堆焊调速系统的设计与实现

温 强，兰 强

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

堆焊调速系统的设计与实现

温 强，兰 强

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

介绍以单片机dsPIC30f6011A为控制器，触摸屏为人机交互界面的堆焊调速控制系统，该系统通过I2C协议对数字电位器的阻值编程控制实现了对直流电机的编程调速，提高了轮心堆焊自动控制系统的准确性和快速性，最终实现堆焊速度的现场编程调节。

dsPIC30f6011A单片机；数字电位器；UART

0 前言

CO2轮心自动堆焊是修复机车轮心的一种重要手段。在焊接过程中，有时需要改变焊接速度以满足不同位置的焊接需要。使用触摸屏—单片机—数字电位器控制系统可对堆焊速度进行现场编程调节，调节过程准确、快速，提高了机车轮心堆焊的质量和效率。

1 机车轮心的堆焊

轮心内孔与车轴为过盈配合和热胀法装配，但当更换车轴或维修车轴上零件时，需将轮对解体，车轴从轮心内孔中被强行压出，配合面被损坏。轮心内孔面需要堆焊及机加工，恢复内孔表面的光洁度后，才能再次使用[1]。

机车轮心堆焊如图1所示。

图1 轮心堆焊示意

堆焊时，轮心在动力托架的带动下匀速旋转，

焊车带动焊枪伸至轮心内孔底部，送丝电动机匀速送丝，当轮心旋转一周之后，焊车向后后退一个节距，如此反复，完成轮心内孔面的堆焊。轮心修复时需要堆焊轮心内孔和轮心外圆面。外圆面的堆焊和内孔面堆焊过程相同。

轮心堆焊时需要改变焊接速度和送丝速度之处：

a.外圆面堆焊至外部端面时需要增加轮心旋转速度，否则会造成熔池流淌。

b.堆焊结束停焊时焊枪需要停留以填满弧坑。

c.轮心内孔面开始堆焊时采用小的送丝速度。CO2焊接电弧静特性是上升的，在此系统中采用了平的弧焊电源外特性，送丝系统设计为等丝送丝控制系统，若送丝速度快，则焊接电流大、热输入高，容易造成裂纹[2]。之后为了提高堆焊效率，应加大送丝速度。

采用直流电机55ZTY54作为行走焊车、动力托架、送丝机构的动力原件，调节焊接速度和送丝速度就是调节直流电机的转速。

2 调速控制系统的硬件电路连接

单片机采用dsPIC30f6011A，触摸屏为深圳显控公司SA-4.3A型，数字电位器X9241Y。由于单片机是TTL电平，触摸屏是RS232电平，逻辑电平不匹配，所以两者之间加入MAX232电平转换芯片，硬件连接如图2所示。

图2 硬件电路连接

数字电位器和单片机之间通过数据线SDA、时钟线SCL相连接，并接上拉电阻。TX是数据发送引脚，RX是数据接收引脚。

光耦使用ST150F开槽光耦，槽间距为5 mm。工作时当凹形槽内无遮挡时，光敏三极管受光导通；当槽内有遮挡时，光敏三极管不能受光而阻断。遮光盘（设计为齿轮状）随轮心工件转动的动力头主轴一起旋转，每一齿通过光耦的凹槽时，光耦产生一个脉冲信号，将此脉冲通过施密特触发器整形，便能得到方波脉冲信号，此脉冲信号接入单片机的计数器引脚TCK，通过编程对脉冲的个数进行计数，便能获得工件的旋转位移。当工件旋转够一圈时，焊车后退一个节距，当焊车位移至预设值时，程序改变数字电位器的阻值，从而改变焊接速度或送丝速度。

3 UART模块和触摸屏之间的通讯

通用异步收发器UART模块是dsPIC30F系列器件提供的串行I/O模块之一①MICROCHIP.dsPIC30F系列参考手册[EB].Microchip Technology Inc.2015.，是可以和外设通信的全双工异步系统。在编程时，对UART的参数如波特率、数据位、校验位、停止位等进行设置，波特率需与触摸屏的通讯速度保持一致。触摸屏在界面编辑时设置为MODBUS通讯方式。触摸屏向单片机发送MODBUS协议帧格式数据。调速按钮设置为触摸屏的字按钮形式，采用06功能码，按照MODBUS协议规定，数据帧格式为：地址码，功能码（06），寄存器地址高字节，寄存器地址低字节，数据高字节、数据低字节，CRC校验码低字节、CRC校验码高字节。触摸屏发出命令之后，单片机UART接收到数据，编程对此数据解读，得到寄存器地址低字节作为功能程序选择码，进而执行相关的功能子程序（如置I/O口为高电平，则闭合继电器）。数据低字节可以存放改变数字的电位器阻值。数字电位器初始的阻值在焊接现场通过触摸屏输入调试。

4 数字电位器与单片机的通讯

X9241数字电位器是一款兼容I2C总线接口的芯片，内部包括一个I2C接口和四个数字电位器。每个数字电位器由电阻阵列及与之对应的滑动端寄存器WCR、四个8位数据寄存器R0～R3等部分构成[3]。

X9241Y数字电位器有9条指令。使用写滑动端

寄存器指令、滑动端至数据寄存器传输指令、使能增减指令。数字电位器不能无级调速，焊接过程中如果数字电位器阻值突变，会使得电机运转不稳定，在送丝时使得送丝速度发生变化，所以采用使能增加/减少滑动端寄存器内容这条指令来改变数字电位器的阻值，每调用一次此指令，数字电位器的值增大或减少一个分辨率大小的数值，再配以延迟子程序，使得调节过程稳定、可靠。送丝速度调速流程如图3所示。

图3 送丝速度调节流程

数字电位器接收到单片机发送来的增减指令数据帧格式如图4所示。图中“50”是数字电位器的地址“0101 0000”，“write”指单片机作为主机发送数据帧。“ACK”为数字电位器的应答信号，“20”是数字电位器增减指令的指令码“0010 0000”。由图4可知，当数字电位器产生最后一个应答之后，数据线SDA被拉高，在接下来的两个时钟线SCL脉冲来临时，数字电位器的滑动端向UH端移动两步，即改变数字电位器的阻值其中R为数字电位器电阻阵列的阻值（不包括滑动端阻值）。当N次调用增减指令后，数字电位器的阻值在（N×0.2）s内被改变，在现场调试开始时合理设置N即可实现电机速度的平滑改变，从而稳定地改变焊接速度。

图4 数据帧测试结果

5 结论

以单片机、触摸屏、数字电位器为核心的调速系统具有方便、快捷、准确的优点，在轮心堆焊焊接现场调速中切实可行。此外，这套系统以单片机为控制器，具有可扩展性，通过程序可以与其他的焊机自动控制功能集成在一起，在焊接自动控制方面应用前景广阔。

[1]孙松岭，兰强，刘艳红.两种轮心内孔自动堆焊方式的比较[J].电焊机，2005，35（11）：43-45.

[2]李燕，朱长久，高林.机车轮心裂纹故障原因及检出手段的研究和实施[R].第十届中国科协年会，2008.

[3]唐述宏.I2C总线数字电位器原理及单片机的接口设计[J].潍坊学院学报，2003，3（4）：57-60.

Design and realization of the surfacing welding speed control system

WEN Qiang，LAN Qiang
（Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Introduces the surfacing welding speed control system，which uses dsPIC30f6011A SCM as controller，touch screen as human-computer interaction interface.This control system programmatically controls the resistance of digital potentiometer based on the I2C protocol and changes the speed of DC motor successfully by programming.At the same time，the control system improves the accuracy and quickness of the surfacing welding auto-control system of locomotive wheel inner-hole.Finally，the adjustment in the scene to the speed of surfacing welding is realized.

dsPIC30f6011A SCM；digital potentiometer；UART

TG409

A

1001-2303（2016）08-0052-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.12

2015-12-22；

2016-02-27

温强（1991—），男，甘肃靖远人，在读硕士，主要从事材料加工焊接自动控制系统的研究。