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三偏心蝶閥的閥瓣和蝶板的密封面通常用兩種不同硬度的材料，目前多采用手工焊條堆焊的方法來實現，焊接難度大，生產效率低。研究采用自動等離子噴焊技術具有重要的實際應用價值。
本研究在分析三偏心蝶閥蝶板轉動軌跡的基礎上，根據等離子噴焊和焊接現場的工況，研究設計了三偏心蝶閥蝶板型面轉動自動等離子噴焊跟蹤控制系統。該系統包括自動等離子弧噴焊系統、PLC電氣控制系統、焊縫跟蹤控制系統等。焊縫跟蹤控制系統使用GA型位移傳感器采集蝶閥的軌跡，通過控制步進電機速度和位置，經滾珠絲杠帶動焊槍對蝶閥蝶板的噴焊面進行實時跟蹤。系統控制軟件采用表格結構，使用模塊化設計方法，提出步進電機的轉向、頻率和運行步數、步進電機升降速三個重要參數的控制算法。開發了串口數據采集系統，用于采集三偏心蝶閥密封面的轉動軌跡。采用MATLAB和匯編相結合進行聯機調試，成功研制了一個能夠滿足三偏心蝶閥自動等離子噴焊的焊縫自動跟蹤控制系統。
1 設計方案
三偏心蝶閥是由兩個垂直于圓錐體的任一母線的平行面截取而得，密封面是錐體的表面，寬度10～20mm。蝶閥在噴焊過程中的安裝如圖1所示，三偏心蝶閥的旋轉中心是圓錐體的軸線。


圖1 三偏心蝶閥工裝圖
蝶閥堆焊要求待噴焊的密封面在轉為**點時成水平位置。蝶閥采用的這種特殊安裝方式，使其在旋轉時密封面會左右移動，產生橫向偏移。等離子自動噴焊要求焊槍實時跟蹤橫向位移量。為此，堆焊跟蹤控制系統設計以Intel16位處理器80C196KC作為系統控制核心，以蝶閥的橫向偏移量為系統輸入量，以焊槍的位移量為輸出量，控制焊槍。傳感器將蝶閥橫向位移量轉換成模擬信號，單片機將模擬量轉換成數字量進行數據處理，輸出控制步進電機的方向和脈沖信號，步進電機通過滾珠絲杠帶動焊槍實時跟蹤蝶閥的堆焊密封面進行噴焊，如圖2所示。


圖2 跟蹤控制系統
2 跟蹤控制系統硬件設計
2.1 單片機控制系統
單片機控制系統采用高性能的MCS-96系列單片機80C196KC作為控制系統的核心，包括單片機最小系統、串口通信電路、數據調理電路、D/A電路、步進電機控制信號電路。單片機最小系統由單片機80C196KC、復位電路、時鐘電路、外部程序存儲器28C64、數據存儲器6264等組成。單片機正確復位是一切工作的前提，復位電路的可靠工作無疑有著極其重要的作用，以MAX705為核心組成的復位電路如圖3所示。


圖3 監控芯片復位電路
2.2 數據調理電路
系統通過位移傳感器采集蝶閥的位移信號，傳感器輸出0～5V的模擬信號。傳感器自身包括信號調理電路，但由于傳感器在焊接過程中與蝶閥的接觸面的角度始終變化，傳感器測量小輪受到向上或向下的作用力后就會跳躍，傳感器會產生突變的輸出。因此，要求調理電路的截止頻率要小，設計采用電容C=0.22μF，電阻R=540Ω的π形濾波電路，π形濾波電路適合于負載電路較小、輸出電壓脈動很小的場合。
2.3 串口通信電路
本系統采用串行通信的方式，串行通信接線簡單，數據位數多。串行通信口與PC機通過RS-232接口通信，其標準電平與單片機的串行通信的CMOS電平不同。因此必須進行電平轉換，電平轉換芯片MAX202。單片機控制系統與微機通信的接口電路如圖4所示。系統利用單片機和上位機通信來采集蝶閥的軌跡和調試程序。


圖4 串口通信接口電路
2.4 D/A電路
系統使用MAX530顯示焊槍的實時速度，工作流程是：80C196KC根據步進電機的頻率和滾珠絲杠螺距計算出焊槍速度，然后將速度值賦給MAX530，輸出相應的模擬電壓，數字表根據模擬電壓的大小顯示對應的數字量。通過調節電位計可以使數字表顯示真實的焊槍速度。D/A電路如圖5所示。


圖5 D/A電路
2.5 步進電機控制信號電路
80C196KC通過給出脈沖和方向信號實現對步進電機位置和速度的控制，脈沖和方向信號由I/O口產生。步進電機驅動器的輸出為高電流和高電壓。因此對脈沖和方向信號必須進行雙電源隔離，即光耦的輸入和輸出是兩個獨立的穩壓電源，以保證單片機的正常運行，減少步進電機驅動器對單片機的干擾，如圖6所示。


圖6 步進電機控制信號電路

步進電機是一種將電脈沖信號轉換成相應的角位移或直線位移的變換器，它的旋轉以固定角度(步距角)運行。其特點是在不丟步、不超步的情況下沒有積累誤差，通過步進電機驅動器來驅動。步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比，可以用脈沖信號直接進行開環位置和速度控制，具有一定的精度，而且控制線路簡單，使用方便。本系統設計使用的是兩相混合式步進電機和具有細分功能的驅動器，它可以用脈沖信號直接進行開環位置和速度控制，具有一定的精度，而且控制線路簡單，使用方便，滿足使用要求。
2.7 傳感器
跟蹤系統設計針對三偏心蝶閥的**直徑是1000mm，噴焊時的橫向偏移量為160mm。因此，選用量程200mm的D/A位移傳感器。80C196KC集成10位的A/D，要求傳感器的輸出為0～5V的模擬電壓。蝶閥在焊接時的橫向為往復式運動，這要求傳感器也是往復式的。在此采用電位計式位移傳感器，測量精度10μm，在測量桿裝有一根彈簧，使其靠外力能夠自由伸縮。
3 跟蹤控制系統軟件設計
控制系統軟件包括采樣、采樣數據的平滑處理、計算步進電機的轉向、計算步進電機的頻率和運行步數、步進電機升降速過程和延時程序6部分，控制系統軟件流程如圖7所示。


圖7 軟件主流程

3.1 采樣
在程序設計中，對采樣值采用算術平均值濾波，即連續對物理量進行多次采樣，然后求其均值做為采樣值。算術平均值濾波是一種常用的算法，但這樣做要具有兩個前提：物理量的變化梯度要小和A/D轉換時間要**的小。算術平均值濾波公式為


式中 為N次采樣值的算術平均值；Xi為第I次采樣值；N為采樣次數。
3.2 采樣數據的平滑處理
一般來說，數據采集系統采集到的數據中往往疊加有噪聲，為了消弱干擾的影響，提高數據曲線的光滑度，還需要對采樣數據進行平滑處理。在程序設計中采用簡單平均法，計算公式為


該式又稱為2N+1點的簡單平均。當N=1時為3點簡單平均，當N=2時為5點簡單平均。h(n)可以看作是一個濾波因子，在程序中h(n)作為常量處理，即h(n)＝1。
3.3 電機轉向的計算
步進電機有3個重要的控制參數：轉動方向、脈沖頻率和脈沖個數。步進電機的方向由I/O口P1.3控制，對于高電平和低電平電機是兩個相反的轉向。蝶閥軌跡如圖8所示，這是直徑φ700mm蝶閥經過平滑處理的軌跡，采樣起點是蝶閥的長軸，即蝶閥**偏移時的位置。從圖中可以看出：蝶閥的軌跡是以蝶閥長軸為對稱軸；蝶閥軌跡對稱的兩部分呈單調特性；蝶閥軌跡對稱的兩部分對應著步進電機的兩個轉向；圖中的**點和**點為電機換向的拐點。





圖8 經過平滑處理的蝶閥軌跡
這是換向算法程序設計的關鍵，電機方向計算的軟件流程如圖9所示。


圖9 電機方向計算函數的流程

3.4 步進電機升降速過程
步進電機速度控制是靠輸入脈沖信號的變化來改變的，從理論上說，每給驅動器一個脈沖CP，步進電機就旋轉一個步距角，但是實際上，如果脈沖CP信號變化太快，步進電機由于慣性將跟隨不上電信號的變化。所以，步進電機在起動時要有升速過程，以防止堵轉和丟步；在停止時要有降速過程，以防止由于慣性而產生過沖。因此，選擇合理的升降速曲線，成為步進電機控制的關鍵。經過多次試驗，升降速曲線采用S形方法，其特點是升降速快，編程簡單，易于實現。頻率1kHz的升降速曲線如圖10所示。



圖10 步進電機升降速曲線
3.5 計算電機的頻率和運行步數圖

對于單片機控制系統程序來說，輸入量應該是處蝶閥在單片機一個控制周期內偏移量的采樣值，輸理出應該是控制步進電機的方向和脈沖信號。當采樣值等于0時，步進電機不會運動；當采樣值大于0時，步進電機會轉動，但它的頻率和運行步數因采樣值而異，每個采樣值對應不同的**的電機頻率和運行步數。在確定蝶閥在一個控制周期偏移量的采樣值后，通過計算可以轉換成需要給步進電機的脈沖數，稱為總脈沖數。
當蝶閥在一個控制周期內的位移量越大時，步進電機的頻率就越高，設計要求系統具有盡可能快的響應速度，這樣才能保證系統跟蹤及時可靠。根據電機的特性，在滿足條件的頻率值中，選擇最小的頻率值。在確定頻率后，就可計算出步進電機的運行步數，它等于總脈沖數減去步進電機升降速所運行的脈沖數。步進電機升降速過程所運行的脈沖數為電機頻率×2×4/100。
計算完步進電機的頻率和運行步數后，就可以根據蝶閥在一個控制周期內相對偏移量的**值為索引值建立頻率表格和運行步數表格，表格的內容分為電機的頻率和運行步數表格。
計算流程如圖11所示。


圖11 電機頻率和運行步數計算函數流程
3.6 延時程序
在利用I/O口產生脈沖頻率的過程中，延時起著焊很重要的作用，關系到脈沖頻率是否正確。80C196KC有兩個定時器T1和T2，在本程序中使用的是定時器T1為延時的時間基準。80C196KC有4個軟件定時器，由HSO編程來實現。根據計算可知，當時間常數表示**值為65535時，其對應的時間為87.38ms，這也是定時器T1表示的**時間。同理可知，軟件定時器的最小延時時間1.3333μs。由于步進電機脈沖頻率的取值為100～10000Hz，所以HSO軟件定時器能夠滿足設計要求。但當延時時間大于87.38ms時，HSO軟件定時器無法滿足，因此可以利用定時器T1的溢出中斷或者串聯HSO軟件定時器來設計長延時程序。
4 串行數據采集系統
串行數據采集系統主要完成對三偏心蝶閥軌跡的采集。系統開發包括串行通信基礎、上位機軟件的開發，下位機(80C196KC)的軟件開發。
4.1 串行通信基礎
計算機與外界通信常用的有串口、并口、PCI總線、USB總線等方式，本數據采集采用串口通信。在串行通信時，要求通信雙方都采用一個標準接口，使不同的設備可以方便地連接起來進行通信。RS-232-C接口是目前最常用的一種串行通信接口，其標準包括兩部分：信號電平標準和控制信號線的定義。本系統要實現的是異步串行通信，它以字符為發送單位，發送端以固定的幀格式發送，包括1個起始位、5～8個數據位、1個奇偶校驗位、1～2個停止位。起始位和終止位是串行接口控制器(UART)自動附加的聯系信號，告訴接收方一次傳送的開始和結束；數據位是所要傳送的真實字符；奇偶校驗位和停止位可通過串行接口控制器或單片機來設置。幀的傳輸順序一般是先傳低位再傳高位。
4.2 下位機軟件設計
下位機主要是實現數據的采集，利用80C196KC的A/D轉換器對位移傳感器的數據進行采集，然后通過串行口把數據發送給PC上位機。但是，如何來組織發送，對于上位機又如何能夠知道接收數據所代表的含義，在進行雙機通信時都應該考慮這個問題。在下位機把數據發送給上位機時，由于80C196KC完成的是數據發送，因此編寫上位機軟件時，應該注意到下位機是如何拆分數據(因為所采集的數據是一個字，而串行通信只能以字節為單位進行操作)，這樣才能把數據還原。而且，在多物理量數據采集系統中，還要注意這些物理量在下位機中發送的順序。
80C196KC串行口的工作受串行口控制/狀態寄存器(11H)的控制。其低5位用于串行通信的設置，包括通信模式、奇偶校驗等，高3位用于串行通信的狀態查詢。在異步模式中對SBUF寫入數據就會起動一次發送過程。在發完停止位之前，保持在SBUF(tx)中的新數據不會發送出去。若接收允許位REN已被置1，則RXD引腳上出現的下降沿就會起動一次接收過程。
4.3 上位機軟件設計
上位機軟件分數據接收程序和數據處理程序，分別是用VC++和MATLAB開發的，主要完成對下位機所發送數據的接收和對所采集數據的處理。
4.3.1 數據接收程序
計算機的基本I/O口都是并行的，進行串行通信時須進行串并轉換，但計算機并不直接控制RS-232C接口，而是通過串行接口控制器(UART)控制。
PC機常用是Intel公司的標準串行接口控制器。采用C語言能夠實現和80C196KC的串行通信(具有程序簡單、靈活等優點)，但界面很不友好(雖然可以用C語言編寫友好的界面，但這是不值的)，且直接對系統底層進行操作很危險。因此，上位機軟件采用VC++開發，主要使用VC++的MFC技術和MSComm控件。MSComm控件(Microsoft Communications Control MSComm)是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件，它為應用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法。MFC是英文Microsoft Foundation Class Library的縮寫，它是微軟為Windows程序員提供的一個面向對象的Windows編程接口，使用MFC大大簡化了Windows編程工作。
4.3.2 數據處理程序
利用VC++的MFC技術開發的數據接收程序只是完成串口通信的功能，把從串口接收到的數據拆分成百位、十位、個位，按字符格式寫入文件中，文件名為“rdata.txt”，存于數據接收程序的系統目錄下。數據處理程序完成對文件中的數據進行數據解碼、運算和顯示。
本研究主要利用MATLAB強大的數學計算和圖形功能，完成步進電機3個參數表格的計算、對采集數據的處理以及算法的模擬。系統程序的算法先由MATLAB根據所采集數據進行分析，再由匯編語言實現。MATLAB的默認數據類型為浮點型，而單片機是整數運算，因此在模擬過程中，MATLAB使用的也是整數運算。
經過研究和實際的應用，三偏心蝶閥噴焊過程示意如圖12所示。


圖12 三偏心蝶閥噴焊
5 結論
對噴焊控制系統的各個組成部分進行了調試分析, 試焊結果表明設計的焊縫跟蹤系統控制精度 高, 工作穩定可靠, 實現了三偏心蝶閥的高質量噴焊。


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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設備有限公司