在分析了常用焊接擺動(dòng)器基本要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套以AVR單片機(jī)為控制核心的焊接擺動(dòng)控制器，并且對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于焊接場(chǎng)合要解決的主要問題——抗干擾問題，進(jìn)行了深入的分析并提出了解決方案。
關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；焊接擺動(dòng)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(dòng)器。
目前，在企業(yè)中使用的焊接擺動(dòng)器的種類繁多、功能各異。在此，根據(jù)某些焊接場(chǎng)合的要求設(shè)計(jì)了一種以AVR單片機(jī)為控制核心的焊接擺動(dòng)器。
選用AVR單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，通過軟、硬件的良好配合實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)功能，并且很好地克服了焊接工作現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)、網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)等各種因素的干擾。
1 總體設(shè)計(jì)
對(duì)于焊接擺動(dòng)器而言，其機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常可以分為齒輪齒條或絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)方式、凸輪或連桿傳動(dòng)方式2種。在該設(shè)計(jì)中選用的是前一種——絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)方式，驅(qū)動(dòng)元件選用步進(jìn)電機(jī)。通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)從而使得固定在螺母上的焊槍可實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍運(yùn)動(dòng)的控制，設(shè)計(jì)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(jī)，此單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部自帶了1"128K的可在線下載的FLASH存儲(chǔ)器，64"4000B的EEPROM，128"4000B的RAM等，同時(shí)它內(nèi)部還有上電復(fù)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(fù)雜功能的設(shè)計(jì)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(jī)系統(tǒng)獲取控制面板上按鈕的設(shè)定信息和限位開關(guān)的狀態(tài)來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而達(dá)到控制焊槍擺動(dòng)的目的。
控制按鈕（鍵盤）用于設(shè)定各種參數(shù)，如：擺動(dòng)速度、擺動(dòng)寬度、停留時(shí)間等；顯示部分用于顯示各種相關(guān)參數(shù)；限位開關(guān)用于當(dāng)焊槍擺動(dòng)到極限位置時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)提供給單片機(jī)系統(tǒng)（可以存儲(chǔ)多組工作參數(shù)）；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器用于將單片機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換，以便驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。
2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 控制系統(tǒng)功能分析
通過對(duì)常規(guī)焊接擺動(dòng)過程的分析，確定了所設(shè)計(jì)的焊接擺動(dòng)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(dòng)速度，其范圍設(shè)計(jì)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(gè)擺動(dòng)寬度，其范圍設(shè)計(jì)為1"40mm;停留時(shí)間調(diào)節(jié)指調(diào)節(jié)焊接過程中焊槍擺動(dòng)到兩邊時(shí)所需停留的時(shí)間。其范圍設(shè)計(jì)為0"4s；手動(dòng)操作指當(dāng)焊接擺動(dòng)器處于調(diào)整狀態(tài)時(shí)可以通過手動(dòng)按鈕控制焊槍的位置；電子糾偏指當(dāng)焊接擺動(dòng)器處于工作過程中，由于機(jī)械或其他原因出現(xiàn)了擺偏（擺動(dòng)中心發(fā)生了變化），可以通過該功能將擺動(dòng)中心調(diào)節(jié)回原位；參數(shù)存儲(chǔ)指可以預(yù)設(shè)多組相關(guān)參數(shù)（如：擺速、擺幅、停留時(shí)間等）在控制器中，使用時(shí)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(shè)計(jì)
根據(jù)以上對(duì)焊接擺動(dòng)器功能的分析，設(shè)計(jì)了以AVR單片機(jī)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(gè)按鈕構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的輸入和焊接擺動(dòng)器的動(dòng)作控制；限位開關(guān)信號(hào)經(jīng)光耦隔離后輸入PC口，由單片機(jī)根據(jù)這類信號(hào)做出相應(yīng)的控制；使用PB.0和PB.1通過軟件產(chǎn)生控制信號(hào)擴(kuò)展多片移位寄存器74LS164來驅(qū)動(dòng)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(hào)和方向信號(hào)，通過光耦隔離后用來控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。從而達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)的目的。
由于90系列的AVR單片機(jī)的片內(nèi)資源非常豐富，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)非常便利。在本設(shè)計(jì)中利用該單片機(jī)的內(nèi)部上電復(fù)位電路，省去了外圍的上電復(fù)位。單片機(jī)內(nèi)部的看門狗非常方便地提高了單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾性能。而其內(nèi)部EEPROM可以存儲(chǔ)多組參數(shù)，并保證掉電不丟失。
2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
焊接擺動(dòng)控制器的主程序流程如圖4所示。由于焊接現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)干擾，有可能造成在正常工作過程中單片機(jī)復(fù)位，因此在復(fù)位后要加以判斷是屬于哪一種復(fù)位，從而決定初始化的內(nèi)容，保證擺動(dòng)器即使在受到干擾復(fù)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(guān)的情況，并根據(jù)這些情況做出相應(yīng)的反應(yīng)。
T0定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。利用定時(shí)器T0產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖，PB.2用于產(chǎn)生脈沖控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)達(dá)到擺幅要求后停止繼續(xù)產(chǎn)生脈沖，同時(shí)開始起動(dòng)停留時(shí)間的流程。
T1定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程如圖6所示。利用定時(shí)器T1控制停留時(shí)間的長短，當(dāng)停留時(shí)間到設(shè)定時(shí)間的時(shí)候重新起動(dòng)定時(shí)器T0，使得擺動(dòng)器向另一個(gè)方向擺動(dòng)。
2.4 抗干擾措施設(shè)計(jì)
焊接環(huán)境是一個(gè)強(qiáng)電磁干擾的工作環(huán)境，對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言，這種強(qiáng)電干擾一般都以隨機(jī)出現(xiàn)的沖擊脈沖形式進(jìn)入系統(tǒng)，破壞某些器件的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䲟p壞器件。在本設(shè)計(jì)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(guān)電源，單片機(jī)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(jī)的內(nèi)部看門狗和電源監(jiān)控功能。
d.軟件中采用多標(biāo)志位表示，減少干擾概率事件。
4 結(jié)論
采用此設(shè)計(jì)方法開發(fā)的焊接擺動(dòng)器目前已經(jīng)在表面堆焊、挖掘機(jī)液壓桿焊接等各種焊接場(chǎng)合中得到了應(yīng)用，用戶反映良好。