电容储能式螺柱焊机的研制

北京工业大学硕士学位论文电容储能式螺柱焊机的研制姓名：欧特伦申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：殷树言;刘嘉20070501摘要摘要众所周知，电弧螺柱焊作为焊接学科的一个分支是各国工业领域广泛应用的加工和装配方法，对于板材的螺柱焊接相当方便实用，而电容储能式螺柱焊在薄板焊接方面更是得到突出应用。

电容放电螺柱焊是螺柱焊接中的一个大类，其特点是焊接过程短（，Ｊ、于５ｍｓ），热影响区小，生产率高，焊缝质量好，适用于直径小于等于１０ｍｍ的碳钢、不锈钢、铝、铜等材料的螺柱焊接。

这种焊接方法依靠储能电容器提供能量，通过焊枪操作，将特殊设计的螺钉在极短的时间内焊接在板材上。

随着数字技术和现代通信技术的迅速发展，为数字化技术在焊接领域的逐步渗透和提高焊接设备的技术含量提供了广泛的应用前景。

而数字化的实现更使得弧焊电源的控制精度得到显著的提高。

采用Ｃ１６７作为核一Ｉｉ，控制芯片，该芯片具有较强的事件管理和数据处理能力，同时片上还集成了丰富的外设资源，能够提高系统的集成度、抗干扰性能，并且降低成本。

逆变技术的应用使得电容储能焊接电源能更趋向于小型化和便携式。

逆变电源采用ｄ、ＭＯＳ管或ＩＧＢＴ等开关元件能达到较高的逆变频率，并且功率因数可达９５％以上，节能和节材。

经实验结果证明，该焊机输出特性满足技术指标的要求，操作方便，焊接过程中不出现误动作，焊接成功率较高，焊接性能稳定。

关键词螺柱焊；逆变：电容储能；Ｃ１６７单片机金属打标机/独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：敌特彳龟／日期：竺］：三：望关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：鼹煎！垒导师签名：日期：泗１．ｆ，ｑ金属打标机/北京工业大学工学硕士学位论文图１－１电弧螺柱焊的分类Ｆｉｇｕｒｅ１－１Ｓｏｒｔｓｏｆａｒｃｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇ由文献［１５～２１］可知，普通电弧螺柱焊由于具有焊接熔深大、接头强度高，对待焊工件的表面要求低等特点，主要应用于建筑、桥梁、造船及一般的重型机器制造业。

焊接材料通常为碳钢和不锈钢等黑色金属，螺柱的尺寸通常在直径１０ｍｍ以上，而且螺柱与工件的径厚比不能太大。

普通电弧螺柱焊的焊接时间一般在０．２—２Ｓ，焊接时间相对比较长，熔化金属量较多，一般熔深可以达到母材金属厚度的１／４。

对于薄板的螺柱焊接，普通电弧螺柱焊显然存在烧损严重和热变形的问题。

为了解决薄板的螺柱焊接问题，电容储能电弧螺柱焊应运而生。

这种方法类似于储能焊，焊接过程的特点是时间短（约１０１０ｍｓ），因而电流极大。

短暂的加热时间使母材上的焊接熔池较浅，因而适合薄板母材的焊接，可以焊接０．２５ｍｍ厚的母材而不致烧穿。

相对普通电弧螺柱焊中螺柱与母材的径厚比不超过３：ｌ，电容储能电弧螺柱焊可以成功焊接径厚比为８：１的螺柱。

而且由于可以采用小体积、高性能的电子元器件，更便于电路的集成化，似的电容出能电弧螺柱焊机可以做到轻便、小巧，更方便使用。

其中尖端放电式的方法更接近于一般的储能式焊接工艺，时间更短（小于３ｍｓ），适用范围包括矽３～１０ｒａｍ的黑色金属和多种有色金属，是本文重点讨论的对象。

它又分为预接触式和预留间隙式两种方法，具体区别如图１－２：金属打标机/第１章绪论ａｂ图１－２ａ）预接触式焊接过程ｂ）预留间隙式焊接过程Ｆｉｇｕｒｅ１－２ａ）Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｎｔａｃｔｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇｂ）Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｌｅａｒａｎｃｅｓｔｕｄｗｅｌｄ．ｍｇ１．３电容储能式螺柱焊机的发展现状及趋势由文献［２２～４５］可知，当前电容储能式螺柱焊机的应用十分广泛，市场竞争也相当的激烈，形成一个国外与国内、高端与低端并存的局面。

国外以ＯＢＯ、ＴＡＹＬＯＲ等知名品牌为代表的各系列，国内则在近几年出现大批电容储能式螺柱焊机的制造厂商，其中以成都斯达特的ＲＳＲ系列较早，品种也比较齐全。

从电源电路上看，电容储能式螺柱焊机的发展趋势是从传统的电源电路到当前最流行的逆变式电源电路。

见图１．３：图１－３传统式电容储能螺柱焊机电源原理框图Ｆｉｇｕｒｅ１－３Ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃａｐａｃｉｔｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｕｄｗｅｌｄｅｒ’ｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ主电路变压器Ｔ１起隔离和变换电压的作用。

随着储能电容器制作水平和材料质量的提高，其容量体积比增大，隔离变压器Ｔｌ在焊接电源中占的体积、质量增加，所以采用此种设计的焊机～般体积较大，成本偏高。

北京工业大学工学硕士学位论文图１４逆变式电容储能螺柱焊机电源原理框图Ｆｉｇｕｒｅ１－４Ｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｖｅｒｔｃａｐａｃｉｔｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｕｄｗｅｌｄｅｒ’ｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ逆变式电容储能螺柱焊机采用逆变技术，图１＿４便是其中一种应用框图，采用３８４５集成电路等控制芯片来控制逆变过程，其控制电路如图１．５。

图１－５逆变控制电路原理图Ｆｉｇｕｒｅ１－５Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｉｎｖｅｒｔｃｏｎｔｒｏｌ引入逆变技术研制新型逆变电容放电螺柱焊机可有效降低焊接电源重量，缩小体积，减少制作成本。

从控制方面来看，电容储能式螺柱焊机的控制方向应是从分立元件的控制上升到微机控制。

早期和低端的电容储能式螺柱焊机大量采用模拟技术，对电容的充放电量和焊接过程很难做到精确控制，且随着元器件的老化，控制的精度更难以保证。

以一款较老电容储能式焊机ＲＳＲ－１２５０为例，见图卜６：金属打标机/北京工业大学工学硕士学位论文如图１．７，用运算放大器对采样信号进行放大，用模拟信号隔离进行ｌ：１的放大隔离，再送入单片机自带Ａ／Ｄ转换口进行Ａ／Ｄ转换。

用单片机ＩＯ口输出控制信号和驱动数码显示器。

由以上的分析可见，现今电容储能式螺柱焊机的发展方向是微机控制逆交式螺柱焊机。

１．４本文的研究内容主要研究电容储能式螺柱焊机的电源设计及应对不同材料和尺寸螺柱焊接的工艺参数的设定。

力求在研究现有的各种电容储能式螺柱焊机的基础上，研制一台单片机控制的逆变式电容储能螺柱焊机以减小焊机体积、降低成本、使之操作更简单并提高其功率因数。

本课题的主要工作有：１）设计电容储能式螺柱焊机的电源主电路；２）设计Ｃ１６７的外围电路及控制电路；３）设计显示面板模式及其电路；４）为单片机设计、编写控制软件来控制整个充放电和焊接过程；５）为面板编写显示程序；国调试焊机，并测试不同参数对螺柱焊接质量的影响以设计合理的焊接参数。

金属打标机/北京工业大学工学硕士学位论文端反激逆变电路输出主工作电路给电容充电用，另一路经过另一个单端反激电路输出４路恒压，分别给各控制电路和信号电路供电。

由Ｌ４９８１Ｂ控制主工作电路的ＭＯＳ管开通关断，以提高功率因数。

而供电电路由ＴＤＡ４６０５控制供电电路ＭＯＳ管的开通关断，通过副边反馈信号自动调节达到恒压效果。

而给电容减压放电电路则是用ＴＣ４４２７控制并行的４个小ＩＧＢＴ，通过与ＩＧＢＴ串联的耗能电阻进行放电。

２）控制电路板单片机Ｃ１６７通过ＩＯ（Ｉｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）口接收反馈信号，检测各种状态，并发送控制信号。

通过Ｃｔ６７自带的Ａ／Ｄ转换器对电容电压进行采样，并根据用户设定值与电容电压值的比较控制电容的充、放电。

单片机外扩Ｔ２５６ＫＢ的ＦＬＡＳＨ和２５６ＫＢ的ＲＡＭ，通过ＭＡＸ２３２用串口与计算机相连，加载应用程序。

使用了逻辑器件ＧＡＬ２０Ｖ８对单片机的输出控制信号进行逻辑保护。

使用高速Ｅ２ＰＲＯＭ９３Ｃ４６保存焊机工作中的实用数据。

主要功能有：１）充电时通过ＩＯ口驱动Ｌ４９８１Ｂ工作，从而驱动ＭＯＳ管的通断，由单端反激逆变电路给电容充电，并通ｉ：ｔＡ／Ｄ转换器实时监控电容电压值。

２）放电时通过ＩＯ口驱动ＴＣ４４２７工作，从而驱动放电ｄ、ＩＧＢＴ导通，并通ｉ立Ａ／Ｄ转换器实时监控电容电压值。

３）工作状态检验枪键信号，通过ＩＯ口发送控制信号从而驱动可控硅开通，使电容电量通过可控硅瞬时释放，完成焊接。

４）接收面板信号，从而根据用户设定值调整电容电压，并用ＩＯ口通过７４ＨＣｌ３８驱动面板数码管，以显示相关值。

５）通过连接在各散热片上的温度开关给单片机反馈信号，检验ＭＯＳ管和ＩＧＢＴ的过热情况，同时检测交流端和控制电逆变电路的电压状态，形成保护电路。

６）通过串行通讯和计算机相连实现软件加载，便于调试和升级软件。

３）面板人机交互平台，用户通过面板设定焊接参数，并从面板显示获得焊机的状态信息。

主要由一个编码器、３个数码管和５个指示灯组成。

编码器提供给用户方便设定参数的服务，而数码管则显示用户所需参数，指示灯用于指示焊机所处状态。

４）焊机外围电路部分通过多个接插件连接电容、焊枪、主工作电路板、控制电路板和面板，设计机箱内的各个电路以实现整个焊机的功能。

２．２主电路板２．２．１主工作电路部分即给电容充电的供电部分，两相交流电通过整流桥整流和大电容滤波后经过单端反激逆变电路输出电容充电电流。

见图２－２：金属打标机/北京工业大学工学硕士学位论文其应用电路如图２—４：图２－４Ｌ４９￥１Ｂ驱动电路原理图Ｆｉｇｕｒｅ２－４ＴｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｄｒｉｖｅｒＩ．，４９８１Ｂ本设计采用１８Ｖ电源输入，在焊机工作环境下（摄氏７０度以内）Ｌ４９８１Ｂ的２０脚能输ＬＢ２５０ｍＡ、１２．５Ｖ的驱动信号，对于电容性小于ｌＯｎＦ的ＭＯＳ管可以在ｌＯＯｎｓ内实现，本设计Ｌ４９８１Ｂ的开关频率大概为７０ｋＨｚ。

由于Ｌ４９８１Ｂ不是开关器件，并没有直接的控制端来开通、关断它，为了实现用单片机控制Ｌ４９８１Ｂ的工作状态，用到了它的引脚３。

单片机控制信号通过ＣＯＮＴＲＯｌ接入Ｌ４９８１Ｂ的第３脚，也就是它的过压保护引脚。

３脚输入电压将与内部精确基准电压（１８Ｖ输入情况为５．ＩＶ）做比较，一旦输入电压过高贝ｆＪＬ４９８１Ｂ停止工作。

考虑到单片机ＩＯ口输出电压为５Ｖ，因此采用下面的运算放大器加光耦电路实现直接由单片机ＩＯ口控￥ｌＪＬ４９８１Ｂ。

金属打标机/北京工业大学工学硕士学位论文它Ｄ’：∞ｃ５＝瓤ＥＯＤＣＭｆ酯牛蕊；蚴孛１的图２－６其它电路供电电路原理图Ｆｉｇｕｒｅ２－６Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｏｔｈｅｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ如图２—６，交流电通过整流、滤波，通过ＴＤＡ４６０５驱动ＭＯＳＦＥＴＶｌ的开通、关断来实现单端反激逆变电路，变压器副边输出５路直流电源，其中ＤＣｌ给焊机风扇供电，ＤＣ２给预留间隙式焊枪的电磁铁供电，ＤＣ３、ＤＣ４和ＤＣ５分别给其它元器件及一些检测信号提供电源。