基于单片机的环缝自动焊机研制

宋金虎

(山东交通职业学院，山东 潍坊 261206)

基于单片机的环缝自动焊机研制

宋金虎

(山东交通职业学院，山东 潍坊 261206)

通过分析环缝焊接对控制系统的基本要求，研制了一套以单片机为控制核心的环缝自动焊机，并且深入探讨了单片机系统应用于焊接场合需要解决的抗干扰问题。针对控制系统中存在的各种干扰，区分性质和干扰源产生的主要通道，从硬件和软件两方面采取相应措施，有效抑制了焊接现场的干扰因素，取得了良好的控制效果。

单片机；环缝自动焊机；干扰

0 前言

圆柱形储罐、大直径钢管类焊接结构件在制作过程中焊接工作量很大，且其焊缝都有一定的规律，适合采用自动焊。现有的自动焊机体型庞大、结构复杂、采购成本和使用成本很高，中小型企业难以承受。中小型企业仍以人工焊接为主，不但劳动强度大，而且很难保证焊接质量，也难以提高工作效率。为此，研制了一种环缝自动焊机。

1 环缝自动焊机结构

图1 环缝自动焊机结构

综合分析各类焊接方法的生产效率、成本和焊接设备获取的难易程度，选用了CO2气体保护焊，总体结构如图1所示。

该环缝自动焊机包括：底座，底座上固接门型支架，门型支架的两立柱上固接竖向设置的导轨，导轨上滑动连接有焊臂支架，焊臂支架上固接焊臂，焊臂上滑动连接有滑移架，转动连接有与滑移架螺接的横向丝杠，滑移架上固接带有焊炬的送丝机，横向丝杠与固装在焊臂支架上的摆动电机动力连接；门型支架的两立柱之间设有固接在底座上的支架，支架上转动连接有夹具，夹具与旋转电机动力连接，门型支架的横梁上固接升降电机，电机动力连接有驱动焊臂支架升降的升降丝杠；该焊机还包括控制柜操作台和弧焊电源。

2 控制系统

根据环缝自动焊机的机械结构形式，设计了如图2所示的控制系统。控制核心为单片机，控制摆动电机驱动器和旋转电机驱动器，通过摆动电机和旋转电机实现焊炬摆动和工件旋转。人机界面用于工作前将各焊接参数输入系统、焊接过程中参数的显示、焊接过程中的操作。

图2 单片机控制系统原理

根据单片机系统要实现的功能，设计了如图3所示的单片机系统。

图3 单片机系统框图

单片机系统选用89S52芯片作为CPU，由液晶显示模块、键盘输入电路和CD4060看门狗电路等组成。

印刷电机由于没有绕线绕组，因此其质量较轻，减小了焊接小车的总质量，惯量小，反应快。采用步进电机作为驱动元件控制焊炬摆动。

预留接口用于焊接小车与电脑通信，可以通过电脑对焊接小车的各项参数进行设置。

3 单片机系统抗干扰措施

施工现场存在电磁、电源噪声、电网电压波动、地电位偏离等干扰。对于焊接自动化系统来说，屏蔽和接地是非常重要的。开机瞬间干扰最甚，除考虑控制电路中稳态的建立和电磁干扰因素外，还需配置高精度稳压电源。

提高系统的抗干扰能力，主要从以下几方面入手：(1)供电电源产生的干扰和通过供电电源引入电网中的干扰；(2)由于系统元器件选用不当、布线不合理而导致的抗干扰能力差。(3)通过系统的输入／输出通道引入的工业现场干扰。(4)通过电磁辐射途径引入的干扰。

下面从硬件和软件两个方面提出一些抗干扰的措施。

3.1 硬件抗干扰措施

焊机工作在一个强电磁干扰的环境中，这种强电干扰通常以随机出现的冲击脉冲形式进入单片机系统，破坏某些元器件的正常工作状态，造成系统工作不稳定，严重时会损坏单片机。所以在硬件线路设计上要尽可能减少干扰进入系统。

强电干扰进入系统的渠道有：电磁波感应、连接主机和受控设备的过程通道及其配电系统。针对这三个渠道分别采取了一些措施。

对于电磁波感应，在线路板安装位置的选择方面，将线路板置于摆动控制小车中。由于摆动控制小车的壳体是由铝板拼接而成的，因此对于电磁波有良好的屏蔽作用。

所有的过程通道全采用光耦隔离，如图4所示，使通道的信噪比大大提高。应当特别指出的是，光耦在过程通道中不仅起到隔离作用，对于过程通道上的一些脉冲干扰也有一定的遏制作用，这是因为对光耦的驱动需要一定的能量，如果在光耦输入端有一尖脉冲输入，当该尖脉冲的总能量不足以驱动光耦时，则在光耦的输出端是不会引起信号变化的。

焊机工作时引起的网络电压畸变非常严重，因此单片机系统的配电设计显得尤为重要。在本配电系统中采用了多级降压，最后一级采用开关电源的供电方案，而且单片机系统的电源与其他线路的电源分开。此外，在单片机系统中每片需供电的芯片的输入端都接上了一个去耦电容，以提高系统电源的可靠性。抑制干扰的单片机电源如图5所示。

图5 抑制干扰的单片机电源

一旦单片机受到干扰不能稳定工作，应尽快排除干扰，恢复系统正常运行，一般是强迫系统复位或进入处理干扰的程序。可利用CD4060硬件看门狗电路，在单片机系统受干扰后自动产生复位信号，恢复系统。

在正常工作时，安插在循环程序中的清除脉冲信号能够周期性地消除看门狗定时器的定时时间。当系统受到干扰使程序“跑飞”时，循环程序中的清除脉冲的周期性信号消失，看门狗定时器中的定时时间由于得不到及时消除而产生溢出，立即通过14位二进制串行计数／定时器CD4060的Q14端、二极管VD12给单片机的RST端发出一个复位信号(正脉冲)，使系统复位并重新开始起动。原理电路如图6所示。

图6 CD4060硬件看门狗电路

3.2 软件抗干扰措施

单片机系统除了要尽量完善硬件系统的设计之外，还应考虑在软件系统中可能会受到的干扰。软件系统受到外部干扰而造成的影响一般可分为如下几个方面：

(1)程序“跑飞”。干扰使得CPU的程序计数器PC值发生变化，从而造成CPU准备执行的下一条指令的首地址是错误的。

(2)程序“跑飞”破坏RAM的内容。这种干扰的可能性很小，但破坏性大，会造成控制过程无法继续。

(3)程序错误走向。

(4)不响应中断。

(5)芯片内信息发生变化。

针对这些软件系统常出现的问题，在本软件系统的设计中采用了一些抗干扰的措施。

在软件的总体设计时将整个软件设计为由多个相互独立的模块组成，每个模块之间只存在数据的交换或传送，没有其他关联。并在每个模块物理空间中的间隔处都布下了软件陷阱，这可使程序“跑飞”后能很快被纠正。

单片机控制程序运行的是程序计数器PC。如果程序计数器PC被干扰出现了错误，程序就会脱离正常轨道，出现“乱飞”、把操作数误认为操作码等。为了将“乱飞”程序及时纳入正常轨道，在用汇编语言编写程序时尽可能使用单字节指令，并在关键处插入一些空操作指令NOP。对于多字节指令的做法是：在双字节指令或三字节指令之后插入两条NOP指令，可保证其后的指令不被拆散。对程序流向起决定作用的指令(如RET、ACALL、LJMP、JZ、JNZ、JC、JNC、DJNZ等)之前插入两条或多条NOP指令，在它们的后面重复写这些指令，以确保正确执行这些指令。

对于程序运行受到干扰而跑入非程序区造成的死循环，采用的方法是：设置软件陷阱程序，拦截乱飞程序，将其迅速引向一个指定位置(在有出错处理程序)，将程序纳入正轨。一种简单有效的方法是将E2PROM的剩余存储空间全部用完，即将剩余的全部空间用0000020000H填满，当程序计数器PC进入此区后，便会迅速返回到复位入口地址0000H。

在标志位的处理方面也采取了一定的措施。在程序中所有的标志都用了三个标志位，而且这些标志都是离散地放置于单片机内部RAM中。当对标志进行判断时采用投票方式进行判断，即对某一个标志的判断要同时对表示该标志的三个标志位进行判断，如果在程序运行过程中由于干扰原因时使某个标志位被修改，程序可以通过对另外两个标志位的判断得出正确的结果，这样就提高了程序运行的可靠性。

4 应用情况

选用北京时代公司生产的NB-630IGBT型逆变焊机作为电源进行试焊，结果表明，在焊接等强干扰的工作环境下，试件成形美观，质量稳定。该自动焊机结构简单，制作成本低，焊接速度快，质量好。

[1]胡绳荪.焊接自动化技术及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007.

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Development of automatic girth welding machine based on single chip

SONG Jin-hu
(Shandong Transport Vocational College，Weifang 261206，China)

A kind of automatic girth welding machine based on single chip is developed in this paper by analyzing the function requirement of girth welding in the system.And the anti-interference problem is analyzed deeply，which is the main problem needing resolving in the application of single chip in the welding situation.According to various interferences existing in the control system some corresponding measures are taken by distinguishing the nature and the main generating channels.Interference factors are restrained effectively in the field welding and a favorable control effect is obtained at last.

single chip；automatic girth welding machine；interference

TG433

A

1001-2303(2011)09-0085-04

2011-04-19

专利项目：专利号200920023193.7

宋金虎(1967—)，男，山东潍坊人，高级工程师，副教授，主要从事焊接自动化技术方面的工作。