焊接電源數(shù)字化人機交互系統(tǒng)設(shè)計研究

李 偉 ，齊鉑金 ，從保強 ，楊明軒

(1．北京航空航天大學機電工程及自動化學院，北京100191;2．北京石油化工學院電氣工程系，北京102617)

0 引 言

超音頻脈沖方波變極性TIG 焊接工藝是近年來發(fā)展起來的一種優(yōu)質(zhì)高效的焊接技術(shù)，用于高強鋁合金材料的焊接加工時，對消除焊縫氣孔缺陷、提高焊接性能等方面有顯著效果［1-3］。然而，在該焊接工藝中，需要調(diào)節(jié)的電流特征參數(shù)以及需要監(jiān)控的狀態(tài)參數(shù)比較多，采用傳統(tǒng)的數(shù)碼管或是單色液晶屏配合按鍵的形式來實現(xiàn)人機交互功能，不僅操作不便，而且難以滿足某些特定焊接場合的使用要求，嚴重制約了數(shù)字化焊接電源自動化程度的提高。因此，在該焊接電源上開發(fā)功能更加強大且更友好的人機交互系統(tǒng)，對該新型焊接技術(shù)的推廣應用尤為重要。

觸摸屏作為新一代數(shù)字化人機交互界面的出現(xiàn)，提高了人機交互功能的便捷程度，將其用作焊接電源的操作界面，可以方便地調(diào)節(jié)焊機參數(shù)，并且能實時監(jiān)控焊機運行狀態(tài)，具有操作簡單、界面美觀易懂的特點。此外，采用觸摸屏實現(xiàn)人機交互，微處理器只需要使用少量I/O 端口即可實現(xiàn)與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以節(jié)省微處理器的I/O 資源，使系統(tǒng)硬件設(shè)計得到簡化。

本研究以高性能微處理器為控制核心，選用支持Modbus 協(xié)議的觸摸屏為主要交互方式，實現(xiàn)焊接電源的數(shù)字化人機交互系統(tǒng)。

1 Modbus 協(xié)議介紹

Modbus 協(xié)議是一種有效支持控制器之間以及控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng))與其他設(shè)備之間進行通信的協(xié)議［4-6］?？刂破魍ㄐ攀褂弥鲝募夹g(shù)，僅有主設(shè)備能初始化傳輸，從設(shè)備則根據(jù)主設(shè)備提供的傳輸數(shù)據(jù)做出相應響應。

標準Modbus 網(wǎng)絡(luò)有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，即ASCII模式和RTU 模式。當采用ASCII 模式傳輸數(shù)據(jù)時，每個8 bit 字節(jié)均需轉(zhuǎn)化為2 個8 bit 的ASCII 碼字符，而在RTU 模式中則僅需轉(zhuǎn)換為一個字節(jié)的二進制碼。因此，相同的波特率下RTU 模式較ASCII 模式具有更高的數(shù)據(jù)傳輸效率，故該設(shè)計采用RTU 模式實現(xiàn)觸摸屏與處理器之間的Modbus 通訊協(xié)議。

RTU 模式下消息幀的結(jié)構(gòu)如表1 所示。每字節(jié)數(shù)據(jù)按有效位先低后高從左至右的順序發(fā)送［7］。

表1 RTU 模式消息幀結(jié)構(gòu)

2 人機交互系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 控制器選擇

超音頻脈沖變極性方波TIG 焊接電源的主電路組成以及焊接工作本身的強電磁干擾特性，決定了人機交互系統(tǒng)在運行中尤其是引弧期間會處于惡劣電磁干擾環(huán)境，因此系統(tǒng)必須選用抗干擾能力強的處理器作為控制核心。

考慮到該焊接電源中處理器還須實現(xiàn)USB 存儲、雙機通訊等其他輔助功能，為簡化硬件設(shè)計，本研究選用由美國微芯公司生產(chǎn)的PIC 系列16 位高性能微處理器PIC24FJ256GB106，該處理器自帶USB 功能且具有極強抗干擾能力。此外，該系列處理器所獨有的引腳配置功能，使得其相對于其他系列處理器而言，在I/O 使用方面極具靈活性［8-10］。

2．2 觸摸屏選型及接口電路設(shè)計

考慮到圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能的需要，并兼顧觸摸屏的抗干擾能力要求，最終本研究選用廣泛應用于各種工業(yè)場合的臺灣威綸通科技有限公司生產(chǎn)的10 英寸MT6100I 觸摸屏。該觸摸屏采用隔離電源供電，并支持RS232 和RS485 兩種通訊接口。由于焊接電源所處的工業(yè)環(huán)境較為復雜，為提高系統(tǒng)抗干擾能力，增強通訊可靠性，本研究選用RS-485 接口完成單片機與觸摸屏的通訊。

觸摸屏與處理器之間的接口電路如圖1 所示。

圖1 觸摸屏與處理器之間的接口電路

RXD 和TXD 為處理器的串行通訊所用收發(fā)引腳，由于RS-485 采用半雙工工作方式，處理器須提供使能信號SCIEN 對收發(fā)狀態(tài)加以控制。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，處理器串行端口和控制端口均須通過6N137光耦隔離，然后送至MAX485 芯片輸入端，以達到將TTL 電平轉(zhuǎn)換為485 電平的目的。RS485 總線上兩個輸出端分別接上拉電阻和下拉電阻，并且在輸出端之間接匹配電阻，使干擾信號很難產(chǎn)生串行通訊的起始信號“0”，增強了總線的抗干擾能力［11］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包含兩方面內(nèi)容，即HMI人機交互界面設(shè)計以及Modbus 協(xié)議在微處理器中的軟件實現(xiàn)。

3．1 HMI 人機界面設(shè)計

為滿足實際焊接場合自動化焊接需要，要求設(shè)計出包含系統(tǒng)主界面、焊接工藝選擇、焊接參數(shù)設(shè)定、焊接狀態(tài)顯示及故障報警等人機界面，該設(shè)計采用威綸通觸摸屏配套提供的HMI 人機界面設(shè)計組態(tài)軟件Easy Builder8000 來實現(xiàn)上述功能。該組態(tài)軟件圖形功能強大且簡單易用，并提供了豐富多樣的功能元件供用戶自由組合，用戶可根據(jù)自己需求，方便快捷地創(chuàng)建出直觀的屏幕畫面，完成人機交互界面的設(shè)計。

由于Modbus 協(xié)議采用主從通訊模式在處理器與觸摸屏之間交換數(shù)據(jù)，須根據(jù)實際應用情況設(shè)置觸摸屏的主從屬性。在該人機交互系統(tǒng)中，微處理器作為主站，觸摸屏設(shè)為從站響應處理器操作，利用組態(tài)軟件設(shè)計人機界面時需要在工程屬性中把HMI 設(shè)置為Modbus SERVER 模式。

3．2 Modbus 協(xié)議的軟件實現(xiàn)

利用觸摸屏進行參數(shù)設(shè)置或狀態(tài)顯示時，處理器與觸摸屏之間數(shù)據(jù)傳輸按照RS-485 串行總線方式進行，并且遵循Modbus 協(xié)議，因此處理器對觸摸屏進行讀寫操作時，須按照所選擇的RTU 模式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)建消息隊列，消息隊列的最后兩個字節(jié)依次為校驗生成的低8 位字節(jié)和高8 位字節(jié)，校驗方法采用糾錯性能強的循環(huán)冗余檢驗碼CRC 算法［12］。在MPLAB 編譯環(huán)境下，本研究利用C 語言實現(xiàn)構(gòu)建消息隊列對寄存器寫入長度為兩字節(jié)整型數(shù)據(jù)的部分代碼如下:

上述代碼中ConstructRtuFrame()函數(shù)實現(xiàn)CRC校驗字節(jié)的生成，采用基于查表的CRC 校驗算法實現(xiàn)，以滿足高速通信的需要。

通過觸摸屏設(shè)置焊接電流參數(shù)大小時，處理器要讀取用戶通過觸摸屏輸入的參數(shù)值，應通過功能碼為“03”的讀取保持寄存器操作來實現(xiàn)。

處理器作為主站對觸摸屏相應寄存器進行讀取操作，其程序流程圖如圖2 所示。

圖2 主機讀取從機數(shù)據(jù)的工作流程

4 人機交互系統(tǒng)應用

本研究基于上述硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計思路開發(fā)出數(shù)字化人機交互系統(tǒng)，并將其用于超音頻脈沖方波TIG 焊接電源的實際焊接過程。在焊機電源系統(tǒng)上電以后，通過觸摸屏操作界面，系統(tǒng)可進行焊接工藝選擇，并對引弧電流以及正常工作電流等參數(shù)進行設(shè)置;也可以通過輸入焊接材料類型和試樣尺寸等基本信息后，由人機交互系統(tǒng)查詢存儲的焊接工藝參數(shù)后實現(xiàn)參數(shù)自動給定。參數(shù)設(shè)定完畢以后，即可鎖定焊接參數(shù)，按下引弧按鈕開始焊接過程，焊接過程中狀態(tài)參數(shù)可通過觸摸屏狀態(tài)顯示界面實時監(jiān)控。

實際應用中的焊接參數(shù)設(shè)置主界面如圖3 所示。

圖3 焊接參數(shù)設(shè)置主界面

焊接過程中若需即時調(diào)節(jié)電流特征參數(shù)大小，可通過調(diào)節(jié)旋鈕或觸摸屏進行調(diào)節(jié)。無論是在引弧期間還是在焊接進行過程中，該人機交互系統(tǒng)均能可靠工作。

5 結(jié)束語

本研究將觸摸屏作為焊機上人機交互的主要實現(xiàn)方式，輔以其它交互模式，可以很方便地實現(xiàn)各種焊接參數(shù)的輸入設(shè)定和調(diào)節(jié)，并且能實時顯示焊機運行狀態(tài)參數(shù)。

在該數(shù)字化焊機上進行的大量焊接試驗表明，所設(shè)計的人機交互界面操作簡單便捷，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，且抗干擾性能強，在焊接及相關(guān)領(lǐng)域具有較好的使用價值。

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