电容贮能缝焊机微机控制器研制

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微型件的电阻焊连接在微连接技术中占有重要地位，其中一些精密件的焊接往往采用电容贮能电阻点、缝焊方法。因为微型件几何尺寸小，加热过程中析热少而散热强烈，焊接区温度场的分布特点是沿焊件厚度方向温度梯度很小，在贴合面上难于形成集中加热的效果，而采用电容贮能电阻焊方法可以很好地解决加热迅速、集中、焊件变形小、接头质量高等问题。但目前这些焊接方法的控制上还存在一些不足，尤其是控制技术的应用上比较落后，甚至于有些焊机主要还在采用电子管、引燃管为控制器件，严重影响焊机的技术性能与工艺性能。本文介绍采用微机及晶闸管为主控器件的电容贮能缝焊机控制器的研制。

1　控制原理

　　因为焊接微型件所需总体功率较小，所以采用单相电源供电。单相电源经中间变压器升压后，再经充电晶闸管开关输出直流电流到电容器组进行贮能，充电电压可以根据要求选择。贮存在电容器的能量的释放由放电晶闸管开关控制。放电晶闸管的开通时刻则由单片机控制，一旦放电晶闸管开通，则贮存在电容器组中的电场能作为电源，通过开关和级数换接器等迅速向阻焊变压器放电绕组放电，并在次级侧的焊接回路中流过感应出的电容贮能焊接电流。由于放电脉冲较小，可以不考虑在二次回路中加装极性换向开关，电容贮存的电场能Wc表达为：

　　(1)

式中　C为电容器组容量，影响放电电流脉冲的幅值及宽度；U_c为充电电压，主要影响放电电流脉冲的幅值。
　　在控制上，只控制充电半个周波作为贮能能源，晶闸管触发角移相范围为90°～135°，即调节宽度为45°，当充电晶闸管触发角为90°时，正值充电电压波形的峰点，所以充电电压最大，此时在其它条件不变时，焊接能量为最大。当晶闸管触发角为135°时，充电电压最小，焊接能量也为最小。根据焊接产品的不同，调节相应的充电电压值，可以获取满足不同工艺要求的焊接规范。
　　控制充电电压的调节由单片机实现，根据人机界面输入的充电电压设定值，微机计算出相应的移相角，并由CTC计数器进行定时，设定时间到即发出相应的充电晶闸管触发脉冲。
　　此外，控制器还要控制通电时间及断电时间，现在所通用的小功率电容贮能缝焊机如QZ-170型缝焊机，采用了四级分档调节脉冲频率方法，由于技术上及制造工艺上的原因，要进一步细化精密控制通断电时间比不太容易。在微机控制系统中，控制通断时间比较易实现。本控制中通断电时间比由人机界面输入设定，调节范围为1：1至1：49等49级，大大提高了原有焊机的技术性能。

2　控制系统结构

　　控制系统由单片微机为主控单元，用晶闸管为主电力电路开关元件，采用单相充、放电晶闸管，焊机的控制系统结构如图1所示。

图1　控制系统结构框图

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2.1　A/D转换器
　　设置A/D转换器的作用有二：一是采样放电电流即焊接电流的峰值，这是电容贮能焊中的一个重要工艺参数。另一是采样电网电压，根据电网波动可以相应改变充电晶闸管移相角，保证焊接过程中充电电压的稳定。A/D转换器采用0809芯片，采样速度100 μs左右。

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2.2　并行接口
　　并行接口选用的是8255芯片，作用是传递数据信息。如人机界面的信息传送，输入设定信息量，显示测量的参数值等。另外微机本身的输入/输出口也被用来作为控制系统的I/O口，传送数据开关量的信息、报警信息等。

2.3　定时器
　　定时器采用单片机8031本身所带的CTC定时器，单片机主频为6 MHz。定时器的作用一是为软件的功能编制服务；另一是为充、放电晶闸管的移相计时；还有是为计量放电脉冲的峰值角t_M(或称电流波形陡度)与放电脉冲宽度T(或称放电时间)服务的，t_M与T是电容贮能焊中的另两个重要参数。

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2.4　报警电路
　　控制系统对焊接过程进行自诊断，有非正常状态时，即预以报警指示，显示出相应的错误信息，停止焊接过程的运行。报警信息有以下几种：
　　“过压”——充电电压超过规定的最高电压；
　　“失控”——非焊接过程时，充、放电晶闸管已开通，焊接回路有电流；
　　“不通电”——焊接时，充、放电晶闸管不工作，焊接回路无电流。此外，控制系统采用了专门的屏蔽、光隔、掉电保护等措施，使系统具有较高的稳定性与可靠性。

3　软件流程

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　　控制系统的软件流程如图2所示。软件编制采用模块化结构，互不干扰、修改容易、层次清楚、可扩展力强。

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图2　主程序流程图

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4　控制器特点

4.1　焊接过程参数电流峰值I_M、电流波形陡度t_M及放电时间T都可存贮并显示，对控制焊接质量、制定工艺规范极有意义。
4.2　采用计算机控制充电电压并根据网压波动予以修正补偿，大大提高了焊机的控制性能，能做到较精确的加热参数控制。
4.3　对缝焊过程用计算机计量同步脉冲的方法控制缝焊通电的通断时间比，扩大了现行通用焊机的工艺应用范围，尤其对精密微型件的焊接有作用。
4.4　电容贮能微机控制器配用小容量(500 μF以下)电容器组时，能很好地满足微型件缝焊的工艺需要。控制器软件稍作改动，即可配用电容贮能点焊机。

5　结　论

5.1　研制的微型件电容贮能缝焊单片机控制器设计思想正确、合理。
5.2　采用单片机控制充电电压及缝焊通断时间比，大大提高了焊机的技术性能。
5.3　控制器具有焊接电流、通电时间等参数显示，为焊接质量的控制提供了基础。
5.4　控制器有自诊断、报警等多种功能，可靠性好，有较强的应用背景，是先进制造技术在焊接中的成功应用。 【MechNet】