基于MSP430单片机的埋弧焊机数字控制系统的研究

摘要

埋弧自动焊具有生产效率高、焊接质量好、劳动条件好等优点，在很多工业部门都有着广泛的应用。随着科技的发展，对焊接质量可控性的要求越来越高，模拟控制技术的埋弧自动焊机已经不能满足其要求，因此将数字控制技术引入到埋弧自动焊机的控制系统，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文在MZ—1000A晶闸管式埋弧自动焊机的基础上，设计了以单片机MSP430F149为控制核心的埋弧焊数字控制系统。 根据埋弧自动焊数字控制系统的要求，设计了一套菜单式人机交互系统。该系统主要有下列功能：根据用户操作能够灵活地实现界面跳转；能够简单方便地对焊接参数进行设置和修改；可以手动送丝退丝，完成焊丝调整功能；实现焊接参数的动态显示以及焊接电源系统的状态显示。该系统具有界面友好、显示直观，操作方便等优点。 设计了埋弧自动焊机数字控制系统的硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括焊接电压、焊接电流采样电路；送丝机控制驱动电路；焊接电流给定电路；小车速度给定电路以及小车方向控制电路。在焊接电流给定和小车车速给定环节中采用了数字电位器，在此基础上通过单片机输出数字量给定控制信号经D/A转换成所需的给定信号电平，完成原先模拟旋转式电位器的给定功能。系统采用焊接电压反馈变速送丝控制，完成相应的PWM送丝机驱动控制电路设计，并编写相应的PWM驱动程序模块。 焊接电压反馈变速送丝采用PI控制，利用MATIAB软件中的Simulink模块对系统进行了建模仿真，根据仿真结果和实验确定了PI控制参数；焊接收弧控制采用新的回走式收弧控制策略方法，即通过设定收弧控制阶段的焊枪与工件相对静止燃弧时间以及焊枪与工件相对于焊接方向回走时间来控制收弧效果。 焊接实验表明，当把单片机输出送丝机控制驱动PWM信号占空比限制在0％～60％时，在较宽的焊接参数变化范围内，焊接过程较为稳定，焊缝质量相对较好；采用回走式收弧控制策略能够得到较好的焊缝收尾处成型效果。

目录

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第一章绪论

1.1埋弧焊概述

1.1.1埋弧焊机的分类

1.1.2埋弧焊的特点

1.1.3埋弧焊接电源的发展

1.2数字化埋弧焊电源应用研究现状

1.2.1数字化焊接电源

1.2.2数字化埋弧焊电源研究现状

1.2.3脉冲埋弧焊研究现状

1.3本文研究目的和研究内容

第二章埋弧焊数字控制系统硬件电路设计

2.1数字化埋弧焊电源系统框架

2.2 MZ-1000A埋弧焊机简介

2.3单片机系统模块设计

2.3.1系统主控芯片的选择

2.3.2单片机端口分配与设计

2.4信号采集模块电路设计

2.4.1 电流信号采集电路

2.4.2电压信号采集电路

2.5给定驱动电路模块设计

2.5.1焊接电流给定电路

2.5.2小车速度给定和方向控制电路

2.5.3送丝机控制电路

2.6本章小结

第三章埋弧焊接电压反馈变速送丝控制系统

3.1 埋弧焊接电压反馈变速送丝控制原理

3.2焊接电压反馈变速送丝系统结构

3.3焊接电压反馈变速送丝控制算法

3.4焊接电压反馈变速送丝控制过程建模与仿真

3.5 PI参数的实测整定

3.6本章小结

第四章收弧控制策略方法

4.1收弧控制方法现状

4.1.1手工电弧焊收弧控制

4.1.2不熔化极气体保护焊收弧控制

4.1.3熔化极气体保护焊的收弧控制

4.1.4埋弧焊的收弧控制

4.2回走式埋弧焊收弧控制方法

4.2.1 自动焊接回走式收弧控制提出背景

4.2.2埋弧焊回走式收弧控制

4.3本章小结

第五章系统功能的软件设计与实现

5.1单片机软件开发环境简介

5.2系统程序模块化设计

5.3人机交互界面设计与实现

5.3.1 人机交互的方式选择与设计

5.3.2人机交互的实现过程

5.4焊接电流给定和车速给定的实现

5.4.1焊机控制特性介绍

5.4.2焊接电流给定的具体实现

5.4.3焊接小车车速给定的实现

5.5焊接电压反馈变速送丝控制的程序实现

5.6引弧收弧控制策略方法的实现

5.7本章小结

第六章实验验证

6.1单片机人机交互功能验证

6.1.1人机交互操作面板

6.1.2人机交互界面操作与显示及其组织结构验证

6.2焊接电压反馈变速送丝焊接过程实验及其焊接效果验证

6.3焊接收弧控制性能验证

6.4本章小结

第七章结论

附录 人机交互界面设计图

参考文献

发表论文和专利情况说明

致 谢