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平行縫焊機控制系統(tǒng)的研制
摘要：論述了系統(tǒng)的組成原理和實現(xiàn)方法。充分利用上、下位機的性能特點，定制合理的通信協(xié)議，實現(xiàn)了PC機與單片機之間的串行通信。主要論述了下位機各功能模塊的組成和編程方法。關鍵詞：上位機 通信協(xié)議 下位機 步進電機 焊接功率
平行縫焊機用于封裝集成電路芯片。目前我國使用的封裝集成電路芯片的設備基本來自于美國和日本等國家，價格昂貴，因此使其變得國產化、價位低具有深遠的意義。
1 系統(tǒng)的主要組成與功能
系統(tǒng)由上位機（PC機）和下位機（單片機）兩部分組成，硬件結構如圖1所示。
上位機（PC機）軟件采用可視化編程語言VB6.0開發(fā)，使用Mscomm控件完成PC機與單片機的數據通信，傳送控制信息、狀態(tài)信息和焊接參數；并利用VB6.0具有的對各種數據庫的操作能力實現(xiàn)焊接的人性化。下位機（單片機）通過串行接口接收PC機發(fā)送的命令，啟動工作程序，控制6個步進電機（其中x軸兩個、y軸1個、z軸兩個，旋轉θ軸1個），通過絲杠將電機的角位移轉換為線位移，帶動焊接電極按設計的軌跡運行，并實時向PC機傳送當前的運行狀態(tài)。系統(tǒng)的主要功能有：
①上位機實時監(jiān)視下位機的工作狀態(tài)，控制下位機的工作過程；設置下位機的工作參數，接收和發(fā)送數據信息、控制信息和狀態(tài)信息；記錄歷史芯片的焊接參數。系統(tǒng)在重新上電時，將最新的焊接參數作為本次焊接參數的默認值；進行數據處理并顯示數據和工作狀態(tài)，指導操作過程；
②下位機控制6個步進電機的轉動，最終控制焊接電極的移動；控制焊接功率的大小并實現(xiàn)間歇控制；實現(xiàn)焊接電極的微調。
③系統(tǒng)的各焊接軸方向精度不得低于0.1mm。
圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖
2 系統(tǒng)資源利用及通信機理
2.1 系統(tǒng)資源的利用
為充分利用PC機強大的數據處理能力、海量的存儲空間，有效地發(fā)揮單片機數據存儲器的作用，必須合理地分配系統(tǒng)資源。具體做法之一是PC機在發(fā)送焊接數據時，將其以浮點數存儲的焊接參數根據步進電機的步角和絲杠比轉換為脈沖數發(fā)送給單片機；二是當脈沖數占用的位數略大于單字節(jié)整數倍N位時，在滿足精度要求的前提下有：發(fā)送的數據=原數據/2n，這時對發(fā)送數據取整，單片機接收到該整數數據后，左移N位便可恢復真實數據。這樣既提高了通信效率，又減小了對單片機RAM的占用。
2.2 系統(tǒng)通信協(xié)議
波特率設置為4800bps；數據幀結構設置為：起始位1bit，數據位8bit，停止位1bit。
PC機向單片機發(fā)送的信息包包括數據信息包和控制信息包。數據信息包括結構為：以“S”字符開頭，其后為22字節(jié)的16進制數。發(fā)送時按ASCII碼格式（文本格式）發(fā)送，實際發(fā)送44個ASCII碼。下位機正確收到后，向PC機發(fā)“K”作為確認應答信號。若在規(guī)定的時間內，PC機未收到“K”信號，則重發(fā)。若三次未成功，則在屏幕上給出顯示信息。PC機必須保證44個ASCII碼的包長度，以免系統(tǒng)誤動�？刂菩畔Y構為：以大寫“O”開始，其后為單字節(jié)16進制數的控制字，實際發(fā)送兩個字節(jié)ASCII碼，也是以“K”作為應答信號，采用等比碼3/8。發(fā)送時高位在前，低位在后。
PC機從單片機接收的信息包括結構的主要內容為數據信息和狀態(tài)信號，且數據信息和狀態(tài)信息被同時發(fā)送。該信息以“S”開關，其后為32個1位16進制數的ASCII碼，以“K”作為結束信號。若PC機收到單片機發(fā)來的完整信息包，則有屏幕提示，指示用戶進行操作。
以上的信息由雙字節(jié)數、單字節(jié)數混合構成，信息包的頭與尾均采用非十六進制的ASCII碼字符，以示區(qū)分。接收方則按照協(xié)議雙方規(guī)定的算法進行解包，發(fā)送方按照雙方規(guī)定的數據結構組包。
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3 下位機的主要組成模塊及設計思想
3.1 模信模塊
通信模塊的硬件組成由于令使用了一片MAX232完成電平的轉換功能而變得較為簡單，免去了一般芯片使用±12V～15V電壓帶來的麻煩，而且與PC機的連接方式是最為簡單的，不需要進行硬握手，大量的工作都由軟件完成。
其主要程序設計方法如下：
①下位機接收PC機發(fā)送的數據包，以中斷方式（且設置為高級中斷）來接收，以滿足通信的實時性要求。這里僅是觸發(fā)接收中斷服務程序的執(zhí)行并且接收首字節(jié)，一旦進入該中斷程序后，就用程序查詢的方法來接收剩余的字節(jié)。接收標志RI是硬件置位、軟件復位的，數據后，接協(xié)議規(guī)定對數據進行解碼和驗證，并向PC機返回驗證信息。②下位機向PC機發(fā)送運行狀態(tài)信息的子程序是根據程序工作過程的需要而調用的。在調用過程中為保證程序邏輯清晰性，使CPU關中斷，利用程序查詢發(fā)送標志TI（TI的使用同RI相似），按協(xié)議要求進行數據變換并發(fā)送完整個信息包，再使CPU開中斷，整個程序執(zhí)行完畢。
3.2 步進電機控制模塊
步進電機是機電一體化產品中重要的執(zhí)行元件之一。對于三相反應式步進電機，其工作方式分為兩種。本系統(tǒng)選用三相單、雙六拍通電方式，這種方式不容易失步，在轉子平衡位置附近不易產生振蕩，運行的穩(wěn)定性較好，而且控制的精度也提高了一倍，為使步進電機的運行更平穩(wěn)，控制精度更高，系統(tǒng)采用了具有細分的步進電機驅動器來控制。步進電機的轉速取決于步進脈沖序列的頻率。其硬件接口電路如圖2所示。圖中只是X軸左側步進電機的連接示意圖，其余電機的連接方式與圖中相似，但使用8155A其它的引腳。步進電機驅動器的CP+和CP-是步進脈沖輸入端，U/D+和U/D-是方向控制輸入端，PD+和PD-為脫機控制輸入端（本系統(tǒng)未使用），且各具有光電隔離電路，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，連線采用共陽極接法是因為邏輯電路的灌電流負載能力通常大于拉電流負載能力；DC和GND為電源接線端，要求為直流20～60V,電流為4A；輸出端A+和A-、B+和B-、C+和C-分別與步進電機A、B、C三相引出線對應連接。對步進電機的控制主要有邏輯控制和速度控制。
邏輯控制包括電機旋轉方向控制和發(fā)送步進脈沖序列。由于訪問8155的PA口和PB口需以字節(jié)方式進行，因此根據旋轉方向控制和步進脈沖序列發(fā)送的需要，組成邏輯置位和復位兩個控制字，交替地輸出到對應的端口，即可實現(xiàn)對電機旋轉的控制。系統(tǒng)最多控制兩個電機同時工作，共有16個控制字。具體編程思想是：脈沖數經步進角到角位移，再經絲杠到位移，即可實現(xiàn)脈沖數正比于線位移。
速度控制是通過在置位和復位兩個控制字交替輸出期間插入延時子程序而實現(xiàn)的，所以速度的快慢是由延時子程序的執(zhí)行時間決定的。在本系統(tǒng)的電機工作的低速區(qū)，非焊接運行時控制線速為4mm/s；焊接運行時線速為1～8mm/s，由PC機根據需要實時控制。
3.3 PWM模塊
為滿足IC芯片縫焊的技術條件，要求焊接過程的功率加載是間歇的，為此設計了PWM脈沖寬度調制模塊，以實現(xiàn)對功率的間歇控制。圖3是本模塊的電路組成。核心器件為SG3524，它的輸出為周期脈沖序列，其周期受RT、CT端對地的接入電阻RT和接入電容CT的控制，周期T=0.77Rt×Ct，所以在此串入數字電位器X9C104用以實現(xiàn)對T的控制。按圖中數字電位器的使用方法，則其電阻R的表達式為：R=(99-n)×100kΩ,其中n是通過編程進行控制的。SG3524的輸出信號的占空比由D/A轉換電路通過編程控制。本系統(tǒng)實現(xiàn)了T=40ms～80ms，占空比為0～100%，由上位機控制。
圖4 功率控制模塊電路圖
3.4 焊接功能控制模塊
焊接功率的控制實際上是通過控制輸出電壓來間接實現(xiàn)的。由單片機輸出數字信號到DAC0832進行數/模轉換，轉換的結果經SG3524控制的模擬開關后，再控制固態(tài)調壓模塊EVU—40A，使其輸出的交流電壓與輸入的數字信號成線性比例。將輸出電壓將至焊接變換器，轉換為低電壓高電流加到焊接電極，通過產生高溫對IC芯片進行縫焊。實現(xiàn)電路如圖4所示。另外由于EVU—40A調壓模塊在實際運用過程中存在殘留電壓，致使在調節(jié)焊接參數時電極焊輪出現(xiàn)打火現(xiàn)象，致使不必要的損失，因此在調壓模塊的輸入回路串接交流固態(tài)繼電器GJH25—W進行阻斷。
對焊接功率模塊控制折編程方法如下：單片機接收上位機的功率控制信息并寫入地址為6000H的DAC0832芯片，同時GJH25-W送有效控制信號使其導通，焊接電極就有相應的功率輸出，進行縫焊。不進行焊接時，使GJH25—W截止，同時向DAC0832發(fā)送OFFH，實現(xiàn)焊接完全可靠的斷開。
4 實驗測試結果
X、Y軸絲杠的線位移/角位移=4mm/360度，Z軸線絲杠的線位移/角位移=1.5mm/360度，步進角均為0.36度。實驗方法是：利用計算機發(fā)送脈沖數并計算理論值，用千分尺實際測量并計算絕對誤差值（見表1）。分析結果滿足設計要求。
表1 實驗數據測試表
2
3
4
5
6
7
8
9 1000
1000
1000
1500
1500
1500
2000
2000
2000 4.00
4.00
4.00
6.00
6.00
6.00
8.00
8.00
8.00 4.00
4.00
4.00
6.00
6.00
6.00
8.00
8.00
8.00 1.50
1.50
1.50
2.25
2.25
2.25
3.00
3.00
3.00 4.01
4.01
4.00
6.01
6.01
5.99
8.00
7.99
7.99 3.99
4.00
4.01
6.00
5.99
5.98
8.01
8.02
8.01 1.51
1.49
1.51
2.24
2.25
2.26
2.99
2.98
2.99 0.01
0.01
0.00
0.01
0.01
-0.01
0.00
-0.01
-0.01 -0.01
0.00
0.01
0.00
-0.01
-0.02
0.01
0.02
0.01 0.01
-0.01
0.01
-0.01
0.00
0.01
-0.01
-0.02
-0.01 最大絕對誤差 0.01 0.02 0.02
本系統(tǒng)經過一段時間的試驗運行，證明通信實時性好、控制精度高，滿足了設計要求。
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