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2 0 1 1年 5月 第 3 9 卷 第 1 0 期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUU CS Ma y 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ． 1 0 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 0 ． 0 2 9 基于 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机埋弧 自动焊接机床专用运动控制器设计 祁雷，周建平，许燕，卢刚，胡寅 新疆大学机械工程学院，新疆鸟鲁木齐8 3 0 0 4 7 摘要采用 N C嵌入 P C的结构形式，设计用于埋弧焊接机床的运动控制器。该控制器以 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机为下位机核 心，完成机床焊接轨迹控制以及焊接过程中信号采集、通讯等任务。该控制器采用双口R A M与I S A总线接口实现上、下位 机的实时通讯 ，上位机通过写命令到双 口R A M再由下位机读出的方式完成控制，下位机通过写数据到双 口RA M再由上位 机读出来实现状态参数上传。在该控制器中通过引入复杂可编程逻辑器件 C P L D 实现 I S A总线与下位机存储器的逻辑 粘合 ， 并简化控制逻辑电路。 关键词 自动焊接；运动控制；I S A总线；双口R A M 中图分类号T P 2 7 3 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 0 0 9 5 4 De s i g n o f M o ti o n Co n t r o l l e r f o r Au t o ma tic S u b me r g e d Ar c W e l d i n g M a c h i n e B a s e d o n C8 0 5 1 F 0 2 O M CU Q I L e i ，Z H O U J i a n p i n g ，X U Y a n ，L U G a n g ，H U Y i n S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，X i n j i a n g U n i v e r s i t y ，U r u m q i X i n j i a n g 8 3 0 0 4 7 ，C h i n a Ab s t r a c t B y u s i n g a n o p e n mo t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n NC e mb e d d e d P C s t r u c t u r e ，a mo t i o n c o n t r o l l e r wa s d e v i s e d w h i c h Was u s e d t o a u t o ma t i c s u b me r g e d a r c w e l d i n g ma c h i n e ． I n t h e c o n t r o l l e r ，a C 8 0 5 1 F 0 2 0 MC U w a s u t i l i z e d as t h e c e n t r a l u n i t ，w h i c h wa s u s e d t o c o mp l e t e the t ask s i n c l u d i n g t h e ma c h i n e ’ S mo t i o n c o n t r o l ，s i g n al acq u i s i t i o n a n d s y s t e m c o mmu n i c a t i o n ．D u al- p o r t RA M a n d I S A b u s we r e u s e d t o r e ali z e r e a1． t i me c o mmu n i c a t i o n b e t we e n P C a n d MC U．T h e c o n tro l p roc e s s was t h a t P C w r o t e c o mmand s i n t o d u al- po rt RAM and t h e n MCU r e a d o u t c o mma n d s f r o m the d u al- p o rt R AM．C P L D Was a d o p t e d t o c o n n e c t the d u al- p o r t RAM t o I S A b u s ．a n d’ v i t I l w h i c h t h e c o n t r o l l e r s c i r c u i t Was s i mp l i fi e d ． Ke y wo r d s Au t o w e l d； Mo t i o n c o n tro l ； I S A b u s ； Du al p o rt RA M 埋弧焊由于焊接质量和效率都较高 ，因此在各生 产行业都有着广泛的应用。现有埋弧 自动焊机的主流 控制方式有两种 1 采用双单片机或单片机加 D S P控制器方式进行控制 ，用一个单片机控制 电源外 特性 ，另一个单片机控制送丝电机调速和小车行走。 这种方式焊接质量较好，但只用于控制焊接小车焊接 直线焊缝 ； 2 采用 P C加通用运动控制器方式，由 P c完成人机交互 ，控制器完成焊接轨迹控制。这种 方式对不规则焊缝的适应性较好，但控制器上缺少焊 接电源外特性等参数的反馈电路，焊接质量难于控 制。鉴于此 ，该控制器将以上两种方式的优点集于一 身，在保持其通用性较好的同时，增强了控制器的专 业性 。 ’ 1 系统方案 相比一般的数控机床 ，自动焊接机床除了要对焊 枪的运动轨迹进行控制外 ，还需要对焊接电源外特性 和送丝电机的转向、转速进行控制。只有保证焊接电 源、送丝速度和焊枪运动线速度三者之间的协调，才 能保证焊接的均匀性 ，从而得到高质量的焊接效果。 作者采用通用性好的 N C嵌入 P C结构，通过在通用 运动控制器的电路中加入电源控制电路以及多参数反 馈电路的方式 ，设计焊接机床的运动控制器 ，控制系 统结构如图 1 所示。 是 I J蓁Il翼lf羹Jf蓁 电 枢 电 压 采 样 其 他 开 关 量 接 运 动 控 制 器 图1 系统硬件模块设计总图 在作业过程中由控制器将电源状态、机床运动状 态等信号实时采集并发送至 P c机 ，P c机将控制器采 集的各种参数进行运算处理之后发送指令到控制器 ， 收稿日期2 0 1 00 4- 2 7 基金项目国家大学生创新实验项 目 0 8 1 0 7 5 5 1 6 ；新疆维吾尔自治区高技术研究发展项 目 2 0 1 1 1 3 1 2 9 作者简介祁雷 1 9 8 7 一 ，男 ，学士，研究方向为机电一体化技术与特种加工。通信作者周建平 ，电话 1 3 5 7 9 2 0 8 8 1 7 ， Ema i l l i n k z h o u s i n a ．c o m o ] I 二 双口RA M 9 6 机床与液压 第 3 9卷 再由控制器将指令转化为具体控制信号来控制机床的 动作 。这种方式既能利用 P c机强大运算能力解决上 述三者协调的问题 ，又能利用 P C机 良好人机界面， 对焊接系统参数、焊缝图形 、工艺参数和动态焊接数 据进行设置、绘制、显示 、记忆和管理。由于焊接过 程中所要采集的参数具有多样性和实时性的要求，为 此采用上、下位机共同访问双 口R A M 的方式进行通 信 ，以满足数据传输量大且高速的要求。控制器的参 数采集电路与控制电路均采用光电隔离的方式，以提 高系统的抗干扰能力。 2硬件电路设计 2 ． 1 控 制 器核 心 处理 单元 美国S i l i c o n L a b s 公司生产的 C 8 0 5 1 F 0 2 0具有处理 速度快 可达 2 5 MIM s 、存储空间大 6 4 k F L A S H R O M和4 3 5 2 B R A M 、资源丰富 1 2位 1 0 0 k S ／ s 的 8通道 A D C，两个 1 2位 D A C，5个通用 1 6位定时器 心处理器 ，主要完成如下 功能 1 核心插补运算。完成核心插补运算 ，将插 补数据以脉冲 P u l s e 的形式发送至电机接 口，控 制伺服电机完成插补运动。 2 实时状态采集与控制。实时采集焊接系统 的当前工作状态，如焊接电源外特性参数 、急停开关 状态、每根轴上的原点极限等开关量状态等，同时将 采集的数据交由上位机处理。 3 通讯接 口控制。接受单片机控制指令，控 制伺服系统，并实时将下位机插补结果、位置状态、 焊接机床运动状态反馈回上位机。 2 ． 2通信 接 口电路 由于在焊接过程中需要将从系统中采集的大量参 数实时传送到上位机进行处理，利用单片机串行 口通 信不能满足数据量要求，为此该控制器采用上位机与 下位机共 同访问双 口R A M的方式解决这一问题。通 等 、经济等诸多优点 ，因此作为该运动控制器 的核 信电路设计如图2所示。 l C P L D A lt e n E M P 7 1 2 8 L C 8 4 - 1 5 宣 I AE N AE N P 3 ．0 一 P 3 ．7 j． 曼 j A 0 L A 7 L W R R R I，o W I／ O W DO D7 L OE R oER I ， 0R I ， oR P 2 ． 0 一 P 2 ．4 A8 --- A1 2 L CE R CE R S M E R S MER S M E R S MER S MEW S M E W C8 0 5 1 F 0 2 0 地 I S A mT_ 7 0 O 5 单片机 址 双 口R A M 选 总线接口 WR R ， 、 Ⅳ L 择 Al 4 R A 1 9 R A l 4 R ～A l 9 R RD oE L 开 关 P 2 ． 5 CEL A0 R A1 2 R AO RAl 2 R P 2 ． 6 S M EL D0 R D7 R DO RD7 R 图2 系统通信原理图 2 ． 2 ． 1 双 口 RA M 芯片 I D T 7 0 0 5 相 比其他常用的片外 R A M，双口R A M具有两套 独立的数据线 、地址线、读／ 写控制线 ，允许单片机 或 P C机对同一存储单元在不同时间进行读写，具有 两套独立的中断逻辑 ，很好地解决 了端 口争用问题， 由此实现了上、下位机高速通信的功能。根据存储空 间及数据处理位数的要求，作者选择 I D T公司的高速 8 k 8双端口静态 RA M I D T 7 0 0 5展开设计。 2 ． 2 ． 2 复杂可编程逻辑器件 C P L D 该运动控制 器采用 A h e r a E P M 7 1 2 8 L C 8 4可 编程 逻辑器件 ，完成以下主要功能 1 I S A总线协议与 I D T 7 0 0 5的时序逻辑黏合。 由于 R A M存储区采用存储器寻址，读写仲裁 S e m - a p h o r e 令牌控制的锁存逻辑单元使用了 L ／ O寻址。 而由 I S A总 线 内存读 写及 I ／ O时序可 知，只要 当 ／ S ME M W 信 号 和／ 1 0 W 信 号 其 中 一 个 有 效 时， I D T 7 0 0 5的 R ／ ． w 信号就能有效 ；同样 ，／ S M E MR信 号和 I O R信号其中一个有效时，I D T 7 0 0 5的／ O E信号 就能有效 。对 RA M和 S e m a p h o r e 令牌访 问时片选信 号分别采用／ C E和／ S E M来实现。 2 完成 I S A总线 内存读写及 I ／ O读写高端地 址译码，解决运动控制器地址与上位机控制系统地址 冲突问题，使该运动控制器能灵活适应各种档次、各 种配置的工业控制计算机。 3 由于该运动控制器 中外部硬件 中断数量有 限 ，无法直接完成所有对实时性要求较高的 I ／ O量 的及时响应 ，如急停、每根运动轴上的极限行程限 位开关及零点等 ，该卡将所有需要外部硬件中断的 控制量先通过 E P M 7 1 2 8进行逻辑 “ 与”处理后再 送给 C 8 0 5 1 F 0 2 0的硬件外部中断，这样既解决了核 心处理器硬件外部中断不足 ，又保持 了高速响应特 性 4 该卡已将 8位地址锁存器 7 4 H C 5 7 3 、三八 译码器 7 4 L S 1 3 8 集成于 C P L D中，提高了系统设计密 度 ，使外部器件的硬件连线全部在 C P L D内由程序软 连线实现，消除了因外部连线引起的干扰问题 ，同时 还可降低系统总体功耗 ，使整个系统工作在更稳定的 状态 。 第 1 O 期 祁雷 等 基于 C 8 0 5 1 F 0 2 0 单片机埋弧自动焊接机床专用运动控制器设计 9 7 2 ． 3外围控制 电路 2 ． 3 ． 1 焊接电源控制模块 触发脉 采用 目前国内外埋弧焊整流器产品常用主电路形 式设计电源控制器，电气原理如图3所示。 OUTO D0 P7 ．7 _ 匦口 D l P 3 ． 1 P 7 ．6 光 _ [ 巫 D 2 O U T I ＼＼ 一 P 3 ． 2 电 D5 P3 3 P7 ．5 隔 _ [ 田 OUT2 D D P3 ． 4 C L K 0 ＼＼ 一 P 3 ．S P 6 ．O P 6 ．7 离 _ [ 亘 P 3 ．6 C L K l P 3 ．7 P 5 ．5 一 P 5 ．7 _ [ 夏四 1 ．．．．．．一 CLK2 W R W R 昌；盆 cR Ds R D 毫罢葛 A． 0． P 7 ． 2 送 P 7 ．1 丝 0 0 Al P 7 6 0 DI Al 电 l D ，A O 机 P 7 ．4 调 C ⋯ EX ， 2 A ， 速 CE Xl ⋯ ⋯。 电 CEX0 路 电一⋯路 A ， D O ． O 电弧电流检测传感器 ECI A／ D0 ．1 线 性 电弧电压检测传感器 A ， D0 ． 2 光 ’l 电源 电压检测传感器 耦 A ， D 0 ． 3 {电源 电流检测传感器 图 3 外围控制电路 t 控制核心仍采用 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机，使用其片 内 l 2位 A ／ D转换器实时采样电源输出电压和电流。 使用 P 6 ． 0 一P 6 ． 7作为开关量输入接 口选择电源外 特性类型和工作模式。P 5 ． 5 一P 5 ． 7作为开关量输出 接口通过外接固体继电器驱动交流接触器 ，控制主 电源通断。控制器关键任务是要产生与晶闸管 自然 换相点同步的触发脉冲。由于 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机 的 5个通用定时器使用的时钟信号 由外部 晶振产生， 这与电源电压周期没有任何关联 ，所 以无法用定时 器产生与晶闸管 自然换相点同步的触发脉冲 ，为此 作者采用 独立定时／ 计数芯片 8 2 C 5 4与 C 8 0 5 1 F 0 2 0 单片机的可编程计数器阵列一起构成 同步数字触发 器作为解决方案。其 工作原理为 每个工频周期可 由光耦检出一个电网电压过零点作为同步基准 ，即 在每个电压周期内，在 电压正向过零点时刻，可 由 光耦检测并由相应电路产生一个负跳变信号 ，将此 负跳变信号作为 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机可编程计数器阵 列的时钟源 ，由分配 I ／ O后的 E C I 引脚引入 ；再通 过设置 P C A模块 0 、1 、2工作方式为高速输出和设 置 P C A捕捉／ 比较寄存器初值为 1的方式 ，即可 由 P C A模块 0 、1 、2产生与电源电压周期、相位一致 的方波信号 ，再由分配 I ／ O后的 C E X 0 、1 、2引脚 引出并接到 8 2 C 5 4的门控 G A T E引脚。8 2 C 5 4的计 数脉冲 C L K 0 、1 、2使用来 自 夕 部 MH z 的时钟源 ， 计数器 0 、1 、2工作 于硬 件触 发单拍 脉 冲输 出方 式，由门控 G A T E的正跳变触发减 1 计数 ，计数器 回零时其相应 O U T端将输出一个低 电平脉冲 ，由前 述接在 G A T E端信号是与 电源电压周期、相位一致 的方波信号 ，则信号上升沿 正跳变正好对应于 晶闸管 自然换相点 ，所以其 O U T端输出的脉冲经功 率放大即可作为晶闸管 的同步触发脉冲。通过写不 同的初值到 8 2 C 5 4的定时／ 计数器 即可控制整流器 的移相范围。 作者采用三路触发脉冲方式 ，可保证 目前大部分 电源整流器 的移相 范围 ，通用性较好 。 2 ． 3 ． 2 接 口电路抗干扰设计 由于主机与电机以及其他传感器的距离一般较 远 ，为保证输入输出信号的正确传输，保护运动控制 器不受外部强电的干扰和损伤，应把主机与外界强电 之间完全隔离开来。在该设计中， ’ 对于 I ／ O输入、输 出开关量采用了光电隔离的方法，使外界电源与主机 电源完全分开。其中开关量输入、输出采用光耦芯片 P C 3 5 7进行隔离。对于高速信号输 出，如脉冲输出， 采用7 5 n s 的高速光耦 P C 4 1 0进行隔离。 3 软件设计 该系统中，主机利用控制器驱动程序对控制器传 回的数据进行处理，同时将用户输入的焊接运动控制 指令进行译码，形成运动控制器所能识别的数据形式 下传到双 口R A M中；运动控制器对主机下传的焊接 位置指令 、电源外特性调节指令和送丝 电机调速指 令，进行指令转换、插补运算、控制信号输出，实现 整个焊接系统的控制。故系统软件包括两大部分运 9 8 机床与液压 第 3 9卷 动控制器的上位机驱动程序和运动控制器固件程序 通讯程序和 MC U控制程序 ；文中主要针对控制器 通讯程序和 MC U控制程序进行介绍。 3 ． 1 通 讯软件 设 计 主机与控制器之间的 ． ． ． ． 通 讯 流 程 要 简 单 、 可 靠 、 I l I 高效。 在该设计中 采用的 二工二 I二二 方 法 是M c u 先 向 双 口l L 系 P C 审 然 后 中 断 通 知 取 走 数 L ． 雾 轰 R A M 豳I 写 指 令 到 双 口 ， 并 I 兰 l l 中 断 通 知 M c u 取 走 指 令[ 笨 l 进 行 处 理 ，从而完成一个 广广 通讯过程。如图4 。 I 笪 塞 堕 l l 堡 塞 堕 J I D T T 0 0 5 的 容 量 为 图4 主机与 C 8 0 5 1 F 0 2 0 8 k B ，为 充 分 利 用其 空 的通讯过程 间 ，对 其 进 行 了 空 间 分 配，如表 1 。 表 1 I D T 7 0 0 5地址分 配空间 地址 意义 ． D 1 0 0 0 --D 1 7 D D位置指令 D 1 7 D E A D通道选择 D 1 7 D F --D 1 F E g A D采样值 D 1 F E 8 D 1 F E 9 D A输出控制 D 1 F E A D 1 F F 9 空 闲 D 1 F F A 位置报警状态 D 1 F F B --D 1 F F C 开关量输入 。 ⋯岍E 主 控 甏 妻 萋 型 ’ D 1 F F F 控制器返回的控制字 主、从机通过读／ 写 I D T 7 0 0 5不同地址的内容来 获取所需数据或传送指令。 3 ． 2 C 8 0 5 1 F 0 2 0单片机软件设计 运动控制器固件程序使用 K e i l C 5 1环境进行开 发 ，其主要控制流程如图5所示。通过编程 ，控制器 凛一 I 主程序开始 l I l 一一L l 警 厂 盎I I 攀 显l l 耋 l 厂 下 l I l 上 传 系 统 参 数l L 上接 第9 4页 运行的 C O M组件。数控系统中另一部分实时任务在 R T X环境下完成，考虑 R T X可能不支持 C O M技术 ， 利用与 Wi n 3 2 D L L功能类似的 R T D L L解决 ，其可以 在 R T X环境下动态地加载或卸载。具体的实现 已在 下一步的工作中深入进行。 参考文献 【 1 】 杨贺来． 数控机床[ M] ． 北京 清华大学出版社， 北京交 通大学出版社 ， 2 0 0 9 ． 1 ． 【 2 】 周凯． P c数控原理、 系统及应用[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 6 ． 3 ． 【 3 】 余义 ， 杨建武， 崔凯． 开放式控制系统中S E R C O S 总线的 接 口设 计与 实现 [ J ] ． 计算 机测量 与控 制， 2 0 0 5 ， 1 3 1 1 1 2 5 71 2 5 9 ． ‘ 【 4 】 王芳， 王琨琦， 梅雪松． 基于 Wi n d o w s 全软件数控系统实 时性的研究[ J ] ． 西安工业大学学报 ， 2 O 0 9 ， 2 9 3 2 2 8 2 3 2 ． 【 5 】陈卫福 ， 杨建武． 开放式数控系统及 S E R C O S 接 口应用 技术[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ．
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