数字化埋弧自动焊机控制器的设计

1、第6卷第1期2006年3月上海应用技术学院学报JOURNALOFSHANGHAIINSTITUTEOFTECHNOLOGYVol.6No.1Mar.2006文章编号:1671-7333(2006)01-0035-05数字化埋弧自动焊机控制器的设计金丽华,高辉云12(1.上海应用技术学院机械与自动化工程学院,上海200235;2.费斯托(中国)有限公司,上海201206)摘要:介绍了一种双单片机80C196KB数字控制系统晶闸管整流焊机系统软、硬件设计方案。采用键盘和液晶显示器(LCD)设计人机接口电路,达到简单、直观地设计埋弧自动焊规范参数预置、显示等功能。利用不同的计算偏差进行积分分离PID

2、控制算法调节,获得陡降、缓降、恒流及恒压4种输出静特性。送丝速度采用电枢电压和电弧电压反馈进行双闭环PID控制。研制出的样机具有良好的稳定性、可靠性和适应性。关键词:埋弧焊机;数字化;人机接口;+中图分类号: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埋弧焊是一种高效、高质量的机械化焊接方法,在压力容器、造船、桥梁、铁路车辆、工程机械以及钢结构等生产行业发挥着重要作用。但模拟控制的埋弧焊机闭环控制由模拟电子电路完成,容易造成焊机性能分散,并很大程度上依赖于调试环节。收稿日期:2005-12-26作者简介:金丽华(1977-),女,助教,硕士。随着数字控制技术迅速发展

6、,各种生产设备的性能更加完善,功能更加丰富,智能化程度不断提高。采用数字控制技术,是埋弧自动焊机发展的必然趋势。针对三相半控桥整流式焊接电源和直流电机驱动的送丝机构,本文以单片机为核心设计埋弧自动焊数字控制系统,采用数字控制算法控制电36上海应用技术学院学报第6卷源输出特性、送丝速度和焊接速度。通过键盘和液晶显示器完成埋弧自动焊规范参数的预置、显示及管理,为实现埋弧自动焊专家系统打好基础。使焊机的整机性能、操作性、适应性和自动化程度得以1,2较大提升。杂的多任务系统,为了满足焊接过程实时控制及电源多特性控制要求,为此设计2个单片机系统,如图1所示。一个为电源控制器,通过电源的输出电流和电压反馈

7、,控制其外特性和动特性;另一个为过程控制器,通过电弧电压和电枢电压反馈,控制送丝速度和小车速度,由键盘及液晶显示器完成参数预置、显示及管理。两个控制系统之间采用抗干扰能力较强的光电隔离数字量进行串行通讯,相互交换焊接命令和数据。1控制系统硬件电路设计1.1控制系统总体结构埋弧自动焊接过程从控制角度来看是一个复11.2系统以单片机80C196KB为核心构成电源控制系统,如图2所示。其片内10位A/D转换器扩展了2通道采样电路,用于实时采样输出焊接电压和电流。焊接电压和电流经采样电路进入单片机模拟通道P0.0和P0.1。由8255扩展的键盘及液晶显示电路用于焊接参数的预置、显示及管理。高速输入口以

8、及P0、P1的部分口线构成开关输入电路。单片机的串行口通过高速光耦构成数字通讯接口,与埋弧焊过程控制系统交换焊接命令和数据。系统复位、电源监控和WDT功3能由IMP705芯片完成。该系统还扩展一片256K的EEPROM数据存储器CAT24WC256,用于存储各种焊接专家系统参数。图2电源控制系统通过单片机的高速输出口与定时/计数器82C54共同组成3路同步触发脉冲电路。计数器0工作于方波脉冲频率发生器方式,计数脉冲CLK0来自单片机时钟输出CLKOUT,OUT0的脉冲输出作为82C54计数器1、计数器2计数时钟。82C54计数器1、2工作于硬件触发单拍脉冲输出第1期金丽华,等:数字化埋弧自动焊

9、机控制器的设计37方式。其GATE1、GATE2端的正跳变触发计数器,对置入的时间常数作减1计数,当计数器再次为零时,将在OUT端输出一个时钟周期的低电平脉冲,此脉冲即为晶闸管的触发脉冲。系统时钟设计为8MHz,单片机时钟输出频率为4MHz,故晶闸管控制角为t0×t1×0.25s。第3路触发脉冲由80C196KB的高速输出口HSO.3获得,用其定时器2作为HSO.0的时钟源,设定HSO时间为t1+1,用同步脉冲SY3作为计数器2的复位源,并将HSO命令加以锁定,这样便可模拟82C54硬件触发单拍脉冲输出运行方式,在HSO.0获得同步触发脉冲TR3。采用计数器级联的方法实现晶

10、闸管导通角调节,是保证电源动特性快速调节的关键。由于控制系统的采样周期可通过t0和t1灵活选择,不受同步信号和计数器周期的限制,因而能够实现移相角的快速调节,。1.3调速电路调速电路如图3所示,主要由电枢电路、激磁电路、同步触发及采样电路等组成。送丝驱动采用110V直流伺服电机,通过晶闸管BTA41调节电枢电压;主电路与同步电路的电源取自同一变压器,保证触发电路与主电路同时过零,获得精确的同步基准,同步信号SY由光电耦合器从同步变压器两端电压获取,接至82C54的GATE1;触发脉冲TR来自该82C54的OUT1,经微分电路及三极管放大后,由光控晶闸管TLP541G触发晶闸管BTA41;单片机

11、的模拟通道ACH1通过前置电路采样电枢电压。工作原理:单片机由模拟通道实时采样电枢电压,与预置值比较求出误差,根据积分分离PID控制算法运算、并经量化后得到数字触发器时间常数的增量GATE1产生高跳,计数结束后,OUT1,以控制电机,保证焊接过程稳。图3调速电路1.4键盘及液晶显示电路键盘及液晶显示电路如图4所示。所用的液晶显示器是EDM12864A。该液晶显示器集驱动、显示于一体、功耗低,可靠性好。它不仅可直接显示ASCII字符,还可显示汉字(16×16点阵)及各种图形。键盘主要包括数字键“0-9”、“.”、“取消”、“上翻”、“下翻”、“修改”、及“确认”共16个键。键盘电路由8

12、0C196KB的P1口扩展一片8255,考虑到8255的PA、PC口线扩展液晶显示器,故采用矩阵式键盘。该键盘由列线(8255的PB04PB3)和行线(8255的PB4PB7)构成。2控制系统软件2.1控制原理埋弧自动焊过程是一个多参数系统,不考虑焊接速度,可简化为双输入双输出系统。系统的输入电压相当于给定电弧弧长,输出参数则是送丝速度和焊丝熔化速度匹配的结果,即系统输入为电流和弧长,输出为焊接电流和送丝速度,电流38上海应用技术学院学报第6卷和电压通过等熔化速度和电源输出特性方程约束。设计中采用两组积分分离数字PID调节器实5现多变量解耦控制,图5是陡降型电源外特性配合变速送丝的调节原理图。

13、其中PID(1)用于电源外特性调节,根据预置的焊接电流I1、电压U1和目标外特性曲线,由输出电压U2确定当前目标电流It,然后进行电流负反馈PID调节。PID(2)完成电弧电压正反馈调节,获得送丝电机电枢电压的目标值Vt,PID(3)则以Vt为目标完成电枢电压负反馈调节。图4键盘及液晶显示电路图5埋弧自动焊调节原理图2.2积分分离数字PID控制算法积分分离PID控制基本思路:当被控量与设定值偏差较大时,取消积分作用,以免积分作用使系统稳定性降低,超调量增大;当被控量接近给定值时,引入积分控制,以便消除静差,提高控制精度。实际运用中采用比例、积分、微分3种调节规律有机结合,达到快速敏捷、平稳准确

14、的调节效果。该电源控制系统主要针对埋弧自动焊,同时还兼顾手工电弧焊、电渣焊等用途,设计了恒流、陡降、缓降和恒压四种电源静特性。埋弧自动焊要求电源具有下降型外特性。理论上,外特性曲线越陡,焊接电流越稳定,但自调节作用越小。为了提高电源的自适应,选择恒定的斜外特性,使其在焊接时具有相对较强的自调节作用,大电流焊接时具有相对较小的电流变化率。电源外特性调节积分分离数字PID算法的表达式为: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)则P(n)=kpTdTe(n)-e(n-

15、1)+TTie(n)+e(n)-2e(n-1)+e(n-2)2.3过程控制流程过程控制软件包括焊前准备、引弧控制、过程控制及收弧控制共四部分组成,同时还需处理过流、过热、同步出错、栽丝等故障报警。软件流程第1期金丽华,等:数字化埋弧自动焊机控制器的设计39如图6所示。首先进行系统初始化,软件规定:规范钥匙时,电流Ig、电压Ug通过键盘进行预置,范围为:180A1250A和20V45V;“送丝”、“抽丝”键用于焊前调整焊丝位置;“焊接”键按下,系统则进入引弧过程控制,送丝电机正向转动,缓慢送丝,同时给数字触发器82C54写入适当的时间常数,建立起空载电压。引弧过程中,不断采样焊接电流和焊接电压,

16、根据焊接电流采样判断焊丝是否与工件接触,当I>80A时,表明焊丝与工件已经接触,采用高速回抽焊丝引弧,若I<80A,采用划擦引弧,送丝驱动系统立即减缓送丝速度,焊接小车行走使焊丝在工件表面划擦,由积分分离数字PID运算控制焊接电源外特性及送丝速度,引燃电弧;引弧完成后进入自动焊接过程控制,主要包括电流负反馈和电压正反馈积分分离数字PID运算控制电源外特性和送丝速度。当“停止”键按下后,进入收弧阶段控制,首先停小车,延时0.5s后,再关触发电路,完成焊接全过程。图6过程控制流程其中Kp、Ti、T分别为比例系数、积分时间和采样周期,U0(n)、I0(n)为当前的采样电压和电流。Ug(n

17、)为由目标外特性所确定的当前的目标电压。P(n)、P(n-1)为PI调节器本次和前一次调节的输出。应用中,选择特性斜率在=-1/12-1/8(V/A)之间,采样周期为0.3ms,积分时间2030ms,比率系数取值范围0.012.0,为积分系数(其值为=0或=1)。路可以精确、快速的控制三相整流电路的电源特性和送丝速度输出。(2)采用键盘及液晶显示器,在数字化埋弧焊控制系统中实现简单、直观的设计焊接规范参数。(3)设计恒流、恒压、陡降和缓降四种电源静特性,满足埋弧焊、手工电弧焊、气体保护焊等工艺的要求。采用电弧电压和电枢电压双反馈PI调节器的埋弧焊控制系统,获得满意效果。(4)电源控制系统中扩展

18、了一片256K的EEPROM芯片CAT24WC256,为以后数字化埋弧自动焊嵌入式专家系统提供硬件电路基础。(下转第43页)3结论(1)基于两片80C196KB单片机设计的双控制系统能很好的满足埋弧自动焊电源与过程控制的要求;由计数器级联构成的晶闸管同步触发电第1期蒋忠仁:报关舱单及其XML设计43attributewiththatnamealreadyexists,itsvalueischanged.Iftheattributewiththatnamedoesnotex2ist,itiscreated.其含义为:对于属性的名字串而方式的报关,减少了通讯次数、通讯量和服务器占用时间;支持本地的

19、数据存放,保证了报关数据的安全性和正确性;强大的数据管理功能又使系统的稳定性得到提高;此外,操作界面充分展现了Windows风格,贴近用户、使用方便,因而深得业界的欢迎和好评。参考文献:1王新民.VisualBasic程序设计与数据库应用M.言,如果已经存在,则改变它的值;如不存在,则创建它。其他各元素的设计原理雷同,不一一枚举。结果,生成的XML舱单文件能够被5.0以上的IE浏览器所支持,从而可以在网上发送,本案那个XML舱单在IE中的情形如图4所示。3结语新版通关系统是为适应大口岸、大物流、大通关的新形势和方便各界报关而研制的。新系统紧跟海关业务改革、严密海关监管制度、采用世界一流的EDI报关技术,极大地加快了货物的通关速度,因而是一个专业化、实践表明,:Web北京:电子工业出版社,2004.2高阳.数据库技术与应用M.北京:电子工业出版社,2004.3刘瑞新.VisualBasic程序设计教程M.北京:电子工业出版社,2004.F.XML实用技术.:1999.icrosoftXMLSDK2.5EB/OL.http:/www.M,2001-06-16.(上接第34页)(3)此套边缘罩的响应