一種基於數字載波控制mag/mig焊機控制系統的製作方法

2023-05-27 10:44:06

專利名稱：一種基於數字載波控制mag/mig焊機控制系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種焊機，尤其涉及一種基於數字載波控制MAG/MIG(活性氣體 保護焊/惰性氣體保護焊)焊機控制系統。
背景技術：
傳統的逆變MAG/MIG焊機參數的遙控通過一根多芯的控制電纜實現，以逆變CO2 焊機為例，逆變CO2焊機的六芯控制電纜分別完成氣閥、送絲電動機驅動、點動送絲、焊槍開 關開閉、焊接電流、焊接電壓給定信號的傳輸。在造船和高層建築上使用時，大量的電纜容 易纏結，焊工的拖拽、鋼板的掉落砸擊也經常導致斷線，故障率較高，並且維修較為困難，維 修成本高，焊接控制電纜的脆弱易斷，已經成為了焊機常見的故障之一。為解決控制線的問題，陸續出現了一些其它方式的參數調節手段，如利用空載電 壓調節參數、利用無線電波傳輸焊接參數，但這些方式同樣存在一定的問題。利用空載電壓 實現的調製不能調製MAG/MIG焊機全部焊接參數，且只能實現焊前調節；利用無線電波進 行參數遙控的焊機在一定程度上解決了控制電纜的問題，但由於管道、狹小金屬空間所具 有屏蔽作用，實際上並不適合特定場所的焊接。近年來，一些焊機採用了載波控制方式來調 節焊接參數，但載波控制依然不夠穩定，幹擾較大，容易造成焊接電壓不穩、引弧成功地低、 焊縫成型差等現象。
發明內容本實用新型的目的是針對現有技術的不足，提供一種數字載波控制系統，整個系 統由弧焊電源系統與送絲機系統構成，弧焊電源與送絲機之間通過一根數字載波線相連， 數字載波線給送絲機提供穩定的直流電源，載波信號也通過數字載波線傳輸，通過焊接電 纜正端構成迴路。取消以往載波焊機模擬控制的調製解調系統，在單片機控制的逆變MAG/ MIG焊機基礎上，增加一些很小的電路模塊就可以實現載波控制。將載波線包裹在屏蔽線 內，隔絕傳輸過程中的幹擾。解決了在焊接過程中由於控制電纜難於移動、易損壞、惡劣電 磁環境下由於幹擾而造成的信號傳輸不良等問題，節約了成本的同時仍然可以實現MAG/ MIG焊機所有焊接參數的遙控調節。本實用新型為實現上述目的，採用如下技術方案一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，由送絲板系統與主控板系統構 成，送絲板系統與主控板系統之間通過載波線相連，送絲板系統中有程控電路與送絲電路， 主控板系統中有引弧判斷電路、空載給定電路與顯示電路；其特徵在於送絲板系統還包 括電壓給定模塊、第一單片機晶片和耦合電路模塊，主控板系統還包括接收電路模塊、前級 解調模塊、第二單片機晶片和數模轉化電路，其中電壓給定模塊依次串接第一單片機晶片 和耦合電路模塊，單片機晶片與程控電路與送絲電路雙向連接，接收電路模塊依次串接前 級解調模塊、單片機晶片和數模轉化電路，第二單片機晶片分別與引弧判斷電路、空載給定 電路雙向連接，引弧判斷電路連接到顯示電路，耦合電路模塊通過載波線相連接收電路模塊。所述電壓給定模塊由電阻Rl、R2、R3、R4、R5，可變電阻Rw、R/，晶片LM324和 ⑶4053組成，電阻R4 —端接+15V電源，另一端接電阻R2與電阻R5 —端，電阻R5另一端 接地，電阻R2另一端與電阻R3及晶片LM324的同向輸入端相連，電阻R3另一端接晶片 LM324的輸出端、晶片⑶4053的15腳和第一單片機晶片的輸入端，可變電阻RW —端連芯 片⑶4053的2號腳，另一端連電阻Rl —端和可變電阻Rw'另一端，可變電阻R/ —端連芯 片⑶4053的1號腳，電阻Rl的另一端接至晶片LM324的反相輸入端與電容Cl的一端，電 容Cl的另一端與電阻R5另一端連接。所述耦合電路模塊由三極體Q10、電阻R65、電容C22、電阻R7、三極體Q2和電容C3 組成，三極體QlO的集電極接電阻R65、電容C22—端，電阻R65的另一端通過一個開關電路 與送絲電機電源部分相連接，電容C22的另一端接三極體Q2的基極和電阻R7 —端，三極體 Q2發射極與電阻R7另一端連接接地，三極體Q2的集電極接至送絲電路(8)與電容C3 — 端，電容C3另一端接接收電路模塊(9)。所述接收電路模塊由電感Li、電容C59、C41、電阻R52、二極體D9、D6、電容C20組 成，電感Ll上有兩個同磁芯的線圈，其中一個的一端接保險絲SFl和載波線，另一端接電容 C59，電容C59另一端接地，另一個的一端接電阻R52、電容C41 一端，另一端與電容C41的 另一端、二極體D9的陰極、D6的陽極、電容C20 —端相連接地，電阻R52另一端接二極體D9 的陽極、D6的陰極、電容C20另一端。所述前級解調模塊(10)由晶片KA567、電容C36、C37、C39、C40、C44、電阻R37、 R53、可變電阻VR3組成，電容C36 —端與晶片KA567的3腳相連，電容C36另一端與接收電 路模塊輸出端連接，電容C37 —端與晶片KA567的2號腳相連，電容C37另一端接地，電阻 R53 一端接+5V電源，另一端接晶片KA567的8號腳、第二單片機晶片的輸入端，可變電阻 VR3 一端與電阻R37 —端相連，另一端與晶片KA567的5腳和可變電阻VR3中間端相連，電 阻R37另一端接電容C44 一端與晶片KA567的6號腳，電容C44的另一端接地，晶片KA567 的7號腳也接地，電容C39與電容C40並聯，一端接地，一端接晶片KA567的1號腳。所述載波線被包裹在金屬屏蔽網內，載波線與金屬屏蔽網之間有絕緣層，金屬屏 蔽網外面有絕緣層。本實用新型具有實時性好、抗幹擾能力強、穩定性高等優點，避免了六芯控制電纜 的斷線、纏線故障，焊接電壓穩定，引弧成功率高，焊縫成型好。

圖1是本實用新型的焊機整機示意圖；圖2是本實用新型的一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統框圖；圖3是本實用新型的送絲機上的遙控板電路原理圖。圖4是本實用新型的焊接電源內部主控板電路原理圖。圖5是本實用新型的載波線剖視圖。
具體實施方式
以下結合附圖對實用新型的技術方案進行詳細說明[0019]如圖1所示，一種基於數字載波控制逆變MAG/MIG焊機，由弧焊電源、送絲機組成。 焊接電纜的正端連接弧焊電源與送絲機，作為送絲機遙控板的地線。載波線中有穩定的直 流電壓，給送絲機及遙控板提供電源，載波信號亦由此線傳輸。如圖2所示，控制系統由送絲板系統1、主控板系統2和載波線3組成，送絲板系統 1對應為圖1中的送絲機內部電路系統，主控板系統2對應為圖1中的焊接電源內部電路 框圖，載波線3對應為圖1中的載波線，送絲板系統1與主控板系統2通過載波線3相連。 送絲板系統1由電壓給定模塊4、單片機晶片5、耦合電路模塊6、程控電路7、送絲電路8等 部分組成，電壓給定信號經電壓給定模塊4後輸入到單片機晶片5進行調製，程控電路7、 送絲電路8以單片機晶片5為核心組成外圍電路，進行焊接程序控制與送絲控制。單片機 晶片5的輸出端與耦合電路模塊6相連，耦合電路模塊6將調製後的數字脈衝信號耦合到 載波線3上。主控板系統2由接收電路模塊9、前級解調模塊10、單片機晶片11、數模轉化 電路12、引弧判斷電路13、空載給定電路14、顯示電路15等組成。載波線3傳輸的信號接 入接收電路模塊9，9的輸出端接前級解調模塊10進行前級解調，解調後輸入到單片機晶片 11進行後級解調。引弧判斷電路13與空載給定電路14以單片機晶片11為核心組成外圍 電路，實現引弧信號的判斷與空載電壓的給定。引弧判斷電路13連接到顯示電路15，進行 焊接電壓、焊接電流的顯示。單片機晶片11的解調信號輸入到數模轉化電路12，進行數模 轉化，最終控制焊機的輸出。如圖3所示，為本實用新型的送絲機上遙控板原理圖。電路中電阻R1、R2、R3、R4、 R5、可變電阻Rw、電阻Rw'、晶片LM324、CD4053組成電壓給定模塊3，電阻R4 —端接+15V 電源，另一端接電阻R2與電阻R5，電阻R5另一端接地。電阻R2另一端與電阻R3及晶片 LM324的同向輸入端相連，電阻R3另一端接晶片LM324的輸出端，晶片LM324的輸出端接至 電阻R6與晶片⑶4053的15腳。可變電阻RW —端連⑶4053的2號腳，另一端連電阻Rl， 可變電阻R/ —端連晶片⑶4053的1號腳，另一端連電阻R1。電阻Rl的另一端接至晶片 LM324的反相輸入端與電容Cl。電壓給定模塊4通過電阻R6與單片機晶片5的21腳相連， 當調節送絲機遙控板上的焊接電壓(收弧電壓)給定旋鈕時，電路中的可變電阻RwOV )
發生變化，電壓給定模塊4輸出的信號頻率發生變化，頻率的計算公式可按下式計算 / =_1_2(R1+RW) C1In
R +RR其中A =+R5 '^2 = R +R3+R 』可見調整可變電阻r^1V )時會得
到不同的輸出頻率。電位器旋鈕的阻值與電壓給定電路模塊4輸出頻率的對應關係按下式 計算
κ, ιR,其中1 2C In ( 1 + ^ ) V = R1，根據此對應關係可標出給
w / 21 I+ K2
定旋鈕上的給定值。電壓給定模塊4的輸出接至電阻R6、R7進行分壓，通過電阻R6接至單 片機晶片5的21腳進行調製，調製過程受焊槍信號和收弧有無信號的控制。焊槍信號電路、 收弧有無信號電路、送絲電路、送氣電路等組成程控電路7與送絲電路8。焊槍和點動電路 由電阻R25、R26、R27、R28、R30、晶片U5A、U5B、二極體V5等組成，電阻R26接+15V電源，電
6阻R26另一端與電阻R25、晶片TO的6號腳相連，電阻R25另一端接焊槍與點動開關，其中 點動開關串有電阻。電阻R27 —端接+15V電源，另一端接晶片U5的5號腳、電阻R28，電阻 R28再接至電阻R29與晶片U5的2號腳，電阻R29另一端接地。電容C58 —端接至晶片U5 的3號腳，另一端接地。晶片U5A與晶片U5B組成窗口比較器，晶片U5A的輸出端接至晶片 U8的2號腳，晶片U5B的輸出端接至晶片U8的1號腳，與電阻R30相連，電阻R30另一端接 +15V電源。晶片U8的3號腳接+15V電源，4號腳接電阻R43與程控電路。電阻R43與電 阻R33組成分壓電路，電阻R33接地。電阻R43的另一端與單片機的22腳相連，當焊槍開 關按下時，電阻R43與晶片U8的4號腳相連端為高電平，單片機晶片5的22腳的電平就為 高，單片機晶片5調用調製程序。當焊槍未按下或者按下點動送絲按鈕時，單片機晶片5的 22腳為低電平，終止單片機調製程序。+5V電源經電阻R8接至收弧有無開關，收弧無的開 關一端懸空，收弧有的開關一端接至單片機晶片5的23腳，當開關打至無收弧時，單片機芯 片5的23腳為低電平，此時調製程序的調用與終止僅受焊槍信號控制；開關打至有收弧時， 單片機晶片5的23腳為高電平，此時調製程序的調用與終止受兩個信號同時控制。單片機 晶片5的輸出信號通過13腳輸出，接至穩壓管ZDll的陰極。ZDll的陽極接三極體Q10，三 極管Q10、電阻R65、電容C22、電阻R7、三極體Q2、電容C3組成耦合電路模塊6，三極體QlO 的集電極接電阻R65、電容C22，電容C22的另一端接三極體Q2的基極，三極體Q2發射極接 地。三極體Q2的集電極接至電阻R19與電容C3，電阻R19另一端接至二極體D30、二極體 D32陰極，二極體D30、二極體D32的陽極通過二極體D49的陰極相連。二極體D49的陽極 與電感Ll相連，電感Ll的另一端與電容C3相連接至載波線上。電感Ll通過直流信號，給 整個遙控板及送絲機提供電源。電容C3為耦合電容，直流電不能由此通過。電容C2另一 端與載波線相連。載波線上同時存在直流電壓與高頻數字脈衝信號，電感Ll可通過直流電 壓，電容C2通過高頻脈衝信號。單片機外圍的程控電路7與送絲電路8，實現了程序控制 與送絲控制，在送絲機的遙控盒上就可完成所有的MAG/MIG逆變焊機的參數調節。以逆變 CO2焊機為例，遙控盒上可完成焊接(收弧)電壓、焊接(收弧)電流、兩步/四步、自動焊 接、點動、絲徑選擇、檢氣等所有參數的遙控調節。遙控板上的電源由載波線上的直流電壓 分壓、穩壓而來，整個遙控板只有一個地，與焊接電纜正極相連。 如圖4所示，為本實用新型的焊接電源內部主控板電路原理圖。變壓器輸出的約 30V的交流電壓經二極體D3模塊整流，二極體D3模塊的陰極接至電容C12、C24與電感SF1， 電容C12與電容C24的另一端接地。電感SFl濾波之後分別接至保險絲Fu3與電感Li，整 流後的直流電經保險絲Fu3傳輸到載波線上。載波線上的載波信號經接收電路模塊9提取 出來。接收電路模塊9由電感Li、電容C59、C41、電阻R52、二極體D9、D6、電容C20等元件 組成。電感Ll上有兩個同磁芯的線圈，其中一個一端接保險絲SF1，另一端接電容C59，電 容C59另一端接地。另一個一端接電阻R52、電感C41，另一端接地。電容C41的另一端也 接地。電阻R52另一端接二極體D9的陽極、D6的陰極、電容C20、C36，二極體D9的陰極、D6 的陽極、電容C20的另一端接地。當有載波信號時，接收電路模塊9輸出一系列小脈衝，反 映出載波信號的變化。晶片KA567、電容C36、C37、C39、C40、C44、電阻R37、R53、可變電阻 VR3等組成前級解調晶片模塊10，電容C36與前級解調晶片KA567的3腳相連，電容C37與 晶片KA567的2號腳相連，電容C37另一端接地。電阻R53 —端接+5V電源，另一端接晶片 KA567的8號腳、單片機晶片11(PIC16F876)的13腳、21腳，可變電阻VR3—端與R37相連，
另一端與晶片KA567的5腳相連，電阻R37另一端接電容C44與晶片KA567的6號腳，電容 C44的另一端與晶片KA567的7號腳接地。電容C39與電容C40並聯，一端接地，一端接芯 片KA567的1號腳。耦合電容C36和晶片KA567的內部輸入電阻構成一個高通濾波器。芯 片KA567的解調中心頻率f0由5腳與6腳間的電阻及6腳的接地電容決定，其中心頻率的 計算公式為 距離中心頻率左右範圍內仍可被晶片KA567解調的信號寬度為帶寬，其寬度範圍 由2腳的接地電容決定，輸出信號延遲時間由1腳接地電容決定。1腳的電容至少需是2腳 電容值的兩倍以上。3腳是輸入端，最小工作電壓為25mv。晶片KA567內部的積分相位檢 測器比較輸入信號和振蕩器輸出信號的相對頻率和相位，當晶片KA567的輸入端有電壓輸 入且頻率在帶寬範圍內時，則這兩個信號頻差、相差在鎖定範圍內(即鎖相環鎖定)時8腳 由高電平變為低電平。帶寬的計算公式為其中Vi為晶片KA567的3腳輸入電壓。前級解調模塊的輸出端為晶片KA567的8 號腳，通過上拉電阻R53接至單片機解調晶片8的13腳與21腳，單片機12腳為輸出端，通 過上拉電阻R20與+5V電源相連。當13腳和21腳有信號輸入時，單片機對其信號頻率進 行解調，12腳輸出解調後的PWM信號，同時12腳具有一個上拉電阻R20，電阻R20接+5V電 源。光耦TLP521、電阻R21、R22、R23、可變電阻Rw、電容C7、晶片LM324等組成數模轉化電 路12，將PWM信號轉化為電壓模擬量，進行焊機的焊接電壓(收弧)電壓的給定、運算，控制 焊機的輸出。單片機解調信號由12腳接至電阻R21，電阻R21另一端接光耦控制端的發光 二極體陽極，光耦發光二極體的陰極接地。受控端陽極接電阻R22，電阻R22另一端接可變 電阻Rw，可變電阻Rw另一端接+15V電源，這裡的+15V電源與圖3中的+15V電源不同，因 此圖4中不同的+15V電源用VEE表示。光耦的受控端陰極接電阻R23、電容C7的陽極、芯 片LM324的同向輸入端，電阻R23的另一端與電容C7的陰極接地。引弧判斷電路13與空 載給定電路14以單片機晶片11為核心組成外圍電路，當有載波信號時，單片機晶片11判 斷引弧成功信號，若引弧成功信號為低電平，則引弧未成功，單片機晶片11的24腳輸出高 電平，控制焊機輸出空載電壓。當有載波信號，且引弧成功信號為高電平時，說明引弧已成 功，單片機晶片11的24腳為低電平，切除空載給定信號，由單片機晶片11的12腳控制焊 機輸出給定的焊接電壓。引弧判斷電路13連接到顯示電路15，進行焊接電壓、焊接電流的 顯示。主控板中的信號解調採用了兩級解調方法，前級解調模塊10採用晶片KA567解調， 後級解調採用單片機晶片11，第一可以大大增強抗幹擾能力，第二可以簡化單片機解調程 序，增強可靠性。如圖5所示，為本實用新型的載波線剖視圖。16為載波線，被包裹在最內層。17 為絕緣層，將載波線與屏蔽金屬網隔離絕緣。18為屏蔽金屬網，實現靜電屏蔽、抗電磁幹擾。 19為絕緣層，將屏蔽金屬網與外界隔離絕緣。傳統的逆變MAG/MIG焊機參數的遙控通過一根多芯的控制電纜實現，以逆變CO2 焊機為例，逆變CO2焊機的六芯控制電纜分別完成氣閥、送絲電動機驅動、點動送絲、焊槍開關開閉、電流調節、電壓調節。採用本發明後，調製後的焊接電壓給定信號沿著一根載波線 傳輸進入焊接電源內部，解調後控制焊機的輸出。送絲板內利用載波線上的直流電壓，可實 現氣閥、送絲電動機驅動、點動送絲、焊槍開關開閉、焊接電流調節等功能，將以前焊接電源 內的這些功能移到了送絲機上的電路板上，因此可以取消6芯控制電纜，可以僅僅通過一 根載波線就實現所有功能的調節。
權利要求一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，由送絲板系統(1)與主控板系統(2)構成，送絲板系統(1)與主控板系統(2)之間通過載波線(3)相連，送絲板系統(1)中有程控電路(7)與送絲電路(8)，主控板系統(2)中有引弧判斷電路(13)、空載給定電路(14)與顯示電路(15)；其特徵在於送絲板系統(1)還包括電壓給定模塊(4)、第一單片機晶片(5)和耦合電路模塊(6)，主控板系統(2)還包括接收電路模塊(9)、前級解調模塊(10)、第二單片機晶片(11)和數模轉化電路(12)，其中電壓給定模塊(4)依次串接第一單片機晶片(5)和耦合電路模塊(6)，單片機晶片(5)與程控電路(7)與送絲電路(8)雙向連接，接收電路模塊(9)依次串接前級解調模塊(10)、單片機晶片(11)和數模轉化電路(12)，第二單片機晶片(11)分別與引弧判斷電路(13)、空載給定電路(14)雙向連接，引弧判斷電路(13)連接到顯示電路(15)，耦合電路模塊(6)通過載波線(3)相連接收電路模塊(9)。
2.根據權利要求1所述的一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，其特徵在於 所述電壓給定模塊(4)由電阻附、1 2、1 3、1 4、1 5，可變電阻1^、1 /，晶片LM324和CD4053 組成，電阻R4 —端接+15V電源，另一端接電阻R2與電阻R5 —端，電阻R5另一端接地，電阻 R2另一端與電阻R3及晶片LM324的同向輸入端相連，電阻R3另一端接晶片LM324的輸出 端、晶片⑶4053的15腳和第一單片機晶片(5)的輸入端，可變電阻RW —端連晶片⑶4053 的2號腳，另一端連電阻Rl —端和可變電阻R/另一端，可變電阻R/ —端連晶片⑶4053 的1號腳，電阻Rl的另一端接至晶片LM324的反相輸入端與電容Cl的一端，電容Cl的另 一端與電阻R5另一端連接。
3.根據權利要求1所述的一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，其特徵在於 所述耦合電路模塊(6)由三極體Q10、電阻R65、電容C22、電阻R7、三極體Q2和電容C3組 成，三極體QlO的集電極接電阻R65、電容C22—端，電阻R65的另一端通過一個開關電路與 送絲電機電源部分相連接，電容C22的另一端接三極體Q2的基極和電阻R7 —端，三極體Q2 發射極與電阻R7另一端連接接地，三極體Q2的集電極接至送絲電路(8)與電容C3 —端， 電容C3另一端接接收電路模塊(9)。
4.根據權利要求1所述的一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，其特徵在於 所述接收電路模塊(9)由電感Li、電容C59、C41、電阻R52、二極體D9、D6、電容C20組成， 電感Ll上有兩個同磁芯的線圈，其中一個的一端接保險絲SFl和載波線(3)，另一端接電 容C59，電容C59另一端接地，另一個的一端接電阻R52、電容C41 一端，另一端與電容C41 的另一端、二極體D9的陰極、D6的陽極、電容C20 —端相連接地，電阻R52另一端接二極體 D9的陽極、D6的陰極、電容C20另一端。
5.根據權利要求1所述的一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，其特徵在於 所述前級解調模塊(10)由晶片KA567、電容C36、C37、C39、C40、C44、電阻R37、R53、可變電 阻VR3組成，電容C36 —端與晶片KA567的3腳相連，電容C36另一端與接收電路模塊(9) 輸出端連接，電容C37 —端與晶片KA567的2號腳相連，電容C37另一端接地，電阻R53 — 端接+5V電源，另一端接晶片KA567的8號腳、第二單片機晶片(11)的輸入端，可變電阻 VR3 一端與電阻R37 —端相連，另一端與晶片KA567的5腳和可變電阻VR3中間端相連，電 阻R37另一端接電容C44 一端與晶片KA567的6號腳，電容C44的另一端接地，晶片KA567 的7號腳也接地，電容C39與電容C40並聯，一端接地，一端接晶片KA567的1號腳。
6.根據權利要求1所述的一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，其特徵在於所述載波線(3)被包裹在金屬屏蔽網(18)內，載波線(3)與金屬屏蔽網(18)之間有絕緣 層(17)，金屬屏蔽網(18)外面有絕緣層(19)。
專利摘要本實用新型公布了一種基於數字載波控制MAG/MIG焊機控制系統，由送絲板系統與主控板系統構成，送絲板系統與主控板系統之間通過載波線相連，送絲板系統中有程控電路與送絲電路，主控板系統中有引弧判斷電路、空載給定電路與顯示電路；送絲板系統還包括電壓給定模塊、第一單片機晶片和耦合電路模塊，主控板系統還包括接收電路模塊、前級解調模塊、第二單片機晶片和數模轉化電路。本實用新型實時性好、抗幹擾能力強、穩定性高。
文檔編號B23K9/10GK201685012SQ20102017048
公開日2010年12月29日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者向明, 常旭, 方臣富 申請人:江蘇科技大學