劉一春，樂(lè) 健，3，劉 強(qiáng)，周志韜，張 華

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西南昌 330031；2.南昌大學(xué)，江西省機(jī)器人與焊接自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330031；3.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

近些年，隨著焊接自動(dòng)化的發(fā)展，送絲速度的檢測(cè)受到了廣泛的關(guān)注[1-2]。送絲速度是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，由于不能準(zhǔn)確得知送絲速度，當(dāng)送絲速度和焊槍運(yùn)動(dòng)速度不匹配時(shí)，會(huì)造成焊接時(shí)飛濺過(guò)大、焊縫產(chǎn)生咬邊和燒穿等缺陷，最終造成焊接不牢靠，質(zhì)量差等問(wèn)題[3-4]。為了滿(mǎn)足焊接自動(dòng)化中送絲速度檢測(cè)的需求，本文設(shè)計(jì)了基于電容傳感器檢測(cè)送絲速度的系統(tǒng)，當(dāng)主動(dòng)輪上的六角螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，與六角螺母平行的電容傳感器可產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)采集脈沖信號(hào)并計(jì)算，可以得到送絲速度，最后通過(guò)LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

1 測(cè)量送絲速度原理

1.1 送絲速度檢測(cè)原理

送絲速度檢測(cè)原理圖如圖1所示，在送絲機(jī)底座上用磁鐵固定一個(gè)螺栓，螺栓上面有2個(gè)螺母，螺母上面固定電容傳感器，傳感器正對(duì)送絲機(jī)上和主動(dòng)輪同軸的六角螺母。當(dāng)六角螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，電容傳感器與六角螺母的直線距離也會(huì)不同。旋轉(zhuǎn)到六角螺母尖端正對(duì)電容傳感器時(shí)，距離電容傳感器近，此時(shí)電容傳感器可以檢測(cè)到六角螺母，輸出高電平；旋轉(zhuǎn)到六角螺母平面正對(duì)電容傳感器時(shí)，距離電容傳感器遠(yuǎn)，此時(shí)電容傳感器無(wú)法檢測(cè)到六角螺母，輸出低電平[5-6]。因此六角螺母旋轉(zhuǎn)1周就會(huì)輸出6個(gè)脈沖，通過(guò)單片機(jī)可以采集脈沖周期。當(dāng)焊絲被主動(dòng)輪和從動(dòng)輪帶動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可以忽略焊絲與主動(dòng)輪的摩擦力，因此主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的距離就是焊絲的長(zhǎng)度。當(dāng)主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)一周焊絲運(yùn)動(dòng)的距離為

L=2πr

(1)

式中：L為焊絲運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度；r為主動(dòng)輪的半徑。

圖1 送絲速度檢測(cè)原理圖

1.2 送絲速度計(jì)算原理

在主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，六角螺母也旋轉(zhuǎn)1周，根據(jù)檢測(cè)原理，電容傳感器發(fā)出6個(gè)脈沖，但是由于單片機(jī)需要計(jì)算和顯示的原因，因此單片機(jī)每相隔1個(gè)脈沖采集1次數(shù)據(jù)，也就是六角螺母旋轉(zhuǎn)1周單片機(jī)只采集3次脈沖時(shí)間。

在六角螺母旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，單片機(jī)采集到t1、t2、t33個(gè)脈沖時(shí)間，結(jié)合式(1)可計(jì)算得此時(shí)焊絲運(yùn)動(dòng)速度為

(2)

當(dāng)焊絲一直運(yùn)動(dòng)時(shí)，結(jié)合式(1)和式(2)，焊絲速度為

(3)

式中：t(n)、t(n-1)、t(n-2)為單片機(jī)采集的最后3個(gè)脈沖時(shí)間；n為采集序列次數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路系統(tǒng)框圖

基于電容傳感器測(cè)量送絲速度的硬件電路總體框圖如圖2所示。其中電容傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)處理電路處理后傳入單片機(jī)中，單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算后得出的送絲速度通過(guò)并行傳輸?shù)絃CD1602上顯示出來(lái)。

圖2 系統(tǒng)框圖

2.2 電源電路

本系統(tǒng)采用12 V電源給電容傳感器供電，同時(shí)利用穩(wěn)壓芯片L7805CV由12 V降成5 V給微控制器電路部分和LCD1602供電[7]。具體電路如圖3所示，其中C1、C2、C4和C5都是濾波電容。

圖3 電源電路

2.3 電容傳感器信號(hào)處理電路

本系統(tǒng)選用PNP型電容傳感器，該傳感器的特性是被測(cè)物體的介質(zhì)不同，被測(cè)物體靠近電容傳感器觸發(fā)輸出信號(hào)的距離不同，而本設(shè)計(jì)就是利用這一原理，使得被測(cè)物體介質(zhì)相同，但和電容傳感器距離不同從而觸發(fā)電容傳感器發(fā)出脈沖信號(hào)。P1為電容傳感器，供電電壓為12 V，輸出的脈沖信號(hào)也為12 V，而單片機(jī)能識(shí)別的電壓最高為5 V，考慮到系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，故采用電阻式分壓的方式對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，分壓后輸出接單片機(jī)的P3.3引腳。處理電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理電路

2.4 LCD顯示電路

本系統(tǒng)選用并行通信的字符型雙排顯示屏LCD1602[8]，實(shí)時(shí)顯示送絲速度。LCD1602顯示屏采用5 V供電，可接一枚電位器調(diào)節(jié)屏幕亮度。

2.5 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的微控制器采用STC89C52單片機(jī)[9]，單片機(jī)硬件電路包括晶振電路和復(fù)位電路[10]，單片機(jī)的外部中斷1用于接收電容傳感器信號(hào)，P0口用于和顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

主程序流程圖如圖5所示，主要是進(jìn)行系統(tǒng)初始化以及計(jì)算送絲速度并傳輸?shù)絃CD1602上，系統(tǒng)初始化主要包括初始化外部設(shè)備LCD1602顯示屏、定時(shí)器初始化、外部中斷初始化、串口中斷初始化以及初始化各標(biāo)志位。接著進(jìn)入循環(huán)判斷標(biāo)志位TimeSTA，當(dāng)TimeSTA為真時(shí)根據(jù)式(3)得出送絲速度，并把送絲速度實(shí)時(shí)顯示在LCD1602上，并且清零標(biāo)志位TimeSTA，等待下一次運(yùn)算。

圖5 主程序流程圖

3.2 外部中斷

外部中斷程序流程圖如圖6所示，主要是控制定時(shí)器運(yùn)行和提取定時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間。當(dāng)外部中斷1引腳有脈沖信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，進(jìn)入外部中斷子程序，首先判斷標(biāo)志位Flag，如果為真則重新對(duì)定時(shí)器進(jìn)行賦值，并且開(kāi)啟定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，同時(shí)清零標(biāo)志位Flag。如果標(biāo)志位為假，則關(guān)閉定時(shí)器，并且提取定時(shí)器計(jì)時(shí)時(shí)間，然后把定時(shí)器中斷次數(shù)清零，置位標(biāo)志位Flag以及置位標(biāo)志位TimeSTA，告知主程序可以計(jì)算送絲速度。

圖6 外部中斷流程圖

3.3 定時(shí)器中斷

定時(shí)器中斷流程圖如圖7所示，主要用于計(jì)算脈沖周期。當(dāng)外部中斷子程序開(kāi)啟定時(shí)器時(shí)，定時(shí)器經(jīng)過(guò)一段時(shí)間進(jìn)入定時(shí)器中斷子程序，并且通過(guò)變量tCount記錄進(jìn)入定時(shí)器次數(shù)。當(dāng)變量tCount超過(guò)200則說(shuō)明脈沖周期不正常，則置位標(biāo)志位Flag和關(guān)閉定時(shí)器，等待下一次外部中斷開(kāi)啟定時(shí)器。

圖7 定時(shí)器中斷流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證電容傳感器測(cè)量送絲速度系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，首先需要對(duì)照硬件原理圖制造PCB圖，把PCB圖印刷在覆銅板上，經(jīng)過(guò)腐蝕、鉆孔、焊接、調(diào)試等步驟最終制作出的實(shí)物圖如圖8所示，圖8(a)和圖8(b)是本系統(tǒng)實(shí)物圖的背面和正面，圖8(c)是本系統(tǒng)正在運(yùn)行的狀態(tài)。其次采集不同焊接參數(shù)下的送絲速度，同時(shí)用示波器連接電容傳感器的輸出端采樣數(shù)據(jù)，與本系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。最后通過(guò)示波器和本系統(tǒng)采樣的數(shù)據(jù)，求取相對(duì)誤差和送絲速度均值驗(yàn)證本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

圖9是不同焊接電流電壓下本系統(tǒng)所測(cè)和示波器所測(cè)的電容傳感器脈沖周期的相對(duì)誤差圖。圖9(a)是在焊接電流為100 A、電壓為20 V時(shí)兩者的相對(duì)誤差圖。圖9(b)是在焊接電流為200 A、電壓為25 V兩者的相對(duì)誤差圖。圖9(c)是在焊接電流為250 A、電壓為30 V兩者的相對(duì)誤差圖?？梢钥闯?組實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差都在2%以下。

在送絲機(jī)運(yùn)行時(shí)，使用示波器對(duì)電容傳感器的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)串口讀取本系統(tǒng)采集電容傳感器的數(shù)據(jù)，兩者對(duì)比。實(shí)驗(yàn)使用了電流為100 A、電壓為20 V，電流為200 A、電壓為25 V，電流為250 A、電壓為30 V的3組速度，對(duì)每組數(shù)據(jù)的后15個(gè)數(shù)據(jù)求其均值并得出其均值速度，得出兩者均值速度的絕對(duì)誤差，如表1所示。

(a)硬件實(shí)物圖背面

(b)硬件實(shí)物圖正面

(c)系統(tǒng)運(yùn)行圖圖8 實(shí)物圖

5 結(jié)論

本系統(tǒng)利用送絲機(jī)上與主動(dòng)輪同軸運(yùn)動(dòng)的六角螺母結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并且結(jié)合電容傳感器原理，提供了一種檢測(cè)送絲速度的方案。通過(guò)實(shí)時(shí)查看送絲速度的情況，焊接工人可以判斷焊接時(shí)焊槍需要運(yùn)動(dòng)的速度，減少焊接缺陷的發(fā)生。

(a)焊接電流為100 A、電壓為20 V

(b)焊接電流為200 A、電壓為25 V

(c)焊接電流為250 A、電壓為30 V圖9 相對(duì)誤差對(duì)比圖

表1 測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)