隨著技術(shù)進(jìn)步，新型材料不斷涌現(xiàn)，并在焊接結(jié)構(gòu)中大量采用，這對焊機和焊接工藝提出了更高要求。通常，僅靠一種焊接工藝難以解決問題，需要多種焊接工藝的結(jié)合，所以對焊機提出多功能要求^[1]。此外，在氬弧焊工藝中，多采用非接觸式引弧方式，通過高頻高壓擊穿空氣間隙而引燃電弧，由于高壓脈沖" title="高壓脈沖">高壓脈沖的存在，對逆變電源" title="逆變電源">逆變電源帶來嚴(yán)重干擾。因此，采用模塊化設(shè)計，不但可以提高焊機的擴(kuò)展性，滿足不同焊接工藝的要求，而且可以減小各個模塊之間以及模塊對逆變電源的干擾，提高焊機的可靠性^[2]。
　　模塊化數(shù)字控制焊接系統(tǒng)包括：單片機控制的IGBT逆變式焊接電源單元、單片機控制的TIG氬弧焊單元，單片機控制的MIG送絲單元，并為以后的擴(kuò)展留有接口。其中焊接電源單元可單獨進(jìn)行普通MMA焊、點焊和碳弧氣刨，配上TIG焊裝置可進(jìn)行普通的或脈沖的TIG焊，配上送絲機單元可進(jìn)行普通的或脈沖的CO2/MIG/MAG焊，覆蓋全部焊接功能。單元模塊之間通過通信協(xié)議進(jìn)行焊接參數(shù)的共享和顯示。而且對各種焊接功能，單片微機都能對焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化匹配，使焊接電源都有優(yōu)良的動特性，達(dá)到焊接性能的優(yōu)化。
1 逆變電源單元的組成及工作原理
　　逆變電源單元模塊的原理框圖如圖1所示,它由主電路和控制電路兩部分組成。

1.1 主電路
　　主電路包括電磁干擾濾波器、輸入整流器、電容濾波器、IGBT逆變器、中頻變壓器、輸出整流器、濾波電抗器，其核心是IGBT逆變器，通過它將50Hz的整流電壓變成20kHz脈寬調(diào)制的交流電壓，使電源頻率從50Hz提高到20kHz，弧焊的控制速度提高130多倍，焊接的動特性有了質(zhì)的提高，焊接性能優(yōu)良。同時，焊機的體積和重量與電源頻率成反比地縮小和減輕，使焊機便于攜帶。另外，整機功率因素和效率有了很大提高，與傳統(tǒng)直流焊機相比可節(jié)能40%左右。
1.2 控制電路
　　控制電路由80C196KC" title="80C196KC">80C196KC單片機系統(tǒng)和欠壓、過熱、短路保護(hù)等多種保護(hù)電路組成。80C196KC微機系統(tǒng)的功能是：①對焊接電流、弧電壓等焊接參數(shù)模擬量進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；②對欠壓、過熱、短路保護(hù)信號的響應(yīng)；③根據(jù)不同的功能單元的要求，對焊接電流或焊接電壓進(jìn)行數(shù)字閉環(huán)控制，使焊機輸出外特性滿足焊接工藝要求；④對焊接技師的焊接經(jīng)驗參數(shù)進(jìn)行存儲；⑤對焊接電流的預(yù)置值、實際值和電弧電壓值進(jìn)行數(shù)顯。
1.3 軟件流程
　　焊接電源單元的微機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計由多個功能程序塊組成，包括主程序、軟件定時中斷服務(wù)程序和串行口中斷服務(wù)程序。
　　(1)主程序。根據(jù)功能轉(zhuǎn)換開關(guān)的設(shè)置，判斷是MMA焊，還是TIG/MIG焊，根據(jù)串行口通信服務(wù)程序中所接收和存儲的數(shù)據(jù)幀，判斷是普通的還是脈沖的TIG焊，是普通的或脈沖的CO2/MIG/MAG焊，根據(jù)不同的焊接方式，選擇相應(yīng)的數(shù)字控制算法，計算出輸出PWM信號的脈沖寬度，最后由HSO.0和HSO.1輸出去控制IGBT逆變器的開關(guān)，實現(xiàn)焊接工藝要求的外特性。
　　(2)軟件定時器中斷服務(wù)程序。調(diào)用采樣子程序?qū)‰妷?、預(yù)設(shè)焊接電流、實際焊接電流、電流推力調(diào)節(jié)、引弧電流調(diào)節(jié)等多個焊接參數(shù)進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換，同時，對功能轉(zhuǎn)換命令進(jìn)行掃描巡檢。并根據(jù)命令有無分別設(shè)置MMA焊標(biāo)志、點焊標(biāo)志、碳弧氣刨標(biāo)志。調(diào)用數(shù)顯子程序用以對采得的焊接電流及其給定值和電弧電壓進(jìn)行顯示。
　　(3)串行口中斷服務(wù)程序。各單元數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送都采用中斷方式完成，波特率設(shè)定為9600波特。
　　主單元發(fā)送給MIG和TIG氬弧焊單元的數(shù)據(jù)幀格式如圖2所示，數(shù)據(jù)中的前兩個字節(jié)為標(biāo)識碼，代表是電源單元所發(fā)送的數(shù)據(jù)。以#19H代表一幀的結(jié)束。

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2 功能單元的組成及工作原理
　　以TIG氬弧焊單元為例進(jìn)行說明，TIG單元的系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要由80C196KC微機系統(tǒng)，輸入信號采集與處理，顯示驅(qū)動與逆變電源模塊的通信等幾部分組成。
　　(1)80C196KC微機系統(tǒng)
　　它由80C196KC型16位單片機，8位鎖存器和程序存儲器等組成，對面板輸入的各種調(diào)節(jié)參數(shù)和由逆變電源單元傳輸來的參數(shù)進(jìn)行采集和優(yōu)化計算，通過通信接口與逆變電源單元進(jìn)行參數(shù)的傳輸和共享。
　　(2)輸入信號的采集和處理
　　焊接電流、弧電壓、前氣延時、后氣延時、收弧電流衰減時間通過80C196KC上的模擬量輸入端口進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換；由于輸入的焊接參數(shù)比較多，為了擴(kuò)展模擬量輸入端口，基值電流、峰值電流、脈沖周期和占空比調(diào)節(jié)參數(shù)通過多路開關(guān)74HC4051送至ACH3，ACH0檢測從逆變電源單元供給的+50V是否正常。
　　開關(guān)量信號通過P1和P2口輸入，氬弧焊炬起動命令的傳輸線因6000V引弧脈沖電壓的感應(yīng)有很高電壓，在進(jìn)入微機P1.1口前要進(jìn)行隔離，以免損壞CPU芯片。
　　P1.0口輸出電磁氣閥的開關(guān)信號；P1.6口輸出高壓脈沖引弧器的開關(guān)信號，以控制高壓脈沖引?。籔2.0和 P2.1與焊接單元進(jìn)行通信。
　　(3)顯示和驅(qū)動
　　在輸出面板上設(shè)置兩組數(shù)碼顯示管，分別顯示焊接電流和焊接電壓，在焊機空載時，顯示設(shè)定值，在焊機焊接時顯示實際值，由控制系統(tǒng)自動進(jìn)行切換。
　　(4)工頻高壓脈沖引弧器
　　采用倍壓加迭加升壓技術(shù)，通過多個磁芯原側(cè)繞組的并聯(lián)，最后在迭加式升壓變壓器的副側(cè)繞組上產(chǎn)生脈沖幅值為6000V的脈沖列。由于采用工頻高壓脈沖引弧，無高頻輻射，對人體和電氣設(shè)備無危害。
　　(5)軟件流程
　　TIG送絲單元的微機控制系統(tǒng)的軟件包括主程序、軟件定時中斷服務(wù)程序、串行口中斷服務(wù)程序以及多個功能程序塊組成。
　　①主程序。主要完成計算和存儲單元初始化；軟件定時中斷和串口中斷的設(shè)置；延時等待系統(tǒng)上電復(fù)位所需要的穩(wěn)定時間；設(shè)置WATCHDOG監(jiān)視定時器及溢出標(biāo)志，然后等待中斷。
　?、诖谥袛喾?wù)程序。MIG單元發(fā)送給主單元的數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。