电流精细调节器研制报告

电焊机带载电流精细调节系统

研 制 报 告

Xxx 有限公司

第1章 研究宗旨

1.1 概述

电焊工在针对不同的焊接对象或针对同一对象的不同焊接阶段，

焊接电流是不同的，这就需要经常调节。但对于人机分离的场合，特别是高空作业，调节极为不便。即使对人机距离不远的场合，要想得到理想的焊接电流，也需要反复试调。这不仅大大降低了工作效率，而且也浪费了电及焊条。针对以上问题，我们研制了数控焊工自适应电流调节器。 1.2 研究目标

主要针对操作人员在需要经常调节电流的情况下，调节不便所造成的效率低下、浪费电、材料、人力的问题。研究的最终目标是操作人员在正常焊接的情况下就可将电流调节到理想状态。整个研究分两阶段进行，第一阶段为有线调节，第二阶段为无线调节。 1.3 研究的有利条件

马鞍山工程科技有限责任公司焊接技术中心为十七冶焊接技术的研究机构，从公司各研究所的技术人员、设备、机具到材料都具得天独厚的条件，且焊接技术中心经常做焊接工程，对施工现场极为熟悉。

第2章 项目概况

2.1 市场调研

目前，市场上销售的直流电焊机也有带远控盒的，但对操作者来说，并不觉得使用方便，且从实践中看来，极易丢失及损坏，因此并不受欢迎。而本装置采用数字电路，抗干扰能力强，且电流调节开关装在焊钳上，焊接与电流调节浑然一体，真正方便了操作者，提高了功效，减小了浪费。

现在国内及国外相关资料上暂未发现有从事这方面研究信息。

2.2 研究分析

本项目研究侧重于两个方面：

⑴ 对现有用于经常调节焊接电流的直流焊机加装该装置，以达到操作者使用方便，提高功效，节约能源，节约材料的目的； ⑵直接改进直流焊机的设计电路，为直流焊机增加装置的功能。这需要与电焊机生产厂家联合。

本项目预期目标在2011年底前形成可推广使用的定型工业技术产品；年实际生产能力可达到5000套左右，按200元/套计算，年收入可达100万；若与有实力的生产厂合作生产具有该项功能的新型焊机，改进后的焊机每台售价按增加500元计算，每年销售壹万台，新增产值也可达500万元。 2.3 项目投资及经济效益分析

项目设计、试验直至形成定型产品，购置元器件、仪器仪表及其它约需投入资金10万元。本项目特点是投资少见效快，产品定型后的生产规模可根据我公司的实力及市场情况分批投资。

以高空作业为例：无装置的焊机每班要改变焊接电流六次，每次按10分钟计算，平均每班浪费1小时，即八分之一个台班，每台班按800元计算，就损失了100元。再加上焊机一小时的空载电费及试焊浪费的焊条，每班损失共计约有110元。而每台焊机加装该装置仅需300元，且为一次性投资，一台焊机三天节约的费用就可抵消成本。按10台焊机算，每月可省费用为110×30×10＝3.3万元。

该装置投入使用后，按每年装于一万台设备上使用计算，每台每月节省费用约3300元，则3300×12×10000＝3.96亿元。可见其经济效益十分可观。

2.4项目技术路线及研制过程

本系统主要由电流调节按钮、振荡器、记数器、D/A转换器、光

电隔离等组成。

2.4.1装置的工作原理

图1是该调节器的控制原理框图:

图1

振荡器产生的矩形波加至封锁门YF 1和YF 2，此时由于控制开关（装于焊把上）S 1、S 2均处于闭合状态，A 、B 均呈“0”电平，将门YF 1和YF 2封锁，振荡脉冲不能通过封锁门，计数器不产生计数。当需要增加电流时，揿下开关S 1，A 点为“1”电平，打开YF 1，振荡脉冲通过D 点，使可逆计数器产生累加计数，计数值不断增加直至松开S 1，门YF 1被封锁为止。数模转换器输出与计数值成正比的模拟电压，经光电隔离和放大控制电焊机输出相应比例的电流。当焊接电流需要减小时，揿下S 2，B 点为“1”电平，脉冲经YF 2到达E 点，可逆计数器产生减计数，电焊机输出电流值按相应比例减小，直至松开S 2时，电焊机输出电流保持在与计数值相对应的数值不变。

当加计数达到十六进制FF 值（全“1”）时，再加一个脉冲，计数器将呈全“0”状态，对应的焊接电流将从最大突跳至最小值，

这是不允许的。全“1”检测器有效地防止了此种情况。当按住S 1不放，焊接电流增加到最大值（对应的计数器值呈全“1”）时，全“1”检测器输出一负电位将YF 1封锁，后续脉冲不能到达D 点进行加计数，计数器维持全“1”状态，保持最大焊接电流不变。同理，当按住S 2不放，计数器进行减计数工作至全“0”状态时，再来一个脉冲，计数器将突跳变至全“1”，对应焊接电流由最小值突然跳变至最大值，这更不允许，全“0”检测阻止了这种情况。当按住S 2不放，焊接电流减小到最小值（对应计数值为全“0”）时，全“0”检测器输出一脉冲将YF 2封锁，后脉冲不能通过YF 2到达E 点进行减计数，焊接电流维持在最小值不变。

通过光电隔离输出是基于安全及不影响电焊机控制电路工作点的考虑。

调节器采用八位二进制计数器，其最大值为28共256种状态，按最大电流400A 计，装置的调节细度为400÷256＝1.56A ，小于焊工所能感觉到的变化。如果嫌细度不够，也可采用十二位或十六位二进制计数器。

2.4.2装置各功能单元研制 （1） 振荡器与封锁门

图2是装置振荡器单元的原理图

图2

R 1、R 2、C 1、F 1、F 2构成振荡器，其振荡频率约为5H Z 。对应于电流增加速度为7.8A/秒，比较合适。此电路属常规单元，工作原理不再赘述。

YF 1与YF 2是控制门，揿下S 1或S 2，就分别打开了YF 1与YF 2，脉冲就源源不断地通过控制门进入计数器，经YF 1门的脉冲使计数器进行加计数，经YF 2门的脉冲使计数器进行减计数，松开S 1或S 2就关闭了YF 1与YF 2。计数器输出呈全“0”状态时，全“0”检测输出负脉冲经二极管V 3封锁YF 2，阻止计数脉冲继续减计数；当计数器输出呈全“1”状态时，全“1”检测输出负脉冲经二极管V 1封锁YF 1，阻止计数脉冲继续加计数。

V 1、V 2构成与门（负或门），其任一负极呈“0”状态时，封锁控制门YF 1， V3、V 4与YF 2的关系同理。 （2） 可逆计数器

调节器用八位二进制可逆计数器，用两片四位二进制可逆计数器构成，其接线框图见图3。

芯片第5脚是加计数控制端（count up ），此脚电位由“0”到“1”正跳变时，计数器加1。前述控制门YF 1的输出与此端相联，当YF 1门打开时，振荡脉冲源源不断地由此脚输入，计数器IC 1累加计数，当IC 1的输出端Q A 、Q B 、Q C 、Q D （3、2、6、7脚）全为“1”时，下一个脉冲来到时，输出将全变为“0”，同时IC 1的12脚将产生一个

进位脉冲，加至IC 2的加计数端（5脚），作为IC 2的累加计数脉冲。同样，当IC 2的输出端（Q E 、Q F 、Q G 、Q H ）全为“1”时，下一个由IC 1的12脚送来的计数脉冲将使IC 2的输出端全变为“0”，同时IC 2的12脚送出一进位脉冲（负脉冲）。

芯片第4脚是减计数控制端（count down），此脚电位由“0”

到“1”正跳变时，计数器减1。控制门YF 2的输出与此端相联，当YF 2门打开时，振荡脉冲使计数器IC 1减计数，当减至IC 1的输出端Q A 、Q B 、Q C 、Q D （3、2、6、7脚）全为“0”时，下一个脉冲将使输出全变为“1”，同时IC 1的13脚输出一个借位脉冲。

芯片第15、1、9、10四脚分别是预置数据输入端A 、B 、C 、D ，11脚是预置脉冲输入端。16脚是正电源，11脚由于负跳变触发，这里接正电源。8脚是电源负端，与A 、B 、C 、D 都接地，14脚为清“0”端，此端电位由“0”到“1”正跳变时，Q A 、Q B 、Q C 、Q D 全呈“0”态，这里亦接地。

表1是计数器的真值表，表2是加减法计数顺序。

表1

由表1计数器减1，反之，4脚为高电平，5脚正跳变时计数器则加1。

表2 二进制加减法计数顺序表

（3） D/A转换

才能控制电焊机 计数器输出的数字量必需经D/A转换成模拟量，

电流。本装置采用一片8位D/A转换芯片，图4是芯片的内部结构图。

DI0～DI7对应联接于计数器输出Q A ～Q H ， CS 、WR1、WR2、XFER 四端接地，ILE 接+5V。这样，计数值Q A ～Q H 直接寄存于DAC 寄存中控制11脚输出电流I OUT1的大小。I OUT1与n/255·V REF 成正比，即 I OUT1=A·V REF ·n/255，式中A 为比例系数，V REF 是从8脚输入的电压，n 为计数器的计数值。当Q A ～Q H 全为“1”时，n 为255，I OUT1= A ·V REF 输出最大；当Q A ～Q H 全为“0”时，n 为0，I OUT1=0。

12脚的电流输出为I OUT2，I OUT1+ IOUT2 =常数。9脚是反馈端，反馈电阻在芯片内。由于所采用DAC 输出的是电流信号，转换成电压输出采用了一片运算放大器，由运算放大器控制光耦GO ，在GO 的输出端加一反向器V 5作为输出，见图6。

基准电压V REF 由RP 1的可调端引入IC 3的8脚，用负5V 是因为运放的输出电压应为正值，而由运放的反向输入端2脚输入的电流I OUT1是负值，I OUT1=A·V REF ·n/255，故V REF 应为负值。RP 1的作用是当Q A ～

Q H 全为“1”时，反向器V 5由放大区刚刚进入饱和区。

IC 4的反向输入端与IC 3的11脚联接，当Q A ～Q H 全为“0”时，11脚输出的电流I OUT1=A·V REF ·0/255=0，IC 4的输出亦为0V 。

由于光耦GO 有一段死区电压，GO 内的光电二极管约为1V ，如此即使Q A ～Q H 不全为“0”，只要n 值小于n 0，输出就不响应（n 0为对应于死区电压的计数值，n 0≤1×255/A·V REF ·K ，K 为IC 4的放大系数）。也就是说，Q A ～Q H 值价于0～n 0之间时，输出不响应，控制范围变小为255～n 0，这是我们不希望的。为此，增设RP 2与R 5。当n=0时，I OUT1=0，调节RP 2，使运放IC 4有正电压输出至GO 的光电管则导通时止。这样就有效地克服了死区，计数值从0开始起控，满足系统对控制范围的要求。运放的作用是将IC 3输出的电流信号转换成电压信号，这里采用双电源单运放，同时将IC 4的输出接入IC 3的9脚作为电压反馈。

（4） 光电隔离及输出

采用光电隔离一是为了防止焊机内的电位与装置的电位相互影响；二是保证焊工操作安全。但采用光耦后是否能达到控制要求呢？控制要求光耦的外特性为近似线性，经实验的实测光耦外特性曲线如图8

实测数据如下表：

从图7的外特性曲线可看出，在AB 段曲线近似线性，若使装置在整个工作区处于AB 段，就满足了控制要求。这只要在计数值n=0时，调节RP 2，使运放输出U K =1.4V，n=255时，调RP 1，使U K =4V，就满足了整个计数范围都工作于AB 线性段。

为了实现电隔离，GO 中的三极管电源及V 5电源引至电焊机内。

（5） 稳压电源

本装置采用集成电路，电路简单，功耗很小，整机不到30ma ，但装置对直流电源要求较高，因此采用了较新颖的三端集成稳压器，特点是稳压精度高，电路简单。

第3章 技术创新特点

电流在线精细调节系统主要创新点有： 1、控制简单

由于电流增减控制开关安装在焊工手中的焊钳上，随时随地就可调节。 2、电路先进

由于采用具计算功能的数字控制，抗干扰能力强；采用前沿电路元器件，调节细度能达到安培级甚至零点几安培级，极大地满足了焊工对电流细度的要求。 3、质量可靠

由于在焊接过程中根据需要就可随时对电流进行调节，大大提高了工作效率，减少了浪费，保证了焊接质量。 4、操作方便

在焊工远离电焊机的场合或高空作业的情况下能快速得到所需要的电流，使电流调节更加方便。

第4章 项目关键技术介绍

目前直流电焊机电流调节均使用装于电焊机面板上电流调节旋钮（有的生产厂家也另附一只远控盒），在人机分离的场合或高空作业场合，电流调节极为不便，即使对人机距离不远的场合，要想得到理想的焊接电流，也需要反复试调。工作效率低，浪费焊条。为了克服现有焊机电流调节的不足，本装置通过焊钳上的双向控制微动开关将电流调节信号传递给数控电流调节装置，该装置可在焊接作业时，随时根据需要对电流进行调节，直至达到理想值为止。本系统具有如下特色技术：

1、电流在线精细调节技术 2、高效抗干扰控制电路设计技术

目前本项目的相关专利已得到专利局的受理。

第5章 与国内同类比较

针对焊接作业中人机分离的情况下调节电流非常不便且浪费电能及焊条、效率非常低下的缺陷而设计的带载电流精细调节器，经多名电焊工在多台电焊机上反复进行操作试验证明：该调节器确实能够使焊接人员在焊接作业时随心所欲地将焊接电流调节到理想值，且能在焊接作业过程中调节。克服了人机分离的情况下调节电流造成的电能及电焊条的浪费，大大缩短了电流调节时间，提高了电流调节过程中的工作效率。本技术的研发，在国内及国外相关资料上暂未发现有从事这方面研究信息。

第6章 实施情况

（1）根据焊机调节细度决定数字电路采用计数及数模位数并反复试验成功；

（2）确定避免调节电流跳变的方案及试验成功； （3）确定装置与焊机的接口模式并试验成功； （4）整体调试；

（5）进行无线遥控试验成功；

（7）根据以上实验情况对装置电路进行改进；

（8）在完成整体实验的基础上进行与各种类型的直流焊机进行对接实验，投入使用。

第7章 今后研发方向

随着我国工业化进程的不断深入，电焊机的使用十分频繁，电焊机的用电量巨大，因此提高工件的焊接质量、焊接效率，节约能源具有重大意义。本课题的下一步任务就是研制从有线控制到无线控制的研发。