基于伺服加压的逆变点焊机

引言逆变电源由于具有电源体积孝重量轻、功率因数和控制精度高等优点已成为点焊电源主要的研究方向。伺服加压具有精度高、周期短、工件及电极实现软接触等特点，越来越多地取代气动加压。而随着电子技术和半导体技术的发展，点焊过程控制也由简单控制向智能控制方向发展，嵌入式芯片将在点焊系统中获得无法挑战的地位。因此，本文将从以上三个方面，介绍逆变伺服加压电焊机的结构及原理。1系统整体设计1.1点焊逆变电源系统电阻焊逆变电源系统由逆变器、变压器以及整流器构成。采用IGBT全桥逆变点焊电源，逆变频率为1kHz。其主要形式如图1，主要由输入整流滤波电路、全桥逆变主电路、焊接变压器、次级整流电路等几部分组成。图1IGBT全桥逆变电路作为大功率复合元器件，IGBT有着高阻抗输入、热稳定性能好、开关频率高、容易触发以及可以承受高电压强电流等优点。在驱动电路的控制下，IGBT1、IGBT4和IGBT2、IGBT3会交替的开通和关断，超前管IGBT1和IGBT2利用其并联的电容和变压器的漏感来实现零电压导通，在环流期间可以利用隔直电容C来加快环流衰减，从而使IGBT3、IGBT4滞后管实现零电流关断，同时饱和电感L能起到阻止Ls、C反向震荡的作用，当在滞后管开通的时候，L处于不饱和状态，此时电流上升比较慢，而电压下降的较快，实现了零电流开通。1.2伺服加压机构电阻点焊加压系统的组成如图2所示，由焊接电源、运动控制器、驱动器、伺服电机、编码器、执行机构等组成。其中，运动控制器、驱动器、伺服电机、编码器、限位开关及加压连接机构组成伺服加压系统，和点焊逆变电源系统共同组成电阻点焊系统。其中伺服控制器主要包含电机控制电路以及电机调速电路，用于控制电机的启动、停止、正转、反转、快速运动和慢速运动。点焊系统的参数设置由焊接电源端的人机界面设置，焊接电流和焊接时间由焊接电源控制，伺服加压系统控制电极位移、速度、压力，通过焊接电源和运动控制器的信号互动来达到焊接参数的匹配。伺服电机使用联轴器来带动滚珠丝杆旋转，由丝杆螺母通过连接机构实现电极的进给，电机旋转量和旋转速度决定了电极的进给量和进给速度，转矩决定了电极压力。焊接电源的控制精度决定了焊接电流和焊接时间的控制精度，伺服加压系统的特性决定电极定位的控制精度和高效率。图2点焊伺服加压组成机构2点焊机控制器系统硬件的设计一台完整的逆变伺服加压点焊机从硬件上看，应由3部分构成：逆变电源、伺服加压机构和控制器。需要控制的设备有三个：电源、人机交互界面和加压机构。故需要4块电路板，分别是逆变电源电路板、人机交互面板、电机驱动电路板和控制器电路板。其基本框架如图3所示。图3控制器硬件框图核心控制器作为点焊机的控制核心，主要作用体现在四方面：①通过串口RS232准确接收来自人机交互系统的预设焊接参数；②通过I/O口实现对逆变电源开、关，以及电流大小的精确控制；③通过I/O口实现对加压机构直流电机的开、关，电机正、反转以及转速大小的精确控制；④根据点焊工艺过程各阶段的时间参数，运用顺序控制的算法对逆变电源和加压机构准确控制，从而按编排的工艺过程（预压、预热、焊接、维持、休止）各阶段顺序执行。其具体功能如图4所示。图4控制器功能图根据电阻焊工艺特点，该控制器必须具有运算速度快、中断能力强、抗干扰能力强、丰富的接口等特征。根据以上特点，确定以意法半导体公司生产的低功耗、高性能、I/O丰富的STM32F103ZET6作为点焊控制系统的主控芯片。其片上集成32～512KB的Flash存储器，6～64KB的SRAM存储器，时钟可达72MHz，运算速度快，集成度高，并且自带2个12位的μs级A/D转换器（16通道）和2通道12位D/A转换器，拥有复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等功能，控制功能完善。3系统软件设计在机械和控制电路硬件设计的基础上，通过软件的编写来实现所需要的功能，程序的设计采用主程序和子程序结合的方式，各部分功能全部采用相应的子程序实现，最后通过主程序调用子程序实现整个系统的控制。在软件开发环境IAR下，结合STM32F103ZET6芯片的特点，将μC/OS-II移植到主控芯片上，在移植过程修改相应的代码。创建焊接参数显示及电流曲线实时绘制等任务函数，利用μC/OS-II的实时调度，实现触摸屏人机交互界面的焊接参数输入、显示，焊接完成后焊接电流曲线自动生成。伺服加压的软件框图如图5所示。图5伺服加压控制系统的软件流程图4结论将逆变电源、伺服加压、嵌入式系统的优势串联起来设计了基于伺服加压的逆变点焊机，有效地提高焊接的质量。为今后的点焊机的研发提供了新的方向。转载请注明文章出处，谢谢。超声波焊接机