基于PIC單片機(jī)的CO2焊機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)

1 引言
CO2氣體保護(hù)焊自從上世紀(jì)五十年代問世以來，就以高效、節(jié)能、低成本等特點受到人們極大的關(guān)注，已廣泛應(yīng)用于汽車、造船、航空航天、石油化工機(jī)械、農(nóng)機(jī)和動力機(jī)械等制造部門[1]。目前使用的CO2焊機(jī)主要有抽頭式、晶閘管式和逆變式等幾種型式，其中，抽頭式焊機(jī)在國內(nèi)仍占有不小的市場份額。近些年來，隨著計算機(jī)和自動控制技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代CO2焊機(jī)已從傳統(tǒng)的分立元件控制向集成化、數(shù)字化和智能化控制方向轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)焊接技術(shù)不斷發(fā)展的需要。
本研究用性價比高、抗干擾能力強(qiáng)的PIC單片機(jī)來控制抽頭式CO2焊機(jī)，通過軟件實現(xiàn)對焊機(jī)送絲速度和工作時序的數(shù)字化控制，并使其具有點焊、斷續(xù)焊、二/四步控制等多種功能，以降低控制電路的復(fù)雜性、增強(qiáng)焊機(jī)的工作可靠性。
2 PIC單片機(jī)簡介
PIC（Periphery Interface Chip）系列單片機(jī)是美國Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品[2, 3, 4]。PIC系列單片機(jī)的硬件系統(tǒng)設(shè)計簡潔，指令精練，是一種與國內(nèi)常用的MCS系列單片機(jī)截然不同的單片機(jī)。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)、精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set Collection）技術(shù)，實現(xiàn)了指令的單字節(jié)化和單周期化，大大提高了CPU執(zhí)行指令的速度和工作效率；它的I/O端口驅(qū)動負(fù)載的能力較強(qiáng)，可以直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED、光電耦合器和小型繼電器等；并且這種單片機(jī)集成度高，可以最大限度地減少外圍擴(kuò)展電路，實現(xiàn)純單片開發(fā)應(yīng)用，降低成本。
在本設(shè)計中，選用抗干擾能力強(qiáng)、I/O接口豐富的PIC16C711單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心。這款單片機(jī)由68字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、1K×14個程序存儲器、4路A/D轉(zhuǎn)換通道、8個I/O口、1個定時/計數(shù)寄存器等組成，具有上電復(fù)位和降壓復(fù)位等功能。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)CO2氣體保護(hù)焊工藝的要求，要求控制系統(tǒng)實現(xiàn)以下控制功能：
a) 焊接過程的時序控制；
b) 點焊/斷續(xù)焊/連續(xù)焊控制；
c) 焊接操作的二/四步控制；
d) 送絲電機(jī)的調(diào)速控制和能耗制動控制。
設(shè)計的基于PIC單片機(jī)的控制原理框圖如圖1所示。在焊接過程中，單片機(jī)控制系統(tǒng)完成了送電、送氣、送絲、焊槍開關(guān)狀態(tài)檢測、二/四步控制以及點焊/斷續(xù)焊/連續(xù)焊等的控制。
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斷續(xù)焊長度、斷續(xù)焊間距、送絲速度、滯后斷氣時間等的設(shè)定值經(jīng)過A/D通道讀入單片機(jī)，二/四步功能設(shè)定、焊槍開關(guān)狀態(tài)檢測通過I/O口讀入單片機(jī)，焊機(jī)送氣、送電控制以及送絲電機(jī)的PWM調(diào)速控制與能耗制動（停送絲控制）信號通過I/O口輸出。
因為在PIC16C711單片機(jī)中沒有直接輸出PWM信號的口，所以在設(shè)計時，把與送絲速度對應(yīng)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成在RB2口輸出的周期一定、高低電平延遲時間不同的信號，形成PWM信號。另外，為了在焊接結(jié)束時避免焊絲直接插入熔池，電路設(shè)計有送絲電機(jī)能耗制動快速停機(jī)功能。
4 軟件設(shè)計
本設(shè)計中控制軟件采用模塊化設(shè)計方法，以主程序為核心設(shè)置了許多功能子程序模塊，運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用功能子程序模塊，簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu)。主要的功能模塊有初始化程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、參數(shù)讀入子程序、時序控制子程序和各種延時子程序等。主程序流程框圖如圖2所示。
程序開始時，焊機(jī)上電，單片機(jī)立即進(jìn)行各個端口的初始化工作，初始化完成后，單片機(jī)控制系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，等待焊槍開關(guān)按下。一旦焊槍開關(guān)按下，焊接主電源接通，同時開始送氣；延時一段時間后，調(diào)用焊接功能參數(shù)讀入子程序，即讀入事先在面板上設(shè)定的滯后斷氣時間，并判斷二/四步控制和焊接方式（點焊、斷續(xù)焊或連續(xù)焊）。然后，按照讀入的送絲速度開始焊接。在焊接過程中，實時檢測送絲速度和焊接功能參數(shù)的變化，以便隨時調(diào)整送絲速度大小和焊接功能參數(shù)。焊接完成后，停止輸出PWM信號，通過能耗制動迅速停止送絲，根據(jù)設(shè)定的滯后斷氣時間延遲斷氣，等待下一次焊接。
下面給出了PWM信號產(chǎn)生子程序的程序清單。
PWM信號產(chǎn)生子程序：
BCF  STATUS, 5
         BCF  STATUS, 6
         BCF  PORTB, 2
         CALL  DELAY2
         BSF  PORTB, 2
         CALL  DELAY3
DELAY2:
         MOVF  BUF2, 0
         MOVWF  R5
DELAY2_1:
         NOP
         DECFSZ  R5, 1
     GOTO   DELAY2_1
         RETLW  0
DELAY3:
         MOVF  BUF5, 0
         MOVWF  R6
DELAY3_1:
         NOP
         DECFSZ  R6, 1
         GOTO  DELAY3_1
         RETURN
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5 焊接試驗
將設(shè)計的數(shù)字化控制系統(tǒng)應(yīng)用到實際的焊機(jī)中，通過數(shù)字信號記錄儀記錄相關(guān)波形，以驗證軟硬件設(shè)計的正確性。如圖3所示為四步斷續(xù)焊時序控制圖，通道CH1、CH2、CH3分別記錄焊機(jī)的送絲控制信號、焊槍開關(guān)信號和送電送氣控制信號。從圖3中可以看出，當(dāng)焊槍開關(guān)按下后，開始送電送氣，延遲約300ms后，開始送絲，接觸引弧，進(jìn)入焊接過程，松開焊槍開關(guān)后，繼續(xù)進(jìn)行焊接，再次按下焊槍開關(guān)時，啟動能耗制動以立即停止送絲，經(jīng)過一段返燒后電弧自動熄滅，最終根據(jù)事先設(shè)定的1s滯后時間停止送氣，并斷電。在二步控制時，需要一直按緊焊槍開關(guān)，松開焊槍開關(guān)，馬上停止焊接。
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6 結(jié)論
a) CO2焊機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)，充分利用了PIC單片機(jī)的資源，用少量的外圍電路實現(xiàn)了一個功能較完善、性能優(yōu)良的實用系統(tǒng)，降低了焊機(jī)成本。
b) 試驗結(jié)果表明，基于PIC單片機(jī)的CO2焊機(jī)數(shù)字化控制系統(tǒng)，設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)。