新型焊接溫度場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究

陶躍珍 ，郭翠霞 ，李志榮 ，云 虹 ，王 春 ，廖映華

(1.過程裝備與控制工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；3.四川理工學(xué)院 外語學(xué)院，四川 自貢 643000)

0 前言

隨著焊接技術(shù)和無線通信技術(shù)的更新，焊接工藝正朝著自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。在焊接過程中，焊接溫度是一個(gè)重要的參數(shù)，如果溫度過高易產(chǎn)生熱變形，導(dǎo)致焊縫邊緣出現(xiàn)過多的熔化金屬，難以從焊縫排出；如果溫度過低會(huì)出現(xiàn)低溫焊接，焊縫邊緣只能局部熔化[1]，難以保證焊接質(zhì)量。故焊接溫度場(chǎng)的分布在一定程度上反映了復(fù)雜焊接過程的焊接質(zhì)量，并直接影響焊縫成形。因此獲得焊接過程的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，對(duì)于制定、評(píng)定和優(yōu)化焊接工藝具有重要意義[2]。

傳統(tǒng)的焊接溫度檢測(cè)還存在兩個(gè)方面的問題，一是溫度信息由技術(shù)人員依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，具有很大的隨意性和不確定性，實(shí)時(shí)性差，檢測(cè)精度低；二是傳統(tǒng)的測(cè)溫系統(tǒng)多是有線通信，在焊接現(xiàn)場(chǎng)這種復(fù)雜的條件下，布線較困難。基于此，采用K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)，結(jié)合ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的焊接溫度場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)相比以往的焊接溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有兩個(gè)區(qū)別：一是輸出信號(hào)可作為反饋信號(hào)用于調(diào)整焊接電流，從而達(dá)到自動(dòng)控制焊接溫度的目的，形成完整的焊接溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)；二是為焊接過程溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)提供了一種先進(jìn)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的方法。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)以IEEE80215.4為協(xié)議基礎(chǔ)，是新型短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，可在ISM2.4GHz頻段上免費(fèi)工作，無需申請(qǐng)?jiān)S可。傳輸距離為10～100 m。ZigBee由協(xié)調(diào)器ZC、路由器ZR和終端設(shè)備ZE三級(jí)構(gòu)成，其中協(xié)調(diào)器和路由器為全功能設(shè)備FFD，終端設(shè)備為精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD[3-4]。并且有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別是星型、簇-樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)型，如圖1所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)由溫度檢測(cè)模塊、電源模塊、控制模塊、無線通信模塊、LCD顯示模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊、聲光報(bào)警模塊等組成。電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的電源供給。溫度檢測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)采集焊接溫度信息，并送入控制模塊。本系統(tǒng)主要采用CC2430芯片，它集成了A/D轉(zhuǎn)換電路、ZigBee無線射頻、128 kB的FLASH，內(nèi)部還含有 1個(gè)8位MCU（8051），實(shí)現(xiàn)了控制模塊、無線通信模塊和FLASH存儲(chǔ)模塊的相關(guān)功能。溫度信息可在LCD上實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定值時(shí)，聲光報(bào)警模塊啟動(dòng)，硬件系統(tǒng)根據(jù)溫度反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)整焊接電流以達(dá)到控制焊接溫度的目的。

溫度數(shù)據(jù)的傳輸分為兩個(gè)部分：一是將溫度信息通過無線通信模塊傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中，優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)需檢測(cè)多個(gè)焊接現(xiàn)場(chǎng)溫度信息時(shí)，可以形成簇-樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；二是通過RS232將溫度信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)監(jiān)控中心，便于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表生成打印等[5]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以STC89C52為控制核心，其主要功能是匯總數(shù)據(jù)和通過RS232向計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控芯片的選擇

終端節(jié)點(diǎn)以Chipcon公司推出的CC2430射頻芯片為控制核心。CC2430最大的特點(diǎn)是高集成度和低功耗。該芯片滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz IEEE80215.4協(xié)議要求，包含1個(gè)高效的8位8051控制器，具有32/64/128 kB的FLASH，可用于存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，在一定程度上避免了存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。同時(shí)，還自帶8路A/D轉(zhuǎn)換電路，四個(gè)定時(shí)器、看門狗、AES128協(xié)同處理器、32 kHz晶振休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和21個(gè)可編程I/O引腳，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的微型化[3-4]。

2.2 溫度傳感器[6]

由于焊接現(xiàn)場(chǎng)溫度變化幅度較大(0～1500℃)且變化速度快，因此溫度傳感器采用K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶，其主要分度如表1所示。

表1 K型鎳鉻-鎳鋁熱電偶分度表

由表1可知熱電偶只能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)的電信號(hào)，但毫伏級(jí)的電路不足以驅(qū)動(dòng)CC2430芯片引腳，因此必須要先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào)，再串接一個(gè)250Ω的精密電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為1～5 V的電壓信號(hào)。由于CC2430自帶A/D，因此可以直接將數(shù)據(jù)輸入芯片中進(jìn)行處理。其放大電路如圖3所示。

2.3 冷端溫度補(bǔ)償電路[2-7]

焊接溫度測(cè)量中，由于參考端溫度在室溫中，而分度表數(shù)據(jù)的參考端溫度為0℃，因此必須采取修正或補(bǔ)償措施以提高檢測(cè)精度，冷端溫度補(bǔ)償電路如圖4所示。

由中間溫度定律可知

式中 tn為參考端溫度；t0=0℃；t為測(cè)量端溫度。選取20℃為電橋平衡溫度，此時(shí)a、c兩端電位相等，電橋輸出為零。當(dāng)溫度變化時(shí)，由于冷端溫度變化，熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì)也會(huì)產(chǎn)生變化ΔE，從而打破了a、c兩端電位平衡，自動(dòng)產(chǎn)生大小相等、方向相反的補(bǔ)償電勢(shì)ΔE補(bǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了溫度自動(dòng)補(bǔ)償。

2.4 報(bào)警電路

研究表明，過高或過低的焊接溫度都將影響焊接質(zhì)量。因此，在焊接過程中應(yīng)將溫度控制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)溫度持續(xù)超過此范圍則進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)焊接溫度在設(shè)定范圍內(nèi)變化時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)并不報(bào)警，只是利用負(fù)反饋反向調(diào)整焊接電流，使焊接溫度趨于穩(wěn)定；當(dāng)檢測(cè)到焊接溫度持續(xù)超過報(bào)警預(yù)設(shè)溫度時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，若持續(xù)超過設(shè)定時(shí)間且報(bào)警未解除，則報(bào)警系統(tǒng)將直接切斷系統(tǒng)電源以保證焊接質(zhì)量。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件程序主要分為計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心程序、終端節(jié)點(diǎn)程序和協(xié)調(diào)器程序。

終端節(jié)點(diǎn)程序主要有初始化子程序、無線網(wǎng)絡(luò)建立子程序、溫度檢測(cè)子程序、LCD顯示子程序、鍵盤掃描子程序和報(bào)警子程序等構(gòu)成，其作用是建立無線網(wǎng)絡(luò)、采集溫度數(shù)據(jù)和向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，再查找網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送申請(qǐng)加入的信號(hào)。當(dāng)有鍵按下時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，開始測(cè)量目標(biāo)溫度，然后判斷是否報(bào)警，同時(shí)在LCD上顯示溫度信息，并通過無線模塊發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的作用是負(fù)責(zé)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總和處理，并通過RS232向計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心由力控組態(tài)軟件進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)置，能較容易地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)集成。計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心程序有三個(gè)功能：一是實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控；二是建立數(shù)據(jù)庫，便于歷史數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表生成打印的功能；三是向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令。軟件程序總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。終端節(jié)點(diǎn)流程如圖6所示。

4 結(jié)論

基于ZigBee的焊接溫度場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，改變了傳統(tǒng)的焊接溫度測(cè)溫模式，不需要在復(fù)雜的焊接工作現(xiàn)場(chǎng)布線，提高了測(cè)溫的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，為有效測(cè)量和控制焊接溫度提供了較為可靠的數(shù)據(jù)支持，對(duì)于制定、評(píng)定和優(yōu)化焊接工藝具有重要意義。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)流程

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