平行縫焊機(jī)控制系統(tǒng)的研制

平行縫焊機(jī)用于封裝集成電路芯片。目前我國使用的封裝集成電路芯片的設(shè)備基本來自于美國和日本等國家，價(jià)格昂貴，因此使其變得國產(chǎn)化、價(jià)位低具有深遠(yuǎn)的意義。
１ 系統(tǒng)的主要組成與功能

系統(tǒng)由上位機(jī)（ＰＣ機(jī)）和下位機(jī)（單片機(jī)）兩部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示。

上位機(jī)（ＰＣ機(jī)）軟件采用可視化編程語言ＶＢ６．０開發(fā)，使用ＭＳｃｏｍｍ控件完成ＰＣ機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，傳送控制信息、狀態(tài)信息和焊接參數(shù)；并利用ＶＢ６．０具有的對(duì)各種數(shù)據(jù)庫的操作能力實(shí)現(xiàn)焊接的人性化。下位機(jī)（單片機(jī)）通過串行接口接收ＰＣ機(jī)發(fā)送的命令，啟動(dòng)工作程序，控制６個(gè)步進(jìn)電機(jī)（其中ｘ軸兩個(gè)、ｙ軸１個(gè)、ｚ軸兩個(gè)，旋轉(zhuǎn)θ軸１個(gè)），通過絲杠將電機(jī)的角位移轉(zhuǎn)換為線位移，帶動(dòng)焊接電極按設(shè)計(jì)的軌跡運(yùn)行，并實(shí)時(shí)向ＰＣ機(jī)傳送當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)的主要功能有： ①上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視下位機(jī)的工作狀態(tài)，控制下位機(jī)的工作過程；設(shè)置下位機(jī)的工作參數(shù)，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息；記錄歷史芯片的焊接參數(shù)；系統(tǒng)在重新上電時(shí)，將最新的焊接參數(shù)作為本次焊接參數(shù)的默認(rèn)值；進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)，指導(dǎo)操作過程； ②下位機(jī)控制６個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終控制焊接電極的移動(dòng)；控制焊接功率的大小并實(shí)現(xiàn)間歇控制；實(shí)現(xiàn)焊接電極的微調(diào)。 ③系統(tǒng)的各焊接軸方向精度不得低于０．１ｍｍ。

２ 系統(tǒng)資源利用及通信機(jī)理

２．１ 系統(tǒng)資源的利用

為充分利用ＰＣ機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、海量的存儲(chǔ)空間，有效地發(fā)揮單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的作用，必須合理地分配系統(tǒng)資源。具體做法之一是ＰＣ機(jī)在發(fā)送焊接數(shù)據(jù)時(shí)，將其以浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)的焊接參數(shù)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的步角和絲杠比轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)發(fā)送給單片機(jī)；二是當(dāng)脈沖數(shù)占用的位數(shù)略大于單字節(jié)整數(shù)倍Ｎ位時(shí)，在滿足精度要求的前提下有：發(fā)送的數(shù)據(jù)＝原數(shù)據(jù)／２Ｎ，這時(shí)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)取整，單片機(jī)接收到該整數(shù)數(shù)據(jù)后，左移Ｎ位便可恢復(fù)真實(shí)數(shù)據(jù)。這樣既提高了通信效率，又減小了對(duì)單片機(jī)ＲＡＭ的占用。

２．２ 系統(tǒng)通信協(xié)議

波特率設(shè)置為４８００ｂｐｓ；數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)置為：起始位１ｂｉｔ，數(shù)據(jù)位８ｂｉｔ，停止位１ｂｉｔ。

ＰＣ機(jī)向單片機(jī)發(fā)送的信息包包括數(shù)據(jù)信息包和控制信息包。數(shù)據(jù)信息包結(jié)構(gòu)為：以"Ｓ"字符開頭，其后為２２字節(jié)的１６進(jìn)制數(shù)。發(fā)送時(shí)按ＡＳＣＩＩ碼格式（文本格式）發(fā)送，實(shí)際發(fā)送４４個(gè)ＡＳＣＩＩ碼。下位機(jī)正確收到后，向ＰＣ機(jī)發(fā)"Ｋ"作為確認(rèn)應(yīng)答信號(hào)。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，ＰＣ機(jī)未收到"Ｋ"信號(hào)，則重發(fā)。若三次未成功，則在屏幕上給出顯示信息。ＰＣ機(jī)必須保證４４個(gè)ＡＳＣＩＩ碼的包長度，以免系統(tǒng)誤動(dòng)。控制信息包結(jié)構(gòu)為：以大寫"Ｏ"開始，其后為單字節(jié)１６進(jìn)制數(shù)的控制字，實(shí)際發(fā)送兩個(gè)字節(jié)ＡＳＣＩＩ碼，也是以"Ｋ"作為應(yīng)答信號(hào)，采用等比碼３／８。發(fā)送時(shí)高位在前，低位在后。

ＰＣ機(jī)從單片機(jī)接收的信息包結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容為數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信號(hào)，且數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)信息被同時(shí)發(fā)送。該信息包以"Ｓ"開頭，其后為３２個(gè)１位１６進(jìn)制數(shù)的ＡＳＣＩＩ碼，以"Ｋ"作為結(jié)束信號(hào)。若ＰＣ機(jī)收到單片機(jī)發(fā)來的完整信息包，則有屏幕提示，指示用戶進(jìn)行操作。

以上的信息由雙字節(jié)數(shù)、單字節(jié)數(shù)混合構(gòu)成，信息包的頭與尾均采用非十六進(jìn)制的ＡＳＣＩＩ碼字符，以示區(qū)分。接收方則按照協(xié)議雙方規(guī)定的算法進(jìn)行解包，發(fā)送方按照雙方規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組包。

３ 下位機(jī)的主要組成模塊及設(shè)計(jì)思想

３．１ 通信模塊

通信模塊的硬件組成由于僅使用了一片ＭＡＸ２３２完成電平的轉(zhuǎn)換功能而變得較為簡單，免去了一般芯片使用±１２Ｖ～１５Ｖ電壓帶來的麻煩，而且與ＰＣ機(jī)的連接方式是最為簡單的，不需要進(jìn)行硬握手，大量的工作都由軟件完成。 其主要程序設(shè)計(jì)方法如下：

①下位機(jī)接收ＰＣ機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，以中斷方式（且設(shè)置為高級(jí)中斷）來接收，以滿足通信的實(shí)時(shí)性要求。這里僅是觸發(fā)接收中斷服務(wù)程序的執(zhí)行并且接收首字節(jié)，一旦進(jìn)入該中斷程序后，就用程序查詢的方法來接收剩余的字節(jié)。接收標(biāo)志ＲＩ是硬件置位、軟件復(fù)位的，因此每接收完一個(gè)字節(jié)后，需執(zhí)行指令ＣＬＲ ＲＩ。接收完數(shù)據(jù)后，按協(xié)議規(guī)定對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼和驗(yàn)證，并向ＰＣ機(jī)返回驗(yàn)證信息。②下位機(jī)向ＰＣ機(jī)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)信息的子程序是根據(jù)程序工作過程的需要而調(diào)用的。在調(diào)用過程中為保證程序邏輯的清晰性，使ＣＰＵ關(guān)中斷，利用程序查詢發(fā)送標(biāo)志ＴＩ（ＴＩ的使用同ＲＩ相似），按協(xié)議要求進(jìn)行數(shù)據(jù)變換并發(fā)送完整個(gè)信息包，再使ＣＰＵ開中斷，整個(gè)程序執(zhí)行完畢。 ３．２ 步進(jìn)電機(jī)控制模塊

步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中重要的執(zhí)行元件之一。對(duì)于三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其工作方式分為兩種。本系統(tǒng)選用三相單、雙六拍通電方式，這種方式不容易失步，在轉(zhuǎn)子平衡位置附近不易產(chǎn)生振蕩，運(yùn)行的穩(wěn)定性較好，而且控制的精度也提高了一倍。為使步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行更平穩(wěn)，控制精度更高，系統(tǒng)采用了具有細(xì)分的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于步進(jìn)脈沖序列的頻率。其硬件接口電路如圖２所示。圖中只是Ｘ軸左側(cè)步進(jìn)電機(jī)的連接示意圖，其余電機(jī)的連接方式與圖中相似，但使用８１５５Ａ其它的引腳。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的ＣＰ＋和ＣＰ－是步進(jìn)脈沖輸入端，Ｕ／Ｄ＋和Ｕ／Ｄ－是方向控制輸入端，ＰＤ＋和ＰＤ－為脫機(jī)控制輸入端（本系統(tǒng)未使用），且各具有光電隔離電路，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，連線采用共陽極接法是因?yàn)檫壿嬰娐返墓嚯娏髫?fù)載能力通常大于拉電流負(fù)載能力；ＤＣ和ＧＮＤ為電源接線端，要求為直流２０～６０Ｖ，電流為４Ａ；輸出端Ａ＋和Ａ－、Ｂ＋和Ｂ－、Ｃ＋和Ｃ－分別與步進(jìn)電機(jī)Ａ、Ｂ、Ｃ三相引出線對(duì)應(yīng)連接。對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制主要有邏輯控制和速度控制。

邏輯控制包括電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制和發(fā)送步進(jìn)脈沖序列。由于訪問８１５５的ＰＡ口和ＰＢ口需以字節(jié)方式進(jìn)行，因此根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向控制和步進(jìn)脈沖序列發(fā)送的需要，組成邏輯置位和復(fù)位兩個(gè)控制字，交替地輸出到對(duì)應(yīng)的端口，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的控制。系統(tǒng)最多控制兩個(gè)電機(jī)同時(shí)工作，共有１６個(gè)控制字。具體的編程思想是：脈沖數(shù)經(jīng)步進(jìn)角到角位移，再經(jīng)絲杠到線位移，即可實(shí)現(xiàn)脈沖數(shù)正比于線位移。

速度控制是通過在置位和復(fù)位兩個(gè)控制字交替輸出期間插入延時(shí)子程序而實(shí)現(xiàn)的，所以速度的快慢是由延時(shí)子程序的執(zhí)行時(shí)間決定的。在本系統(tǒng)的電機(jī)工作的低速區(qū)，非焊接運(yùn)行時(shí)控制線速為４ｍｍ／ｓ；焊接運(yùn)行時(shí)線速為１～８ｍｍ／ｓ，由ＰＣ機(jī)根據(jù)需要實(shí)時(shí)控制。

３．３ ＰＷＭ模塊

為滿足ＩＣ芯片縫焊的技術(shù)條件，要求焊接過程的功率加載是間歇的，為此設(shè)計(jì)了ＰＷＭ脈沖寬度調(diào)制模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的間歇控制。圖３是本模塊的電路組成。核心器件為ＳＧ３５２４，它的輸出為周期脈沖序列，其周期受ＲＴ、ＣＴ端對(duì)地的接入電阻ＲＴ和接入電容ＣＴ的控制，周期Ｔ＝０．７７ＲＴ×ＣＴ，所以在此串入數(shù)字電位器Ｘ９Ｃ１０４用以實(shí)現(xiàn)對(duì)Ｔ的控制。按圖中數(shù)字電位器的使用方法，則其電阻Ｒ的表達(dá)式為：Ｒ＝（９９－ｎ）×１００ｋΩ，其中ｎ是通過編程進(jìn)行控制的。ＳＧ３５２４的輸出信號(hào)的占空比由Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換電路通過編程控制。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了Ｔ＝４０ｍｓ～８０ｍｓ，占空比為０～１００％，由上位機(jī)控制。

３．４ 焊接功率控制模塊

焊接功率的控制實(shí)際上是通過控制輸出電壓來間接實(shí)現(xiàn)的。由單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)到ＤＡＣ０８３２進(jìn)行數(shù)／模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的結(jié)果經(jīng)ＳＧ３５２４控制的模擬開關(guān)后，再控制固態(tài)調(diào)壓模塊ＥＶＵ-４０Ａ，使其輸出的交流電壓與輸入的數(shù)字信號(hào)成線性比例。將輸出電壓接至焊接變壓器，轉(zhuǎn)換為低電壓高電流加到焊接電極，通過產(chǎn)生高溫對(duì)ＩＣ芯片進(jìn)行縫焊。實(shí)現(xiàn)電路如圖４所示。另外由于ＥＶＵ-４０Ａ調(diào)壓模塊在實(shí)際運(yùn)用過程中存在殘留電壓，致使在調(diào)節(jié)焊接參數(shù)時(shí)電極焊輪出現(xiàn)打火現(xiàn)象，致使不必要的損失，因此在調(diào)壓模塊的輸入回路串接交流固態(tài)繼電器ＧＪＨ２５-Ｗ進(jìn)行阻斷。

對(duì)焊接功率模塊控制的編程方法如下：單片機(jī)接收上位機(jī)的功率控制信息并寫入地址為６０００Ｈ的ＤＡＣ０８３２芯片，同時(shí)ＧＪＨ２５－Ｗ送有效控制信號(hào)使其導(dǎo)通，焊接電極就有相應(yīng)的功率輸出，進(jìn)行縫焊。不進(jìn)行焊接時(shí)，使ＧＪＨ２５－Ｗ截止，同時(shí)向ＤＡＣ０８３２發(fā)送０ＦＦＨ，實(shí)現(xiàn)焊接完全可靠的斷開。

４ 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

Ｘ、Ｙ軸絲杠的線位移／角位移＝４ｍｍ／３６０度，Ｚ軸絲杠的線位移／角位移＝１．５ｍｍ／３６０度，步進(jìn)角均為０．３６度。實(shí)驗(yàn)方法是：利用計(jì)算機(jī)發(fā)送脈沖數(shù)并計(jì)算理論值，用千分尺實(shí)際測量并計(jì)算絕對(duì)誤差值（見表１）。分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。