采用微控制器和开关电源的新型电容放电螺柱焊机

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采用开关电源和单片机控制的新型电容放电螺柱焊机孙松岭张瑞昌黄贤聪（成都斯达特焊接研究所成都610051）摘要：介绍了RSR2型电容放电螺柱焊机，这种焊机采用开关电源对电容器进行恒流充电，取消了充电的限流电阻；采用单片机进行程序控制和液晶显示器，能够显示电容器的充电电压、焊接电压、焊接个数等参数。焊机具有精度高、控制简单、稳定可靠等优点。关键词：开关电源恒流充电单片机电容放电螺柱焊机NEWCAPACITANCEDISCHARGESTUDWELDERINTRODUCINGINVERSIONPOWERSUPPLYANDCONTROLLEDBYMCUSunSonglingZhangRuichangHuangXiancong(chengdustudweldingresearchinstitutechengdu610051)Abstract:ThispaperintroducesRSR2capacitancedischargestudwelder.Thewelderintroducesinversionpowertochargethecapacitorwithconstantcurrent,cancelsthecurrentlimitresistanceincharging;inaddition,adoptsMCUtocarrythroughprogramcontrollingandLCDscreendisplaying,candisplaytheparameterofchargingvoltage、weldingvoltageofcapacitorandthenumberofwelding.Thewelderiswiththeadvantageofhighaccuracy、simplecontrol、stabilizationandreliability.Keywords:inversionpowerconstantcurrentchargemicrocontrollerunit(mcu)capacitancedischargestudwelder电容放电螺柱焊机是一种依靠储能电容器提供能量，通过焊枪操作，将特殊设计的螺钉在极短的时间内焊接在板材上的焊接设备。它由焊接电源、焊枪、焊接电缆、接地钳等部分构成。由于电容放电螺柱焊机具有焊接时间短（约1~3ms），热影响区小，生产率高，焊缝质量好等特点，广泛应用于直径≤12mm的碳钢、不锈钢以及铝、铜等材料的螺柱焊接。电容放电螺柱焊机主要有预先接触式、拉弧式和预留间隙式三种结构型式，其中预先接触式电容放电螺柱焊机应用最为广泛，这种焊机要求待焊螺柱的焊接端面有法兰盘，且在中心位置有一直径≤1mm、长度为0.7~0.8mm的凸台。电容放电时凸台引爆，产生电弧，实现焊接。电容充电电源是电容放电螺柱焊机中最重要的部分，它的性能好坏决定了电容放电螺柱焊机的优劣。传统的预先接触式RSR1型电容放电螺柱焊机的电气原理图如图1所示。主电路的变压器T1是工频变压器，所以比较笨重。由于变压器T1一般是平特性，所以必须采用电阻R2作为限流电阻，以限制电容器C1的充电电流。假设R2上通过的平均充电电流I2=7A，R2=12Ω，则R2上消耗的功率P2为：P2=I22×R2=588（W） R2消耗的功率达到电容充电电源总功率的1/4~1/3，而这一消耗功率又以热能形式散发出来，为了降低焊机内的温度，不得不配置大功率的轴流风机进行散热，这些都增加了变压器的容量，使焊机变得庞大笨重。图1RSR1型电容放电螺柱焊机的电气原理图控制板主要控制焊机的充、放电过程，并对焊机进行保护。主要采用了分离器件组成的时序控制电路，虽有线路简单的优点，也有控制精度低，可靠性不高的缺点；工作状态显示采用数字电压表和发光二极管组合显示的方式，显示的信息量较少。1．RSR2型电容放电螺柱焊机图2RSR2型电容放电螺柱焊机电气原理图由前面的分析可以看出，传统的RSR1型电容放电螺柱焊机之所以笨重是由于采用了工频变压器和必须有充电的限流电阻。由于采用分离器件组成时序控制电路，所以控制精度比较低。为了克服以上缺点，我们设计了RSR2型电容放电螺柱焊机，与RSR1型焊机相比，有以下重大改进：1）采用开关电源取代工频变压器T1对电容器进行恒流充电；2）取消限流电阻R2； 3）采用单片机进行时序控制，用液晶显示焊接参数；4）安全放电电阻R1安装在控制板上。新设计的RSR2型电容放电螺柱焊机的电气原理图如图2所示。1．1电路设计1．1．1主电路图2中，C1为储能电容器组，一般由2~5个电容器并联组成。V2为二极管，主要防止放电回路产生的电感对电容器组C1形成反向充电。V3为放电晶闸管。220V交流电经开关电源K1整流、变频、再整流为储能电容器组C1的充电电压，开关电源K1的通断由控制板B1控制，从而可以精确控制电容器组C1上的电压。由于开关电源K1的输出为恒流输出，所以取消了限流电阻。开关电源K1的电气原理图如图3所示。图中，T1为脉冲变压器，将以3525控制芯片发出的PWM信号传送给Q4、Q5，控制其通断；Q4、Q5是绝缘栅双极晶体管IGBT，与电容C1、C2和主变压器T2组成半控桥型隔离开关变换器，将整流桥B1整流的直流电变频成高频的交流电，传送到主变压器T2的次级，实现电压、电流的变换；高频整流管D13、D14、D15、D16将主变压器T2的次级高频交流电整流成直流，经电感L1、L2和电容C3、C4滤波后输出。3525和运算放大器组成的控制电路，能够实现恒流输出，并具有恒定的空载电压，同时还能实现过压、过流、过热保护等功能。1．1．2控制电路控制电路是图2中控制板上的电路，它以单片机PIC16F877A为核心，采集电容器组C1上的电压与设定的电压进行比较，控制其充电过程；接收焊枪控制信号，控制放电过程；记录焊钉的焊接个数；实现过电压保护；将焊接参数在液晶显示器FYD12864-0402B上进行显示。控制电路的稳压电源采用了通用型开关电源K2，输入为交流220V，输出为+5V和±15V三组直流，产品成熟，提高了可靠性。图3开关电源K1的电路原理图a）单片机PIC16F877A 在工业控制领域，Microchip公司生产的PIC系列单片机得到了越来越广泛的应用，本控制电路采用的PIC16F877A单片机是一款高性能8位微控制器，为40引脚的DIP封装。它具有8K的FLASH程序存储器、368Byte的通用数据寄存器和256Byte的EEPROM数据寄存器。PIC16F877单片机具有精简指令集技术、哈佛（Harvard）总线结构、单字节指令、两级流水线指令结构、了特殊的寄存器组结构等优点。此外，PIC16F877单片机还具有功耗低、管脚驱动能力强（I/O端口的灌电流和拉电流最大均可达25Ma）、片内看门狗（WDT）、中断丰富（内置8级硬件堆栈，支持多种中断源）等功能，十分适合在工业环境下应用。b）FYD12864-0402B液晶显示模块控制电路选用了FYD12864-0402B液晶模块，它是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、一级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集。使用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。控制电路的示意图见图4所示。图4中，单片机作为整个控制电路的核心，控制焊机工作的全过程。电容器充电电压和设定电压分别经过变换隔离后，变成单片机能够处理的0~5V电压信号，输入到单片机的RA0、RA1管脚进行A/D转换。转换出的数值进行比较，若电容器充电电压低于设定电压，则开通开关电源K1，给电容器充电，电容器上的电压升高；反之，则关断开关电源K1，开通电容器充电电压调整电路，使电容器上的电压降低。直至电容器充电电压等于设定电压，充电过程结束，关断开关电源K1和电容器充电电压调整电路，发出DO信号经放大，使电容电压指示灯（图2中V12）亮。当电容器充电电压达到设定电压后，充电标志位置1；当焊枪上的焊钉接触待焊工件后，接触识别电路识别的接触信号隔离后传输给单片机，接触标志位置1并发出DO信号经放大，使接触指示灯（图2中V13）亮；当操作者按动焊枪上的按钮时，焊枪标志位置1并发出DO信号经放大，使焊枪指示灯（图2中V14）亮，同时，单片机检查充电标志位和接触标志位是否同时为1，若不同时为1，则程序返回，若同时为1，则发出DO信号经隔离放大，控制放电晶闸管（图2中V3）开通，电容器放电，完成一次放电焊接过程。焊接个数计数器加1。电容器充电电压、设定电压、焊接个数分别显示在液晶显示器FYD12864-0402B上。焊接状态则通过LED进行显示。图4控制电路示意图1．2软件设计 合理的软件编制是焊机安全稳定工作的保证。本设计的程序由主程序和子程序组成，主程序主要进行电容器充电控制和LCD显示；子程序包括A/D转换中断子程序、TMR0中断子程序、RB口变化中断子程序等。A/D转换中断子程序进行A/D转换；TMR0中断子程序提供A/D转换的频率；RB口变化中断子程序控制放电焊接过程。主程序流程图见图5所示。主程序是一个循环程序，程序首先进行电容器充电电压和设定电压的比较，控制电容器充电，然后将要显示的数据进行码制转换，调用显示子程序显示数据，然后返回，继续循环。开始系统初始化电容器充电电压减设定电压>0?=0?充电标志位置1，关断开关电源K1和电容电压调整电路关断开关电源K1，开通电容电压调整电路开通开关电源K1，关断电容器充电电压调整电路显示数据数码转换调用显示子程序是是否否图5主程序流程图1．应用及特点RSR2型电容放电螺柱焊机主要应用于造船、工业炉、建筑、冶金、汽车、电控开关设备、通讯设备、轻工机械、家用电器、橱具、空气净化等行业。配以保温钉焊枪，还可应用于空气净化系统和通风（冷、暖）管道的保温层固定。自主开发的RSR2型电容放电螺柱焊机已经实现了系列化生产，其产品的技术参数见表1所示，其产品外形照片见图6所示。表1RSR2型电容放电螺柱焊机的技术参数规格电源电源容量充电可焊螺柱直径（mm）焊接外形尺寸mm重量 型号电压VkVA电压V生产率n/min（长×宽×高）kg碳钢、不锈钢铜、铝及其合金RSR2-630220＜0．640~952~3215~8436×198×28014RSR2-1250220＜0．640~952~62~415~8436×198×28016RSR2-1600220＜0．660~1653~83~612~6436×198×28016RSR2-2500220＜0．660~1954~103~810~5536×198×28018RSR2-3150220＜0．660~1954~124~810~5536×220×28020总之，RSR2系列电容放电螺柱焊机具有以下特点：a)采用特殊技术，取消电容充电线路中的限流电阻，节能500W以上，不仅节约了能源，而且还大大降低了焊机的内部温度，提高了焊机的可靠性。b)采用恒流充电技术，充电速度快，效率高。c)采用开关电源（即逆变技术），减小了焊机的体积和重量，如RSR2-2500/3150分别由原来的42kg、39kg降低到20kg和18kg。d)焊接的整个过程采用单片机对焊接质量进行控制，大大简化了线路，保证了焊接质量，提高了焊机的可靠性。e)焊接参数液晶显示，焊接过程一目了然，清晰、美观。f)采用多重保护，确保焊机的安全使用。图6RSR2电容放电螺柱焊机系列产品RSR2系列高科技产品的研制成功并批量生产，出口到澳大利亚，标志着我国自主创新研发的电容放电螺柱焊机的技术水平和可靠性已跨入世界先进行列。