數(shù)字化埋弧自動(dòng)焊機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

1、第6卷第1期2006年3月上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)JOURNALOFSHANGHAIINSTITUTEOFTECHNOLOGYVol.6No.1Mar.2006文章編號(hào):1671-7333(2006)01-0035-05數(shù)字化埋弧自動(dòng)焊機(jī)控制器的設(shè)計(jì)金麗華,高輝云12(1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海200235;2.費(fèi)斯托(中國(guó))有限公司,上海201206)摘要:介紹了一種雙單片機(jī)80C196KB數(shù)字控制系統(tǒng)晶閘管整流焊機(jī)系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)方案。采用鍵盤和液晶顯示器(LCD)設(shè)計(jì)人機(jī)接口電路,達(dá)到簡(jiǎn)單、直觀地設(shè)計(jì)埋弧自動(dòng)焊規(guī)范參數(shù)預(yù)置、顯示等功能。利用不同的計(jì)算偏差進(jìn)行積分分離PID

2、控制算法調(diào)節(jié),獲得陡降、緩降、恒流及恒壓4種輸出靜特性。送絲速度采用電樞電壓和電弧電壓反饋進(jìn)行雙閉環(huán)PID控制。研制出的樣機(jī)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和適應(yīng)性。關(guān)鍵詞:埋弧焊機(jī);數(shù)字化;人機(jī)接口;+中圖分類號(hào):TP202.1:TheDeDigitalControlSystemforSubmergedarcWelderJINLi2hua,GAOHui2yun(1.SchoolofMechanicalandAutomationEngineering,ShanghaiInstituteofTechnology,Shanghai200235,China;2.Festo(China)CompanyLtd.

3、,Shanghai201206,China)Abstract:Thehardwareandsoftwaredesignofadigitalcontrolsystembasedontwopiecesof80C196KBMCUisintroducedinthispaper.Byadoptingkeyboardandliquidcrystaldisplay,aman2machineinterfacehasbeendesigned,whichcansetanddisplaysubmergedarcweldingparameterseasilyanddirectly.AndcontrolledbyPIa

4、lgorithmwithdifferenterrorcalculations,theweldingpowersourceacquiredtheoutputcharacteristicsofconstantcurrent,constantvoltage,slowandquickcurrentdescending.Wirefeedingvelocityperformsmotorar2maturevoltagefeedbackandarcvoltagefeedbackrespectivelybytwoPIadjusters.Thesubmergedarcwelderpresentsgoodperfo

5、rmanceinstability,reliability,adaptabilityandoperateseasily.Keywords:submergedarcwelder;digitization;man2machineinterference;LCD;PIDadjuster埋弧焊是一種高效、高質(zhì)量的機(jī)械化焊接方法,在壓力容器、造船、橋梁、鐵路車輛、工程機(jī)械以及鋼結(jié)構(gòu)等生產(chǎn)行業(yè)發(fā)揮著重要作用。但模擬控制的埋弧焊機(jī)閉環(huán)控制由模擬電子電路完成,容易造成焊機(jī)性能分散,并很大程度上依賴于調(diào)試環(huán)節(jié)。收稿日期:2005-12-26作者簡(jiǎn)介:金麗華(1977-),女,助教,碩士。隨著數(shù)字控制技術(shù)迅速發(fā)展

6、,各種生產(chǎn)設(shè)備的性能更加完善,功能更加豐富,智能化程度不斷提高。采用數(shù)字控制技術(shù),是埋弧自動(dòng)焊機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。針對(duì)三相半控橋整流式焊接電源和直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的送絲機(jī)構(gòu),本文以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)埋弧自動(dòng)焊數(shù)字控制系統(tǒng),采用數(shù)字控制算法控制電36上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)第6卷源輸出特性、送絲速度和焊接速度。通過(guò)鍵盤和液晶顯示器完成埋弧自動(dòng)焊規(guī)范參數(shù)的預(yù)置、顯示及管理,為實(shí)現(xiàn)埋弧自動(dòng)焊專家系統(tǒng)打好基礎(chǔ)。使焊機(jī)的整機(jī)性能、操作性、適應(yīng)性和自動(dòng)化程度得以1,2較大提升。雜的多任務(wù)系統(tǒng),為了滿足焊接過(guò)程實(shí)時(shí)控制及電源多特性控制要求,為此設(shè)計(jì)2個(gè)單片機(jī)系統(tǒng),如圖1所示。一個(gè)為電源控制器,通過(guò)電源的輸出電流和電壓反饋

7、,控制其外特性和動(dòng)特性;另一個(gè)為過(guò)程控制器,通過(guò)電弧電壓和電樞電壓反饋,控制送絲速度和小車速度,由鍵盤及液晶顯示器完成參數(shù)預(yù)置、顯示及管理。兩個(gè)控制系統(tǒng)之間采用抗干擾能力較強(qiáng)的光電隔離數(shù)字量進(jìn)行串行通訊,相互交換焊接命令和數(shù)據(jù)。1控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)1.1控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)埋弧自動(dòng)焊接過(guò)程從控制角度來(lái)看是一個(gè)復(fù)11.2系統(tǒng)以單片機(jī)80C196KB為核心構(gòu)成電源控制系統(tǒng),如圖2所示。其片內(nèi)10位A/D轉(zhuǎn)換器擴(kuò)展了2通道采樣電路,用于實(shí)時(shí)采樣輸出焊接電壓和電流。焊接電壓和電流經(jīng)采樣電路進(jìn)入單片機(jī)模擬通道P0.0和P0.1。由8255擴(kuò)展的鍵盤及液晶顯示電路用于焊接參數(shù)的預(yù)置、顯示及管理。高速輸入口以

8、及P0、P1的部分口線構(gòu)成開(kāi)關(guān)輸入電路。單片機(jī)的串行口通過(guò)高速光耦構(gòu)成數(shù)字通訊接口,與埋弧焊過(guò)程控制系統(tǒng)交換焊接命令和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)復(fù)位、電源監(jiān)控和WDT功3能由IMP705芯片完成。該系統(tǒng)還擴(kuò)展一片256K的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CAT24WC256,用于存儲(chǔ)各種焊接專家系統(tǒng)參數(shù)。圖2電源控制系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)的高速輸出口與定時(shí)/計(jì)數(shù)器82C54共同組成3路同步觸發(fā)脈沖電路。計(jì)數(shù)器0工作于方波脈沖頻率發(fā)生器方式,計(jì)數(shù)脈沖CLK0來(lái)自單片機(jī)時(shí)鐘輸出CLKOUT,OUT0的脈沖輸出作為82C54計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)時(shí)鐘。82C54計(jì)數(shù)器1、2工作于硬件觸發(fā)單拍脈沖輸出第1期金麗華,等:數(shù)字化埋弧自動(dòng)焊

9、機(jī)控制器的設(shè)計(jì)37方式。其GATE1、GATE2端的正跳變觸發(fā)計(jì)數(shù)器,對(duì)置入的時(shí)間常數(shù)作減1計(jì)數(shù),當(dāng)計(jì)數(shù)器再次為零時(shí),將在OUT端輸出一個(gè)時(shí)鐘周期的低電平脈沖,此脈沖即為晶閘管的觸發(fā)脈沖。系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)為8MHz,單片機(jī)時(shí)鐘輸出頻率為4MHz,故晶閘管控制角為t0×t1×0.25s。第3路觸發(fā)脈沖由80C196KB的高速輸出口HSO.3獲得,用其定時(shí)器2作為HSO.0的時(shí)鐘源,設(shè)定HSO時(shí)間為t1+1,用同步脈沖SY3作為計(jì)數(shù)器2的復(fù)位源,并將HSO命令加以鎖定,這樣便可模擬82C54硬件觸發(fā)單拍脈沖輸出運(yùn)行方式,在HSO.0獲得同步觸發(fā)脈沖TR3。采用計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)晶

10、閘管導(dǎo)通角調(diào)節(jié),是保證電源動(dòng)特性快速調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。由于控制系統(tǒng)的采樣周期可通過(guò)t0和t1靈活選擇,不受同步信號(hào)和計(jì)數(shù)器周期的限制,因而能夠?qū)崿F(xiàn)移相角的快速調(diào)節(jié),。1.3調(diào)速電路調(diào)速電路如圖3所示,主要由電樞電路、激磁電路、同步觸發(fā)及采樣電路等組成。送絲驅(qū)動(dòng)采用110V直流伺服電機(jī),通過(guò)晶閘管BTA41調(diào)節(jié)電樞電壓;主電路與同步電路的電源取自同一變壓器,保證觸發(fā)電路與主電路同時(shí)過(guò)零,獲得精確的同步基準(zhǔn),同步信號(hào)SY由光電耦合器從同步變壓器兩端電壓獲取,接至82C54的GATE1;觸發(fā)脈沖TR來(lái)自該82C54的OUT1,經(jīng)微分電路及三極管放大后,由光控晶閘管TLP541G觸發(fā)晶閘管BTA41;單片機(jī)

11、的模擬通道ACH1通過(guò)前置電路采樣電樞電壓。工作原理:單片機(jī)由模擬通道實(shí)時(shí)采樣電樞電壓,與預(yù)置值比較求出誤差,根據(jù)積分分離PID控制算法運(yùn)算、并經(jīng)量化后得到數(shù)字觸發(fā)器時(shí)間常數(shù)的增量GATE1產(chǎn)生高跳,計(jì)數(shù)結(jié)束后,OUT1,以控制電機(jī),保證焊接過(guò)程穩(wěn)。圖3調(diào)速電路1.4鍵盤及液晶顯示電路鍵盤及液晶顯示電路如圖4所示。所用的液晶顯示器是EDM12864A。該液晶顯示器集驅(qū)動(dòng)、顯示于一體、功耗低,可靠性好。它不僅可直接顯示ASCII字符,還可顯示漢字(16×16點(diǎn)陣)及各種圖形。鍵盤主要包括數(shù)字鍵“0-9”、“.”、“取消”、“上翻”、“下翻”、“修改”、及“確認(rèn)”共16個(gè)鍵。鍵盤電路由8

12、0C196KB的P1口擴(kuò)展一片8255,考慮到8255的PA、PC口線擴(kuò)展液晶顯示器,故采用矩陣式鍵盤。該鍵盤由列線(8255的PB04PB3)和行線(8255的PB4PB7)構(gòu)成。2控制系統(tǒng)軟件2.1控制原理埋弧自動(dòng)焊過(guò)程是一個(gè)多參數(shù)系統(tǒng),不考慮焊接速度,可簡(jiǎn)化為雙輸入雙輸出系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入電壓相當(dāng)于給定電弧弧長(zhǎng),輸出參數(shù)則是送絲速度和焊絲熔化速度匹配的結(jié)果,即系統(tǒng)輸入為電流和弧長(zhǎng),輸出為焊接電流和送絲速度,電流38上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)第6卷和電壓通過(guò)等熔化速度和電源輸出特性方程約束。設(shè)計(jì)中采用兩組積分分離數(shù)字PID調(diào)節(jié)器實(shí)5現(xiàn)多變量解耦控制,圖5是陡降型電源外特性配合變速送絲的調(diào)節(jié)原理圖。

13、其中PID(1)用于電源外特性調(diào)節(jié),根據(jù)預(yù)置的焊接電流I1、電壓U1和目標(biāo)外特性曲線,由輸出電壓U2確定當(dāng)前目標(biāo)電流It,然后進(jìn)行電流負(fù)反饋PID調(diào)節(jié)。PID(2)完成電弧電壓正反饋調(diào)節(jié),獲得送絲電機(jī)電樞電壓的目標(biāo)值Vt,PID(3)則以Vt為目標(biāo)完成電樞電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)。圖4鍵盤及液晶顯示電路圖5埋弧自動(dòng)焊調(diào)節(jié)原理圖2.2積分分離數(shù)字PID控制算法積分分離PID控制基本思路:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí),取消積分作用,以免積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,超調(diào)量增大;當(dāng)被控量接近給定值時(shí),引入積分控制,以便消除靜差,提高控制精度。實(shí)際運(yùn)用中采用比例、積分、微分3種調(diào)節(jié)規(guī)律有機(jī)結(jié)合,達(dá)到快速敏捷、平穩(wěn)準(zhǔn)確

14、的調(diào)節(jié)效果。該電源控制系統(tǒng)主要針對(duì)埋弧自動(dòng)焊,同時(shí)還兼顧手工電弧焊、電渣焊等用途,設(shè)計(jì)了恒流、陡降、緩降和恒壓四種電源靜特性。埋弧自動(dòng)焊要求電源具有下降型外特性。理論上,外特性曲線越陡,焊接電流越穩(wěn)定,但自調(diào)節(jié)作用越小。為了提高電源的自適應(yīng),選擇恒定的斜外特性,使其在焊接時(shí)具有相對(duì)較強(qiáng)的自調(diào)節(jié)作用,大電流焊接時(shí)具有相對(duì)較小的電流變化率。電源外特性調(diào)節(jié)積分分離數(shù)字PID算法的表達(dá)式為:Tnu(n)=kpe(n)+Tie(j)j=0+TdTe(n)-e(n-1)e(n)=U0(n)-Ug(n)U0(n)=I0(n)-Ig+UgP(n)=u(n)-u(n-1)則P(n)=kpTdTe(n)-e(n-

15、1)+TTie(n)+e(n)-2e(n-1)+e(n-2)2.3過(guò)程控制流程過(guò)程控制軟件包括焊前準(zhǔn)備、引弧控制、過(guò)程控制及收弧控制共四部分組成,同時(shí)還需處理過(guò)流、過(guò)熱、同步出錯(cuò)、栽絲等故障報(bào)警。軟件流程第1期金麗華,等:數(shù)字化埋弧自動(dòng)焊機(jī)控制器的設(shè)計(jì)39如圖6所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,軟件規(guī)定:規(guī)范鑰匙時(shí),電流Ig、電壓Ug通過(guò)鍵盤進(jìn)行預(yù)置,范圍為:180A1250A和20V45V;“送絲”、“抽絲”鍵用于焊前調(diào)整焊絲位置;“焊接”鍵按下,系統(tǒng)則進(jìn)入引弧過(guò)程控制,送絲電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng),緩慢送絲,同時(shí)給數(shù)字觸發(fā)器82C54寫入適當(dāng)?shù)臅r(shí)間常數(shù),建立起空載電壓。引弧過(guò)程中,不斷采樣焊接電流和焊接電壓,

16、根據(jù)焊接電流采樣判斷焊絲是否與工件接觸,當(dāng)I>80A時(shí),表明焊絲與工件已經(jīng)接觸,采用高速回抽焊絲引弧,若I<80A,采用劃擦引弧,送絲驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)立即減緩送絲速度,焊接小車行走使焊絲在工件表面劃擦,由積分分離數(shù)字PID運(yùn)算控制焊接電源外特性及送絲速度,引燃電弧;引弧完成后進(jìn)入自動(dòng)焊接過(guò)程控制,主要包括電流負(fù)反饋和電壓正反饋積分分離數(shù)字PID運(yùn)算控制電源外特性和送絲速度。當(dāng)“停止”鍵按下后,進(jìn)入收弧階段控制,首先停小車,延時(shí)0.5s后,再關(guān)觸發(fā)電路,完成焊接全過(guò)程。圖6過(guò)程控制流程其中Kp、Ti、T分別為比例系數(shù)、積分時(shí)間和采樣周期,U0(n)、I0(n)為當(dāng)前的采樣電壓和電流。Ug(n

17、)為由目標(biāo)外特性所確定的當(dāng)前的目標(biāo)電壓。P(n)、P(n-1)為PI調(diào)節(jié)器本次和前一次調(diào)節(jié)的輸出。應(yīng)用中,選擇特性斜率在=-1/12-1/8(V/A)之間,采樣周期為0.3ms,積分時(shí)間2030ms,比率系數(shù)取值范圍0.012.0,為積分系數(shù)(其值為=0或=1)。路可以精確、快速的控制三相整流電路的電源特性和送絲速度輸出。(2)采用鍵盤及液晶顯示器,在數(shù)字化埋弧焊控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、直觀的設(shè)計(jì)焊接規(guī)范參數(shù)。(3)設(shè)計(jì)恒流、恒壓、陡降和緩降四種電源靜特性,滿足埋弧焊、手工電弧焊、氣體保護(hù)焊等工藝的要求。采用電弧電壓和電樞電壓雙反饋PI調(diào)節(jié)器的埋弧焊控制系統(tǒng),獲得滿意效果。(4)電源控制系統(tǒng)中擴(kuò)展

18、了一片256K的EEPROM芯片CAT24WC256,為以后數(shù)字化埋弧自動(dòng)焊嵌入式專家系統(tǒng)提供硬件電路基礎(chǔ)。(下轉(zhuǎn)第43頁(yè))3結(jié)論(1)基于兩片80C196KB單片機(jī)設(shè)計(jì)的雙控制系統(tǒng)能很好的滿足埋弧自動(dòng)焊電源與過(guò)程控制的要求;由計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的晶閘管同步觸發(fā)電第1期蔣忠仁:報(bào)關(guān)艙單及其XML設(shè)計(jì)43attributewiththatnamealreadyexists,itsvalueischanged.Iftheattributewiththatnamedoesnotex2ist,itiscreated.其含義為:對(duì)于屬性的名字串而方式的報(bào)關(guān),減少了通訊次數(shù)、通訊量和服務(wù)器占用時(shí)間;支持本地的

19、數(shù)據(jù)存放,保證了報(bào)關(guān)數(shù)據(jù)的安全性和正確性;強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能又使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高;此外,操作界面充分展現(xiàn)了Windows風(fēng)格,貼近用戶、使用方便,因而深得業(yè)界的歡迎和好評(píng)。參考文獻(xiàn):1王新民.VisualBasic程序設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用M.言,如果已經(jīng)存在,則改變它的值;如不存在,則創(chuàng)建它。其他各元素的設(shè)計(jì)原理雷同,不一一枚舉。結(jié)果,生成的XML艙單文件能夠被5.0以上的IE瀏覽器所支持,從而可以在網(wǎng)上發(fā)送,本案那個(gè)XML艙單在IE中的情形如圖4所示。3結(jié)語(yǔ)新版通關(guān)系統(tǒng)是為適應(yīng)大口岸、大物流、大通關(guān)的新形勢(shì)和方便各界報(bào)關(guān)而研制的。新系統(tǒng)緊跟海關(guān)業(yè)務(wù)改革、嚴(yán)密海關(guān)監(jiān)管制度、采用世界一流的EDI報(bào)關(guān)技術(shù),極大地加快了貨物的通關(guān)速度,因而是一個(gè)專業(yè)化、實(shí)踐表明,:Web北京:電子工業(yè)出版社,2004.2高陽(yáng).數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)與應(yīng)用M.北京:電子工業(yè)出版社,2004.3劉瑞新.VisualBasic程序設(shè)計(jì)教程M.北京:電子工業(yè)出版社,2004.F.XML實(shí)用技術(shù).:1999.icrosoftXMLSDK2.5EB/OL.http:/www.M,2001-06-16.(上接第34頁(yè))(3)此套邊緣罩的響應(yīng)