臺灣博碩士論文加值系統

本論文旨在研發適用不同材質鐵釘之泛用型捲釘熔接機，提升熔接品質及產能。捲釘熔接機系統以可程式系統晶片(Programmable System on Chip, PSoC)為基礎，配合可程式控制器(Programmable Logic Controller, PLC)與規劃人機介面(Human/Man Machine Interface, HMI/MMI)達成可調式多脈波之電控訊號來進行數位控制。為方便實驗驗証策略之可行性，建立捲釘熔接電路模型進行研究，再應用至實際機台。於硬體電路上，針對傳統捲釘系統架構，進行熔接電路與電控系統分析，提出熔接電路元件修改與可調式多脈波策略，實驗證實具有焊接能量均勻化、降低電流峰值之優勢。提出的新型捲釘機系統架構，配合可調式多脈波策略，經實驗証明其可行性，與傳統捲釘機系統架構相較，確實可達高效率與降低成本之優勢。於溫度分析上，本論文藉由調整捲釘熔接機台之焊釘速度，探討變壓器溫度變化情形，實驗證實變壓器溫度確實操作於額定溫度之內，亦表示泛用型捲釘機台能長時間運作，以達成高品質與高產能之目標。

In this thesis, a new collator circuit is proposed to improve nail collator. Developed nail collator can meet various nails. The control system of collator circuit based on Programmable System on Chip (PSoC), integrates with both Program Logic Controller (PLC) and programming Human/Man Machine Interface (HMI/MMI). A flexible multi-pulse digital control is achieved in the adopted control algorithm. A welding circuit model is established to verify the control approach. These results are used in the practical nail collator. The welding circuit and electrical control system of traditional nail collator are analyzed first. Then, the modification of welding circuit elements and the control strategy of flexible multi-pulse are proposed. The proposed method is verified through the experimental results. The proposed control scheme has the advantages of averaging weld energy and reducing peak current. Furthermore, a new nail collator is presented in this thesis. The new nail collator with flexible multi-pulse scheme is verified by experimental. Compared with traditional nail collator, the proposed nail collator has advantages of high efficiency and low cost. Since velocity of nail collator deeply depends on transformer temperature, the variation of transformer temperature is also analyzed and discussed. The transformer temperature is always below the rating temperature during a long term testing. The proposed universal nail collator is tested to have good temperature performance. Finally, the design and implementation of nail collator with high performances is achieved.

目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻探討 2
1.3 研究方法與論文架構 3
第二章 捲釘熔接機系統架構與原理分析 4
2.1 前言 4
2.2 捲釘熔接機台簡介 5
2.3 鐵釘熔接原理分析 9
2.3.1 鐵釘熔接電路 9
2.3.2 鐵釘等效模型 10
2.4 捲釘機台同步訊號 11
2.5 影響鐵釘熔接因素 12
2.6 變壓器漏電感探討 13
2.7 捲釘機台動作流程 14
第三章 傳統捲釘機系統架構分析與模型電路建立 16
3.1 傳統捲釘機系統架構 16
3.2 傳統捲釘機熔接電路分析 17
3.3 傳統捲釘機熔接電路特性 21
3.4 傳統捲釘機熔接模型電路建立 22
3.5 模型電路電控系統 23
3.5.1 人機介面規劃 23
3.5.2 PLC系統規劃 25
3.5.3 系統晶片規劃 25
3.6 傳統捲釘機控制策略 27
3.7 模型實測結果與分析 28
3.8 熔接電路元件修改控制策略 33
3.8.1 熔接電路原理分析 33
3.8.2 實測結果與分析 33
第四章 傳統捲釘機台實測與分析 38
4.1 傳統捲釘機系統架構實測與分析 38
4.1.1 原始可調式多脈波實測 40
4.1.2 第一型可調式多脈波實測 42
4.1.3 第二型可調式多脈波實測 45
4.2 可調式多脈波策略優點 48
第五章 新型捲釘機系統架構分析與電控系統 49
5.1 新型捲釘機系統架構 49
5.2 新型捲釘機熔接電路分析 50
5.3 新型捲釘機電控系統 54
5.3.1 人機介面規劃 55
5.3.2 PLC系統規劃 56
5.3.3 PSoC晶片規劃 61
5.3.4 整合機板規劃 62
5.3.5 整合機板電路設計 63
5.3.6 整合機板設計原理 64
5.4 系統充放電路設計 66
第六章 新型捲釘機台實測與變壓器溫升分析 68
6.1 新型捲釘機系統架構實測與分析 68
6.1.1 第一型可調式多脈波實測 69
6.1.2 第二型可調式多脈波實測 73
6.1.3 熔接電路修改與可調式多脈波實測 78
6.2 新型捲釘機電路架構變壓器溫升實測與分析 80
6.2.1 變壓器溫升情形探討 80
6.2.2 變壓器溫升實測 81
6.2.3 釘輪轉速與焊釘數量 86
第七章 結論與未來展望 88
7.1 結論 88
7.2 未來展望 89
參考文獻 90

表目錄
表3-1 模型電路熔接編號之暫存器 24
表3-2 模型電路元件規格表 29
表3-3 模型電路之可調式多脈波相關設定 30
表3-4 R1與R2電阻修改情形 34
表3-5 R1與R2電阻修改特性比較 37
表4-1 傳統捲釘機電路元件規格表 38
表4-2 傳統捲釘機電路可調式多脈波之相關設定 39
表4-3 傳統捲釘機電路效率 47
表5-1 傳統與新型捲釘機電路元件數量表 51
表5-2 新型捲釘機電路熔接編號之暫存器 56
表5-3 傳送燈號顯示表 57
表5-4 PLC輸出入接點使用情形 57
表5-5 PLC暫存器使用情形 60
表6-1 新型捲釘機電路元件規格表 69
表6-2 新型捲釘機電路可調式多脈波之相關設定 69
表6-3 新型捲釘機電路效率 77
表6-4 新型捲釘機電路變壓器溫升可調式多脈波之相關設定 81
表6-5 不同脈波之變壓器溫度量測情形 83
表6-6 不同脈波之變壓器溫升情形 85
表6-7 釘輪轉速與焊釘數量表 86

圖目錄
圖2-1 捲釘熔接成品圖 4
圖2-2 捲釘熔接機台實體圖 5
圖2-3 人機介面 6
圖2-4 熔接電路實體圖 6
圖2-5 高功率熔接變壓器 7
圖2-6 機台內部規劃 7
圖2-7 平流道板 8
圖2-8 震動盤 8
圖2-9 鐵釘熔接實體圖 9
圖2-10 鐵釘熔接系統架構圖 10
圖2-11 鐵釘熔接等效電路圖 11
圖2-12 熔接感應同步訊號 12
圖2-13 變壓器結構圖 13
圖2-14 理想變壓器電路符號 13
圖2-15 考慮繞線電阻之變壓器模型 14
圖2-16 考慮繞線電阻與漏電感之變壓器模型 14
圖2-17 捲釘熔接機台動作流程圖 15
圖3-1 傳統捲釘熔接機系統流程示意圖 16
圖3-2 傳統捲釘熔接機系統架構 17
圖3-3 傳統捲釘熔接機系統之重要元件電壓與電流波形 18
圖3-4 傳統捲釘熔接機系統架構操作於模式一之等效電路圖 19
圖3-5 傳統捲釘熔接機系統架構操作於模式二之等效電路圖 20
圖3-6 傳統捲釘機模型電路 22
圖3-7 模型電路之訊號驅動電路 23
圖3-8 模型電路之人機介面設計 24
圖3-9 PSoC程式流程圖 26
圖3-10 可調式脈波設定 27
圖3-11 模型電路之控制策略 28
圖3-12 模型電路電控系統實體圖 29
圖3-13 模型電路原始脈波變壓器一次側電壓與電流波形 30
圖3-14 實際電路原始脈波變壓器一次側電壓與電流波形 31
圖3-15 模型電路原始脈波變壓器二次側電壓與電流波形 31
圖3-16 實際電路原始脈波變壓器二次側電壓與電流波形 31
圖3-17 模型電路第一型脈波之變壓器一次側電壓與電流波形 32
圖3-18 模型電路第二型脈波之變壓器一次側電壓與電流波形 32
圖3-19 模型電路變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形(R1=2Ω，R2=15Ω) 34
圖3-20 模型電路變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形(R1=4Ω，R2=30Ω) 34
圖3-21 模型電路變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形(R1=20Ω，R2=140Ω) 35
圖3-22 模型電路變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形(R1=100Ω，R2=680Ω) 35
圖3-23 模型電路變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形(R1=200Ω，R2=1.5KΩ) 35
圖3-24 模型電路變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形(R1=1KΩ，R2=6.8KΩ) 35
圖3-25 模型電路變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形(R1=2KΩ，R2=15KΩ) 36
圖4-1 傳統電路配合可調式多脈波策略之重要元件電壓與電流波形 39
圖4-2 傳統電路原始脈波變壓器一次側電壓與電流波形 40
圖4-3 傳統電路原始脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅰ 40
圖4-4 傳統電路原始脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅱ 41
圖4-5 傳統電路原始脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅲ 41
圖4-6 傳統電路原始脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅳ 41
圖4-7 傳統電路原始脈波變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形 42
圖4-8 傳統電路第一型脈波變壓器一次側電壓與電流波形 43
圖4-9 傳統電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅰ 43
圖4-10 傳統電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅱ 44
圖4-11 傳統電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅲ 44
圖4-12 傳統電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅳ 44
圖4-13 傳統電路第一型脈波變壓器一次側電壓與 電容電壓波形 45
圖4-14 傳統電路第二型脈波變壓器一次側電壓與電流波形 45
圖4-15 傳統電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅰ 46
圖4-16 傳統電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅱ 46
圖4-17 傳統電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅲ 46
圖4-18 傳統電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅳ 47
圖4-19 傳統電路第二型脈波變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形 48
圖5-1 新型捲釘熔接機系統流程示意圖 49
圖5-2 新型捲釘熔接機系統架構 50
圖5-3 新型捲釘機系統之重要元件電壓與電流波形 51
圖5-4 新型捲釘熔接機系統架構於操作模式ㄧ之等效電路圖 52
圖5-5 新型捲釘熔接機系統架構於操作模式二之等效電路圖 53
圖5-6 新型捲釘熔接機之電控系統架構 54
圖5-7 新型捲釘熔接機之人機介面設計 55
圖5-8 PLC設計流程圖 56
圖5-9 PLC程式編輯Ⅰ 59
圖5-10 PLC程式編輯Ⅱ 60
圖5-11 PLC程式編輯Ⅲ 60
圖5-12 PSoCⅠ程式流程圖 62
圖5-13 PSoCⅡ程式流程圖 62
圖5-14 整合機板實體圖 64
圖5-15 光耦合隔離示意圖 65
圖5-16 IGBT放大驅動示意圖 65
圖5-17 七段顯示器接線示意圖 66
圖5-18 新型捲釘熔接機系統充放電路 67
圖6-1 新型捲釘熔接機熔接電路實體圖 68
圖6-2 新型電路第一型脈波變壓器一次側電壓與電流波形 70
圖6-3 新型電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅰ 70
圖6-4 新型電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅱ 71
圖6-5 新型電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅲ 71
圖6-6 新型電路第一型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅳ 72
圖6-7 新型電路第一型脈波變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形 72
圖6-8 新型電路第一型脈波變壓器一次側電壓與iS電流波形 72
圖6-9 新型電路第一型脈波變壓器一次側電壓與i3電流波形 73
圖6-10 新型電路第二型脈波變壓器一次側電壓與電流波形 74
圖6-11 新型電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅰ 74
圖6-12 新型電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅱ 75
圖6-13 新型電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅲ 75
圖6-14 新型電路第二型脈波變壓器二次側電壓與電流波形Ⅳ 75
圖6-15 新型電路第二型脈波變壓器一次側電壓與C2電容電壓波形 76
圖6-16 新型電路第二型脈波變壓器一次側電壓與iS電流波形 76
圖6-17 新型電路第二型脈波變壓器三次側電壓與i3電流波形 77
圖6-18 雙端順向式轉換器 78
圖6-19 雙端順向式轉換器變壓器一次側電壓與電流波形 79
圖6-20 新型電路並聯C1-1電容 79
圖6-21 新型電路並聯C1-1電容變壓器一次側電壓與電流波形 79
圖6-22 新型電路變壓器溫度實測情形 81
圖6-23 新型電路第一型脈波變壓器溫度波形(轉速5rpm) 82
圖6-24 新型電路第一型脈波變壓器溫度波形(轉速10rpm) 82
圖6-25 新型電路第一型脈波變壓器溫度波形(轉速15rpm) 83
圖6-26 釘輪轉速與變壓器繞組末溫曲線圖 84
圖6-27 釘輪轉速與變壓器矽鋼片末溫曲線圖 84
圖6-28 釘輪轉速與變壓器繞組溫升長條圖 85
圖6-29 釘輪轉速與變壓器矽鋼片溫升長條圖 86

[1] 謝周宇，“高性能泛用型捲釘機之研製”，國立虎尾科技大學電機工程學系碩士學位論文，2007。
[2] 陳文資，“電阻點焊機定電流控制之研究”，國立彰化師範大學電機工程學系碩士學位論文，2004。
[3] 林志偉，“焊接品質鑑別之研究”，國立雲林科技大學機械工程學系碩士學位論文，2005。
[4] 蘇文欽，“板金工學理論與實技”，全華科技圖書公司，2004。
[5] 王盛昌，“電阻點銲過程中動態電阻與熱流之模擬”，國立中山大學機械工程研究所博士學位論文，2007。
[6] 宓哲民、顏見明、劉春山，“人機介面圖形監控”，全華科技圖書公司，2000。
[7] 宓哲民、劉春山，“VB圖形監控-F(A)X系列PLC”，新文京開發出版有限公司，2001。
[8] 拉達伊著、熊第京等，“焊接溫度場、殘餘應力、變形”，機械工業出版社，1997。
[9] 莊鴻壽，“焊接熱過程計算”，中國工業出版社，1958。
[10] 武傳松，“焊接熱過程數值分析”，哈爾濱工業大學出版社，1990。
[11] 陳楚等，“數值分析在焊接中的應用”，上海交通大學出版社，1985。
[12] Z. Paley and P. D. Hibbert, “Computation of Temperatures in Actual Weld Designs”, Welding Journal Research Supplement 54, pp. 385-400, Nov. 1975.
[13] X. Chen and K. Araki, “Fuzzy Adaptive Process Control of Resistance Spot Welding with A Current Reference Model”, IEEE ICIPS ''97, Vol. 1, pp. 190-194, Oct. 28-31, 1997.
[14] X. Chen, K. Araki and T. Mizuno, “Modeling and Fuzzy Control of the Resistance Spot Welding Process”, IEEE SICE ''97, pp. 989-994, Jul. 29-31, 1997.
[15] K. Araki, X. Chen, J. Chen, Y. Ishino and T. Mizuno, “Application of a Model Reference Fuzzy Adaptive Control to the Spot Welding System”, IEEE ICIPS ''96, pp. 1139-1144, Jul. 24-26, 1996.
[16] R. W. Messler, Jr., M. Jou and C. J. Li, “An intelligent control system for resistance spot welding using a neural network and fuzzy logic” , IEEE IAS ''95, Vol. 2, pp. 1757-1763, Oct. 8-12, 1995.
[17] S. M. Jun, G. S. Kim, J. M. Kim and C. Y. Won, “Power Control of Resistance Spot Welding System with High Dynamic Performance”, IEEE IECON ''97, Vol. 2, pp. 845-849, Nov. 9-14, 1997.
[18] C. L. Cheng, T. S. Chien, T. H. Li and M. Y. Wu, “Development of Universal Nail Collator Applying Programmable System on Chip”, Proceedings of the Taiwan Power Electronics Conference, pp. 1546-1550, 2007.
[19] 蘇文欽，“車身修理的不同鋼板電阻點焊最佳條件之研究”，逢甲大學工業工程研究所碩士論文，2001。
[20] X. Chen and K. Araki, “Fuzzy Adaptive Process Control of Resistance Spot Welding with A Current Reference Model”, IEEE ICIPS ''97, Vol. 1, pp. 190 -194 ,Oct. 28-31, 1997.
[21] W. F. Savage, E.F. Nippes and F. A. Wassel, “Dynamic Contact Resistance of Series Spot Welds” , Welding Journal Research Supplement 57, pp.43-50, 1978.
[22] 日本熔接協會，“熔接用語事典”，產報出版株式會社，1981。
[23] EAPRC，“電力電子學綜論”，全華科技圖書公司，2006。
[24] C. L. Cheng, J. C. Yeh, P. Y. Hsu, Y. H. Li and C. Y. Chen, “The Universal Nail Collator Based on DSP Control”, Proceedings of the Symposium on Electrical Power Engineering, pp. PD3.19.1-PD3.19.5, 2006.
[25] C. L. Cheng, C.Y. Chen, Y. H. Li, P. Y. Hsu and C.H. Liu, “Design and Implementation of Universal Nail Collator”, Proceedings of Taiwan Power Electronics Conference, pp. 346-351, 2006.
[26] C. L. Cheng, T. H. Li, T. S. Chien and M.Y. Wu, “Design and Implementation of Universal Nail Collator with Novel Circuit”, Proceedings of the Symposium on Electrical Power Engineering, pp. E8.6-1 ~ E8.6-6, 2007.
[27] C. J. Li, Y. T. Chu, P. W. Liu, Y. T. Chou and K. H. Chao, “Implementation of Solar LED Street Lights Using Programmable System on Chip”, Proceedings of Taiwan Power Electronics Conference, pp. 764-769, 2006.
[28] C. L. Cheng, S. C. Chern, J.C. Yeh and M. Y. Wu, “A Flexible Multi-Pulse Control Strategy for Universal Nail Collator”, IEEE PEDS2007, pp. 1554-1558, Nov. 27-30, 2007.
[29] 張英彬，“電力電子學”，高立圖書有限公司，1998。
[30] 王順忠，“電力電子學”，東華書局，1998。