基于PIC单片机的CO2焊机数字化控制系统

1 引言
CO2气体保护焊自从上世纪五十年代问世以来，就以高效、节能、低成本等特点受到人们极大的关注，已广泛应用于汽车、造船、航空航天、石油化工机械、农机和动力机械等制造部门[1]。目前使用的CO2焊机主要有抽头式、晶闸管式和逆变式等几种型式，其中，抽头式焊机在国内仍占有不小的市场份额。近些年来，随着计算机和自动控制技术的快速发展，现代CO2焊机已从传统的分立元件控制向集成化、数字化和智能化控制方向转变，以适应焊接技术不断发展的需要。
本研究用性价比高、抗干扰能力强的PIC单片机来控制抽头式CO2焊机，通过软件实现对焊机送丝速度和工作时序的数字化控制，并使其具有点焊、断续焊、二/四步控制等多种功能，以降低控制电路的复杂性、增强焊机的工作可靠性。
2 PIC单片机简介
PIC（Periphery Interface Chip）系列单片机是美国Microchip公司生产的产品[2, 3, 4]。PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令精练，是一种与国内常用的MCS系列单片机截然不同的单片机。它采用哈佛总线结构、精简指令集RISC（Reduced Instruction Set Collection）技术，实现了指令的单字节化和单周期化，大大提高了CPU执行指令的速度和工作效率；它的I/O端口驱动负载的能力较强，可以直接驱动发光二极管LED、光电耦合器和小型继电器等；并且这种单片机集成度高，可以最大限度地减少外围扩展电路，实现纯单片开发应用，降低成本。
在本设计中，选用抗干扰能力强、I/O接口丰富的PIC16C711单片机作为控制系统的核心。这款单片机由68字节数据存储器、1K×14个程序存储器、4路A/D转换通道、8个I/O口、1个定时/计数寄存器等组成，具有上电复位和降压复位等功能。
3 系统硬件设计
根据CO2气体保护焊工艺的要求，要求控制系统实现以下控制功能：
a) 焊接过程的时序控制；
b) 点焊/断续焊/连续焊控制；
c) 焊接操作的二/四步控制；
d) 送丝电机的调速控制和能耗制动控制。
设计的基于PIC单片机的控制原理框图如图1所示。在焊接过程中，单片机控制系统完成了送电、送气、送丝、焊枪开关状态检测、二/四步控制以及点焊/断续焊/连续焊等的控制。
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断续焊长度、断续焊间距、送丝速度、滞后断气时间等的设定值经过A/D通道读入单片机，二/四步功能设定、焊枪开关状态检测通过I/O口读入单片机，焊机送气、送电控制以及送丝电机的PWM调速控制与能耗制动（停送丝控制）信号通过I/O口输出。
因为在PIC16C711单片机中没有直接输出PWM信号的口，所以在设计时，把与送丝速度对应的数字量转换成在RB2口输出的周期一定、高低电平延迟时间不同的信号，形成PWM信号。另外，为了在焊接结束时避免焊丝直接插入熔池，电路设计有送丝电机能耗制动快速停机功能。
4 软件设计
本设计中控制软件采用模块化设计方法，以主程序为核心设置了许多功能子程序模块，运行过程中通过主程序调用功能子程序模块，简化了设计结构。主要的功能模块有初始化程序、A/D转换子程序、参数读入子程序、时序控制子程序和各种延时子程序等。主程序流程框图如图2所示。
程序开始时，焊机上电，单片机立即进行各个端口的初始化工作，初始化完成后，单片机控制系统处于待命状态，等待焊枪开关按下。一旦焊枪开关按下，焊接主电源接通，同时开始送气；延时一段时间后，调用焊接功能参数读入子程序，即读入事先在面板上设定的滞后断气时间，并判断二/四步控制和焊接方式（点焊、断续焊或连续焊）。然后，按照读入的送丝速度开始焊接。在焊接过程中，实时检测送丝速度和焊接功能参数的变化，以便随时调整送丝速度大小和焊接功能参数。焊接完成后，停止输出PWM信号，通过能耗制动迅速停止送丝，根据设定的滞后断气时间延迟断气，等待下一次焊接。
下面给出了PWM信号产生子程序的程序清单。
PWM信号产生子程序：
BCF  STATUS, 5
         BCF  STATUS, 6
         BCF  PORTB, 2
         CALL  DELAY2
         BSF  PORTB, 2
         CALL  DELAY3
DELAY2:
         MOVF  BUF2, 0
         MOVWF  R5
DELAY2_1:
         NOP
         DECFSZ  R5, 1
     GOTO   DELAY2_1
         RETLW  0
DELAY3:
         MOVF  BUF5, 0
         MOVWF  R6
DELAY3_1:
         NOP
         DECFSZ  R6, 1
         GOTO  DELAY3_1
         RETURN
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5 焊接试验
将设计的数字化控制系统应用到实际的焊机中，通过数字信号记录仪记录相关波形，以验证软硬件设计的正确性。如图3所示为四步断续焊时序控制图，通道CH1、CH2、CH3分别记录焊机的送丝控制信号、焊枪开关信号和送电送气控制信号。从图3中可以看出，当焊枪开关按下后，开始送电送气，延迟约300ms后，开始送丝，接触引弧，进入焊接过程，松开焊枪开关后，继续进行焊接，再次按下焊枪开关时，启动能耗制动以立即停止送丝，经过一段返烧后电弧自动熄灭，最终根据事先设定的1s滞后时间停止送气，并断电。在二步控制时，需要一直按紧焊枪开关，松开焊枪开关，马上停止焊接。
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6 结论
a) CO2焊机数字化控制系统，充分利用了PIC单片机的资源，用少量的外围电路实现了一个功能较完善、性能优良的实用系统，降低了焊机成本。
b) 试验结果表明，基于PIC单片机的CO2焊机数字化控制系统，设计合理，结构简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。