張秀峰，管功湖，李 祥，黃曉明，黃珍錫

(臺(tái)州學(xué)院，浙江臨海317000)

0 引 言

電阻焊是一種高效率的焊接方法，特別是單相交流點(diǎn)/縫焊機(jī)在各行業(yè)中應(yīng)用廣泛。隨著電阻焊應(yīng)用的不斷深入，對(duì)焊接質(zhì)量提出了更高的要求。電阻焊具有焊接電流大、焊接時(shí)間短的特點(diǎn)。其焊接過(guò)程是一個(gè)非線(xiàn)性、多變量耦合和大量隨機(jī)不確定因素的過(guò)程，熔核成形時(shí)間短，控制難度大。電阻焊目前普遍采用大功率晶閘管作為交流開(kāi)關(guān)，它的主要控制參數(shù)是焊接電流和焊接時(shí)間［1］。

隨著微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)以微機(jī)為核心的阻焊控制器正被廣泛應(yīng)用。但針對(duì)點(diǎn)焊機(jī)和縫焊機(jī)等需采用專(zhuān)用的控制器，點(diǎn)焊控制器主要以“加壓－焊接－維持－休止”四程序段為主，如文獻(xiàn)［2］所實(shí)現(xiàn)的。這些阻焊控制器功能單一，在性能控制上也不能滿(mǎn)足一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合。所以把點(diǎn)焊和縫焊等控制功能集成在一個(gè)控制器中，同時(shí)增加焊接程序段，具有更廣的應(yīng)用范圍。本文根據(jù)阻焊控制原理，研制以AVR單片機(jī)ATMEG 16為核心的多功能阻焊控制器。通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊、縫焊等焊接功能，做到對(duì)焊接時(shí)間和焊接電流進(jìn)行精確控制，同時(shí)采取網(wǎng)壓自動(dòng)補(bǔ)償?shù)拇胧?，以提高焊接質(zhì)量。采用按鍵操作和LED動(dòng)態(tài)顯示，并結(jié)合相應(yīng)的LED指示燈，顯示直觀，簡(jiǎn)單易懂，操作方便。同時(shí)具備故障自動(dòng)報(bào)警、單管導(dǎo)通保護(hù)功能。

1 控制原理

電阻焊機(jī)的主電路如圖1所示，兩個(gè)大功率晶閘管反并聯(lián)作為交流開(kāi)關(guān)，并且與焊接變壓器串聯(lián)構(gòu)成主電路，晶閘管的觸發(fā)電路主要由單片機(jī)等構(gòu)成。電阻焊機(jī)的主要控制參數(shù)是焊接電流和焊接時(shí)間。焊接電流的控制通過(guò)移相控制晶閘管的觸發(fā)角，焊接時(shí)間則采用周波控制。單片機(jī)根據(jù)取得的同步信號(hào)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，在特定時(shí)刻控制定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)使晶閘管導(dǎo)通?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)定不同的參數(shù)來(lái)產(chǎn)生不同的導(dǎo)通時(shí)間，以達(dá)到焊接電流的調(diào)節(jié)。

在焊接過(guò)程中，焊接電流的調(diào)節(jié)方法采用了文獻(xiàn)［2］闡述的熱量調(diào)節(jié)方法，給定熱量的調(diào)節(jié)范圍為H=0～99%。因α=φ+β，其中α為電壓控制角，φ為功率因數(shù)角，β為電流控制角，根據(jù)實(shí)際情況取β=0°～99°。如給定熱量H，可得β=99－H，則α=φ+(99－H)。由此計(jì)算α的移相定時(shí)量T=［φ+(99 －H)］×56 μs(一個(gè)單位刻度為1/180 s)，將每次計(jì)算的值送入定時(shí)器，在網(wǎng)壓過(guò)零時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，就能控制晶閘管觸發(fā)時(shí)刻，達(dá)到調(diào)節(jié)焊接電流的效果［2］。

圖1 晶閘管同步開(kāi)關(guān)電路

2 主要功能和焊接循環(huán)

電阻焊有點(diǎn)焊、縫焊、對(duì)焊等多種形式，控制器主要實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊和縫焊的焊接功能。其功能如下:

(1)點(diǎn)焊功能。可配接固定式、懸掛式等點(diǎn)焊機(jī)。實(shí)現(xiàn)的點(diǎn)焊焊接循環(huán)由“加壓－緩升－焊接－間隔－緩降－維持－休止”幾個(gè)階段組成，在實(shí)現(xiàn)基本的“加壓－焊接－維持－休止”四程序段基礎(chǔ)上增加緩升、緩降和間隔，以滿(mǎn)足一些特殊場(chǎng)合，如圖2所示。

圖2 點(diǎn)焊焊接循環(huán)過(guò)程

(2)縫焊功能。縫焊是用一對(duì)滾輪電極代替點(diǎn)焊的圓柱形電極，與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生一個(gè)個(gè)熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法?？p焊有連續(xù)縫焊和脈沖縫焊兩種方式，其中應(yīng)用最為廣泛的是脈沖縫焊，通過(guò)焊件連續(xù)移動(dòng)，而焊接電流則連續(xù)通斷，每通一次電流形成一個(gè)焊點(diǎn)，達(dá)到縫焊的目的，縫焊焊接過(guò)程如圖3所示。

圖3 縫焊焊接過(guò)程

(3)連續(xù)/斷續(xù)功能選擇。點(diǎn)焊時(shí)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)/單點(diǎn)控制，縫焊時(shí)形成連續(xù)/脈沖焊接選擇。

(4)參數(shù)設(shè)置與保存。焊接程序段的時(shí)間設(shè)置，范圍為0～199周波。焊接熱量的設(shè)置，范圍為0～99%?？纱鎯?chǔ)多套規(guī)范參數(shù)，并具有斷電自動(dòng)保存參數(shù)功能。

(5)點(diǎn)焊次數(shù)設(shè)置與計(jì)數(shù)顯示。該項(xiàng)功能可應(yīng)用于直流電機(jī)換向器的自動(dòng)點(diǎn)焊等特殊場(chǎng)合。

此外，控制器具備焊接循環(huán)指示、網(wǎng)壓自動(dòng)補(bǔ)償、單管導(dǎo)通保護(hù)等功能。

3 控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)組成

文獻(xiàn)［3］中提出的基于雙單片機(jī)的點(diǎn)焊控制系統(tǒng)，其中主控系統(tǒng)就是采用AVR單片機(jī)AT90S8535來(lái)實(shí)現(xiàn)，但該控制系統(tǒng)在硬件電路的實(shí)現(xiàn)上過(guò)于復(fù)雜。本控制器是以AVR單片機(jī)ATMEGA 16為核心的控制系統(tǒng)組成，由起動(dòng)電路、同步電路、晶閘管觸發(fā)電路、顯示電路、電機(jī)控制電路、氣閥控制電路等構(gòu)成了系統(tǒng)的外圍電路［3］。鍵盤(pán)、LED指示燈和LED數(shù)碼管組成了參數(shù)設(shè)置和顯示電路，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置多個(gè)工作方式。整個(gè)硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)構(gòu)成框圖

控制器的參數(shù)通過(guò)面板上的一組按鍵和對(duì)應(yīng)的LED指示燈配合輸入，再通過(guò)由MAX7221和LED數(shù)碼管組成的顯示電路顯示設(shè)置的參數(shù)［4－5］。

控制器設(shè)計(jì)有點(diǎn)焊/縫焊、調(diào)整/焊接、斷續(xù)/連續(xù)選擇功能。選擇調(diào)整時(shí)，可對(duì)設(shè)定的參數(shù)和焊接循環(huán)進(jìn)行焊接前的確認(rèn)，或?qū)ぜ暮附游恢眠M(jìn)行確定。如在點(diǎn)焊狀態(tài)下，選擇斷續(xù)焊接時(shí)，當(dāng)完成一次焊接操作后，在沒(méi)有重新起動(dòng)腳踏開(kāi)關(guān)時(shí)，不會(huì)進(jìn)入下一個(gè)焊接動(dòng)作。而選擇連續(xù)則自動(dòng)重啟下依次焊接動(dòng)作，直到放開(kāi)腳踏開(kāi)關(guān)才停止。在縫焊狀態(tài)下，當(dāng)選擇連續(xù)時(shí)，焊接電流是連續(xù)的，而選擇斷續(xù)時(shí)，則焊接電流是脈沖形式。

3.2 硬件系統(tǒng)的控制過(guò)程

控制器通過(guò)同步電路提供的同步信號(hào)來(lái)控制系統(tǒng)的工作步調(diào)，由網(wǎng)壓過(guò)零時(shí)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)作為其周波控制的時(shí)間基準(zhǔn)，同時(shí)也是作為晶閘管移相觸發(fā)角α的定時(shí)基準(zhǔn)。當(dāng)控制器開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行自檢，如沒(méi)有檢測(cè)到同步信號(hào)或者晶閘管出現(xiàn)短路等狀況，系統(tǒng)能夠發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過(guò)顯示器顯示出錯(cuò)代碼。當(dāng)踩下腳踏開(kāi)關(guān)起動(dòng)系統(tǒng)工作后，給出氣閥和電機(jī)的控制信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)完成各個(gè)程序段的延時(shí)周波數(shù)。

當(dāng)執(zhí)行焊接指令時(shí)，首先通過(guò)單片機(jī)發(fā)送的脈沖信號(hào)，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器，然后觸發(fā)晶閘管，晶閘管的觸發(fā)信號(hào)利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生高頻脈沖序列。然后系統(tǒng)將檢測(cè)晶閘管兩端的電流過(guò)零信號(hào)，確定一個(gè)晶閘管已經(jīng)關(guān)閉的情況下，在特定時(shí)刻觸發(fā)另一個(gè)晶閘管，如果發(fā)現(xiàn)單管導(dǎo)通，則立即停機(jī)，并同時(shí)通過(guò)顯示器顯示出錯(cuò)代碼。

4 控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分利用單片機(jī)自身充足的硬件資源和配套的開(kāi)發(fā)工具，采用C語(yǔ)言結(jié)合匯編語(yǔ)言的面向過(guò)程的模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)程序分為主程序和子程序兩部分。子程序用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能子模塊，各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，可進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，C語(yǔ)言編寫(xiě)加快了開(kāi)發(fā)進(jìn)度，同時(shí)增強(qiáng)了代碼的可讀性和復(fù)用性，利用軟件開(kāi)發(fā)廠(chǎng)商提供的庫(kù)文件，降低了各模塊間的參數(shù)定義的差異性。同時(shí)對(duì)于特定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，如flash存儲(chǔ)器中參數(shù)的保存位置和格式等都做了明確的規(guī)定。

點(diǎn)焊程序流程圖如圖5所示。當(dāng)微機(jī)上電和初始化后，系統(tǒng)檢測(cè)是否存在故障，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤則報(bào)警提示。在沒(méi)有發(fā)現(xiàn)故障的前提下，系統(tǒng)等待用戶(hù)輸入控制參數(shù)，并檢測(cè)起動(dòng)信號(hào)。

圖5 點(diǎn)焊程序流程圖

系統(tǒng)確認(rèn)起動(dòng)信號(hào)后，按照設(shè)定的工作模式，根據(jù)預(yù)先用戶(hù)設(shè)定的參數(shù)，完成焊接循環(huán)。首先將預(yù)先設(shè)定的時(shí)間周波數(shù)轉(zhuǎn)換成半周波數(shù)，遞減到零，轉(zhuǎn)入下個(gè)階段。根據(jù)前述的移相控制原理，由系統(tǒng)計(jì)算出觸發(fā)角α的定時(shí)量，設(shè)定其中一個(gè)定時(shí)器的定時(shí)值，并由另一定時(shí)器產(chǎn)生固定頻率為10 kHz的脈沖序列，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)時(shí)間，達(dá)到控制焊接電流的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

多功能控制器很好地利用了AVR高性能單片機(jī)的資源，結(jié)合一些外圍電路，實(shí)現(xiàn)了各焊接階段0～199周波的連續(xù)可調(diào)，焊接電流可控，并通過(guò)網(wǎng)壓自動(dòng)補(bǔ)償，提高了焊接質(zhì)量。硬件電路采用抗干擾和光電耦合器隔離技術(shù)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。按鍵式的輸入和LED數(shù)碼管的實(shí)時(shí)顯示，并結(jié)合LED燈指示，操作更加方便、簡(jiǎn)單。軟硬件設(shè)計(jì)合理，在實(shí)踐工作中性能穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果。

［1］朱正行，嚴(yán)向明，王敏.電阻焊技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］管功湖.電阻點(diǎn)焊單片機(jī)控制器的研制［J］.臺(tái)州學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，26(3):30 －32.

［3］管功湖，龍勝春.基于雙單片機(jī)的電阻點(diǎn)焊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36(3):330 －333.

［4］劉永勝，王志勇，朱晨，等.新型點(diǎn)焊機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方法［J］.天津理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，20(4):41 －43.

［5］馮桑，黃石生，林一松，等.數(shù)字化點(diǎn)焊控制系統(tǒng)中人機(jī)接口的設(shè)計(jì)［J］.電焊機(jī)，2003(9):35－38.