溫 強(qiáng)，蘭 強(qiáng)

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

堆焊調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫 強(qiáng)，蘭 強(qiáng)

（西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

介紹以單片機(jī)dsPIC30f6011A為控制器，觸摸屏為人機(jī)交互界面的堆焊調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過I2C協(xié)議對(duì)數(shù)字電位器的阻值編程控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的編程調(diào)速，提高了輪心堆焊自動(dòng)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和快速性，最終實(shí)現(xiàn)堆焊速度的現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)節(jié)。

dsPIC30f6011A單片機(jī)；數(shù)字電位器；UART

0 前言

CO2輪心自動(dòng)堆焊是修復(fù)機(jī)車輪心的一種重要手段。在焊接過程中，有時(shí)需要改變焊接速度以滿足不同位置的焊接需要。使用觸摸屏—單片機(jī)—數(shù)字電位器控制系統(tǒng)可對(duì)堆焊速度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)編程調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程準(zhǔn)確、快速，提高了機(jī)車輪心堆焊的質(zhì)量和效率。

1 機(jī)車輪心的堆焊

輪心內(nèi)孔與車軸為過盈配合和熱脹法裝配，但當(dāng)更換車軸或維修車軸上零件時(shí)，需將輪對(duì)解體，車軸從輪心內(nèi)孔中被強(qiáng)行壓出，配合面被損壞。輪心內(nèi)孔面需要堆焊及機(jī)加工，恢復(fù)內(nèi)孔表面的光潔度后，才能再次使用[1]。

機(jī)車輪心堆焊如圖1所示。

圖1 輪心堆焊示意

堆焊時(shí)，輪心在動(dòng)力托架的帶動(dòng)下勻速旋轉(zhuǎn)，

焊車帶動(dòng)焊槍伸至輪心內(nèi)孔底部，送絲電動(dòng)機(jī)勻速送絲，當(dāng)輪心旋轉(zhuǎn)一周之后，焊車向后后退一個(gè)節(jié)距，如此反復(fù)，完成輪心內(nèi)孔面的堆焊。輪心修復(fù)時(shí)需要堆焊輪心內(nèi)孔和輪心外圓面。外圓面的堆焊和內(nèi)孔面堆焊過程相同。

輪心堆焊時(shí)需要改變焊接速度和送絲速度之處：

a.外圓面堆焊至外部端面時(shí)需要增加輪心旋轉(zhuǎn)速度，否則會(huì)造成熔池流淌。

b.堆焊結(jié)束停焊時(shí)焊槍需要停留以填滿弧坑。

c.輪心內(nèi)孔面開始堆焊時(shí)采用小的送絲速度。CO2焊接電弧靜特性是上升的，在此系統(tǒng)中采用了平的弧焊電源外特性，送絲系統(tǒng)設(shè)計(jì)為等絲送絲控制系統(tǒng)，若送絲速度快，則焊接電流大、熱輸入高，容易造成裂紋[2]。之后為了提高堆焊效率，應(yīng)加大送絲速度。

采用直流電機(jī)55ZTY54作為行走焊車、動(dòng)力托架、送絲機(jī)構(gòu)的動(dòng)力原件，調(diào)節(jié)焊接速度和送絲速度就是調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

2 調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路連接

單片機(jī)采用dsPIC30f6011A，觸摸屏為深圳顯控公司SA-4.3A型，數(shù)字電位器X9241Y。由于單片機(jī)是TTL電平，觸摸屏是RS232電平，邏輯電平不匹配，所以兩者之間加入MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，硬件連接如圖2所示。

圖2 硬件電路連接

數(shù)字電位器和單片機(jī)之間通過數(shù)據(jù)線SDA、時(shí)鐘線SCL相連接，并接上拉電阻。TX是數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，RX是數(shù)據(jù)接收引腳。

光耦使用ST150F開槽光耦，槽間距為5 mm。工作時(shí)當(dāng)凹形槽內(nèi)無(wú)遮擋時(shí)，光敏三極管受光導(dǎo)通；當(dāng)槽內(nèi)有遮擋時(shí)，光敏三極管不能受光而阻斷。遮光盤（設(shè)計(jì)為齒輪狀）隨輪心工件轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力頭主軸一起旋轉(zhuǎn)，每一齒通過光耦的凹槽時(shí)，光耦產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，將此脈沖通過施密特觸發(fā)器整形，便能得到方波脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)接入單片機(jī)的計(jì)數(shù)器引腳TCK，通過編程對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，便能獲得工件的旋轉(zhuǎn)位移。當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)夠一圈時(shí)，焊車后退一個(gè)節(jié)距，當(dāng)焊車位移至預(yù)設(shè)值時(shí)，程序改變數(shù)字電位器的阻值，從而改變焊接速度或送絲速度。

3 UART模塊和觸摸屏之間的通訊

通用異步收發(fā)器UART模塊是dsPIC30F系列器件提供的串行I/O模塊之一①M(fèi)ICROCHIP.dsPIC30F系列參考手冊(cè)[EB].Microchip Technology Inc.2015.，是可以和外設(shè)通信的全雙工異步系統(tǒng)。在編程時(shí)，對(duì)UART的參數(shù)如波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位等進(jìn)行設(shè)置，波特率需與觸摸屏的通訊速度保持一致。觸摸屏在界面編輯時(shí)設(shè)置為MODBUS通訊方式。觸摸屏向單片機(jī)發(fā)送MODBUS協(xié)議幀格式數(shù)據(jù)。調(diào)速按鈕設(shè)置為觸摸屏的字按鈕形式，采用06功能碼，按照MODBUS協(xié)議規(guī)定，數(shù)據(jù)幀格式為：地址碼，功能碼（06），寄存器地址高字節(jié)，寄存器地址低字節(jié)，數(shù)據(jù)高字節(jié)、數(shù)據(jù)低字節(jié)，CRC校驗(yàn)碼低字節(jié)、CRC校驗(yàn)碼高字節(jié)。觸摸屏發(fā)出命令之后，單片機(jī)UART接收到數(shù)據(jù)，編程對(duì)此數(shù)據(jù)解讀，得到寄存器地址低字節(jié)作為功能程序選擇碼，進(jìn)而執(zhí)行相關(guān)的功能子程序（如置I/O口為高電平，則閉合繼電器）。數(shù)據(jù)低字節(jié)可以存放改變數(shù)字的電位器阻值。數(shù)字電位器初始的阻值在焊接現(xiàn)場(chǎng)通過觸摸屏輸入調(diào)試。

4 數(shù)字電位器與單片機(jī)的通訊

X9241數(shù)字電位器是一款兼容I2C總線接口的芯片，內(nèi)部包括一個(gè)I2C接口和四個(gè)數(shù)字電位器。每個(gè)數(shù)字電位器由電阻陣列及與之對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)端寄存器WCR、四個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器R0～R3等部分構(gòu)成[3]。

X9241Y數(shù)字電位器有9條指令。使用寫滑動(dòng)端

寄存器指令、滑動(dòng)端至數(shù)據(jù)寄存器傳輸指令、使能增減指令。數(shù)字電位器不能無(wú)級(jí)調(diào)速，焊接過程中如果數(shù)字電位器阻值突變，會(huì)使得電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，在送絲時(shí)使得送絲速度發(fā)生變化，所以采用使能增加/減少滑動(dòng)端寄存器內(nèi)容這條指令來改變數(shù)字電位器的阻值，每調(diào)用一次此指令，數(shù)字電位器的值增大或減少一個(gè)分辨率大小的數(shù)值，再配以延遲子程序，使得調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定、可靠。送絲速度調(diào)速流程如圖3所示。

圖3 送絲速度調(diào)節(jié)流程

數(shù)字電位器接收到單片機(jī)發(fā)送來的增減指令數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。圖中“50”是數(shù)字電位器的地址“0101 0000”，“write”指單片機(jī)作為主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)幀?！癆CK”為數(shù)字電位器的應(yīng)答信號(hào)，“20”是數(shù)字電位器增減指令的指令碼“0010 0000”。由圖4可知，當(dāng)數(shù)字電位器產(chǎn)生最后一個(gè)應(yīng)答之后，數(shù)據(jù)線SDA被拉高，在接下來的兩個(gè)時(shí)鐘線SCL脈沖來臨時(shí)，數(shù)字電位器的滑動(dòng)端向UH端移動(dòng)兩步，即改變數(shù)字電位器的阻值其中R為數(shù)字電位器電阻陣列的阻值（不包括滑動(dòng)端阻值）。當(dāng)N次調(diào)用增減指令后，數(shù)字電位器的阻值在（N×0.2）s內(nèi)被改變，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試開始時(shí)合理設(shè)置N即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的平滑改變，從而穩(wěn)定地改變焊接速度。

圖4 數(shù)據(jù)幀測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

以單片機(jī)、觸摸屏、數(shù)字電位器為核心的調(diào)速系統(tǒng)具有方便、快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，在輪心堆焊焊接現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速中切實(shí)可行。此外，這套系統(tǒng)以單片機(jī)為控制器，具有可擴(kuò)展性，通過程序可以與其他的焊機(jī)自動(dòng)控制功能集成在一起，在焊接自動(dòng)控制方面應(yīng)用前景廣闊。

[1]孫松嶺，蘭強(qiáng)，劉艷紅.兩種輪心內(nèi)孔自動(dòng)堆焊方式的比較[J].電焊機(jī)，2005，35（11）：43-45.

[2]李燕，朱長(zhǎng)久，高林.機(jī)車輪心裂紋故障原因及檢出手段的研究和實(shí)施[R].第十屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)，2008.

[3]唐述宏.I2C總線數(shù)字電位器原理及單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，3（4）：57-60.

Design and realization of the surfacing welding speed control system

WEN Qiang，LAN Qiang
（Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Introduces the surfacing welding speed control system，which uses dsPIC30f6011A SCM as controller，touch screen as human-computer interaction interface.This control system programmatically controls the resistance of digital potentiometer based on the I2C protocol and changes the speed of DC motor successfully by programming.At the same time，the control system improves the accuracy and quickness of the surfacing welding auto-control system of locomotive wheel inner-hole.Finally，the adjustment in the scene to the speed of surfacing welding is realized.

dsPIC30f6011A SCM；digital potentiometer；UART

TG409

A

1001-2303（2016）08-0052-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.12

2015-12-22；

2016-02-27

溫強(qiáng)（1991—），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，在讀碩士，主要從事材料加工焊接自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。