心的數(shù) 字電路，其他外設分別與其相應的管腳相連。
控制器要完成的任務是，通過檢測楔塊檢測交流電弧的電壓狀態(tài)，再根 據(jù)交流電弧的狀態(tài)，控制直流電弧的脈沖輸出。本控制器在直流焊絲接正， 工件接負的條件下，能夠使直流脈沖在交流焊絲在處于正電壓時輸出基值， 使電弧引力最小，相反當交流焊絲負電壓時，控制直流電弧產(chǎn)生峰值輸出， 使電弧力間斥力最大。通過加大斥力，來使焊接時兩電弧盡量偏向側壁，同 時合理的減小了引力，使兩電弧保持了一定的挺度，從而也保證了焊接熔深。
附困說明
圖i控制器方框圖2電壓采集濾波電路；
圖3電壓過零電路；
圖4標準微分電路；
圖5分壓隔離及半波整流電路；
圖6控制端輸出信號波形；
圖7 運放LM324;
圖8 反相器MC14584BCP;
圖9控制器中AT89C2051的復位及時鐘電路；


圖10顯示譯碼驅(qū)動電路；
圖ll數(shù)碼管選片譯碼驅(qū)動電路；
圖12鍵盤接口電路；
圖13光電耦合器示意圖；圖中l(wèi)， 3代表ANODE; 2, 4代表CATHODE; 5, 7代表EMITTER; 6, 8代表COLLECTOR;
圖14控制器電路原理具體實施方式
控制器原理
對照
圖1所示的控制器的方框圖。本控制器釆用了模塊化設計，答題分 兩個模塊，即交流檢測模塊(以下稱檢測模塊)，直流電焊機脈沖控制模塊(以 下稱控制模塊)，檢測模塊釆用了以模擬電路為主的設計方法，控制模塊釆用了以單片機(MCU)為核心的數(shù)字結構，共有3個工作模式，可以分別使焊接 電源以恒定峰值電壓模式(model )、恒定基值電壓模式(raode2)、峰值-基值 脈沖電壓模式(mode3)輸出，可以在實際操作中靈活選用。整個控制器釆用 了 "黑匣子"模式，接口簡潔，設備的產(chǎn)品化程度較高。
檢測模塊
一、電壓采集濾波電路
對照圖2，濾波電路釆用了有無源原件R、 C與集成運算放大器構成的由 原濾波電路，本控制器檢測的交流頻率范圍在10 200Hz，考慮到交流電弧 的電壓波動嚴重本設計釆用低通濾波電路，設計上限為500Hz，交流電焊機 的最高空載電壓大約為100v左右，所以釆集進來的電壓需要先進行分壓和濾 波，為了增強濾波效果，本電路釆用了兩個濾波電路， 一級無源濾波和一級 有源濾波。
二、電壓過零比較電路及微分電路
對照圖3、 4，本發(fā)明中要釆集到交流電弧的電壓過零信號，故釆用電壓 過零比較電路。微分電路可把矩形波轉換為尖脈沖波，微分電路的輸出波形 只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。由 電壓釆集濾波電路進來的電壓，送到電壓過零比較電路，經(jīng)過運算放大器進 行過零比較運算，再經(jīng)過微分電路，輸出為正半波過零瞬間的正脈沖信號和 負半波過零瞬間的負脈沖信號。
三、分壓隔離及半波整流電路
對照圖5，由于前級電路輸出的電壓超出了單片機的輸入電壓，所以首先應進行分壓，然后再把脈沖信號送到電壓跟隨器中。電壓跟隨器輸出電壓 近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態(tài)，對后級電路呈低阻狀態(tài)，因 而對前后級電路起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。由電壓跟隨器出來 的電壓，再進行正負脈沖信號的分離。
四、 穩(wěn)壓及反相電路
為了確保輸入給單片機的電壓為5V，在兩路中都添加5V的穩(wěn)壓管進行 穩(wěn)壓。由于所選的單片機觸發(fā)信號為低電平觸發(fā)，所以上述電路輸出的脈沖 信號應經(jīng)過反相器進行反相后，才能成為單片機有效的觸發(fā)信號。反相器使用反相器MC14584BCP原件，圖6為檢測模塊輸出的檢測信號，為兩個有相位 差的低電平信號。
五、 檢測電路的硬件選擇
由上述電壓過零檢測電路各部分電路的功能，可知硬件部分可用到四個 運算放大器，兩個二極管，兩個穩(wěn)壓管以及兩個反相器。綜合上述功能結合 實際應用，本發(fā)明設計的電壓過零檢測電路的硬件部分選擇運放LM324, 二 極管1N4148,穩(wěn)壓管1N4007及反相器MC14584BCP。圖7、圖8分別為運放 LM324和反相器MC14584BCP結構框圖。
交流電焊機的電壓信號經(jīng)導線輸入到檢測接口 (TP1)的2端口輸入進入 電路，經(jīng)過電阻R1與R2的分壓，輸入由Cl構成的一級無源濾波電路經(jīng)過初 級濾波，此后信號輸入到由U1A(LM324AN)、 R3、 R4、 R5、 C2組成的一級有源 濾波電路進行濾波，完全濾掉雜波后由U1A的輸出端輸出，進入由R6與U1C (LM324AN)組成的電壓過零比較電路，由U1A輸出的信號與U1C的正輸入端 相連接，經(jīng)與零電位比較后輸入到C3進行微分變換，微分信號輸入到R7、 R8進行分壓，在R7與R8之間取得分壓后的微分信號，輸入到U1B(LM324AN) 構成的電壓跟隨器中，電壓跟隨器的輸出電壓近似輸入電壓的幅度，并對前 級呈高阻態(tài)，對后級呈低阻態(tài)，因而對前后級電路起到緩沖、隔離、提高帶 載能力的作用。由U1B輸出的電壓跟隨信號一方面與二極管D1(1N4148)與R9組成的濾波電路相連接通過濾波將負半波的信號隔離保留正半波信號，正半波信號經(jīng)由U2A(MC14584BCP)、 R14、穩(wěn)壓管(1N4007 )組成的反相穩(wěn)壓電路 連接，最終生成可以被控制模塊識別的交流正半波檢測信號(焊絲端為正)， 輸入到控制模塊單片機P3.1腳。另一方面U1B輸出的電壓跟隨信號，將與由 RIO、 Rll、 R12、 U1D(LM324AN)組成半波整流電路相連進行正負半波的反相置 換，最后由U1D的輸出端輸出到二極管，D2(1N4148)和R13組成的濾波電路， 最終將交流負半周(焊絲端為負)的檢測信號送入控制模塊單片機的P3.2腳。
控制模塊
一、 MCU:
MCU采用AT89C2051，是控制電路的核心。內(nèi)置2K FLASH程序存儲器及 128字節(jié)內(nèi)部RAM。 AT89C2051帶有2個I/0 口， Pl和P3。 Pl口用作數(shù)碼管 掃描及驅(qū)動。P3 口用作鍵盤和脈沖控制端口。
二、 顯示
顯示部分釆用了 3位八段數(shù)碼管。其中，可以顯示當前焊接脈沖頻率， 范圍為l-500Hz;另外，利用后兩位，即第2、 3位數(shù)碼管的小數(shù)點分別監(jiān)視 兩個脈沖控制位的三種工作狀態(tài)第2位數(shù)碼管小數(shù)點常亮(model )、第3 位數(shù)碼管小數(shù)點常亮(mode2)、第2、 3位數(shù)碼管小數(shù)點根據(jù)實際頻率參數(shù)交 替點亮(mode3)。可直觀、形象地表示出脈沖控制器的運行狀態(tài)。
三、 鍵盤
鍵盤由2個按鍵組成Reset、 Mode。其中，Reset為MCU復位鍵，使控 制器恢復到默認頻率參數(shù)；Mode鍵為脈沖控制器工作狀態(tài)選擇鍵，循環(huán)選擇 3個狀態(tài)恒定峰值焊接電壓輸出(model )、恒定基值焊接電壓輸出(mode2 )、 峰值-基值脈沖焊接電壓輸出(mode3)。
四、 電壓給定
焊接電壓通過兩個獨立的電位器，分別給定峰值電壓和基值電壓信號。
五、接口開關
本部分是一組光電耦合器構成的電子開關，其作用是根據(jù)MCU的控制脈
沖，分別將峰值電壓和基值電壓給定信號送到焊機的控制接口端子。
控制模塊包括由MCU (單片機)、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、電壓給定器和光 電耦合器、接口端子構成的控制模塊。其特征在于MCU釆用AT89C2051為核 心的控制電路，內(nèi)置2k FLASH程序存儲器及128字節(jié)內(nèi)部RAM。它的一個I/0 口 Pl用作數(shù)碼管掃描及驅(qū)動。另一個I/0接口 P3用作鍵盤、檢測信號輸入 和脈沖信號輸出端口；鍵盤Reset、 Mode鍵組成。其中Mode循環(huán)選擇恒定峰 值焊接電壓輸出、恒定基值焊接電壓輸出、峰值-基值脈沖焊接電壓輸出；數(shù) 碼顯示器釆用3位八段數(shù)碼管，其可以表示1—999Hz的脈沖頻率；其中后兩位 數(shù)碼管的小數(shù)點位表示當前的模式，第二個數(shù)碼管小數(shù)點單亮，表示當前處 于恒定基值電壓輸出模式(model);第三個數(shù)碼管小數(shù)點單亮，表示恒定峰 值電壓輸出模式(mode2);兩個數(shù)碼管的小數(shù)點同時點亮，表示峰值-基值脈 沖電壓輸出模式(mode3)。光電耦合器使用了光耦元件TLP521-2，其特點在 于可以將控制電路與焊接電路完全隔離，避免了焊接時的復雜電環(huán)境對控制 器造成千擾。電壓給定器是由兩個獨立電位器組成；多路接口開關與電焊機 給定電位器端子板連接。
權利要求1、一種雙絲交-直流焊接控制器，包括交流檢測模塊和直流電焊機脈沖控制模塊；檢測模塊與控制模塊采用標準接口連接，其特征是所述交流檢測模塊依次串接電壓采集濾波電路，對雜波進行過濾；電壓過零比較電路及微分電路，找到交流電壓過零點，將其變?yōu)榧夥宀ㄝ敵?；分壓隔離及半波整流電路，分壓隔離電路將提取正半波信號，半波整流電路提取負半波信號；穩(wěn)壓及反相電路，生成可以被控制模塊識別的交流正負半波檢測信號；所述直流電焊機脈沖控制模塊包括MCU單片機、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、電壓給定器、光電耦合器、接口端子；其電路是以MCU單片機為核心的數(shù)字電路，其他外設分別與其相應的管腳相連。
專利摘要本實用新型專利涉及一種雙絲交-直流焊接控制器，屬于焊接設備技術。所述控制器包括交流檢測模塊和直流電焊機脈沖控制模塊；交流檢測模塊依次串接電壓采集濾波電路、電壓過零比較電路及微分電路、分壓隔離及半波整流電路、穩(wěn)壓及反相電路；直流電焊機脈沖控制模塊包括MCU(單片機)、鍵盤、數(shù)碼管顯示器、電壓給定器、光電耦合器、接口端子。控制器要完成的任務是，通過檢測模塊檢測交流電弧的電壓狀態(tài)，再根據(jù)交流電弧的狀態(tài)，控制直流電弧的脈沖輸出。
文檔編號B23K9/09GK201179586SQ200720097810
公開日2009年1月14日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權日2007年11月15日
發(fā)明者鵬 劉, 勃 孫, 丹 曲, 桓 李, 楊戰(zhàn)勝, 楊立軍, 陸權森, 瑩 高 申請人:天津大學