CN101229611B - 焊枪横摆控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种焊枪横摆控制装置，尤其是一种焊枪横摆开环控制装置，属于自动化焊接领域。它包括步进电机驱动器、时钟信号发生电路、第一分频器、第二分频器、单片机；其中时钟信号发生电路产生的固定频率的电脉冲信号输出到所述的第一分频器以作为第一分频器的脉冲源，第一分频器的输出信号一方面接步进电机驱动器的脉冲端、另一方面接第二分频器的输入端以作为第二分频器的脉冲源，第二分频器的输出端的输出信号接单片机的输入端口，单片机接步进电机驱动器的使能端及方向端。本发明电路结构简单、实施方便；单片机资源占用少，控制系统实时性较强；抗干扰能力强；能够方便的识别横摆的中心及边缘位置，方便控制系统的控制。

Description

焊枪横摆控制装置

技术领域

本发明涉及一种焊接中焊枪横摆的控制装置，尤其是一种焊枪横摆开环控制装置，属于自动化焊接领域。

背景技术

厚壁材料焊接中，特别是开坡口的材料在打底焊接、填充焊接以及盖面焊接中，焊枪横摆应用广泛。现有的焊枪横摆控制装置，尤其是焊枪横摆开环控制装置，常采用如下原理：单片机的控制信号发生器产生某频率的电脉冲信号，该电脉冲信号一方面连接到单片机、另一方面经光耦连接到步进电机驱动器的脉冲端，单片机对该脉冲信号进行计数；经计数判断焊枪到达横摆边缘时，单片机首先关闭控制信号发生器的输出使能、使得步进电机停止，其次向步进电机驱动器送出换向的指令，再打开控制信号发生器的输出使能、使得步进电机换向运转。

采用该种控制装置，单片机需要通过计脉冲个数来控制横摆宽度，单片机资源占用较多，造成整个系统的实时性差；并且在该种控制装置中，不会产生横摆左、右边缘和横摆中心的信号，可监控性差。

发明内容

本发明目的就是提供一种有效的减少单片机资源占用、提高系统实时性、并产生相关监控信号的焊枪横摆控制装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种焊枪横摆控制装置，它包括用于驱动步进电机产生横摆位移的步进电机驱动器，所述的步进电机驱动器具有脉冲端、使能端及方向端；它还包括时钟信号发生电路、第一分频器、第二分频器、单片机；其中时钟信号发生电路可产生固定频率的电脉冲信号，该电脉冲信号输出到所述的第一分频器的输入端以作为第一分频器的脉冲源，第一分频器的输出端的输出信号一方面接步进电机驱动器的脉冲端、另一方面接第二分频器的输入端以作为第二分频器的脉冲源，第二分频器的输出端的输出信号接单片机的输入端口，单片机对第二分频器的输出信号进行处理后将步进电机驱动器的控制信号输出到步进电机驱动器的使能端及方向端；所述的第一分频器及第二分频器均受单片机控制。

所述的第一分频器具有输出使能端，所述的第二分频器也具有输出使能端，两个所述的输出使能端均受单片机的输出端口控制，当所述的输出使能端有效时，所述的分频器有输出信号；当所述的输出使能端无效时，所述的分频器无输出信号、输出端为高电平状态。所述的第一分频器的输出使能端及第二分频器的输出使能端相连接并且受单片机的同一个输出端口控制。

所述的第一分频器具有数据输入端口，所述的单片机具有数据输出端口，所述的第一分频器的数据输入端口与所述的单片机的数据输出端口相对应连接，所述的单片机可以通过其数据输出端口将第一分频器的分频比输出给所述的第一分频器；所述的第二分频器也具有数据输入端口，所述的第二分频器的数据输入端口也与所述的单片机的数据输出端口相对应连接，所述的单片机还可以通过其数据输出端口将第二分频器的分频比输出给所述的第二分频器。

所述的第一分频器和第二分频器均为可编程计数器。

所述的第一分频器的输出端与步进电机驱动器的脉冲端之间通过第一光耦相耦合，所述的第一光耦为高速度光耦；所述的单片机与步进电机驱动器的使能端及方向端之间通过第二光耦相耦合。

所述的第一分频器以及所述的第二分频器所输出的信号均为占空比为50％的方波信号，该方波信号在一个周期内具有一个上升沿与一个下降沿，并且该方波信号的频率为各自输入信号的频率与其分频比的比值。

所述的时钟信号发生电路包括晶体振荡器、第一电阻、第二电阻、电容器、第一反相器、第二反相器，具体连接方法是晶体振荡器的一端与第一电阻的一端及第一反相器的输入端相连，晶体振荡器的另一端与第二电阻的一端及第二反相器的输出端相连，电容器的一端与第一电阻的另一端及第一反相器的输出端相连，电容器的另一端与第二电阻的另一端及第二反相器的输入端相连，第二反相器的输出端接第一分频器的输入端。

所述的第一分频器的输出信号与步进电机驱动器的脉冲端相连接并用于控制步进电机的转速，当所述的第一分频器的输出信号频率较高时步进电机的转速较高，当所述的第一分频器的输出信号频率较低时步进电机的转速较低。

所述的第二分频器的输出信号用于控制焊枪横摆的宽度，该输出信号被单片机的输入端口的寄存器捕捉；所述的单片机的输入端口的寄存器可以进行上升沿捕捉或者下降沿捕捉的设置，当所述的第二分频器的输出信号产生上升沿或者下降沿时，单片机的输入端口的寄存器均能够将其捕捉到并产生控制信号传输到单片机的中断程序；在控制过程中，当所述的第二分频器的输出信号出现下降沿时表明焊枪处于横摆的中心位置，当第二分频器的输出信号出现上升沿时表明焊枪处于横摆的摆幅位置；当所述的第二分频器的输出信号频率较高时焊枪横摆的宽度较小，当第二分频器的输出信号频率较低时焊枪横摆的宽度较大。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：(1)电路结构简单、实施方便；(2)单片机资源占用少，控制系统实时性较强；(3)电路抗干扰能力强；(4)能够方便的识别横摆的中心及边缘位置，方便控制系统的控制。

附图说明

图1为本发明焊枪横摆控制装置的原理框图；

图2为本发明焊枪横摆控制装置的第一实施例原理图；

图3为图2中时钟信号发生电路的原理图；

图4为本发明焊枪横摆控制装置的第二实施例原理图；

图5为本发明在应用中的波形原理图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进一步详细描述：

参见图1、图2，一种焊枪横摆控制装置，包括单片机、第一光耦、第二光耦、步进电机驱动器、第一分频器、第二分频器、时钟信号发生电路，所述的步进电机驱动器用于驱动步进电机产生横摆位移，所述的步进电机驱动器具有脉冲端CLOCK、使能端ENABLE及方向端CW/CCW。其中时钟信号发生电路可产生固定频率的电脉冲信号，该电脉冲信号输出到所述的第一分频器的输入端以作为第一分频器的脉冲源，第一分频器的输出端的输出信号一方面接步进电机驱动器的脉冲端CLOCK、另一方面接第二分频器的输入端以作为第二分频器的脉冲源，第二分频器的输出端的输出信号接单片机的输入端口，单片机对第二分频器的输出信号进行处理后将步进电机驱动器的控制信号输出到步进电机驱动器的使能端ENABLE及方向端CW/CCW；所述的第一分频器及第二分频器均受单片机控制。

参见图3，所述的时钟信号发生电路为本控制装置的脉冲源，它可产生固定频率的电脉冲信号，所述的时钟信号发生电路包括晶体振荡器Y1、第一电阻R1、第二电阻R2、电容器C1、第一反相器U1A、第二反相器U1B，具体连接方法是晶体振荡器Y1的一端与第一电阻R1的一端及第一反相器U1A的输入端相连，晶体振荡器Y1的另一端与第二电阻R2的一端及第二反相器U1B的输出端相连，电容器C1的一端与第一电阻R1的另一端及第一反相器U1A的输出端相连，电容器C1的另一端与第二电阻R2的另一端及第二反相器U1B的输出端相连，其中各元件的型号根据实际需求而配置，以产生固定频率的电脉冲信号。第二反相器U1B的输出端接第一分频器的输入端CLK1，为第一分频器提供信号源。其中电容器C1设置的目的在于过滤掉晶体振荡器Y1所产生的干扰信号。

参见图2，所述的第一分频器的作用是作为定时器使用，它对时钟信号发生电路的电脉冲信号分频后从其输出端OUT1输出，输出端OUT1的输出信号接第二分频器的输入端CLK2以作为第二分频器的信号源的同时，通过第一光耦接步进电机驱动器的脉冲端以作为步进电机驱动器的脉冲信号源。所述的第一光耦为高速度光耦，它可以将强电信号与弱电信号隔离开，避免步进电机驱动器的驱动信号对第一分频器的控制信号产生干扰。所述的第一分频器的输出端OUT1所输出的信号为占空比为50％的方波信号，该方波信号在一个周期内具有一个上升沿与一个下降沿，并且该方波信号的频率为输入端CLK1的输入信号的频率与所述的第一分频器的分频比i₁的比值。由于所述的第一分频器的输出端OUT1的输出信号作为步进电机驱动器的脉冲信号以用于控制步进电机的转速，因此可以通过调整所述的第一分频器的分频比i₁来控制其输出端OUT1的输出信号的频率进而控制步进电机的转速，当所述的输出端OUT1的信号频率较高时步进电机的转速较高，当所述的输出端OUT1的信号频率较低时步进电机的转速较低。所述的第一分频器的分频比i₁是由单片机上的数据输出端口D0～D7通过第一分频器上的数据输入端口D0～D7输入给第一分频器的。所述的第一分频器的控制寄存器具有16位数据位，可以由单片机设置读/写指示位，可以进行只读/写低8位、只读/写高8位、先读/写低8位再读/写高8位这三种读/写方式，因此所述的第一分频器的分频比i₁的数值可以在1至65535之间。

所述的第二分频器的作用也是作为定时器使用，它对第一分频器的输出端OUT1的输出信号进行分频后从其输出端OUT2输出给单片机。所述的第二分频器所输出的信号也为占空比为50％的方波信号，该方波信号在一个周期内具有一个上升沿与一个下降沿，并且该方波信号的频率为输入端CLK2的输入信号的频率与第二分频器的分频比i₂的比值。所述的第二分频器的作用是通过计其输入端CLK2的输入信号的周期个数以控制焊枪横摆的宽度，其输出端OUT2所输出的方波信号的一个周期对应于焊枪整个一次向左或者向右摆动的过程，当该方波信号位于半周期阶越处时表明焊枪处于横摆的中心位置，当该输出信号位于全周期的阶越处时表明焊枪处于横摆的摆幅位置。同理，可以通过调整所述的第二分频器的分频比i₂来控制其输出端OUT2的输出信号的频率进而控制步进电机的一次正转或者反转的转动时间、进而控制焊枪的宽度，当所述的第二分频器的分频比i₂较高时输出端OUT2的信号频率较低、步进电机一次正转或者反转的转动时间较长、焊枪宽度较大，当所述的第二分频器的分频比i₂较低时输出端口OUT2的信号频率较高、步进电机一次正转或者反转的转动时间较短、焊枪宽度较小。所述的第二分频器的分频比i₂是由单片机上的数据输出端口D0～D7通过第二分频器上的数据输入端口D0～D7输入给第二分频器的。所述的第二分频器的控制寄存器也具有16位数据位，可以由单片机设置读/写指示位，可以进行只读/写低8位、只读/写高8位、先读/写低8位再读/写高8位这三种读/写方式，因此所述的第二分频器的分频比i₂的数值也可以在1至65535之间。

单片机通过输入端口P3口的寄存器对第二分频器输出端OUT2的输出信号进行捕捉后进行处理，对所述的P3口的寄存器进行上升沿捕捉或者下降沿捕捉的设置，当所述的第二分频器的输出端OUT2产生上升沿或者下降沿时，单片机的P3口的寄存器均能够将其捕捉到并产生控制信号传输到单片机的中断程序进行处理。所述的第一分频器、第二分频器分别具有输出使能端GATE1、GATE2，当所述的使能端有效时所述的分频器有输出信号，当所述的使能端无效时所述的分频器无输出信号、呈高电平状态，两个所述的输出使能端GATE1、GATE2分别由单片机的输出端口P1口、P2口控制。所述的第一分频器、第二分频器均为可编程计数器。

参见图4，其与图2的不同之处在于：所述的第一分频器的输出使能端GATE1及第二分频器的输出使能端GATE2相连接并且同时受单片机的P1口控制，故此处将GATE1及GATE2统称为GATE。

对于图4的系统，其整个控制过程的实施例的波形原理图，参见图5：

(a)当整个系统处于初始状态时，焊枪位于横摆位置的中心，第一分频器的分频比为i₁，第二分频器的分频比为

GATE＝1，两输出使能端GATE1及GATE2均处于有效状态；

(b)当系统开始运行后，即步进电机开始正转、焊枪向右运动后，第一分频器发出第一个上升沿，第二分频器检测到该上升沿后也发出第一个上升沿，单片机对第二分频器的第一个上升沿不捕捉，因为此时系统默认焊枪处于横摆位置的中心；

(c)单片机捕捉到第二分频器的第一个下降沿后表明焊枪位于横摆振幅的二分之一处，步进电机继续正转，焊枪向右运动；

(d)单片机捕捉到第二分频器的第二个上升沿后，表明焊枪位于横摆位置的最右端，单片机控制步进电机驱动器的使能端ENABLE无效、步进电机停转，单片机控制GATE＝0、输出使能端GATE1及GATE2均处于无效状态、第一分频器的输出端OUT1及第二分频器的输出端OUT2均呈高电平；单片机的计数器设置右边缘停留时间t1，单片机将第二分频器的分频比设置为i₂、将步进电机驱动器的方向端CW/CCW反置；当t1结束后单片机控制步进电机驱动器使能端ENABLE有效，单片机还控制GATE＝1、输出使能端GATE1及GATE2均处于有效状态，步进电机反转、焊枪向左运动；

(e)单片机捕捉到第二分频器的第二个下降沿后，表明焊枪位于横摆的中心位置，步进电机驱动器的使能端ENABLE、方向端CW/CCW信号不变；

(f)单片机捕捉到第二分频器的第三个上升沿后，表明焊枪位于横摆位置的最左端，单片机控制步进电机驱动器使能端ENABLE无效、步进电机停转，单片机控制GATE＝0、输出使能端GATE1及GATE2均处于无效状态、第一分频器的输出端OUT1及第二分频器的输出端OUT2均呈高电平；单片机的计数器设置左边缘停留时间t2，单片机将步进电机驱动器的方向端CW/CCW反置；当t2结束后单片机控制步进电机驱动器使能端CW/CCW有效，单片机还控制GATE＝1、输出使能端GATE1及GATE2均处于有效状态，步进电机正转、焊枪向右运动……以后单片机每次捕捉到下降沿表明焊枪位于横摆的中心位置、单片机捕捉到上升沿表明焊枪位于横摆位置的振幅处，单片机对输出使能端GATE、步进电机驱动器发出相应指令。经过以上步骤，单片机控制焊枪横摆往复运动。其中t1为右边缘停留时间，t2为左边缘停留时间，由单片机的定时器控制。t1与t2可相同也可不相同，由焊接的工艺过程决定。

在实际焊接过程中，通常需要根据实际工艺在横摆中心不变的情况下调整摆动宽度及速度、或者在横摆宽度不变的情况下调整横摆中心。采用了本发明方案的系统，能够方便的识别横摆的中心及边缘位置，方便控制系统的控制。例如，焊缝的起始点和终点处的横摆宽度与焊缝中间位置的横摆宽度可能略有差别，此时只需要在步骤(e)中，当单片机中断程序检测到P3口的控制信号后调整第二分频器的分频比i₂即可，如果宽度不变则不需要重新设置；焊缝的起始点和终点处的横摆速度可能也略有差别，此时只需要在步骤(d)或者(e)或者(f)中，当单片机中断程序检测到P3口的控制信号后调整第一分频器的分频比i₁即可，如果速度不变则不需要重新设置；又或者焊缝的不同位置处右边缘停留时间t1、左边缘停留时间t2也可方便的在步骤(d)或者(f)中分别调整，单片机资源占用很少。并且，在本发明中，步进电机的方向控制也很方便，单片机只需要捕捉第二分频器的输出端OUT2的上升沿，即可对步进电机驱动器作出相应的控制。

上述具体实施方式仅为本发明之优选实施例，并非用以限定本发明之保护范围，本发明之保护范围应当以权利要求为准，但凡依本发明之保护范围及发明说明内容所做出的简单的等效变化与修饰，皆属于本发明专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种焊枪横摆控制装置，其特征在于：

它包括用于驱动步进电机产生横摆位移的步进电机驱动器，所述的步进电机驱动器具有脉冲端(CLOCK)、使能端(ENABLE)及方向端(CW/CCW)；

它还包括时钟信号发生电路、第一分频器、第二分频器、单片机；其中时钟信号发生电路可产生固定频率的电脉冲信号，该电脉冲信号输出到所述的第一分频器的输入端以作为第一分频器的脉冲源，第一分频器的输出端的输出信号一方面接步进电机驱动器的脉冲端(CLOCK)、另一方面接第二分频器的输入端以作为第二分频器的脉冲源，第二分频器的输出端的输出信号接单片机的输入端口，单片机对第二分频器的输出信号进行处理后将步进电机驱动器的控制信号输出到步进电机驱动器的使能端(ENABLE)及方向端(CW/CCW)；

所述的第一分频器及第二分频器均受单片机控制；

所述的第二分频器的输出信号用于控制焊枪横摆的宽度，该输出信号被单片机的输入端口的寄存器捕捉；所述的单片机的输入端口的寄存器可以进行上升沿捕捉或者下降沿捕捉的设置，当所述的第二分频器的输出信号产生上升沿或者下降沿时，单片机的输入端口的寄存器均能够将其捕捉到并产生控制信号传输到单片机的中断程序；在控制过程中，当所述的第二分频器的输出信号出现下降沿时表明焊枪处于横摆的中心位置，当第二分频器的输出信号出现上升沿时表明焊枪处于横摆的摆幅位置；当所述的第二分频器的输出信号频率较高时焊枪横摆的宽度较小，当第二分频器的输出信号频率较低时焊枪横摆的宽度较大。

2.根据权利要求1所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的第一分频器具有输出使能端(GATE1)，所述的第二分频器也具有输出使能端(GATE2)，两个所述的输出使能端(GATE1、GATE2)均受单片机的输出端口控制，当所述的输出使能端有效时，所述的分频器有输出信号；当所述的输出使能端无效时，所述的分频器无输出信号、输出端为高电平状态。

3.根据权利要求2所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的第一分频器的输出使能端(GATE1)及第二分频器的输出使能端(GATE2)相连接并且受单片机的同一个输出端口控制。

4.根据权利要求1所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的第一分频器具有数据输入端口(D0～D7)，所述的单片机具有数据输出端口(D0～D7)，所述的第一分频器的数据输入端口(D0～D7)与所述的单片机的数据输出端口(D0～D7)相对应连接，所述的单片机通过其数据输出端口(D0～D7)将第一分频器的分频比输出给所述的第一分频器；

所述的第二分频器也具有数据输入端口(D0～D7)，所述的第二分频器的数据输入端口(D0～D7)也与所述的单片机的数据输出端口(D0～D7)相对应连接，所述的单片机通过其数据输出端口(D0～D7)将第二分频器的分频比输出给所述的第二分频器。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的第一分频器和第二分频器均为可编程计数器。

6.根据权利要求1所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的第一分频器的输出端与步进电机驱动器的脉冲端(CLOCK)之间通过第一光耦相耦合，所述的第一光耦为高速度光耦；所述的单片机与步进电机驱动器的使能端(ENABLE)及方向端(CW/CCW)之间通过第二光耦相耦合。

7.根据权利要求1所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的第一分频器以及所述的第二分频器所输出的信号均为占空比为50％的方波信号，该方波信号在一个周期内具有一个上升沿与一个下降沿，并且该方波信号的频率为各自输入信号的频率与其分频比的比值。

8.根据权利要求1所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的时钟信号发生电路包括晶体振荡器(Y1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、电容器(C1)、第一反相器(U1A)、第二反相器(U1B)，具体连接方法是晶体振荡器(Y1)的一端与第一电阻(R1)的一端及第一反相器(U1A)的输入端相连，晶体振荡器(Y1)的另一端与第二电阻(R2)的一端及第二反相器(U1B)的输出端相连，电容器(C1)的一端与第一电阻(R1)的另一端及第一反相器(U1A)的输出端相连，电容器(C1)的另一端与第二电阻(R2)的另一端及第二反相器(U1B)的输入端相连，第二反相器(U1B)的输出端接第一分频器的输入端。

9.根据权利要求1所述的焊枪横摆控制装置，其特征在于：所述的第一分频器的输出信号与步进电机驱动器的脉冲端(CLOCK)相连接并用于控制步进电机的转速，当所述的第一分频器的输出信号频率较高时步进电机的转速较高，当所述的第一分频器的输出信号频率较低时步进电机的转速较低。

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