可視化高效管板焊接系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種可視化高效管板焊接系統(tǒng)，包括主電路、焊接過(guò)程控制系統(tǒng)、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)、管板焊接機(jī)頭、高頻引弧電路、水冷卻裝置、保護(hù)氣體供氣裝置和與管板焊接機(jī)頭連接的電弧負(fù)載；焊接過(guò)程控制系統(tǒng)分別與交流輸入電源、主電路、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)和管板焊接機(jī)頭連接；高頻引弧電路、水冷卻裝置和保護(hù)氣體供氣裝置的輸入端均與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)連接，輸出端均與管板焊接機(jī)頭連接；主電路的一端與交流輸入電源連接，另一端與管板焊接機(jī)頭連接。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了可視化人機(jī)交互，參數(shù)設(shè)置更為精確，操作更為直觀便利；通過(guò)基于Cortex-M4的ARM數(shù)字控制技術(shù)使得管板焊接過(guò)程更精確和柔性化；采用先進(jìn)的100kHz級(jí)高頻逆變技術(shù)，節(jié)能省材，更便于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】可視化高效管板焊接系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接工藝及設(shè)備技術(shù)，具體是指一種可視化高效管板焊接系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，為了滿(mǎn)足用電需求，全國(guó)各地抓緊建設(shè)新電廠和電廠增容，在電建行業(yè)中，中、大型冷凝器/換熱器的制造尤為重要。電力電站冷凝器中存在大量的管板與換熱管之間的角接接頭，其焊縫質(zhì)量是整臺(tái)設(shè)備制造質(zhì)量的關(guān)鍵所在，對(duì)焊縫的致密性和力學(xué)性能要求極其嚴(yán)格。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%以上的管頭泄漏是因?yàn)楹附淤|(zhì)量造成的。鈦合金具有良好的耐腐蝕性能，已在電站冷凝器管板中得到廣泛使用。然而，鈦合金管板焊接過(guò)程需要嚴(yán)格控制熱輸入和熔池尺寸。
[0003]目前，直流脈沖TIG自動(dòng)焊已成為鈦合金管板焊接的最佳工藝方式。我國(guó)從上世紀(jì)80年代后期引進(jìn)了多臺(tái)管板自動(dòng)焊機(jī)，由于國(guó)產(chǎn)管子的尺寸精度不高及脹接裝配質(zhì)量問(wèn)題，使用效果均不理想。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的管板自動(dòng)焊機(jī)，但大多以仿制為主，部分產(chǎn)品的工藝適應(yīng)性還不夠理想，價(jià)格也比較高。雖已有全數(shù)字管板自動(dòng)焊機(jī)的研究和應(yīng)用報(bào)道，但其逆變頻率只有20kHz，焊機(jī)體積偏大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能還不夠快，也不具備可視化的操作、管理等功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)與不足，提供一種提高焊機(jī)性能、減小體積和重量和提高操作便利性的可視化高效管板焊接系統(tǒng)；該可視化高效管板焊接系統(tǒng)具備了數(shù)字化、可視化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，其輕便小巧，性能穩(wěn)定可靠。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):一種可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:其與交流輸入電源連接；包括主電路、焊接過(guò)程控制系統(tǒng)、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)、管板焊接機(jī)頭、高頻引弧電路、水冷卻裝置、保護(hù)氣體供氣裝置和與管板焊接機(jī)頭連接的電弧負(fù)載；所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)分別與交流輸入電源、主電路、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)和管板焊接機(jī)頭連接；所述高頻引弧電路、水冷卻裝置和保護(hù)氣體供氣裝置的輸入端均與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)連接、輸出端均與管板焊接機(jī)頭連接；所述主電路的一端與交流輸入電源連接，另一端與管板焊接機(jī)頭連接。
[0006]所述主電路由全橋整流濾波模塊、全橋逆變電路、高頻變壓器和快速整流濾波模塊依次連接組成。
[0007]所述主電路的一端與交流輸入電源連接，另一端與管板焊接機(jī)頭連接是指，全橋整流濾波模塊與交流輸入電源相連接，快速整流濾波模塊與管板焊接機(jī)頭相連接；所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)分別與全橋逆變電路、高頻變壓器和快速整流濾波模塊連接。
[0008]所述全橋逆變電路采用工作于全橋硬開(kāi)關(guān)換流模式或工作于移相軟開(kāi)關(guān)換流模式的逆變頻率為IOOkHz的全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0009]所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)包括全數(shù)字電路及分別與全數(shù)字電路連接的驅(qū)動(dòng)電路、限流保護(hù)電路、反饋電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、異常檢測(cè)保護(hù)電路和繼電器模塊；其中，所述異常檢測(cè)保護(hù)電路的一端與交流輸入電源連接；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的一端與管板焊接機(jī)頭相連，以驅(qū)動(dòng)管板焊接機(jī)頭的電機(jī)旋轉(zhuǎn)；所述全數(shù)字電路與可視化人機(jī)交互系統(tǒng)相互連接；
[0010]所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)分別與全橋逆變電路、高頻變壓器和快速整流濾波模塊連接是指:焊接過(guò)程控制系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電路與全橋逆變電路連接；限流保護(hù)電路與高頻變壓器連接；反饋電路與快速整流濾波模塊連接。
[0011]所述高頻引弧電路、水冷卻裝置和保護(hù)氣體供氣裝置的輸入端均與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)連接是指，高頻引弧電路、水冷卻裝置和保護(hù)氣體供氣裝置的輸入端分別與繼電器模塊連接。
[0012]所述全數(shù)字電路由作為數(shù)字化控制的核心、型號(hào)為L(zhǎng)M4F232的Cortex-M4內(nèi)核的ARM微處理器以及外圍電路連接構(gòu)成。
[0013]所述驅(qū)動(dòng)電路由型號(hào)為T(mén)LC5615的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片、脈寬調(diào)制芯片和光耦隔離放大電路通過(guò)外圍電路連接構(gòu)成；所述驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)通用可編程GPIO 口與全數(shù)字電路連接。
[0014]所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)PWM端口與全數(shù)字電路連接，以接收全數(shù)字電路的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；并通過(guò)ADCl端口與全數(shù)字電路連接，以反饋電壓值；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用開(kāi)關(guān)頻率為IOkHz的BUCK電路進(jìn)行調(diào)壓。
[0015]所述可視化人機(jī)交互系統(tǒng)采用由微控制單元MCU、與微控制單元MCU相互連接的LCD驅(qū)動(dòng)芯片和與LCD驅(qū)動(dòng)芯片相互連接的液晶觸控面板通過(guò)外圍電路連接組成；所述微控制單元MCU與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)中的全數(shù)字電路相互連接。
[0016]本發(fā)明的可視化高效管板焊接系統(tǒng)的焊機(jī)主電路逆變頻率提升至100kHz，同時(shí)采用集成DSP模塊、主頻高達(dá)80MHz的Cortex-M4ARM微處理器LM4F232作為焊接過(guò)程控制系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的高速精確運(yùn)算處理和控制；本發(fā)明設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于ARM和觸摸屏的數(shù)字化面板，實(shí)現(xiàn)了可視化的人機(jī)交互。
[0017]本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)的原理是這樣的:
[0018]本發(fā)明為可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其主電路采用了逆變頻率高達(dá)IOOkHz的全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用功率MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)管；輸入的交流電經(jīng)全橋整流濾波模塊之后變成較平滑的直流電；該直流電輸入全橋逆變電路，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制全橋逆變電路功率開(kāi)關(guān)管的高頻開(kāi)通和關(guān)斷，轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的交流方波電流；然后，流入高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離和降壓，最后經(jīng)過(guò)快速整流濾波模塊轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合氬弧焊接工藝所需的低壓直流電。
[0019]在焊接過(guò)程，全數(shù)字電路一方面接收來(lái)自于可視化人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)定值，一方面接收從反饋電路饋入的快速整流濾波模塊的輸出電流和電壓實(shí)時(shí)采樣信號(hào)，將該信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，按照基于模糊邏輯判斷的參數(shù)自整定PID算法進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出對(duì)應(yīng)的PWM脈寬信號(hào)，并將該信號(hào)傳遞給驅(qū)動(dòng)電路并產(chǎn)生4路PWM信號(hào)，分別控制全橋逆變電路的四組功率MOFET的開(kāi)通和關(guān)斷的占空比，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制。通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)，將電流的給定值設(shè)定為脈沖方式，就可以使主電路實(shí)現(xiàn)脈沖電流波形輸出。
[0020]限流保護(hù)電路實(shí)時(shí)采樣變壓器原邊的電流值，并將該信號(hào)與設(shè)定的門(mén)檻值進(jìn)行比較，一旦采樣信號(hào)超過(guò)設(shè)定的門(mén)檻值，限流保護(hù)電路的輸出電平發(fā)生改變，全數(shù)字電路立刻封鎖PWM信號(hào)的輸出，異常檢測(cè)保護(hù)電路實(shí)時(shí)米樣交流電源的電壓值。一旦米樣電壓信號(hào)低于或者高出設(shè)定的欠壓或者過(guò)壓門(mén)檻值，電路的輸出電平會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得全數(shù)字電路關(guān)斷PWM信號(hào)的輸出。通過(guò)這些措施實(shí)時(shí)關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管，保證功率器件的安全。
[0021]管板焊接機(jī)頭采用了水冷卻方式，采用高頻脈沖引弧方式，使用惰性氣體如氬氣進(jìn)行保護(hù)。全數(shù)字電路檢測(cè)到管板焊接系統(tǒng)的焊接啟動(dòng)信號(hào)，首先通過(guò)繼電器模塊控制保護(hù)氣體供氣裝置的氣閥動(dòng)作，提前送氣；同時(shí)通過(guò)繼電器模塊啟動(dòng)水冷卻裝置，為管板焊接機(jī)頭提供水冷卻；然后啟動(dòng)PWM信號(hào)輸出，是主電路處于工作狀態(tài)，輸出空載電壓；此后，通過(guò)繼電器模塊控制高頻引弧電路工作，通過(guò)高頻高壓方式擊穿鎢極和工件之間的氣隙，然后在空載電壓的作用下，迅速建立穩(wěn)定的焊接電弧。全數(shù)字電路根據(jù)采樣的焊接電流和電壓信號(hào)，判斷是否成功引弧，如果引弧成功，則通過(guò)繼電器模塊關(guān)斷高頻引弧控制電路，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)管板焊接機(jī)頭的電機(jī)帶動(dòng)鎢極運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入焊接電流上升階段和正常焊接流程；一旦鎢極完成一周運(yùn)動(dòng)，則全數(shù)字電路控制PWM信號(hào)，使得主電路的輸出電流衰減，進(jìn)入焊接電流下降階段，然后滅弧，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的延時(shí)之后，全數(shù)字電路通過(guò)繼電器模塊分別關(guān)斷保護(hù)氣體供氣裝置和水冷卻裝置，此時(shí)一個(gè)焊接周期完成。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0023]1、本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)采用了具備高速DSP數(shù)據(jù)處理能力的Cortex-M4ARM數(shù)字控制技術(shù)，數(shù)據(jù)運(yùn)算處理速度快，控制分辨率非常高，使得管板焊接系統(tǒng)對(duì)焊接工藝過(guò)程的實(shí)時(shí)控制更為精細(xì)和準(zhǔn)確，焊接質(zhì)量更好。
[0024]2、本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)采用了可視化的人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)焊接工藝參數(shù)的設(shè)定更為準(zhǔn)確，有利于提高控制精度；同時(shí)，人機(jī)交互更為直觀，操作更為便利。
[0025]3、本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)在管板焊接電源中采用了 IOOkHz的高頻逆變技術(shù)，主回路時(shí)間常數(shù)更小，動(dòng)態(tài)性能更好，并且更節(jié)能省材，體積更小巧，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性更好。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖；
[0027]圖2是本發(fā)明可視化聞效管板焊接系統(tǒng)的主電路原理圖；
[0028]圖3是本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)的焊接過(guò)程控制系統(tǒng)方框圖；
[0029]圖4是本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方框圖；
[0030]圖5是本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)的可視化人機(jī)交互系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0031]圖6是本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)的焊接過(guò)程控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
[0033]實(shí)施例
[0034]如圖1所示，本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)與交流輸入電源連接，其包括主電路100、焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300、管板焊接機(jī)頭400、高頻引弧電路500、水冷卻裝置600、輔助的保護(hù)氣體供氣裝置700和與管板焊接機(jī)頭400連接的電弧負(fù)載1005。其中，焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200分別與交流輸入電源、主電路100、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300和管板焊接機(jī)頭400連接；高頻引弧電路500、水冷卻裝置600和保護(hù)氣體供氣裝置700的輸入端均與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200連接，輸出端均與管板焊接機(jī)頭400連接；主電路100的一端與交流輸入電源連接，另一端與管板焊接機(jī)頭400連接。
[0035]本發(fā)明的主電路100由全橋整流濾波模塊1001、全橋逆變電路1002、高頻變壓器1003和快速整流濾波模塊1004依次連接組成。其中，全橋整流濾波模塊1001與交流輸入電源相連接，快速整流濾波模塊1004與管板焊接機(jī)頭400相連接。焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200包括全數(shù)字電路2004，分別與全數(shù)字電路2004連接的驅(qū)動(dòng)電路2001、限流保護(hù)電路2002、反饋電路2003、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2005、異常檢測(cè)保護(hù)電路2006和繼電器模塊2007 ;其中，異常檢測(cè)保護(hù)電路2006的一端與交流輸入電源連接；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2005的一端與管板焊接機(jī)頭400相連，以驅(qū)動(dòng)管板焊接機(jī)頭400的電機(jī)旋轉(zhuǎn)；全數(shù)字電路2004與可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300相互連接；繼電器模塊2007分別與高頻引弧電路500、水冷卻裝置600和保護(hù)氣體供氣裝置700連接，以實(shí)現(xiàn)控制高頻引弧電路500、水冷卻裝置600和保護(hù)氣體供氣裝置700的工作。焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200中的驅(qū)動(dòng)電路2001與主電路100的全橋逆變電路1002連接，限流保護(hù)電路2002與主電路100的高頻變壓器1003連接，反饋電路2003與主電路100的快速整流濾波模塊1004連接。
[0036]如圖2所示，本發(fā)明的全橋逆變電路1002采用IOOkHz級(jí)高頻逆變技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其既可以工作于全橋硬開(kāi)關(guān)換流模式，也可以工作于移相軟開(kāi)關(guān)換流模式。當(dāng)主電路1002工作于全橋硬開(kāi)關(guān)模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路2001的脈寬調(diào)制芯片采用型號(hào)為SG3525的等脈寬調(diào)制芯片；當(dāng)主電路1002工作于移相全橋軟開(kāi)關(guān)工作模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路2001的脈寬調(diào)制芯片采用型號(hào)為UC3879的等移相脈寬調(diào)制芯片。本實(shí)施例的主電路1002以工作于移相全橋軟開(kāi)關(guān)工作模式為例進(jìn)行說(shuō)明。主電路100由二極管D5-8、電抗L1、電容C5構(gòu)成的全橋整流濾波模塊1001、由功率MOSFET管S1-4、電容C1-4、反并聯(lián)二極管D1-4構(gòu)成的全橋逆變電路1002、由T構(gòu)成的高頻變壓器1003、以及由快速整流二極管DR1-R2、電抗Lf等構(gòu)成的快速整流濾波模塊1004依次連接組成，Ro為等效的電弧負(fù)載。
[0037]如圖3所示，本發(fā)明的焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200的全數(shù)字電路2004由作為數(shù)字化控制的核心、型號(hào)為L(zhǎng)M4F232的Cortex-M4內(nèi)核的ARM微處理器以及外圍電路連接構(gòu)成。LM4F232具有80MHz的主頻以及集成的DSP模塊，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大，運(yùn)算速度快；其2個(gè)ADC模塊能實(shí)現(xiàn)24路模擬信號(hào)的采樣；并具有2個(gè)PWM模塊以及多個(gè)可編程的GPIO 口，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展便利。反饋電路2003直接接入全數(shù)字電路2004的ADCO端口，通過(guò)觸發(fā)ADCO端口可以直接采樣焊接電流/電壓值。驅(qū)動(dòng)電路2001直接與全數(shù)字電路2004的可編程GPIO相連，驅(qū)動(dòng)電路2001由串行接口的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片TLC5615、脈寬調(diào)制芯片以及光耦隔離放大電路通過(guò)外圍電路連接構(gòu)成；全數(shù)字電路2004將ADCO端口采樣的焊接電流、電壓值通過(guò)基于模糊邏輯判斷的參數(shù)自整定PI算法得到所需的D/A輸出值，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片TLC5615后轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，然后輸入脈寬調(diào)制芯片產(chǎn)生帶死區(qū)時(shí)間的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦電路的隔離和放大后轉(zhuǎn)換成4路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)去驅(qū)動(dòng)主電路100的全橋逆變電路1002的功率開(kāi)關(guān)管，實(shí)現(xiàn)了輸出電流電壓的閉環(huán)控制，其中脈寬調(diào)制芯片可以是SG3525，也可以是UC3879、UC3895等。限流保護(hù)電路2002采樣高頻變壓器的初級(jí)電流值，并將該信號(hào)經(jīng)過(guò)快速精密整流和斜率補(bǔ)償處理之后與設(shè)定的門(mén)檻值進(jìn)行比較，一旦采樣信號(hào)超過(guò)設(shè)定的門(mén)檻值，限流保護(hù)電路2002的輸出電平發(fā)生改變，全數(shù)字電路2004立刻封鎖PWM信號(hào)的輸出，確保在半個(gè)逆變周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋逆變電路1002實(shí)現(xiàn)逐脈沖保護(hù)。異常檢測(cè)保護(hù)電路2006直接與全數(shù)字電路2004的可編程GPIO 口連接，實(shí)時(shí)采樣交流電源的電壓值，一旦采樣電壓信號(hào)低于或者高出設(shè)定的欠壓或者過(guò)壓門(mén)檻值，電路的輸出電平會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使得全數(shù)字電路2004關(guān)斷PWM信號(hào)的輸出。全數(shù)字電路2004通過(guò)CAN端口與可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300相連，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的設(shè)定以及各種狀態(tài)信息的交互。繼電器電路2007直接與全數(shù)字電路2004的可編程GPIO 口連接，根據(jù)GPIO 口的輸出電平確定繼電器電路2007內(nèi)的相應(yīng)繼電器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2005分別與全數(shù)字電路2004的PWM端口和ADCl端口相連，全數(shù)字電路2004根據(jù)可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300設(shè)定的管板機(jī)頭轉(zhuǎn)速參數(shù)，通過(guò)PWM端口產(chǎn)生相應(yīng)占空比和頻率的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2005產(chǎn)生合適的電壓波形去驅(qū)動(dòng)管板焊接機(jī)頭的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還將驅(qū)動(dòng)電路輸出的電壓值經(jīng)過(guò)ADCl端口饋入全數(shù)字電路2004，構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的閉環(huán)控制回路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓輸出。
[0038]由于電力電站通常建在偏遠(yuǎn)地區(qū)，在建設(shè)期間，供電網(wǎng)壓會(huì)經(jīng)常波動(dòng)。為確保管板焊接機(jī)頭按照所設(shè)參數(shù)穩(wěn)定勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，本發(fā)明所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2005采用了如圖4所示的電路結(jié)構(gòu)圖。交流電經(jīng)過(guò)變壓器降壓之后，進(jìn)行整流濾波，然后利用開(kāi)關(guān)頻率為IOkHz的BUCK電路進(jìn)行調(diào)壓；全數(shù)字電路2004 —方面接收可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300發(fā)送的管板機(jī)頭轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電壓值，一方面采樣管板焊接機(jī)頭400電機(jī)的工作電壓值，兩者比較之后得到偏差值，經(jīng)數(shù)字PI算法得到輸出PWM的脈寬，構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓的閉環(huán)控制回路，獲得穩(wěn)定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓。
[0039]如圖5所示，本發(fā)明所述可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300采用由微控制單元MCU、與微控制單元MCU相互連接的IXD驅(qū)動(dòng)芯片和與IXD驅(qū)動(dòng)芯片相互連接的液晶觸控面板通過(guò)外圍電路連接組成，即采用了 “MCU+IXD驅(qū)動(dòng)芯片+液晶觸控面板”的結(jié)構(gòu)。其中，微控制單元MCU與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200中的全數(shù)字電路相互連接，MCU采用了 TI公司的群星系列ARM微處理器，嵌入了 Stellaris圖形庫(kù)。IXD驅(qū)動(dòng)芯片可以采用RA8875，最大驅(qū)動(dòng)800X480點(diǎn)陣，PWM調(diào)控對(duì)比度，內(nèi)建液晶觸控面板控制芯片；也可以采用SSD1963等專(zhuān)用LCD驅(qū)動(dòng)芯片。液晶觸控面板可以采用TFT-1XD，也可以采用其他圖形IXD。MCU通過(guò)控制總線以及并行16位數(shù)據(jù)總線對(duì)LCD驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)圖像信息在液晶觸控面板上顯示，取得觸控輸入信號(hào)；通過(guò)IXD驅(qū)動(dòng)芯片背光控制PWM信號(hào)調(diào)節(jié)BOOST升壓電路實(shí)現(xiàn)液晶觸控面板背光的調(diào)整；并能將設(shè)定的參數(shù)值通過(guò)CAN總線發(fā)送至焊接過(guò)程控制系統(tǒng) 200。
[0040]如圖6所示，本發(fā)明的焊接任務(wù)控制流程為管板焊接系統(tǒng)上電之后，首先進(jìn)行初始化，然后全數(shù)字電路檢測(cè)焊槍開(kāi)關(guān)是否按下，如果焊槍開(kāi)關(guān)已閉合，則首先通過(guò)繼電器模塊開(kāi)通保護(hù)氣體供氣裝置的氣閥提前送氣，同時(shí)啟動(dòng)水冷卻裝置，然后全數(shù)字電路根據(jù)可視化人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)定值輸出合適的D/A輸出值，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM信號(hào)，主電路工作，輸出空載電壓，然后啟動(dòng)聞?lì)l引弧電路進(jìn)行聞?lì)l聞壓引弧。一旦起弧成功，則關(guān)斷高頻引弧電路，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)管板焊接機(jī)頭旋轉(zhuǎn)，同時(shí)焊接電流進(jìn)入上升階段，上升階段結(jié)束之后進(jìn)入脈沖焊接階段；由定時(shí)器計(jì)數(shù)來(lái)判斷管板焊接機(jī)頭是否已轉(zhuǎn)完一圈，在管板焊接機(jī)頭轉(zhuǎn)完360度之后，進(jìn)入電流下降階段，電流逐漸衰減至電弧熄滅；然后關(guān)斷主電路，在滯后一段時(shí)間之后關(guān)斷保護(hù)氣體和冷卻水，整個(gè)焊接過(guò)程結(jié)束?？刂葡到y(tǒng)軟件是整個(gè)管板焊接系統(tǒng)的核心部分。本發(fā)明采用基于RTX實(shí)時(shí)內(nèi)核的軟件編程方式，把整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分成管板焊接任務(wù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)、可視化人機(jī)交互任務(wù)，焊接系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)任務(wù)以及焊接參數(shù)保存任務(wù)，通過(guò)實(shí)時(shí)內(nèi)核調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的系統(tǒng)功能。而在焊接過(guò)程的電流波形控制方面，本發(fā)明采用了基于模糊邏輯判斷的參數(shù)自整定PI算法，對(duì)焊接過(guò)程適應(yīng)性更好。
[0041]本發(fā)明可視化高效管板焊接系統(tǒng)是這樣工作的:
[0042]焊接主電路100將220V交流輸入經(jīng)全橋整流濾波模塊1001之后轉(zhuǎn)變?yōu)檩^平滑的直流電，然后通過(guò)全橋逆變電路1002轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l高壓交流方波、再經(jīng)過(guò)高頻變壓器1003隔離降壓成高頻低壓交流電，然后通過(guò)快速整流濾波模塊1004轉(zhuǎn)換為符合焊接要求的低壓直流電，為焊接電弧提供能量。焊接過(guò)程控制系統(tǒng)200的全數(shù)字電路2004通過(guò)CAN總線接收可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300傳送過(guò)來(lái)的焊接工藝參數(shù)，將之與反饋電路2003實(shí)時(shí)采樣的主電路100輸出的電流電壓波形參數(shù)進(jìn)行比較，并通過(guò)基于模糊邏輯判斷的參數(shù)自整定PI算法得到所需的D/A輸出值，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路2001輸出PWM信號(hào)的占空比，實(shí)現(xiàn)主電路電流電壓輸出的閉環(huán)控制。在整個(gè)焊接過(guò)程，全數(shù)字電路2004均實(shí)時(shí)采樣限流保護(hù)電路2002和異常檢測(cè)保護(hù)電路2006的輸出電平變化，一旦出現(xiàn)過(guò)流或者其他異常狀態(tài)，會(huì)立即關(guān)閉PWM輸出，實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)。焊接啟動(dòng)時(shí)，全數(shù)字電路2004會(huì)首先通過(guò)CAN總線與可視化人機(jī)交互系統(tǒng)300通訊，獲取相關(guān)的工藝參數(shù)設(shè)定值，然后先通過(guò)繼電器電路2007開(kāi)通保護(hù)氣體供氣裝置700和水冷卻裝置600，為焊接電弧區(qū)提供保護(hù)氣體，同時(shí)對(duì)管板焊接機(jī)頭400進(jìn)行冷卻，然后啟動(dòng)聞?lì)l引弧電路500進(jìn)行聞?lì)l起弧。起弧成功之后，全數(shù)字電路2004會(huì)通過(guò)繼電器電路2007關(guān)閉高頻引弧電路500，同時(shí)開(kāi)啟電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2005，驅(qū)動(dòng)管板焊接機(jī)頭400的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)管板焊接機(jī)頭400的鎢極進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)管板環(huán)形焊縫進(jìn)行焊接；全數(shù)字電路2004通過(guò)定時(shí)器計(jì)數(shù)來(lái)確定管板焊接機(jī)頭400是否已轉(zhuǎn)完一圈，如果已經(jīng)轉(zhuǎn)完一圈，則控制主電路100的輸出電流逐步衰減至滅弧，然后關(guān)閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2005，延時(shí)關(guān)閉保護(hù)氣體供氣裝置700和水冷卻裝置600。
[0043]上述實(shí)施例具有以下特點(diǎn):
[0044]1、數(shù)字化:本實(shí)施例的可視化高效管板焊接系統(tǒng)首次構(gòu)建了基于Cortex_M4內(nèi)核ARM數(shù)字化控制技術(shù)的管板焊接系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，響應(yīng)速度快，過(guò)程控制更為精確，波形調(diào)節(jié)更為柔性和精細(xì)。
[0045]2、節(jié)能省材:本實(shí)施例的可視化高效管板焊接系統(tǒng)采用了先進(jìn)的IOOkHz級(jí)高頻全橋逆變技術(shù)，電能轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)省原材料，焊機(jī)體積小，重量輕，并且采用了 220V交流供電，非常便于現(xiàn)場(chǎng)使用，也更安全可靠。
[0046]3、可視化:本實(shí)施例的可視化高效管板焊接系統(tǒng)首次在管板焊接系統(tǒng)中采用了可視化的人機(jī)交互技術(shù)，不僅能夠?qū)崟r(shí)顯示各種設(shè)定的焊接參數(shù)，還能將焊接過(guò)程圖表化，并能整理、儲(chǔ)存或直接調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0047]上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:其與交流輸入電源連接；包括主電路、焊接過(guò)程控制系統(tǒng)、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)、管板焊接機(jī)頭、高頻引弧電路、水冷卻裝置、保護(hù)氣體供氣裝置和與管板焊接機(jī)頭連接的電弧負(fù)載；所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)分別與交流輸入電源、主電路、可視化人機(jī)交互系統(tǒng)和管板焊接機(jī)頭連接；所述高頻引弧電路、水冷卻裝置和保護(hù)氣體供氣裝置的輸入端均與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)連接、輸出端均與管板焊接機(jī)頭連接；所述主電路的一端與交流輸入電源連接，另一端與管板焊接機(jī)頭連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述主電路由全橋整流濾波模塊、全橋逆變電路、高頻變壓器和快速整流濾波模塊依次連接組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述主電路的一端與交流輸入電源連接，另一端與管板焊接機(jī)頭連接是指，全橋整流濾波模塊與交流輸入電源相連接，快速整流濾波模塊與管板焊接機(jī)頭相連接；所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)分別與全橋逆變電路、高頻變壓器和快速整流濾波模塊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述全橋逆變電路采用工作于全橋硬開(kāi)關(guān)換流模式或工作于移相軟開(kāi)關(guān)換流模式的逆變頻率為IOOkHz的全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)包括全數(shù)字電路及分別與全數(shù)字電路連接的驅(qū)動(dòng)電路、限流保護(hù)電路、反饋電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、異常檢測(cè)保護(hù)電路和繼電器模塊；其中，所述異常檢測(cè)保護(hù)電路的一端與交流輸入電源連接；所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的一端與管板焊接機(jī)頭相連，以驅(qū)動(dòng)管板焊接機(jī)頭的電機(jī)旋轉(zhuǎn)；所述全數(shù)字電路與可視化人機(jī)交互系統(tǒng)相互連接； 所述焊接過(guò)程控制系統(tǒng)分別與全橋逆變電路、高頻變壓器和快速整流濾波模塊連接是指:焊接過(guò)程控制系統(tǒng)中 的驅(qū)動(dòng)電路與全橋逆變電路連接；限流保護(hù)電路與高頻變壓器連接；反饋電路與快速整流濾波模塊連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述高頻引弧電路、水冷卻裝置和保護(hù)氣體供氣裝置的輸入端均與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)連接是指，高頻引弧電路、水冷卻裝置和保護(hù)氣體供氣裝置的輸入端分別與繼電器模塊連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述全數(shù)字電路由作為數(shù)字化控制的核心、型號(hào)為L(zhǎng)M4F232的Cortex-M4內(nèi)核的ARM微處理器以及外圍電路連接構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)電路由型號(hào)為T(mén)LC5615的數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片、脈寬調(diào)制芯片和光耦隔離放大電路通過(guò)外圍電路連接構(gòu)成；所述驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)通用可編程GPIO 口與全數(shù)字電路連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)PWM端口與全數(shù)字電路連接，以接收全數(shù)字電路的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)；并通過(guò)ADCl端口與全數(shù)字電路連接，以反饋電壓值；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用開(kāi)關(guān)頻率為IOkHz的BUCK電路進(jìn)行調(diào)壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可視化高效管板焊接系統(tǒng)，其特征在于:所述可視化人機(jī)交互系統(tǒng)采用由微控制單元MCU、與微控制單元MCU相互連接的IXD驅(qū)動(dòng)芯片和與IXD驅(qū)動(dòng)芯片相互連接的液晶觸控面板通過(guò)外圍電路連接組成；所述微控制單元MCU與焊接過(guò)程控制系統(tǒng)中的 全數(shù)字電路相互連接。
【文檔編號(hào)】B23K9/32GK103706922SQ201310703835
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】王振民, 馮允樑, 潘成熔 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)