專利名稱：一種微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于MCU單片機和DSP數(shù)字信號處理的雙處理器通信的控制系統(tǒng)，特別涉及一種用于微束等離子焊的控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術：
通常，微束等離子焊是焊接設備中過程較為復雜的一種焊接工藝方法，實現(xiàn)該方法焊接過程的硬件設備有水路、保護氣、離子氣、小弧電源、主弧電源、引弧裝置等，而焊接過程又是一開放的工作過程，受到諸多外界因素的影響，同時由于多控制參數(shù)控制焊接過程，這些控制參數(shù)又交互作用，使得焊接過程的不確定因素較多，要保證這種情況下的焊接質量，大量現(xiàn)場信息的實時采集和處理，優(yōu)化組合控制規(guī)律的實現(xiàn)是關鍵；結合其它的焊機控制性能，焊機的控制是多任務控制系統(tǒng)。以往此類焊機的控制多局限于純硬件電路系統(tǒng)或簡單的單一CPU(Center Processor Unit)控制系統(tǒng)。對于純硬件電路控制系統(tǒng)，線路復雜，結構不緊湊，各部分之間很易相互干擾，大大地影響了設備的可靠運行，不易優(yōu)化控制，更難進行信息化處理，也就越來越難于適應復雜焊接工藝的要求；而對于簡單的單一CPU控制系統(tǒng)，如“微束等離子弧特種焊機” (專利申請?zhí)?9106259.9)、“恒功率微束等離子弧焊機”(專利申請?zhí)?6101100)，雖然可以在實時控制、過程控制、一元化控制、波形控制等單任務環(huán)境下發(fā)揮較好的作用，但是由于受到運算功能、信息處理能力及分時執(zhí)行指令的限制，還不能完成系統(tǒng)比較好的控制規(guī)律、信息的處理，同時，同時也很難做到實時現(xiàn)場采集、現(xiàn)場顯示、現(xiàn)場操作、控制規(guī)律實現(xiàn)等多任務系統(tǒng)。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有微束等離子焊接硬件設備純硬件控制系統(tǒng)及單一CPU(中央處理單元)控制的控制系統(tǒng)的缺陷，設計提供一種先進的雙處理器通信的微束等離子焊控制系統(tǒng)。一方面優(yōu)化微束等離子焊過程的控制規(guī)律，是焊接質量的控制成為一種信息化處理；另一方面充分利用雙處理器的資源，有效地解決多任務系統(tǒng)的任務并置發(fā)生的時序問題，并利用處理器的通信能力，可方便地進行雙處理器之間的通信及與上位機(PC機)的通信，合理地進行任務的分配及控制系統(tǒng)的修改和更新升級，使此系統(tǒng)控制具有很強的實時性和網(wǎng)絡可管理性。
為實現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明提供了一種微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，包括一個MCU單片機處理器，焊接過程參數(shù)設置及參數(shù)顯示部件，焊接過程時序控制部件，一個DSP數(shù)字信號處理器，焊接過程參數(shù)采集和控制部件。DSP數(shù)字信號處理器通過串行通信線與MCU單片機處理器互相連接，DSP數(shù)字信號處理器與焊接過程參數(shù)采集和控制部件互相連接。利用DSP數(shù)字信號處理器豐富的運算功能和快速計算能力，快速實時地進行焊接過程參數(shù)檢測和焊接控制規(guī)律的實現(xiàn)，作為現(xiàn)場信息采集、處理，優(yōu)化組合控制規(guī)律實現(xiàn)的信息處理器；利用MCU單片機處理器強大的驅動控制能力實時地進行焊接過程參數(shù)設置、焊接過程時序控制、焊接過程顯示，作為控制、驅動、設置等的控制處理器；并進一步利用DSP數(shù)字信號處理器和MCU單片機處理器的通信能力，實現(xiàn)雙處理器之間的快速通信，構成基于雙處理器通信的微束等離子焊機控制系統(tǒng)的完整結構，同時利用IEEE1149.1標準的JTAG接口，DSP數(shù)字信號處理器很方便地與PC機接口，實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的修改和更新升級。
本發(fā)明的另一方案是提供一種微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)的控制方法，它包括下列步驟MCU單片機處理器通過檢測過程開關的位置并通過雙向通信線將過程信息快速傳遞給DSP數(shù)字信號處理器；若過程開關處于焊接的位置，MCU單片機處理器將其時序控制的階段信息通過雙向通信線快速傳遞給DSP數(shù)字信號處理器，DSP數(shù)字信號處理器按照得到的信息進行外特性選擇和控制規(guī)律選擇；DSP數(shù)字信號處理器通過對焊接過程參數(shù)采集和控制部件的輸入進行現(xiàn)場參數(shù)的采集，并對所采集的參數(shù)進行處理；DSP數(shù)字信號處理器將處理后的參數(shù)通過雙向通信線快速傳遞給MCU單片機處理器，MCU單片機處理器控制液晶顯示；DSP數(shù)字信號處理器根據(jù)上述所選擇的外特性和控制規(guī)律調用相應的外特性專家數(shù)據(jù)庫和控制規(guī)律專家數(shù)據(jù)庫；DSP數(shù)字信號處理器按照所調用的外特性和控制規(guī)律進行控制信號的計算，并將計算得到的控制信號輸出到焊接過程參數(shù)采集和控制部件來控制焊接過程參數(shù)，完成焊接質量的控制。
本發(fā)明的最突出優(yōu)點在于充分利用MCU單片機和DSP數(shù)字信號處理器各自優(yōu)勢和功能，在對于較其它焊接工藝更為復雜微束等離子焊機多任務系統(tǒng)的控制，很好地解決了多任務的時間并置發(fā)生的問題，具有很強的實時性和可控性；同時充分利用DSP數(shù)字信號處理器各種豐富的運算能力和快速運算的指令結構，對大量焊接現(xiàn)場信息的快速采集處理提供了強有利的支持，并進行任意電源外特性的計算和優(yōu)化控制規(guī)律的選擇；更進一步地，在DSP數(shù)字信號處理器上方便的進行數(shù)字信號處理、專家數(shù)據(jù)庫的建立，使微束等離子焊接過程提升到了數(shù)字化、信息化、甚至是智能化控制的高度上，在很大程度上使由它控制的微束等離子焊機具有先進、新穎、和高檔次。鑒于該技術在焊接設備及方法技術領域中很少開發(fā)應用，因此該開發(fā)成果在焊接領域具有一定的先進性和前沿性。
圖1是本發(fā)明的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)實施例的方框圖。
圖2是本發(fā)明的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)控制方法中MCU單片機主控的總程序結構流程圖。
圖3是本發(fā)明的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)控制方法中DSP數(shù)字信號處理器平臺的結構流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
參見圖1，微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)主要包括MCU單片機處理器1、DSP數(shù)字信號處理器4、微束等離子焊焊接過程時序控制部件3、微束等離子焊焊接過程參數(shù)設置和參數(shù)顯示部件2、微束等離子焊焊接過程參數(shù)采集和優(yōu)化控制部件5、故障診斷部件7、PC機通信部件6及雙處理器通信八部分。微束等離子焊焊接過程時序控制的受控對象包括水路、氣路、電源和引弧裝置。水路系統(tǒng)是MCU單片機處理器1對水路10的水壓開關9經(jīng)過水壓開關檢測及接口電路8進行檢測；氣路系統(tǒng)則是MCU單片機處理器1經(jīng)時序控制接口11輸出控制信號，控制氣閥控制繼電器12動作，以接通或斷開氣路13；電源系統(tǒng)包括小弧電源系統(tǒng)和主弧電源系統(tǒng)，其中，小弧電源系統(tǒng)只進行啟停控制，即MCU單片機處理器1經(jīng)時序控制接口11輸出控制信號，控制小弧啟?？刂评^電器14動作，以接通或斷開小弧電源15；主弧電源需進行啟?？刂坪唾|量控制，對于主弧電源的啟?？刂?，與小弧電源只進行啟?？刂埔粯?，由MCU單片機處理器1經(jīng)時序控制接口11輸出控制信號，控制主弧啟?？刂评^電器16動作，以接通或斷開主弧電源17，對于它的質量控制，則由微束等離子焊過程參數(shù)采集和優(yōu)化控制部分完成；引弧裝置的控制也是由MCU單片機處理器1經(jīng)時序控制接口11輸出控制信號，控制引弧啟?？刂评^電器18動作，以接通或斷開引弧裝置19。微束等離子焊焊接過程參數(shù)設置和參數(shù)顯示部分構成焊機的人機對話系統(tǒng)，一是由MCU單片機處理器1經(jīng)過人機對話接口20進行現(xiàn)場操作開關的檢測，主要有過程開關21和焊槍開關22，二是由MCU單片機處理器1經(jīng)過人機對話接口20進行現(xiàn)場參數(shù)設置和現(xiàn)場顯示，前者通過鍵盤進行參數(shù)設置23，后者通過液晶顯示24。微束等離子焊焊接過程參數(shù)采集和優(yōu)化控制是進行焊接外特性的控制，實現(xiàn)優(yōu)化的控制規(guī)律，一方面由DSP數(shù)字信號處理器4經(jīng)主弧電源接口電路25輸出微束等離子焊接回路26的控制信號；另一方面由DSP數(shù)字信號處理器4經(jīng)主弧電源接口電路25定時檢測微束等離子焊接回路26的現(xiàn)場參數(shù)，在DSP數(shù)字信號處理器4中進行處理，并進行優(yōu)化控制規(guī)律的計算，根據(jù)計算的結果，不斷地調整輸出的控制信號，以達到要求的電源外特性和好的焊接質量恒定的輸出。故障診斷則是由DSP數(shù)字信號處理器4經(jīng)過故障接口電路27、故障檢測電路28對現(xiàn)場的水、電、氣進行檢測，若它們工作不正常，則DSP數(shù)字信號處理器4經(jīng)過故障接口電路27發(fā)出相應的故障報警信號，并由報警指示燈電路29顯示報警。雙處理器通信則是通過串行通信線在MCU單片機處理器1和DSP數(shù)字信號處理器4之間的一個快速數(shù)據(jù)傳遞；而PC機通信是DSP數(shù)字信號處理器4利用JTAG接口30與PC機31之間的通信，以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的修改和更新升級。
參見圖2，說明本發(fā)明的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)控制方法中MCU單片機處理器主控的微束等離子焊過程時序控制、參數(shù)設置、參數(shù)顯示的總程序結構流程。這部分程序主要分初始化、參數(shù)設置過程、焊接過程3個模塊。其中，程序的初始化部分包括系統(tǒng)初始化32、顯示友好界面33、設置未預置標志34；而參數(shù)設置過程與焊接過程由過程開關檢測35的檢測結果來決定具體進入哪一個過程。當MCU單片機處理器1檢測到過程開關在焊接位置46，則進入到焊接過程；當檢測到過程開關在參數(shù)設置位置36，則進入到參數(shù)設置過程。參數(shù)的設置主要通過鍵盤，因此在參數(shù)設置過程中當顯示預置界面37后，MCU單片機處理器1不斷掃描鍵盤38，并判斷有否鍵按下39，當無鍵按下時，返回初始化部分，顯示友好界面33；當有鍵按下時，則進一步形成鍵值40，進行鍵判斷41，鍵值處理42，根據(jù)處理的結果，作相應的顯示修改43，然后判斷預置結束否44，當設置已結束，設置預置結束標志，并返回初始化部分，顯示友好界面33。焊接過程是在當MCU單片機檢測到過程開關在焊接位置46時進入的，這時，首先顯示焊接界面47，并進行控制參數(shù)初始化48。焊接過程分為啟動過程和結束過程，共有預氣、引小弧、轉主弧、上升、焊接平穩(wěn)、下降、延氣這7個階段，其中，預氣、引小弧、轉主弧、上升、焊接平穩(wěn)階段組成焊接過程的啟動過程，而下降、延氣階段則構成焊接過程的結束過程，這兩個過程由焊槍開關控制。當檢測到焊槍開關合上49時，開始焊接過程。這時打開氣路50，進行預氣階段顯示51，并進行預氣定時52；預氣結束后，進入引弧階段顯示53，并打開小弧電源和引弧裝置引小弧54，并不斷檢測小弧電流55，小弧未引燃時，繼續(xù)引小弧56，當引燃小弧時打開主弧電源轉主弧57，進入轉主弧階段，在該階段中，不斷檢測主弧電流58，若未引燃主弧電流，則繼續(xù)該階段59，否則進入上升階段；在上升階段開始，先進行上升階段顯示60，并進行上升階段控制61，這時焊接電流按一定的斜率上升，當上升到實際要求的焊接電流時，MCU單片機處理器檢測到上升結束62，進入焊接平穩(wěn)階段；在焊接平穩(wěn)階段，首先進行平穩(wěn)階段顯示63，再進行該階段的控制64，同時，MCU單片機處理器不斷檢測焊槍開關，當檢測到焊槍斷開65時，進入結束過程。該過程中首先進入下降階段，在下降階段顯示66完后，進行下降階段控制67，這時焊接電流按一定的斜率下降，并結合不斷檢測主弧電流68，當主弧電流未下降到0時，繼續(xù)下降過程69，否則，進入延氣階段；這時關閉主弧電源70和小弧電源71，進行延氣階段顯示72，并進行延氣定時73，延氣結束后，關閉氣路74，返回初始化過程，顯示友好界面33。
參見圖3，說明本發(fā)明的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)控制方法中DSP數(shù)字信號處理器平臺的微束等離子焊過程參數(shù)采集和優(yōu)化控制、故障診斷的結構流程。程序分為初始化、外特性及控制算法計算、故障診斷三個部分。初始化部分包括系統(tǒng)初始化75、通信初始化76、I/O初始化77、數(shù)據(jù)初始化78。DSP數(shù)字信號處理器4在進行完系統(tǒng)初始化后，直接進行焊接過程控制否79判斷，該控制信息由MCU單片機處理器1通過通信線傳遞。當判斷到不需要進行焊接過程控制時，直接轉到故障診斷過程。當判斷到需進行焊接過程控制時，進入外特性及控制算法計算過程，在該過程中，首先根據(jù)MCU單片機處理器1通過雙向通信線輸入的信息進行外特性選擇80和控制規(guī)律選擇81，再進行現(xiàn)場參數(shù)采集82和參數(shù)處理83，并將有關數(shù)據(jù)傳遞給MCU單片機84，供單片機處理器1通過人機對話接口進行液晶顯示；然后調用外特性專家數(shù)據(jù)庫85和控制規(guī)律專家數(shù)據(jù)庫86進行計算，根據(jù)計算的結果來調整控制信號的大小87，最后輸出控制信號88，這樣完成一次實時控制，并轉到故障診斷部分。在故障診斷過程中，先進行故障檢測89，判斷有無故障發(fā)生90，當無故障發(fā)生，則返回到初始化過程，進行焊接過程控制與否的判斷79；當有故障發(fā)生，判斷是何故障91，并將相應的故障信息傳遞給MCU單片機92，以便MCU單片機處理器1進行相應的故障處理，然后進行故障報警93和故障處理94，DSP數(shù)字信號處理器4在接受到MCU單片機處理器1通過通信線傳遞過來的故障處理完的信息之后，解除報警95，返回到初始化過程，再進行焊接過程控制與否的判斷79，以便進行下一輪的控制或故障診斷。
在本發(fā)明的實施例中，MCU單片機處理器采用了Atmel公司的單片機芯片AT89C51處理器，DSP數(shù)字信號處理器采用了美國TI公司DSP芯片TMS320F240處理器。
權利要求
1.一種微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括MCU單片機處理器(1)、焊接過程參數(shù)設置及參數(shù)顯示部件(2)和焊接過程時序控制部件(3)，其特征在于它還包括DSP數(shù)字信號處理器(4)和焊接過程參數(shù)采集和控制部件(5)，所述DSP數(shù)字信號處理器(4)通過串行通信線與MCU單片機處理器(1)互相連接，以便二者之間的一個快速數(shù)據(jù)傳遞，所述DSP數(shù)字信號處理器(4)與焊接過程參數(shù)采集和控制部件(5)互相連接，以便對焊接外特性進行優(yōu)化控制。
2.如權利要求1所述的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述焊接過程參數(shù)采集和控制部件(5)包括微束等離子焊接回路(26)和主弧電源接口電路(25)，微束等離子焊接回路(26)將檢測到的焊接過程參數(shù)通過主弧電源接口電路(25)輸入到DSP數(shù)字信號處理器(4)，DSP數(shù)字信號處理器(4)將過程參數(shù)進行優(yōu)化處理后再通過主弧電源接口電路(25)輸出到微束等離子焊接回路(26)，來控制焊接過程參數(shù)。
3.如權利要求2所述的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于它還包括故障診斷部件(7)，所述故障診斷部件(7)與DSP數(shù)字信號處理器(4)互相連接以便對系統(tǒng)故障進行檢測、報警及處理。
4.如權利要求3所述的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述故障診斷部件(7)包括故障接口電路(27)、故障檢測電路(28)和報警指示燈(29)，其中故障檢測電路(28)將檢測到的故障信號通過故障接口電路(27)輸入到DSP數(shù)字信號處理器(4)，DSP數(shù)字信號處理器(4)將報警信號通過故障接口電路(27)輸出到報警指示燈(29)進行報警指示。
5.如權利要求4所述的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于它還包括PC機通信部件(6)，所述PC機通信部件(6)將PC機的信息輸入到DSP數(shù)字信號處理器(4)，以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的修改和更新升級。
6.如權利要求5所述的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于所述PC機通信部件(6)包括JTAG接口(30)和PC機(31)，PC機(31)將信息通過JTAG接口(30)輸入到DSP數(shù)字信號處理器(4)。
7.如權利要求1或2或3或4或5或6所述的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，其特征在于DSP數(shù)字信號處理器(4)是美國TI公司的DSP芯片TMS320F240處理器。
8.一種微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)的控制方法，DSP數(shù)字信號處理器(4)通過與MCU單片機處理器(1)的雙向通信，來完成DSP數(shù)字信號處理器(4)與MCU單片機處理器(1)的快速數(shù)據(jù)傳遞和同步工作；DSP數(shù)字信號處理器(4)再通過與焊接過程參數(shù)采集和控制部件(5)形成閉環(huán)，來進行焊接質量控制。該方法包括下列步驟(a)MCU單片機處理器(1)通過檢測過程開關(21)，并通過雙向通信線將過程信息快速傳遞給DSP數(shù)字信號處理器(4)；(b)若步驟(a)中檢測結果為在焊接位置，則MCU單片機處理器(1)將其時序控制的階段信息通過雙向通信線快速傳遞給DSP數(shù)字信號處理器(4)，DSP數(shù)字信號處理器(4)按照得到的信息進行外特性選擇和控制規(guī)律選擇(c)DSP數(shù)字信號處理器(4)通過對焊接過程參數(shù)采集和控制部件(5)的輸入進行現(xiàn)場參數(shù)的采集，并對所采集的參數(shù)進行處理；(d)DSP數(shù)字信號處理器(4)將步驟(c)處理后的參數(shù)通過雙向通信線快速傳遞給MCU單片機處理器(1)，由MCU單片機處理器(1)控制液晶顯示(24)顯示；(e)DSP數(shù)字信號處理器(4)根掘步驟(b)中所選擇的外特性和控制規(guī)律調用相應的外特性專家數(shù)掘庫和控制規(guī)律專家數(shù)據(jù)庫；(f)DSP數(shù)字信號處理器(4)按照步驟(e)調用的外特性和控制規(guī)律進行控制信號的計算，并將計算得到的控制信號輸出到焊接過程參數(shù)采集和控制部件(5)來控制焊接過程參數(shù)，完成焊接質量控制。
9.如權利要求8所述的微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于它還包括DSP數(shù)字信號處理器(4)與故障診斷部件(7)的連接以便對系統(tǒng)故障進行檢測、報警及處理，該方法包括下列步驟(g)DSP數(shù)字信號處理器(4)對故障診斷部件(7)的輸入進行檢測，若檢測結果為否，則返回步驟(a)；(h)若步驟(g)中檢測結果為是，則DSP數(shù)字信號處理器(4)進行故障判斷；(i)DSP數(shù)字信號處理器(4)將故障判斷結果通過雙向通信線快速傳遞給MCU單片機處理器(1)作故障處理用；(j)DSP數(shù)字信號處理器(4)將故障報警信號輸出到故障診斷部件(7)作故障報警用。
全文摘要
微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制系統(tǒng)，包括MCU單片機處理器(1)，焊接過程參數(shù)設置及參數(shù)顯示部件(2)，焊接過程時序控制部件(3)，DSP數(shù)字信號處理器(4)，焊接過程參數(shù)采集和控制部件(5)，DSP數(shù)字信號處理器通過串行通信線與MCU單片機處理器互相連接，以便二者之間的一個快速數(shù)據(jù)傳遞，DSP數(shù)字信號處理器與焊接過程參數(shù)采集和控制部件互相連接，以便對焊接外特性進行優(yōu)化控制。本發(fā)明還包含微束等離子焊的雙處理器數(shù)字控制方法。
文檔編號G05B19/18GK1978117SQ20051011132
公開日2007年6月13日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權日2005年12月9日
發(fā)明者何建萍, 黃晨, 焦馥杰 申請人:上海工程技術大學