1 引言

    CO2氣體保護(hù)焊自從上世紀(jì)五十年代問世以來,，就以高效、節(jié)能,、低成本等特點受到人們極大的關(guān)注,，已廣泛應(yīng)用于汽車、造船,、航空航天,、石油化工機械、農(nóng)機和動力機械等制造部門[1],。目前使用的CO2焊機主要有抽頭式,、晶閘管式和逆變式等幾種型式，其中,，抽頭式焊機在國內(nèi)仍占有不小的市場份額,。近些年來，隨著計算機和自動控制技術(shù)的快速發(fā)展,，現(xiàn)代CO2焊機已從傳統(tǒng)的分立元件控制向集成化,、數(shù)字化和智能化控制方向轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)焊接技術(shù)不斷發(fā)展的需要,。
     本研究用性價比高,、抗干擾能力強的PIC單片機來控制抽頭式CO2焊機，通過軟件實現(xiàn)對焊機送絲速度和工作時序的數(shù)字化控制,，并使其具有點焊,、斷續(xù)焊、二/四步控制等多種功能,，以降低控制電路的復(fù)雜性,、增強焊機的工作可靠性。

    2 PIC單片機簡介

    PIC（Periphery Interface Chip）系列單片機是美國Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品[2, 3, 4],。PIC系列單片機的硬件系統(tǒng)設(shè)計簡潔,，指令精練，是一種與國內(nèi)常用的MCS系列單片機截然不同的單片機,。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu),、精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set Collection）技術(shù)，實現(xiàn)了指令的單字節(jié)化和單周期化,，大大提高了CPU執(zhí)行指令的速度和工作效率,；它的I/O端口驅(qū)動負(fù)載的能力較強，可以直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED,、光電耦合器和小型繼電器等,；并且這種單片機集成度高,，可以最大限度地減少外圍擴展電路，實現(xiàn)純單片開發(fā)應(yīng)用,，降低成本,。
在本設(shè)計中，選用抗干擾能力強,、I/O接口豐富的PIC16C711單片機作為控制系統(tǒng)的核心,。這款單片機由68字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器、1K×14個程序存儲器,、4路A/D轉(zhuǎn)換通道,、8個I/O口、1個定時/計數(shù)寄存器等組成,，具有上電復(fù)位和降壓復(fù)位等功能,。

    3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

    根據(jù)CO2氣體保護(hù)焊工藝的要求，要求控制系統(tǒng)實現(xiàn)以下控制功能：

    a) 焊接過程的時序控制,；
    b) 點焊/斷續(xù)焊/連續(xù)焊控制,；
    c) 焊接操作的二/四步控制；
    d) 送絲電機的調(diào)速控制和能耗制動控制,。

    設(shè)計的基于PIC單片機的控制原理框圖如圖1所示,。在焊接過程中，單片機控制系統(tǒng)完成了送電,、送氣,、送絲、焊槍開關(guān)狀態(tài)檢測,、二/四步控制以及點焊/斷續(xù)焊/連續(xù)焊等的控制,。

    斷續(xù)焊長度、斷續(xù)焊間距,、送絲速度,、滯后斷氣時間等的設(shè)定值經(jīng)過A/D通道讀入單片機，二/四步功能設(shè)定,、焊槍開關(guān)狀態(tài)檢測通過I/O口讀入單片機,，焊機送氣、送電控制以及送絲電機的PWM調(diào)速控制與能耗制動（停送絲控制）信號通過I/O口輸出,。

    因為在PIC16C711單片機中沒有直接輸出PWM信號的口,，所以在設(shè)計時，把與送絲速度對應(yīng)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成在RB2口輸出的周期一定,、高低電平延遲時間不同的信號,，形成PWM信號。另外,，為了在焊接結(jié)束時避免焊絲直接插入熔池,，電路設(shè)計有送絲電機能耗制動快速停機功能。

    4 軟件設(shè)計

    本設(shè)計中控制軟件采用模塊化設(shè)計方法,，以主程序為核心設(shè)置了許多功能子程序模塊,，運行過程中通過主程序調(diào)用功能子程序模塊，簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu),。主要的功能模塊有初始化程序,、A/D轉(zhuǎn)換子程序、參數(shù)讀入子程序,、時序控制子程序和各種延時子程序等,。主程序流程框圖如圖2所示。

    程序開始時,，焊機上電,，單片機立即進(jìn)行各個端口的初始化工作，初始化完成后,，單片機控制系統(tǒng)處于待命狀態(tài),，等待焊槍開關(guān)按下。一旦焊槍開關(guān)按下,，焊接主電源接通,，同時開始送氣；延時一段時間后,，調(diào)用焊接功能參數(shù)讀入子程序,，即讀入事先在面板上設(shè)定的滯后斷氣時間，并判斷二/四步控制和焊接方式（點焊,、斷續(xù)焊或連續(xù)焊）,。然后，按照讀入的送絲速度開始焊接,。在焊接過程中,，實時檢測送絲速度和焊接功能參數(shù)的變化，以便隨時調(diào)整送絲速度大小和焊接功能參數(shù),。焊接完成后,，停止輸出PWM信號，通過能耗制動迅速停止送絲,，根據(jù)設(shè)定的滯后斷氣時間延遲斷氣,，等待下一次焊接。

    下面給出了PWM信號產(chǎn)生子程序的程序清單,。

PWM信號產(chǎn)生子程序：
BCF  STATUS, 5
         BCF  STATUS, 6
         BCF  PORTB, 2
         CALL  DELAY2
         BSF  PORTB, 2
         CALL  DELAY3
DELAY2:
         MOVF  BUF2, 0
         MOVWF  R5
DELAY2_1:
         NOP
         DECFSZ  R5, 1
     GOTO   DELAY2_1
         RETLW  0
DELAY3:
         MOVF  BUF5, 0
         MOVWF  R6
DELAY3_1:
         NOP
         DECFSZ  R6, 1
         GOTO  DELAY3_1
         RETURN

    5 焊接試驗

    將設(shè)計的數(shù)字化控制系統(tǒng)應(yīng)用到實際的焊機中,，通過數(shù)字信號記錄儀記錄相關(guān)波形，以驗證軟硬件設(shè)計的正確性。如圖3所示為四步斷續(xù)焊時序控制圖,，通道CH1,、CH2、CH3分別記錄焊機的送絲控制信號,、焊槍開關(guān)信號和送電送氣控制信號,。從圖3中可以看出，當(dāng)焊槍開關(guān)按下后,，開始送電送氣,，延遲約300ms后，開始送絲,，接觸引弧,，進(jìn)入焊接過程，松開焊槍開關(guān)后,，繼續(xù)進(jìn)行焊接,，再次按下焊槍開關(guān)時，啟動能耗制動以立即停止送絲,，經(jīng)過一段返燒后電弧自動熄滅,，最終根據(jù)事先設(shè)定的1s滯后時間停止送氣，并斷電,。在二步控制時,，需要一直按緊焊槍開關(guān)，松開焊槍開關(guān),，馬上停止焊接,。

    6 結(jié)論

    a) CO2焊機數(shù)字化控制系統(tǒng)，充分利用了PIC單片機的資源,，用少量的外圍電路實現(xiàn)了一個功能較完善,、性能優(yōu)良的實用系統(tǒng)，降低了焊機成本,。
    b) 試驗結(jié)果表明,，基于PIC單片機的CO2焊機數(shù)字化控制系統(tǒng)，設(shè)計合理,，結(jié)構(gòu)簡單,，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強,。