專利名稱：控制電弧焊機(jī)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電弧焊接技術(shù)，特別涉及用于在焊接過程中控制電源的系統(tǒng)和方法。
根據(jù)本發(fā)明，電壓和電流積乘以因數(shù)k。然后將乘積kP傳遞到高速控制器中以將電弧功率保持在與焊接循環(huán)中的時(shí)間位置相關(guān)的設(shè)定量。不再需要慢外部回路控制。焊接電流依賴于輸入焊機(jī)的高速控制回路的電壓和電流。優(yōu)選實(shí)施例包括反饋信號，該反饋信號只包含電弧電壓和電弧電流之乘積。這是電弧功率P。該積可以由乘數(shù)k來改變。該因數(shù)可以用于補(bǔ)償行走速度或金屬絲進(jìn)給速度。反饋信號是kP，但k通常是1.0。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，電弧的功率P是與來自波整形器的功率信號或功率分布相比較的補(bǔ)償信號。在這一方面，波整形器產(chǎn)生功率分布，特別是在焊接循環(huán)的電弧狀態(tài)期間。例如，當(dāng)完成短路型焊接，如STT焊接過程，波整形器提供在短路后產(chǎn)生的要求電弧功率并重新形成電弧。當(dāng)以脈沖焊接過程焊接時(shí)，波整形器輸出峰值電弧功率，然后輸出與高速控制回路中的功率反饋信號比較的本底電弧功率。在AC電弧焊接過程中，在正極性期間的要求電弧功率由波整形器輸出，用于與實(shí)際正極性期間的功率反饋信號kP比較。以類似方式，在負(fù)極性期間的要求功率由波整形器輸出，用于與功率反饋信號kP比較以控制負(fù)極性電弧功率。當(dāng)然，如在鋁焊接中所使用的那樣，正極性期間的功率可以顯著區(qū)別于負(fù)極性期間的功率?？傊峁┕β市盘柌z測功率反饋信號kP。比較這兩個(gè)參數(shù)以控制來自高速開關(guān)式電源的電流。當(dāng)然，當(dāng)恒定功率信號Pset控制內(nèi)部控制回路并用于與來自電弧的功率反饋信號kP比較時(shí)，在噴射或熔滴焊接期間不必有波整形器。本發(fā)明在低電流焊接中有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
稱為功率反饋函數(shù)或信號kP的反饋是檢測的電弧電壓和檢測的電弧電流的相互關(guān)系，其乘積可以乘以為常數(shù)或變量的因數(shù)k。在優(yōu)選實(shí)施例中，乘數(shù)是常數(shù)1.0，使得反饋信號僅為電弧功率。該功率反饋或信號要求的電弧功率比較，用于控制電源的輸出電流。乘數(shù)k可以是常數(shù)，或線性方程、非線性方程或其它方程。因數(shù)k可以依賴于實(shí)際電壓或電流，并用于以補(bǔ)償各種焊接參數(shù)的方式改變反饋信號，這些焊接參數(shù)如金屬絲進(jìn)給速度、焊極行走速度、保護(hù)氣體、金屬絲直徑、金屬絲材料等等。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，乘數(shù)k可以是電流加上電壓除以電流乘電壓，以產(chǎn)生用于條狀物焊接或鋁MIG焊接的下垂(drooper)機(jī)中的斜率類型。該因數(shù)k產(chǎn)生電流和電壓之間的直線關(guān)系以產(chǎn)生傾斜工作曲線。如圖所示，乘數(shù)k可以具有任何值以產(chǎn)生電壓和電流之間的特定關(guān)系。但是，實(shí)際上，反饋信號是通過乘以電弧電流和電弧電壓獲得的電弧功率。該電弧功率信號與焊接循環(huán)中任何給定時(shí)間所要求的電弧功率比較?？刂乒β室栽O(shè)定電平的好處是可以在逆變器或斷路器的極高開關(guān)速度下調(diào)整功率。在此高速下，電弧長中的任何變化會(huì)導(dǎo)致電弧強(qiáng)度的變化，該電弧強(qiáng)度會(huì)升高或降低電弧長以保持平衡。例如，當(dāng)設(shè)定電弧功率以工作在給定電平如2000瓦時(shí)，在電壓為20伏而電流為100安培時(shí)建立平衡。這形成要求電弧長。如果電弧長增大，輸出功率保持在2000瓦。但是，電壓升高，例如升高到22伏。這使電流降低到901安培的電平。降低的電流減小了電弧強(qiáng)度并使電弧長減小。然后使電壓返回到20伏電流升高到100安培。以類似方式。如果電弧長減小并變的過短，輸出功率保持在固定的2000瓦。因此，電壓下降。這引起電流立即快速增大。增大的電流使電弧強(qiáng)度增大，并趨于強(qiáng)制形成較大的電弧長。因此，短的電弧長增大，電流和電壓趨于平衡以產(chǎn)生2000瓦控制的功率電平。采用本發(fā)明的電弧長變化達(dá)到最小化。保持了快速的穩(wěn)定性。通過使用本發(fā)明，電源對電弧長的變化快速反應(yīng)，使得電流只波動(dòng)較小量以保持要求設(shè)定電弧長。在清除每個(gè)短路后，這一優(yōu)點(diǎn)特別明顯。通過使用本發(fā)明，即時(shí)在突然清除短路后，控制器也會(huì)迅速尋找電弧長的平衡，并保持該平衡。
如在率GMAW焊接中所公知的，由于金屬絲的低電阻率和熔化溫度，更難于控制電弧長。即使當(dāng)焊接鋁時(shí)，由本發(fā)明獲得的電弧長的快速控制也使電源保持一致控制電弧長。因此，即使伸出部在快速變化，電弧長也保持一致。
本發(fā)明用于脈沖焊接系統(tǒng)，以及具有恒定要求電弧功率的焊接過程。在本發(fā)明的脈沖焊接裝置中，獲得峰值功率輸出功率和本底輸出功率的高速控制。過去，包括自適應(yīng)控制的脈沖焊接，其中根據(jù)變化頻率或峰值、本底電流和頻率的組合由自適應(yīng)回路確定電弧長。因此，反饋控制回路每一脈沖僅工作一次，由此進(jìn)行計(jì)算并執(zhí)行下一脈沖的校正。本發(fā)明解決了這一問題，并僅僅控制峰值期間的功率和本底期間的功率。這不是自適應(yīng)。它是在脈沖焊接循環(huán)的峰值和本底部分期間獲得維持恒定電弧長的優(yōu)點(diǎn)的實(shí)時(shí)功率控制。具有本發(fā)明的脈沖焊接使電弧長的自調(diào)整快于用普通自適應(yīng)脈沖焊接控制器獲得的調(diào)整。通過使用功率控制在脈沖波的本底部分期間的低電流，提高了電源的耐久性，使其更能抗突然熄火(pop outs)。
還可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明應(yīng)用于混合極性焊接，如GMAW、FCAW、SAW、MCAW、SMAW和其它系統(tǒng)。所有這些焊接過程可以由反饋信號kP調(diào)整。例如，如果要求方波AC焊接過程，波整形器提供所需的正極性的電弧功率和所需的負(fù)極性的電弧功率。這些不同功率電平期間的高速度調(diào)整迅速控制正脈沖和負(fù)脈沖期間的電弧長。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)焊接實(shí)踐，正功率值可以不同于負(fù)功率值。當(dāng)波型的形狀和時(shí)間改變時(shí)，根據(jù)其它條件，波型的控制是根據(jù)功率分布，功率分布與來自電弧的實(shí)際功率反饋信號kP比較以根據(jù)要求分布保持電弧功率。該功率分布由模擬或最好是數(shù)字波整形器輸出。波整形器產(chǎn)生要求的功率分布以在AC焊接循環(huán)的所有部分控制電弧功率。
根據(jù)本發(fā)明的基本方面，高速控制回路的反饋信號是電弧功率。這是檢測的電弧電壓和檢測的電弧電流的乘積。為了修改反饋信號，本發(fā)明還采用稱為因數(shù)或乘數(shù)k的乘數(shù)。因數(shù)k可以是.5和1.0之間的可變量。如上所述，最好是1.0。當(dāng)電壓變化時(shí)，電源的電流控制信號改變以保持恒定電弧功率。因數(shù)k的使用使電流和電壓相互關(guān)系的改變具有靈活性。因數(shù)k的使用不改變反饋信號的功率特征。這樣，當(dāng)在說明本發(fā)明中涉及反饋“功率”信號時(shí)，其通常為電流和電壓的乘積，即P；但是，它可以具有使用的因數(shù)乘數(shù)，即kP。實(shí)際上，當(dāng)信號是實(shí)際電弧功率P時(shí)，反饋信號可以稱為k＝1.0的kP。這樣，功率用于本發(fā)明并且定義為控制變量，電弧功率P最好表示為kP。為產(chǎn)生上述反饋信號的斜工作特性，因數(shù)k可以是電壓加上電流除以電壓乘電流。而且該關(guān)系可以是另一線性kP，如avarc+bIarc+c，其中a、b和c是常數(shù)。當(dāng)該k乘以電壓和電流之乘積時(shí)，反饋信號是電弧電壓乘以電弧電流。在前述的開關(guān)操作期間，該反饋信號與要求功率信號比較以獲得電壓的快速響應(yīng)。因數(shù)k可以根據(jù)金屬絲進(jìn)給速度變化。例如，因數(shù)k可以是150/wfs。如果金屬絲進(jìn)給速度是300英寸/分鐘，則因數(shù)k是0.5。這樣，金屬絲進(jìn)給速度可以用于改變因數(shù)k來修改反饋信號。因數(shù)k還可以根據(jù)氣體或行走速度或電壓本身改變。當(dāng)因數(shù)k基于時(shí)間時(shí)，反饋信號以焦耳為單位。當(dāng)電壓是因數(shù)k時(shí)，反饋信號是IV2?？梢杂衅渌薷陌娀‰娏骱碗娀‰妷撼朔e的反饋信號的可能性，但是它們不能改變基本控制信號是電弧上電流和電壓乘積的事實(shí)。因數(shù)k可以由幾個(gè)焊接變量或這些變量的組合來修改。現(xiàn)在使用的這些變量是行走速度、金屬絲進(jìn)給速度、電壓、電流、時(shí)間、氣體混合、實(shí)際焊極伸出部、金屬絲尺寸或類型、電感設(shè)置或其它設(shè)置。
根據(jù)本發(fā)明，提供完成焊極和工件之間焊接過程的電弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，焊極是以電機(jī)操作金屬絲進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置控制的金屬絲進(jìn)給速度喂送到電弧中的焊接金屬絲。該系統(tǒng)包括高速開關(guān)式電源，如逆變器或斷路器。通過具有輸入電流控制信號的控制器，該電源具有至少10kHz的開關(guān)頻率以調(diào)整電源輸出電流?？刂破饕钥煊陔娫吹拈_關(guān)順序工作，但是控制是以開關(guān)速度。第一傳感器檢測實(shí)際電壓，而第二傳感器檢測實(shí)際電弧電流。然后提供第一電路以產(chǎn)生以功率信號，該功率信號表示焊接過程中以漸進(jìn)時(shí)間的所要求的實(shí)時(shí)功率電平。在優(yōu)選實(shí)施例中，功率信號由輸出要求功率分布的波整形器產(chǎn)生。當(dāng)實(shí)施噴射或熔滴焊接時(shí)，電源是固定的電弧功率值。為形成該控制系統(tǒng)，有用于產(chǎn)生所檢測實(shí)際電壓和所檢測實(shí)際電流的函數(shù)的第二電路，以提供這兩個(gè)電弧參數(shù)的函數(shù)，用于控制電弧功率。因此，第三電路用于根據(jù)任何給定時(shí)間的要求功率信號和實(shí)際電壓和電流的函數(shù)之間差值來調(diào)整電源的電流控制信號。該函數(shù)是與電弧狀態(tài)期間任何給定時(shí)間的要求功率信號比較的反饋信號kP，使得電弧功率保持在要求電平。這獲得前述的電弧長的平衡。如果焊接過程包括具有短路電路的循環(huán)，則電源在短路狀態(tài)期間工作在電流反饋模式。因此，在焊接循環(huán)的連續(xù)起弧狀態(tài)，系統(tǒng)變換到通過反饋函數(shù)或信號kP的控制。函數(shù)或反饋信號kP最好僅為k＝1.0的電壓和電流的乘積。但是，可以采用非單一(non-unity)乘數(shù)，如上所述。乘數(shù)可以是根據(jù)控制系統(tǒng)中使用的功率反饋函數(shù)的要求調(diào)制的固定數(shù)或可變數(shù)。反饋功率信號最好是Ia×Va。在功率信號kP的情況下，k＝1.0。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)焊接控制技術(shù)，所有電路是數(shù)字電路并且由數(shù)字信號處理器運(yùn)行。但是控制系統(tǒng)的一些方面，可以是不背離本發(fā)明精神和范圍的模擬電路或模擬部件。高速開關(guān)式電源最好是工作在大于10kHz頻率的逆變器，事實(shí)上頻率最好大于18kHz。當(dāng)然，斷路器使用高速開關(guān)并具有可以由功率反饋信號kP控制的高速內(nèi)控制回路。最好，第一數(shù)字電路是波整形器，該波整形器在焊接循環(huán)的所有時(shí)間輸出配合要求功率電平的功率分布。
本發(fā)明與各種焊接過程一起使用。如果焊接過程具有固定功率，本發(fā)明不要求波整形器?？勺児β恃h(huán)，如脈沖焊接和AC焊接，由反饋信號kP控制并采用一裝置輸出要求電弧功率。當(dāng)實(shí)施短路焊接過程時(shí)，在短路狀態(tài)期間使用電流控制，在電弧狀態(tài)期間使用反饋信號kP。在本發(fā)明中，實(shí)際電弧功率與要求電弧功率的比較由數(shù)字誤差放大器完成，該數(shù)字誤差放大器具有控制脈沖寬度調(diào)制器的輸出誤差信號，用于調(diào)整高開關(guān)速度電源的輸出電流。其它實(shí)施例也在本技術(shù)領(lǐng)域范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，信號或函數(shù)kP用作反饋信號以調(diào)整金屬絲進(jìn)給速度。以這種方式，通過金屬絲進(jìn)給速度(WFS)的變化，改變電弧長以調(diào)整電弧的要求功率。根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種控制電弧焊機(jī)的方法，該焊機(jī)的控制是通過檢測實(shí)際輸出電流、檢測實(shí)際輸出電壓、產(chǎn)生功率循環(huán)、產(chǎn)生表示電弧功率的實(shí)時(shí)反饋信號kP、然后通過功率循環(huán)和實(shí)時(shí)kP的比較調(diào)整電源的輸入信號來實(shí)現(xiàn)的。以該方式，當(dāng)電壓下降時(shí)，電流升高，反之亦然。該方法可以通過在焊機(jī)的高速控制回路中提供的各種模擬和數(shù)字控制電路來實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，功率反饋信號P或kP由表示為參數(shù)的值來修正，如金屬絲進(jìn)給速度或焊極行走速度。
本發(fā)明的首要目的是提供一種系統(tǒng)和方法，通過采用功率反饋函數(shù)或信號kP來保持所要求的電弧功率的方式，控制高速開關(guān)式電源。更主要的目的是產(chǎn)生控制電弧焊接過程的焊接參數(shù)的反饋信號kP。
本發(fā)明的另一目的是提供一種系統(tǒng)和方法，如上所述，該系統(tǒng)和方法特別是當(dāng)工作在低電流時(shí)和焊接鋁時(shí)保持電弧穩(wěn)定性并降低電流過調(diào)量。
本發(fā)明的另一目的是提供一種系統(tǒng)和方法，如上所述，易于采用標(biāo)準(zhǔn)焊接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)和方法，而不顯著修改電弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)。
由下述參照附圖的說明可以清楚理解本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


圖1B是當(dāng)因數(shù)k為1.0時(shí)，類似于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的圖1A的坐標(biāo)圖；圖2是當(dāng)因數(shù)k為1.0并且焊接過程包括恒定電弧功率的本發(fā)明坐標(biāo)圖；圖3是具有電弧狀態(tài)圖示的坐標(biāo)圖，該電弧狀態(tài)為采用本發(fā)明的短路焊接過程的電弧狀態(tài)；圖4是類似于圖1的、脈沖焊接過程實(shí)施例的方框圖和電路圖的組合圖；圖5是類似于圖2的坐標(biāo)圖，顯示了采用圖4所示本發(fā)明實(shí)施例的功率分布和電弧電壓和電路；圖5A是圖5所示功率分布的放大部分；圖6是用于AC焊接時(shí)本發(fā)明的方框圖和電路圖的組合圖；圖7是具有當(dāng)實(shí)施圖6所示的本發(fā)明實(shí)施例時(shí)產(chǎn)生的曲線s的視圖；圖8是圖7所示的波整形器功率分布的放大部分；圖9是顯示采用具有固定要求電弧功率的本發(fā)明的部分方框圖和電路圖；圖10是類似于圖9的示意圖，圖中表示控制金屬絲進(jìn)給速度的功率反饋函數(shù)或信號kP的使用；圖11是表示本發(fā)明變形的部分方框圖和電路圖，其中通過金屬絲進(jìn)給速度檢測反饋信號kP；圖12是表示本發(fā)明變形的部分方框圖和電路圖，其中通過行走速度檢測反饋信號kP；圖13是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方框圖和電路圖的組合圖。
在焊接過程中，存在有短電弧或沒有電弧的焊接循環(huán)部分。此時(shí)，不需要使用來自函數(shù)發(fā)生器100的電弧功率。為了確定電弧的產(chǎn)生，已知有許多電路。這樣的電路圖示為電弧探測器102。將線72上的電弧電壓與閾值電壓比較，使得當(dāng)電弧電壓升高以探測電弧時(shí)，在輸出端102a上產(chǎn)生特定邏輯。線72上的低值識別為短路。在短路中不需要使用來自函數(shù)發(fā)生器100的電弧功率反饋kP。當(dāng)沒有電弧即短路時(shí)，線102a上的邏輯控制數(shù)字式兩路開關(guān)110在線112上輸出功率電平。在該狀態(tài)下，通過開關(guān)110將所檢測的線62上的電弧電流導(dǎo)向誤差放大器44的輸出端52。因此，當(dāng)沒有電弧時(shí)，控制C根據(jù)電弧電流Ia的反饋工作。在焊接操作的短路部分期間，在線46上使用電流命令信號，線102a將波整形器50變換到電流控制模式。在電弧狀態(tài)期間，函數(shù)發(fā)生器110在線114中提供函數(shù)或信號，經(jīng)過開關(guān)110然后在線52上形成函數(shù)或信號kP。信號kP是電弧功率反饋信號。在線46上提供電弧功率，使得線46和52上信號功率電平的比值確定線48的電流命令信號。實(shí)際上因數(shù)k是1.0。這樣，電弧功率kP是線52上的函數(shù)或信號，在電弧狀態(tài)期間的要求電弧功率由波整形器50輸出到輸入線46上。根據(jù)本發(fā)明，內(nèi)部高速控制回路檢測電弧功率kP，將其與要求功率比較以產(chǎn)生焊接低電流即時(shí)快速高速校正。通過乘數(shù)的值或因數(shù)k確定電流和電壓之間的關(guān)系。在圖1A中，因數(shù)k等于電流加上電壓除以電流和電壓之乘積。因此，導(dǎo)向輸入端52的線114上的功率信號是電壓加上電流以形成圖1A中曲線120所示的斜度。該關(guān)系在條狀物(stick)焊接時(shí)是很有用的。實(shí)際上，乘數(shù)k是1.0，使得線52上的信號是通過將電弧電流和電弧電壓相乘而獲得的電弧功率P。圖1B顯示了電弧電流和電弧電壓之間的關(guān)系，其因數(shù)k是1.0。要求功率固定在曲線130所示的2000瓦或曲線132所示的4000瓦。圖1A和1B代表性示出乘數(shù)因數(shù)k可以具有多個(gè)值以控制如圖1所示反饋網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)FB中電流和電壓之間的關(guān)系。圖2示出了具有恒定功率焊接操作的本發(fā)明操作。這可以是脈沖焊接過程中的恒定脈沖峰值功率或短路焊接操作中的恒定本底功率。在這種情況下，反饋kP與要求的功率電平相比，因數(shù)k是1.0。確實(shí)，它可以是噴射或熔滴焊接操作中的要求固定功率。在此期間，當(dāng)線46上的要求功率保持在圖2所示的功率電平時(shí)，電弧長度的每個(gè)變化改變曲線142所示的電弧電壓。在電源10的開關(guān)期內(nèi)，瞬時(shí)調(diào)整線48上的電流命令信號以將電弧功率保持在曲線140的設(shè)定值。內(nèi)部高速控制回路工作在開關(guān)頻率。它不是現(xiàn)有技術(shù)的慢速自適應(yīng)型控制回路。這樣，當(dāng)電弧長度減小時(shí)，電壓下降而電流立即增大。這引起電弧強(qiáng)度隨電弧長增大而快速增大。反饋函數(shù)或信號kP將功率保持在自線46上波整形器50的功率電平。如果電弧增大，電壓升高而電流立即減小以減小電弧強(qiáng)度，這樣引起電弧長減小。因此，本發(fā)明采用與要求電弧功率比較的電弧功率反饋信號kP以快速達(dá)到平衡狀態(tài)并保持要求電弧長。這在低電流操作期間或當(dāng)焊接鋁GMAW時(shí)是特別重要的。
圖3顯示了本發(fā)明短路焊接的操作，其中在電弧狀態(tài)期間的功率信號顯示為曲線150。這是用于根據(jù)曲線152所示電壓控制曲線154所示電流的波整形器的輸出。當(dāng)電弧檢測器102檢測到電弧產(chǎn)生時(shí)，開關(guān)110使線52上的函數(shù)或信號為kP。在時(shí)間t1，形成短路。熔化的熔融球接觸工件而使電弧檢測器102將開關(guān)110變換到僅使輸入端52產(chǎn)生電流。波整形器50通過線102a上的邏輯變換到電流控制模式。曲線150的部分160顯示轉(zhuǎn)變到電流控制模式的變化。在曲線部分162所示的電壓是很低的。曲線164表示的電流由波整形器和線46上的電流值控制。當(dāng)在時(shí)間t2短路時(shí)，線46上的信號再次為功率曲線部分150a所示的下降轉(zhuǎn)變的要求功率。這樣，轉(zhuǎn)變部分52a中的電壓和轉(zhuǎn)變部分154a中的電流的乘積保持要求功率電平。短路后的該快速轉(zhuǎn)變部分終止于時(shí)間t3。再次形成電弧狀態(tài)，焊機(jī)10通過將實(shí)際電弧功率kP與曲線150的要求電弧功率比價(jià)而工作。在焊接過程的每個(gè)短路循環(huán)中重復(fù)該過程。其它短路型焊接過程可以由焊機(jī)10實(shí)現(xiàn)，如STT短路焊接。
現(xiàn)在參照圖4、5和5A，圖中顯示了本發(fā)明脈沖波焊接過程的使用。功能相同的部件采用與圖1中相同的標(biāo)號。當(dāng)采用用于脈沖焊接的本發(fā)明時(shí)，波整形器200產(chǎn)生與脈沖焊接循環(huán)的要求功率對應(yīng)的功率分布202。圖5顯示了功率分布202，圖5A中更詳細(xì)顯示了功率分布。為保持要求電弧功率分布202，電壓曲線210和電流曲線212通過函數(shù)發(fā)生器100相乘以保持誤差放大器44的輸入端46的電弧分布。圖5A所示的功率分布202包括具有峰值功率部分202b的傾斜部分202a。因此，功率分布沿曲線202c呈指數(shù)下降到點(diǎn)202d的要求靶功率。因此，分布立即變化到本底功率202e，等待下一脈沖的下一傾斜部202a。根據(jù)本發(fā)明的這一方面，在脈沖焊接循環(huán)的每個(gè)部分期間，功率分布202控制電弧的功率。實(shí)際上，傾斜部分202a和指數(shù)部分202c有時(shí)由電壓或電流控制，同時(shí)通過比較電弧功率函數(shù)kP和波整形器200的要求功率峰值來控制本底202b的固定功率和本底202e的固定功率。脈沖循環(huán)的所有部分最好由功率分布控制。但是在變形中，選擇的電弧部分由一功率控制，該功率具有由電流或電壓控制的剩余部分。在本發(fā)明的一種裝置中，脈沖壓縮部分202a、202b、202c快速變化到電流控制。通過比較要求電弧功率和實(shí)際電弧功率kP僅控制循環(huán)的本底部分202e。
本發(fā)明即使不用于所有類型的電弧焊接也是最常用的。圖6顯示了工作在AC焊接模式的焊機(jī)B的一個(gè)示例，具有圖7和8所示的工作曲線。電弧焊機(jī)B具有與圖1所示相同的基本結(jié)構(gòu)，功能相同的部件采用相同方式標(biāo)號。輸出次級線圈22用于驅(qū)動(dòng)正整流器24a和負(fù)整流器24b。通過分別具有激勵(lì)門220a、222a的極性開關(guān)220、222向電弧供電。這是AC焊接中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際應(yīng)用，除了該模式表示為功率外。來自波整形器240的線230上的一系列脈沖在脈沖230a的頻率下交替開關(guān)極性開關(guān)220、222。門232是引起極性開關(guān)220在不同于極性開關(guān)220的時(shí)間工作的非重合門。根據(jù)林肯電器公司(Lincoln Electric Company)開發(fā)的技術(shù)，開關(guān)220、222最好在焊接電流降低到要求的較低功率電平，如100安培。這不構(gòu)成本發(fā)明的一部分，而是用于防止高電弧電流的極性變換的技術(shù)。波整形器240形成功率分布260，該功率分布輸出到數(shù)字誤差放大器44的輸入端46。誤差放大器具有輸出44a以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)激勵(lì)脈沖寬度調(diào)制器40。函數(shù)發(fā)生器100的輸出是線250上的函數(shù)、值或信號kP。根據(jù)AC操作，采用線250上的功率絕對值。通過變換電路252獲得該絕對值。這樣，設(shè)計(jì)圖7所示的功率分布曲線260只具有正值。為控制正脈沖和負(fù)脈沖期間的相對功率，功率分布曲線的正部分262a大于負(fù)脈沖的功率分布電平262b。而且，所示的正脈沖具有比負(fù)脈沖更長的持續(xù)時(shí)間。t4和t5之間的時(shí)間長于t5和t4之間的時(shí)間。功率電平和定時(shí)由功率分布260控制。圖8更詳細(xì)顯示了該功率分布，其中在時(shí)間t5開關(guān)極性之前，較高電弧部分262a沿線262c轉(zhuǎn)變以向下傾斜。功率電平降低然后在開關(guān)后沿線262d上升。這樣，每個(gè)極性變化包括功率下降，在開關(guān)后功率向上傾斜到下一功率電平。功率分布的這一方面產(chǎn)生極性變化的較低功率。來自波整形器240的功率分布260與曲線270所示的線230上的信號共同作用，該曲線270具有一系列用于開關(guān)輸出電流極性的脈沖270a。根據(jù)本發(fā)明，具有正部分272a和負(fù)部分272b的曲線272顯示了實(shí)際功率。實(shí)際電流是具有正部分274a和負(fù)部分274b的曲線274。以類似方式，實(shí)際電流是具有正部分276a和負(fù)部分276b的曲線276。極性在t4和t5之間變化。這樣，在低功率下發(fā)生開關(guān)。圖6-8顯示了本發(fā)明在AC焊接過程中的使用，目的是顯示本發(fā)明的多種普遍使用。
如上所述，誤差放大器44的輸入不需要是波整形器的輸出，如圖1、圖4和圖6所示。圖9中誤差放大器44的輸入300具有對應(yīng)設(shè)定的要求功率電平的值Pset。通過誤差放大器44將功率電平和線52上的函數(shù)或信號kP比較，以便隨著電弧電壓變化產(chǎn)生線48上電流命令信號中的即時(shí)變化。圖9顯示了本發(fā)明的最簡單形式，其中可以調(diào)整的設(shè)定功率電平與來自函數(shù)發(fā)生器100的反饋函數(shù)或信號kP相比較，以控制焊機(jī)的內(nèi)部控制回路。圖10顯示了本發(fā)明的變化，其中函數(shù)或信號kP用于反饋。要求功率與線52上的函數(shù)或信號kP相比。這樣，來自誤差放大器314的輸出316控制金屬絲進(jìn)給器的微處理器320。線316上的信號控制金屬絲進(jìn)給電機(jī)322的速度，該金屬絲進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)金屬絲進(jìn)給器324以由供線盤向著工件強(qiáng)制輸送焊接金屬絲。通過使用該反饋函數(shù)或信號kP，當(dāng)電壓升高以減小電弧長度時(shí)，金屬絲進(jìn)給速度提高。當(dāng)電壓下降，金屬絲進(jìn)給速度降低以校正電弧長。該示例顯示了用于焊機(jī)參數(shù)反饋控制的函數(shù)或信號kP的使用。
圖11和12顯示了反饋函數(shù)或信號kP的進(jìn)一步使用。每個(gè)圖均顯示了設(shè)定的要求電弧功率300，如參照圖9所述的那樣。當(dāng)然，輸出端300上的電平可以調(diào)整或可以是波整形器的輸出。為了顯示函數(shù)或信號kP的進(jìn)一步使用，圖11公開了函數(shù)發(fā)生器100，其函數(shù)kP由接通金屬絲進(jìn)給速度按鈕352的線350上的信號來改變。該電路和焊機(jī)A或焊機(jī)B或其變型一起使用。在新的反饋函數(shù)或信號kP的使用中，通過設(shè)定用于調(diào)整金屬絲進(jìn)給速度的按鈕352而改變函數(shù)。在圖12中，接通焊機(jī)行走速度按鈕362的線360上的信號改變信號kP。這樣，反饋信號kP由表示焊接操作的行走速度設(shè)置的信號來改變。當(dāng)然，采用其它反饋信號或函數(shù)kP的變型以通過改變函數(shù)或信號kP來控制焊接操作。
現(xiàn)在參照圖13，顯示了本發(fā)明的實(shí)施例。焊機(jī)A具有圖1所示的部件，并且這些部件采用相同標(biāo)號。電弧檢測器102控制線102a上的邏輯，使得僅當(dāng)焊機(jī)34和工件36之間出現(xiàn)電弧時(shí)由波整形器400輸出命令功率電平或功率分布。將電弧電流和電弧電壓導(dǎo)向控制器C并使其由數(shù)字信號處理器C的電路410所表示的那樣相乘。輸出410a乘以因數(shù)k以在線52上提供饋函數(shù)或信號kP。這是反饋功率信號，實(shí)際上包括等于1.0的因數(shù)k。這樣在線52上產(chǎn)生表示實(shí)際電弧電流的信號。這與線46上的要求電弧功率比較以隨著電弧電壓的變化瞬時(shí)控制電流。因此，電弧功率保持恒定或處于電弧長平衡的要求電平。對電弧焊接領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯然有采用反饋信號或函數(shù)kP的本發(fā)明的其它實(shí)施例。
在本說明書中，使用線路和模擬部件是為了解釋本發(fā)明，但是實(shí)際上，這些線路和模擬部件是數(shù)字值和軟件程序或模擬和數(shù)字件的組合。通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將電弧值的反饋數(shù)字化。所有這些設(shè)計(jì)在焊接技術(shù)中是所公知。在本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用中，波整形器是數(shù)字的并嵌入在微處理器中。
權(quán)利要求
1.一種使電弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)，在焊極和工件之間實(shí)施焊接過程，所述系統(tǒng)包括具有控制器的高速開關(guān)式電源，該控制器工作在至少約為10kHz開關(guān)頻率，并用輸入電流控制信號調(diào)整所述電源的輸出電流；第一傳感器，檢測實(shí)際電弧電壓；第二傳感器，檢測實(shí)際電弧電流；第一電路，用于在焊接過程中產(chǎn)生表示在進(jìn)行時(shí)間的所要求的實(shí)時(shí)功率電平的功率信號；第二電路，用于產(chǎn)生檢測的實(shí)際電壓和檢測的實(shí)際電流的函數(shù)；第三電路，用于根據(jù)所述功率信號和所述實(shí)際電壓和電流的函數(shù)之差來調(diào)整所述電流控制信號。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述函數(shù)是所述實(shí)際電壓和實(shí)際電流的乘積。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述函數(shù)包括乘數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述函數(shù)包括乘數(shù)并且是常數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述常數(shù)是1.0。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述函數(shù)包括限定一個(gè)斜率的乘數(shù)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述乘數(shù)是電流和電壓之和除以電流和電壓的乘積。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
10.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
11.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
12.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
13.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
14.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
16.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
17.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
18.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
20.如權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字處理器。
21.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
22.如權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字處理器。
23.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
24.如權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字處理器。
25.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
26.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字處理器。
27.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
28.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字處理器。
29.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字處理器。
31.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述焊接過程是脈沖焊接方法。
32.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述焊接過程是脈沖焊接方法。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
34.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述焊接過程是脈沖焊接方法。
36.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
37.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述焊接過程是脈沖焊接方法。
38.如權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其中所述焊接過程是脈沖焊接方法。
39.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中所述第三電路是誤差放大器。
40.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述第三電路是誤差放大器。
41.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述第三電路是誤差放大器。
42.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第三電路是誤差放大器。
43.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，包括脈沖寬度調(diào)制器，用于根據(jù)所述輸入電流控制信號調(diào)整所述電源的輸出。
44.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括脈沖寬度調(diào)制器，用于根據(jù)所述輸入電流控制信號調(diào)整所述電源的輸出。
45.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
46.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
47.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
48.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
49.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
50.如權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
51.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述功率信號是一設(shè)定值。
52.如權(quán)利要求51所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
53.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述功率信號是一設(shè)定值。
54.如權(quán)利要求53所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
55.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
56.如權(quán)利要求53所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
57.一種使電弧焊機(jī)在焊極和工件之間實(shí)施焊接過程的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括高速開關(guān)式電源，具有由輸入信號值控制的輸出電流；用于檢測實(shí)際輸出電流的傳感器；用于檢測實(shí)際輸出電壓的傳感器；用于產(chǎn)生功率信號的第一電路；用于產(chǎn)生表示所述電弧功率的實(shí)時(shí)信號的第二電路；用于通過所述功率信號和所述實(shí)時(shí)電弧信號的比較來調(diào)整所述輸入信號的第三電路。
58.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述實(shí)時(shí)信號具有與乘以實(shí)際電弧電壓和實(shí)際電弧電流的乘積的因數(shù)有關(guān)的一個(gè)值。
59.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其中所述因數(shù)為常數(shù)。
60.如權(quán)利要求59所述的系統(tǒng)，其中所述常數(shù)基本為1.0。
61.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
62.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述電路是數(shù)字電路。
63.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
64.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
65.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
66.如權(quán)利要求65所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字裝置。
67.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述第一電路是波整形器。
68.如權(quán)利要求67所述的系統(tǒng)，其中所述波整形器是數(shù)字裝置。
69.如權(quán)利要求58所述的系統(tǒng)，其中所述功率信號是一設(shè)定值。
70.如權(quán)利要求69所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
71.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述功率信號是一設(shè)定值。
72.如權(quán)利要求71所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
73.如權(quán)利要求71所述的系統(tǒng)，其中所述電弧信號由表示金屬絲進(jìn)給速度的信號修改。
74.如權(quán)利要求73所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
75.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述電弧信號由表示金屬絲進(jìn)給速度的信號修改。
76.如權(quán)利要求75所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
77.如權(quán)利要求71所述的系統(tǒng)，其中所述電弧信號由表示焊極在工件上的行走速度的信號修改。
78.如權(quán)利要求77所述的系統(tǒng)，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
79.如權(quán)利要求57所述的系統(tǒng)，其中所述電弧信號由焊極在工件上的行走速度的信號修改。
80.如權(quán)利要求79所述的系統(tǒng)，其中所述功率信號是設(shè)定值。
81.一種使電弧焊機(jī)在焊極和工件之間實(shí)施焊接過程的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于控制由輸入信號值所控制的金屬絲進(jìn)給速度的電機(jī)；用于檢測實(shí)際輸出電流的傳感器；用于檢測實(shí)際輸出電壓的傳感器；用于產(chǎn)生功率信號的第一電路；用于產(chǎn)生表示所述電弧功率的實(shí)時(shí)信號的第二電路；用于通過所述功率信號和所述實(shí)時(shí)電弧信號的比較來調(diào)整所述輸入信號的第三電路。
82.一種通過高速開關(guān)式電源控制電弧焊機(jī)在焊極和工件之間實(shí)施焊接過程的方法，該高速開關(guān)式電源工作在至少約為10kHz的開關(guān)頻率，并利用輸入電流控制信號調(diào)整所述電源的輸出電流；所述方法包括(a)檢測實(shí)際電弧電壓；(b)檢測實(shí)際電弧電流；(c)在焊接過程中產(chǎn)生表示在進(jìn)行時(shí)間的所要求的實(shí)時(shí)功率電平的功率信號，(d)產(chǎn)生檢測的實(shí)際電壓和檢測的實(shí)際電流的函數(shù)，以及(e)根據(jù)所述功率信號與所述實(shí)際電壓和電流的函數(shù)之差來調(diào)整所述電流控制信號。
83.如權(quán)利要求82所述的方法，其中所述函數(shù)為所述實(shí)際電壓和實(shí)際電流的乘積。
84.如權(quán)利要求83所述的方法，其中所述函數(shù)包括乘數(shù)。
85.如權(quán)利要求83所述的方法，其中所述函數(shù)包括乘數(shù)并且是常數(shù)。
86.如權(quán)利要求85所述的方法，其中所述常數(shù)是1.0。
87.如權(quán)利要求82所述的方法，其中通過數(shù)字方式完成所述步驟。
88.如權(quán)利要求87所述的方法，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
89.如權(quán)利要求82所述的方法，其中所述高速開關(guān)式電源是逆變器。
90.如權(quán)利要求82所述的方法，其中所述功率信號由波整形器產(chǎn)生。
91.如權(quán)利要求90所述的方法，其中所述波整形器是數(shù)字裝置。
92.如權(quán)利要求90所述的方法，其中所述焊接過程是脈沖焊接方法。
93.如權(quán)利要求91所述的方法，其中所述焊接過程是脈沖焊接方法。
94.如權(quán)利要求82所述的方法，其中所述功率信號是一設(shè)定值。
95.如權(quán)利要求94所述的方法，其中所述設(shè)定值是可以調(diào)整的。
96.一種控制電弧焊機(jī)的方法，該電弧焊機(jī)通過高速開關(guān)式電源實(shí)施包括焊極和工件之間電弧的焊接過程，所述高速開關(guān)式電源具有由輸入信號值控制的輸出電流，所述方法包括(a)檢測實(shí)際輸出電流；(b)檢測實(shí)際輸出電壓；(c)產(chǎn)生功率信號；(d)產(chǎn)生表示所述電弧功率的實(shí)時(shí)信號；以及(e)根據(jù)所述功率信號與所述實(shí)時(shí)電弧信號的比較來調(diào)整所述輸入信號。
97.如權(quán)利要求96所述的方法，其中所述實(shí)時(shí)信號具有與乘以實(shí)際電弧電壓和實(shí)際電弧電流的乘積的因數(shù)有關(guān)的一個(gè)值。
98.如權(quán)利要求97所述的方法，其中所述因數(shù)為常數(shù)。
99.如權(quán)利要求98所述的方法，其中所述常數(shù)基本為1.0。
100.一種控制電弧焊機(jī)的方法，該電弧焊機(jī)實(shí)施包括焊極和工件之間電弧的焊接過程，所述焊機(jī)具有電機(jī)，該電機(jī)用于控制由輸入信號值控制的金屬絲進(jìn)給速度，該方法包括(a)檢測實(shí)際輸出電流；(b)檢測實(shí)際輸出電壓；(c)產(chǎn)生功率信號；(d)產(chǎn)生表示所述電弧功率的實(shí)時(shí)信號；以及(e)根據(jù)所述功率信號與所述實(shí)時(shí)電弧信號的比較來調(diào)整所述輸入信號。
101.一種使電弧焊機(jī)在行進(jìn)焊極和工件之間實(shí)施焊接過程的控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于檢測實(shí)際電弧電壓的第一傳感器；用于檢測實(shí)際電弧電流的第二傳感器；用于產(chǎn)生功率信號的電路，該功率信號作為所述實(shí)際電弧電壓和實(shí)際電弧電流的乘積的函數(shù)；以及通過所述功率信號來控制焊接參數(shù)的反饋回路。
102.如權(quán)利要求101所述的系統(tǒng)，其中所述功率信號乘以一因數(shù)。
103.一種控制電弧焊機(jī)的方法，該電弧焊機(jī)實(shí)施包括焊極和工件之間電弧的焊接過程，所述焊機(jī)具有電機(jī)，該電機(jī)用于控制由輸入信號值控制的行走速度，該方法包括(a)檢測實(shí)際輸出電流；(b)檢測實(shí)際輸出電壓；(c)產(chǎn)生功率信號；(d)產(chǎn)生表示所述電弧功率的實(shí)時(shí)信號；以及(e)根據(jù)所述功率信號與所述實(shí)時(shí)電弧信號的比較來調(diào)整所述輸入信號。
全文摘要
一種使電弧焊機(jī)在焊極和工件之間實(shí)施焊接過程的控制系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:高速開關(guān)式電源,其具有工作在至少約為10kHz開關(guān)頻率的調(diào)整所述電源的輸出電流的輸入電流控制信號的控制器;第一傳感器,檢測實(shí)際電弧電壓;第二傳感器,檢測實(shí)際電弧電流;第一電路,用于在焊接過程中產(chǎn)生表示在進(jìn)行時(shí)間的要求實(shí)時(shí)功率電平的功率信號;第二電路,用于產(chǎn)生檢測的實(shí)際電壓和檢測的實(shí)際電流的函數(shù);第三電路,用于根據(jù)所述功率信號和所述實(shí)際電壓和電流的函數(shù)之差來調(diào)整所述電流控制信號。
文檔編號B23K9/10GK1380157SQ0210592
公開日2002年11月20日 申請日期2002年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月9日
發(fā)明者布魯斯·E·富爾默, 史蒂文·R·彼得斯 申請人:林肯環(huán)球公司