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电阻焊设备及控制(10)-电阻焊机的控制及质量监控（主电力开关）
文/赵升吨
3 电阻焊机的控制及质量监控
3.1 控制装置
电阻焊机控制装置的主要功能是：
①提供信号控制焊机按设定的焊接程序工作；
②可靠地接通和切断焊接电流；
③均匀地调节焊接电流的大小；
④故障检测和处理；
⑤先进的控制装置还能实现焊接质量监控。
最简单的电阻焊机控制装置仅由行程开关和电磁接触器组成。80年代以前大部分电阻焊机均采用晶体管式和集成电路式控制装置，从80年代起微处理器式控制装置在电阻焊机中的应用越来越普遍。
与晶体管式和集成电路式控制装置，微处理器式控制装置具有控制精度高，响应速度快，便于焊接质量监控，焊接程序及焊接参数可灵活改变、容易与焊接自动生产线联网等优点。
同时，微处理器式控制装置通常还有其他功能，如能储存多个焊接程序，能任意编排焊接程序的次序，可储存多组参数并选择，可设置焊接电流上下限，功率因数上下限，能随焊点逐步递增焊接电流，能监视焊接参数的范围，当超出设定的极限时，发出报警或故障信息，能自诊断控制器发生的各种故障等，为了适用于机器人，专用焊机在焊接生产线上与其他自动装置协调工作，可将电阻焊控制装置与可编逻辑程序控制器进行集成。
控制装置一般包括：主电力开关、程序转换定时器、热量控制器。
下图是集成电路式控制装置的通用控制原理框图。
3.1.1 主电力开关
电阻焊机的主电力开关一般与阻焊变压器一次绕组相串接，用以控制焊接电流的通断。
具有两个显著的特点：
①控制的电流数值大
②通断频繁
主电力开关工作的精确性和可靠性将直接影响焊接接头的质量，因此，选择何种类型的主电力开关以及保证主电力开关的质量是非常重要的。
3.1.1.1 主电力开关的类型
根据其工作原理不同，电阻焊机主电力开关可以为非同步开关和同步开关两大类。
① 非同步开关
此种开关的通断在电网电压的任一相位点进行，每次电流通断的相位不同，所经历的电路过渡过程也不同，因此焊接参数不稳定，难以保证稳定的焊接质量。非同步开关通常为机械式或电磁式，它们均为有触点开关，在电流通断瞬间，触点处易形成电弧，造成附加通电时间，影响焊接参数的稳定性，且长期使用会使触点烧损、接触不良。因此，这种开关目前仅用在焊接质量要求不高的少量场合。
② 同步开关
这种开关可以控制在电网电压每半周固定相位下接通，而在电流过零时断开，其开关元件通常为晶闸管，属于无触点开关。同步开关具有焊接参数稳定，焊接电流通断迅速，且通断时无电弧出现，可均匀调节焊接电流，开关使用寿命长等优点，所以目前广泛用于各种容量的电阻焊机上。
3.1.1.2 晶闸管同步开关电路分析
晶闸管同步开关电路如下图所示，它主要用于控制单相工频交流、二次整流及三相低频电阻焊主电源的通断，它是由两个反向并联的大容量晶闸管VT1、VT2组成一个交流主电力开关，并与焊接变压器串联，从而实现焊接电流的同步通断控制。
在单相焊机上仅用一对，三相焊机上则需用三对。
左：主电力开关电路；右：等值电路
此晶闸管开关电路为一RL感性负载电路，其等值电路如下图所示。由于焊接回路具有相当大的电感，当电阻焊电源接入电网时，变压器一次绕组及焊接回路内的电流不能立刻由零达到稳定值，需有一个过渡过程，过渡过程的电流可以通过分析、求解主电力开关的等值电路微分方程得出：
当晶闸管控制角为α时，可列出电路的微分方程为
其中Um为一次电压峰值。
另设边界条件：
根据以上二式可解得过渡电流：
式中 Z——回路等效阻抗 
过渡电流的合成波形如下图所示。
分析上式过渡电流表示可知：对于某一特定焊机，回路等值阻抗Z、负载功率因数角φ是基本不变的，过渡电流除了随时间而变化外，还与晶闸管的控制角α有关。
① α<φ 在这种情况下，晶闸管导通瞬间的稳态电流i1为负值，自由电流i2为正值，合成的过渡电流i 的最大值大于稳态电流i1的最大值，使晶闸管的导通角θ>180°(见下图)。
当触发第二个晶闸管的脉冲到来时，第一个晶闸管还未关断，此时第二个晶闸管阴-阳极间处于反向电压作用下不能及时导通。若触发脉冲较宽或是一脉冲列，则会使第二个晶闸管延迟导通，且导通时间减少，造成电路正、负半周电流极不对称，产生较大的直流分量；若触发脉冲是较窄的单脉冲，当第一个晶闸管关断，第二个晶闸管加上正向电压时，已失去触发脉冲，第二个晶闸管 就不能导通，形成单管工作，这种情况下直流分量会使阻焊变压器铁心严重磁化，一次回路电流大大增加，使网路及晶闸管都有过载的危险。
② α=φ 根据式(16.5），当α=φ时，自由电流i2=0，过渡电流i=i1，电路接通时不存在过渡过程，可立刻建立起稳定的工作状态，晶闸管的导通角θ=180°，形成按正弦规律连续变化的电流波形°(见下图)。
③ α>φ 在这种情况下，晶闸管导通瞬间稳态电流i1已为一定的正值，自由电流i2与i1大小相等、方向相反，合成的过渡电流i的幅值低于稳态电流i1的幅值，θ<180°(见下图)。
在触发第二个晶闸管的脉冲到来时，第一个晶闸管已可靠关断，使第二个晶闸管能在与第一半周相同的触发角下导通，且导通角相同。所以，在α>φ时，尽管每半周都存在过渡过程，但由于正、负半周电流波形基本对称，阻焊变压器不会发生直流磁化。此外，在此范围内，随着α的增大，每半周内的电流幅值和导通时间都减小，在实际使用中，通常根据此原理来调节焊接热量。
综上所述，电阻焊焊接电流通断存在一定的过渡过程，为了避免不良的瞬态过程发生，晶闸管开关电路必须合理地选择α的调节范围，保证在α>φ的条件下工作。
3.1.2 程序转换定时器
程序转换定时器用于控制一个完整的电阻焊程序中每段程序的延时，也可用它来控制焊机的其他部分动作，如传动或分度转动。
点（凸）焊、缝焊的4个基本程序为：①加压时间；② 焊接时间；③ 维持时间；④ 休止时间。
加压时间为电极开始移向工件进行加压到第一次通焊接电流的时间间隔；焊接时间是单脉冲焊时的焊接电流持续时间；维持时间是当焊接电流切断后电极在工件上保持压力的时间，休止时间是连续重复焊时电极从工件上缩回至下一次加压的时间，在休止时间工件移到下一个焊接位置。
多脉冲焊接程序器能提供多次焊接电流脉冲，如用于增加预热和后热。
每个通电脉冲时间为加热时间，两个电流脉冲之间的时间为冷却时间，加热时间和冷却时间合起来是一个焊接时间间隔，也有在加热和冷却时间分别通焊接大电流和低电流的情况。
最早的定时线路一般由电阻电容组成，利用RC时间常数来达到定时目的。80年代后的控制装置大多改用计数器以保证延时周数与设定周数完全一致。
对于较长时间而又无精度要求的延时，如对焊机的热处理时间，则可采用气动或电动延时器，延时范围从几秒钟到几分钟。
目前广泛使用的微处理器控制装置则有固定式程序和可以根据实际需要任意编排程序两类。
前者与传统的控制装置相同，程序的次序不能改变，对不需用的程序可将延时设置为0。
后者则可将在微处理器中的程序进行自由编排，也可以重复选用。
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