专利名称：手工电弧焊模拟焊枪的制作方法
技术领域：
本发明属于焊接培训学习用具，主要提出一种手工电弧焊模拟焊枪。
背景技术：
手工电弧焊是一种非常普及的焊接方法。它广泛应用于各种焊接场合，如汽车制造，压力容器制造，船舶制造等。虽然各种自动焊方法已经比较成熟，应用也越来越多，但是由于使用上的方便和灵活，手工电弧焊仍然具有其不可替代的作用，例如，在各种压力容器管道焊接，以及各种维护性焊接场合等。
在手工电弧焊操作过程中，影响焊接质量的工艺因素比较多，比如电流、电压、焊接速度、电弧弧长的稳定性、焊条的摆动等。焊接过程的稳定与否直接影响到焊接质量，这是一种完全的人为因素，全凭焊接操作者的技艺和经验。在焊接质量的控制中，电流，电压，预热温度，焊条烘干程度等这些工艺参数都可以通过工艺文件和测量技术来控制。但是，和人为操作相关的参数，比如，焊接速度，焊接姿态都是无法记录和控制的。为了训练出良好的焊接技术，需要付出艰苦的努力及相当的经济代价，这样才能掌握手工电弧焊过程的真实感觉。培训焊工是一个需要消耗大量时间和电能、焊材消耗的过程。
在以往的手工电弧焊焊接实际训练阶段，采用的都是师傅带徒弟的方式进行训练，训练的效果受到教师的操作水平和表达能力等人为因素的影响，而师资力量不足已经在目前焊接培训领域显现出较强的态势。同时焊接操作对场地，环境也有较高的要求，训练过程需要消耗大量的焊条，试板及相当的电力资源。不仅如此，众所周知，焊接环境是比较恶劣的，有大量的烟尘及强烈的弧光，非常容易对焊工的身体健康产生不良影响。对于新接受焊接培训的人员来说，恶劣的工作环境对其心理也容易产生负面作用，不利于后续的培训计划的进行。
发明内容
本发明的目的是提出一种手工电弧焊模拟焊枪，使其可模拟手工电弧焊时的引弧及焊条燃烧过程，达到快速培养焊工的操作手感并减少物资和能源消耗的目的。
本发明完成其发明任务所采用的技术方案是其主要由步进电机、模拟焊条和主动轮、焊枪手把及装夹把手构成；其中，模拟焊条安装在直线轴承中，以保证焊条的上下垂直移动，主动轮与从动轮从两侧对焊条加以摩擦夹紧；主动轮安装在步进电机的电机轴上，步进电机用于精确控制主动轮带动模拟焊条回抽、归位或停止移动以模拟焊条的焊接过程。
步进电机工作由控制电路控制，在模拟焊条内的下端部设置霍尔传感器I，并在模拟焊条试件中设置感应磁钢I，用以检测焊枪的引弧过程；在焊枪手把上设置霍尔传感器II，并在装夹把手上与霍尔传感器II相对应的部位设置感应磁钢II，用以检测焊枪的装夹焊条过程；两个霍尔传感器均与单片机的输入接口连接；金属材料的模拟焊条下端头与单片机输入接口相连，并在焊接试板上接有正极直流电源，用以检测模拟焊条与模拟试件之间的短路状况；在焊枪上设置有检测模拟焊条复位的行程开关，其与单片机输入接口相连，用以与模拟焊枪上的限位板配合检测模拟焊条复位情况并将信号送至单片机输入接口；单片机将采集到的信息通过自带的串行接口传输到主计算机的串行接口上，并由数字量输出端口输出产生驱动器的外部脉冲和驱动器的方向电平，同时控制驱动器的输出使能，驱动器的输出为四线制步进电机输出。
本发明主要是针对焊条电弧焊的焊接特点，通过控制模拟焊枪的动作，使之与真实焊枪一样，当焊工手持焊枪进行焊接操作时，焊枪能产生真实的动作反馈，控制电路可根据检测到的不同的情况，控制电机的正转、停止、反转以及按某一固定速度值旋转。可模拟焊条的各种工作状态，如模拟焊条与工件是否接触(短路)、与工件之间的距离(弧长是否合适)装夹焊条及模拟焊条回抽移动长度(焊条熔化长度)，通过本实用新型模拟焊枪可达到快速培养焊工的操作手感并减少物质和能源消耗的目的。
图1为本发明模拟焊枪的结构示意图。
图2为图1的右视图。
图3为模拟焊枪控制电路电原理图。
图4为焊枪工作时状态示意图。
图中，1、步进电机，2、模拟焊条，3、直线轴承，4、轴承座，5、主动轮，6、从动轮，7、滚轮支座，8、电机座，9、焊枪手把，10、装夹把手，11、霍尔传感器II，12、感应磁钢II，13、霍尔传感器I，14、感应磁钢I，15、模拟焊接试件，16、限位板，17、行程开关。
具体实施例方式
结合附图对本发明的实施例加以说明如图1所示，本发明主要由步进电机1、模拟焊条2和主动轮5、焊枪手把9及装夹把手10构成，其中，模拟焊条2安装在直线轴承3中，主动轮5与从动轮6从两侧对焊条加以摩擦夹紧；直线轴承3安装于轴承座4内，轴承座4通过螺钉与电机座8连为一体，主动轮5安装在步进电机1的电机轴上，步进电机1装在电机座8上，从动轮6装于滚轮支座7中，支座7通过螺钉与电机座8连为一体，安装为一体的夹持部分最后总体套入焊枪手把9中。模拟焊条2采用不锈钢中空管制造，通过其上、下移动模拟真实焊接时焊条的熔化，直线轴承3用于限制焊条的运动方向，主动轮为橡胶轮，电机转动时带动主动轮旋转，依靠摩擦力拉动焊条上下移动，向上移动模拟焊条的熔化，向下移动模拟焊条的装夹过程。
动力机构采用了步进电机，采用步进电机能精确的控制焊条的移动，实现焊条熔化与焊接参数设置的一致性。步进电机选用成都步进电机公司出品的11HS3002-01型4相步进电机和与之配套的402型驱动器，经测试，该组合在每分钟3转的转速下不会出现步进电机低速时的堵转现象，并且其保持转矩达到65mNm，足够带动焊条的运动。
图3为模拟焊枪的控制电路电原理图。如图1、图4所示，在模拟焊条内的下部设置霍尔传感器I 13，并在模拟焊条试件中设置感应磁钢I 14，用以检测焊枪的引弧过程；其焊条位置感应磁钢I 14由8块外形相同的方形磁钢排成一列，铺设于焊缝下方，作为焊条霍尔传感器I的触发源。霍尔传感器II 11设置在焊枪手把上，如图1所示，安装在焊枪手把的侧向位置，感应磁钢II 12安装在装夹把手上与霍尔传感器II所对应的部位，二者配合用以检测装夹把手10是否按下，是否开始装夹焊条。，两个霍尔传感器分别与单片机的输入接口P1.1、P1.2相连；金属材料(不锈钢)模拟焊条的下端头与单片机输入接口P1.0相连，并在焊接试件上的铝合金薄板接有+5V电压，用以检测模拟焊条与模拟试件之间的短路状况；如图4所示。焊枪手把9上设置有行程开关17，其与单片机输入接口P1.3相连，同时在模拟在焊条上端部设置有限位板16，二者配合检测模拟焊条复位情况并将信号送至单片机输入接口P1.3。如上所述，焊枪状态采集电路由一块单片机实现(型号Atmel89C51)，采集程序通过不断查询该单片机P1.0的状态来采集焊枪上传感器和开关的状态，单片机将采集到的信息通过自带的串行接口传输到主计算机的串行接口上(COM 1)。焊枪上所要采集的状态共有4个，这些状态决定了焊枪当前的工作方式，其分别如下1、模拟焊条下端头与焊接试板是否接触。当焊条下端头与试板接触时P1.0口被置为高电位，单片机采集到该信号后，向计算机发出引弧动作的指令信号。2、焊接过程中的电弧长度控制。当计算机收到电弧引燃的指令后，通过霍尔传感器I的信号来判断电弧的长度是否超过了一定的限度，即焊条下端头距铝合金薄板的距离是否大于一定的值。3、焊条装夹把手10是否按下，当焊条运动结束时，需要使焊条复位以便重新焊接(即装夹焊条动作)，该动作通过检测装夹把手内部安装的磁钢与霍尔传感器II的距离来判断装夹把手是否被按下，霍尔传感器II的信号输出至单片机P1.2口。4、焊条装夹过程是否完成即焊条是否复位。行程开关用于检测焊条装夹过程中焊条的复位运动是否完成，其信号输出至单片机P1.3口。如图3，当焊条端部固定的限位板压迫行程开关使其输出状态发生改变，单片机检测到该信号发出焊条已复位的指令到主计算机。
焊枪运动控制电路采用一块基于计算机PCI总线的数据采集卡完成(凌化公司的PCI-9112数据采集卡)这里主要使用了其数字量输出端口。其具体连接方法如图2，其中数字量输出0通道用于产生驱动器的外部脉冲，数字量输出1通道用于产生驱动器的方向电平，数字量输出2通道用于控制驱动器的输出使能。驱动器的输出为四线制步进电机输出。
焊枪电路的工作流程接通系统电源后，单片机开始不断地检测P1口的状态，并将该状态值发送给计算机。操作者操作焊枪进行引弧动作，当焊条接触到试板上的铝合金薄板时，P1.0口状态发生改变，反映到计算机中为开始引弧，当“电弧”引燃后，进入正常焊接状态，焊条端头的霍尔传感器I在一定的距离范围内受到试板中磁钢的影响开始工作，主计算机控制数据采集卡，步进电机驱动器能使同时输出脉冲信号和方向信号，使电机转动提升焊条，模拟出真实焊接过程中焊条熔化逐渐缩短的过程。此时，计算机中的程序同时对焊条端头和霍尔传感器I输出信号(即P1.0和P1.1)口进行监控。若检测到焊条端头再次接触试板，则做出焊接短路的判断，停止电机转动。若检测到霍尔传感器I停止工作，则判断为焊条端头距离试板过远，造成焊接电弧熄灭，停止电机转动。霍尔传感器II具有最高的动作优先级，即操作者可在任何时间进行装夹焊条的操作，当主程序检测到P1.2口为高电平时，做出焊枪装夹把手按下，开始焊条复位动作，同时控制采集卡的运动方向控制端口使电机反向转动，实现焊条的回抽复位。在焊条回抽复位的同时，主程序也在不断检测行程开关的状态(查询P1.3口)以判断焊条复位动作是否完成。待行程开关按下，主机算机受到复位完成的指令，焊枪机械结构和电路均已复位，可进行新的焊接操作。
权利要求
1.一种手工电弧焊模拟焊枪，其特征是主要由步进电机(1)、模拟焊条(2)和主动轮(5)、焊枪手把(9)及装夹把手(10)构成；其中模拟焊条(2)安装在直线轴承(3)中，主动轮(5)与从动轮(6)从两侧对模拟焊条加以摩擦夹紧；主动轮(5)安装在步进电机(1)的电机轴上，在模拟焊条(2)内的下端部设置霍尔传感器I(13)，并在模拟焊条试件(15)中设置感应磁钢I(14)；在焊枪手把(9)上设置霍尔传感器II(11)，并在装夹把手(10)上与霍尔传感器相对应的部位设置感应磁钢II(12)；两个霍尔传感器均与单片机的输入接口连接；金属材料的模拟焊条下端头与单片机输入接口相连，并在焊接试板上接有正极直流电源；在焊枪上设置有检测模拟焊条复位的行程开关(17)，其与单片机输入接口相连，用以与模拟焊枪上的限位板配合检测模拟焊条复位情况并将信号送至单片机输入接口；单片机将采集到的信息通过自带的串行接口传输到主计算机的串行接口上，并由数字量输出端口输出产生驱动器的外部脉冲和输出产生驱动器的方向电平，同时控制驱动器的输出使能，驱动器的输出为四线制步进电机输出。
全文摘要
本发明提出的手工电弧焊模拟焊枪主要由步进电机(1)、模拟焊条(2)和主动轮(5)、焊枪手把(9)及装夹把手(10)构成；其中模拟焊条安装在直线轴承(3)中，主动轮与从动轮(6)从两侧对模拟焊条加以摩擦夹紧；主动轮安装在步进电机的电机轴上。步进电机工作由控制电路控制，用于精确控制主动轮带动模拟焊条回抽、归位或停止移动以模拟焊条的焊接过程。本发明主要是针对焊条电弧焊的焊接特点，通过控制模拟焊枪的动作，当焊工手持焊枪进行焊接操作时，焊枪能产生真实的动作反馈，控制电路根据检测到的不同的情况，控制电机的正转、停止、反转以及按某一固定速度值旋转。可模拟焊条的各种工作状态，通过模拟焊枪可达到快速培养焊工的操作手感。
文档编号G09B25/02GK101079200SQ20071005456
公开日2007年11月28日 申请日期2007年6月14日 优先权日2007年6月14日
发明者薛金保, 邹林, 张建勋, 王启宇, 卫建良, 聂敏, 裴怡, 梁振新, 黄挺, 王莉红 申请人:中国石油天然气第一建设公司