堆焊調速系統的設計與實現

溫 強，蘭 強

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

堆焊調速系統的設計與實現

溫 強，蘭 強

（西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

介紹以單片機dsPIC30f6011A為控制器，觸摸屏為人機交互界面的堆焊調速控制系統，該系統通過I2C協議對數字電位器的阻值編程控制實現了對直流電機的編程調速，提高了輪心堆焊自動控制系統的準確性和快速性，最終實現堆焊速度的現場編程調節。

dsPIC30f6011A單片機；數字電位器；UART

0 前言

CO2輪心自動堆焊是修復機車輪心的一種重要手段。在焊接過程中，有時需要改變焊接速度以滿足不同位置的焊接需要。使用觸摸屏—單片機—數字電位器控制系統可對堆焊速度進行現場編程調節，調節過程準確、快速，提高了機車輪心堆焊的質量和效率。

1 機車輪心的堆焊

輪心內孔與車軸為過盈配合和熱脹法裝配，但當更換車軸或維修車軸上零件時，需將輪對解體，車軸從輪心內孔中被強行壓出，配合面被損壞。輪心內孔面需要堆焊及機加工，恢復內孔表面的光潔度后，才能再次使用[1]。

機車輪心堆焊如圖1所示。

圖1 輪心堆焊示意

堆焊時，輪心在動力托架的帶動下勻速旋轉，

焊車帶動焊槍伸至輪心內孔底部，送絲電動機勻速送絲，當輪心旋轉一周之后，焊車向后后退一個節距，如此反復，完成輪心內孔面的堆焊。輪心修復時需要堆焊輪心內孔和輪心外圓面。外圓面的堆焊和內孔面堆焊過程相同。

輪心堆焊時需要改變焊接速度和送絲速度之處：

a.外圓面堆焊至外部端面時需要增加輪心旋轉速度，否則會造成熔池流淌。

b.堆焊結束停焊時焊槍需要停留以填滿弧坑。

c.輪心內孔面開始堆焊時采用小的送絲速度。CO2焊接電弧靜特性是上升的，在此系統中采用了平的弧焊電源外特性，送絲系統設計為等絲送絲控制系統，若送絲速度快，則焊接電流大、熱輸入高，容易造成裂紋[2]。之后為了提高堆焊效率，應加大送絲速度。

采用直流電機55ZTY54作為行走焊車、動力托架、送絲機構的動力原件，調節焊接速度和送絲速度就是調節直流電機的轉速。

2 調速控制系統的硬件電路連接

單片機采用dsPIC30f6011A，觸摸屏為深圳顯控公司SA-4.3A型，數字電位器X9241Y。由于單片機是TTL電平，觸摸屏是RS232電平，邏輯電平不匹配，所以兩者之間加入MAX232電平轉換芯片，硬件連接如圖2所示。

圖2 硬件電路連接

數字電位器和單片機之間通過數據線SDA、時鐘線SCL相連接，并接上拉電阻。TX是數據發送引腳，RX是數據接收引腳。

光耦使用ST150F開槽光耦，槽間距為5 mm。工作時當凹形槽內無遮擋時，光敏三極管受光導通；當槽內有遮擋時，光敏三極管不能受光而阻斷。遮光盤（設計為齒輪狀）隨輪心工件轉動的動力頭主軸一起旋轉，每一齒通過光耦的凹槽時，光耦產生一個脈沖信號，將此脈沖通過施密特觸發器整形，便能得到方波脈沖信號，此脈沖信號接入單片機的計數器引腳TCK，通過編程對脈沖的個數進行計數，便能獲得工件的旋轉位移。當工件旋轉夠一圈時，焊車后退一個節距，當焊車位移至預設值時，程序改變數字電位器的阻值，從而改變焊接速度或送絲速度。

3 UART模塊和觸摸屏之間的通訊

通用異步收發器UART模塊是dsPIC30F系列器件提供的串行I/O模塊之一①MICROCHIP.dsPIC30F系列參考手冊[EB].Microchip Technology Inc.2015.，是可以和外設通信的全雙工異步系統。在編程時，對UART的參數如波特率、數據位、校驗位、停止位等進行設置，波特率需與觸摸屏的通訊速度保持一致。觸摸屏在界面編輯時設置為MODBUS通訊方式。觸摸屏向單片機發送MODBUS協議幀格式數據。調速按鈕設置為觸摸屏的字按鈕形式，采用06功能碼，按照MODBUS協議規定，數據幀格式為：地址碼，功能碼（06），寄存器地址高字節，寄存器地址低字節，數據高字節、數據低字節，CRC校驗碼低字節、CRC校驗碼高字節。觸摸屏發出命令之后，單片機UART接收到數據，編程對此數據解讀，得到寄存器地址低字節作為功能程序選擇碼，進而執行相關的功能子程序（如置I/O口為高電平，則閉合繼電器）。數據低字節可以存放改變數字的電位器阻值。數字電位器初始的阻值在焊接現場通過觸摸屏輸入調試。

4 數字電位器與單片機的通訊

X9241數字電位器是一款兼容I2C總線接口的芯片，內部包括一個I2C接口和四個數字電位器。每個數字電位器由電阻陣列及與之對應的滑動端寄存器WCR、四個8位數據寄存器R0～R3等部分構成[3]。

X9241Y數字電位器有9條指令。使用寫滑動端

寄存器指令、滑動端至數據寄存器傳輸指令、使能增減指令。數字電位器不能無級調速，焊接過程中如果數字電位器阻值突變，會使得電機運轉不穩定，在送絲時使得送絲速度發生變化，所以采用使能增加/減少滑動端寄存器內容這條指令來改變數字電位器的阻值，每調用一次此指令，數字電位器的值增大或減少一個分辨率大小的數值，再配以延遲子程序，使得調節過程穩定、可靠。送絲速度調速流程如圖3所示。

圖3 送絲速度調節流程

數字電位器接收到單片機發送來的增減指令數據幀格式如圖4所示。圖中“50”是數字電位器的地址“0101 0000”，“write”指單片機作為主機發送數據幀。“ACK”為數字電位器的應答信號，“20”是數字電位器增減指令的指令碼“0010 0000”。由圖4可知，當數字電位器產生最后一個應答之后，數據線SDA被拉高，在接下來的兩個時鐘線SCL脈沖來臨時，數字電位器的滑動端向UH端移動兩步，即改變數字電位器的阻值其中R為數字電位器電阻陣列的阻值（不包括滑動端阻值）。當N次調用增減指令后，數字電位器的阻值在（N×0.2）s內被改變，在現場調試開始時合理設置N即可實現電機速度的平滑改變，從而穩定地改變焊接速度。

圖4 數據幀測試結果

5 結論

以單片機、觸摸屏、數字電位器為核心的調速系統具有方便、快捷、準確的優點，在輪心堆焊焊接現場調速中切實可行。此外，這套系統以單片機為控制器，具有可擴展性，通過程序可以與其他的焊機自動控制功能集成在一起，在焊接自動控制方面應用前景廣闊。

[1]孫松嶺，蘭強，劉艷紅.兩種輪心內孔自動堆焊方式的比較[J].電焊機，2005，35（11）：43-45.

[2]李燕，朱長久，高林.機車輪心裂紋故障原因及檢出手段的研究和實施[R].第十屆中國科協年會，2008.

[3]唐述宏.I2C總線數字電位器原理及單片機的接口設計[J].濰坊學院學報，2003，3（4）：57-60.

Design and realization of the surfacing welding speed control system

WEN Qiang，LAN Qiang
（Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Introduces the surfacing welding speed control system，which uses dsPIC30f6011A SCM as controller，touch screen as human-computer interaction interface.This control system programmatically controls the resistance of digital potentiometer based on the I2C protocol and changes the speed of DC motor successfully by programming.At the same time，the control system improves the accuracy and quickness of the surfacing welding auto-control system of locomotive wheel inner-hole.Finally，the adjustment in the scene to the speed of surfacing welding is realized.

dsPIC30f6011A SCM；digital potentiometer；UART

TG409

A

1001-2303（2016）08-0052-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.12

2015-12-22；

2016-02-27

溫強（1991—），男，甘肅靖遠人，在讀碩士，主要從事材料加工焊接自動控制系統的研究。