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三偏心蝶閥的閥瓣和蝶板的密封面通常用兩種不同硬度的材料，目前多采用手工焊條堆焊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，焊接難度大，生產(chǎn)效率低。研究采用自動(dòng)等離子噴焊技術(shù)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
本研究在分析三偏心蝶閥蝶板轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡的基礎(chǔ)上，根據(jù)等離子噴焊和焊接現(xiàn)場(chǎng)的工況，研究設(shè)計(jì)了三偏心蝶閥蝶板型面轉(zhuǎn)動(dòng)自動(dòng)等離子噴焊跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括自動(dòng)等離子弧噴焊系統(tǒng)、PLC電氣控制系統(tǒng)、焊縫跟蹤控制系統(tǒng)等。焊縫跟蹤控制系統(tǒng)使用GA型位移傳感器采集蝶閥的軌跡，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)速度和位置，經(jīng)滾珠絲杠帶動(dòng)焊槍對(duì)蝶閥蝶板的噴焊面進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。系統(tǒng)控制軟件采用表格結(jié)構(gòu)，使用模塊化設(shè)計(jì)方法，提出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、頻率和運(yùn)行步數(shù)、步進(jìn)電機(jī)升降速三個(gè)重要參數(shù)的控制算法。開發(fā)了串口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于采集三偏心蝶閥密封面的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡。采用MATLAB和匯編相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，成功研制了一個(gè)能夠滿足三偏心蝶閥自動(dòng)等離子噴焊的焊縫自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。
1 設(shè)計(jì)方案
三偏心蝶閥是由兩個(gè)垂直于圓錐體的任一母線的平行面截取而得，密封面是錐體的表面，寬度10～20mm。蝶閥在噴焊過(guò)程中的安裝如圖1所示，三偏心蝶閥的旋轉(zhuǎn)中心是圓錐體的軸線。


圖1 三偏心蝶閥工裝圖
蝶閥堆焊要求待噴焊的密封面在轉(zhuǎn)為**點(diǎn)時(shí)成水平位置。蝶閥采用的這種特殊安裝方式，使其在旋轉(zhuǎn)時(shí)密封面會(huì)左右移動(dòng)，產(chǎn)生橫向偏移。等離子自動(dòng)噴焊要求焊槍實(shí)時(shí)跟蹤橫向位移量。為此，堆焊跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以Intel16位處理器80C196KC作為系統(tǒng)控制核心，以蝶閥的橫向偏移量為系統(tǒng)輸入量，以焊槍的位移量為輸出量，控制焊槍。傳感器將蝶閥橫向位移量轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，單片機(jī)將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，輸出控制步進(jìn)電機(jī)的方向和脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)焊槍實(shí)時(shí)跟蹤蝶閥的堆焊密封面進(jìn)行噴焊，如圖2所示。


圖2 跟蹤控制系統(tǒng)
2 跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)
單片機(jī)控制系統(tǒng)采用高性能的MCS-96系列單片機(jī)80C196KC作為控制系統(tǒng)的核心，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通信電路、數(shù)據(jù)調(diào)理電路、D/A電路、步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)電路。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)80C196KC、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、外部程序存儲(chǔ)器28C64、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264等組成。單片機(jī)正確復(fù)位是一切工作的前提，復(fù)位電路的可靠工作無(wú)疑有著極其重要的作用，以MAX705為核心組成的復(fù)位電路如圖3所示。


圖3 監(jiān)控芯片復(fù)位電路
2.2 數(shù)據(jù)調(diào)理電路
系統(tǒng)通過(guò)位移傳感器采集蝶閥的位移信號(hào)，傳感器輸出0～5V的模擬信號(hào)。傳感器自身包括信號(hào)調(diào)理電路，但由于傳感器在焊接過(guò)程中與蝶閥的接觸面的角度始終變化，傳感器測(cè)量小輪受到向上或向下的作用力后就會(huì)跳躍，傳感器會(huì)產(chǎn)生突變的輸出。因此，要求調(diào)理電路的截止頻率要小，設(shè)計(jì)采用電容C=0.22μF，電阻R=540Ω的π形濾波電路，π形濾波電路適合于負(fù)載電路較小、輸出電壓脈動(dòng)很小的場(chǎng)合。
2.3 串口通信電路
本系統(tǒng)采用串行通信的方式，串行通信接線簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)位數(shù)多。串行通信口與PC機(jī)通過(guò)RS-232接口通信，其標(biāo)準(zhǔn)電平與單片機(jī)的串行通信的CMOS電平不同。因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202。單片機(jī)控制系統(tǒng)與微機(jī)通信的接口電路如圖4所示。系統(tǒng)利用單片機(jī)和上位機(jī)通信來(lái)采集蝶閥的軌跡和調(diào)試程序。


圖4 串口通信接口電路
2.4 D/A電路
系統(tǒng)使用MAX530顯示焊槍的實(shí)時(shí)速度，工作流程是：80C196KC根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的頻率和滾珠絲杠螺距計(jì)算出焊槍速度，然后將速度值賦給MAX530，輸出相應(yīng)的模擬電壓，數(shù)字表根據(jù)模擬電壓的大小顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)可以使數(shù)字表顯示真實(shí)的焊槍速度。D/A電路如圖5所示。


圖5 D/A電路
2.5 步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)電路
80C196KC通過(guò)給出脈沖和方向信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)位置和速度的控制，脈沖和方向信號(hào)由I/O口產(chǎn)生。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出為高電流和高電壓。因此對(duì)脈沖和方向信號(hào)必須進(jìn)行雙電源隔離，即光耦的輸入和輸出是兩個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓電源，以保證單片機(jī)的正常運(yùn)行，減少步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)單片機(jī)的干擾，如圖6所示。


圖6 步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)電路

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移的變換器，它的旋轉(zhuǎn)以固定角度(步距角)運(yùn)行。其特點(diǎn)是在不丟步、不超步的情況下沒有積累誤差，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比，可以用脈沖信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)位置和速度控制，具有一定的精度，而且控制線路簡(jiǎn)單，使用方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)和具有細(xì)分功能的驅(qū)動(dòng)器，它可以用脈沖信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)位置和速度控制，具有一定的精度，而且控制線路簡(jiǎn)單，使用方便，滿足使用要求。
2.7 傳感器
跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)三偏心蝶閥的**直徑是1000mm，噴焊時(shí)的橫向偏移量為160mm。因此，選用量程200mm的D/A位移傳感器。80C196KC集成10位的A/D，要求傳感器的輸出為0～5V的模擬電壓。蝶閥在焊接時(shí)的橫向?yàn)橥鶑?fù)式運(yùn)動(dòng)，這要求傳感器也是往復(fù)式的。在此采用電位計(jì)式位移傳感器，測(cè)量精度10μm，在測(cè)量桿裝有一根彈簧，使其靠外力能夠自由伸縮。
3 跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件包括采樣、采樣數(shù)據(jù)的平滑處理、計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的頻率和運(yùn)行步數(shù)、步進(jìn)電機(jī)升降速過(guò)程和延時(shí)程序6部分，控制系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。


圖7 軟件主流程

3.1 采樣
在程序設(shè)計(jì)中，對(duì)采樣值采用算術(shù)平均值濾波，即連續(xù)對(duì)物理量進(jìn)行多次采樣，然后求其均值做為采樣值。算術(shù)平均值濾波是一種常用的算法，但這樣做要具有兩個(gè)前提：物理量的變化梯度要小和A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間要**的小。算術(shù)平均值濾波公式為


式中 為N次采樣值的算術(shù)平均值；Xi為第I次采樣值；N為采樣次數(shù)。
3.2 采樣數(shù)據(jù)的平滑處理
一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)中往往疊加有噪聲，為了消弱干擾的影響，提高數(shù)據(jù)曲線的光滑度，還需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。在程序設(shè)計(jì)中采用簡(jiǎn)單平均法，計(jì)算公式為


該式又稱為2N+1點(diǎn)的簡(jiǎn)單平均。當(dāng)N=1時(shí)為3點(diǎn)簡(jiǎn)單平均，當(dāng)N=2時(shí)為5點(diǎn)簡(jiǎn)單平均。h(n)可以看作是一個(gè)濾波因子，在程序中h(n)作為常量處理，即h(n)＝1。
3.3 電機(jī)轉(zhuǎn)向的計(jì)算
步進(jìn)電機(jī)有3個(gè)重要的控制參數(shù)：轉(zhuǎn)動(dòng)方向、脈沖頻率和脈沖個(gè)數(shù)。步進(jìn)電機(jī)的方向由I/O口P1.3控制，對(duì)于高電平和低電平電機(jī)是兩個(gè)相反的轉(zhuǎn)向。蝶閥軌跡如圖8所示，這是直徑φ700mm蝶閥經(jīng)過(guò)平滑處理的軌跡，采樣起點(diǎn)是蝶閥的長(zhǎng)軸，即蝶閥**偏移時(shí)的位置。從圖中可以看出：蝶閥的軌跡是以蝶閥長(zhǎng)軸為對(duì)稱軸；蝶閥軌跡對(duì)稱的兩部分呈單調(diào)特性；蝶閥軌跡對(duì)稱的兩部分對(duì)應(yīng)著步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)轉(zhuǎn)向；圖中的**點(diǎn)和**點(diǎn)為電機(jī)換向的拐點(diǎn)。





圖8 經(jīng)過(guò)平滑處理的蝶閥軌跡
這是換向算法程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，電機(jī)方向計(jì)算的軟件流程如圖9所示。


圖9 電機(jī)方向計(jì)算函數(shù)的流程

3.4 步進(jìn)電機(jī)升降速過(guò)程
步進(jìn)電機(jī)速度控制是靠輸入脈沖信號(hào)的變化來(lái)改變的，從理論上說(shuō)，每給驅(qū)動(dòng)器一個(gè)脈沖CP，步進(jìn)電機(jī)就旋轉(zhuǎn)一個(gè)步距角，但是實(shí)際上，如果脈沖CP信號(hào)變化太快，步進(jìn)電機(jī)由于慣性將跟隨不上電信號(hào)的變化。所以，步進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)時(shí)要有升速過(guò)程，以防止堵轉(zhuǎn)和丟步；在停止時(shí)要有降速過(guò)程，以防止由于慣性而產(chǎn)生過(guò)沖。因此，選擇合理的升降速曲線，成為步進(jìn)電機(jī)控制的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，升降速曲線采用S形方法，其特點(diǎn)是升降速快，編程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。頻率1kHz的升降速曲線如圖10所示。



圖10 步進(jìn)電機(jī)升降速曲線
3.5 計(jì)算電機(jī)的頻率和運(yùn)行步數(shù)圖

對(duì)于單片機(jī)控制系統(tǒng)程序來(lái)說(shuō)，輸入量應(yīng)該是處蝶閥在單片機(jī)一個(gè)控制周期內(nèi)偏移量的采樣值，輸理出應(yīng)該是控制步進(jìn)電機(jī)的方向和脈沖信號(hào)。當(dāng)采樣值等于0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不會(huì)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)采樣值大于0時(shí)，步進(jìn)電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但它的頻率和運(yùn)行步數(shù)因采樣值而異，每個(gè)采樣值對(duì)應(yīng)不同的**的電機(jī)頻率和運(yùn)行步數(shù)。在確定蝶閥在一個(gè)控制周期偏移量的采樣值后，通過(guò)計(jì)算可以轉(zhuǎn)換成需要給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)，稱為總脈沖數(shù)。
當(dāng)?shù)�閥在一個(gè)控制周期內(nèi)的位移量越大時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的頻率就越高，設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)具有盡可能快的響應(yīng)速度，這樣才能保證系統(tǒng)跟蹤及時(shí)可靠。根據(jù)電機(jī)的特性，在滿足條件的頻率值中，選擇最小的頻率值。在確定頻率后，就可計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)，它等于總脈沖數(shù)減去步進(jìn)電機(jī)升降速所運(yùn)行的脈沖數(shù)。步進(jìn)電機(jī)升降速過(guò)程所運(yùn)行的脈沖數(shù)為電機(jī)頻率×2×4/100。
計(jì)算完步進(jìn)電機(jī)的頻率和運(yùn)行步數(shù)后，就可以根據(jù)蝶閥在一個(gè)控制周期內(nèi)相對(duì)偏移量的**值為索引值建立頻率表格和運(yùn)行步數(shù)表格，表格的內(nèi)容分為電機(jī)的頻率和運(yùn)行步數(shù)表格。
計(jì)算流程如圖11所示。


圖11 電機(jī)頻率和運(yùn)行步數(shù)計(jì)算函數(shù)流程
3.6 延時(shí)程序
在利用I/O口產(chǎn)生脈沖頻率的過(guò)程中，延時(shí)起著焊很重要的作用，關(guān)系到脈沖頻率是否正確。80C196KC有兩個(gè)定時(shí)器T1和T2，在本程序中使用的是定時(shí)器T1為延時(shí)的時(shí)間基準(zhǔn)。80C196KC有4個(gè)軟件定時(shí)器，由HSO編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)計(jì)算可知，當(dāng)時(shí)間常數(shù)表示**值為65535時(shí)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間為87.38ms，這也是定時(shí)器T1表示的**時(shí)間。同理可知，軟件定時(shí)器的最小延時(shí)時(shí)間1.3333μs。由于步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率的取值為100～10000Hz，所以HSO軟件定時(shí)器能夠滿足設(shè)計(jì)要求。但當(dāng)延時(shí)時(shí)間大于87.38ms時(shí)，HSO軟件定時(shí)器無(wú)法滿足，因此可以利用定時(shí)器T1的溢出中斷或者串聯(lián)HSO軟件定時(shí)器來(lái)設(shè)計(jì)長(zhǎng)延時(shí)程序。
4 串行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
串行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成對(duì)三偏心蝶閥軌跡的采集。系統(tǒng)開發(fā)包括串行通信基礎(chǔ)、上位機(jī)軟件的開發(fā)，下位機(jī)(80C196KC)的軟件開發(fā)。
4.1 串行通信基礎(chǔ)
計(jì)算機(jī)與外界通信常用的有串口、并口、PCI總線、USB總線等方式，本數(shù)據(jù)采集采用串口通信。在串行通信時(shí)，要求通信雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通信。RS-232-C接口是目前最常用的一種串行通信接口，其標(biāo)準(zhǔn)包括兩部分：信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)和控制信號(hào)線的定義。本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是異步串行通信，它以字符為發(fā)送單位，發(fā)送端以固定的幀格式發(fā)送，包括1個(gè)起始位、5～8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)奇偶校驗(yàn)位、1～2個(gè)停止位。起始位和終止位是串行接口控制器(UART)自動(dòng)附加的聯(lián)系信號(hào)，告訴接收方一次傳送的開始和結(jié)束；數(shù)據(jù)位是所要傳送的真實(shí)字符；奇偶校驗(yàn)位和停止位可通過(guò)串行接口控制器或單片機(jī)來(lái)設(shè)置。幀的傳輸順序一般是先傳低位再傳高位。
4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，利用80C196KC的A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后通過(guò)串行口把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC上位機(jī)。但是，如何來(lái)組織發(fā)送，對(duì)于上位機(jī)又如何能夠知道接收數(shù)據(jù)所代表的含義，在進(jìn)行雙機(jī)通信時(shí)都應(yīng)該考慮這個(gè)問(wèn)題。在下位機(jī)把數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)時(shí)，由于80C196KC完成的是數(shù)據(jù)發(fā)送，因此編寫上位機(jī)軟件時(shí)，應(yīng)該注意到下位機(jī)是如何拆分?jǐn)?shù)據(jù)(因?yàn)樗�采集的�?shù)據(jù)是一個(gè)字，而串行通信只能以字節(jié)為單位進(jìn)行操作)，這樣才能把數(shù)據(jù)還原。而且，在多物理量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，還要注意這些物理量在下位機(jī)中發(fā)送的順序。
80C196KC串行口的工作受串行口控制/狀態(tài)寄存器(11H)的控制。其低5位用于串行通信的設(shè)置，包括通信模式、奇偶校驗(yàn)等，高3位用于串行通信的狀態(tài)查詢。在異步模式中對(duì)SBUF寫入數(shù)據(jù)就會(huì)起動(dòng)一次發(fā)送過(guò)程。在發(fā)完停止位之前，保持在SBUF(tx)中的新數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)送出去。若接收允許位REN已被置1，則RXD引腳上出現(xiàn)的下降沿就會(huì)起動(dòng)一次接收過(guò)程。
4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件分?jǐn)?shù)據(jù)接收程序和數(shù)據(jù)處理程序，分別是用VC++和MATLAB開發(fā)的，主要完成對(duì)下位機(jī)所發(fā)送數(shù)據(jù)的接收和對(duì)所采集數(shù)據(jù)的處理。
4.3.1 數(shù)據(jù)接收程序
計(jì)算機(jī)的基本I/O口都是并行的，進(jìn)行串行通信時(shí)須進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，但計(jì)算機(jī)并不直接控制RS-232C接口，而是通過(guò)串行接口控制器(UART)控制。
PC機(jī)常用是Intel公司的標(biāo)準(zhǔn)串行接口控制器。采用C語(yǔ)言能夠?qū)崿F(xiàn)和80C196KC的串行通信(具有程序簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn))，但界面很不友好(雖然可以用C語(yǔ)言編寫友好的界面，但這是不值的)，且直接對(duì)系統(tǒng)底層進(jìn)行操作很危險(xiǎn)。因此，上位機(jī)軟件采用VC++開發(fā)，主要使用VC++的MFC技術(shù)和MSComm控件。MSComm控件(Microsoft Communications Control MSComm)是Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應(yīng)用程序提供了通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)便方法。MFC是英文Microsoft Foundation Class Library的縮寫，它是微軟為Windows程序員提供的一個(gè)面向?qū)ο蟮腤indows編程接口，使用MFC大大簡(jiǎn)化了Windows編程工作。
4.3.2 數(shù)據(jù)處理程序
利用VC++的MFC技術(shù)開發(fā)的數(shù)據(jù)接收程序只是完成串口通信的功能，把從串口接收到的數(shù)據(jù)拆分成百位、十位、個(gè)位，按字符格式寫入文件中，文件名為“rdata.txt”，存于數(shù)據(jù)接收程序的系統(tǒng)目錄下。數(shù)據(jù)處理程序完成對(duì)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼、運(yùn)算和顯示。
本研究主要利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和圖形功能，完成步進(jìn)電機(jī)3個(gè)參數(shù)表格的計(jì)算、對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理以及算法的模擬。系統(tǒng)程序的算法先由MATLAB根據(jù)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再由匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。MATLAB的默認(rèn)數(shù)據(jù)類型為浮點(diǎn)型，而單片機(jī)是整數(shù)運(yùn)算，因此在模擬過(guò)程中，MATLAB使用的也是整數(shù)運(yùn)算。
經(jīng)過(guò)研究和實(shí)際的應(yīng)用，三偏心蝶閥噴焊過(guò)程示意如圖12所示。


圖12 三偏心蝶閥噴焊
5 結(jié)論
對(duì)噴焊控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分進(jìn)行了調(diào)試分析, 試焊結(jié)果表明設(shè)計(jì)的焊縫跟蹤系統(tǒng)控制精度 高, 工作穩(wěn)定可靠, 實(shí)現(xiàn)了三偏心蝶閥的高質(zhì)量噴焊。


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