張濤然 唐先存 周利平

(①西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，四川成都 610039;②山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧 272073)

伴隨著數(shù)控切割機(jī)的蓬勃發(fā)展，用于調(diào)節(jié)割槍與工件表面距離的高度控制器也在不斷發(fā)展。常用的數(shù)控切割機(jī)的調(diào)高器主要有兩種:電容調(diào)高器和弧壓調(diào)高器。其中弧壓高度控制器就是通過檢測弧壓的變化，然后經(jīng)過對弧壓信號進(jìn)行一系列的處理，最后通過控制升降電動機(jī)來控制割槍與工件之間的距離，保持弧電壓基本不變，同時(shí)保持割槍高度基本不變。目前國外生產(chǎn)的弧壓調(diào)高器，控制精度和性能都不錯，如海寶、伊薩等控制器產(chǎn)品，但價(jià)格太高，不適合國內(nèi)普通用戶;國內(nèi)高度控制器生產(chǎn)廠家主要有深圳宏宇達(dá)等。我國等離子切割機(jī)用戶使用的一部分弧壓高度控制器還停留在使用模擬控制的階段，其控制精度和響應(yīng)速度都不是很高。針對這一情況，迫切需要開發(fā)出一款符合國內(nèi)切割機(jī)市場實(shí)際情況的弧壓高度控制器。這不僅可以增加數(shù)控等離子切割機(jī)的經(jīng)濟(jì)性，還可增加國內(nèi)企業(yè)的市場競爭力，更有助于切割機(jī)的推廣。

1 弧壓高度控制器總體設(shè)計(jì)方案

數(shù)控等離子切割機(jī)工作環(huán)境一般較惡劣，且生產(chǎn)車間里可能運(yùn)行著多種設(shè)備和多臺數(shù)控等離子切割機(jī)，它們之間會產(chǎn)生相互干擾和沖擊。為了消除或減少這些因素對弧壓高度控制器所造成的干擾，運(yùn)用以下4種措施加以解決:(1)優(yōu)化控制器的電路設(shè)計(jì)，弧壓信號采集電路和單片機(jī)處理電路分別在兩塊電路板上設(shè)計(jì)，它們之間通過屏蔽線纜相連接，這樣便產(chǎn)生了分壓板和主電路板;(2)分壓板和主電路板都采用濾波電路和隔離器件，盡可能降低干擾;(3)使用伏頻轉(zhuǎn)換電路，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這種頻率信號，既提高了抗干擾能力又能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸;(4)設(shè)計(jì)多套電源，對不同的功能模塊供電，以減少各芯片之間相互干擾。通過綜合考慮，設(shè)計(jì)了基于高性能工業(yè)級單片機(jī)的弧壓高度控制器系統(tǒng)，圖1是其功能示意圖。

弧壓高度控制器選用抗干擾能力強(qiáng)且價(jià)格合理的STC單片機(jī)為控制核心，經(jīng)光電隔離器件與外圍電路連接。使用直流電動機(jī)作為割槍升降的驅(qū)動電動機(jī)，其驅(qū)動方式采用脈寬調(diào)制(PWM)方式。由單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制H橋驅(qū)動芯片來驅(qū)動DC24電動機(jī)。分壓板采集弧壓信號，然后經(jīng)過V/F變換，把脈沖信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理。LED可以顯示設(shè)定弧壓和實(shí)時(shí)變化的弧壓。通過CNC或鍵盤可以選擇高度控制器處于手動控制狀態(tài)還是自動控制狀態(tài)。

2 工作原理

弧壓高度控制器工作原理如圖2所示。首先割槍上下動作會引起弧壓的變化，分壓板會檢測到發(fā)生變化了的弧壓;分壓板對弧壓信號進(jìn)行處理，經(jīng)V/F(電壓頻率轉(zhuǎn)換)變換電路后得到脈沖信號，通過屏蔽線纜把頻率信號送至單片機(jī);單片機(jī)通過其計(jì)數(shù)器，計(jì)算出脈沖頻率，根據(jù)頻率和電壓之間的對應(yīng)關(guān)系，便可以得到弧壓值，然后與設(shè)定的弧壓進(jìn)行比較，經(jīng)過一系列運(yùn)算處理，做出判斷;單片機(jī)產(chǎn)生PWM控制信號，通過H橋驅(qū)動直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而帶動割槍上下移動。經(jīng)過這樣一個過程，便形成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，這和常規(guī)電動機(jī)控制系統(tǒng)有很大差別。常規(guī)直流電動機(jī)控制系統(tǒng)一般會通過聯(lián)軸器與光電編碼器聯(lián)接，單片機(jī)、直流電動機(jī)和編碼器等設(shè)備組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。因?yàn)榛簩Ω顦尭叨鹊淖兓憫?yīng)迅速，通過檢測弧壓來控制割槍高度是可取的，組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)完全符合數(shù)控等離子切割機(jī)的工作要求。

3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)可劃分為主控模塊、光電隔離模塊、I/O模塊、直流電動機(jī)驅(qū)動模塊、電源模塊等。

3.1.1 主控模塊

主控模塊是弧壓高度控制器的核心部件，承擔(dān)著整個系統(tǒng)的運(yùn)算與控制任務(wù)?；焊叨瓤刂破鞴ぷ鳝h(huán)境比較惡劣，周圍環(huán)境布滿了各種干擾。芯片必須具有超強(qiáng)的抗干擾能力并且能產(chǎn)生PWM，同時(shí)擁有高運(yùn)算速度和低功耗。經(jīng)過仔細(xì)查找資料選用STC12C5A60S2系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)有44個I/O口(新增P4口和P5口)。這些I/O口有四種工作方式，分別是:準(zhǔn)雙向口/弱上拉、強(qiáng)推挽輸出/強(qiáng)上拉、僅為輸入(高阻)和開漏輸出?？梢酝ㄟ^軟件對控制寄存器進(jìn)行編程，把任意一個I/O口配置成上述4種方式中的一種。但是每次復(fù)位后，I/O口恢復(fù)默認(rèn)的準(zhǔn)雙向口/弱上拉輸入輸出方式。當(dāng)使用默認(rèn)方式時(shí)不需要重新配置輸出狀態(tài)，因?yàn)檩敵鰹?時(shí)，準(zhǔn)雙向口的驅(qū)動能力很弱，當(dāng)輸出為低時(shí)，灌電流可以達(dá)到20 mA，具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力。實(shí)際應(yīng)用中可以對單片機(jī)的I/O口增加上拉電阻，使用其灌電流方式驅(qū)動如發(fā)光二極管、按鍵等設(shè)備。考慮到程序需要經(jīng)過多次調(diào)試和修改才能達(dá)到預(yù)期效果，所以設(shè)計(jì)時(shí)引出4條線Gnd/P3.1/P3.0/Vcc 方便程序的下載。

本文選用LQFP－48封裝形式的STC12C5A60S2單片機(jī)，其引腳如圖3所示。

3.1.2 I/O 模塊

系統(tǒng)的輸入設(shè)備包括控制器供電電路、起弧使能信號電路、弧壓信號處理與單片機(jī)接口電路和接口電路。各電路作用如下:(1)控制器供電電路:高度控制器所需電源由安裝在控制柜中的開關(guān)電源提供，開關(guān)電源提供兩路電源24 V和12 V。24 V電源主要給H橋驅(qū)動芯片BTM7710G和使能驅(qū)動芯片BTS737供電。單片機(jī)STC12C5A60S2工作電壓為5 V，需要通過一個DC－DC轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓芯片將12 V轉(zhuǎn)換為5 V電壓。(2)起弧使能信號電路:弧壓高度控制器需要給等離子電源系統(tǒng)一個起弧信號，來使能等離子電源系統(tǒng)起弧。這個信號一般為開關(guān)量信號，整個切割過程中，信號會一直持續(xù)，直到切割結(jié)束。(3)弧壓信號處理與單片機(jī)接口電路:經(jīng)分壓板處理的弧壓信號為頻率信號，通過屏蔽雙絞線電纜送到主控制器進(jìn)行處理。經(jīng)過長距離的線纜傳輸以后，弧壓信號會夾雜著一些干擾信號，所以弧壓信號仍然需要進(jìn)行處理，然后才能經(jīng)過光耦送到單片機(jī)。(4)接口電路:包括弧壓高度控制器與CNC系統(tǒng)接口電路、接近開關(guān)接口電路和限位開關(guān)接口電路。

3.1.3 光電隔離模塊

由于數(shù)控等離子切割機(jī)所處的工作環(huán)境使得高度控制器的周圍充滿了各種各樣的干擾信號。這些干擾信號如果不加隔離，便會隨著導(dǎo)線進(jìn)入控制系統(tǒng)，將會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制器可能出現(xiàn)誤操作。光電隔離器是把發(fā)光器件和光敏器件封裝在同一管殼里，以光為傳輸媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)由電到光再到電轉(zhuǎn)換的器件。光耦的輸入與輸出之間不共地，能實(shí)現(xiàn)很好的電氣隔離，廣泛應(yīng)用于各種信號隔離電路中［1］。

3.1.4 直流電動機(jī)驅(qū)動模塊

針對直流電動機(jī)在起動、制動及調(diào)速等方面的良好性能，根據(jù)數(shù)控等離子坡口切割機(jī)工作的實(shí)際情況，選擇了直流電動機(jī)作為割炬升降裝置的工作電動機(jī)。另外，為便于調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，并使具有剎車功能，設(shè)計(jì)了驅(qū)動直流電動機(jī)的H橋電路，并采用調(diào)速范圍廣、精度高、響應(yīng)迅速的PWM方式控制直流電動機(jī)的速度［2］。H橋電路驅(qū)動原理如圖4所示。

從圖4可看出，接通繼電器A、D或B、C，電動機(jī)便可以通電轉(zhuǎn)動。如果我們假設(shè)A、D接通時(shí)，電動機(jī)為正向轉(zhuǎn)動;那么當(dāng)B、C接通時(shí)，直流電動機(jī)將反向轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)了直流電動機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。通過這4個繼電器的通斷，還可以獲得電動機(jī)的其他2個工作狀態(tài):

①剎車:如果將繼電器B、D(或A、C)接通，則直流電動機(jī)由于慣性轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的電動勢將被短路，形成阻礙運(yùn)動的反電動勢，形成“剎車”作用。

②惰行:如果將4個繼電器全部斷開，則直流電動機(jī)由于慣性所產(chǎn)生的電動勢將無法形成回路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運(yùn)動的反電動勢，故電動機(jī)可以慣性轉(zhuǎn)動一段時(shí)間。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開發(fā)軟件時(shí)，為簡化調(diào)試步驟和降低調(diào)試難度，應(yīng)遵循模塊化結(jié)構(gòu)原則，將整個系統(tǒng)按功能分塊設(shè)計(jì)，對每一個子模塊分別進(jìn)行調(diào)試與修改，最后通過程序的調(diào)用，將各功能模塊諸如延時(shí)、檢測、運(yùn)算、驅(qū)動等功能模塊集成起來組成一個完整的系統(tǒng)軟件。

3.2.1 程序主體

首先編寫程序流程圖，然后在Keil－μVision4開發(fā)環(huán)境編寫程序，其主程序流程圖如圖5。程序開始首先要進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)容主要有:各 I/O端口的初始化，外部計(jì)數(shù)器T0的初始化，定時(shí)器T1的初始化，PCA模塊PWM初始化。初始化完畢后進(jìn)入工作方式選擇，有手動和自動控制兩種方式供選擇。如果控制器收到來自CNC的自動控制信號，系統(tǒng)將調(diào)用自動控制子程序，控制割槍進(jìn)入自動控制的運(yùn)行狀態(tài);如果是手動信號，系統(tǒng)將根據(jù)按鍵內(nèi)容控制割槍上升或下降。通常用戶都會選擇使用自動控制功能來完成切割任務(wù)，手動控制功能用來快速調(diào)整割槍的上下位置，或進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí)驗(yàn)證參數(shù)是否合適，或遇到緊急情況時(shí)，能快速提升割槍，防止割槍碰撞到鋼板受到破壞。

3.2.2 初始定位子程序

數(shù)控等離子切割機(jī)床在切割鋼板時(shí)首先要進(jìn)行初始定位，目的是確定割槍和鋼板的距離，初始定位時(shí)割槍提升的高度是由切割工藝給定的，當(dāng)切割不同材料的板材時(shí)，初始定位高度會有所不同。初始定位子程序流程圖如圖6所示。

其工作流程如下:弧壓高度控制器收到初始定位指令后，割槍開始下降，當(dāng)割槍碰到鋼板時(shí)會立即上升，上升至某一設(shè)定的高度，然后判斷是否為初始定位測試，如果是則會返回參數(shù)模式定位結(jié)束;如果不是，控制器會向等離子電源系統(tǒng)發(fā)出工作信號，并控制起弧裝置進(jìn)行起弧，起弧成功以后會向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出起弧成功信號，待穿孔完成以后，CNC將控制機(jī)床運(yùn)動，實(shí)施切割任務(wù)。

3.2.3 弧壓高度控制系統(tǒng)自動控制

事先根據(jù)工藝情況設(shè)定一個經(jīng)驗(yàn)弧壓值U0。單片機(jī)采集到頻率信號后，根據(jù)頻率和電壓之間的關(guān)系，將頻率大小換算成電壓值UIN。根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整精度，設(shè)置一個波動值δ，那么規(guī)定弧電壓下限為U1=U0－δ，弧電壓上限為U2=U0+δ。根據(jù)弧壓調(diào)高的原理，有如下結(jié)論:如果采集到的弧壓UIN處于U1和U2之間即 U1＜UIN＜U2，割槍不運(yùn)動;如果 UIN＞U2，割槍向下運(yùn)動;如果UIN＜U1，割槍向上運(yùn)動。圖7為弧壓高度控制器的自動控制程序流程圖。

4 弧壓高度控制器的實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

弧壓高度控制器的實(shí)驗(yàn)主要分2個部分:一部分是設(shè)計(jì)過程中各種主要芯片的測試，主要測試芯片的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求;另一部分是控制器與切割機(jī)的聯(lián)機(jī)測試，主要測試控制器的整體性能，查找問題，對控制器進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

4.1 選擇芯片過程中所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)

例如對V/F轉(zhuǎn)換芯片AD654進(jìn)行了測試，圖8為AD654實(shí)驗(yàn)情況圖片。按照實(shí)驗(yàn)原理圖，在面包板上插接必要的外圍電路，使用2臺電源，1臺給芯片提供電源，另1臺模擬輸入的電壓信號，通過邏輯分析儀檢測信號的頻率。實(shí)驗(yàn)期間使用不同的電壓給AD654供電，測試其結(jié)果;在同一電壓下，使用不同的電容(瓷片電容和鉭電容)進(jìn)行測試，通過比較選用12 V電壓和NPO瓷片電容。

4.2 弧壓高度控制器的聯(lián)機(jī)調(diào)試

調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題:割槍定位結(jié)束后不能起弧，通過檢查得知是因?yàn)榇┛赘叨忍?，通過降低穿孔高度排除故障;定位時(shí)，割槍接觸到鋼板不抬起，是因?yàn)槌跏级ㄎ粫r(shí)間設(shè)置太短，增加初始定位時(shí)間后，故障消失;自動控制狀態(tài)下割槍發(fā)生振蕩，不穩(wěn)定，經(jīng)過檢查，原因是靈敏度設(shè)置太高，通過降低靈敏度解決了問題。經(jīng)過測試，取得了預(yù)期的效果。如圖9所示為聯(lián)機(jī)調(diào)試切割現(xiàn)場圖片。

5 結(jié)語

本文在分析了等離子切割原理和弧壓調(diào)高原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以STC單片機(jī)為控制核心的弧壓高度控制器，使其具有功耗低、速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)弧壓采集電路時(shí)，應(yīng)用了電感和電容進(jìn)行濾波;應(yīng)用伏頻轉(zhuǎn)換電路將分壓得到的電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，然后通過光耦隔離和功率放大電路將信號送出，使信號的抗干擾能力大為增強(qiáng)。

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