張宇飛，鄭敏信，張　偉，王　曲，齊鉑金

（北京航空航天大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，北京100191）

基于PIC16F883單片機的弧焊過程電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

張宇飛，鄭敏信，張偉，王曲，齊鉑金

（北京航空航天大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，北京100191）

研發(fā)了一套應(yīng)用于弧焊過程的電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器分別采集電弧電壓和焊接電流；設(shè)計電弧電壓和焊接電流的信號調(diào)理電路以及以單片機（PIC16F883）為核心的數(shù)據(jù)采集電路；經(jīng)串行發(fā)送串口RS-232向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，為了避免TIG焊機引弧時高頻高壓對數(shù)據(jù)采集電路的影響，通過接觸器觸點的通斷實現(xiàn)物理隔離，進而保護電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。試驗表明，系統(tǒng)的實時性較好，抗干擾能力強，可滿足實際焊接生產(chǎn)中長時間、不間斷地實時采集與監(jiān)測焊接電弧參數(shù)的需要。

TIG焊；信號調(diào)理；過程監(jiān)測；數(shù)據(jù)采集

0　前言

弧焊廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造中，焊接工藝參數(shù)包括焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣體流量等，選擇合適的工藝參數(shù)作為傳感信號是焊接過程監(jiān)測系統(tǒng)的重點和難點。焊接生產(chǎn)過程中的焊接電流、電弧電壓信號包含了焊接過程中最基本的信息，同時信號的采集相對容易，不受焊接過程中的聲、光、塵等的干擾，是焊接過程質(zhì)量信息的重要來源[1]。對電弧電壓、焊接電流的監(jiān)測可以獲得焊接過程的焊縫成形及焊接質(zhì)量信息，因此，傳感、采集與監(jiān)測弧焊過程中電弧參數(shù)具有十分重要的意義[2]。

本研究基于PIC16F883單片機，運用其A/D轉(zhuǎn)化模塊和增強型通用同步/異步收發(fā)器（EUSART），設(shè)計了一套可以用于對引弧時的高頻高壓自動屏蔽的電弧參數(shù)采集方案，實現(xiàn)了對焊接電流、電弧電壓的實時監(jiān)測。

1　監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

弧焊過程電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由霍爾電壓電流傳感器、信號調(diào)理電路、以PIC16F883單片機為核心的數(shù)據(jù)采集電路、系統(tǒng)保護電路和上位機組成。上位機界面以LabVIEW2012軟件編寫，可以實現(xiàn)焊接電流、電弧電壓波形的實時顯示以及數(shù)據(jù)的實時存儲。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1Overall structure of the monitoring system

系統(tǒng)基于YC-315TX松下逆變控制交直流鎢極氬弧焊機，通過霍爾電流傳感器采集焊接電流、霍爾電壓傳感器采集電弧電壓，經(jīng)過信號調(diào)理電路濾波、放大處理后，進入基于PIC16F883的信號采集電路，通過AD采樣模塊將信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過RS232串口發(fā)送至PC機，PC機基于LABVIEW設(shè)計專門的數(shù)據(jù)顯示及存儲程序，實現(xiàn)焊接電流、電弧電壓的實時顯示與存儲。引弧時，系統(tǒng)保護電路自動斷開電弧電壓與監(jiān)測系統(tǒng)的連接，待電弧穩(wěn)定后，電弧電壓與監(jiān)測系統(tǒng)自動連接，實現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測。

2　YC-315TX逆變焊機原理

松下YC-315TX焊機是IGBT逆變的直流TIG弧焊機，輸出電流315 A，可焊接材料如不銹鋼、低碳鋼、高強鋼及Cr-Mo鋼、銅，鈦及合金等。電流、電壓數(shù)字化顯示，預(yù)置參數(shù)準(zhǔn)確方便，可實現(xiàn)直流TIG、直流脈沖TIG焊、直流焊條電弧焊三種功能，用途廣泛。脈沖電流、基值電流、脈沖頻率、脈沖寬度可無級調(diào)節(jié)，適合各種規(guī)范條件下的焊接。焊接外特性是下降特性，采用輸出電流反饋，輸出電流通過霍爾傳感器取樣后，送入PWM控制芯片SG3525，進行PWM控制，電壓反饋采用電阻分壓取樣，有單獨電路進行處理后變成開關(guān)量，通過光耦隔離后，送給主控部分的電路。逆變器采用橋式結(jié)構(gòu)，逆變器件選用IGBT，IGBT采用集成驅(qū)動器EXB841來驅(qū)動，工作原理框圖如圖2所示。

圖2　YC-315TX工作原理框圖Fig.2Priciple block-diagram of YC-315TX

主電路采用橋式結(jié)構(gòu)，為典型的硬開關(guān)工作方式，主電路如圖3所示。逆變電路采用四個IGBT組成全橋逆變器，硬開關(guān)PWM工作方式。IGBT的吸收電路采用峰值電壓箝位式。逆變器的輸出經(jīng)過隔直電容后和高頻變壓器相連，經(jīng)過降壓整流后輸出給焊接用[3]。

3　硬件電路設(shè)計

硬件電路的主要功能包括焊接電流、電弧電壓信號的采集、處理和發(fā)送，以及實現(xiàn)對監(jiān)測系統(tǒng)的保護。因此，硬件電路主要包括傳感器、信號調(diào)理電路、PIC單片機及外圍電路、焊接電流檢測保護電路及線性電源供電電路。

3.1單片機及外圍電路

信號采集電路以PIC16F883單片機作為處理芯片，晶振16 MHz，其外圍電路主要包括晶振電路、上電復(fù)位電路和程序下載接口電路等。

PIC16F883內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可以將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為表示該信號的10位二進制數(shù)，實現(xiàn)對焊接電流和電弧電壓的采集，同時利用增強型通用同步/異步收發(fā)器（EUSART）通過RS232串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

在血管纖溶系統(tǒng)溶栓的過程中，最重要的步驟是纖溶酶將高分子纖維蛋白裂解成可溶性的低分子質(zhì)量產(chǎn)物。正常生理狀態(tài)下，纖溶酶在循環(huán)血液中含量極低，但在纖溶酶原被纖溶酶原激活劑活化后可于局部形成大量纖溶酶。tPA是血管纖溶系統(tǒng)中最重要的纖溶酶原激活劑。如圖1所示，tPA在正常血液循環(huán)中對纖溶酶原的激活作用微弱，溶栓過程中，tPA結(jié)合到血栓后其活性大增，可在血栓表面高效率地將纖溶酶原的Arg561-Val562肽鍵水解，使纖溶酶原激活變?yōu)槔w溶酶［4，16-17］。

3.2信號采樣調(diào)理電路

鑒于霍爾元件的隔離性能、抗干擾性能比較好，傳感器采用CHV-25P型霍爾電壓傳感器對電弧電壓采樣和CHB-300SF型霍爾電流傳感器對焊接電流采樣，如圖4所示。

CHV-25P型霍爾電壓傳感器性能參數(shù)：輸出電流25 mA對應(yīng)變壓器一次電流10 mA，現(xiàn)變壓器一次側(cè)電阻R1=8.2 kΩ，變壓器二次側(cè)電壓采樣電阻R3=200 Ω，所以變壓器一次電壓82 V對應(yīng)輸出電壓為

圖3　YC-315TX主電路原理Fig.3Main circuit principle diagram of YC-315TX

圖4　傳感器電路Fig.4Circuit of the sensor

CHB-300SF型霍爾電流傳感器性能參數(shù)：輸出電流150 mA對應(yīng)變壓器一次電流300 A，現(xiàn)電流采樣電阻R2=50 Ω，所以變壓器一次電流200 A對應(yīng)輸出電壓為

信號調(diào)理電路是由一級差分比例運算電路和一級電壓跟隨電路組成，如圖5所示，Uf與地信號相減，同時對信號進行濾波，使采樣信號更加穩(wěn)定。

圖5　信號濾波放大電路Fig.5Signal filter amplifier circuit

3.3保護電路

TIG焊在引弧的瞬間會產(chǎn)生高頻電壓，如果將電弧電壓直接接入?yún)?shù)監(jiān)測系統(tǒng)，引弧時會損壞電壓傳感器，甚至是采集電路。霍爾電流傳感器、比較器、電磁繼電器和接觸器組成的保護電路如圖6所示。

圖6　保護電路示意Fig.6Protection circuit diagram

保護電路工作原理：引弧瞬間，工件和焊槍之間沒有形成閉合回路，回路在此時沒有電流。所以比較器LM293的輸出為0，繼電器的線圈沒有通電，K仍然處于常開狀態(tài)，電弧電壓和霍爾電壓傳感器斷開。此時盡管有高頻高壓，但是電弧電壓信號不能輸入到電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)對設(shè)備的保護作用。當(dāng)引弧成功后，工件和焊槍之間形成閉合回路，回路中的電流經(jīng)霍爾電流傳感器進入比較器，LM293的輸出為1，輸出電流經(jīng)三極管放大后帶動繼電器線圈，K閉合，電弧電壓和霍爾電壓傳感器接通，電弧監(jiān)測系統(tǒng)正常工作。

4　單片機程序設(shè)計

利用PIC16F883單片機的A/D轉(zhuǎn)換功能模塊，實現(xiàn)電弧電壓、焊接電流信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；通過與RB0腳相連接的綠燈閃爍實現(xiàn)對程序運行正常的指示（定時器TMR0模塊）；通過單片機異步串行收發(fā)器EUSART向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)。通信協(xié)議：采用10位的幀格式，傳送8位數(shù)據(jù)（左對齊），一位起始位和停止位，不帶奇偶校驗位[5]。同時采用常數(shù)F0h作為起始標(biāo)志，接一個電壓值和一個電流值的形式向PC機發(fā)送。波特率設(shè)置為9 600 bps，異步串行通信模式。主程序流程如圖7所示，程序包括主程序和延時子程序兩部分，主程序主要包括單片機初始化和參數(shù)數(shù)據(jù)采集和發(fā)送。通過Microchip單片機開發(fā)應(yīng)用程序的集成環(huán)境MPLAB IDE實現(xiàn)程序的調(diào)試，借助串口調(diào)試工具確認數(shù)據(jù)收發(fā)的正確性。

圖7　主程序流程框圖Fig.7Sequence chart of main program

5　實驗結(jié)果

電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)組裝完成后，經(jīng)過調(diào)試，可以應(yīng)用于焊接試驗中焊接電流和電弧電壓的監(jiān)測。針對調(diào)試過程中高頻高壓引弧對RS-232通信傳輸和霍爾電壓傳感器的干擾問題，專門設(shè)計了保護電路，信號線也采去雙絞線纏繞磁環(huán)，可以使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相抵消，對電磁場干擾有一定的抑制效果。

實驗條件：采用不送絲的TIG焊，焊機為YC-315TX松下逆變控制交直流鎢極氬弧焊機，焊接材料為不銹鋼304板，板厚1.78 mm，板長200 mm，板寬100 mm，焊接電流70 A，焊接速度300 mm/min，弧長5 mm，鎢極直徑2 mm，氣體保護氣流量10 L/min。焊接過程中監(jiān)測界面如圖8所示；監(jiān)測的焊接電流和電弧電壓數(shù)據(jù)分別如表1所示。焊接過程平穩(wěn)，電弧參數(shù)波動很小。

經(jīng)焊機上電流表顯示以及通過外接電壓表測量，監(jiān)測系統(tǒng)采集到的焊接電流和電弧電壓都比較準(zhǔn)確，具有參考價值。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，直流TIG焊接過程中的焊接電流和電弧電壓參數(shù)十分穩(wěn)定，焊縫成形美觀，焊接質(zhì)量良好。

6　結(jié)論

研發(fā)了一套弧焊電弧參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)，并應(yīng)用該系統(tǒng)監(jiān)測TIG焊接過程。系統(tǒng)選用霍爾電壓傳感器采集電弧電壓以及霍爾電流傳感器采集焊接電流；電弧信號經(jīng)過調(diào)理電路和以單片機（PIC16F883）為核心的數(shù)據(jù)采集電路經(jīng)串行發(fā)送串口RS-232發(fā)送至上位機。

圖8　電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)上位機界面Fig.8Interface of host computer

表1　焊接電流、電壓數(shù)據(jù)Tab.1Data of welding current and arc voltage

設(shè)計的系統(tǒng)防護電路能夠有效保護電弧參數(shù)監(jiān)測裝置、PC機和引弧裝置，可以有效避免因焊機起弧瞬間產(chǎn)生的高頻高壓對設(shè)備的損害。

該電弧參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)實時性良好，運行可靠穩(wěn)定，在實際焊接生產(chǎn)中可以長時間、不間斷地實時監(jiān)測和記錄焊接電弧參數(shù)。

[1]蔣晶．基于LABVIEW的焊接質(zhì)量在線檢測分析系統(tǒng)[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2010．

[2]劉志福．埋弧焊過程參數(shù)自動記錄和監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D]．武漢：華中科技大學(xué)，2002．

[3]張光先．逆變焊機原理與設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008．

[4]展桂榮．TIG焊電弧參數(shù)數(shù)據(jù)采集器防護設(shè)計[J].電焊機，2011，41（9）：89-91．

[5]李學(xué)海．PIC單片機實用教程一基礎(chǔ)篇[M]．北京航空航天大學(xué)出版社，2002．

Monitoring system of TIG welding arc parameters based on PIC16F883 microcontroller

ZHANG Yufei，ZHENG Minxing，ZHANG Wei，WANG Qu，QI Bojin
（School of Mechanical Engineering&Automation，Beihang University，Beijing 100191，China）

In this project,monitoring system of arc welding arc parameters is introduced.The system is composed of current Hall sensor to collect welding current，voltage Hall sensor to collect voltage，signal conditioning circuit，PIC16F883 and peripheral circuit，RS-232 to transmit the data to PC.In order to avoid the damage to data acquisition board by high-frequency TIG welding arc，physical isolation is realized by the contactor which connects the voltage signal and the system.Tests show that the system has good device real-time capability and is able to make acquisition circuit to avoid high frequency high voltage arc interference，the system can fully satisfy the need for continuously monitoring the weld signature(current and voltage)of the welding process on line.

tungsten inert gas welding；signal disposal；process monitor；data acquisition

TG434

A

1001－2303（2016）05－0046-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.05.10

2016-02-12；

2016-02-20

張宇飛（1990—），男，山西大同人，碩士，主要從事新型焊接電源技術(shù)及應(yīng)用方面的研究工作。