-- 作者：wangxinxin
-- 發布時間：2010-12-7 13:09:43
-- 基于AVR單片機的焊接擺器
在分析了常用焊接擺動器基本要求的基礎上，設計了一套以AVR單片機為控制核心的焊接擺動控制器，并且對單片機系統應用于焊接場合要解決的主要問題——抗干擾問題，進行了深入的分析并提出了解決方案。
關鍵詞：AVR單片機；焊接擺動器；干擾
引言
在現代化的大型工業、民用等各種產品的生產中，厚板工件的焊接需求日趨增多。為了提高此類焊接的質量穩定性和焊接效率，更多的企業在此類焊接中采用焊接擺動器。
目前，在企業中使用的焊接擺動器的種類繁多、功能各異。在此，根據某些焊接場合的要求設計了一種以AVR單片機為控制核心的焊接擺動器。
選用AVR單片機作為控制系統的核心，通過軟、硬件的良好配合實現各種自動功能，并且很好地克服了焊接工作現場的強電場、強磁場、網絡電壓波動等各種因素的干擾。
1 總體設計
對于焊接擺動器而言，其機械傳動機構通常可以分為齒輪齒條或絲桿螺母傳動方式、凸輪或連桿傳動方式2種。在該設計中選用的是前一種——絲桿螺母傳動方式，驅動元件選用步進電機。通過步進電機帶動絲桿轉動從而使得固定在螺母上的焊槍可實現不同狀態的運動。為了實現對焊槍運動的控制，設計了如圖1所示的控制系統。
該控制系統的控制核心是ATMEL公司的90系列AVR單片機，此單片機采用RISC結構，內部自帶了1"128K的可在線下載的FLASH存儲器，64"4000B的EEPROM，128"4000B的RAM等，同時它內部還有上電復位電路、看門狗等資源，這些豐富的片內資源使得系統復雜功能的設計變得容易，也使得系統的可靠性得以提高。在該控制系統中，AVR單片機系統獲取控制面板上按鈕的設定信息和限位開關的狀態來控制步進電機驅動器，從而達到控制焊槍擺動的目的。
控制按鈕（鍵盤）用于設定各種參數，如：擺動速度、擺動寬度、停留時間等；顯示部分用于顯示各種相關參數；限位開關用于當焊槍擺動到極限位置時產生報警信號提供給單片機系統（可以存儲多組工作參數）；步進電機驅動器用于將單片機系統的控制信號放大、轉換，以便驅動步進電機。
2 控制系統設計
2.1 控制系統功能分析
通過對常規焊接擺動過程的分析，確定了所設計的焊接擺動器功能，如圖1所示。
擺速調節指調節焊接過程中焊槍的擺動速度，其范圍設計為10"50mm/s；擺幅調節指調節焊接過程中焊槍的整個擺動寬度，其范圍設計為1"40mm;停留時間調節指調節焊接過程中焊槍擺動到兩邊時所需停留的時間。其范圍設計為0"4s；手動操作指當焊接擺動器處于調整狀態時可以通過手動按鈕控制焊槍的位置；電子糾偏指當焊接擺動器處于工作過程中，由于機械或其他原因出現了擺偏（擺動中心發生了變化），可以通過該功能將擺動中心調節回原位；參數存儲指可以預設多組相關參數（如：擺速、擺幅、停留時間等）在控制器中，使用時可以從控制器中調出任意一組數據，從而避免了多次參數的調整。
2.2 控制系統硬件設計
根據以上對焊接擺動器功能的分析，設計了以AVR單片機ATIMEGA90S8515作為控制核心的硬件系統，如圖3所示。
鍵盤輸入由多個按鈕構成，主要實現各種參數的輸入和焊接擺動器的動作控制；限位開關信號經光耦隔離后輸入PC口，由單片機根據這類信號做出相應的控制；使用PB.0和PB.1通過軟件產生控制信號擴展多片移位寄存器74LS164來驅動LED，用于顯示各種參數和狀態；PB.2和PB.3輸出脈沖信號和方向信號，通過光耦隔離后用來控制步進電機驅動器。從而達到控制步進電機的目的。
由于90系列的AVR單片機的片內資源非常豐富，因此在設計系統時非常便利。在本設計中利用該單片機的內部上電復位電路，省去了外圍的上電復位。單片機內部的看門狗非常方便地提高了單片機系統的抗干擾性能。而其內部EEPROM可以存儲多組參數，并保證掉電不丟失。
2.3 控制系統軟件設計
焊接擺動控制器的主程序流程如圖4所示。由于焊接現場的強干擾，有可能造成在正常工作過程中單片機復位，因此在復位后要加以判斷是屬于哪一種復位，從而決定初始化的內容，保證擺動器即使在受到干擾復位的情況下也可以正常工作。在程序的主循環中不斷地判斷鍵盤和限位開關的情況，并根據這些情況做出相應的反應。
T0定時器中斷服務程序流程如圖5所示。利用定時器T0產生控制步進電機的脈沖，PB.2用于產生脈沖控制步進電機驅動器。當產生的脈沖個數達到擺幅要求后停止繼續產生脈沖，同時開始起動停留時間的流程。
T1定時器中斷服務程序流程如圖6所示。利用定時器T1控制停留時間的長短，當停留時間到設定時間的時候重新起動定時器T0，使得擺動器向另一個方向擺動。
2.4 抗干擾措施設計
焊接環境是一個強電磁干擾的工作環境，對于單片機系統而言，這種強電干擾一般都以隨機出現的沖擊脈沖形式進入系統，破壞某些器件的正常工作，嚴重時甚至會損壞器件。在本設計中采用了以下方法來解決干擾問題：
a.改善控制器電源。控制器的電源采用開關電源，單片機電源與外圍電源分開，電源布線注意去耦。
b.所有的過程通道全采用光耦隔離，使得通道的信噪比大大提高。
c.使用單片機的內部看門狗和電源監控功能。
d.軟件中采用多標志位表示，減少干擾概率事件。
4 結論
采用此設計方法開發的焊接擺動器目前已經在表面堆焊、挖掘機液壓桿焊接等各種焊接場合中得到了應用，用戶反映良好。
|