数字化逆变焊机的发展及应用

全数字化Sigma焊机的技术分析,苏州米加尼克焊接技术有限公司2009.07.16,数字化逆变焊机-目录,Sigma焊机的特点：控制精度灵活性兼容性安全可靠性高效节能网络化管理2.全数字化的定义3.过渡方式介绍4.PI变极性焊接,普通焊机焊接不锈钢在短路过渡焊接过程飞溅较大、声音爆噪。,控制精度-普通焊接,控制精度-电源脉冲焊接,进行了以下改进：选用专家程序-（焊接电源输出为一脉一滴方式；焊机自动匹配电弧挺度）,脉冲焊接不锈钢起弧阶段飞溅较大。焊接过程飞溅较小、声音柔和。,控制精度-多脉一滴焊接过程,脉脉冲电流350A脉冲时间3ms。,控制精度-一脉一滴焊接过程,脉脉冲电流280A脉冲时间5ms。,控制精度-一脉多滴焊接过程,脉脉冲电流280A脉冲时间6ms。,控制精度-一脉一滴的建立,低能量区由于焊接能量较低，形成多脉一滴。高能量区由于焊接能量较高，形成一脉多滴。为减少焊接飞溅和焊接成形，确保一脉一滴，必须保证脉冲电流和脉冲时间的匹配。例如：焊丝规格和材质、气体成分一定的情况下为保证焊丝产生一个熔滴，需要精确的能量去控制它，能量过大会产生多个熔滴，能量过小几个脉冲产生一个熔滴。,焊丝：低碳钢，1.2mm气体：80%Ar+20%CO2平均电流：150A送丝速度：5M/Min基值电流：50A弧长：35mm,150A电源脉冲图,Sigma电源脉冲波形：焊丝材料：碳钢焊丝直径：1.0mm焊接参数：150A/24.6V绿色：电流波形，100A/格共4格。脉冲电流：400A。脉冲频率：83Hz。脉冲时间：2ms。黄色：电压波形，10V/格。,控制精度-一脉一滴焊接波形,脉脉冲电流400A脉冲时间2ms。,280A电源脉冲图,Sigma电源脉冲波形：焊丝材料：碳钢焊丝直径：1.0mm焊接参数：280A/31V绿色：电流波形，100A/格。共4格。脉冲电流：400A。脉冲频率：280Hz。脉冲时间：2ms。黄色：电压波形，10V/格。,控制精度-一脉一滴焊接波形,由于该区域较窄，操作者调节非常麻烦，一般采用脉冲宽度和脉冲幅度不变，采用脉冲频率调制（如左侧图），也就是说改变脉冲频率来调节焊接平均电流。,脉脉冲电流400A脉冲时间2ms。,控制精度-双脉冲焊接,双脉冲焊接不锈钢起弧阶段飞溅较大。焊接过程飞溅较小、声音柔和、均匀。,在电源脉冲的基础上叠加了协同脉动送丝,低频脉冲波形可设置：脉冲电流、脉冲时间、基值电流、基值时间等参数。,控制精度-低频脉冲焊接参数设置,低频区小电流,高频区大电流,基值电流和基值时间,脉冲电流和脉冲时间,叠加后的脉冲波形：焊机根据用户设置的平均电流，自动调节脉冲频率等参数。,控制精度-双脉冲焊接过程,T=7.96-7.86=0.1S,T=8.30-8.25=0.05S,高低频脉冲协同波形图,Sigma电源脉冲波形：焊丝材料：碳钢焊丝直径：1.0mm焊接参数：基值：100A峰值：200A绿色：电流波形:100A/格。高频脉冲：400A/2ms。低频脉冲：1.5Hz黄色：电压波形，10V/格。低频脉冲时间：200ms/格*3.5格=700ms,控制精度-双脉冲焊接波形,2.0Hz焊接成形2.5Hz焊接成形3.3Hz焊接成形5.0Hz焊接成形,控制精度-双脉冲焊接效果,双脉冲焊（DPMIG/MAG）是一种优质、高效的焊接工艺方法。由两种脉冲组成:一个高频脉冲叠加一个低频脉冲.高频脉冲控制熔滴过渡,低频脉冲控制熔池成形.为保证理想的焊接质量,高频脉冲一个脉冲形成一个熔滴.减少飞溅并保证焊接成形。低频脉冲由于平均焊接电流的周期变化使得焊接熔池得到了强烈的搅拌，在使熔池气体充分溢出，降低气孔倾向的同时，焊缝晶粒也得到了细化，减小裂纹倾向。焊接效果见下图。,控制精度-焊接钢、铝、不锈钢等各种材质,不是采用传统的恒压或恒流特性，采用组合式阶梯特性：起弧初级阶段为保证可靠起弧采用高电压小电流（B点)；当起弧成功后为防止飞溅过大采用中电压微电流维持电弧燃烧（BC段)。当需要精确控制脉冲能量时采用恒流特性（DE段)。当需要维持电弧时采用小电流维持电弧燃烧（C点)。当焊机正负极短路时采用恒流特性（FG段)，防止输出电流过大损害焊机。,U,I,Uoc,A,C,D,E,F,G,I,t,恒流特性控制脉冲电流,起弧点,恒流特性保护焊机,维持电弧,灵活性-组合式电源外特性,脉冲电流,最大电流,电源外特性曲线,电流曲线,灵活性-焊接专家程序库,根据焊丝材质、直径、气体成分等信息选择程序号。,灵活性-升级焊接专家程序库,焊接专家程序：通过附表选择焊丝材质、焊丝直径、气体成分、有无脉冲等信息查找焊接专家程序号，焊机自动调用相应的外特性、动态性等参数满足焊接要求。系统升级：（永不落后的焊机）将来遇到新的材质、新的工艺，只需要对焊机的软件升级即可满足需要。我公司已研制IC专家程序卡，目前SD卡的焊机已在欧洲销售，可通过SD卡对焊机升级。,Sigma电弧挺度：焊丝材料：碳钢。焊丝直径：1.0mm。焊接参数：160A。绿色：电流波形:100A/格。黄色：电压波形，10V/格。电子电感量为：+2.0。焊丝短路电流较小（230A)。特点：电弧柔软，声音柔和。,160A电弧挺度弱,灵活性-电弧挺度调节（+2.0）,160A电弧挺度强,Sigma电弧挺度：焊丝材料：碳钢。焊丝直径：1.0mm。焊接参数：160A。绿色：电流波形:100A/格。黄色：电压波形，10V/格。电子电感量为：-4.0。焊丝短路电流较大（330A)。特点：电弧挺，声音爆噪。电感量调节范围：-5.0+5.0-5.0代表电感量最小，电弧的挺度强；+5.0代表电感量最大，电弧的挺度弱。,灵活性-修改电弧挺度（-4.0）,兼容性-接口兼容性,数字化焊机的接口兼容性好。由于数字化焊机大量采用了单片机、DSP等数字芯片，因此PC机与数字化焊机、数字化焊机与机器人以及数字化焊机内部的电源与送丝机、电源与焊枪之间的通讯接口就可以非常方便地实现。相信随着现代焊接生产网络化管理的发展和普及，数字化焊机以其良好的接口兼容性必然会发挥越来越重要的作用。,电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力.因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性.普通焊机没有该功能，对电网的污染非常严重，对精密仪器造成很大影响。目前我国正准备实施EMC强制测试。,兼容性-EMC电磁兼容性,恒温房：我公司产品均是在环境温度40下测试，因此在同样的占载率下，我公司产品具备在高强度和恶劣环境下持续工作的能力，具有非常高的可靠性和耐用性。,安全可靠性-关键测试设备,数据采集仪：Agilent34970A,LECROY示波器WaveSurfer44Xs。主工作频率为：400MHz。输入通道：可同时测试4通道电信号。,红外测温仪：非接触式温度测试仪,电流保护：保护焊机电流参数IfthecurrentintheIGBTsreachesatoohighleveltheIGBTsareallswitchedoff,安全可靠性-过流保护环节,温度保护：保护焊机温度IfthetemperatureontheheatsinkreachesatoohighleveltheIGBTsareallswitchedoff,安全可靠性-过热保护环节,自控风机速度：噪音、能耗和寿命Thefanspeediscontrolledtolimitthenoiseandtheamountofdirtyairsentthroughthemachine,安全可靠性-温度保护环节,过压保护：输入电压异常保护Ifthevoltageatthepowerlinereachtoohighlevels,thepowerwillbeshutdowntotheIGBTs,安全可靠性-过压保护环节,瞬态电压抑制：减少输入电源尖峰干扰Ifvoltagetransientvoltagesappearatthepowerlinetheywillbelimitedbytransientsuppressors,安全可靠性-瞬间高压保护环节,高强度的浸漆材料和工艺：防尘、防潮VerythicksiliconecoatingisusedonthePCBwithIGBTs,安全可靠性-浸漆保护环节,安全可靠性-硬开关与软开关技术,硬开关的管电压和管电流,软开关的管电压和管电流,效率高,效率低,可靠性高,可靠性低,噪音小,噪音大,开关损耗,开关应力,开关噪音,所谓硬开关PWM是指在功率变换过程中，人们通常所说的开关电源，指的是硬开关电源。这种电源，开关器件（开关管）是在承受电压、电流的情况下接通或断开电路的，因此在接通和关断的过程中会产生较大的损耗，即所谓开关损耗。电源的工作状态一定时，开关器件开通或关断一次的损耗也是一定的，因此开关频率越高，开关损耗也就越大。同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生电容的振荡，带来附加损耗并产生电磁干扰，因而硬开关电源频率不能太高，还要采取防止电磁干扰的措施.其可靠性差、效率低、电磁干扰极为严重，因此，硬开关PWM技术已经不能适应技术进步的要求.目前国内开发的大功率开关电源中相当多的采用的是硬开关PWM控制方式。,安全可靠性-硬开关技术,安全可靠性-软开关技术,所谓软开关电源是相对于硬开关电源而言的，相对于硬开关PWM技术是一次革命性发展。它在相当程度上改善了电源产品的可靠性、效率、电磁干扰（EMI）三大基本性能。软开关电源的开关器件在开通或关断的过程中，或是加于其上的电压为零(ZVS)，即零电压开关，或是通过开关器件的电流为零(ZCS)，即零电流开关。这种开关方式显著地减小了开关损耗的开关过程中激起的振荡，可以大幅度地提高开关频率，为开关电源小型化、高效率创造了条件。,Sigma焊机通过改变全桥对角线上下开关管驱动电压移相角的大小来调节输出电压，让超前臂开关管的控制极上的电压领先于滞后臂开关管控制极上的电压一个相位，并在控制器的控制端对同一桥臂的两个反相驱动电压设置不同的死区时间，巧妙利用变压器漏感和开关管的结电容及变压器初次级之间寄生电容来完成谐振过程，实现零电压的开通和关断，错开开关器件大电流与高电压同时出现的硬开关状态，抑制感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高，减小了开关损耗与干扰。,安全可靠性-软开关技术,安全可靠性-丰富的报警代号,RoHS是电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令，也叫禁止在电器电子产品中使用有害物的规定。此项规定是欧盟（EU）对进入欧洲的电子产品限制使用六种有害物质的禁令。欧盟将在2006年7月1日实施RoHS，届时使用或含有重金属以及多溴二苯醚PBDE，多溴联苯PBB等阻燃剂的电气电子产品将不允许进入欧盟市场。六种有害物质的最大限值分别为：铅（Pb）、汞(Hg)、六价铬(Cr6+)、多溴联苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)的最大允许含量为0.1%(1000ppm)，镉(cd)为0.01%(100ppm)，该限值是制定产品是否符合RoHS指令的法定依据。我公司生产的产品完全满足RoHS标准，也称“绿色焊机”,安全可靠性-符合欧洲的ROHS标准,高效节能-输入功率和功率因数比较,输入功率对比曲线,输入功率因数对比曲线,从上面的功率消耗数据表和曲线图中可以很明显地看出：以400A计算，米加尼克焊机相对某某公司焊机每台每天可以节约9度电，每月节约227度电，每年节约3096度电；如果是相对某某公司的的晶闸管焊机，每天节约20度电，每月节约452度电，每年节约6168度电。如果工厂使用100台焊机，电费按1元/度计算：米加尼克焊机比某某公司焊机可以节约30.96万元；比某某公司晶闸管焊机节约61.68万元/年。,高效节能-节能比较,网络化管理-监控软件（选配）,可动态监控焊接参数，并具有参数设置、报警停机等功能。,网络化管理-监控焊接参数,主模块,主要是通过采集单元连接焊机，每个采集单元都有独立的栈号，可扩展20个。通过485将采集数据经过主模块传送绐PC机，实现对焊机网络的监测。,网络化管理-监控焊接参数,网络化管理-监控焊接参数（选配）,网络化管理-打印焊接曲线（选配）,在模拟系统中：所有的参数通过电阻、电容、IC器件来实现的，这样在模拟系统中阻容参数的容差、漂移必然导致焊接性能的变化，一方面模拟控制的温度稳定性较差，另一方面由于模拟控制的产品一致性难以保证。因此模拟弧焊电源对电子元器件的精度和稳定性过于依赖，控制电路可靠性低,互换性差,造成成本高、控制困难,不容易实现弧焊电源的精确控制,更谈不上柔性化。,全数字化的定义：开关时代和模拟时代,开关时代,模拟时代,数字化时代,数字化逆变焊机的发展中分两个阶段：第一阶段，以80C51或80C196为代表的单片机控制弧焊电源基本上属于数字化焊机开创时期的产品。由于单片机处理速度不够，其主要作用是完成焊机的管理和焊接参数的给定，焊接工艺中的恒压、恒流控制则通过模拟的PI控制器来完成,仅仅利用单片机完成了焊接参数的给定或者其他比较简单的任务。特点：具有位处理能力，侧重控制和事务处理功能、价格低廉。,全数字化的定义：单片机与DSP,第二阶段，DSP(DigitalSignalProcessing)微处理器和单片机在焊机上的应用，才真正地实现了全数字化，才充分体现出了数字化控制所带来的优势，主要表现在：灵活性好、稳定性强、控制精度高、接口兼容性好等几个方面.,全数字化的定义：单片机与DSP