焊接電源檢測(cè)設(shè)備

    根據(jù)焊接過程中焊接能量產(chǎn)生的基本特征，將各種焊接方法概括為五大類，即電弧焊接、電阻焊接、特種焊接、氣焊和釬焊。對(duì)不同類型的焊接設(shè)備有不同的檢測(cè)方法和檢測(cè)設(shè)備，對(duì)焊接電源的機(jī)械、電氣性能測(cè)試項(xiàng)目和側(cè)重點(diǎn)也有差別。電弧焊和電阻焊是目前應(yīng)用得最廣泛的焊接方法。電弧焊和電阻焊焊接電源的檢測(cè)設(shè)備也是最常用的兩大類電源檢測(cè)設(shè)備。

1 電阻焊電源檢測(cè)設(shè)備

    傳統(tǒng)的電阻焊電源檢測(cè)設(shè)備主要是大電流測(cè)試儀，一般只檢測(cè)焊接電流的大小和通電時(shí)間的長短，檢測(cè)的焊接電流也只分為交流電流和次級(jí)整流的直流電流兩種形式。隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，新型逆變式直流、交流、方波脈沖、電容儲(chǔ)能等形式的電阻焊電源層出不窮，這類電源的焊接電流具有非正弦、非周期性，同時(shí)除對(duì)焊機(jī)的電氣性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)外還需對(duì)焊機(jī)的機(jī)械性能中電極壓力大小、焊接過程中電極位移量大小（反映焊接質(zhì)量的參數(shù)）、冷卻水流量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果形成報(bào)告，傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)無法滿足這些測(cè)試要求。

    近幾年來，日本、德國等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)推出了可以與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接的信息化、集焊接質(zhì)量控制和檢測(cè)為一體的多功能電阻焊檢測(cè)設(shè)備。如日本MIYACHI的MM-360A型電阻焊測(cè)試儀可在焊接過程中同時(shí)測(cè)量焊接壓力和電流，并顯示兩者波形，還可與電腦聯(lián)機(jī)處理所測(cè)量的數(shù)據(jù)；MM-730A型電阻焊測(cè)試儀通過抗磁干擾的變位傳感器，對(duì)焊接時(shí)電極的位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)間接控制焊接熔核的生成情況。德國Boschrexroth逆變電阻焊及其精密控制技術(shù)已經(jīng)大量用于工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。

    Boschrexroth可以說是世界最大的中頻電阻焊接系統(tǒng)制造商，其“多功能中頻焊接控制器PSI63S”（電阻焊恒功率控制技術(shù)和超聲波控制技術(shù)），已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義的中頻控制器,而是集成了普通中頻控制器、焊接監(jiān)測(cè)控制器(恒功率控制技術(shù)和超聲波控制技術(shù))和伺服運(yùn)動(dòng)控制器(氣動(dòng)元件或電子馬達(dá))的全能控制器,它可以對(duì)焊接電流、焊接時(shí)間、焊接功率、焊接熔核大小、焊接的位置、焊接的位移、焊接的壓力等參數(shù)進(jìn)行全閉環(huán)控制。對(duì)全部焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制并同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)的焊接控制器,是電阻焊接控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

2 弧焊電源檢測(cè)設(shè)備

    與電阻焊檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展一樣，電弧焊電源檢測(cè)設(shè)備也經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段。以其技術(shù)含量和特點(diǎn)，分為四個(gè)發(fā)展階段。在我國的弧焊檢測(cè)設(shè)備中,最具代表性的電弧焊電源檢測(cè)設(shè)備是以成都電焊機(jī)研究所、國家電焊機(jī)檢測(cè)中心（成都電氣檢驗(yàn)所）、成都三方電氣有限公司為主開發(fā)的測(cè)試臺(tái)。

    a) 第一代檢測(cè)設(shè)備以成都電焊機(jī)研究所生產(chǎn)的HHC系列弧焊電源測(cè)試臺(tái)為代表，用傳統(tǒng)的互感器、分流器為電流傳感原件，并配以指針式電流、電壓、功率臺(tái)表，對(duì)焊接電源的電流、電壓、功率進(jìn)行測(cè)量，用接觸器切換和改變無感電阻負(fù)載的大小來模擬電弧。目前，這種檢測(cè)設(shè)備在一部分焊接電源生產(chǎn)廠仍然使用，它具有精度高、可靠性穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但體積龐大，使用維護(hù)復(fù)雜，功能單一，自動(dòng)化程度底，很難滿足現(xiàn)代化高效率的生產(chǎn)測(cè)試。

    b) 第二代檢測(cè)設(shè)備以成都電氣檢驗(yàn)所、成都三方電氣有限公司研究生產(chǎn)的數(shù)字TDC系列電源測(cè)試臺(tái)為代表，用數(shù)字化儀表取代了指針式臺(tái)表，霍爾電流傳感器取代互感器和分流器，在功能和測(cè)試精度方面與第一代設(shè)備一致，但體積大幅度減小，使用和維護(hù)性有了很大的提高，讀數(shù)直觀，操作方便，被全國大多數(shù)的焊接電源生產(chǎn)企業(yè)廣泛使用，但它仍然帶有第一代設(shè)備的缺點(diǎn)。

    c) 現(xiàn)代制造技術(shù)和焊接生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)焊接設(shè)備檢測(cè)在測(cè)試內(nèi)容、實(shí)時(shí)性和測(cè)試精度各方面的要求不斷提高，使得傳統(tǒng)檢測(cè)儀器在結(jié)構(gòu)和功能上的局限性日益突顯，難以適應(yīng)和滿足高效率、大信息化的現(xiàn)代檢測(cè)工作需要。第三代檢測(cè)設(shè)備是由成都三方電氣有限公司在其參與研制的國家科技部專項(xiàng)資金項(xiàng)目“智能交/直流電源測(cè)試系統(tǒng)”樣機(jī)基礎(chǔ)上，進(jìn)行第二次開發(fā)設(shè)計(jì)后推出的新一代PTE系列信息化檢測(cè)系統(tǒng)為典型代表。它以虛擬儀器技術(shù)為實(shí)施平臺(tái)，具有信息量大，檢測(cè)速度快，人機(jī)界面優(yōu)異，測(cè)試精度高，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)弧焊電源諧波電流分析、功率因數(shù)和效率等重要參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。

該檢測(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)： 

     （1）采用虛擬儀器技術(shù)作為實(shí)施平臺(tái)。主機(jī)選用NI PXI-8174嵌入式控制器，數(shù)據(jù)采集選用PXI接口的PXI-6071E多功能卡，負(fù)載控制采用PLC作為主要控制單元。主機(jī)端的程序是事件驅(qū)動(dòng)型。

    （2）采用分布式（DCS）控制方法，把一個(gè)狀態(tài)變量較多的大系統(tǒng)分解為若干個(gè)獨(dú)立模塊，系統(tǒng)的組態(tài)和擴(kuò)展都十分方便，管理集中，分散控制，有效地增強(qiáng)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的靈活性。 

    （3）在軟件環(huán)境方面，采用通用的Windows 2000操作系統(tǒng)，有利于充分利用現(xiàn)有的軟件資源，編程環(huán)境是LabVIEW，并分為前面板和源代碼。前面板以所見即所得技術(shù)構(gòu)成程序主界面。

    該檢測(cè)系統(tǒng)整合了多種計(jì)算機(jī)與信息新技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠方便快捷地完成焊接電源的各項(xiàng)電參數(shù)出廠檢驗(yàn)，而且能夠直觀地看到每個(gè)被測(cè)量的波形細(xì)節(jié)，有助于深入了解和認(rèn)識(shí)各檢測(cè)量的物理意義，在功能上具有以下特點(diǎn)：

    （1）智能型程序化的負(fù)載調(diào)整。根據(jù)用戶輸入的焊機(jī)的類型，當(dāng)需要調(diào)整負(fù)載時(shí)，主系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)指令到PLC，PLC根據(jù)指令決定其輸出接點(diǎn)的狀態(tài)，從而控制無感負(fù)載電阻控制接觸器的通斷，達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載的目的。整個(gè)過程已經(jīng)無需人工介入，即自動(dòng)尋找工作點(diǎn)。

    （2）電網(wǎng)電壓的自動(dòng)穩(wěn)定。為了保證測(cè)試條件的一致性，焊接電源的輸入電壓應(yīng)穩(wěn)定在一定的誤差范圍內(nèi)，而電網(wǎng)電壓往往受負(fù)載和周圍其他因素的影響，會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。該檢測(cè)系統(tǒng)采用微控制器調(diào)壓技術(shù)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。

    （3）對(duì)諧波電流的檢測(cè)與分析。諧波是電力電子設(shè)備的重要特征，也是污染電網(wǎng)的一大危害。從諧波抑制的角度，重要的是諧波的大小及測(cè)量的實(shí)時(shí)性。系統(tǒng)中基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)模塊的全部功能由軟件實(shí)現(xiàn)，可觀察、記錄檢測(cè)過程的所有中間量。

    （4）功率因數(shù)是衡量設(shè)備用電質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映了設(shè)備對(duì)電能的利用率，也是評(píng)價(jià)和開發(fā)高效率新型焊接電源的重要依據(jù)。電子控制的焊接電源往往引起輸入電流的嚴(yán)重畸變，傳統(tǒng)的用功率因素角來描述功率因素的方法已經(jīng)不適用，本系統(tǒng)采用波形計(jì)算法，將被測(cè)對(duì)象作為一個(gè)整體，設(shè)計(jì)了用于三相電源的功率因素測(cè)量模塊，避免了非正弦信號(hào)和三相不平衡的影響，解決了在工程中無法準(zhǔn)確得到相電壓的問題。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)焊接電源性能提供了一個(gè)新的檢測(cè)手段。

    （5）效率反映了對(duì)電源的利用率。該檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接電源的輸入、輸出功率同步測(cè)量，減少了波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，能在不同的負(fù)載條件下，觀察效率的變動(dòng)，在提高檢測(cè)精度的同時(shí)，對(duì)研究和開發(fā)高效率新型焊接電源以及對(duì)電能的利用率的認(rèn)識(shí)有很大的幫助。

    （6）網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用。當(dāng)前因特網(wǎng)的普遍應(yīng)用，使得遠(yuǎn)程信息共享成為現(xiàn)實(shí)。基于現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)的超遠(yuǎn)程操作方式，可以實(shí)現(xiàn)以往需要檢測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)操作的工作，如儀器的標(biāo)定、校準(zhǔn)、故障診斷等。該檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)為這一應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了必需的技術(shù)支持。

    目前這個(gè)系列化的檢測(cè)系統(tǒng)使焊接電源的檢測(cè)不斷地向精量化、高效化、自動(dòng)化、信息化方向發(fā)展，已經(jīng)在國內(nèi)的近十家大規(guī)模焊接電源生產(chǎn)企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、學(xué)校使用，今后需要進(jìn)一步適應(yīng)各個(gè)用戶具體需求，做出更個(gè)性化的設(shè)計(jì)，以方便用戶。 

3 前面所提到的三代檢測(cè)設(shè)備基本上是對(duì)焊接電源的靜態(tài)電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，只有第三代產(chǎn)品具有對(duì)空載—負(fù)載、空載—短路的過渡過程的檢測(cè)和分析功能，但由于模擬電弧負(fù)載的調(diào)節(jié)方式都是接觸器控制，在速度上存在局限性，很難客觀地描述和仿真動(dòng)態(tài)電弧。

     通常情況下，弧焊過程往往伴隨著短路過渡、弧長變化、電流脈沖以及其他如送絲速度變化等因素對(duì)電弧產(chǎn)生影響，焊接電源對(duì)這些影響因素的反應(yīng)能力就是其動(dòng)態(tài)性能，它的好壞與工藝性能及其穩(wěn)定性有直接的聯(lián)系。因此，在綜合評(píng)價(jià)焊接電源性能及質(zhì)量時(shí)，動(dòng)態(tài)性能是一項(xiàng)重要的檢測(cè)內(nèi)容。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 729的第二部分中，已經(jīng)提出了關(guān)于“焊接設(shè)備綜合質(zhì)量”的檢測(cè)要求，并提出了校準(zhǔn)焊接設(shè)備的實(shí)施周期。為適應(yīng)這一發(fā)展需要，德國汗諾威大學(xué)D.Rehfeldt研制了焊接動(dòng)態(tài)模擬機(jī)，即第四代弧焊電源檢測(cè)設(shè)備。

    該模擬機(jī)由函數(shù)發(fā)生器輸出動(dòng)態(tài)參數(shù)，用一組高速非線性大功率電子開關(guān)電路來描述、仿真動(dòng)態(tài)電弧，工控機(jī)對(duì)焊接電源的輸出響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，與系統(tǒng)配套的焊接分析儀將自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)圖表和檢測(cè)結(jié)果的數(shù)據(jù)文件。另外，它可利用局域網(wǎng)或因特網(wǎng)能夠方便地遠(yuǎn)程檢測(cè)焊接電源。目前成都三方電氣有限公司已經(jīng)與德國漢諾威大學(xué)簽訂了生產(chǎn)、銷售該機(jī)的合作協(xié)議。

    隨著焊接制造技術(shù)的發(fā)展迅猛，國際焊接標(biāo)準(zhǔn)也日新月異，IEC 60974.10標(biāo)準(zhǔn)有對(duì)焊接電源的EMC提出了要求，我國相應(yīng)的國標(biāo)不久也將出臺(tái)，這對(duì)焊接電源的EMC檢測(cè)又將提出了新的檢測(cè)任務(wù)，如何開發(fā)研制適用于焊接電源科研、生產(chǎn)、檢測(cè)需要的EMC檢測(cè)設(shè)備是我們急需要解決的課題。