（机械电子工程专业论文）变极性pmig焊接设备辅助控制系统研制.pdf

摘要 摘要 变极性脉冲m i g 焊是一种新的焊接工艺方法，其综合了d c e p 脉冲m i g 焊 熔深较大、可以减少焊缝的熔合不良、电弧稳定性好和d c e nm i g 焊焊缝熔深 浅、焊丝熔化速度较快的特点，减小了焊缝的熔深，增加了焊丝的熔化速度，是 一种适合于薄板铝合金焊接的新方法。 研究薄板铝合金变极性脉冲m i g 焊接技术，更有效地控制焊接电流、电压 输出和熔滴过渡过程，提高焊接过程的稳定性、提高焊接速度，对于提高焊接效 率和焊接产品质量具有重要的意义。本课题是“变极性脉冲m i g 焊设备及焊接 稳定性研究”课题的一部分，主要针对变极性脉冲m i g 焊设备完成辅助控制电 路设计。主要包括：数字化的人机交互系统设计；送丝稳定、动态性能良好的送 丝调速系统。 首先，人机交互系统选用a t 8 9 s 8 2 5 2 为核心控制芯片，选用具有串行总线接 口的s d 7 2 1 8 a 键盘显示芯片完成了数字化人机交互系统软、硬件设计；采用 r s 4 8 5 总线实现主控系统和人机交互系统的数据交互：系统采用数字编码器和 键盘配合的方式实现焊接参数的选择和设定，同时还具有最优参数存储、调用等 功能。对研制的人机交互系统进行了抗高频干扰试验，证明具有良好的抗干扰性 能。 其次，本文用采样速度均方差值作为衡量送丝系统的动态稳定性指标，采用 l a b v i e w 软件设计了送丝机性能评估软件，利用该软件不但可以对送丝调速系 统做出评价，还可以指导调速系统的设计。 再次，从控制论的角度对转速负反馈、电压负反馈、电压负反馈配合电流正 反馈等三种转速调节方式进行了分析论述，采用电枢电压负反馈配合电流正反馈 方式设计了送丝机调速控制系统，并采用送丝机性能评估软件对调速系统进行了 优化。设计了与主控系统的接口隔离电路，采用线性光耦对模拟信号进行隔离， 普通光耦对数字信号进行隔离。 最后，对本文设计的送丝机调速系统与n b c 一3 5 0 焊机的调速系统进行了对 比试验，试验证明本文设计的调速控制系统具有良好的动态稳定性和良好的控制 精度。 关键词：变极性；人机交互系统； 送丝调速系统 a b s t r a c t n l ev a r i a b l ep 0 1 a r h yp 山e dm i gi san e ww e l d i n gt e c h n o l o g y n1 1 a st h ep r e d o m i n a l l c eo f d c e pm i ga i l dd c e nm i gt h ed c e pm i gh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fd e e p e rp e n e t r a t i o nw h i c h c a l lr e d u c ed e f e c t i v e 如s i o na n d9 0 0 da r cs t a b i l i z a t i o n t h ed c e nm i gh a st h ec h a r a c t e r i s t i co f s h a l l o wp e n e t r a t i o no fw e l d i n gs e a m ，a n d 血ew e l d i n gw i r eh a sah i g hm e l t i n gs p e e ds ot h e v a r i a b l ep 0 1 撕t y ”l s e dm i gi san e wt e c h n o l o g yf o rt l l ew e l d i i l go f a l u m i n i u ma 1 1 0 ys h e e t nh a si m p o n a n ts i g n m c a n c et os n l d yt h ew e l d i n gt e c h n o l o 科o f v 撕a b l ep o l a r n yp u l s e dm i g f o rh i 曲e f n c i e n c yw e d i n ga n dg o o dq u a 】时o fw e l d i l l gp r o d u c t s w es h o u l dc d 船o l 也ew e l d i n g c u n 屯n t ，o u t p u tv 0 1 t a g ea i l dm ep r o s e s so fm e l t i l l gd r o pm o r ee f r e c t i v e l yt h ep a p e ri ss5 u b t o p i c o f 恤r e s e a r c ho f v a r j a b l ep o l 撕t yp u l s e dm i gw e l d i n gd e v i c ea i l di l sw c l d i n gs t a b m z a t i o n t h e m a i nc o n t e mi sd e s i g no f d i g i t “m a 工l - m a c l l i 工l ei n t e r f k es y s 把m ，as p e e dr e g u l a t i n gs y s t e mo f g o o d s t a b i l i z a t i o na n dd y n a m i cp e r f 咖a n c e ；s o 盘w a r ef b ra p p r a i s i n gt h ep e r ! f o 珊a n c ed f w i r ef e e d e l t h e 丘r s t ，ad i g i t a lm a i 卜m a c h i n ei n t e r f k es y s t e mu s i r 培a t 8 9 s 8 2 5 2s i n g l e c l l i pi sd e s i g n e d t h es y s t e mu s e ss 们2 1 8 ak e 灿a r d 斌印埘c h 译w i ms e r i a lb u si n t e r e t h ew e l d 吨 p a r 锄e t e r sc a l lb es e l e t e d 锄dr e g u l a t e de a s i l yw i t ht h ec o o p e r a t i o no fd i g i t a le n c o d e r 如d k e y s t o k e a t t h es a m e t i m e 也es y s t e m h 矗s t b e f h n c t i o n o f s t o 馏g ea n dc a no f o 面m u m p a r a m e t e r s t h em a n m a c h i n ei n 忙r f 如es y s t e mc o m m u n i c a t e sw i t ht h em a s t e rs y s t e mu s m gr s - 4 8 5b u s a i m m i n ga tt h em a n - m a 幽i n ei n t e 睡璩es y s t e m ，w eh 鲥pd o n ek 曲舶q u e i l c ya i l n - 洒t e r f e r e n c e e x p e r i m e n t ，np r o v e s 血a tt l l es y s t e mh 嬲g o o dp e d b n n a n c eo f a n 畦一i r l t e r f b 瑚l c e 1 m e c o n d ，w ea d o p t 也em e a n s q u a r e dd e v i a 6 0 no f s p e e da s 由e m d e xo fd y n a i l l j cs t d b l l t l y a n dd e s i g i la na p p r a i s a ls o f t w a r eo ft 1 1 ep e r f o m l a n c eo fw i r ef e e d c rt h es o 疗w a r ec a nn o t 。n l y a p p f a i s et h ep e r f o r n l a n c eo f w i f cf e e d e r b u tn e nt h e s i 琶no fs p e e d 犯酗a t m gs y s t e m ， 1 1 1 et l l i r d ，t h ep a p e ra n a l y s e sa i 】de x p a t i a i e s 恤屯em o d eo fs p e e dr e g u l a 廿n gw h i c ha r es p e e d n e g a t i v ef 副b a c k ，v o l t a g en e g a t i v ef e e d b a c ka n dv 0 1 t a g en e g a t i v ef & d b a c kp h 王sc u 铷燃p o s 缸如e f e e d b a c ka n dd e s i 粤l sas p e e dr e g u i a ：i i f 培c o n 订o ls y s t e ma d o p t i n gt h em o d eo fv o l t a g en e g a t i v e f 钝d b a c kp l u sc u t c e n tp o s 纯v ef 酰d b a c ka tt h es a m et m l ew eo p t 浊i 碍n l es p e e df e 鸽i a t i n gs y s t e m u s i n gm ea p p r a i s a ls o f h v a r eo f m ep e r f b 珊a 1 1 c eo f w i r ef e e d e lf i n a 】l yd e s i 印st 1 1 ei n t e r f k ec i u j t 、v i t ht h em a s t e rc o n t r o ls y s t e m t h e 如a l o gs i n g a li si s o l a t e db yi i n e a ro p t i c a 【i s o l a t o ra n dt h e d i 西t a ls i g n a li si s 0 1 a t e db yc o m m o no p 吐c a li s 0 1 a t o l f i n a l l 弘ac o m p a r i s o ne x p 丽m e n ti sp e r f o r m e db e t 、w e nt h es p e e dr e g u l a t i n gs y s t i 孙t h i s p a p e rd e s i g d e da n dt 1 1 es p e c df e g u l a t i n gs y s t e mo fn b c 3 5 0w e i d 如gp o w e rs o u r c e t h er e s u l t i n d i c a l e st h a tt h es y s t e mt l l i sp 印e rd e s i 印e dh a s9 0 0 dd y n a r n i cs t a b i l n ya n dc o n 昀la c c l l r a c y k e y w o r d sv a r i a b l ep 0 1 a r i t y ；m a i l m a c h i n ei n t e r f a c es y s t e m ；w i r es p e e dr e g u l a t i n g i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 日期：2 堕：i ：= i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名日期：2 1 1 ：曼：了 第】章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 薄板铝合金焊接存在的问题 随着产品轻量化、节省能耗以及特殊应用的增加，轻质铝合金材料以其优良的物 理、化学特性，在产品中的应用越来越多。由于销合金具有质量轻，高比强度、比 模量、断裂韧性、疲劳强度，具有良好的耐腐蚀性能以及在低温下能保持良好的机 械性能，可以获得重量轻而强度高的结构，与其它的轻质合金相比具有良好的成形 工艺和良好的焊接性，在航天航空工业、高速列车、地铁车辆、汽车、石油、化工、 船舶、海洋工程等领域得到了广泛的应用。 铝合金结构主要是采用通长、大型薄壁、中空挤压型材及板材等构成的焊接结构 形式，其中有很多薄板铝合金结构采用电弧焊。铝合金具有良好的导热性能，高温 时具有较大的膨胀率，而冷却时其有较大的收缩率，在薄板焊接过程中容易出现焊 穿、焊接变形大以及矫正困难等问韪，同时对装配间隙有严格的要求，斟此，薄板 铝合金电弧焊接有较大的难度。 薄板铝合金的焊接方法主要有钨极氩弧焊( t i g ) 、熔化极氩弧焊( m i g ) 等。 1 1 g 焊接薄板时焊接质量相对容易控制，但是焊接效率不高；m l g 焊是高效率的焊 接工艺，焊接薄板时效率很高，但是很难实现对熔池的有效控制。例如薄板铝台金 焊接时，为形成浅熔深焊缝，要求降低焊丝的熔化速度，在熔化速度低的情况下， 要形成良好的焊缝成形，则要求降低焊接速度，相应的便会加大熔深，容易出现熔 池下榻、烧穿等焊接缺陷。 脉冲m i g 焊是一种高效焊接工艺，所说的脉冲m i g 焊一般采用焊丝接正的方法， 即d c e p p m i g 焊。d c e p p m i g 焊接熔深较大，可以减少焊缝的熔合不良，电弧的 稳定性好，但在焊接薄板时，容易引起工件的烧穿，为了形成浅焊缝熔深，相应地 要减小焊接电流，降低焊丝的熔化速度，同时为了形成合适的焊缝成形，满足一定 的熔敷速度，只好降低焊接速度。这样就会加大焊缝熔深，容易出现熔池下塌、烧 穿的现象。 焊丝接负时的m i o 焊称为d c e nm i g 焊，其特点是电弧能量更多地用于焊丝的 加热，因此，焊缝的熔深浅、焊丝的熔化速度较快。但这种方法的主要问题是电弧 的稳定性差，焊缝成形不好，容易出现熔台不良、凸焊道等焊接缺陷，由于d c e n m i g 在焊接时对工件没有阴极雾化作用，不能用来焊接铝合金i i 。 在焊接时对工件没有阴极雾化作用，不能用来焊接铝合金i i 】。 。：! 一。一。，。一! 塞量i 些三耋至圭耋竺墼圣。，。，。，。： 。， 1 1 2 脉冲m i g 焊与d c e n m i g 概述 脉冲m i g 焊是一种焊接质量、焊接效率都很高的方法，其突出的优点是：焊接 电流调节范围宽，包括短路过渡到喷射过渡的所有电流区域，既能焊接厚板，也能 焊接薄板，焊接薄板时与短路过渡相比具有熔透性好、变形小、焊接效率高等特点； 脉冲电流在低于m i g 焊连续电流喷射过渡临界电流值的情况下，可实现射流过渡， 因此母材的热输入量低、焊接变形小，适用于全位置焊接；熔滴过渡过程可控性比 较强。 通常脉冲m i g 焊是通过脉冲控制熔滴过渡，其熔滴过渡采用稳定的熔滴过渡形 式一射滴过渡，包括多脉1 滴、1 脉l 滴和1 脉多漓3 种形式，通过改变脉冲频率就 可以改变熔滴过渡的滴数，也就是改变平均电流和焊丝熔化速度。其中1 脉1 滴过 渡形式十分稳定，熔滴尺寸接近焊丝直径，可以保证在小电流内实现稳定的焊接过 程，是一种最佳的熔滴过渡形式，是一种无飞溅的焊接方法。其特点是：适合焊接 薄板；适宜于全位置焊；在焊接不锈钢或铝合金时产生的烟雾少，在焊缝附近仅有 少量黑灰。因此，研究者们采取各种方法对熔滴过渡过程进行控制，以便获得1 脉1 滴的最佳熔滴过渡形式。 文献【2 ，3 研究表明：d c e nm i g 焊电极上的阴极斑点上下串动幅度大，使电弧 沿焊丝端上爬较高，对焊丝加热较多。在稳定焊接状态下，d c e nm i g 焊的焊丝熔 化速度大约是d c e pm i g 焊的焊丝熔化速度的1 5 倍，因而熔滴体积比d c e pm i g 焊的熔滴体积大，呈大滴过渡。由于d c e n m i g 焊的电弧呈束状、对工件的加热减 少、焊丝熔化速度快，使焊缝较窄、焊缝熔深浅、焊缝余高大。但是d c e pm i g 焊 时焊接熔池浅，容易出现融合不良、凸焊道等焊接缺陷，同时焊接过程稳定性不好， 对焊接工件没有阴极雾化效果，焊接工程中一般不采用这种工艺。 1 1 3 变极性p m i g 焊接方法的提出 变极性m i g 可以看成是由d c e pm i g 与d c e nm i g 交替转换构成，而变极性 p m i g ( p 表示脉冲) 可以看成是由d c e pp m i g 与d c e nm i g 交替转换构成。所以我 们从d c e pm i g 、d c e pp m i g 和d c e nm i g 的焊接现象中可以研究变极性p m i g 的一些现象。表1 1 是m i g 焊接极性和焊接现象。 第1 章绪论 表1 1m i g 电弧极性和焊接现象 t a b l e l - 1a r cp o a r n ya n dw e l d i n gp h e n o m e n o no f m i g d c e pp m i gd c e n m i g 焊接过度状态叁a 射滴过渡 大滴过渡 溶池状态 汆盈 焊接熔化速度 和d c e p m i g 基本相同 d c e p m i g 的1 5 倍 阴极雾化有无 焊接薄扳时的问题下塌、咬边、烧穿熔合不良、凸焊道 焊接薄板的方法变极性p m i g = d c e pp m i g 十d c e nm i g 所以d c e pp m i g 的焊接现象是：可实现熔滴喷射过渡，焊缝熔深大，焊丝熔化 速度与d c e pm i g 焊时基本相等，有良好的阴极雾化效果，焊接薄板时容易出现熔 池下榻、咬边等焊接缺陷。d c e nm i g 焊接现象是：熔滴大滴过渡，焊缝熔深浅， 焊丝熔化速度大约是d c e pm i g 焊的1 5 倍，无阴极雾化效果，焊接薄板时容易出 现融合不良、凸焊道等焊接缺陷。 实际焊接过程中，电弧形态、熔池形状、熔池过渡形式、焊丝熔化速度等因素影 响焊接质量。焊接薄板时，最容易出现熔池下塌、咬边、烧穿等焊接缺陷。所以在 焊接薄板时，影响熔池形状的因素以及如何控制熔池形状是影响焊接质量的重要问 题。综合d c e pp m i g 和d c e nm i g 的效果，焊接薄板时，解决问题的方案就是采 用变极性p m i g 方法。另外，交流电弧克服了直流电弧的磁偏吹现象，有利于提高 焊接质量。尤其在焊接薄板时，焊接电流较小，焊接电弧挺度弱，如果采用d cm i g 焊接电弧更容易产生电弧磁偏吹现象，给焊接过程控制以及稳定焊接质量带来难度， 所以采用变极性p m i g 焊接方法有其优势。 研究薄板铝合金变极性脉冲m i g 焊接技术，更有效地控制焊接电流、电压输出 和熔滴过渡过程，提高焊接速度、提高焊接过程的稳定性，对于提高焊接效率和焊 接产品的质量具有重要的意义。 1 2 变极性p g 焊接电源发展现状 交流m i g 焊是2 0 世纪9 0 年代出现的一种新的焊接方法，近年来，随着电力电 子技术的发展，逆变技术在焊接电源中的应用不断成熟，出现了矩形波交流焊接电 北京工亚大学工学硕士学位论文 源，电流过零速度极快，电弧空间的温度瞬时下降少，电流过零后电弧重新燃烧较 容易，使交流m i g 的研究开发工作取得了较大的进步。目前，研究的交流m i g 焊 多为交流脉冲m i g 焊。 1 2 1 变极性p m i g 国内发展现状 交流脉冲m i g 焊的技术关键是采用什么样的电流输出模式，如何实现对焊接电 流的控制，从而有效地控制熔滴过渡、焊缝的熔深、焊缝的成形。国内，对交流脉 冲m i g 焊的研究还处于初级阶段，目前采用的电流波形有四种h - 9 ，如图1 1 所示。 乙厂 l。 i 广_ j i l j f i ) 电灌过攀后加脉冲( 2 电= 瘴过等前加黯 申 图1 1 交流脉冲g 焊的电流控制波形 f j g t l 一lc u r r e n tc o n 删w a v e f 0 埘o f a cp m i gw e l d i n g 图1 1 中前3 种波形无法建立焊接电弧，最后一种电流波形称为双凹形电流波形， 在电弧极性变换时具有自稳弧功能。 清华大学提出双凹形电流波形即图1 一l 中波形( 4 ) 研究变极性p m i g 焊接电源， 该种方案具有自稳弧功能，但是在脉冲期间变换极性，增加了开关管的负担；在e n 、 e p 极性里都有两个脉冲，易造成多个熔滴过渡，很难实现对熔滴过渡的精确控制。 由于研究者的最初目的是解决直流脉冲焊中的磁偏吹问题，所以并没有解决薄板的 焊接问题。 北京工业大学已经研制出变极性p m l g 焊接电源，并对平板堆焊做了初步的研 究，获得良好的焊缝成形。但在电弧稳定性方面有待进一步改善。 1 2 1 变极性p m i g 国外发展现状 国外对变极性p m i g 的研究较多，主要集中在日本的0 t c 公司。目前已经研制 出电弧稳定性优异的微机控制i g b t 逆变式交流脉冲m i g 焊接电源，图1 - 2 为o t c 公司交流脉冲m i g 焊接系统框图。并对焊丝的熔化特性、焊缝的熔深等焊接工艺进 行了研究【，其中对薄板的搭接工艺研究较多，但是对熔滴过渡行为、熔池行为的 第1 章绪论 理论研究没有报导。 次逆变器 i 。e tl 过零电弧 电流波形控制 二次逆变器 极性切换控制 + 旦堕坠丛 光纤 焊接接口 机器人 控制器 电弧 电压检测1 l 异常电压 处理 v s e t 电压平均 机器人 示教盒 图1 2o t c 交流脉冲m i g 焊接系统框图 f 培1 - 2t h es c h e m e0 f v a r i a b l ep 0 1 a r 姆p u l s e dm i g c o r l 廿o ls y s t e mo f o t c 该公司目前已经研制出成型产品，并在汽车制造的薄板铝合金焊接中得到应用。 1 3 送丝机技术的发展现状 一套完整的送丝机系统由两部分组成：机械部分( 包括驱动电机及机械传动装置) 和控制电路。目前，送丝机的驱动电机广泛采用直流伺服电机或转动力矩大、电枢 惯性小的印刷电机。传动装置多采用两轮或四轮压紧机构。在现在的技术条件下， 无论是提高电机性能，还是改造传动装置都将是一个长期的任务。因此送丝机的控 制方式、控制算法和控制电路的研究成为提高送丝机性能的有效途径。 对于直流电机而言，对其速度进行控制的主要方法是改变电枢电压，即改变电枢 电流的方法1 1 1 3 1 。图1 3 为直流电动机调节特性曲线。图中o 为始动电压，丁为 电磁转矩，从图中可以看出，当电磁转矩一定时，直流电机的稳态转速 电机电枢 电压巩呈线性关系，其关系表达式为： h = 后移。一u 。o ) ( 1 1 ) 尼：l( 1 2 ) c 。中 = 等 ( 1 3 ) 式中国电势系数； 巾磁通； c r 力矩系数； r ，电枢电阻； 七一调节特性斜率； u o 始动电压； z ，_ 一电磁转矩 其中七称为调节特性斜率，与负载无关，仅由电机本身的参数决定。 所以通过调节电枢电压乩，就可以实现调节送丝速度的目的。反之，为实现送 丝速度的稳定，就必须使电枢电压随负载转矩或送丝速度的改变而自动调整和变化。 图1 3 直流电机调节特性曲线 f i g 1 3t h ea d j u s 廿n gc h 甜a c t e r i s t i cc u r v eo f d cm o t o r 在模拟的控制方式中，为实现电机转速的自动调节过程，通常采用电枢电压负反 馈、电枢电压负反馈、转速负反馈的方式组成闭环控制系统，通过控制电路控制功 率输出，从而达到调节电枢电压实现送丝速度的稳定。 现在广泛应用的模拟控制方式中，其控制电路主要采用两种方式，一种是通过改 变阻容网络的硬件参数，从而改变控制电路的时间常数r ，通过功率电路来调节输 出电压。另一种是采用专用的p w m 控制芯片，通过p w m 控制芯片，输出不同大小 占空比的脉冲信号来控制功率电路的通断，进而调节输出电路的平均电压。 随着数字化电源的提出、研究、生产与应用，送丝机的控制方式也由模拟控制方 式向数字控制方式转变。目前国外的数字化送丝机已经实现系列化和产品化，国外 新型的数字化送丝机控制系统都是采用微处理器程序控制，采用转速反馈的调节方 式，在微处理器中预置多套控制程序，送丝机能根据不同的指令要求，启动不同的 控制程序来完成不同的控制要求。同时数字化的送丝机系统还提供了通讯接口，方 便与数字化焊接电源配套。 国内对送丝机的数字控制主要采用专用的p w m 控制芯片，通过芯片输出不同占空 比的脉冲来调节电机韵电枢电压，从而达到调节送丝速度的目的【4 ”。采用的p w m 控制芯片主要有t l 4 9 4 ，s g 3 5 2 5 ，u c 3 6 3 7 等。 1 4 本课题研究内容 本课题是“变极性脉冲m i g 焊设备及焊接稳定性研究”课题的一部分，变极性 脉冲m i g 焊是以数字信号处理器芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心，采用i g b t 二次 第1 章绪论 逆变技术研制的变极性脉冲m i g 焊控制系统，一次逆变实现内环的恒流控制，二次 逆变实现外环的恒压控制。其控制系统框图如图1 4 所示。 本课题的主要内容如下： ( 1 ) 以单片机为控制核心设计数字化的变极性脉冲m i g 焊接电源人机交互系 统，采用r s 一4 8 5 总线方式实现单片机与d s p 系统通讯，能够方便的实现焊接参数 的设置、存储、调用和显示。 ( 2 ) 采用模拟控制的方式设计送丝机调速控制系统。主要设计一套送丝稳定、 动态性能好的送丝系统，同时完成调速系统和d s p 系统的接口电路设计。 ( 3 ) 采用l a b v i e w 编写送丝机性能评估软件。 ( 4 ) 采用送丝机性能评估软件对所设计的调速控制系统进行动态稳定性优化， 并对送丝机调速系统进行工艺对比试验。 匣1 4 变极性脉冲g 焊控制系统框图 f 培1 - 4t h es c h e m eo f v a r i a b l ep o l a r i t yp u l s e dm i g c o r l 仃o ls y s t e m 第2 章人机交互系统设计 由于数字化技术具有无比的优越性，数字化产品已经深入到人们生活的各个 领域。目前关于数字化焊接电源的研究仍处于探索性研究阶段。一般认为数字化 焊接电源实际上就是将数字化技术运用到焊接电源的各个控制环节中。尤其是焊 接电源的核心控制部分。数字化焊接电源包括电源主电路、数字化的控制系统、 数字化的人机交互系统以及送丝系统的数字化控制。 人机交互系统是数字化电源的外在表现。人机交互系统是人机最直接的操作 界面，是操作者向c p u 输入信息、发出指令以及观察现场参数和信息的窗口， 因此，人机交互系统须具有友好性、灵活性、功能性、明确性、可靠性等特点【18 1 。 图2 1 是奥地利f f o 商u s 公司生产的t p s 系列m i g m a g 焊机的操作面板。 从面板可以看到，在一台数字化焊机上实现了p m i g 、直流m i g 、手弧焊、t i g 焊等多种工艺方法、不同材质、不同焊丝直径的焊接选择功能，其多功能特性可 见一斑。同时参数的给定旋钮只有一个，非常的灵活，这样就给操作者带来很大 的方便。总之从焊接方法的选择、参数设置与显示等可以看出，操作界面非常友 好。 图2 1t p s 系列m i g m 协g 焊机的操作面板 f 培2 - lc o n 怕lp 雠e lo f 螂 a l so f t p sm i g 瓜忪gp o w e rs o u r c e 美国m k 0 讧i l 汜踟1 s n l e ) 产品集团公司的m kc o b r a t i g1 5 0 焊机，具有用户友 好的l c d ( l i q u i dq y s t a ld i s p l a y ) 编程界面：美国m i l l e r 公司基于微处理器控制 的a u t o m a t i c m 型焊机，可在一个人机界面上进行m 1 0 、脉冲m i g 和自适应的 脉冲m 焊。上述焊机均是基于微处理器控制，由键盘设置功能和参数、通过 北京工业大学工学硕士学位论文 l c d 显示的人机界面，并以功能键的人机交互方式为主。 人机交互的常用方法有问答式对话、菜单交互、功能键、图符、命令语言界 面、查询语言界面、自然语言界面等，其中前三种适合于现场过程控制的人机交 互，后四种则适合于后台操作的人机交互【1 9 】。焊机的人机交互可分为焊前准备的 人机交互和焊接过程中的人枫交互，属于现场过程控制的人机交互情况，因此， 本系统中采用的是功能键这种人机交互方法。 对于弧焊控制系统而言，人机接口对速度要求较低，而对控制能力的要求较 高，对总线宽度的要求较低，一般8 位就已经足够。如果直接在d s p 上扩展人机 接口，这样会浪费d s p 芯片宝贵的外部控制资源。同时d s p 需要经常响应慢速 的人机接口中断，这样对d s p 的运算能力也是一个比较大的浪费。为使d s p 的 数据处理能力、高速性能得到充分的发挥，通常采用d s p + m c u 的方式，由单 片机来完成键盘、显示以及与主控系统通信等。 本文针对基于数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制的薄板铝合金变极性脉冲 焊设备，选择a t m e la t 8 9 s 8 2 5 2 单片机和s d 7 2 1 8 a 智能键盘显示控制芯片， 采用d s p + m c u 的通讯方式，设计了数字化焊机人机交互系统，通过按键、数 码管、发光二极管配合来指示和选择要设定的参数，使用数字编码器实现对焊接 参数的设定与调整。 。 2 1 面板设计要求及整体结构设计 变极性脉冲m i g 焊接电源是以d s p 芯片1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心的数字 化焊接电源。不仅要求实现对焊接过程、电流输出波形的精确控制，同样也要求 焊接参数的精确设定和实时显示。同时还应该具备最优参数存储、调用、掉电保 护的功能。 图2 2 为变极性脉冲m i g 焊电流波形示意图，图中由控制面板输入的焊接参 数包括e p 极性的脉冲电流审、e p 极性基值电流厶j 和岛、e n 极性的基值电流 、脉冲电流时间岛、基值时间锄。f 6 ，和的时间可由压频转换计算得出。其 它需要输入的焊接参数还有e n 比率、焊接电压、送丝速度等。另外具备气体检 测、点动送丝功能。 由于变极性脉冲m i g 焊接电源可调参数比较多，同时考虑到人机交互系统 友好、灵活、明确的特点。设计了数字化的人机交互系统：以a t 8 9 s 8 2 5 2 单片 机为核心，用数字编码器和键盘配合的方式实现焊接参数的选择和设定，利用片 内2 k 的e e p r o m 实现焊接参数存储及掉电保护等功能，采用r s - 4 8 5 标准总线 实现单片机与d s p 之间的数据交互。人机交互系统整体框图如图2 3 。 图2 2 变极性脉冲m i g 焊电流波形示意图 f i g 2 2n l e e n ts k e t c ho f v a r i a b l ep o l 撕t yp u l s e dm i g 划淞堞 图2 3 人机交互系统整体框图 f i g 2 3t h es c h e m eo f m 锄- m a c h i n e i n t e 噶es y s t e m 人机交互系统完成的主要功能如下： ( 1 ) 通过按键、发光二极管和数码管的配合实现功能参数的选择，即功能 参数可由发光二极管和数码管分别显示。 ( 2 ) 用数字编码器实现焊接电流、焊接电压、送丝速度等参数的设置调整。 ( 3 ) 所有设定参数可以即时保存，以实现开机时上次焊接参数重新调用及 掉电保护功能；参数改变与d s p 实时交互。 ( 4 ) 最优参数的存储和调用，可以存储2 0 组焊接参数。 ( 5 ) 实时显示焊接电流值和焊接电压值。 2 2 单片机和键盘显示芯片选择 美国a t m e l 公司a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机内部程序存储器采用f 1 a s h 存储器，并 且具有2 k 的e e p r o m 数据存储器，同时具有i s p 在线编程功能。考虑到要实现 焊接参数的保存和调用以及程序开发的简易性，我们选用该单片机为人机交互系 统的主控芯片。在作者实验室的其它焊接电源中，曾经使用i n t 笆l 8 2 7 9 为键盘 显示芯片，但在实践中发现该芯片的抗干扰性能不是很理想，容易出现芯片无反 应的现象。作为尝试，我们选择s d 7 2 1 8 a 为键盘显示芯片。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 1a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机特点 a t 8 9 s 8 2 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压、高性能c m o s8 位单片机， 片内含8 k 字节的可反复擦写的f 1 a s h 程序存储器和2 k 字节的e e p r o m 数据存 储器。器件采用a t m e l 公司高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s 5 1 指令系统及8 0 5 2 产品引脚兼容。 a t 8 9 s 8 2 5 2 除具有8 9 系列所共有的特性，如与8 0 c 5 2 引脚兼容；静态时钟 方式等，还增加了以下功能： ( 1 ) 8 k f l a s h 程序存储器，支持i s p 在线编程。 ( 2 ) 2 k 的e e p r o m ，从而提高了存储容量，支持i s p 在线编程。 ( 3 ) 含有9 个中断响应的能力。 ( 4 ) 含有s p i 接口。 ( 5 ) 含有w a t c h d o g 定时器。 ( 6 ) 含有双数据指针。 ( 7 ) 含有从电源下降的中断恢复。 图2 4 为a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机结构框图。 ， 图2 4a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机结构框图 f 培2 - 4t h eb l o c kd i a 挚锄o f a t 8 9 s 8 2 5 2 2 2 2 智能键盘显示芯片s d 7 2 1 8 a 特点 s d 7 2 1 8 a 是一片具有两线式串行接口的、可同时驱动8 位共阴极数码管( 或 6 4 只独立l e d ) 、1 0 0 b y t e s 静态r a m 的智能键盘显示驱动芯片，芯片可同时 连接多达6 4 键的键盘矩阵；s d 7 2 1 8 a 内部含有译码器，可直接接受1 6 进制码； 还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等；s d 7 2 1 8 a 通过 两线串行接口最多可级联8 片。图2 5 为s d 7 2 1 8 a 管脚分布图，管脚功能见附 录l 。 v 加 虻 v s s 黪骂 e 时 n yl j 嚣蚕 图2 5s d 7 2 1 8 a 管脚分布图 f i g 2 - 5p i i lc o n f i g u r a t i o no f s d 7 2 1 8 a 2 3 人机交互系统硬件设计 人机交互系统的硬件系统主要包括：单片机及其系统扩展、键盘显示接口电 路、数字编码器电路、串行接口通讯以及单片机和d s p 之间的双向通讯接口设 计。 2 3 1a t 8 9 s 8 2 5 2 和s d 7 2 1 8 a 的通讯接口 s d 7 2 1 8 a 采用串行方式与微处理器( 微控制器) 进行通讯，该串行方式通过 1 2 c 总线的形式实现，大大简化了系统的硬件设计。 1 2 c 串行总线是唧l i p s 公司推出的具备多主机系统所需的包括裁决和高低 速设备同步等功能的高性能串行总线。1 2 c 总线只有两根信号线，一根是数据线 s d a ，另一根是时钟线s c l 。图2 6 为通用1 2 c 结构图。 图2 6 通用1 2 c 结构图 f i 9 2 6g e n e r a l1 2 c b u sc o n 丘g l l r 甜伽 我们采用1 2 c 总线设计了单片机a t 8 9 s 8 2 5 2 与s d 7 2 1 8 a 的硬件接口。图2 7 翡缸肌龉稍钧此m如斌嘀皓m。虹斟刚州 ， n 砒 北京工业大学工学硕士学位论文 是单片机与s d 7 2 1 8 a 通讯接口图。 v c c 图2 - 7 a t 8 9 s 8 2 5 2 与s d 7 2 1 8 a 通讯接口图 f i g ，2 - 7t h ec o 姗u 1 1 i c a t i o ni m e r f 犯eb e t w e e na t 8 9 s 8 2 5 2a i l ds d 7 2 1 8 a c l k 为串行时钟线，d a l a 为数据线，c l k 和d a l 、a 均在漏极开路下运行， 所以c l k 和d a l a 要求使用上拉电阻。k e y 提供键盘中断信号，当s d 7 2 1 8 a 检测到有效的按键时，k e y 引脚变为低电平，并一直保持到按键结束。在此期 间，如果s d 7 2 1 8 a 接收到“读键盘数据指令”，则处于主发送方式，输出当前按 键的键盘代码；如果在收到“读键盘指令”时没有有效按键，s d 7 2 1 8 a 将输出 f f h 。 2 3 2 数字编码器接口设计 利用数字编码器可以很方便的实现各焊接参数的设置和调整，我们选用 b o 啪s 公司的3 3 1 5 系列编码器。图2 ，8 为3 3 1 5 系列编码器输出时序图。 c 幻鲥 c h 拍n 刚a o m c 幻s 酣 c h o m e l 8 o m 1 霁酊磊磊磊一 图2 83 1 5 系列编码器输出时序图 f i g 2 - 8w a v e f o m 肋m3 31 5s e r i a l si 1 1 c r e m e n t a ld 培n a le n c o d e r 为了单片机处理数据方便，设计了数字编码器调理电路如图2 9 所示，对数 字编码器的输出做了鉴相处理，当顺时针旋转时，在与门巩的3 脚出脉冲信号， 在与门的4 脚输出低电平；反之当逆时针旋转时，在与门的4 脚输出脉冲信号， 在与门巩的3 脚输出低电平。将处理后的两路信号即与门畴的3 脚和4 脚分别 连接到a t 8 9 s 8 2 5 2 单片机通用定时器计数器t o 和t 1 的输入引脚。与门的 3 脚和4 脚的输出波形如图2 - 1 0 和图2 1 1 。 第2 章人机交互系统设计 图2 9 数字编码器调理电路 f i g 2 - 9t h em o d u l a t i o nc i r c u i tf o rd i g t a le n c o d e r 图2 1 0 右旋时u 5 输出波形 f i g 2 - 1 0o u t p u tw a v e f o r n lo f u 5w h e nc i o c k w i s e 图2 - 1 1 左旋时u 5 输出波形 f 培2 - 1 1o u t p u tw a v e f o mo f u 5w h e na n t i c l o c k w i s e 2 3 3 键盘显示电路设计 变极性脉冲m i g 焊接电源的可调参数较多，为了方便地设置、调整和显示 各种参数，在键盘显示电路中，主要有以下几个按键：参数功能区有左右方向 键、试气键和点动送丝键；在参数存储调用区有加减键、存储键、调用键等。 北京工业大学工学硕士学位论文 采用数码管作为人机交互界面。 键盘一般可分为两种基本类型：非编码键盘和全编码键盘。非编码键盘的硬 件系统无编码逻辑，仅提供行列矩阵按键，键的识别、键的代码、去抖动等按键 保护均由软件完成，由于非编码键盘所需硬件少、价格便宜，广泛应用于各种工 业仪器仪表及相关产品中。全编码键盘有硬件系统实现对按键的编码，键盘编码 器可自动提供按键的编码，在新的按键按下之前，保持被按键的编码，同时产生 一个选通信号通知c p u 产生相应的操作。全编码键盘的主要技术关键在于硬件 处理，用户应用比较方便、简单1 2 0 】。我们选用的智能键盘显示芯片s d 7 2 1 8 a 能 够驱动8 位共阴极数码管，同时同时还可连接多达6 4 键的键盘矩阵。因为要同 时驱动8 位数码管和1 2 个发光二极管，所以采用两片s d 7 2 1 8 a 级联的方式。键 盘显示电路原理见附录2 。 2 3 4 串行数据通讯接口设计 串行通信因为传输距离远、接口设计简单、价格低廉等原因，在工业上获得 了广泛地应用。目前广泛使用的串行通信接口标准有r s 2 3 2 c 及r s 4 2 2 和 i 峪一4 8 5 【5 l 】。 r s 2 3 2 c 既是协议标准又是电气标准，它描述了在终端和通信设备之间信息 交换的方式和功能