（材料加工工程专业论文）次级整流点焊电流波形液晶显示与控制.pdf

摘要 单相次级整流点焊因其输入容量小、热效率高、功率因数高、焊接质量优良 等一系列独特的优点，在工业生产中广泛使用。但是，目前单相次级整流电阻焊 机的控制系统，基本上借用单相交流电阻焊机的控制系统，因而无法满足单相次 级整流设备及工艺方面的特殊要求。 本文针对上述问题进行了基于8 9 c 5 2 单相次级整流点焊控制系统及 s e d l 3 3 5 f 电流波形液晶显示系统的硬件电路设计，通过理论分析建立了主电力 电路精确的数学模型及控制角合理的移相范围，在先期工艺试验基础上提出了一 种利用电流波形上升斜率进行单相次级整流点焊磁补偿的新方法。在软件设计 中，电流百分数，的步长选为0 ，2 5 ，控制角口的步长选为o 0 1 8 。，网路电压 运用半周补偿的方法，使控制系统的精度大大提高。系统采用c 5 1 与汇编混合编 程的方式，对参数读入子程序、液晶显示予程序、网压及磁补偿子程序、延时子 程序等进行模块化设计，软件易读、易移植、易维护，且开发周期大大缩短。 本文设计的控制系统软、硬件均己通过调试。结果表明，系统的控制功能达 到设计要求，可实现单相次级整流点焊过程控制及焊接电流波形的液晶实时显 示。 本文研制成功的单相次级整流8 9 c 5 2 单片机控制及焊接电流波形的实时液晶 显示系统，具有重要的工程应用价值。 关键词：单相次级整流点焊控制液晶显示磁补偿混合编程 a b s t r a c t w i t has e r i e so fu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sl o wi n p u tc a p a c i t y , h i g ht h e r m a l e f f i c i e n c y , b i gp o w e rf a c t o r , e x c e l l e n tw e l d i n gj o i n t s ，a n d s oo n ，t h es i n g l e p h a s e s e c o n d a r yr e c t i f y i n gs p o tw e l d i n gh a sw i d e l yb e e nu s e di ni n d u s t r y h o w e v e r , t h e c o n t r o l l i n gs y s t e m o fs i n g l e p h a s es e c o n d a r yr e c t i f y i n g s p o tw e l d i n gm a c h i n ei s b a s i c a l l y a cs p o t w e l d i n gm a c h i n e s ，s o i ti sn o tf i tf o r s p e c i a ls p o tw e l d i n g t e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，h a r d w a r e c i r c u i t so fc o n t r o l l i n g s y s t e m o nt h e s i n g l es e c o n d a r y r e c t i f y i n gs p o tw e l d i n ga n dl i q u i dc r y s t a ls y s t e mt od i s p l a yc u r r e n tw a v e f o r m sa r e d e s i g n e do nb a s eo fa l l 8 9 c 5 2s c ma n das e d l 3 3 5 fl c dc o n t r o l l e r b a s e do n t h e o r e t i ca n a l y s i s ，t h ep r e c i s em a t h e m a t i cm o d e o f c o n t r o l l i n gs y s t e m a n dar e a s o n a b l e p h a s e s h i f t i n gr a n g eo fc o n t r o l l i n ga n g l ea r ee s t a b l i s h e d ，a n di na l l u s i o nt ot h er i s i n g s l o p eo f c u r r e n tw a v e f o r m s ，an e wm e t h o do n m a g n e t i cc o m p e n s a t i o ni sp u tf o r w a r d o nt h eb a s eo f p r e t e c h n o l o g i ce x p e r i m e n t a t i o nf o rs i n g l ep h a s es e c o n d a r yr e c t i l y i n g s p o tw e l d i n g d u r i n gt h ec o u r s eo fd e s i g n i n gs o f t w a r e as t e po f ，a n dc o n t r o l l i n g a n g l e 口a r e s e tt oo 2 5 a n d0 0 18 。r e s p e c t i v e l y , a n dt h ev o l t a g ei sc o m p e n s a t e di n h a l f - c y c l e ，w h i c he v i d e n t l ye n h a n c e sc o n t r o l l i n gs y s t e m sp r e c i s i o n i nt h i st h e s i s ，a l l o f p r o g r a m sa r em a d ew i t hc 5 1a n da s s e m b l e r w h a t sm o r e ，i ti s h e l p f u lt or e a d ， t r a n s p l a n t ，m a i n t e n a n c e ，a n da l s ot os h o r t e nd e v e l o pc y c l et h a ts u b p r o g r a m sa b o u t r e a d i n gw e l dp a r a m e t e r s ，v o l t a g ea n dm a g n e t i cc o m p e n s a t i o n ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y a n d d e l a y a r er e s p e c t i v e l yd e s i g n e dt oa s i n g l em o d u l e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e ma b o v eh a ss u c c e s s f u l l yb e e nd e b u g g e d ，a n d t h ed e b u gr e s u l t sp r o v ei ta v a i l a b l et h a tt h es y s t e mc a na c h i e v es i n g l ep h a s es e c o n d a r y r e c t i f y i n gs p o tw e l d i n gp r o c e s sa n dr e a l - t i m ed i s p l a yw e l dc u r r e n tw a v e f o r m so n t h e l i q u i dc r y s t a ls c r e e n ，w h i c ha c c o r d s w i t hd e s i g n p u r p o s e i naw o r d ，t h e s y s t e m o fs i n g l e p h a s e s e c o n d a r yr e c t i f y i n gs p o tw e l d i n g c o n t r o l l e db ya n8 9 c 5 2s c ma n dr e a l t i m ed i s p l a y i n gw e l dc u r r e n tw a v e f o r m sw i m l i q u i dc r y s t a li so fi m p o r t a n te n g i n e e r i n g v a l u ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s i n g l e p h a s es e c o n d a r yr e c t i f ys p o tw e l d c o n t r o l l i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym a g n e t i cc o m p e n s a t i n g m i x p r o g r a m m i n g i i 第一章绪论 1 1 次级整流点焊及其发展现状 次级整流点焊是六十年代随着大功率二极管及晶闸管的出现及能源危机的 发生而发展起来的一种新型焊接方法【2 1 。几十年来，由于科学技术的进步，尤其 是计算机技术的迅速发展，使次级整流焊机的控制水平和焊接质量得到了很大的 提高，次级整流焊机在焊接生产中的应用日益广泛。 1 ，1 1 次级整流点焊及其技术特点 所谓次级整流点焊是指在焊接变压器副边，用大功率二极管对次级电压进行 整流后，进行点焊的一种电阻焊方法。次级整流点焊分为三相次级整流点焊及单 相次级整流点焊。图1 1 所示为单相次级整流点焊主电力电路图1 2 1 。 晶闸臀阡麓 静；采嚣 图1 一l 单相次级整流点焊主电力电路图 与交流点焊相比，次级整流点焊具有以下诸多独特的优点。 1 输入容量小。因为是直流电流，无功功率很小，所以在焊接相同零件 时，单相次级整流点焊所需焊机的容量仅为交流点焊的2 3 ；三相次级整流点焊 所需的焊机容量仅为交流点焊的1 1 4e 表l 一1 、1 - - 2 列出了单相及三相次级整流 焊机与交流点焊机主要技术参数的比较值。 1 ：i j h 。，一 兰 n 一 一 一 一 表1 1 焊接电流相同时单相次级整流点焊机与交流点焊机主要技术参数 蚨 焊接电流最大输入额定容量功率因数次级回路 ( k a )容量( k v a )( k 、)阻抗( q ) 交流点焊机1 0 0 ( 有效值) 2 1 07 5o 5 21 5 5 0 - 1 6 0 0 单相次级整流焊机1 0 0 ( 有效值) 1 4 57 50 9 41 3 0 0 1 4 0 0 2 功率因数高。交流点焊因次级回路阻抗大，故功率因数较低：而次级 整流点焊因直流分量大，阻抗较小，故功率因数可高达9 5 ( 表l 一1 、 1 - - 2 ) 。由于功率因数高，所以可使无功功率和线路上的电压损耗大大减小，可 用较长的电极臂来焊接大尺寸构件。 表1 2焊接电流相同时三相次级整流点焊机与交流点焊机主要技术参数 妖 焊接电流晟大输入容额定容量功率电力电源设备焊机 ( k a ) 量( k 、，a ) ( k v a )因数 费用比费用比费用比 交流点焊7 0 ( 有效值) 1 9 0 06 0 00 4 0 121 三相次级整流焊机7 0 ( 有效值)4 7 01 5 00 9 502 4 l2 3 焊接电流稳定。焊接电流受铁磁性物质( 工件或夹具) 伸入次级回路 的影响较小。交流点焊时，当次级回路内有铁磁物质伸入时，随着伸入长度的增 大，次级回路的感抗随之增大，使焊接电流随之减小，这样使焊接质量受到很大 影响，而次级整流点焊则受铁磁 物质的影响较小。 例如，当次级回路电极臂间 距离为2 0 0 m m ，焊件为长方形 筒( 2 5 0 5 0 0 1 0 0 0 m m ) ，板 厚为1 t r i m ，材料为冷扎钢板的 曼 v 避 剜 鲻 驶 焊件伸入长度( r a m ) 情况下，当工件伸入电极臂( 次 级回路) 时的电流变化如图1 一 图卜一2 铁磁物质焊件伸入焊接回路时的焊接电流变化 2 所示。从图可以看出，当工件伸入电极臂内6 0 0 m m 时，交流点焊的焊接电流减 膏畦工童史f 氖士雷t 静文 _ i mi ili ii il l lq lii i 孽 小1 6 ：而次级整流点焊的焊接电流几乎不变1 ) 6 j 。 4 三相负载平衡，对网路的冲击小。交流点焊由于使用的是单相电源， 所以负载是不平衡的；而三相次级整流点焊采用的是三相供电，故使电网的三相 负载平衡。单相次级接流点焊所需的焊接电流明显小于交流点焊，故对网路的冲 击也比交流点焊小。 5 焊接电流有自动调节作用。次级整流点焊时，次级回路阻抗接近纯电 阻。因此，当焊接区电阻发生变化时，焊接电流有一定程度的自调节作用，这种 调节，对于提高焊接质量是有益的。但在交流点焊时，由于次级回路为阻感性负 载，当次级回路电阻变化时，焊接电流不能立即发生变化，故补偿作用较差。 6 焊接热效率商。交流点焊时，电流要经过零点，故大部分热量用来进 行重复加热电极，而没有用来焊接。故热量损失大，热效率低；丽次级整流点焊 的焊接电流基本为直流，电流波形为没有零点的连续电流，故热量损失小，热效 率高。同时直流电通过工件时，无明显的趋肤效应。熔核中心的焊接电流密度提 高，同时也使热效率提高。 7 焊接质量高、飞溅小。在交流点焊时，由于热量损失大，为了保证焊 接质量，就必须增大焊接电流，因此很难使能量( 热量) 控制在合适的范国内， 经常产生飞溅；两次级整流点焊时，由于热量损失小，焊按时所需的电流小，所 以很容易控制焊接电流，使焊接质量提高，飞溅少。 1 1 2 点焊微机控翎系统的控制模型及控制方法 电阻焊的大电流、短时间、高速度的焊接特点，要求交流、单相及三相次级 整流焊机盼控制系统不仅能满足工艺要求，而且需要响应速度快，并能实现焊接 过程自动化。 二十世纪八十年代以来，大部分交流点焊微机控制系统均采用如下数学模型。 ，热量控糊方程 资料 2 】推导出了电流瞬时值i 与控制角口、功率因数角妒之间的关系，即 咿) ：霉 s i n ( a x + a - d p ) - 口- 嚣嘶侧( 1 - - 1 ) 式中，z 为等效电路的总阻抗( z = r 2 十( 越) 2 ) ；r 为焊接等效电路的总电阻； 三为等效电路的总电感：d 为晶闸管的控制角：妒为电路的功率因数角 ( 妒= t g 。1 警卜 在p 一定的情况下，a 的大小决定了电流大小，将上式改写为口= ，( 妒，) 即 为热量控制方程。 2 功率因数角控制方程 资料 3 在设定c o t = 口、i ( t 1 = 0 的条件下推导出了以下关系式： 妒罴蒜 c - 吲e o s ( o - e o s 。o e一妒) 。7 ” 式中，臼为晶闸管的导通角。 从上式可以看出，当控制电路发一个触发角为口的脉冲，并测量随后的晶闸 管导通角p ，就可求得电路的功率因数角妒。将式( 1 - - 2 ) 改写为妒= f ( a 、目) ， 即为功率因数补偿方程。 3 电流有效值计算方程 焊接电流一般用有效值表示。控制器要显示焊接电流或进行恒流控制时都必 须测量计算焊接电流有效值。 电流有效值j 可按下式计算： ，= 胁 ( 1 3 ) 在实时系统中，用式 妒时电流大小的一种方法。即 ，= 篆 荔嚣糕x l 。恒电流百分数控制就是在焊接过程中，根据 电路功率因数角的变化，通过改变触发角以保证电流百分数不变的一种控制方 法。有关的试验工作已经证明。”1 ，尽管大部分恒电流百分数点焊微机控制器具有 一定的磁补偿功能，即根据妒角的变化来适当调整口角的大小。但是，由于焊接 电流为非j 下弦波，根据0 角来测定的口值存在较大误差，故磁补偿的精度不高。 另据资料表明”，在接触点焊1 2 c r l 3 m n l 8 c u 钢时，附加磁场可消除焊点核心的 缩孔，提高接头的冲击韧性，并使接头的使用寿命提高1 2 1 4 倍，由此可见， 如何有效的利用磁场对提高焊接质量是值得研究的。 恒电流百分数控制法的主要缺点是不能补偿如电极端面形状和尺寸、焊件表 面状况及电极压力变化时引起的电流变化，但对焊接时的分流有一定的补偿作 用。 ( 3 ) 动态电阻质量监控法动态电阻质量监控是以上下电极间的动态电阻 作为监控参数的一种电阻焊控制方法。经过多年的研究，。普遍认为动态电阻考虑 了电压、电流的因素，与熔核生长的状态密切相关，比简单的电压监控更能表征 熔核生长的状况，所以，动态电阻质量控制在一定程度上受到重视。对于动态电 阻的检测，有不同的处理方法。一种是分别测出上下电极间的电流与电压，再按 欧姆定律求出动态电阻，或是在焊接电流近似为恒定的情况下，用电极问电压代 替动态电阻，一般认为二者变化趋势相同，峰值同时出现，检测效果一致。但是， 直接从点焊电极上引线测电极电压妨碍焊接操作，也易产生干扰信号，故又提出 从焊接变压器初级回路检测功率因数以代替动态电阻。由于检测功率因数角比较 困难，在实际处理时，用检测焊接电流相对电压的滞后角来替代功率因数角，其 最大误差不超过1 0 。目前，在国内外采用动态电阻质量监控法主要是用于低碳 钢的焊接。“。鉴于动态电阻质量监控法仅适用于较窄的焊接参数范围， a g l i v s h i t s 提出了一种用于非涂层钢通用的质量监控算法，并把此法应用在焊 接质量监测和控制中。根据试验结果分析，采用此法扩大了适用范围，并能补偿 因电极磨损而引起的质量问题汹3 。 动态电阻法的主要缺点是动态电阻的测量过程中所受的干扰较大 8 】，且只能 用于动态电阻曲线较明显的材料，如低碳钢、低台金钢、钛合金钢等，而难用于 铝合金及奥氏体不锈钢。 1 2 2 点焊质量监控的新进展 点焊过程是一具有高度非线性、时变和多因素耦台的复杂过程，对与焊接过 程相关的物理实质还缺乏深入的了解，尤其是焊点熔核形成的不可见性和焊接过 程的瞬时性给点焊的质量监控带来很大困难。目前，国内外已采用多种方法来对 点焊的质量监控进行研究。 1 数理统计方法 数理统计方法是试验数据处理的一般方法，可以帮助获得直观试验数据以外 的一些信息或规律，得出规律的近似数学表达式。 沙特k i n gs a u d 大学的smd a r w i s h 等人【l l 】针对碳钢试件，在正交试验的基 础上用数理统计( 多元回归分析) 的方法建立了接头强度、熔核尺寸与焊接参数 之间的数学关系；英国mh a o 等人 1 2 】对铝合金，利用多元回归方法对电参数与熔 核直径和静态强度之间的关系作了研究，得到了有参考价值的研究成果。 2 数值模拟方法 上世纪九十年代以来，t s a i 等人啪1 将有限元引入点焊质量监控领域中，用数 值模拟方法对热膨胀电极位移进行了研究，发现了一些非常有用的规律，并可直 接指导点焊过程与质量的实时控制。二十世纪八十年代后期和九十年代日本的西 口公之、松山钦一、西田顺纪等人汹“”利用数值计算模型进行了自适应控制研究， 开发出直接对熔核直径进行计算的第二代焊接质量控制器，并已实现了产品化。 哈工大的曹彪等人【n 1 用有限元方法建立了模型，计算了点焊过程热膨胀，探讨了 利用热膨胀电极位移控制点焊质量监控方法。 3 人工智能方法 人工智能方法在处理难以用规律描述或具有模糊性的问题方面有着常规方 法不可比拟的独特优势。电阻点焊焊接过程各参数之间关系复杂，且干扰因素多， 存在多变量耦合问题，因此，国内外学者采用人工智能的重要分支人工神经 网络技术来综合处理各监测参数间的关系，以此来实现对焊接质量的精确监测和 控制0 1 _ ”1 。 德国m j g r e i t m a n n 等人【1 4 1 将专家系统技术用于选择、优化点焊工艺参数 函北工土土学硕士学位论文 ( 计算机辅助点焊工艺制定) ，使用软件“c a r e w e l d ”可对a i m g s i 合金的点焊 进行数值过程模拟。日本m a t s u t a m a k 【1 4 】研制了一种基于神经网路学习功能的点 焊质量监控系统，电极问电压和焊接波形作为监测参数用来预测焊接中的熔核尺 寸和判别飞溅的产生，神经网络对基本试验的结果进行学习。该系统不仅可预测 熔核尺寸还可判断飞溅的产生，并且具有准确率高、速度快和c p u 能耗低的特点， 特别适用于实时监控。日本s a t o h t 等人【14 j 运用神经网络技术和模糊推理技术 作了保证点焊质量的尝试，对从次级回路上每半波得到的电压电流曲线进行 了特征提取，获得了几个特征量作为神经网络的输入，利用神经网络技术建立了 三个质量模型。优化的电流模型可实现无飞溅大熔核尺寸的电流递增( 步增) 。 输出数据为电极端面直径和熔核直径。国内张忠典等人”1 以各周波的动态电阻为 输入( 1 7 个输入值) ，以抗剪载荷为输出建立了焊点质量的神经网络评估系统。 1 2 3 液晶显示器件及其在焊接中的应用 液晶最早是1 8 8 8 年奥地利植物学家f r e i n i t z e r 在做加热胆固醇苯甲酸酯试 验时发现的【3 4 1 。它是一种介于固态和液态之间的物质形态，具有规则性分子排列 的有机化合物。如果把它加热会呈现透明的液体状态，冷却则会出现结晶颗粒的 混沌固体状态。液晶按照分子结构排列的不同分为三种：类似粘土状的s m e e t i c 液晶，类似细火柴棒的n e m a f i e 液晶和类似胆固醇状的c h o l e s t i c 液晶。这三种液 晶的物理特性各不相同，用于液晶显示器的是n e m a t i c 液晶 3 卯。 液晶显示器具有以下特点：低电压、场致驱动工作方式；微功耗，仅1 爿矽c m 2 左右；与集成电路匹配性能好，配套驱动简单、直接；平板型、装配体积小；被 动显示、不怕光冲刷：彩色化容易，效果逼真：显示面积可大可小；设计、改型 容易：易于大批量生产；工艺不断更新、成本降低速度快。 正是由于这些特点，使液晶显示器件综合性能比其他显示器件有更大的优 势，应用也更加广泛。比如e t 常生活中的电子手表、计算器、家电音响设备上的 显示屏、各种固定电话及手机上的显示屏、示波器显示、液晶电视机、笔记本及 p c 上使用的显示器等等。 第一苹绪论 在焊接领域，液晶显示器件也开始得到应用。比如，清华大学研制的“多功 能逆变式弧焊机”采用液晶显示的方式显示“焊接方法”、“焊接参数1 ”、“焊接 参数2 ”及调节对象的可选参数等【l6 ：沈阳工业大学研制的“点焊控制系统”利 用t m l 2 8 6 4a 图形点阵液晶显示器和薄膜开关完成了点焊过程的参数设置和显 示，使得操作简单、清晰又直观m ；河北机电学院设计的自动焊设备采用的 t 6 9 6 3 c 作为液晶显示屏的控制器实现了多组焊接规范参数的液晶显示等等博】。 1 2 4 焊接电流波形实时显示的必要- 性 在电阻点焊中，焊接接头质量的好坏最重要的指标是接头强度，而焊接电流 是影响接头强度最主要的工艺参数。焊接电流上升率决定着加热速度，即决定着 塑性环和熔核的生长速度。选择合适的电流上升率将使熔核与塑性环同步长大， 当熔核长大到合格尺寸时停止通电。如果电流上升过快，导致熔核生长过快，熔 核中液态金属迅速膨胀，而此时塑性环较小，当塑性环不能包容和密封液态金属 时，就产生了飞溅；如果电流上升过慢，造成塑性环较大，使得热影响区变宽， 抗剪强度不稳定，抗疲劳性能下降“”。 交流点焊时，电流要经过零点，故大部分热量用来进行重复加热电极，而没 有用来焊接，故热量损失大，即使在次级整流点焊时，如果选择的电流百分数太 大，导致每周电流几乎下降到零点时也存在同样的问题，尤其是在焊接导热性能 好的材料时更是这样。 在次级整流、直流冲击波及电容储能点焊中，多采用电流峰值来评估接头质 量的优劣。实际上，在电流峰值相差不大的情况下，电流波形有可能相差较大， 从而造成接头质量的波动。另外，焊接电流波形可以准确反映焊机及其控制系统 的工作状态，故在设备的检修中必须对焊接电流波形进行观察。 由于影响点焊质量的因素较多，至今还没有一种较为可靠的质量监控方法可 以准确的监测焊点质量，常用的检测方法依然是抽样破坏性试验法”。因此，研 究焊接电流波形对电阻点焊熔核形成过程及提高接头质量、排除焊机故障状态有 着重要作用，在点焊过程中实时显示焊接电流波形是十分必要的。文献 2 0 实现 了在电阻焊过程中采样焊接电流数据，经r s 2 3 2 串口将其送到p c ，软件处理后在 2 p c 上显示波形。但是，用液晶实时显示点焊焊接电流波形的报道尚未见到。 1 3 课题研究内容 本课题旨在研制具有电流波形液晶显示功能的单相次级整流8 9 c 5 2 单片机控 制系统，具体研究内容如下： 1 建立单相次级整流点焊微机控制的数学模型； 2 设计微机控制系统的软、硬件； 3 设计点焊电流波形液晶显示器的软、硬件。 上述控制系统的研制成功，必将进一步提高电阻焊过程的质量控制水平，具 有重要的工程应用前景。 第二章单相次级整流电阻点焊的控制模型 及焊接电流波形的液晶显示方法 2 ，l 主电路的工作原理及其控制模型 2 1 1主电力电路工作原理 1 主电路组成 单相次级整流电阻点焊主电路由单相交流变压器t 、两只反向并联的晶闸管 v t l 、v t 2 及次级整流二极管v d l 、v d 2 等元件组成，电路如图2 1 所示。3 8 0 v 的网路电压经过v t l 、v 酡组成的交流调压电路，加在焊接变压器原边，调节晶 闸管v t l 、v t 2 的控制角口，即可改变焊接电流的大小。由焊接变压器副边输出 的交流电压再经二极管v d l 、v d 2 全波整流后，加在上下电极之间对焊件进行焊 接。 图2 - 1 单相次级整流点焊主电路 并联的r i 、c 。组成过电压吸收电路，起到保护晶闸管的作用，r 2 为焊接变 压器的续流电阻，以吸收晶闸管关断后回路所产生的反电动势能量。次级不采用 桥式整流是因为焊机负载电压非常低，挢式整流电路中两个整漉元件串联在一 起，会使消耗在功率整流器件上的功率加倍。考虑到焊接回路电阻很小( 一般为 几十微欧) ，这一加倍的消耗会引起整流器效率的严重降低郴l 。 单相次级整流二次回路的电流波形如图2 2 所示，由于二次回路电感的影 响，二次电流存在按指数曲线( 包络线) 上升的一个过程。当线路电阻相同时， 二次回路电感的大小只影响次级电流上升到稳定值的时间，且电感越大，所需时 间越长。 0 图2 2 单相次级焊接电流波形 2 控制角a 的移相范围 主电路的等效电路如图2 3 所示。 图2 3 主电路等效电路 图2 3 中，r ，、上1 为焊接变压器原边等效电阻和电感，r ：、l ：。为副边折 算到原边的等效电阻和电感( r 2 = n 2 r 2 、l 2 。= n 2 2 ，疗为变压器变比，r ：、l ： 为次级回路的电阻及电感) 。电路的功率因数角妒= t g 。【( 厶+ l 2 ) ( 马+ 月：) 。 晶闸管承受正向电压且在触发脉冲的作用下才能导通。下面以图2 - - 3 和图 2 - - 4 为例说明控制角口的移相范围( 不考虑二极管压降) 。图2 - - 4 中，p 为焊接 变压器原边电压与电流的相位差，即功率因数角；i 为焊接变压器原边的电流， 其正方向如图2 - - 3 所示。 u “ 图2 4 焊接变压器原边电压、电流波形 1 ) 当口 1 8 0 。，这就造成了 所谓的“单管导通。众所周知，在点焊中，“单管”导通会引起许多问题h 64 7 1 ， 这是不允许的。 2 ) 当口舻时，在第一个半波内，晶闸管v t 2 承受正向电压而导通，晶闸管 v t l 关断；第二个半波时，晶闸管v t i 承受正向电压，而晶闸管v t 2 承受反向 电压，故v t i 导通。如此循环，晶闸管v t l 、v t 2 轮流导通，电路正常工作。 由以上分析得出，控制角口的移相范围为【亿万) 。 2 1 2 主电路单片机控制系统 点焊主电路的单片机控制系统主要包括同步电路、晶闸管触发电路、电流及 电压信号采集电路、主控芯片a t 8 9 c 5 2 单片机、焊接规范参数输入电路及焊接电 流液晶显示电路等几部分组成。控制系统框图如图2 5 所示。 同步电路提供焊接过程时序控制的时基信号。网压过零时，同步电路产生信 号向主控芯片8 9 c 5 2 申请中断，如果单片机响应该中断，焊接过程从此开始。 晶闸管触发脉冲由主控芯片8 9 c 5 2 的p 1 1 脚发出。该信号再经隔离放大后 触发v t l 、v t 2 。 电流及电压采样电路的作用是将模拟信号转换为数字信号，以便单片机读取 数据，并根据需要进行操作。电路主要包括模数转换器a d c 0 8 0 9 ，分频电路及 a d c 0 8 0 9 相应的启动及转换数字量的读取电路等。 6 图2 5 单片机系统框图 焊接规范参数输入电路提供焊接所需要的参数，如电流百分数、焊接模式参 数、各焊接过程周波数等。它主要由8 组拨码开关、8 2 5 5 的c 口及a 口组成。 液晶显示电路完成焊接电流的波形显示。电流信号经a d 转换后得到焊接电 流的数字信号，在液晶显示控制器s e d l 3 3 5 f 的作用下将数字量送入显存，液晶 显示屏根据显存的数据显示相应的焊接电流波形。 2 1 3 点焊控制模式及数学模型 单相次级整流电阻点焊控制可采用电流百分数控制和恒流控制两种方式。 1 电流百分数控制 当电源为额定电压3 8 0 v 时，设晶闸管控制角为口时的电流有效值为l ，控 制角等于功率因数角妒时的电流有效值为，则电流百分数，；l ，若 口 p ，则 ，= f ( a ，矿) ( 2 1 0 ) 上式又可写成 口= ，( ，妒) ( 2 1 1 ) 当焊机各参数不变时，功率因数角p 为常数，上式可进一步简化为 口=厂(j)(2-12) 口和，之间存在一一对应的关系【3 】 因此，只要确定它们之间的函数关系式， 便可算出不同电流百分数，对应的控制角a 。 如图2 - - 1 所示，若电路为纯电阻负载，在晶闸管全导通时电流有效值l 可 根据下式求得 仁 妻f ( 脚如刎；= 警( 2 - - 1 3 ) 式中u 变压器输出电压有效值。 当晶闸管控制角为口时的电流有效值为 仁 寺r ( 厨咖2 砌】t u 且。孓l s i n 2 a t 孚石- c t ( 2 - - 1 4 ) 故电流百分数为 ，= ，。，。= l s i n 2 a4s r - a 一 ( 2 1 5 ) 将上式在计算机上进行编程计算，可得到不同，所对应的a 值，在设计单 片机控制系统时，将该数表存入单片机r o m 内。对于某一设定的电流百分数， 就可查表求得相应的a ，然后延时口所对应的时间，触发晶闸管，便可实现电阻 点焊的电流百分数控制。 把单相次级燕流点焊回路看作纯电阻负载，可大大简化口= 厂( ，) 数表的计 算过程。由于c o s 妒的影响，数表值与实际情况会存在一定的差异。但是，单相次 级整流点焊中，常用焊接电流峰值来表示电流值的大小，故口= ，( ，) 数表值的 差异不会对参数的设定及焊接过程造成明显影响。 从交流点焊主电路的等效电路中可推导出，焊接电流与次级电压存在如下关 系式 3 】： f = 孚【s i 啦+ g - 6 p 脚( 口一e - ( t _ ! l l ) t ( 2 叫6 ) 式中u 变压器原边电压有效值； z 副边折算到原边后的总阻抗( z = 月2 + ( c o l ) 2 ，r 为等效电阻，c o l 为等效感抗) ； 口控制角； 妒功率因数角。 上式表示了电流与控制角口、功率因数角妒之间的关系。在妒一定的条件下， a 的大小决定了焊接电流的大小。一般的单相交流点焊控制系统中川，c o s ( p = 0 6 ， 而在单相次级整流点焊中，c o s 舻= o 8 o 8 5 ，由此可见，单相次级整流点焊的功 率因数角与交流点焊有相当大的差异，因此，其控制模型与交流点焊是不同的。 但是，由于单相次级整流点焊电流中，仍然存在较大的交流分量，根据交流点焊 主电路的工作过程分析得出的a 妒的控制原则，对单相次级整流点焊也是适用 的，即在制表及查表程序中要对控制角口的变化范围进行限制。根据试验结果， 口的变化范围为 3 6 8 。，疗) 。 2 恒电流峰值控制 在单相次级整流点焊中。所谓的恒流控制即为恒电流峰值控制。 恒电流峰值的控制模型如下： = 例“毕( 2 - - 1 7 ) 式中第一+ 1 个半波的电流百分数； j 。第n 半波的基准的电流百分数： 第一个半波的实际电流峰值； l 第竹个半波的基准电流峰值。 第二章单相次级整流电阻点焊的控制模型及焊接电流波形的液晶显习i 方法 在进行恒流控制之前，必须将系统设定在百分数控制模式上，获得合适的电 流波形，然后把此波形的每半波的电流峰值，。依次存贮在相应的单元中。然后再 将控制模式设定在恒流控制的方式下工作。在开始通电时，可用基准电流百分数 f 。来查表求出a 。 ，。、，月。所代表的含义如图2 - - 6 所示。 图2 6 基准电流波形及恒电流峰值控制过程 3 网压补偿及磁补偿原理 采用电流百分数控制时，为保证在网压变化及铁磁物质伸入二次回路引起焊 接电流的变化，需要对二者进行有效的补偿。 1 ) 网压补偿 网压补偿原理如图2 7 所示。当网路电压提高时，控制角可自动后移；网 路电压低于额定值时，又可自动前移，使输出电流不因网压变动而波动，保证焊 接质量。图2 7 中，口 为额定网压时的控制角， 口：为网压变化时补偿后 的控制角。 由图2 7 ，网压补 偿计算公式如下： j 耘3 6 巍翁3 8 7蓁 l 搿1 陪1 r 口2 7 图2 7 网压补偿原理图 ，1 啪( 1 一筹 ( 2 _ 1 8 ) u = u 测- - 3 8 0 式中，输入的电流百分数： ，补偿后的电流百分数； u 网路电压波动量。 2 ) 磁补偿 交流点焊铁磁物质时，随着铁磁物质伸入二次回路、点焊不同位置时将引起 熔核及焊接电流有效值的变化。在次级整流点焊中，虽然铁磁物质的影响不如交 流点焊明显，但在精密点焊中，仍然不能忽略。 本文所作试验表明( 见附录2 ) 。当伸入次级整流点焊二次回路的铁磁物质量 发生变化时，其焊接电流波形的直流分量( d c ) 几乎没有变化，而其交流分量的 相对有效值( r m s ) 则发生明显变化，如图2 - - 8 所示。这种变化在精密构件的 点焊中显然是不能忽视的。 图2 8 不同焊点的频谱图 西北工业土学硕士学位论文 由于铁磁物质影响了二次回路的感抗，因此，可用焊接电流峰值处的波形斜 率的变化来表示铁磁物质量的变化。在恒电流百分数控制方式下，首先应测出基 本无铁磁物质影响时的焊接电流峰值的斜率( 例如，开始打焊接试片时) ，然后 按下式计算电流峰值的变化量： 挝= k m in ( 2 1 9 ) 式中铁磁物质伸入二次回路时电流峰值的变化量； t 。磁补偿系数，其值与相邻半波电流峰值阃的斜率、被焊材料等因素 有关，其值的大小由试验确定： l 无铁磁物质时的基准电流峰值： 计算出叫后，按下式进行磁补偿： l + i ：l ( 1 + 掣) ( 2 2 0 ) 2 2 焊接电流波形的液晶显示 2 2 1 波形显示方法 电流波形的液晶显示一般有以下三种方法4 9 1 。 1 直接点显示 直接点显示是一种虚线显示方式，它简单的将各数据点按时间顺序和幅值的 大小摆放在显示屏上。该方式的显示速度很高，与波形的形状无关，适用于多个 波形的同时显示和快速换屏的情况。另外，直接点显示对于规则的周期信号，大 约需要每周期2 5 点才能较好的显示该信号。而每周期2 5 点的直观感觉已经能够 精确的表示波形原形了。但如果每周期取样点较少，或者是非周期的瞬态信号， 则直接点显示容易产生难以辨认或视觉混淆现象。而当信号变化较快且幅度较大 时，由于采样点相对较少，该方式将使得波形不连续，同时也不容易辨认波形细 节。 2 脉冲内插显示 第二二章单相次级整流电阻点焊的控制模型及焊接电流波形的_ f 匠品显不方法 脉冲内插显示是用直线将各数据点连接起来的。在采样的相邻两个数据点之 间，内插器( 数字滤波器) 产生新的数据字，然后由矢量发生器在屏幕上显示的 数据点之间画线。用此种方法显示的波形曲线具有连贯和动态的感觉，这样，就 避免了单个数据点的丢失和数据密集时的视觉混淆现象，从而大大的改善了视觉 效果：另外，脉冲内插方式显示瞬态信号时，不容易感觉到显示误差的存在。 3 正弦内插显示 正弦内插显示对正弦波输入信号非常有效，它可以从低至每周期2 5 个点的 采样序列中满意的恢复原始信号；正弦内插显示的理论采样插值公式为： 。 s i n ( 一n ) x ( f ) = x ( 行) 令一 ( 2 2 0 ) 疗( 云叫) 式中采样时间间隔； x ( r ) 模拟的连续信号； 采样序号。 2 2 2 焊接电流的液晶显示 波形显示的质量与模拟信号采样频率密切相关，故需考虑采样频率转换及设 计多相滤波器等【5 05 ”。对于一定的频率 的模拟信号波形，为了在采样后能精确 的显示出来需要选用足够高的采样频率正，而工的选取又与其所采用的显示方 式有关。兀、工和显示方式的关系定义如下： 正= k f o ( 2 2 1 ) 在直接点显示时，k = 2 5 ，脉冲内插显示时k = 1 0 ，正弦内插显示时 k = 2 5 。由此可见，不同的显示方式所需要的采样频率相差很大，反之，若采样 频率六一定，不同的显示方式所限定的最高输入信号频率也相差很大。 电阻点焊焊接电流波形为非正弦波。考虑到单片机的计算能力，不宜采用正 弦内插显示方式，并且在较低采样频率并不导致波形失真，不宜采用直接点显示 方式，故在本系统中采用脉冲内插显示方式。 如图2 8 可知，单相次级整流焊机次级输出电流的脉动频率为1 0 0 h ：。由 式( 2 - - 2 1 ) 可知，脉冲内插显示时，只需保证采样频率不低于1 0 0 0 h ：，即每周 均匀采样1 0 点即可不失真的再现波形原形。 第三章控制系统硬件设计 3 1 8 9 c 5 2 单片机应用系统硬件设计 3 1 18 9 0 5 2 单片机应用系统硬件电路的基本组成 设计的控制系统硬件电路如图3 1 所示。系统采用了8 9 c 5 2 单片机作为控 制系统的核心。8 9 c 5 2 单片机是a t m e l 公司推出的一种低功耗、高性能的8 位 c m o s 微处理器芯片，与i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列产品的指令集与管脚分布完 全兼容。除了具有2 5 6 字节的r a m 、3 2 条i o 线、两个1 6 位定时，计数器、一个 具有五个中断源及两级优先级的中断结构、一个全双工的串行口、 0 , 5 m h ，一1 2 埘，的全静态工作方式、片上振荡器与时钟电路等一般标准配置及 特性以外，8 9 c 5 2 还具备以下特点： 1 片内自带的8 k 字节程序存贮器是一种闪速可编程及可擦除只读存贮器 ( f l a s h p r o g r a ma n de r a s a b l er o m ，简称p e r o m ) 。该芯片擦除时间约为1 秒钟， 而一般e p r o m 需1 5 2 0 分钟完成擦除，通过编程器将程序写入的时间也是在瞬 间完成，且擦写次数可达1 0 0 0 次之多，数据保存期可达1 0 年之久。它的这一特 点对于开发控制系统是非常有利的。 2 带有三级程序存储器锁定功能，一旦使用了此功能便可以防止程序被读 出。 3 为p e r o m 阵列的编程提供了所有必需的时序与高电压，不需要任何的外 部支持电路。 4 支持两种软件可选的省电模式，其中在闲置模式下，c p u 停止工作，但 r a m 、定时器计数器、串行口与中断系统仍然在起作用；在掉电模式下，只保 存r a m 的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其它功能，直到下次硬件复位 到来。 由于8 9 c 5 2 单片机只有2 5 6 字节的r a m ，在本控制系统中要存贮大量的、 曲疤工业t - , 学硕士学位论文 用于液晶显示的电流数字信号和恒电流峰值控制模式中的标准电流峰值，因此， 系统扩展了8 k 的外部r a m 芯片6 2 6 4 。考虑到8 9 c 5 2 单片机能用于外围交换数 掘的接口只有p l 口，系统扩展了一片8 2 5 5 作为i o 口。a d c 0 8 0 9 用于采样网路 电压信号和次级焊接电流信号；s e d l 3 3 5 f 用于点阵液晶屏的显示控制。为了保 证控制系统能够在电压较低的情况下正常运行，设计了基于m a x 7 0 5 的电源保护 及复位电路。 8 9 c 5 2 采用的是哈佛结构的微处理器。p o 口通过7 4 l s 3 7 3 地址锁存器提供地 址总线的低八位，p 2 口提供地址总线的高八位构成1 6 位地址总线a b ；p 0 口 提供八位数据总线d b ，与地址总线的低八位分时复用：控制总线c b 由p 3 口的 第二功能和4 根独立的控制线r e s e t 、e a 、a l e 、p s e n 组成。另外，由于存储 器6 2 6 4 占用了大量的外部地址，所以，系统选用了7 4 l s l