全自动塑料管材热熔焊接机控制器设计

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1、全自动塑料管材热熔焊接机控制器设计　　摘要本课题针对国内目前尚无全自动的塑料管热熔焊接机的情况，采用高性能的ARM7控制器及嵌入式操作系统uC/OSII，实现焊接过程的全自动化；该设备实现了大容量焊接数据存储，记录打印，USB转存等功能；论文提出了PE管材热焊接的工艺管理概念，将推动国内相关标准的制定。关键词热熔焊接；ARM；uC/OSII；USB中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）11-0000-001课题背景及研究意义在天然气输送塑料管道铺设过程中，对于主、支干线管材管径

2、较大（D≥110mm）的塑料管材连接主要采用热熔焊接方法。目前，国外一些厂家采用了高性能的工业控制计算机和触摸屏显示器，生产了自动化程度较高的焊接机。但是，这些设备造价昂贵，难于在国内推广。有些则体积庞大，不利于现场施工。而且这些设备不支持U盘转存数据等。7随着国内市场的需求逐渐增大，国内一些机械生产厂家也开始生产塑料管材热熔焊接的产品。但是，这些设备缺乏高性能控制器的支持，焊接过程未能实现全程自动化，也没有人性化的操作界面，更不能对焊接数据进行有效的管理。由于国内尚无同类的全自动塑料管材焊接机设备，因此，本课题所研究

3、的全自动热熔焊接机将添补国内这一领域的空白，对国内的基础设施建设有着积极的作用。2系统分析及总体设计2.1热熔焊接原理热熔焊接（Buttwelding）是PE管道系统中最常用的焊接方式，它是在两管的两个端面间，插入一个加热板（Heater-Plate），在压力的作用下，使两管的端面变成熔融状态，然后再撤走加热板，使两管的端面接合，并在压力的作用下冷却。热熔焊接可以实现高抗拉性能的无缝连接。2.2热熔焊接机工作过程及系统分析热熔焊接机的工作过程包括管材端面的铣削、拖动压力辨识、管材端面的加热（预热过程和吸热过程）、管材对

4、接（加压过程、保压过程及冷却过程）。因此，焊接机控制器首先需要根据管材规格、环境温度、辨识压力等参数，计算各工作阶段所需要的压力、时间等数据；并能够根据这些数据控制压力输出大小及时延的长短。系统还必须保存焊接机的设置参数及每一次的焊接数据，并能够提供完善的记录管理功能，包括对记录的查看，删除，打印及U盘转存等。2.3热熔焊接机控制系统的总体设计7从以上分析得出，系统由输入、输出、数据管理，人机交互几大部分组成。系统的结构框图如图1所示。模拟输入用于对液压压力、动卡套的位移、加热板温度及环境温度等进行检测；数字量输入则用

5、于判断铣刀位置和加热板的位置。模拟输出口将调节电液比例伺服阀，控制输出的压力。数字量输出则用于铣刀的铣销控制、加热板温度控制、液压缸的启停及其换向控制和声光报警等。数据管理部分硬件包括，数据存储器、USB主机控制器和打印机等。人机交互由键盘和显示模块组成。CPU作为系统的控制核心将统筹以上所有部件，实现焊接机整体的功能。3系统硬件设计3.1主要器件选型本系统的CPU采用飞利浦公司的LPC213X系列ARM7控制器，LPC213X集成了丰富的外设接口及功能部件。本系统中，使用其中的5路AD采集各种模拟输入；1路DA用于控

6、制比例伺服阀；I2C总线挂接一个数据存储器；UART1驱动串行打印机；RTC作为系统日期时钟管理。因此，采用LPC213X控制器，最大限度地压缩了本系统的电路结构，减少了本系统硬件电路的设计工作量及硬件成本。7显示模块可采用单色点阵图形液晶显示器，为了更好的支持个性化的操作界面，可选择带点操作功能的T6963C控制器的液晶模块。根据需求，分辨率为240X64可满足中英文显示要求。预期设计系统管理焊接记录需1000条以上。按每条记录32个字节来算，所需的存储器的大小大约需32000字节以上。因此，可选用I2C接口的串行E

7、EPROMAT24C256。USB主机控制器采用Cypress公司的SL811HS，SL811HS实现了USB主机结构的接口层的功能，支持USB1.1协议，片上集成了SIE、USB收发器和256字节的SRAM，还具有硬件自动产生帧起始包SOF和CRR5/16校验的功能。打印机选择北京公达数码科技有限公司生产的TPUP-AF系列高速面板式微型打印机，该打印机可实现汉字和图形的高速打印，面板结构可嵌入到仪器设备的面板上，与仪器设备成为一体，该打印机的串行接口与RS-232C兼容，并支持XON/XOFF握手协议。3.2控制主

8、板的设计在本系统中，液晶模块和SL811HS均需要总线驱动。但由于LPC213X系列ARM均不带外部存储扩展接口，为了实现IO口的共享，以上两种器件均使用同一套的模拟的读写总线。模拟总线接口提供8位数据线、读写信号线、地址线及片选信号线等。7由于ARM芯片的高速，低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，为了提高系统的可靠性，系统对所有