平行缝焊机控制系统的研制

平行缝焊机用于封装集成电路芯片。目前我国使用的封装集成电路芯片的设备基本来自于美国和日本等国家，价格昂贵，因此使其变得国产化、价位低具有深远的意义。
１ 系统的主要组成与功能

系统由上位机（ＰＣ机）和下位机（单片机）两部分组成，硬件结构如图１所示。

上位机（ＰＣ机）软件采用可视化编程语言ＶＢ６．０开发，使用ＭＳｃｏｍｍ控件完成ＰＣ机与单片机的数据通信，传送控制信息、状态信息和焊接参数；并利用ＶＢ６．０具有的对各种数据库的操作能力实现焊接的人性化。下位机（单片机）通过串行接口接收ＰＣ机发送的命令，启动工作程序，控制６个步进电机（其中ｘ轴两个、ｙ轴１个、ｚ轴两个，旋转θ轴１个），通过丝杠将电机的角位移转换为线位移，带动焊接电极按设计的轨迹运行，并实时向ＰＣ机传送当前的运行状态。系统的主要功能有： ①上位机实时监视下位机的工作状态，控制下位机的工作过程；设置下位机的工作参数，接收和发送数据信息、控制信息和状态信息；记录历史芯片的焊接参数；系统在重新上电时，将最新的焊接参数作为本次焊接参数的默认值；进行数据处理并显示数据和工作状态，指导操作过程； ②下位机控制６个步进电机的运转，最终控制焊接电极的移动；控制焊接功率的大小并实现间歇控制；实现焊接电极的微调。 ③系统的各焊接轴方向精度不得低于０．１ｍｍ。

２ 系统资源利用及通信机理

２．１ 系统资源的利用

为充分利用ＰＣ机强大的数据处理能力、海量的存储空间，有效地发挥单片机数据存储器的作用，必须合理地分配系统资源。具体做法之一是ＰＣ机在发送焊接数据时，将其以浮点数存储的焊接参数根据步进电机的步角和丝杠比转换为脉冲数发送给单片机；二是当脉冲数占用的位数略大于单字节整数倍Ｎ位时，在满足精度要求的前提下有：发送的数据＝原数据／２Ｎ，这时对发送数据取整，单片机接收到该整数数据后，左移Ｎ位便可恢复真实数据。这样既提高了通信效率，又减小了对单片机ＲＡＭ的占用。

２．２ 系统通信协议

波特率设置为４８００ｂｐｓ；数据帧结构设置为：起始位１ｂｉｔ，数据位８ｂｉｔ，停止位１ｂｉｔ。

ＰＣ机向单片机发送的信息包包括数据信息包和控制信息包。数据信息包结构为：以"Ｓ"字符开头，其后为２２字节的１６进制数。发送时按ＡＳＣＩＩ码格式（文本格式）发送，实际发送４４个ＡＳＣＩＩ码。下位机正确收到后，向ＰＣ机发"Ｋ"作为确认应答信号。若在规定的时间内，ＰＣ机未收到"Ｋ"信号，则重发。若三次未成功，则在屏幕上给出显示信息。ＰＣ机必须保证４４个ＡＳＣＩＩ码的包长度，以免系统误动。控制信息包结构为：以大写"Ｏ"开始，其后为单字节１６进制数的控制字，实际发送两个字节ＡＳＣＩＩ码，也是以"Ｋ"作为应答信号，采用等比码３／８。发送时高位在前，低位在后。

ＰＣ机从单片机接收的信息包结构的主要内容为数据信息和状态信号，且数据信息和状态信息被同时发送。该信息包以"Ｓ"开头，其后为３２个１位１６进制数的ＡＳＣＩＩ码，以"Ｋ"作为结束信号。若ＰＣ机收到单片机发来的完整信息包，则有屏幕提示，指示用户进行操作。

以上的信息由双字节数、单字节数混合构成，信息包的头与尾均采用非十六进制的ＡＳＣＩＩ码字符，以示区分。接收方则按照协议双方规定的算法进行解包，发送方按照双方规定的数据结构组包。

３ 下位机的主要组成模块及设计思想

３．１ 通信模块

通信模块的硬件组成由于仅使用了一片ＭＡＸ２３２完成电平的转换功能而变得较为简单，免去了一般芯片使用±１２Ｖ～１５Ｖ电压带来的麻烦，而且与ＰＣ机的连接方式是最为简单的，不需要进行硬握手，大量的工作都由软件完成。 其主要程序设计方法如下：

①下位机接收ＰＣ机发送的数据包，以中断方式（且设置为高级中断）来接收，以满足通信的实时性要求。这里仅是触发接收中断服务程序的执行并且接收首字节，一旦进入该中断程序后，就用程序查询的方法来接收剩余的字节。接收标志ＲＩ是硬件置位、软件复位的，因此每接收完一个字节后，需执行指令ＣＬＲ ＲＩ。接收完数据后，按协议规定对数据进行解码和验证，并向ＰＣ机返回验证信息。②下位机向ＰＣ机发送运行状态信息的子程序是根据程序工作过程的需要而调用的。在调用过程中为保证程序逻辑的清晰性，使ＣＰＵ关中断，利用程序查询发送标志ＴＩ（ＴＩ的使用同ＲＩ相似），按协议要求进行数据变换并发送完整个信息包，再使ＣＰＵ开中断，整个程序执行完毕。 ３．２ 步进电机控制模块

步进电机是机电一体化产品中重要的执行元件之一。对于三相反应式步进电机，其工作方式分为两种。本系统选用三相单、双六拍通电方式，这种方式不容易失步，在转子平衡位置附近不易产生振荡，运行的稳定性较好，而且控制的精度也提高了一倍。为使步进电机的运行更平稳，控制精度更高，系统采用了具有细分的步进电机驱动器来控制。步进电机的转速取决于步进脉冲序列的频率。其硬件接口电路如图２所示。图中只是Ｘ轴左侧步进电机的连接示意图，其余电机的连接方式与图中相似，但使用８１５５Ａ其它的引脚。步进电机驱动器的ＣＰ＋和ＣＰ－是步进脉冲输入端，Ｕ／Ｄ＋和Ｕ／Ｄ－是方向控制输入端，ＰＤ＋和ＰＤ－为脱机控制输入端（本系统未使用），且各具有光电隔离电路，有利于实现系统工作的安全性和可靠性，连线采用共阳极接法是因为逻辑电路的灌电流负载能力通常大于拉电流负载能力；ＤＣ和ＧＮＤ为电源接线端，要求为直流２０～６０Ｖ，电流为４Ａ；输出端Ａ＋和Ａ－、Ｂ＋和Ｂ－、Ｃ＋和Ｃ－分别与步进电机Ａ、Ｂ、Ｃ三相引出线对应连接。对步进电机的控制主要有逻辑控制和速度控制。

逻辑控制包括电机旋转方向控制和发送步进脉冲序列。由于访问８１５５的ＰＡ口和ＰＢ口需以字节方式进行，因此根据旋转方向控制和步进脉冲序列发送的需要，组成逻辑置位和复位两个控制字，交替地输出到对应的端口，即可实现对电机旋转的控制。系统最多控制两个电机同时工作，共有１６个控制字。具体的编程思想是：脉冲数经步进角到角位移，再经丝杠到线位移，即可实现脉冲数正比于线位移。

速度控制是通过在置位和复位两个控制字交替输出期间插入延时子程序而实现的，所以速度的快慢是由延时子程序的执行时间决定的。在本系统的电机工作的低速区，非焊接运行时控制线速为４ｍｍ／ｓ；焊接运行时线速为１～８ｍｍ／ｓ，由ＰＣ机根据需要实时控制。

３．３ ＰＷＭ模块

为满足ＩＣ芯片缝焊的技术条件，要求焊接过程的功率加载是间歇的，为此设计了ＰＷＭ脉冲宽度调制模块，以实现对功率的间歇控制。图３是本模块的电路组成。核心器件为ＳＧ３５２４，它的输出为周期脉冲序列，其周期受ＲＴ、ＣＴ端对地的接入电阻ＲＴ和接入电容ＣＴ的控制，周期Ｔ＝０．７７ＲＴ×ＣＴ，所以在此串入数字电位器Ｘ９Ｃ１０４用以实现对Ｔ的控制。按图中数字电位器的使用方法，则其电阻Ｒ的表达式为：Ｒ＝（９９－ｎ）×１００ｋΩ，其中ｎ是通过编程进行控制的。ＳＧ３５２４的输出信号的占空比由Ｄ／Ａ转换电路通过编程控制。本系统实现了Ｔ＝４０ｍｓ～８０ｍｓ，占空比为０～１００％，由上位机控制。

３．４ 焊接功率控制模块

焊接功率的控制实际上是通过控制输出电压来间接实现的。由单片机输出数字信号到ＤＡＣ０８３２进行数／模转换，转换的结果经ＳＧ３５２４控制的模拟开关后，再控制固态调压模块ＥＶＵ-４０Ａ，使其输出的交流电压与输入的数字信号成线性比例。将输出电压接至焊接变压器，转换为低电压高电流加到焊接电极，通过产生高温对ＩＣ芯片进行缝焊。实现电路如图４所示。另外由于ＥＶＵ-４０Ａ调压模块在实际运用过程中存在残留电压，致使在调节焊接参数时电极焊轮出现打火现象，致使不必要的损失，因此在调压模块的输入回路串接交流固态继电器ＧＪＨ２５-Ｗ进行阻断。

对焊接功率模块控制的编程方法如下：单片机接收上位机的功率控制信息并写入地址为６０００Ｈ的ＤＡＣ０８３２芯片，同时ＧＪＨ２５－Ｗ送有效控制信号使其导通，焊接电极就有相应的功率输出，进行缝焊。不进行焊接时，使ＧＪＨ２５－Ｗ截止，同时向ＤＡＣ０８３２发送０ＦＦＨ，实现焊接完全可靠的断开。

４ 实验测试结果

Ｘ、Ｙ轴丝杠的线位移／角位移＝４ｍｍ／３６０度，Ｚ轴丝杠的线位移／角位移＝１．５ｍｍ／３６０度，步进角均为０．３６度。实验方法是：利用计算机发送脉冲数并计算理论值，用千分尺实际测量并计算绝对误差值（见表１）。分析结果满足设计要求。