多功能逆变式弧焊机智能化人机界面设计

$" 焊接参数 4 的设置与焊接参数 + 基本相同。 对于 -)4 焊接， 送丝速度按设定的步长增加或减小。 按“确认”键， 液晶第 + 排显 %" 预设置完成后， 示内容固定且不再闪烁，第 4 排则实时显示焊接电 流 “ABB1” 和输出电压 “BB;BC” 。此时可以开始焊接。
按 “上” 、 “下” 方向键一般不 &" 在焊接过程中， 能更改焊接参数，只有在先按下可修改参数 （对于
122实验结果及结论
将参数设置及液晶显示程序模块与各焊接方法 功能模块集成， 装入单片机系统。开机后， 通过键盘 预置焊接方法和焊接参数， 进行焊接， 并在焊接过程 中实时修改部分参数， 实验结果表明， 整个系统工作 稳定可靠， 参数设置方便、 灵活， 实现了设计目标。 参考文献!
男山东威海人副教授博士v现任清华大学焊接中心副主任中国焊接学会计算机应用技术专委会委员主要从事弧焊工艺过程控制与设备自动化现代功率电子技术理论与应用计算机辅助工艺过程设计计算机辅助装焊质量管理与控制以及人工智能应用技术的研究与开发工作有多项课题通过省部级鉴定并获奖发表论文
第
_U 卷 第 U 期 U""U 年 U 月
455 单片机输入 ( 输出接口的实现
./0-++1+ 单片机在扩展工作方式下， 21、 2E、 2F 口均可作为 ’() 口使用。 其中 21 口与输入捕捉和输 出比较功能有关，可用来捕捉各种沿跳变信号； 2E
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研究与设计
电焊机
第 /. 卷
口与串行通讯有关， !"# 和 !"$ 在实验开发系统中 与 !% 机相连，程序调试完成后， !" 的 & 个口可以 作为普通并行口使用； 可 !’ 口则与片内 ()" 有关， 用来进行电流、 电压信号的 ()" 转换。 考虑到 *%&+,%--(- 单片机接口的使用状况， 并 合理、 充分地利用其接口， 实现上节所述功能的键盘 编码和液晶驱动接口电路如图 . 所示。 图中， !’. 和 “--” ， “-0” ， “#-” !’/ 作为键盘编码信号输入口， 和“##”分别代表 1 种状态： 更改焊接方法、 更改焊 更改焊接参数 . 和确认。 “上” 、 “下” 方 接参数 -、 向 按 键 的 信 号 经 防 抖 动 处 理 后 接 入 !(- 和 !(. 口， 利用其沿触发功能， 单片机程序捕捉这 . 个口的 沿跳变信号， 调用相应子程序， 即可实现对相应参数 的修改。 液晶显示驱动有 . 种方式： 一种为 + 位制， 采用 运行速度较快； 一种为 1 位制， 只需 1 + 条数据线， 条数据线， + 位数据分 . 次读写， 先 高 1 位 后 低 1 位， 速度稍慢。但 &+,%--(- 的 !(#、 !’# 和 !’- 口 已用于各种焊接方法的反馈与控制， 剩余的接口有 限， 因此在本设计中只能采用 1 线制。实验结果表 明， 采用 1 线制， 系统的运行速度完全能够满足使用 要求。
字符型点阵型，单片机程序通过驱动模块实现信息 和参数的显示和控制。 当焊机接通电源时， 液晶显示 器首先显示的是图 + 中所示的内容，第 + 排依次为 焊接方法（如 -)4） 、 焊接参数 +（对于 -)4 焊为焊 和焊接参数 4 （对于 -)4 焊为送 丝直径， 如 +;45<<） 丝速度， 如 :;=5<(<>?） ， 且 “-)4” 为闪烁状态， 表示 当前的调节对象为焊接方法。第 4 排显示的内容为 相应调节对象的可选参数， 对于焊接方法， 则依次显 示 “-)4” 、 “!!1” 、 “8’9” 、 “!’9” 等， 其中 “-)4” 闪烁显示， 表示当前所选焊接方法为 -)4 焊。 键盘操作的具体规则如下： 通过“上” 、 “下”方 !" 首先按“焊接方法”键， 向键选定焊接方法。此时液晶第 4 排显示内容为 “-)4” 、 “!!1” 、 “8’9” 、 “!’9”等 ， 闪烁位置滚 动， 表示正在调整当前要采用的焊接方法。对于任一 选定的方法，液晶第 + 排内容相应变为此方法的默 依次显示“!!1” ， “+=@1” 认值， 如对于 !!1 焊， （焊接电流）和“=@1” （推力电流） ， 且“!!1”闪 烁显示。 按“ 参 数 +”键 ， 通过 #" 在 选 定 焊 接 方 法 后 ， “上” 、 “下” 方向键来设定焊接参数 +。此时第 + 排 显 示 内 容 不 变 ， 只 是 “-)4” 恢 复 正 常 显 示 ， 而 “+;4<<” 变为闪烁状态， 表示该项参数可以更改。 液 晶第 4 排内容相应变为此项参数的可选值， 如 “@;/<<” 、 “+;4<<”和“+;.<<”等， 其中“+;4<<” 闪烁。
图 +55 焊机面板示意图
பைடு நூலகம்
“参数 4”为可改参数）对应的按键后， 再 -)4 焊接， 按“上” 、 “下”方向键， 该参数才能实时修改（如在 送丝速度可以在“@;@ "D;D5<(<>?” -)4 焊接过程中， 的范围内实时修改） 。
参数的预设置，在焊接过程中能根据焊接工艺的实 际要求实时修正主要焊接参数（该参数根据不同的 焊接方法分别确定，如手工电弧焊的焊接电流， -)4 焊的送丝速度等） 。 参数设置键盘由 . 个防抖动按键组成，上排 : 个按键用于选择调节对象（焊接方法、 焊接参数 + 、 焊接参数 4 ） ，下排 : 个按键用于调整相应的参数 （增大、 减小） 和确认。 液晶显示器件采用 +.!4 双排
电焊机
I1’506+5 B’1)+-, H35&+-’
a.1G_U b.GU c’PGU""U
多功能逆变式弧焊机 智能化人机界面设计
朱志明， 罗小锋， 吴文楷
（清华大学 机械工程系， 北京 !"""#$ ）
在采用 HMY#<M!!O! 单片机为主控 MZ= 实现集波控恒频短路过渡 M@U 焊接、 电弧推力 摘要： 自适应控制 HHO 焊接、 %WX、 HWX 等多种焊接方法于一体的智能化多功能逆变焊机控制系统的 基础上， 采用键盘输入和液晶显示\?ME]等直观输入 ^ 输出设备， 设计实现了能够直观、 方便地实 现焊接方法选择和焊接工艺参数设置与修改的智能化人机交互界面。 实验结果表明： 该系统工作 稳定可靠， 抗干扰能力强， 具有实际推广应用价值。 人机界面； 单片机； 液晶显示； 多功能焊机 关键词： 中图分类号： 文献标识码： %X$_$ O （U""U） 文章编号： !""!9U_"_ "U9"""$9"_
+-( 0&+*( F3F’6G%&’( )’*+,-( +*( P3*’)( .-( 0&’( +-0’11+,’-0( 5.-06.1( *J*0’2( ./( 2810+"/8-50+.-31( +-:’60’6( ;’1)’6， +-( ;&+5&( 0&’( ;3:’"/.62( 5.-06.11’)( M@U( ;’1)+-,( +*( ;+0&( 5.-*03-0( /6’T8’-5J( ./( *&.60"5+658+0( )6.F1’0( 063-*/’6， HHO( ;’1)+-,( +*( ;+0&( 3)3F0+:’( 5.-06.1( ./( 365( /.65’V%WX7;’1)+-,73-)7HWX7;’1)+-,736’76’31+S’)7PJ778*+-,72+56."5.-06.11’67HMY#<M!!O!73*723+-7MZ=G7 %&’7+-0’6/35’7+*7+-08+0+:’7 3-)75.-:’-+’-07/.670&’7*’1’50+.-7./7;’1)+-,72’0&.)73-)7*’00+-,73-)72.)+/+530+.-7./7;’1)+-,7F6.5’**7F3632’0’6*G%&’70’*076’*8107*&.;*7 0&307 0&+*7 *J*0’27 &3*7 *03P1’7 3-)7 6’1+3P1’7 ;.6C+-,7 F6.F’60+’*7 3-)7 *06.-,7 3P+1+0J7 ./7 3-0+")+*086P3-5’V*.7 0&307 +07 &3*7 3508317 :318’7 /.67 *F6’3)+-,73-)73FF1+530+.-G
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研究与设计
朱志明等： 多功能逆变式弧焊机智能化人机界面设计
第4期
片机控制系统的抗干扰能力提出了较高的要求。 其 !"#"$"%& 系列单片机是世界单片机产品的主流， 特有的时序、 较强的抗干扰能力、 丰富的 ’() 功能以 及完善的系统保护功能，特别适合于工业现场实时 控制 *+,。 本项研究工作采用 !-./0-++1+ 单片机作为主 控 -23，通过对逆变电源输出特性的精确控制， 成 功地实现了波控恒频短路过渡 -)4 焊接、电弧推力 自适应控制 !!1 焊接等多种功能 *45657,。在此基础 上，采用键盘输入和液晶显示等直观输入 ( 输出设 备研制的智能化人机接口系统，不仅具有友好的人 机对话界面，使焊接方法和焊接工艺参数的设置和 修改简单方便， 而且工作稳定可靠。
+55 设计思想
集 -)4、 !!1、 8’9、 !’9 等多种焊接方法于一 体的单片机控制多功能逆变焊机，需要调节的焊接 工艺参数相应增加，如果采用传统的旋钮调节和开 关转换控制方式， 由于开关、 旋钮多， 焊接方法的转 换和参数的调节不够直观清晰， 极易造成混乱。 采用 键盘输入和液晶显示作为人机交互的接口体现了数 字化的优势， 不仅使参数的设置方便、 直观， 而且使 焊接方法选择和参数设置具有一定的智能性。 图 + 所示为设计的基于键盘输入和液晶显示的 人机接口界面， 操作者在焊前能进行焊接方法、 焊接
成果已经产品化并投放市场，近年来一些国外产品 将液晶显示技术与键盘选择相结合，提供了菜单式 的焊接方法和焊接工艺参数设置与修改界面，不仅 使参数的设置更精确、直观，而且用户操作简单方 便， 特别是对于多功能焊机， 使其功能更加丰富。国 内也不乏将单片机用于焊接电源控制的先例，但方 便友好的人机交互界面的设计尚未见到详细报道。 高速可控的逆变式弧焊电源易于实现对各种形 状输出特性的控制，满足各种焊接方法和工艺的需 要， 获得优异的焊接工艺性能， 为实现单片机控制焊 接电源的智能化与多功能化提供了良好的基础。但 其高频、 大电流及电弧负载时变非线性的特点， 对单
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时捕捉 !(- 和 !(. 口的沿跳变，执行相应修改参 数子程序。当检测到确认按键信号，即 !’/ 和!’1 口为 “##” 时， 则进入焊接程序功能模块， 此时， 可以 开始进行焊接。在焊接过程中，则循环监测键盘信 号， 若有修改参数请求， 且该参数为可改参数， 则调 用修改参数子程序。
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参数设置及液晶显示程序流程框图
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引言
将单片机控制技术应用于焊接电源的控制， 不仅 可以大幅度提高其焊接工艺性能，而且可以方便地 实现智能化与多功能化，是焊接电源的发展方向之 一。国外在这一领域起步较早、 发展很快， 许多研究
收稿日期： U""!#!!#!U 作者简介： 朱志明 （!‘Y$!） ， 男， 山东威海人， 副教授， 博士V
现任清华大学焊接中心副主任， 中国焊接学 会 计算机应用技术专委会委员， 主 要 从事 弧 焊工 艺过程控制与设备自动化、 现 代 功 率 电 子 技术 理论与应用、 计算机辅助工艺过程设计、 计 算机 辅 助 装 焊 质 量 管 理 与 控 制 以 及 人 工 智 能 应 用技 术的研究与开发工作， 有多项课题通过省、 部级 鉴定并获奖， 发 表 论 文 !" 余 篇 。