-- 作者：wangxinxin
-- 發(fā)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(tǒng)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(xiàn)代化的大型工業(yè)、民用等各種產(chǎn)品的生產(chǎn)中，厚板工件的焊接需求日趨增多。為了提高此類焊接的質(zhì)量穩(wěn)定性和焊接效率，更多的企業(yè)在此類焊接中采用焊接擺動器。
目前，在企業(yè)中使用的焊接擺動器的種類繁多、功能各異。在此，根據(jù)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(tǒng)的核心，通過軟、硬件的良好配合實現(xiàn)各種自動功能，并且很好地克服了焊接工作現(xiàn)場的強電場、強磁場、網(wǎng)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(qū)動元件選用步進電機。通過步進電機帶動絲桿轉(zhuǎn)動從而使得固定在螺母上的焊槍可實現(xiàn)不同狀態(tài)的運動。為了實現(xiàn)對焊槍運動的控制，設計了如圖1所示的控制系統(tǒng)。
該控制系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)部還有上電復位電路、看門狗等資源，這些豐富的片內(nèi)資源使得系統(tǒng)復雜功能的設計變得容易，也使得系統(tǒng)的可靠性得以提高。在該控制系統(tǒng)中，AVR單片機系統(tǒng)獲取控制面板上按鈕的設定信息和限位開關的狀態(tài)來控制步進電機驅(qū)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(shù)，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(shù)；限位開關用于當焊槍擺動到極限位置時產(chǎn)生報警信號提供給單片機系統(tǒng)（可以存儲多組工作參數(shù)）；步進電機驅(qū)動器用于將單片機系統(tǒng)的控制信號放大、轉(zhuǎn)換，以便驅(qū)動步進電機。
2 控制系統(tǒng)設計
2.1 控制系統(tǒng)功能分析
通過對常規(guī)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(diào)節(jié)指調(diào)節(jié)焊接過程中焊槍的擺動速度，其范圍設計為10"50mm/s；擺幅調(diào)節(jié)指調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)指調(diào)節(jié)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(diào)整狀態(tài)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(xiàn)了擺偏（擺動中心發(fā)生了變化），可以通過該功能將擺動中心調(diào)節(jié)回原位；參數(shù)存儲指可以預設多組相關參數(shù)（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(diào)出任意一組數(shù)據(jù)，從而避免了多次參數(shù)的調(diào)整。
2.2 控制系統(tǒng)硬件設計
根據(jù)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(tǒng)，如圖3所示。
鍵盤輸入由多個按鈕構成，主要實現(xiàn)各種參數(shù)的輸入和焊接擺動器的動作控制；限位開關信號經(jīng)光耦隔離后輸入PC口，由單片機根據(jù)這類信號做出相應的控制；使用PB.0和PB.1通過軟件產(chǎn)生控制信號擴展多片移位寄存器74LS164來驅(qū)動LED，用于顯示各種參數(shù)和狀態(tài)；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(qū)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(nèi)資源非常豐富，因此在設計系統(tǒng)時非常便利。在本設計中利用該單片機的內(nèi)部上電復位電路，省去了外圍的上電復位。單片機內(nèi)部的看門狗非常方便地提高了單片機系統(tǒng)的抗干擾性能。而其內(nèi)部EEPROM可以存儲多組參數(shù)，并保證掉電不丟失。
2.3 控制系統(tǒng)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(xiàn)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(nèi)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(huán)中不斷地判斷鍵盤和限位開關的情況，并根據(jù)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(chǎn)生控制步進電機的脈沖，PB.2用于產(chǎn)生脈沖控制步進電機驅(qū)動器。當產(chǎn)生的脈沖個數(shù)達到擺幅要求后停止繼續(xù)產(chǎn)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(huán)境是一個強電磁干擾的工作環(huán)境，對于單片機系統(tǒng)而言，這種強電干擾一般都以隨機出現(xiàn)的沖擊脈沖形式進入系統(tǒng)，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(nèi)部看門狗和電源監(jiān)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(fā)的焊接擺動器目前已經(jīng)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。
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