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平行縫焊機(jī)控制系統(tǒng)的研制
摘要：論述了系統(tǒng)的組成原理和實(shí)現(xiàn)方法。充分利用上、下位機(jī)的性能特點(diǎn)，定制合理的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信。主要論述了下位機(jī)各功能模塊的組成和編程方法。關(guān)鍵詞：上位機(jī) 通信協(xié)議 下位機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 焊接功率
平行縫焊機(jī)用于封裝集成電路芯片。目前我國(guó)使用的封裝集成電路芯片的設(shè)備基本來(lái)自于美國(guó)和日本等國(guó)家，價(jià)格昂貴，因此使其變得國(guó)產(chǎn)化、價(jià)位低具有深遠(yuǎn)的意義。
1 系統(tǒng)的主要組成與功能
系統(tǒng)由上位機(jī)（PC機(jī)）和下位機(jī)（單片機(jī)）兩部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
上位機(jī)（PC機(jī)）軟件采用可視化編程語(yǔ)言VB6.0開(kāi)發(fā)，使用Mscomm控件完成PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，傳送控制信息、狀態(tài)信息和焊接參數(shù)；并利用VB6.0具有的對(duì)各種數(shù)據(jù)庫(kù)的操作能力實(shí)現(xiàn)焊接的人性化。下位機(jī)（單片機(jī)）通過(guò)串行接口接收PC機(jī)發(fā)送的命令，啟動(dòng)工作程序，控制6個(gè)步進(jìn)電機(jī)（其中x軸兩個(gè)、y軸1個(gè)、z軸兩個(gè)，旋轉(zhuǎn)θ軸1個(gè)），通過(guò)絲杠將電機(jī)的角位移轉(zhuǎn)換為線(xiàn)位移，帶動(dòng)焊接電極按設(shè)計(jì)的軌跡運(yùn)行，并實(shí)時(shí)向PC機(jī)傳送當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的主要功能有：
①上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視下位機(jī)的工作狀態(tài)，控制下位機(jī)的工作過(guò)程；設(shè)置下位機(jī)的工作參數(shù)，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息；記錄歷史芯片的焊接參數(shù)。系統(tǒng)在重新上電時(shí)，將最新的焊接參數(shù)作為本次焊接參數(shù)的默認(rèn)值；進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，指導(dǎo)操作過(guò)程；
②下位機(jī)控制6個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，最終控制焊接電極的移動(dòng)；控制焊接功率的大小并實(shí)現(xiàn)間歇控制；實(shí)現(xiàn)焊接電極的微調(diào)。
③系統(tǒng)的各焊接軸方向精度不得低于0.1mm。
圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
2 系統(tǒng)資源利用及通信機(jī)理
2.1 系統(tǒng)資源的利用
為充分利用PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、海量的存儲(chǔ)空間，有效地發(fā)揮單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的作用，必須合理地分配系統(tǒng)資源。具體做法之一是PC機(jī)在發(fā)送焊接數(shù)據(jù)時(shí)，將其以浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)的焊接參數(shù)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步角和絲杠比轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)發(fā)送給單片機(jī)；二是當(dāng)脈沖數(shù)占用的位數(shù)略大于單字節(jié)整數(shù)倍N位時(shí)，在滿(mǎn)足精度要求的前提下有：發(fā)送的數(shù)據(jù)=原數(shù)據(jù)/2n，這時(shí)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)取整，單片機(jī)接收到該整數(shù)數(shù)據(jù)后，左移N位便可恢復(fù)真實(shí)數(shù)據(jù)。這樣既提高了通信效率，又減小了對(duì)單片機(jī)RAM的占用。
2.2 系統(tǒng)通信協(xié)議
波特率設(shè)置為4800bps；數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)置為：起始位1bit，數(shù)據(jù)位8bit，停止位1bit。
PC機(jī)向單片機(jī)發(fā)送的信息包包括數(shù)據(jù)信息包和控制信息包。數(shù)據(jù)信息包括結(jié)構(gòu)為：以“S”字符開(kāi)頭，其后為22字節(jié)的16進(jìn)制數(shù)。發(fā)送時(shí)按ASCII碼格式（文本格式）發(fā)送，實(shí)際發(fā)送44個(gè)ASCII碼。下位機(jī)正確收到后，向PC機(jī)發(fā)“K”作為確認(rèn)應(yīng)答信號(hào)。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，PC機(jī)未收到“K”信號(hào)，則重發(fā)。若三次未成功，則在屏幕上給出顯示信息。PC機(jī)必須保證44個(gè)ASCII碼的包長(zhǎng)度，以免系統(tǒng)誤動(dòng)�？刂菩畔Y(jié)構(gòu)為：以大寫(xiě)“O”開(kāi)始，其后為單字節(jié)16進(jìn)制數(shù)的控制字，實(shí)際發(fā)送兩個(gè)字節(jié)ASCII碼，也是以“K”作為應(yīng)答信號(hào)，采用等比碼3/8。發(fā)送時(shí)高位在前，低位在后。
PC機(jī)從單片機(jī)接收的信息包括結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容為數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信號(hào)，且數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息被同時(shí)發(fā)送。該信息以“S”開(kāi)關(guān)，其后為32個(gè)1位16進(jìn)制數(shù)的ASCII碼，以“K”作為結(jié)束信號(hào)。若PC機(jī)收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的完整信息包，則有屏幕提示，指示用戶(hù)進(jìn)行操作。
以上的信息由雙字節(jié)數(shù)、單字節(jié)數(shù)混合構(gòu)成，信息包的頭與尾均采用非十六進(jìn)制的ASCII碼字符，以示區(qū)分。接收方則按照協(xié)議雙方規(guī)定的算法進(jìn)行解包，發(fā)送方按照雙方規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組包。
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3 下位機(jī)的主要組成模塊及設(shè)計(jì)思想
3.1 模信模塊
通信模塊的硬件組成由于令使用了一片MAX232完成電平的轉(zhuǎn)換功能而變得較為簡(jiǎn)單，免去了一般芯片使用±12V～15V電壓帶來(lái)的麻煩，而且與PC機(jī)的連接方式是最為簡(jiǎn)單的，不需要進(jìn)行硬握手，大量的工作都由軟件完成。
其主要程序設(shè)計(jì)方法如下：
①下位機(jī)接收PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以中斷方式（且設(shè)置為高級(jí)中斷）來(lái)接收，以滿(mǎn)足通信的實(shí)時(shí)性要求。這里僅是觸發(fā)接收中斷服務(wù)程序的執(zhí)行并且接收首字節(jié)，一旦進(jìn)入該中斷程序后，就用程序查詢(xún)的方法來(lái)接收剩余的字節(jié)。接收標(biāo)志RI是硬件置位、軟件復(fù)位的，數(shù)據(jù)后，接協(xié)議規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和驗(yàn)證，并向PC機(jī)返回驗(yàn)證信息。②下位機(jī)向PC機(jī)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)信息的子程序是根據(jù)程序工作過(guò)程的需要而調(diào)用的。在調(diào)用過(guò)程中為保證程序邏輯清晰性，使CPU關(guān)中斷，利用程序查詢(xún)發(fā)送標(biāo)志TI（TI的使用同RI相似），按協(xié)議要求進(jìn)行數(shù)據(jù)變換并發(fā)送完整個(gè)信息包，再使CPU開(kāi)中斷，整個(gè)程序執(zhí)行完畢。
3.2 步進(jìn)電機(jī)控制模塊
步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中重要的執(zhí)行元件之一。對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其工作方式分為兩種。本系統(tǒng)選用三相單、雙六拍通電方式，這種方式不容易失步，在轉(zhuǎn)子平衡位置附近不易產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行的穩(wěn)定性較好，而且控制的精度也提高了一倍，為使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行更平穩(wěn)，控制精度更高，系統(tǒng)采用了具有細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于步進(jìn)脈沖序列的頻率。其硬件接口電路如圖2所示。圖中只是X軸左側(cè)步進(jìn)電機(jī)的連接示意圖，其余電機(jī)的連接方式與圖中相似，但使用8155A其它的引腳。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的CP+和CP-是步進(jìn)脈沖輸入端，U/D+和U/D-是方向控制輸入端，PD+和PD-為脫機(jī)控制輸入端（本系統(tǒng)未使用），且各具有光電隔離電路，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，連線(xiàn)采用共陽(yáng)極接法是因?yàn)檫壿嬰娐返墓嚯娏髫?fù)載能力通常大于拉電流負(fù)載能力；DC和GND為電源接線(xiàn)端，要求為直流20～60V,電流為4A；輸出端A+和A-、B+和B-、C+和C-分別與步進(jìn)電機(jī)A、B、C三相引出線(xiàn)對(duì)應(yīng)連接。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有邏輯控制和速度控制。
邏輯控制包括電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制和發(fā)送步進(jìn)脈沖序列。由于訪(fǎng)問(wèn)8155的PA口和PB口需以字節(jié)方式進(jìn)行，因此根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向控制和步進(jìn)脈沖序列發(fā)送的需要，組成邏輯置位和復(fù)位兩個(gè)控制字，交替地輸出到對(duì)應(yīng)的端口，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制。系統(tǒng)最多控制兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，共有16個(gè)控制字。具體編程思想是：脈沖數(shù)經(jīng)步進(jìn)角到角位移，再經(jīng)絲杠到位移，即可實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)正比于線(xiàn)位移。
速度控制是通過(guò)在置位和復(fù)位兩個(gè)控制字交替輸出期間插入延時(shí)子程序而實(shí)現(xiàn)的，所以速度的快慢是由延時(shí)子程序的執(zhí)行時(shí)間決定的。在本系統(tǒng)的電機(jī)工作的低速區(qū)，非焊接運(yùn)行時(shí)控制線(xiàn)速為4mm/s；焊接運(yùn)行時(shí)線(xiàn)速為1～8mm/s，由PC機(jī)根據(jù)需要實(shí)時(shí)控制。
3.3 PWM模塊
為滿(mǎn)足IC芯片縫焊的技術(shù)條件，要求焊接過(guò)程的功率加載是間歇的，為此設(shè)計(jì)了PWM脈沖寬度調(diào)制模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的間歇控制。圖3是本模塊的電路組成。核心器件為SG3524，它的輸出為周期脈沖序列，其周期受RT、CT端對(duì)地的接入電阻RT和接入電容CT的控制，周期T=0.77Rt×Ct，所以在此串入數(shù)字電位器X9C104用以實(shí)現(xiàn)對(duì)T的控制。按圖中數(shù)字電位器的使用方法，則其電阻R的表達(dá)式為：R=(99-n)×100kΩ,其中n是通過(guò)編程進(jìn)行控制的。SG3524的輸出信號(hào)的占空比由D/A轉(zhuǎn)換電路通過(guò)編程控制。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了T=40ms～80ms，占空比為0～100%，由上位機(jī)控制。
圖4 功率控制模塊電路圖
3.4 焊接功能控制模塊
焊接功率的控制實(shí)際上是通過(guò)控制輸出電壓來(lái)間接實(shí)現(xiàn)的。由單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)到DAC0832進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)SG3524控制的模擬開(kāi)關(guān)后，再控制固態(tài)調(diào)壓模塊EVU—40A，使其輸出的交流電壓與輸入的數(shù)字信號(hào)成線(xiàn)性比例。將輸出電壓將至焊接變換器，轉(zhuǎn)換為低電壓高電流加到焊接電極，通過(guò)產(chǎn)生高溫對(duì)IC芯片進(jìn)行縫焊。實(shí)現(xiàn)電路如圖4所示。另外由于EVU—40A調(diào)壓模塊在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中存在殘留電壓，致使在調(diào)節(jié)焊接參數(shù)時(shí)電極焊輪出現(xiàn)打火現(xiàn)象，致使不必要的損失，因此在調(diào)壓模塊的輸入回路串接交流固態(tài)繼電器GJH25—W進(jìn)行阻斷。
對(duì)焊接功率模塊控制折編程方法如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收上位機(jī)的功率控制信息并寫(xiě)入地址為6000H的DAC0832芯片，同時(shí)GJH25-W送有效控制信號(hào)使其導(dǎo)通，焊接電極就有相應(yīng)的功率輸出，進(jìn)行縫焊。不進(jìn)行焊接時(shí)，使GJH25—W截止，同時(shí)向DAC0832發(fā)送OFFH，實(shí)現(xiàn)焊接完全可靠的斷開(kāi)。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
X、Y軸絲杠的線(xiàn)位移/角位移=4mm/360度，Z軸線(xiàn)絲杠的線(xiàn)位移/角位移=1.5mm/360度，步進(jìn)角均為0.36度。實(shí)驗(yàn)方法是：利用計(jì)算機(jī)發(fā)送脈沖數(shù)并計(jì)算理論值，用千分尺實(shí)際測(cè)量并計(jì)算絕對(duì)誤差值（見(jiàn)表1）。分析結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試表
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6.00
6.00
8.00
8.00
8.00 1.50
1.50
1.50
2.25
2.25
2.25
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3.00
3.00 4.01
4.01
4.00
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6.01
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7.99 3.99
4.00
4.01
6.00
5.99
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8.02
8.01 1.51
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2.99
2.98
2.99 0.01
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0.02
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0.01
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0.00
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-0.01
-0.02
-0.01 最大絕對(duì)誤差 0.01 0.02 0.02
本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的試驗(yàn)運(yùn)行，證明通信實(shí)時(shí)性好、控制精度高，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。
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