專利名稱：手工電弧焊模擬焊槍的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接培訓(xùn)學(xué)習(xí)用具，主要提出一種手工電弧焊模擬焊槍。
背景技術(shù)：
手工電弧焊是一種非常普及的焊接方法。它廣泛應(yīng)用于各種焊接場合，如汽車制造，壓力容器制造，船舶制造等。雖然各種自動焊方法已經(jīng)比較成熟，應(yīng)用也越來越多，但是由于使用上的方便和靈活，手工電弧焊仍然具有其不可替代的作用，例如，在各種壓力容器管道焊接，以及各種維護性焊接場合等。
在手工電弧焊操作過程中，影響焊接質(zhì)量的工藝因素比較多，比如電流、電壓、焊接速度、電弧弧長的穩(wěn)定性、焊條的擺動等。焊接過程的穩(wěn)定與否直接影響到焊接質(zhì)量，這是一種完全的人為因素，全憑焊接操作者的技藝和經(jīng)驗。在焊接質(zhì)量的控制中，電流，電壓，預(yù)熱溫度，焊條烘干程度等這些工藝參數(shù)都可以通過工藝文件和測量技術(shù)來控制。但是，和人為操作相關(guān)的參數(shù)，比如，焊接速度，焊接姿態(tài)都是無法記錄和控制的。為了訓(xùn)練出良好的焊接技術(shù)，需要付出艱苦的努力及相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟代價，這樣才能掌握手工電弧焊過程的真實感覺。培訓(xùn)焊工是一個需要消耗大量時間和電能、焊材消耗的過程。
在以往的手工電弧焊焊接實際訓(xùn)練階段，采用的都是師傅帶徒弟的方式進行訓(xùn)練，訓(xùn)練的效果受到教師的操作水平和表達能力等人為因素的影響，而師資力量不足已經(jīng)在目前焊接培訓(xùn)領(lǐng)域顯現(xiàn)出較強的態(tài)勢。同時焊接操作對場地，環(huán)境也有較高的要求，訓(xùn)練過程需要消耗大量的焊條，試板及相當(dāng)?shù)碾娏Y源。不僅如此，眾所周知，焊接環(huán)境是比較惡劣的，有大量的煙塵及強烈的弧光，非常容易對焊工的身體健康產(chǎn)生不良影響。對于新接受焊接培訓(xùn)的人員來說，惡劣的工作環(huán)境對其心理也容易產(chǎn)生負面作用，不利于后續(xù)的培訓(xùn)計劃的進行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種手工電弧焊模擬焊槍，使其可模擬手工電弧焊時的引弧及焊條燃燒過程，達到快速培養(yǎng)焊工的操作手感并減少物資和能源消耗的目的。
本發(fā)明完成其發(fā)明任務(wù)所采用的技術(shù)方案是其主要由步進電機、模擬焊條和主動輪、焊槍手把及裝夾把手構(gòu)成；其中，模擬焊條安裝在直線軸承中，以保證焊條的上下垂直移動，主動輪與從動輪從兩側(cè)對焊條加以摩擦夾緊；主動輪安裝在步進電機的電機軸上，步進電機用于精確控制主動輪帶動模擬焊條回抽、歸位或停止移動以模擬焊條的焊接過程。
步進電機工作由控制電路控制，在模擬焊條內(nèi)的下端部設(shè)置霍爾傳感器I，并在模擬焊條試件中設(shè)置感應(yīng)磁鋼I，用以檢測焊槍的引弧過程；在焊槍手把上設(shè)置霍爾傳感器II，并在裝夾把手上與霍爾傳感器II相對應(yīng)的部位設(shè)置感應(yīng)磁鋼II，用以檢測焊槍的裝夾焊條過程；兩個霍爾傳感器均與單片機的輸入接口連接；金屬材料的模擬焊條下端頭與單片機輸入接口相連，并在焊接試板上接有正極直流電源，用以檢測模擬焊條與模擬試件之間的短路狀況；在焊槍上設(shè)置有檢測模擬焊條復(fù)位的行程開關(guān)，其與單片機輸入接口相連，用以與模擬焊槍上的限位板配合檢測模擬焊條復(fù)位情況并將信號送至單片機輸入接口；單片機將采集到的信息通過自帶的串行接口傳輸?shù)街饔嬎銠C的串行接口上，并由數(shù)字量輸出端口輸出產(chǎn)生驅(qū)動器的外部脈沖和驅(qū)動器的方向電平，同時控制驅(qū)動器的輸出使能，驅(qū)動器的輸出為四線制步進電機輸出。
本發(fā)明主要是針對焊條電弧焊的焊接特點，通過控制模擬焊槍的動作，使之與真實焊槍一樣，當(dāng)焊工手持焊槍進行焊接操作時，焊槍能產(chǎn)生真實的動作反饋，控制電路可根據(jù)檢測到的不同的情況，控制電機的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)以及按某一固定速度值旋轉(zhuǎn)。可模擬焊條的各種工作狀態(tài)，如模擬焊條與工件是否接觸(短路)、與工件之間的距離(弧長是否合適)裝夾焊條及模擬焊條回抽移動長度(焊條熔化長度)，通過本實用新型模擬焊槍可達到快速培養(yǎng)焊工的操作手感并減少物質(zhì)和能源消耗的目的。


圖1為本發(fā)明模擬焊槍的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1的右視圖。
圖3為模擬焊槍控制電路電原理圖。
圖4為焊槍工作時狀態(tài)示意圖。
圖中，1、步進電機，2、模擬焊條，3、直線軸承，4、軸承座，5、主動輪，6、從動輪，7、滾輪支座，8、電機座，9、焊槍手把，10、裝夾把手，11、霍爾傳感器II，12、感應(yīng)磁鋼II，13、霍爾傳感器I，14、感應(yīng)磁鋼I，15、模擬焊接試件，16、限位板，17、行程開關(guān)。
具體實施例方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例加以說明如圖1所示，本發(fā)明主要由步進電機1、模擬焊條2和主動輪5、焊槍手把9及裝夾把手10構(gòu)成，其中，模擬焊條2安裝在直線軸承3中，主動輪5與從動輪6從兩側(cè)對焊條加以摩擦夾緊；直線軸承3安裝于軸承座4內(nèi)，軸承座4通過螺釘與電機座8連為一體，主動輪5安裝在步進電機1的電機軸上，步進電機1裝在電機座8上，從動輪6裝于滾輪支座7中，支座7通過螺釘與電機座8連為一體，安裝為一體的夾持部分最后總體套入焊槍手把9中。模擬焊條2采用不銹鋼中空管制造，通過其上、下移動模擬真實焊接時焊條的熔化，直線軸承3用于限制焊條的運動方向，主動輪為橡膠輪，電機轉(zhuǎn)動時帶動主動輪旋轉(zhuǎn)，依靠摩擦力拉動焊條上下移動，向上移動模擬焊條的熔化，向下移動模擬焊條的裝夾過程。
動力機構(gòu)采用了步進電機，采用步進電機能精確的控制焊條的移動，實現(xiàn)焊條熔化與焊接參數(shù)設(shè)置的一致性。步進電機選用成都步進電機公司出品的11HS3002-01型4相步進電機和與之配套的402型驅(qū)動器，經(jīng)測試，該組合在每分鐘3轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下不會出現(xiàn)步進電機低速時的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并且其保持轉(zhuǎn)矩達到65mNm，足夠帶動焊條的運動。
圖3為模擬焊槍的控制電路電原理圖。如圖1、圖4所示，在模擬焊條內(nèi)的下部設(shè)置霍爾傳感器I 13，并在模擬焊條試件中設(shè)置感應(yīng)磁鋼I 14，用以檢測焊槍的引弧過程；其焊條位置感應(yīng)磁鋼I 14由8塊外形相同的方形磁鋼排成一列，鋪設(shè)于焊縫下方，作為焊條霍爾傳感器I的觸發(fā)源?；魻杺鞲衅鱅I 11設(shè)置在焊槍手把上，如圖1所示，安裝在焊槍手把的側(cè)向位置，感應(yīng)磁鋼II 12安裝在裝夾把手上與霍爾傳感器II所對應(yīng)的部位，二者配合用以檢測裝夾把手10是否按下，是否開始裝夾焊條。，兩個霍爾傳感器分別與單片機的輸入接口P1.1、P1.2相連；金屬材料(不銹鋼)模擬焊條的下端頭與單片機輸入接口P1.0相連，并在焊接試件上的鋁合金薄板接有+5V電壓，用以檢測模擬焊條與模擬試件之間的短路狀況；如圖4所示。焊槍手把9上設(shè)置有行程開關(guān)17，其與單片機輸入接口P1.3相連，同時在模擬在焊條上端部設(shè)置有限位板16，二者配合檢測模擬焊條復(fù)位情況并將信號送至單片機輸入接口P1.3。如上所述，焊槍狀態(tài)采集電路由一塊單片機實現(xiàn)(型號Atmel89C51)，采集程序通過不斷查詢該單片機P1.0的狀態(tài)來采集焊槍上傳感器和開關(guān)的狀態(tài)，單片機將采集到的信息通過自帶的串行接口傳輸?shù)街饔嬎銠C的串行接口上(COM 1)。焊槍上所要采集的狀態(tài)共有4個，這些狀態(tài)決定了焊槍當(dāng)前的工作方式，其分別如下1、模擬焊條下端頭與焊接試板是否接觸。當(dāng)焊條下端頭與試板接觸時P1.0口被置為高電位，單片機采集到該信號后，向計算機發(fā)出引弧動作的指令信號。2、焊接過程中的電弧長度控制。當(dāng)計算機收到電弧引燃的指令后，通過霍爾傳感器I的信號來判斷電弧的長度是否超過了一定的限度，即焊條下端頭距鋁合金薄板的距離是否大于一定的值。3、焊條裝夾把手10是否按下，當(dāng)焊條運動結(jié)束時，需要使焊條復(fù)位以便重新焊接(即裝夾焊條動作)，該動作通過檢測裝夾把手內(nèi)部安裝的磁鋼與霍爾傳感器II的距離來判斷裝夾把手是否被按下，霍爾傳感器II的信號輸出至單片機P1.2口。4、焊條裝夾過程是否完成即焊條是否復(fù)位。行程開關(guān)用于檢測焊條裝夾過程中焊條的復(fù)位運動是否完成，其信號輸出至單片機P1.3口。如圖3，當(dāng)焊條端部固定的限位板壓迫行程開關(guān)使其輸出狀態(tài)發(fā)生改變，單片機檢測到該信號發(fā)出焊條已復(fù)位的指令到主計算機。
焊槍運動控制電路采用一塊基于計算機PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡完成(凌化公司的PCI-9112數(shù)據(jù)采集卡)這里主要使用了其數(shù)字量輸出端口。其具體連接方法如圖2，其中數(shù)字量輸出0通道用于產(chǎn)生驅(qū)動器的外部脈沖，數(shù)字量輸出1通道用于產(chǎn)生驅(qū)動器的方向電平，數(shù)字量輸出2通道用于控制驅(qū)動器的輸出使能。驅(qū)動器的輸出為四線制步進電機輸出。
焊槍電路的工作流程接通系統(tǒng)電源后，單片機開始不斷地檢測P1口的狀態(tài)，并將該狀態(tài)值發(fā)送給計算機。操作者操作焊槍進行引弧動作，當(dāng)焊條接觸到試板上的鋁合金薄板時，P1.0口狀態(tài)發(fā)生改變，反映到計算機中為開始引弧，當(dāng)“電弧”引燃后，進入正常焊接狀態(tài)，焊條端頭的霍爾傳感器I在一定的距離范圍內(nèi)受到試板中磁鋼的影響開始工作，主計算機控制數(shù)據(jù)采集卡，步進電機驅(qū)動器能使同時輸出脈沖信號和方向信號，使電機轉(zhuǎn)動提升焊條，模擬出真實焊接過程中焊條熔化逐漸縮短的過程。此時，計算機中的程序同時對焊條端頭和霍爾傳感器I輸出信號(即P1.0和P1.1)口進行監(jiān)控。若檢測到焊條端頭再次接觸試板，則做出焊接短路的判斷，停止電機轉(zhuǎn)動。若檢測到霍爾傳感器I停止工作，則判斷為焊條端頭距離試板過遠，造成焊接電弧熄滅，停止電機轉(zhuǎn)動?；魻杺鞲衅鱅I具有最高的動作優(yōu)先級，即操作者可在任何時間進行裝夾焊條的操作，當(dāng)主程序檢測到P1.2口為高電平時，做出焊槍裝夾把手按下，開始焊條復(fù)位動作，同時控制采集卡的運動方向控制端口使電機反向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)焊條的回抽復(fù)位。在焊條回抽復(fù)位的同時，主程序也在不斷檢測行程開關(guān)的狀態(tài)(查詢P1.3口)以判斷焊條復(fù)位動作是否完成。待行程開關(guān)按下，主機算機受到復(fù)位完成的指令，焊槍機械結(jié)構(gòu)和電路均已復(fù)位，可進行新的焊接操作。
權(quán)利要求
1.一種手工電弧焊模擬焊槍，其特征是主要由步進電機(1)、模擬焊條(2)和主動輪(5)、焊槍手把(9)及裝夾把手(10)構(gòu)成；其中模擬焊條(2)安裝在直線軸承(3)中，主動輪(5)與從動輪(6)從兩側(cè)對模擬焊條加以摩擦夾緊；主動輪(5)安裝在步進電機(1)的電機軸上，在模擬焊條(2)內(nèi)的下端部設(shè)置霍爾傳感器I(13)，并在模擬焊條試件(15)中設(shè)置感應(yīng)磁鋼I(14)；在焊槍手把(9)上設(shè)置霍爾傳感器II(11)，并在裝夾把手(10)上與霍爾傳感器相對應(yīng)的部位設(shè)置感應(yīng)磁鋼II(12)；兩個霍爾傳感器均與單片機的輸入接口連接；金屬材料的模擬焊條下端頭與單片機輸入接口相連，并在焊接試板上接有正極直流電源；在焊槍上設(shè)置有檢測模擬焊條復(fù)位的行程開關(guān)(17)，其與單片機輸入接口相連，用以與模擬焊槍上的限位板配合檢測模擬焊條復(fù)位情況并將信號送至單片機輸入接口；單片機將采集到的信息通過自帶的串行接口傳輸?shù)街饔嬎銠C的串行接口上，并由數(shù)字量輸出端口輸出產(chǎn)生驅(qū)動器的外部脈沖和輸出產(chǎn)生驅(qū)動器的方向電平，同時控制驅(qū)動器的輸出使能，驅(qū)動器的輸出為四線制步進電機輸出。
全文摘要
本發(fā)明提出的手工電弧焊模擬焊槍主要由步進電機(1)、模擬焊條(2)和主動輪(5)、焊槍手把(9)及裝夾把手(10)構(gòu)成；其中模擬焊條安裝在直線軸承(3)中，主動輪與從動輪(6)從兩側(cè)對模擬焊條加以摩擦夾緊；主動輪安裝在步進電機的電機軸上。步進電機工作由控制電路控制，用于精確控制主動輪帶動模擬焊條回抽、歸位或停止移動以模擬焊條的焊接過程。本發(fā)明主要是針對焊條電弧焊的焊接特點，通過控制模擬焊槍的動作，當(dāng)焊工手持焊槍進行焊接操作時，焊槍能產(chǎn)生真實的動作反饋，控制電路根據(jù)檢測到的不同的情況，控制電機的正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)以及按某一固定速度值旋轉(zhuǎn)?？赡M焊條的各種工作狀態(tài)，通過模擬焊槍可達到快速培養(yǎng)焊工的操作手感。
文檔編號G09B25/02GK101079200SQ20071005456
公開日2007年11月28日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者薛金保, 鄒林, 張建勛, 王啟宇, 衛(wèi)建良, 聶敏, 裴怡, 梁振新, 黃挺, 王莉紅 申請人:中國石油天然氣第一建設(shè)公司