| 基于AVR单片机的焊接摆器 |
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| 日期：2007-6-14 21:06:05 人气：41 [大 中 小] |
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丁坤，邱华，经士农
（河海大学，江苏 常州213022）
摘要：在分析了常用焊接摆动器基本要求的基础上，设计了一套以AVR单片机为控制核心的焊接摆动控制器，并且对单片机系统应用于焊接场合要解决的主要问题——抗干扰问题，进行了深入的分析并提出了解决方案。
关键词：AVR单片机；焊接摆动器；干扰
引言
在现代化的大型工业、民用等各种产品的生产中，厚板工件的焊接需求日趋增多。为了提高此类焊接的质量稳定性和焊接效率，更多的企业在此类焊接中采用焊接摆动器。
目前，在企业中使用的焊接摆动器的种类繁多、功能各异。在此，根据某些焊接场合的要求设计了一种以AVR单片机为控制核心的焊接摆动器。
选用AVR单片机作为控制系统的核心，通过软、硬件的良好配合实现各种自动功能，并且很好地克服了焊接工作现场的强电场、强磁场、网络电压波动等各种因素的干扰。
1 总体设计
对于焊接摆动器而言，其机械传动机构通常可以分为齿轮齿条或丝杆螺母传动方式、凸轮或连杆传动方式2种。在该设计中选用的是前一种——丝杆螺母传动方式，驱动元件选用步进电机。通过步进电机带动丝杆转动从而使得固定在螺母上的焊枪可实现不同状态的运动。为了实现对焊枪运动的控制，设计了如图1所示的控制系统。
该控制系统的控制核心是ATMEL公司的90系列AVR单片机，此单片机采用RISC结构，内部自带了1~128K的可在线下载的FLASH存储器，64~4000B的EEPROM，128~4000B的RAM等，同时它内部还有上电复位电路、看门狗等资源，这些丰富的片内资源使得系统复杂功能的设计变得容易，也使得系统的可靠性得以提高。在该控制系统中，AVR单片机系统获取控制面板上按钮的设定信息和限位开关的状态来控制步进电机驱动器，从而达到控制焊枪摆动的目的。
控制按钮（键盘）用于设定各种参数，如：摆动速度、摆动宽度、停留时间等；显示部分用于显示各种相关参数；限位开关用于当焊枪摆动到极限位置时产生报警信号提供给单片机系统（可以存储多组工作参数）；步进电机驱动器用于将单片机系统的控制信号放大、转换，以便驱动步进电机。
2 控制系统设计
2.1 控制系统功能分析
通过对常规焊接摆动过程的分析，确定了所设计的焊接摆动器功能，如图1所示。
摆速调节指调节焊接过程中焊枪的摆动速度，其范围设计为10~50mm/s；摆幅调节指调节焊接过程中焊枪的整个摆动宽度，其范围设计为1~40mm;停留时间调节指调节焊接过程中焊枪摆动到两边时所需停留的时间。其范围设计为0~4s；手动操作指当焊接摆动器处于调整状态时可以通过手动按钮控制焊枪的位置；电子纠偏指当焊接摆动器处于工作过程中，由于机械或其他原因出现了摆偏（摆动中心发生了变化），可以通过该功能将摆动中心调节回原位；参数存储指可以预设多组相关参数（如：摆速、摆幅、停留时间等）在控制器中，使用时可以从控制器中调出任意一组数据，从而避免了多次参数的调整。
2.2 控制系统硬件设计
根据以上对焊接摆动器功能的分析，设计了以AVR单片机ATIMEGA90S8515作为控制核心的硬件系统，如图3所示。
键盘输入由多个按钮构成，主要实现各种参数的输入和焊接摆动器的动作控制；限位开关信号经光耦隔离后输入PC口，由单片机根据这类信号做出相应的控制；使用PB.0和PB.1通过软件产生控制信号扩展多片移位寄存器74LS164来驱动LED，用于显示各种参数和状态；PB.2和PB.3输出脉冲信号和方向信号，通过光耦隔离后用来控制步进电机驱动器。从而达到控制步进电机的目的。
由于90系列的AVR单片机的片内资源非常丰富，因此在设计系统时非常便利。在本设计中利用该单片机的内部上电复位电路，省去了外围的上电复位。单片机内部的看门狗非常方便地提高了单片机系统的抗干扰性能。而其内部EEPROM可以存储多组参数，并保证掉电不丢失。
2.3 控制系统软件设计
焊接摆动控制器的主程序流程如图4所示。由于焊接现场的强干扰，有可能造成在正常工作过程中单片机复位，因此在复位后要加以判断是属于哪一种复位，从而决定初始化的内容，保证摆动器即使在受到干扰复位的情况下也可以正常工作。在程序的主循环中不断地判断键盘和限位开关的情况，并根据这些情况做出相应的反应。
T0定时器中断服务程序流程如图5所示。利用定时器T0产生控制步进电机的脉冲，PB.2用于产生脉冲控制步进电机驱动器。当产生的脉冲个数达到摆幅要求后停止继续产生脉冲，同时开始起动停留时间的流程。
T1定时器中断服务程序流程如图6所示。利用定时器T1控制停留时间的长短，当停留时间到设定时间的时候重新起动定时器T0，使得摆动器向另一个方向摆动。
2.4 抗干扰措施设计
焊接环境是一个强电磁干扰的工作环境，对于单片机系统而言，这种强电干扰一般都以随机出现的冲击脉冲形式进入系统，破坏某些器件的正常工作，严重时甚至会损坏器件。在本设计中采用了以下方法来解决干扰问题：
a.改善控制器电源。控制器的电源采用开关电源，单片机电源与外围电源分开，电源布线注意去耦。
b.所有的过程通道全采用光耦隔离，使得通道的信噪比大大提高。
c.使用单片机的内部看门狗和电源监控功能。
d.软件中采用多标志位表示，减少干扰概率事件。
4 结论
采用此设计方法开发的焊接摆动器目前已经在表面堆焊、挖掘机液压杆焊接等各种焊接场合中得到了应用，用户反映良好。 |
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| 出处：本站原创 作者：佚名 | |
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