CN1560710A - 线性摩擦焊机控制方法及单片机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线性摩擦焊机的控制方法及线性摩擦焊机单片机控制器。这种单片机控制器，由单片机、功率峰值采样电路等电路组成，可实现线性摩擦焊接过程电机启动、停止、刹车，焊接件摩擦，焊接定位等过程的自动控制，能够对线性摩擦焊机进行时间方式控制和功率峰值方式控制。功率峰值控制过程中，单片机通过电流互感器对电机电流进行多次采样，软件处理后得到功率峰值及峰值时刻，单片机以此峰值时刻为起点，延时稳定摩擦焊接时间。由于功率峰值控制方式对焊接表面的初始状态不敏感，因而使焊接件在批量生产时达到了稳定的焊接质量。采用时间控制和功率峰值控制两种控制方法，可满足各种线性摩擦焊接工艺要求，控制精度高。

Description

线性摩擦焊机控制方法及单片机控制器

技术领域

本发明涉及一种线性摩擦焊机的控制方法及线性摩擦焊机单片机控制器。

背景技术

线性摩擦焊接是一个复杂的系统工程，线性摩擦焊机的振动过程由交流调速电机带动曲轴转动来实现；摩擦压力和镦锻压力分别由两个电子气阀控制两个薄膜气缸来实现；焊件的限位由限位气缸推动齿条及限位齿轮的运动来实现。

交流调速电机的启动、停止和转动频率由变频器控制，其启动、停止可直接使用变频器面板上的启动按钮AN₁、停止按钮AN₂；电机转动频率事先在变频器的面板上设定。控制摩擦压力气缸、镦锻压力气缸和限位气缸的三个电子气阀DF₁、DF₂和DF₃分别由三个单刀开关K_a、K_b、K_c接+12V控制；电机机械刹车装置由单刀开关K_d控制。

操作步骤是这样的：根据焊接工艺要求，先在变频器上设定电机转动频率——按下电机启动按钮AN₁启动电机——立即闭合单刀开关K_a打开摩擦压力气缸电子气阀DF₁，摩擦压力气缸动作，此时两焊件在摩擦压力下作相互摩擦运动——摩擦一定时间后，按下停止按钮AN₂——并快速闭合单刀开关K_d，启动电机机械刹车装置——立即闭合单刀开关K_c，限位气缸动作使焊件定位——焊件定位后立即闭合单刀开关K_b，镦锻压力气缸动作给焊件施加锻压力——保压一定时间后，顺次打开单刀开关K_b、K_a、K_d和K_c完成焊接。

现有技术存在的缺点如下：

只能实现简单的时间控制焊接方式，由于焊接时间很短，根据不同的焊接工艺，一般为几秒～几十秒，在焊接初期难以改变电机频率来实现电机转速缓升，在焊接过程中电机频率的改变也难以实现，因而不能满足某些焊件的焊接工艺要求；

电机停转、刹车、焊接定位、镦锻几个过程要求在瞬间顺次完成，焊接精度很难保证，有时还可能造成焊接不成功；

焊接的整个过程对各个开关的操作顺序有严格要求，操作不当可能造成设备损坏；

焊接工艺参数难以精确调节，焊接效率低，因而不能用于工业化批量生产。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种线性摩擦焊机的控制方法。实现线性摩擦焊机在时间控制和功率峰值控制两种控制方法下进行线性摩擦焊接；可在焊接初期实现摩擦频率缓增，再进入正常的摩擦频率进行焊接；以时间控制方式时还可实现变频焊接工艺，以满足各种材料焊件的线性摩擦焊接。

为实现这种线性摩擦焊机的控制方法，本发明的另一目的是提供一种单片机控制器，它能使线性摩擦焊接全过程实现自动控制，提高控制精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

线性摩擦焊机单片机控制器，包括单片机、模数转换电路、数模转换电路、锁存器、分频电路、扩展输入口、扩展输出口、功率峰值采样电路和线性光隔离电路，功率峰值采样电路通过线性光隔离电路经模数转换器电路与单片机电连接，单片机通过数模转换电路与变频器电连接，分频电路分别与单片机和数模转换电路电连接，锁存器分别与单片机、模数转换器电路、扩展输入口和扩展输出口电连接，参数输入、焊接启动、控制方式开关、接近开关和限位开关通过扩展输入口与单片机电连接，程序过程显示和峰值显示通过扩展输出口与单片机电连接，单片机直接控制摩擦压力气缸、镦煅压力气缸、限位气缸、电机刹车以及电机的启动和停止。

所述的功率峰值采样电路，由电流互感器(L₁、L₂、L₃)、三相全波整流桥ZD、滤波电容C及电位器W组成，电流互感器(L₁、L₂、L₃)线圈的一端相互连接，电流互感器(L₁、L₂、L₃)线圈的另一端分别接入三相全波整流桥ZD的输入端，滤波电容C及电位器W并联后接在三相全波整流桥ZD的输出端，三相全波整流桥ZD的输出端负极和电位器W的活动触点与线性光隔离电路电连接。

线性摩擦焊机的控制方法，包括以下步骤：

(1)开机检测焊接启动信号，为高电平，开始焊接；

(2)单片机发出电机启动信号60，启动三相交流电机；

(3)单片机发出摩擦压力控制信号61，启动摩擦压力加压气缸阀动作，给摩擦运动的焊件加上摩擦压力，摩擦压力迅速提升，打开摩擦压力气缸阀的同时启动单片机内部的计时器0开始延时摩擦时间t_f；

(4)计时器0延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即发出电机停止信号59给变频器使电机停转；发出电机刹车信号64；启动单片机内部的计时器1开始延时。

(5)计时器1延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即扫查限位接近开关状态，当扫查到限位接近开关为闭合信号时，发出启动限位气缸信号63，启动限位气缸动作；

(6)限位装置使焊件精确定位后会碰撞限位机构限位开关，单片机扫查到到限位开关闭合信号后，发出镦锻压力气缸信号62，启动镦锻压力气缸动作施加锻压力，同时启动单片机内部的计时器2开始延时镦煅保持时间t_u；

(7)计时器2延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即依次将摩擦压力气缸信号61和镦煅压力气缸信号62取反，关闭摩擦压力气缸电子气阀和镦煅压力气缸气阀，以释放焊件所受压力。

(8)之后，单片机将限位气缸信号63取反，关闭限位气缸气阀，以解除限位压紧装置，使之恢复原位，焊接结束。

所述的功率峰值控制方式，包括以下步骤：执行上述步骤(1)～(8)时，将步骤(3)用下述步骤取代

(1)启动模数转换芯片，进行三相交流电机功率采样；

(2)单片机发出摩擦压力控制信号61，启动摩擦压力加压气缸阀动作，给摩擦运动的焊件加上摩擦压力，摩擦压力迅速提升；

(3)连续对三相交流电机功率进行采样，直至达到摩擦功率峰值时启动单片机内部的计时器0开始延时稳定摩擦时间t_w。

本发明相比现有技术的优点在于：由于采用了单片机控制器，可实现线性摩擦焊接过程的自动控制，控制精度高，焊接质量好，生产效率高；

采用了时间控制方式和功率峰值控制方式，可满足各种线性摩擦焊接工艺要求，由于功率峰值控制方式对焊接表面的初始状态不敏感，因而使焊接件在批量生产时达到了稳定的焊接质量。

工艺参数输入单片机，电机停转、刹车、焊接定位、镦锻过程由程序设定顺次完成，可保证焊接精确度。

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是线性摩擦焊过程及控制方式曲线图。

图3是输出继电器电路图。

图4是线性摩擦焊控制方法流程图。

图中：P_f-摩擦压力，P_u-顶锻压力，v-摩擦线速度，N-功率，M_max-功率峰值，t_fz-转速递增时间，t_f-摩擦时间，t_w-稳定摩擦时间，t_q-刹车时间，t_u-镦煅时间。

具体实施方式

参照图1。线性摩擦焊机单片机控制器由单片机、模数转换电路、数模转换电路、锁存器、分频电路、扩展输入口、扩展输出口、功率峰值采样电路和线性光隔离电路组成。功率峰值采样电路通过线性光隔离电路经模数转换器电路与单片机电连接，单片机通过数模转换电路与变频器电连接，分频电路分别与单片机和数模转换电路电连接，锁存器分别与单片机、模数转换器电路、扩展输入口和扩展输出口电连接，参数输入、焊接启动、控制方式开关、接近开关和限位开关通过扩展输入口与单片机电连接，程序过程显示和峰值显示通过扩展输出口与单片机电连接，单片机直接控制摩擦压力气缸、镦煅压力气缸、限位气缸、电机刹车以及电机的启动和停止。

由于电机的输出功率N与电机电流成正比，因此，电流的峰值点即为摩擦功率的峰值点。功率峰值采样电路由电流互感器(L₁、L₂、L₃)、三相全波整流桥ZD、滤波电容C及电位器W组成。电流互感器(L₁、L₂、L₃)输出驱动电机的三相电流信号，经三相全波整流桥ZD、滤波电容C整流滤波后，从电位器W的活动触点经线性光隔离电路后输入控制系统扩展的模数转换电路的V_i输入端进行多次采样，经过单片机软件处理后得到功率峰值及峰值时刻，单片机以此峰值时刻为起点，延时稳定摩擦焊接时间。

数模转换电路，其V_o输出端可输出0～10V电压，此电压信号再输入变频器的频率控制端口，即可实现对电机频率的实时控制。当焊接工艺需要摩擦频率缓增时，单片机只需在缓增时间段内以一定的递增量和一定的时间步长向数模转换电路写入相应频率的数字量即可；而在变频摩擦焊接时，在不同的时间段内，向数模转换电路写入相应频率的数字量即可。

单片机内部的三个计时器可实现各个时间参数的延时。

由于单片机控制系统的数据总线与单片机外围芯片的片内地址线共同使用单片机P0口，故需用锁存器来对P0口进行锁存。

模数转换器的时钟信号取自单片机的ALE端，当单片机外部时钟为12M时，ALE端的脉冲频率为12/6MHZ。而模数转换器的时钟信号输入最高允许值较低，故使用分频电路对单片机ALE端的时钟脉冲进行分频。

单片机选用89C52单片机，片内自带三个计时器、256字节RAM和8K可擦写flashROM，模数转换电路选用ADC0809模数转换器，数模转换电路选用AD7524数模转换器，锁存器选用74L373地址锁存器，分频电路用74LS90计数器对单片机ALE端的时钟脉冲进行5分频，将得到的400KHZ时钟频率作为模数转换器ADC0809的CLK时钟信号，扩充两片8255可编程并行I/O芯片，一片(8255I)作为扩展输入口用于参数及信号输入，一片(8255O)作为扩展输出口用于程序指示、峰值显示输出。

参照图1及图3。电机停止信号59、电机启动信号60、启动摩擦压力气缸动作信号61、启动镦煅压力气缸动作信号62、启动电机刹车动作信号63、启动限位气缸动作信号64、分别由89C52单片机P1口的P1.5、P1.4、P1.3、P1.2、P1.1、P1.0输出。输出信号再经过隔离放大电路D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁隔离放大后，分别带动继电器J₀～J₅动作，接通相应的执行电路。

数模转换器AD7524，其输出端V_o可输出0～10V电压，此电压信号再输入变频器的控制端口，可实现控制电机频率。

参照图2。当采用时间控制方式时，焊接设定的时间参数主要有：t_fz-频率缓增时间、t_f-摩擦时间(由三段组成)、t_q-刹车时间t_u-镦煅时间等。控制系统软件依次以这几个时间顺序控制各程序动作。若要跳过频率缓增过程、正常摩擦过程中的任意一或两段时，只需将频率缓增时间t_fz及摩擦时间t_f中要跳过的一或两段时间设为0即可。

当采用功率峰值控制方式时，焊接设定的时间参数主要有：t_fz-频率缓增时间、t_w-稳定摩擦时间、t_q-刹车时间、t_u-镦煅时间等。若焊接工艺无须频率缓增过程，只需将频率缓增时间t_fz设为0即可。

参照图4。线性摩擦焊接过程的控制方式有时间控制方式和功率峰值控制方式。

时间控制方式时可进行变频率线性摩擦焊接，实现各种材料的线性摩擦焊接工艺，但是，时间控制方式只是单纯地以摩擦时间、刹车时间、镦锻保压时间为参数对整个焊接过程进行控制。

功率峰值控制是在摩擦焊接的过程中，当到达摩擦功率峰值点(N_max)后，再延时稳定摩擦时间进行摩擦焊接的控制方式。采用这种控制方式的目的是，由于到达功率峰值点后，摩擦界面的氧化物已被基本清理，表面上的微观不平已被磨平，界面及两侧已建立起了较均匀的温度场。在此情况下，再延时一定的摩擦时间，有利于获得优质的焊接接头。对于相同的焊接件，由于其原始表面状态有差异，就可能在焊接时到达功率峰值的时间不同，但在峰值点时，其表面状态已十分相近，而功率峰值的时刻是由单片机控制系统采样自动获得的，固在功率峰值时刻起，延时相同的稳定摩擦时间就可达到相同的焊接质量。

时间控制方式和功率峰值控制方式均可实现频率缓增，当焊接件表面有较明显凹凸不平时，比如氧化物过多，不宜直接进行正常频率摩擦焊接，可采取频率缓增的摩擦过程。

控制过程如下：

控制器上电复位，硬件初始化后，读入各项参数，如t_fz-频率缓增时间，t_f-摩擦时间，t_w-稳定摩擦时间，t_q-刹车时间，t_u-镦煅时间，对参数进行相应转换、存储。

控制方式开关为高电平，则执行功率峰值控制方式，否则执行时间控制方式。

时间控制方式：

1、检测焊接启动信号，为高电平，开始焊接；

2、单片机发出电机启动信号60，启动电机转动；

3、单片机发出摩擦压力控制信号61，启动摩擦压力加压气缸阀动作，给摩擦运动的焊件加上摩擦压力，摩擦压力迅速提升，打开摩擦压力气缸阀的同时启动单片机内部的计时器0开始延时摩擦时间t_f；

4、计时器0延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即发出电机停止信号59给变频器使电机停转；发出电机刹车信号64；启动单片机内部的计时器1开始延时。

5、计时器1延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即扫查回位接近开关状态，当扫查到限位接近开关为闭合信号时，发出启动限位气缸信号63，启动限位气缸动作；

6、限位装置使焊件精确定位后会碰撞限位机构限位开关，单片机扫查到到限位开关闭合信号后，发出镦锻压力气缸信号62，启动镦锻压力气缸动作施加锻压力，同时启动单片机内部的计时器2开始延时镦煅保持时间t_u；

7、计时器2延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即依次将摩擦压力气缸信号61和镦煅压力气缸信号62取反，关闭摩擦压力气缸电子气阀和镦煅压力气缸气阀，以释放焊件所受压力。

8、之后，单片机将限位气缸信号63取反，关闭限位气缸气阀，以解除限位压紧装置，使之恢复原位，焊接结束。

功率峰值控制方式：

1、检测焊接启动信号，控制方式开关为高电平，开始焊接；

2、单片机发出电机启动信号60，启动电机转动；

3、启动模数转换芯片，进行三相交流电机功率采样；

4、单片机发出摩擦压力控制信号61，启动摩擦压力加压气缸阀动作，给摩擦运动的焊件加上摩擦压力，摩擦压力迅速提升；

5、连续对三相交流电机功率进行采样，直至达到摩擦功率峰值时启动单片机内部的计时器0开始延时稳定摩擦时间t_w；

6、计时器0延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即发出电机停止信号59使电机停转；发出电机刹车信号64；启动单片机内部的计时器1开始延时。

7、计时器1延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即扫查限位接近开关状态，当扫查到限位接近开关为闭合信号时，发出启动限位气缸信号63，启动限位气缸动作；

8、限位装置使焊件精确定位后会碰撞限位机构限位开关，单片机扫查到到限位开关闭合信号后，发出镦锻压力气缸信号62，启动镦锻压力气缸动作施加锻压力，同时启动单片机内部的计时器2开始延时镦煅保持时间t_u；

9、计时器2延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即依次将摩擦压力气缸信号61和镦煅压力气缸信号62取反，关闭摩擦压力气缸电子气阀和镦煅压力气缸气阀，以释放焊件所受压力。

10、之后，单片机将限位气缸信号63取反，关闭限位气缸气阀，以解除限位压紧装置，使之恢复原位，焊接结束。

根据焊接工艺的要求，还可在时间控制方式或功率控制方式时，设定电机频率缓增时间段。焊接时，程序先执行此过程，电机频率由0或某较小值递增到设定的正常焊接频率。频率的递增量由软件运算实现，系统将改变的频率值通过数模转换器AD7524进行数模转换，输出到变频器的频率控制端改变电机频率。

此外控制器还可实现变频焊接，以适应不同的工艺要求。是将时间控制方式中的摩擦时间t_f分成三段t_f1、t_f2和t_f3分别输入，从扩展的输入输出口设定对应的电机频率。摩擦焊接时，在不同的时间段，控制系统将设定的频率通过数模转换器AD7524进行数模转换，输出到变频器的频率控制端改变电机频率。当焊接工艺不需要变频时，只需将t_f2和t_f3设为0，程序便只在t_f1时间内执行单频率焊接之后跳过t_f2和t_f3时间段。

Claims (4)

1、一种线性摩擦焊机单片机控制器，其特征在于：包括单片机、模数转换电路、数模转换电路、锁存器、分频电路、扩展输入口、扩展输出口、功率峰值采样电路和线性光隔离电路，功率峰值采样电路通过线性光隔离电路经模数转换器电路与单片机电连接，单片机通过数模转换电路与变频器电连接，分频电路分别与单片机和数模转换电路电连接，锁存器分别与单片机、模数转换器电路、扩展输入口和扩展输出口电连接，参数输入、焊接启动、控制方式开关、接近开关和限位开关通过扩展输入口与单片机电连接，程序过程显示和峰值显示通过扩展输出口与单片机电连接，单片机直接控制摩擦压力气缸、镦煅压力气缸、限位气缸、电机刹车以及电机的启动和停止。

2、根据权利要求1所述的线性摩擦焊机单片机控制器，其特征在于：所述的功率峰值采样电路，由电流互感器(L₁、L₂、L₃)、三相全波整流桥ZD、滤波电容C及电位器W组成，电流互感器(L₁、L₂、L₃)线圈的一端相互连接，电流互感器(L₁、L₂、L₃)线圈的另一端分别接入三相全波整流桥ZD的输入端，滤波电容C及电位器W并联后接在三相全波整流桥ZD的输出端，三相全波整流桥ZD的输出端负极和电位器W的活动触点与线性光隔离电路电连接。

3、一种线性摩擦焊机的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

①开机检测焊接启动信号，为高电平，开始焊接；

②单片机发出电机启动信号(60)，启动三相交流电机；

③单片机发出摩擦压力控制信号(61)，启动摩擦压力加压气缸阀动作，给摩擦运动的焊件加上摩擦压力，摩擦压力迅速提升，打开摩擦压力气缸阀的同时启动单片机内部的计时器0开始延时摩擦时间t_f；

④计时器0延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即发出电机停止信号(59)给变频器使电机停转；发出电机刹车信号(64)；启动单片机内部的计时器1开始延时。

⑤计时器1延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即扫查限位接近开关状态，当扫查到限位接近开关为闭合信号时，发出启动限位气缸信号(63)，启动限位气缸动作；

⑥限位装置使焊件精确定位后会碰撞限位机构限位开关，单片机扫查到到限位开关闭合信号后，发出镦锻压力气缸信号(62)，启动镦锻压力气缸动作施加锻压力，同时启动单片机内部的计时器2开始延时镦煅保持时间t_u；

⑦计时器2延时到后，单片机响应中断并执行相应的中断服务子程序，即依次将摩擦压力气缸信号(61)和镦煅压力气缸信号(62)取反，关闭摩擦压力气缸电子气阀和镦煅压力气缸气阀，以释放焊件所受压力。

⑧之后，单片机将限位气缸信号(63)取反，关闭限位气缸气阀，以解除限位压紧装置，使之恢复原位，焊接结束。

4、根据权利要求3所述的线性摩擦焊机的控制方法，其特征在于所述的功率峰值控制方式，包括以下步骤：执行上述步骤①～⑧时，将步骤③用下述步骤取代

①启动模数转换芯片，进行三相交流电机功率采样；

②单片机发出摩擦压力控制信号(61)，启动摩擦压力加压气缸阀动作，给摩擦运动的焊件加上摩擦压力，摩擦压力迅速提升；

③连续对三相交流电机功率进行采样，直至达到摩擦功率峰值时启动单片机内部的计时器0开始延时稳定摩擦时间t_w。

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