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1、第 3 5卷第 1 0期 2 0 0 5年 1 0月 重珲拽 El e c t r i c We l d i n g Ma c h i n e V0 1 3 5 No 1 O Oc t 2 0 0 5 数 字 弧 焊 电 源 的模 块 化 设 计 与 S 一4 8 5通 信 阎 涛，杨 帅，周华彬，刘 嘉，殷树言 匕 京工业大学，北京 1 0 0 0 2 2)摘要：介绍了采用模块化设计进行数字弧焊电源开发的过程，采用分布式控制各模块之间的通信，主功率模块为主机，其他模块为从机。主功率模块根据工作状 态向其他模块发送各种命令数据 包，同 时接收各模块送 来的数据 包。其他模块之 间通信时，通过控
2、制与接 口模块 实现。给 出 了模块划分方 式、R S _ 4 8 5总线的结构组成、通信协议制定与软件 实现等方面的研究结果。关键 词：数字弧焊电源；模块化设计；R S-4 8 5 通信 一 一 中图分 类号：T G 4 3 4 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1-2 3 0 3(2 0 0 5)1 0 4)0 2 7-0 4 M o d ul a r i z a fio n de s i g n o f d i g i t a l a r c we l din g p o we r s o u r c e a nd Rs-4 8 5 c o mmun i c a t i o n
3、YAN T a o，YANG S u a i，Z HOU Hu a b i n，L I U J i a，YI N S h u y a n e i j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，B e i j i n g 1 0 0 0 2 2，C h i n a)A b s t r a c t：T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e p r o c e d u r e i n d e v e l o p i n g d i g i t a l a r e w e l d i n g p o
4、 w e r s o u r c e b y mo d u l a r i z a t i o n d e s i g n；Th e d i s t r i b u t e d c o n t r o l i S u s e d t o c o mmu n i c a t e e v e r y mo d u l e Th e ma i n p o we r mo d u l e i S t h e ma s t e r ma c h i n e s t h e a n o t h e r s a r e s l a v e ma c h i n e s T h e ma i n p o we
5、 r mo d u l e s e n d s c o mma n d d a t a me s s a g e s t o t h e o t h e r s a c c o r d i n g t o t h e WO r k s t a t e s。a n d r e c e i v e s t h e d a t a me s s a g e s f r o m s l a v e mo d u l e I t p r e s e n t s t h e ma n n e r o f mo d u l e p a r t i t i o n，t h e s t r u c t u r
6、e o f RS-4 8 5 b u s，t h e e s t a b l i s h me n t o f c o mmu n i c a t i o n a g r e e me n t a n d t h e s o f t w a r e r e a l i z a t i o n o f c o mmu n i c a t i o n，e t e Ke y w o r d s：d i g i t a l a r c w e l d i n g p o w e r s o u r c e；m o d u l a r i z a t i o n d e s i g n；R S-4 8
7、5 c o m mu n i c a t i o n 序 言 焊接 电源 是重 要 的金属 加 工设 备，现代 工业 产 品的多样性和市场 的瞬息万变对其提出了更高 的 要求。首 先，焊接 工艺 方法不 断创 新，新工 艺方法 不 断涌现，旧工艺则不断呈现新的应用需求，因此，焊 接 电源也必须具有升级 的能力；其次，市场变化快 速，要求焊接电源生产商必须快速推出满足市场需 求 的产 品；其三，焊接设备的发展趋 向于系统化 和 网络化，自动焊的用量逐步扩大。因此，模块化数字 化电源的开发是当务之急。1 数字弧焊 电源的模块化设计 1 1 模块 化介绍 模块是系统 中的一个特定层次，它具有相对独
8、立的功能，确定的对外界面或关系。对模块概念的理 解相对比较容易得到认 同，但作为与模块概念密切 相关 的模 块化 这个 工程 术语，目前 尚缺 乏一 个公 认 收稿 日期：2 0 0 5 一 o 4-0 1：修 回 日期：2 0 0 5-0 6-2 1 基金项目：北京市自然科学基金资助项 目(3 0 3 2 0 0 4)作者简 介：阎涛(1 9 7 9 一)，男，河北石家庄人，博士，主要从 事焊接电源数字化方面 的研究工作。和统 一 的严格 定 义。对于 模 块 化一 般 可 以 这样 理 解：综 合 考虑 系 统 对象，把 系统 功 能 分解 成 不 同用 途 和性 能 的模 块，并使 之
9、接 口标 准化，通 过选 择 不 同的模块(必要时设计部分专用模块)，可 以迅速组 成能 够满 足不 同要 求 的系统 的一 种方 法。使用模块化设计数字弧焊电源，设计者只要将 所 需 要 的各 种具 有 相 对 独立 功 能 的模 块 像 积 木似 的组 合 在一起，就 能形 成 一个具 有 特 定功 能 的焊接 电源 系统。它 避免 了同一功能 单元 的重复开发，缩 短 了研制周期，节约了研制经费。同时提高了电源的可 靠性、可 维护 性、功能 的多样 性 和灵 活性。为了发挥模块化设计 的优势，在设计过程中一 定要对产品有总体考虑，对系统进行合理 的模块划 分，并充分考虑模块的互换性、兼容
10、性和扩展性。1 2弧焊 电源的模块化组成 本 研 究设 计 的 数字 弧 焊 电源 系 统 是一 个 集 多 种 焊接 工 艺 为一 体，具有 升 级 能力，可 进行 系统 集 成 和 网络化 管理，功 能可 扩 展和 产 品更 新容 易 的焊 接电源系统。为了实现这些功能，仅仅采用一片 D S P 或 MC U控 制 芯片 进 行 控 制 系 统设 计，不但 控制 芯 片难 以选择，控制 系统也 过于复杂。为此，采 用 图 1 所 维普资讯 http:/ 研 究 与 设 计 重珲坂 第3 5 卷 示 的模块 化设 计，把 控制 面板、送 丝机、遥 控 器等子 系统作为一个相对独立的模块，由单
11、独 MC U进行管 理是一种较好的解决方案。既可以实现上述 的功能，又可以使系统不过于复杂。数字弧焊电源系统 以主 功率模 块 为核心，通 过 R S 一 4 8 5总线 与控 制面 板、送 丝 机、遥 控器 等 组 成 基本 的焊 接 电源 系 统，该 系统 的控 制总线 具备 一定 的扩 展能 力，可 以与 P C机、焊 接机器人等相连，使系统具有一定的网络通信能力，进而具备焊接工艺网络管理、监控的能力。主功率模块 R S-4 8 5 总 线 图 1 数 字 弧 焊 电 源 系 统 结 构框 图 1 3 模块 间的联 系I _ 4 8 5总线 R S 一 4 8 5总 线 接 口标 准 是
12、 R S 一 4 2 2 A标 准 的扩 充。该标准采用双端线传送信号，在起 始端通过传 送线驱动器，把逻辑 电平变换成 电位差，完成起 始 端的信号传送。在接收端通过传送线接收器将电位 差 重新变换 成逻辑 电平，以实现接 收端 的信 号接 收。与 R S 一 2 3 2相 比，它 在 传 输 距 离、抗 干扰 能 力 和 传 送速率等方面都有显著提高。它在 1 2 m距离时传送 速 率可达 l 0 MB s，l 2 0 0 m距 离 时传 送速度 可达 1 0 0 k B s。此外，采 用 R S 一 4 8 5总 线方 式进 行 数据 传 输，仅仅需要两根信号线就可实现，结构 和接线 比
13、 较简单。鉴 于以上优点，在此采用 R S 一 4 8 5总线作 为数字弧焊 电源系统各模块间通信的现场总线。接 口芯 片采 用 MA X 4 8 5。M AX 4 8 5包含 一个 驱 动器 和 一个接收器，半双工工作方式，采用单一的+5 V电 源供电，通信线上最多可挂接 3 2个收发器。2主功率模块及其通信控制 2 1 主功率模块 主功 率模 块 是 由更 低 层次 的模块 组 成，如 图 2 所示，它由功率部分和控制部分组成。功率部分三相 3 8 0 V交流电经过整流模块和滤 波模 块 得 到 5 4 0 V 的直 流 电，经过 逆 变 电路 模 块、主变 压器模 块 和输 出电感模 块
14、，最 后输 出 所需 要 的 电流 和电压。控制部 分 以主控 制与接 口模块 为核心，它采用 D S P+MC U或者混合信号 D S P为控制芯片。图 2主功 率 模 块 结 构 组 成 采样模块和驱动模块是功率部分 和控制部分 的接 口，功率 部分 的电流、电压信号经过采样模块采样 输 入 主控 制 与接 口模 块，经过 控制 运 算，输 出 P WM 信号经驱动模块驱动功率部分的功率开关器件。2 2 通信控 制 数字弧焊电源系统的各模块在通信时，如果各 个 模块 的地 位 同等，任 意 2个模 块之 间可 以直 接通 信，这会导致系统复杂，调试困难。在此采用分布式 控制各模块之间的通信
15、，主功率模 块为主机(亦称 上位机)，其他模块为从机(亦称下位机)。主功率模块 根据工作状态向其他模块发送各种命令数据包，同 时接 收 各 模 块 送 来 的数 据 包。其 他 模 块 之 间 通过 控制与接 口模块实现通信。3 通信 协议 由于多个 模 块 挂 在 R S 一 4 8 5总 线 上，所 以 当一 个 模块 给 另一个 模 块发 送 数据 时，会被 挂 在总 线上 的所有 其 他模 块接 收，如何 让各 个模 块 做 出相 应 的 正确 的响应 呢?本研究采用给 每个 挂在 R S 一 4 8 5总线上 的模 块分配 唯一地址 的方式来 解决。主控制 和接 口模 块、控 制 面
16、板、遥 控 器、送 丝 机、P C机 接 口和机 器 人 接 口的地 址 分 别 分 配 为：0 0 H、0 l H、0 2 H、0 3 H、0 4 H 和 0 5 H。同时，将各种传递参数用数据包格式来表示，把 地址信息包括在数据包 中，数据包格 式如 图 3所 示。当一个模 块收 到总线上 发来 的数 据包 时，首先 检 测数据包 中的地址信息，如果该地址和模块 自身的 地址相 同则处 理数据包，否则丢 弃数据 包。为 了保 证 参数的正确传输，数据包中包含有起始字节、结束字 节和校验字节。起始字节和结束字节分别定义为 7 E H 和 7 F H。校验 字节 为数 据包前 面 6个 字节
17、的校验 和，通过对起始字节、地址字节、命令 字节和 3个数据 字 节进 行 累加并 舍去进 位位 得 到。为 了 明确数据 段 表示的是哪个具体参数的值，数据包 中还包含有命 令字节。如命令字节为 0 1 H时，则数据段中表示的是 维普资讯 http:/ 研究与设计 阎 涛等：数字弧焊电源的模块 化设计 与 R S 一 4 8 5 通 信 第 1 O期 电流值。数据包中数据段的字长为 3个字节，分别表 示 3位数的数值，其他部分的字长都是 1 个字节。匿卿匝囹匝圈圆匝豳匝圈 图 3 数据包格式 4 RS-4 8 5通讯软件设计 由于功能模块性能上的差异，会 对核心控制芯 片 的要求不同，而使得
18、 各个模 块的核心控制芯片亦 有 所 不 同，如 主控 制 与接 口模 块需 要 以 D S P+MC U或混 合信号 D S P为核心，控制 面板用一 款普通 的 5 l 单 片 机来控制 即可。各个模 块需要使 用不 同 的开发 环境，造成 软件 的开 发差 别，但 是它们处理 R s _ 4 8 5通信 的 流程是类似 的。设置各模 块工作 于异步 串行通信方式 l，即一 帧信息含 l O位，l 位起始位“0”，8位数 据位 和 l 位 停止 位“l”，数 据从低位 开始发送和接 收。串 行发送和接 收的波特率设为 6 2 5 k。4 1数 据 包 发 送 各模 块平 时处 于 接收 数
19、据 状态，只有 在想 要 发 送数 据 时才使 能 MA X 4 8 5发 送，发 送 完毕后 停 止发 送使能，使之重新 处于 接收数据 状态。数据包 发送 的 流程 比较 简单，在 数据 包 的缓 冲 区 中存 人 希望 发送 的值，然后按数据包 的格式依次顺序发送即可。其 中，地 址 字节 为 目标 接 收模 块 的地 址，命 令 字 节 表 示数据段是哪个参数的值，校验值通过对数据包前 6个字 节累 加得 到。4 2数据包接收 模 块 接收 数据 包 的时 间具 有不 确 定性，一 般采 用 中断 方式来进 行数据 包接收，其接收 流程见 图 4。5 RS 一 4 8 5通讯调试 图
20、5是控制面板通过 R S 一 4 8 5总线发给控制与 接 口模块 的数据包波 形。图 中示波器通道 l 和通道 2 测量 的分 别是 MA X 4 8 5的 A端 和 B端，即 MA X 4 8 5 的差分正输入端 和差 分负输 入端。当差分电压信号大 于 2 o 0 m V 时 为逻 辑“l”，小 于一 2 0 0 m V 时 为 逻 辑“0”。图 5 a为数据包 的起始字节，值为 7 E H，与理 论值相同。从图中还可以得到数据发送的波特率，与 设定 的 6 2 5 k相 同。图 5 h为控制 面板发给控 制与接 口模块的一个数据值为 3 3 3的电流数据包，其数值 与数据格式 都和通讯
21、 协议 的约定相 符。图 5 c为控制 面板发 给主控 制与接 口模 块 的含有 9个 数据包 的数 据块，其中包含有电流、电压等 9个参数值的设定。图 4 中断数据接收流程 图 a数据包的起始字节、：I ，：。芒 一 -=l ：t T I 。t t 1 、一m一,-一m l一 t 割 1“lI i 苎 I 三 一 _ _ _，_ _-_-_，-一 _ I 、|_，0 j-_ 一-一-1 0 一 t f I 一 b一个数据包 c 9个数据包 图 5 发给控制与接 E l 模块 的数据包波形 Pa ge 5 3 苗 2 9 维普资讯 http:/ 研究与设计 杨国辉：进【j N i S B 一
22、1 6 2 2 0 0纯镍焊接【艺研究 第 l 0期 特别是焊接线能量 的控制，实践证 明单 纯靠减小焊接 电流 的方 法并 不是 有效 的，因为液 态镍 的流 动 性较 差，熔 深浅，实 际焊 接采 用 的 电流不 宜 太小，在 保证 焊缝 熔 合 的 条件 下 可 用 提高 焊 速 的方 法来 控 制热 输入量，要严格 控制层 问温度。焊 接工艺参数 见表 5。表 5焊接 工艺 参数 氩气 流量 是影 响保 护效 果 的一个重 要参 数。流 量 大小是 获得 优 质焊缝 的关键，氩 气 的流 量过 大 易 产生 焊接 缺 陷。氩 气流 量可 由以下经 验公式 确 定 Q=K D，式中 Q为
23、氩气流量；为系数(=0 8-1 2)；D为喷 嘴直径，D=(2 5-3 5)d(d为钨极直径，一般 d=3 m m)，故氩气流量一般在 8-1 0 L ra i n为宜；背面保护氩气 流量 4-6 L mi n。3 6 操作技术要 求 对纯镍 焊接，操 作技术 是一个很 重要 的方面。实 际施 焊 时做 了如下 要求：a 施 焊操 作时，焊炬 不摆 动，采用 短弧施 焊，弧 长 控 制在 1 0 1 5 m m 之 间，每 焊 一段 接 头，可 回焊 一小段，以利 气体 排。b 填满 弧孑 L，以防产 生弧孑 L 裂纹。C 焊 接 过 程 中，焊 丝 的 加 热 端 不 能 离 开 保 护 气
24、 体，断弧 后，要 待 焊 接熔 池 冷 却 后 才能 切 断 氩 气 保 护。d 背 面 清根，层 间清理 要 严格 进 行，防 止镍 的 氧化膜 在焊 接过 程 中进入 熔池，而 形成焊 接 缺陷。3 7 焊接质量 焊 接 工艺评 定 试板 施 焊完 毕，外 观 质量 完 全达 到要求。对 接 焊缝 经 l 0 0 R T检 测，按 J B 4 7 3 0的规 定，焊 缝一 次合 格率 达到 1 0 0。产品焊接试板焊缝外观检查 合格后，R T检测 达 到 J B 4 7 3 0规定 I级。金 相试 验 未 发现 裂 纹 和 品 斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e P a g
25、 e 2 9 6 结论 采用 模块 化设 计思 想进 行数 字 弧焊 电源 开发，使用 R S 一 4 8 5总线 实 现 了模 块 间 的连接 通 信?缩 短 了研 发周期，降低 了开发成本。同时有效 地提 高 了焊 接 电 源 的可 靠性、可 维 护性、功能 的多样 性 和灵 活 性。初步 的试验表 明，R S 一 4 8 5总线 具有 可靠 性 高、结 粒 粗大现 象。机械 性能 试验 结果 见表 6。表 6机 械性 能试 验 结果 弯 曲试 验面 弯、背弯合 格，试板 检验 合理。4 结 论 a 碱 蒸发 器纯 镍材 料 N i S B-1 6 2 2 0 0采用 r r I G 焊
26、接方法，焊丝 E R N i 一 1，能够获得优 质 的焊接接 头。b 纯 镍 焊接 时 正确 选 用 与母 材 匹配 的焊接 材 料是 防止 产生焊接 热裂纹、气孑 L 的重 要措施；E R N i 一 1 焊 丝 比 T G S N i-I 更 利 于 消 除 纯镍 焊 接 过程 中 的热 裂 纹 和气孑 L 倾 向。C 氩气保护是影响纯镍焊接质量 的另一个关 键 因素，高纯度的氩气以及合适 的氩气流量对获得 良好焊 缝外 观质 量、防止产 生气 孑 L 至关 重要。d 纯镍 焊接 前 对坡 口周 围及 焊 丝表 面 进行 严 格 的清洗，是纯镍焊前准备的一个重要工序，这样 可杜绝有害气体
27、 的来源，防止产生气孑 L、裂纹等焊 接 缺 陷；适 宜 的焊接 线能量，可避免 晶粒 粗 大倾 向。e 纯镍 的焊 接 围绕 防止 产 生 热 裂 纹、减 少 气 孑 L 和防止 晶粒 粗 大 3方面 进行，焊 接材 料 及工 艺参 数 的选择是 非 常重要 的。纯 镍材 料 的焊接 工 艺研究 试验，为 今后 提高 同类 国产 化设 备 的制造 质量 积 累 了经 验。参考文献：1】曾乐 现代焊接技术手册【】j 二 海：上海科学技术出版社，1 9 93 2】中国机械工 程学会焊 接学会 焊接手册 M】北京：机械 T 业 出版社，1 9 9 2 3】机械丁程标准手册 编委会 机 械工程标 准手册 M】北京：中国标准|版社，2 0 0 1 4】王宗杰，臧汝恒，李德元 工程材料焊 接 技术问答 I 咽 北京：机械工业 出版社，2 0 0 2 斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e斗e 构简单、低成本等优点，是实现焊接电源系统模块 间通讯 的较 好选 择。参考文献：1】修小林，林建，王越 对 电子装备模块化问题的系统 分析 J 1 _ 军事运筹 与系统工程，2 0 0 2，(1)：5 9 6 3 2】劳 俊，伍 世虔，杨叔子 模 块化 与现代制 造技术 J 1 _ 制 造技术 与机床，1 9 9 4，(4)：4 0 4 2 a 5 3 维普资讯 http:/