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1、第七章 焊接设备与铸造设备计算机控制技术,7.1弧焊电源 7.1.1弧焊电源的分类、特点和用途 7.1.2弧焊电源外特性的种类 7.1.3晶闸管式弧焊整流器 7.1.4晶闸管式弧焊整流器 7.2弧焊电源计算机控制技术 7.2.1微机控制弧焊电源 7.2.2数字化弧焊电源 7.3焊接机器人 7.3.1机器人基础 7.3.2弧焊机器人 7.4管道全位置焊接硬轨机器人计算机控制系统设计 7.4.1控制系统总体方案的选择 7.4.2主机计算机控制系统设计 7.4.3各从机控制功能设计 7.4.4计算机间的通讯系统设计 7.4.5全位置脉冲TIG焊弧压传感弧长调节系统设计 7.4.6基于图像传感二维跟踪
2、控制系统设计 7.5铸造设备计算机控制技术 7.5.1差压铸造系统 7.5.2差压铸造控制原理及控制系统的构成 7.5.3开关量的输入输出与光电隔离 7.5.4调节算法及软件程序,目录,第七章 焊接与铸造设备及其计算机控制技术,本章主要对焊接设备中弧焊电源、焊接机器人和差压铸造加以论述，在此基础上着重介绍计算机控制弧焊电源、数字化电源，管道专用焊接机器人和差压铸造设备计算机控制技术。,7.1弧焊电源,本世纪20年代人们将电弧用于金属焊接以来，弧焊电源的发展大致经历了交流弧焊变压器、直流弧焊发电机、整流弧焊电源和逆变弧焊电源等几个阶段。这些阶段虽然在时间上有交叉，但各个阶段都有其鲜明的技术特征。
3、 交流弧焊变压器是最早采用的弧焊电源之一。它通过变压器将电网电压降至适合弧焊的电压，直接用于电弧焊。这种弧焊电源的特点是结构简单、便于制造、易于维修、价格低廉。它的局限性是：电弧不稳定、体积大、浪费材料，功耗大。交流弧焊变压器目前仍应用广泛，运用于手工弧焊、埋弧焊和钨极氩弧焊等。直流弧焊发电机也是应用较早的弧焊电源，它通过直流发电机以直流电的形式为电弧提供能量。这种弧焊电源耗能多、费材料、体积大、噪声大、难于维修、制造复杂，动态特性不好。直流弧焊发电机虽然在历史上起过重要的作用，但目前已处在被淘汰之列。目前只有少量以柴油(汽油)机为原动机的直流弧焊发电机用于边远少电的地区。 整流弧焊电源是出现
4、于本世纪40年代，它将电网电压无经过变压器降至适合电弧焊的电压，然后经过整流器将交流整流成直流，并为电弧提供能量进行焊接，这类弧焊电源的特点是易于制造、易于维修、节省材料、效率较高，控制特性较好、噪声小。特别是大功率的晶阐管(SCR)的出现和引入，晶阐管整流弧焊电源由于具有良好的可控性和动态特性，立即在直流弧焊电源中脱颖而出。这类弧焊电源在各国都有重要地位，我国也正在推广和普及。整流弧焊电源虽然具有这些优点，但是它仍然工作在工频，不论在材料消耗、电能损耗、体积、重量等都有待于提高和改进。,逆变弧焊电源是随着电力电子技术发展，随着大功率、可控、快速开关器件的出现而出现的。它的工作原理是先将电网电
5、压整流成直流，然后逆变成中频或高频交流电，通过中频(高频)变压器，获得适合电弧焊的电压，在此之后有三种选择：一是直接提供交流弧焊所需的能量；二是再经过整流，将中频(高频)交流变为直流，提供直流焊所需的能量；三是经过整流后再逆变成方波交流用于焊接。逆变弧焊电源具有良好的性能：工作频率高，铜、铁损耗大大减少，体积、重量显著下降，功率因数高(可达99%)，效率高(可达80%-90%），控制特性大为改善，因此逆变弧焊电源将成为弧焊电源发展的趋势。在其出现后的短短十几年内，已成为工业发达国家的主导弧焊电源产品 本节主要以应用比较普遍的弧焊整流器为例，对弧焊电源组成、主电路构成、触发电路特点和外特性的控制
6、原理分别加以叙述,使读者对弧焊电源模拟控制有基本了解，在第八章将对弧焊电源计算机控制技术及数字化加以介绍，使读者对弧焊电源整体有全面了解。,7.1.2弧焊电源外特性的种类,从电弧焊接工艺的要求出发，目前已研制出具有各种各样外特性形状的弧焊电源。 （1）垂直下降（恒流）特性 垂直下降特性也叫恒流特性。其特点是，在工作部分当输出电压变化时输出电流几乎不变，见图7-1。 （2）缓降特性 其特点是当输出电压变化时，输出电流变化较恒流特性的大。其中一种按接近于 14椭圆的规律变化，另一种缓降特性的形状接近于一斜线，见图7-1。 （3）恒流带外拖特性 其特点是在其工作部分的恒流段，输出电流基本上不随输出电
7、压变化。但在输出电压下降至低于一定值（外拖拐点）之后，外特性转折为缓降的外拖段，随着电压的降低输出电流将有较大的增加，而且外拖拐点和外拖斜率往往可以调节，还有其他形式的外拖特性，见图7-1。 （4）平特性 平特性有两种：一种是在运行范围内，随着电流增大，电弧电压接近于恒定不变（又称恒压特性）或稍有下降，电压下降率应小于7V100A。另一种是在运行范围内随着电流增大，电压稍有增高（有时称上升特性），电压上升率应小于10V100A，见图7-1。 （5）下降特性 这种外特性的特点是，当输出电流在运行范围内增加时，其输出电压随着急剧下降。在其工作部分每增加100A电流，其电压下降一般应大于7V。根据斜
8、率的不同有可分为垂直下降（恒流）特性、缓降特性和恒流外拖特性等，见图7-1。,7.1.3弧焊电源调节特性与动特性,电弧电压和电流是由电弧静特性和弧焊电源外特性曲线相交的一个稳定工作点决定的。为了获得一定范围的焊接电流和电压，弧焊电源的外特性必须可以均匀调节。下降特性电源的可调参数为输出电流的大小，电弧电压由弧长决定，见图7-2所示。平特性电源的可调参数为工作电压，见图7-3所示。图中负载特性指包括输出回路电缆压降在内的电源的工作电压和图7-2下降外特性电源的可调参数工作电流的关系。 所谓弧焊电源的动特性是指电弧负载状态发生突然变化时，弧焊电源输出电压与电流的过程，可以用弧焊电源的输出电流和电压
9、对时间的关系，即u=f（t），I=f（t）来表示。它说明弧焊电源对负载瞬态 变化的适应能力。动特性指标有空 载到短路的瞬时短路电流峰值、负载到短路的瞬时电流上升率和短路峰值、短路到空载的电压建立时间等。 动特性是弧焊电源的重要性能，它影响焊接过程的稳定性。现代弧焊电源通过控制电路来改善电源的动特性。同时弧焊电源动特性也影响焊接过程控制系统的动态品质。,图7-1 各种常见的弧焊电源外特性,图7-2 下降外特性电源的可调参数,图7-3 平外特性电源的可调参数,7.1.4晶闸管式弧焊整流器,1.晶闸管弧焊整流器的组成 一般晶闸管弧焊整流器的组成如图7-4所示。主电路由主变压器T、晶闸管整流器UR和输
10、出电感L组成。AT为晶闸管的触发电路。当要求得到下降外特性时，触发脉冲的相位由给定电压 和电流反馈信号 确定；当要求得到平外特性时，触发脉冲相位则由给定电压 和电压反馈信号 确定。此外，还有操纵、保护电路CB。 2.晶闸管式弧焊整流器的主要特点 （1）动特性好 它与弧焊发电机和磁放大器式弧焊整流器相比，内部电感要小得多，具有电磁惯性小、反应速度快的特点。在其用作平特性电源时，可以满足所需的短路电流增长速度；而当用作下降外特性电源时，不致有过大的短路电流冲击。且在必要时可以对其动特性指标（例如 、 等）加以控制和调节。,（2）控制性能好 由于它可以用很小的触发功率来控制整流器的输出，并具有电磁惯
11、性小的特点，因而易于控制。通过不同的反馈方式可以获得所需的各种外特性形状。电流、电压可在宽广的范围内均匀、精确、快速地调节。并且易于实现电网电压补偿。因此，这种整流器可用作弧焊机器人的配套电源。 （3）节能 与弧焊发电机相比，它没有机械损耗，而且其空载电压可以较低，其效率、功率因数较高，输入功率较小，因而可节约电能。 （4）省料 与弧焊发电机相比，它无原动机。与磁放大器式硅弧焊整流器相比，它没有磁放大器。因而可以节省材料，减轻重量。 （5）噪声小 与弧焊发电机相比因其无旋转运动的部分，噪声明显减小。 （6）电路较复杂 除主电路之外，还有触发电路，使用的电子元器件较多。因而，乖器件的质量、组装的
12、水平等对电源使用的可靠性有很大影响；同时，这种电源对调试积维修的技术水平要求也较高。,图7-4 晶闸管弧焊整流器的组成,图7-5 六相半波整流器,3.六相半波整流电路 弧焊整流器必须提供低电压、大电流，具有一定形状的外特性，输出的电流或电压值要有较宽的调节范围，波形应连续，且脉动要小。主电路主要有三相桥式半控、三相桥式全控、六相可控半波和带平衡电抗器的双反星形可控整流电路四种，现主要以六相可控半波整流电路为例加以说明，基本电路见图7-5，图中T为三相变压器，铁心有三个心柱，每个心柱上各有一相的 一个一次绕组和两个二次绕组（分别为a、-a、b、-b和c、-c）。联接二次绕组时，将每相的一个绕组的
13、同名端，和每相的另一绕组的非同名端接在一起构成星形。这样可以输出互差60的六相电压，其相位关系见图7-6。每个二次绕组各串联一晶闸管，六个晶闸管接成共阴极形式。在阴极和变压器中点O之间联接负载。,图7-6 六相电压矢量图,（1）电阻性负载 这时应将图7-5中的输出电抗器L短路，只让电阻 Rfz接入电路。半波整流电路与前述桥式整流电路不同，任何时候只要有一只晶闸管导通，即可将这一相的电压接到负载两端。负载上承受的是相电压（忽略了管压降）。因此要从相电压波形中求得负载压波形。图7-7a中虚线所示为六相相电压波形。若将图7-5中的晶闸管换成二极管，则任何时侯总是由相电压最高的二极管导电。而其余五只管
14、子，则由于阳极与阴极之间承受反压而不通电。因此在图7-7a中，过了 是 最高，由管1导电， 。过了 则是 最高，经过换相由管2代替管1导电， 。依此类推，随着相电压此起彼伏，六只管子自然地在 六只管子导电顺序见图7-7b。 的波形即为相电压的包络线，如图7-7a中粗黑线所示。若象图7-5中那样，六只管子是晶闸管，而又在各自然换相点依次将其触发，则的波形不变仍是该包络线。这就是当控制角为零的情况，每周 有六个波峰。,图7-7 为零度时六相半波可控整流波形,a）,波形,波形,a）,b） 晶闸管导电顺序,图7-8 =60时三相半波可控整流波形,图7-9 =90六相半波可控整流电路,a）,波形 b）,
15、波形,当=60时， 波形如图7-8所示。由图可知，=60为临界值，继续增大，则 波形和 波形将出现不连续；随增大，负载电压平均值 减小，当= 120时 =0，即要求移相范围为120。 （2）电阻电感性负载 将图7-5中 L接入电路，它与 串联为电阻电感性负载。接入电感后，即使 不连续， 波形也可以较平稳。电感值愈大， 波形愈平。当相电压为负时，电感电动势仍可维持晶闸管继续导通。图7-9中粗黑线所示为= 90时的 波形，这时负载电压平均值为零，即该整流电路要求的移相范围为90。 与的关系为 六相半波可控整流电路与三相桥式全控整流电路一样，都要用六只晶闸管，整流波形也相似每周都有六个波峰。前者触发电路较简单，但每管在一周内最多只导电60（后者为120），一管导电时其它管子都休止，因而变压器和管子的利用率较低。,1.35,cos,4.晶体管触发电路,（2）同步电压为正弦波的触发电路 图7-10是ZDK500型晶闸管式弧焊整流器的触发电路。ZDK500型整流器的主电路是共阴极的带平衡电抗器双反星形 形式，用六套触发电路分别触发六个晶闸管，图7-10中只画出其中的一套。,图7-10 同步电压为正弦波的晶体管触发电路,图7-11 同步电压为正弦波的晶体管触发电路的电压波形图,a) 输出电压波形 b）V1集电极电压波形,b) V2基极电压波形 d）V3基极电压波形,e）触发脉冲波形,1
