弧焊電源的智能輸入專家系統設計

李思奇，吳志生，郭建業，張士亮，陳曉燕

(1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.太原星云焊接設備有限公司，山西 太原 030024)

弧焊電源的智能輸入專家系統設計

李思奇1，吳志生1，郭建業2，張士亮1，陳曉燕1

(1.太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024；2.太原星云焊接設備有限公司，山西 太原 030024)

介紹了弧焊電源輸入給定方式由模擬給定到數字給定的發展歷程。講述了該焊機在DSP最小系統下的輸入設計的特點。該系統僅需16個I／O端口便可完成焊接工藝參數的輸入與同步顯示，同時滿足焊機控制系統的可升級性。在硬件電路中采用4×4鍵盤數字輸入方式，與多顯漢字模塊的結合使輸入系統操作簡單化、人性化，加快了實時顯示的響應速度。在軟件編程中融入了獨特的輸入專家系統庫，該庫不僅可為輸入系統提供參考，也能在焊接過程中提供校正功能。設計簡化了以往的焊接輸入操作界面，可實現自主優化焊接輸入參數的功能，提高了輸入系統的智能性。

輸入系統；弧焊電源；智能給定

0 前言

隨著電子產品的更新，焊機的輸入給定系統已從模擬信號給定逐步轉變為數字信號給定。完全模擬給定是通過調節印刷電路板中的電位器旋鈕，實現焊接模擬量給定從零到最大值的變化[1-2]。隨后，采用多路I／O端口和簡單模擬量輸入[2]，通過開關器件的高低電平，可以選擇切換相應的控制電路。

控制芯片(單片機、DSP等)在焊機中的應用豐富了給定系統的功能。通過調節電位器的分壓值將模擬信號經A／D轉換成數字信號送入CPU處理[3]。開關電路與鍵盤電路相結合[4]，通過鍵盤輸入控制參數，將數字信號直接送入控制芯片進行處理。

在數字給定系統中，由鍵盤輸入各種所需的焊接參數，液晶顯示技術的采用使給定操作界面更加簡單快捷，可方便地選擇和調節焊接工藝參數[5]。

在焊機給定系統中，液晶顯示與鍵盤的模塊化使其界面人性，功能豐富。給定專家系統庫的引入使輸入操作系統更為智能化。人機交互系統是數字化焊接電源的外在表現，靈活、友好的人機交互系統是數字化焊接電源實用化的重要標志[6]。

1 柔性化焊機軟開關中的輸入設計

1.1 硬件設計

該焊機控制芯片的核心是DSP系統，共需要16個I／O口，端口信號全部送入DSP進行處理。鍵盤部分采用4×4按鍵輸入，輸入為完全數字化，通過8個I／O端口即可完成全部焊接過程所需的焊接工藝。硬件電路如圖1所示。

焊機起動后，全部芯片程序初始化結束，進入輸入給定系統。掃描設定按鍵是否按下，當設定按鍵按下后，可以通過功能按鍵來選擇焊接參數，按下位數鍵使輸入數字更加快捷方便，當焊接參數輸入完畢后，再次按下設定按鍵即可結束焊接前的輸入設定。在輸入過程中，配合優化按鍵，導入系統自身設定的輸入專家系統庫，優化給定焊接參數。

該焊機配置的顯示電路如圖2所示，顯示模塊屬于圖形液晶顯示模塊，其內部具有存儲空間，與鍵盤輸入、輸入處理系統和焊機輸入專家系統庫相聯系，可實時顯示所需要的焊接工藝。為后續焊接過程的動態顯示、控制波形提供了很大的擴展空間。

圖1 鍵盤輸入

1.2 軟件設計

智能輸入系統不僅要求硬件結構簡單，在軟件運行過程中，合理的程序調用、數據處理速度等都影響著操作系統的響應速度。

1.2.1 判斷按鍵方法

該焊機選擇的是初始全部置0，然后將4個行IO口分別置1，讀列I／O口是否有變化，從而判斷是哪個鍵按下。

1.2.2 按鍵抖動處理

鍵盤為機械觸點式按鍵開關，將機械上的通斷轉換成電氣上的邏輯關系。由于受到機械彈性的作用，按鍵在按下或釋放的時候，通常伴隨有一定時間的觸點機械抖動，時間一般為5～10 ms。所以為保證CPU對按鍵正確的響應，需加入軟件延遲。為避免按一次鍵，多次執行，在程序中加入檢測，等到鍵釋放后，再進行處理。

圖2 顯示電路

1.2.3 輸入主流程

焊機輸入主流程如圖3所示，在焊機電源打開后，焊機進行自檢，運行焊機總程序，各芯片初始化，然后進入輸入主流程，等待焊接參數的輸入。

清除按鍵直接接入系統中斷，一旦清除按鍵按下，清空當前存儲單元，自動返回輸入功能子程序。當焊機處于輸入狀態時，若20 s內一直沒有按鍵輸入，則自動跳出焊接輸入程序。

返回焊機總流程后，系統將按照輸入的焊接工藝進行判斷，初步選擇合適的IGBT觸發波形，然后等待是否開始焊接。

圖3 輸入主流程

1.2.4 功能設定子程序

該子程序的作用是選擇具體的焊接工藝參數，即選擇焊接母材、板厚、保護氣體、焊絲材料、焊接電流、焊接電壓等相關參數。第一次按下位數按鍵，端口開始掃描0～9哪個按鍵按下，然后將輸入數值存入存儲單元A；第二次按下位數按鍵，端口開始掃描0～9哪個按鍵按下，然后將輸入數值乘以10后加上原存儲單元A的數值，重新寫入到存儲單元A，確認鍵按下后，返回輸入主程序。

1.2.5 輸入具體數值子程序

該子程序原理與功能設定子程序流程類似，只是將輸入數值進行運算后存儲于B單元。在確認鍵按下前，將存儲單元A和B的內容復制到新的存儲單元數組input中。需要注意的是：一次焊接一般要輸入幾種焊接工藝參數，所以每次當復制存儲單元A和B的內容時，需要將存儲指針加2。按下確認鍵返回輸入主程序。

1.2.6 優化專家系統子程序

焊接前不確定需要多大的電流、電壓等工藝參數時，可以通過優化按鍵，由系統自動選出合適的焊接參數，輸入的焊接工藝參數越多，最后選擇出來的焊接工藝方法就會越準確。主要方法是通過輸入的input數組，建立一種模糊比對查找，與焊機中的輸入專家系統庫進行對照，選擇出合適的焊接工藝，將選擇后的參數存儲至resultinput存儲單元(沒有優化的輸入參數最后也將復制到該單元，便于后續焊接過程控制程序的運行)。

焊接時反饋的電流、電壓信號等焊接參數也隨之發生變化，優化專家系統子程序在焊接過程控制程序中將再次被調用，通過采用不同的焊接參數組合，保證熔池處于理想狀態，獲得優良的焊縫[7]。

1.3 輸入專家系統

輸入專家系統庫是提前設置好的一組數值，庫中內容與代碼表有相近之處，不同點在于其焊接工藝給定都是焊接效果不錯的參數。代碼功能說明表是為了更好地匹配鍵盤輸入和輸入專家系統庫。

目前對焊機的輸入設定進行了簡單的編碼，其部分代碼功能如表1所示。

表1 部分代碼功能說明

例如在resultinput存儲單元中，若有00010002，00020001表示選擇的焊接方式為CO2焊接，保護氣體為CO2。經過專家系統設定算法，即可在專家庫中找到相應的焊接參數。

2 結論

設計的焊機輸入控制系統操作簡單，與實時顯示系統結合，使焊機輸入更加人性化。輸入專家系統庫的置入，使焊機輸入智能化。數據庫系統為將來的焊機功能升級，提供了很大的發展空間。

[1]何 立.焊接與切割設備的使用和維修(三十二)[J].電焊機，2004，34(8)：61-64.

[2]任福深，陳樹君，管新勇，等.基于PMAC的開放式弧焊機器人系統接口設計[J].電焊機，2008，38(12)：62-65.

[3]張 濤.單片機控制的IGBT逆變式多功能焊機的研究[J].電焊機，2001，31(6)：24-27.

[4]朱玉欣，胡繩蓀，傅育文.單片機控制脈沖等離子弧焊接系統的研制[J].電焊機，2004，34(10)：28-31.

[5]朱志明，吳文楷，羅小鋒.智能型多功能弧焊逆變電源及其編程控制[J].焊接技術，1999(增刊)：15-21.

[6]姚河清，張振淑.全數字化多功能焊機人機交互系統的設計[J].電焊機，2009，39(12)：72-74.

[7]喬立強，周文奇，張光先，等.全位置焊機電源參數給定程序設計[J].電焊機，2004，34(4)：40-42.

Design for the intelligent input expert system of arc welding power source

LI Si-qi1，WU Zhi-sheng1，GUO Jian-ye2，ZHANG Shi-liang1，CHEN Xiao-yan1
(1.College of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China；2.Taiyuan Nebula Welding Equipment Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，China)

This paper introduces the development of that the arc welding power inputting from analog given to digital given，tells the inputting features of the welder in DSP minimum system.The system only has 16 I／O ports that can complete the inputting and synchronous displayed of welding technology parameters,at the same time,makes controlling system of welder to have the scalability.The system uses the digital inputting way which combines the 4×4 keyboard and much shower Chinese module in hardware circuit.It makes the inputting system having the character of operation simplification and human nature，and quick responses of the real-time display.The unique inputting expert system library is used in software programming，it not only provides a reference for inputting system，but also provides the correction function in the welding process.This designing simplifies the inputting interface of previous welding，makes self-optimization inputting parameters，and improves the intelligent of inputting system.

inputting system；the power source of arc welding；intelligent given

TG409

A

1001-2303(2011)07-0019-03

2011-01-06

太原市科技明星專項資助項目(09121013)；山西省自然科學基金資助項目(2006011061)

李思奇(1984—)，女，河北廊坊人，在讀碩士，主要從事軟開關逆變弧焊器的控制研究工作。