耐磨钢板堆焊机单片机控制器设计.doc

中文题目：耐磨钢板堆焊机单片机控制器设计外文题目：THE DESIGN OF SINGLECHIP CONTROLLER OF WEAR-RESISTING STEEL PLATE WELDING MACHINE毕业设计（论文）共 74 页（其中：外文文献及译文18页） 图纸共1张 完成日期 2011年6月 答辩日期 2011年6月摘要随着焊接生产对设备自动化要求的提高，堆焊设备的自动化成了一个亟待解决的问题。目前能实现自动堆焊的设备很少，使用效果差，堆焊劳动强度大，工作环境恶劣，效率低，能耗高。因此，设计一种自动堆焊设备有非常重要的意义。本论文采用CO2气体保护焊工艺，以单片机为控制中心设计一种耐磨钢板堆焊控制系统，能实现焊接过程的全自动，并可以灵活地解决磨损程度不同以及磨损区尺寸不同的问题。本文论述了控制系统的设计方法和设计过程，包括硬件设计、软件设计等方面。硬件电路部分主要包括以AT89S52单片机为控制中心的焊接时序电路和晶闸管直流调速系统。软件程序用C语言写成。利用软硬件结合，实现焊接的时序控制以及满焊和定位焊两种焊接方式。本控制系统具有以下优点：自动化程度高，堆焊过程连续；工作稳定可靠，生产效率高；操作方便，工人的劳动强度低；原材料供应方便，综合成本低等优点。因此，本控制系统具有良好的实用价值。关键词：堆焊；CO2气体保护焊；自动控制；单片机AbstractWith the improving of automatic welding maehine,the automatization of hardfacing we1ding facility become an urgent prob1em which we should resolve as soon as possible.Hardfacing welding with hand is a type of work which is swinked,high-drain and low produetive efficiency.So designing a kind of automatic hardfacing welding equipment with cost-effeetive appoaches to improve produetivity and work conditions will have a big market.This thesis studies a kind of automatic plane hardfacing welding control system with CO2 welding technique.Its control center is singlechip and it makes the whole proeessing automatically.It also can automatically weld the workpiece which is frayed abnormally or frayed with different size.This paper introduced the design method and research process of the control system,ineluding hardware design,software design and so on.The hardware cireuits inelude thyristor direct current speed-govening system and the welding logic control circuits controlled mainly by AT89S52 siglechip,and besides,the circuits have some measures of anti-jamming.The software is written by C language.With soft hardware,the control system can achieve two kinds of welding methods,full welding and orientation welding by weld proeessing logic automatic control.This system have the following feature:Working continuously with highly automatic degree;Having high stability and efficieney;Easily operated with low labor intensity;Getting raw materials easily and proeessing with low cost.Witht hese advantages this system will have high practieal value.Keywords:hardfaeing welding;CO2 welding;automatic control;singlechip目录0 前言11 概述21.1 堆焊技术的发展21.1.1 堆焊的主要发展与应用21.1.2 自动堆焊的现状21.2 课题的提出31.3 自动堆焊机与以往堆焊相比的优点31.4 控制任务41.5 控制系统要实现的功能42 系统指标及对设备的要求62.1 系统指标62.1.1 过程指标62.1.2 技术工艺参数62.2 焊机对设备要求72.2.1 弧焊电源的选择72.2.2 对堆焊机床的要求72.2.3 对小车、送丝电机驱动电路的要求72.2.4 对送丝机的要求72.2.5 对气体流量的要求83 焊机设备的选择93.1 焊机机械结构93.2.1 工作台的组成93.2.2 工作台的构造103.3 滑动螺旋传动103.3.1 滑动螺旋传动原理103.3.2 滑动螺旋传动的特点113.3.3 机电一体化对机械传动的基本要求113.4 他励直流电机的机械特性123.4.1 电枢回路中的电压平衡方程133.4.2 他励直流电动机的固有机械特性133.5 电机的选择143.5.1 左右方向电机和减速器的选择143.5.2 前后方向电机和减速器的选择153.5.3 送丝电机和减速器的选择154 自动堆焊系统的硬件设计184.1 硬件设计方案184.2 控制面板的设计184.2.1 系统的硬件组成194.2.2 硬件系统的电源设计194.3 直流电机的驱动和调速电路设计204.3.1 直流电机驱动和调速方案204.3.2 电机的调速电路204.3.3 电机的驱动电路224.4 单片机控制的焊接时序控制电路234.4.1 焊接时序控制电路具体方案234.4.2 单片机控制的焊接时序控制电路244.5 电机位移信号提取电路264.6 显示电路264.7 键盘输入电路284.8 单片机的选择284.8.1 单片机的选择284.8.2 单片机简介294.8.3 引脚介绍294.8.4 AT89S52单片机的主要组成部分334.8.5 复位电路354.8.6 时钟电路365 软件设计385.1 自动堆焊机的程序设计385.1.1 系统的主程序385.1.2 各部分子程序396 技术经济分析446.1 技术分析446.2 经济分析447 结论45致谢46参考文献47附录A 系统程序48附录B 译文56附录C 外文原文640 前言随着各种机械制造业迅猛发展，焊接技术已在生产建设的应用中日趋广泛。但是以往的人工焊接劳动量大；速度慢；生产效率低；根本无法满足生产的需要。所以提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率己成为所有焊接工作者的强烈愿望。提高焊接对生产设备的自动化要求，使焊接智能化，也成了一个亟待解决的问题。近几年，我国在堆焊技术上做了许多研究，但仍然没有满意的产品诞生，能实现自动堆焊的设备很少，效果和普及程度也不佳，不能满足现阶段我国国情的发展。所以对我国来讲研发出一个智能化的堆焊机势在必行。本论文采用CO2气体保护焊工艺，以单片机为控制中心设计一种耐磨钢板堆焊控制系统。改善了以往工人劳动条件及劳动环境，劳动强度大大下降，设备简单、原材料供应方便，具有良好的经济价值。选取合适的焊接电源，采用单片机控制及CO2焊接工艺，软硬件并用，实现送丝速度、焊接速度和焊缝间距的调节、焊接时序控制以及焊车的行走、满焊、定位焊、预停、急停/复位等功能。送丝速度和焊接速度的调节采用晶闸管电压负反馈调速系统；焊缝间距的调节利用一个BCD拨盘将信号反馈给单片机，通过单片机的程序来控制；焊接时序控制和焊车的行走方式由软硬件结合实现。利用此耐磨钢板堆焊控制系统，堆焊层质量好，抗锈、抗裂能力强，缩短了焊前准备工作时间和其他辅助工作时间，堆焊过程连续，生产效率高，能耗及综合成本低。改善了工人劳动条件及劳动环境，劳动强度大大下降，可以灵活地解决磨损程度不同和以及待焊区尺寸不同的问题，设备简单、原材料供应方便，具有良好的经济价值。本控制系统和其他机械设备适当配合，也适用于圆环面的堆焊。1 概述1.1 堆焊技术的发展1.1.1 堆焊的主要发展与应用堆焊技术在我国起源于20世纪50年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展初期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，60年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，90年代受先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术（Near Net Shape）引起了制造业的广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志。堆焊技术在我国经历近50年的风雨历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且成为先进制造技术的发展基础。堆焊焊接质量稳定，生产效率高，易于实现机械化、自动化的焊接方法。因此，自19世纪末问世以来得到了迅速发展，广泛地用于航空航天，汽车车辆，轻工家电等行业。特别是近年来，随着汽车工业等现代化大批量生产企业的不断增加，电阻焊接方法在整个焊接领域中的比例也在增加，而且其应用领域也在不断的扩大。堆焊技术在我国近50年的发展历程中，为基础工业的崛起和发展作出了重要贡献，其应用遍及机械、能源、交通、电力和冶金工业等领域。1.1.2 自动堆焊的现状堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。因此，堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。因此，国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，各工业发达国家的相关学术机构均设置了专门委员会，以协调和促进堆焊技术的发展。与堆焊技术的国际发展前沿相比较，我国在堆焊基础理论方面（如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等）并不落后于工业发达国家，但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距，我国堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”，而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”，因此，无论是堆焊材料的品种和质量，还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发展和提高。但目前，世界各国都着重于提高焊接生产的机械化和自动化水平，尽量采用各种高效率的机械化、自动化的焊接方法、焊接设备及控制系统。随着计算机技术的迅猛发展，各种焊接设备的智能化成果与产品已大量涌现出来，这是焊接设备的一个发展方向，也是焊接生产现代化的必然趋势。就我国来看，近几年在堆焊技术上做了许多研究，但仍然没有满意的产品诞生，能实现自动堆焊的设备很少，效果和普及程度也不佳，不能满足现阶段我国国情的发展。所以对我国来讲研发出一个智能化的堆焊机势在必行。1.2 课题的提出依照我国目前国情来看，随着科技的进步，各种机械制造业迅猛发展，堆焊技术已在生产建设的应用中日趋广泛。但是人工焊接劳动量大，速度慢，生产效率低，根本无法满足发展的需要。所以提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率己成为所有焊接工作者的强烈愿望。提高焊接对生产设备的自动化要求，使焊接智能化，也成了一个亟待解决的问题。但就总体而言，目前我国能实现自动堆焊的设备很少，而且堆焊劳动强度大，工作环境恶劣，效率低，能耗高等，使用效果较差。为解决此等问题，本设计研发了一种以单片机为控制中心的耐磨钢板堆焊控制系统，实现以CO2为保护气体的焊接。设计中包括硬件设计和软件设计，硬件电路部分主要包括以AT89S52单片机为控制中心的焊接时序电路和直流调速系统，能实现焊接过程的全自动，并可以灵活地解决磨损程度不同以及磨损区尺寸不同的问题。是采用自动控制技术达到上述目的的正确途径。1.3 自动堆焊机与以往堆焊相比的优点首先，以往我国能实现自动堆焊的设备很少，而且使用效果差，堆焊劳动强度大，工作环境恶劣，效率低，能耗高。而利用此自动堆焊控制系统，堆焊层质量好，抗锈、抗裂能力强，缩短了焊前准备工作时间和其他辅助工作时间，堆焊过程连续，生产效率高，能耗及综合成本低。改善了工人劳动条件及劳动环境，劳动强度大大下降，可以灵活地解决磨损程度不同和以及待焊区尺寸不同的问题，设备简单、原材料供应方便，具有良好的经济价值。其次，由于国产堆焊机的性能还不能满足使用要求，因此国内所用堆焊机主要依赖于进口。近几年来，通过引进国外先进的焊接技术，我国堆焊技术很多方面已经可以和国外相媲美。但是，引进价格和运行费用太高，不能成为我国发展焊接技术的唯一途径，我们只有依靠自己的力量借鉴国外的经验研制开发、确立自己的核心技术和知识产权，为将来进一步发展打下坚实的基础。基于上述的原因，在我国对智能耐磨钢板堆焊机单片机控制器展开研究是十分有意义的。1.4 控制任务选取合适的焊接电源，采用单片机控制及CO2焊接工艺，软硬件并用，实现送丝速度、焊接速度和焊缝间距的调节、焊接时序控制以及焊车的行走（满焊、定位焊、预停、急停/复位）等功能。本设计通过单片机的程序来控制、焊接时序控制和焊车的行走方式由软硬件结合实现。具体过程如下：1）总控开关负责所有电器的控制，总控开关打开后供气供电、电焊机启动。2）面板上的控制按钮要实现手动和自动的转换。3）按下工作按钮后送丝电机开始工作，通过检测电焊机输出端的电压来控制送丝电机的正反转，引弧后3秒钟摆动电机开始工作，继续延时3秒后小车行走电机开始工作。4）送丝及小车行走电机设行程开关。控制面板设紧急停车按钮。当行程开关或紧急停车按钮工作时，电焊机立即关闭，关闭所有电机。5）自动焊工作时可手动调节弧高。6）各电机为调速电机，自动焊工作时可随时调节速度。7）自动焊停车2-3秒钟后停止供气。8）停车后控制柜处于起始状态。由单片机控制系统操纵控制电机驱动X轴、Y轴、Z轴带动焊枪分别做左右方向的往复运动、由前到后往复运动和送丝运动。1.5 控制系统要实现的功能1）焊车的行走方式满焊：目的是堆焊出具有特殊性能的堆焊层或对磨损均匀的平面全面满堆。系统设定机器的最大堆焊长度（如图1-1 X方向的行程），焊车能按照图1-1的走向自动焊接，并在最后一条焊道的任何位置按下“预停”键时，焊车继续焊完此焊道后自动停机。即其工作过程是：1234567891011按预停键12结束；或：12111098765432按预停键1结束。其中，1-12的轨道是摆动电机摆动时的焊接轨迹。呈锯齿状，提高焊接效率。 图1-1 满焊的两种方式Fig.1-1 Two ways of full weld 定位焊：由于工件磨损程度不一致，偏磨段需要多层焊接，所以焊机设置定位功能，用于焊接偏磨段。定位焊目的是只堆焊待焊平面的某一偏磨段。焊车从偏磨段的一端开始焊接，待焊车运动到偏磨段的另一端时，只按一次操作控制面板上的“定位”按钮，控制系统自动记录起点和定位点的位置数据，并指挥焊车在起点和定位点之间自动往返焊接，在偏磨段最后一条焊道的任何位置按下“预停”键时，焊车继续焊完此焊道后自动停机。如图1-2。其工作过程是：12按“定位”按钮34567按预停键8结束；或：87按“定位”按钮65432按预停键1结束。图1-2 定位焊接的两种方式Fig.1-2 Two ways of positioning welding 2）进行堆焊的过程中，能调节送丝速度、焊接速度和焊缝间距并实现送丝机和焊车电机的无级调速。3）实现焊接时序控制，即开焊接电源一送气一送丝一焊车行走一停丝一停气一关电源。2 系统指标及对设备的要求2.1 系统指标2.1.1 过程指标焊接过程操作自动化，只需输入相应指令，就可实现引弧、熄弧、熔宽、焊缝搭接等参数的自动完成；控制系统的作用是对CO2焊的供气、送丝和供电等过程系统实现控制。对供气系统的控制大致是三个过程：引弧时要求提前供气约1-2s，以排除引弧区的空气；焊接时气流要均匀可靠；结束时，因熔池金属尚未完全冷却凝固，应滞后停气2-3s，以给予继续保护。对送丝系统的控制，是指对送丝电机的控制。应保证能够完成焊丝的正常送进与停止动作，焊前可调节焊丝干伸长，均匀调节送丝速度。2.1.2 技术工艺参数1）熔宽：040mm。2）熔深：1.54mm。3）焊接速度：在电弧电压一定的情况下，焊接速度加快则焊缝的熔深、熔宽和余高都减小，焊道成为凸形。焊接速度再加快，在焊趾部出现咬边。进一步提高焊速时将出现驼峰焊道。相反，焊速过低，熔池中液态金属将流到电弧的前面，电弧在液态金属上面燃烧，从而使焊缝熔合不良，形成末焊透。所以通常焊接速度多为3050cm/min。4）焊枪摆动速度：0120次/min内任意可调，焊枪节进由单片机控制，搭接量(0-3)mm，左右停留时间02s可调。5）焊丝直径：1.6mm。根据焊件的情况，首先应选择合适的焊丝直径。各种直径的焊丝都有其适用的电流范围。细丝适用于较小的电流，而粗丝用于较大的电流。一般小于直径1.2mm的焊丝主要的熔滴过渡形式为短路过渡，适用于薄板、打底焊和全位置焊。直径大于1.2mm的焊丝主要的熔滴过渡形式为潜弧射滴过渡，适用于厚板和填充焊缝11。6）焊接电流：CO2焊时电流的大小是由送丝速度来调节的，送丝速度越快则电流也越大，反之亦然11。7）电弧电压：CO2焊电弧静特性是上升特性，为保持一定的弧长，随着电流的增加，电弧电压也应增大。电弧电压的高低是由焊接电源调节的。电弧电压是决定焊缝熔宽的最主要的因素。因为电弧电压越高。电弧笼罩范围也越大。于是熔宽增加，而熔深、余高却减小。电弧电压也反映了弧长的大小。电弧电压越高，弧长也越大，则焊枪喷嘴到焊件的距离也越大，气体保护效果也变差。当电弧电压过高时，易生成气孔11。2.2 焊机对设备要求2.2.1 弧焊电源的选择在生产中，应根据工件的材料、尺寸、机加工手段和工件的价值来选择弧焊电源。在本系统中，为了使系统具有较高的可靠性和良好的经济性, 通常情况下系统所配电源为国内非常成熟的晶闸管电源（也可根据不同的需要配置其他系列的弧焊电源）。晶闸管电源焊接电流的上升速度与以往的机型相比提高了4.5倍，实现了短时间内的高品质焊接；焊接电流由晶闸管式电源直接控制，不需要焊接变压器；在正式通电流之前可以用检测电流对工件的有无、以及工件的状态进行确认。CO2焊接电源的主要焊接参数有焊接电流与电弧电压。在等速送丝系统中，焊接电流主要由送丝速度决定，大体上成正比关系。最小送丝速度Vfmin对应着最小电流Imin，而最大送丝速度Vfmax对应着最大电流Imax。而电弧电压主要由电源外持性决定。在电弧自身调节系统中，电源外特性应采用缓降或平的外特性。因此本设计选取缓降电源外特性且外特性可调的焊接电源，本设计选择的电源是型号为MDB-2000B晶体管式精密焊接电源11。2.2.2 对堆焊机床的要求堆焊机床的任务是提供主轴的升降、焊枪的移动和焊丝的送进等三个运动。这三个运动分别由小车的电机和送丝电机拖动。对不同的焊按方法和几何尺寸相差较大的工件，堆焊机床可作相应的调整，以满足不同的需要。2.2.3 对小车、送丝电机驱动电路的要求对小车、送丝电机，采用相同结构的驱动电路。为了保证上述电机运行的稳定性，其驱动电路均采用晶闸管整流,并引入电枢电压负反馈和电枢电流正反馈。晶间管导通角的控制采用集成触发器，从而保证了控制的可靠性和精度。2.2.4 对送丝机的要求在气体保护焊时，送丝机应保证所需的送丝速度范围及规定的送丝力，以保证送丝均匀、可靠和无打滑现象。1）在规定的送丝速度范围内，电网电压在额定值10%波动时，送丝速度的变化率不超过5%11。2）装置从冷状态工作到热状态时，送丝速度变化率不超过5%11。3）在规定的送丝速度范围内，当送丝牵引力由额定值的50%变化到100%时、送丝速度的变化率不超过5%11。此外，在ZBJ640041988还规定，在推丝式或推拉丝式CO2焊在供电网络电压为额定值时，送丝软管平直状态和软管中部弯绕直径400mm一圈情况下，送丝速度变化率不大于10%11。2.2.5 对气体流量的要求CO2焊是利用CO2气体的屏蔽作用实现保护的。影响保护的主要因素有：气体流量、喷嘴高度及风的大小。气体流量与电流有关，在大电流时为20-25L/min，在短路过渡焊接时为8-15L/min。在工作地环境有风时，应适当增大气体流量。当流量较大时，可能造成保护气体紊乱。为此应适当增大喷嘴直径，以便在大流量时仍可获得稳定的层流。通常实芯焊丝CO2焊时，为得到可靠的保护效果，风速的上限定为2m/s。如果风速超过这一上限值，则应当采取必要的防风措施11。表1-1 CO2气体流量和风速上限的关系Tab.1-1 Relationship between the gas flow of CO2 and the superior limit of wind speed喷嘴直径/r/mm1622CO2流量/L/min253035253035风速上限/m/s2.12.53.01.11.41.73 焊机设备的选择3.1 焊机机械结构为实现满焊和定位焊两种焊车行走方式，焊机的机械系统需包括送丝系统和一个焊接工作台。焊接工作台用于实现焊车的运动以及摆放、夹持工件，焊车能够在X和Y方向上自动往返行走，为此需选用合适的机械传动方式和合适的电机。综合焊接工艺对送丝机的要求以及他励直流电机的机械特性，本设计选用他励直流电机；又根据机电一体化对机械传动的要求和滑动螺旋传动的特点，机械传动方式选用滑动螺旋传动将电机的旋转运动转换为直线运动。3.2 工作台的选择3.2.1 工作台的组成焊接工作台主要由左右拖板、前后拖板、焊枪调整机构组成，如图3-1。根据直流电机和螺旋传动的特点，前后拖板和左右拖板采用他励直流电机和滑动螺旋传动相结合实现焊车在X和Y方向的往返运动并保证有足够的传动力。焊枪调整机构实现在Z方向上的调整。同时，焊枪上设置摆动电机，是焊道宽度加宽，挺高焊接效率。X方向：由他励直流电机通过左右拖板内的滑动螺旋丝杠副的传动使焊车沿X方向作往复运动，这是堆焊的主要动作。X方向的行程决定于左右拖板内丝杠的有效行程。Y方向：由他励直流电机通过前后拖板内的滑动螺旋丝杠副的传动使焊车沿Y方向作间隙运动，即当焊车焊完一道焊缝开始反向时，前后拖板起动，载着焊车沿预定的方向移动指定的距离，使焊车指向新焊道，并使相邻焊道重叠焊缝宽度的1/3-1/2。Y方向的行程决定于前后拖板内丝杠的有效行程。Z方向：由送丝电机电机、独立焊枪升降机构、焊枪间距调整机构等实现焊枪Z轴上的调整。在焊接时，焊接速度即为焊车的行走速度，因此要求焊车在实现焊车在X和Y方向的自动往返运动的同时必须保证有足够的传动力，使焊车行走十分平稳。另外，机电一体化对机械传动的要求为：精密化、高速化、小型化、轻量化。所以设计焊接工作台时，在满足使用要求的前提下，尽量满足上述基本要求。3.2.2 工作台的构造图3-1 工作台结构图Fig.3-1 Structure of the workbench3.3 滑动螺旋传动3.3.1 滑动螺旋传动原理螺旋传动是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力。它主要是将旋转运动变成直线运动，以较小的转矩得到很大的推力，或者用以调整零件的相互位置。当螺旋不自锁时，也可以将直线运动变成旋转运动。根据螺纹副摩擦性质不同。螺旋传动可分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动13。图3-2 滑动螺旋传动简图Fig.3-2 Sliding screw transmission diagram滑动螺旋传动的方式为螺杆转动，螺母移动，螺旋副采用单线螺纹，螺距P定为4mm，左右拖板螺杆的有效行程为500mm，前后拖板螺杆的有效行程为3O0mm。因为左右拖板滑动螺旋丝杆副的结构和强度都能满足上拖板的传动要求，为加工制造方便，拖板螺旋丝杆副的螺纹牙型、公称直径d、牙型角a、螺距P、螺母高度H、旋合圈数z、螺纹的工作高度h、螺纹的牙底宽度b和下拖板的螺旋丝杆副相同。3.3.2 滑动螺旋传动的特点滑动螺旋丝杆副接触面间是滑动摩擦，与齿轮齿条传动相比具有如下特点：1）降速传动比大。对单线螺旋而言，螺杆（或螺母）转动一圈，螺母（或螺杆）移动一个螺距，螺距一般很小，所以每转一圈的移动量比齿轮齿条传动要小得多，对高速转动转换成低速直线运动可以简化传动系统，使结构紧凑，并提高传动精度13。2）可获得大的轴向力。对于螺旋传动施加一个不大的转矩，即可得到一个大的轴向力13。3）能实现自锁。当螺旋的螺纹升角小于齿面间当量摩擦角时螺旋具有反行程自锁作用，即只能将转动转换成轴向移动，不能将移动转换成转动。这对于某些调整到一定位置后，不允许因轴向载荷而造成逆转的机械是十分重要的，例如铣床的升降工作台、螺旋千斤顶、螺旋压力机等13。4）工作平稳无噪声。5）效率低、磨损快。螺旋副接触面之间滑动摩擦大，磨损快，传动效率低（一般在0.25-0.7之间），在自锁的情况下效率小于50%。因而不适于高速和大功率传动13。3.3.3 机电一体化对机械传动的基本要求常用的机械传动部件有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线形传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方向得到匹配。机械传动部件对伺服系统特性有很大影响，特别是传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、运动平稳、传递转矩大的传动部件12。对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换。也就是说既能实现圆弧运动和直线运动、往复摆动的转换，又能实现圆周运动或转矩与直线驱动力的转换。对于信息集中的传动机构，主要要求具有运动的变换功能，只需要去克服惯性力和各种摩擦阻力及较小的负载即可。常见的传动机械有：丝杆螺母、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、带传动、滑轮、杠杆机构、连杆机构、凸轮机构、摩擦轮、方同节、轮轴、蜗轮蜗杆、间歇机构等12。近年来，不通过机械结构而直接由电动机驱动负载的“D.D”技术日益应用广泛，应用这种技术需要低转速大转矩的伺服电机，并要考虑负载的非线形和耦合性等因素对执行电机的影响。但总的来说，机电一体化系统对机械传动机构的基本要求有以下几个方面：1）精密性：对机电一体化产品而言，应根据性能的需要提出适当的精密度要求，对机械传动的精密性要求也越来越高。2）高速化：产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关，因而机械传动机构的精密度应能适应告诉运动的要求。3）小型化，轻量化：随着机电一体化精密化、高速化的发展，必须要求其传动机构小型化、轻量化，以提高运动灵敏度，减小冲击，降低能耗。3.4 他励直流电机的机械特性因为本设计选择他励直流电动机作为系统的运行电机，所以在此介绍他励直流电动机的特性。直流他励式电动机即直流电机，转速n与转矩M的关系n=f(M)称为电动机的机械特性。如图3-3所示，直流电机的转速一般都是转矩的函数，随着负载的增加，转速都降低。转矩改变时，转速变化较小的，称为硬特性，如曲线1；而转速变化较大的称为软特性如曲线215。图3-3 直流电动机的机械特性曲线Fig.3-3 Mechanical characteristic curve of the direct-current motor他励电动机的电路如图3-4所示，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立电源供电。在励磁电压Uf的作用下，励磁绕组中通过励磁电流If，产生主磁极。在电枢电压Ua的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia。电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T，拖动生产机械以某一转速n运转。电枢旋转切割磁感线产生反电势E。图3-4 他励电动机Fig.3-4 Other-excited motor3.4.1 电枢回路中的电压平衡方程电压平衡方程：Ua =E+IaRa （3-1）将式E=Cen和代入，得到直流电动机机械特性的一般表达式： （3-2）式中，n0是电动机的理想空载转速，n是转速差：n=n0n=T （3-3）MTn0nnNnMTNTMN3.4.2 他励直流电动机的固有机械特性图3-5 他励直流电动机的固有特性Fig.3-5 Inherent characteristics of the other-excited DC motor直流电动机机械特性的一般表达式： （3-4）他励直流电动机固有特性如图3-5所示，N点对应于电动机的额定状态。额定状态说明电动机的长期运行能力。M点对应于电动机的临界状态，这时电枢电流Ia等于换向允许的最大电枢电流Iamax=（1.52.0）IaN。对应的转矩TM是电动机所允许的最大转矩。临界状态说明了电动机的短时过载能力15。1）机械特性斜率： （3-5）2）机械特性硬度： （3-6）3）额定转矩： （3-7）3.5 电机的选择3.5.1 左右方向电机和减速器的选择他励直流电动机参数的确定，主要应根据系统中所提供的电源、功率以及系统对电动机的要求来决定。1）电机电枢和励磁额定电压的选定本设计中提供110V的可调直流电源，因此可选用电枢和励磁额定电压为110V的电机。2）电机额定转速和减速比的确定：前面所述，CO2焊的焊接速度一般为3050cm/min，螺杆的螺距为4mm，所以要求螺杆的最大转速n左右0.5/0.004=125r/min。因此，可选用额定转速为3000r/min的电机，选用减速比为16的减速器，减速器的输出转速为188r/min。设计螺杆时要求螺杆的安全转速n188r/min。螺旋传动的轴向载荷F约为98N，螺杆的驱动转矩Mq=Fd/2=980.01=0.98Nm。根据减速器的输出力矩公式：M=i1T (3-8)其中：减速器的传动效率，选90%i1传动比T电机的输出力矩减速器的输出力矩M应大于0.98Nm，所以电机的输出转矩：T0.98/(160.9)0.068Nm。综合以上计算，可选取博山机电设备厂微电机分厂的J-SZ(ZYT)PX系列微型直流减速电动机，分别由SZ(ZYT)系列直流电动机与PX型普通精度行星减速器构成，电机型号为70SZ54，与其配套的减速器减速比为16。电机和减速器体积小、重量轻、结构紧凑、输出转矩大。电机的参数如表3-1：表3-1 左右运行电机参数Tab.3-1 Motor parameters of running around转矩mNm转速r/min功率P/W电压U/V电流I/A允许顺差转数差r/min转动惯量不大于mNm电枢激磁电枢激磁1763000551101100.80.132000.073.5.2 前后方向电机和减速器的选择采用与下拖同样的电机和减速器可达到要求。3.5.3 送丝电机和减速器的选择本设计采用推式送丝系统，包含送丝机、焊枪和送丝软管等。送丝机包括送丝盘、送丝电动机、减速器和送丝滚轮，提供足够的驱动功率，使焊丝顺利进入送丝软管和焊枪导电嘴。送丝电机选用直流他励电动机。减速机构选用一级蜗杆减速。送丝滚轮采用一只主动滚轮，另一只为从动滚轮的形式，为减少阻力，滚轮开有V型槽。送丝轮直径选为d=35mm（直径太小易磨损），而送丝速度一般要求3-12m/min之间可调，那么要求送丝轮的最大转速n送丝12/(0.0353.14)110r/min。因此初步确定电机的额定转速为1500r/min，减速比取10。实验证明，焊丝在进行过程中，会受到来自于送丝管、导电嘴、送丝盘的摩擦阻力，一般情况下整个阻力之和约为F=12N，考虑到还有其他不可遇见的因素，那么阻力矩为： （3-9）其中：M阻力矩k安全系数，取2阻力和d送丝轮直径Mr为0.42Nm，减速机构的效率可取0.7，根据公式3-1，得电机得输出转矩应大于0.06Nm。综合以上计算，可选用博山机电设备厂微电机分厂电机型号为705254他励直流伺服电机，电机的参数如表3-1。减速机构的减速比取10。表3-2 送丝电机参数Tab.3-1 Parameters of the wire-feed-motor转矩mNm转速r/min功率P/W电压U/V电流I/A允许顺差转数差r/min转动惯量不大于mNm电枢激磁电枢激磁5101500801101101.10.231000.25根据公式3-1，减速机构输出的转矩约为3.57Nm，能产生的牵引力约为200N，大于直径1.6的焊丝所需的额定牵引力100N，所以选取的电机和减速机构合格。3.5.4 摆动机构摆动机构的传动方式为进口滚珠丝杆配合进口直线导轨方式，摆动过程中可实现无间隙传动。采用原装进口伺服电机及伺服电机专用减速机，保证了控制精度及运行的稳定可靠。该摆动机构有别于传统的偏心轮式的摆动机构，不但可以实现匀速直线摆动（保证熔深均匀），而且可以精确的调整摆动两端的停留时间。该摆动与工作台共同组成了高精度的平面两维数控系统，配合工作台的运动，不但可以堆焊出普通直线摆动耐磨板，而且可以堆焊出“S”形焊道的耐磨板。根据国外的经验，在使用同样堆焊材料的前提下，“S”形焊道的耐磨板的使用寿命要超过普通直线摆动耐磨板30%。独立焊枪升降机构、焊枪间距调整机构及水冷焊枪均加挂在该摆动机构之上。摆动机构的最大摆动速度4400mm/分钟、最大摆动宽度199mm（该参数可根据用户的实际需要进行调整，最大可以达到450mm），两侧停留时间为0.1-10秒，重复定位精度0.1mm。3.6.5 焊枪调整机构对焊枪调整机构的要求是：能够调整焊枪相对于焊道的上下、左右位置，在焊接终了，还需要转动焊枪的角度以清除飞溅到焊枪焊嘴内的焊渣。所以，要求焊枪能够沿Z轴的手动上下调整以及围绕Z轴的手动转动。另外，用他励直流电机及滑动螺旋丝杆副实现焊枪沿X轴和Y轴的自动往返移动。4 自动堆焊系统的硬件设计4.1 硬件设计方案硬件设计方案如图4-1。电路的核心是单片机，电机的驱动和调速电路用来驱动电机并调节电机速度，电机包括送丝电机，左右运动的电机，前后运动电机，摆动电机。图4-1 控制系统硬件设计方案图Fig.4-1 Design diagram of the control system hardware4.2 控制面板的设计操作面板布局如图4-2，为调节方便，设置手动和自动按钮。启动和预停（停止）共用一个按钮。图4-2 控制面板的设计图Fig.4-2 Design diagram of the control panel4.2.1 系统的硬件组成焊机的硬件系统主要组成如图4-3：图4-3 焊机的硬件系统框图Fig.4-3 Welder hardware system diagram系统硬件主要由电源部分、电机驱动部分、电机调速部分、由单片机控制的焊接时序电路部分。电机调速板输出可调脉冲信号给电机驱动板使晶闸管导通，电机驱动板将电机电枢的电压反馈给电机调速板，实现电压负反馈调节；单片机焊接时序控制板输出信号给电机驱动板，实现焊接时序控制。4.2.2 硬件系统的电源设计电源部分由两部分组成，一部分是：220V的交流电压经变压器输出123V、20V、18V、18V、18V的交流电压。20V的交流电压经整流电路提供调速板18V的同步电压；两18V的交流电压经整流电路、稳压电路后提供调速板15V的工作电压；另一18V的交流电压经整流电路、稳压电路后输出12V的直流电压给继电器供电。另一部分是：220V的交流电压经另一变压器、整流电路、稳压电路后输出5V的直流电压给单片机供电。4.3 直流电机的驱动和调速电路设计4.3.1 直流电机驱动和调速方案因为送丝速度对调速电路的要求同样满足左右，上下和前后行走速度对调速电路的要求，所以在此只拟定送丝电机的调速方案。送丝电机的调速电路是为了保证适应不同直径的焊丝和焊接对选用的送丝速度的要求，以能实现在一定的送丝速度范围内进行无级调节送丝速度。工程中较多采用下列三种调节方式：转速反馈自动调节方式、电枢电压负反馈自动调节和电枢电压负反馈配合电枢电流正反馈调节方式。采用速度负反馈调速系统，由于控制对象是转速，所以不仅可以补偿负载变化造成的转速降，而且还可以补偿网压波动造成的转速变化，控制精度很高。但是，此种调速系统成本很高；采用电枢电压负反馈，只能实现电枢电压的稳定。它可以补偿电源内阻和网压波动造成的转速变化，却不能补偿负载力矩变化造成的转速变化。它所能够达到的最佳效果即是达到电枢电压恒定不变时的电机特性，所以其硬度提高很少。但是，在焊接过程中，一般采用电枢电压负反馈就可以满足工艺要求。又因为晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标，因此在此选用电枢电压负反馈晶闸管直流调速系统，如图4-4：图4-4 电机的驱动和调速方案图Fig.4-4 Scheme diagram of motor drive and speed regulation因此，电机的驱动和调速采用晶闸管电压负反馈系统7。4.3.2 电机的调速电路由4.3.1的内容可知，电机的调速电路选择晶闸管触发电路。晶闸管触发电路如图4-5：图4-5 电机调速电路Fig.4-5 Motor speed regulation circuit由Ql等元件构成过零检测电路，使触发脉冲与晶闸管主电路的电源电压同步。AR1，C2等组成锯齿波发生器。当电源电压过零时，Ql截止.电流通过C1提供Q2基极电流，从而使Q2导通，将C2剩余电荷通过Q2放出.形成锯齿波的下降沿。AR1为积分电路，其输出：U0= （4-1）式中：R=R27，C=C2，t=0.01S。AR2和AR3及相应元件组成移相电路。AR2为比例积分电路，给定信号及反馈电压均加在该放大器的反相端。调节给定信号大小使AR3输出端电平发生变化。AR3为比较器，它将锯齿波和AR2输出电压进行比较。调节给定信号电平大小，使AR3输出端产生宽度可调的矩形脉冲。Q3、Q4、U1及相应元件组成晶闸管触发电路，触发脉冲为一脉冲列。各点波形如图4-6所示。触发脉冲具有足够的电流和电压，因为触发脉冲为一脉冲列，所以具有足够的宽度，同时从图4-6可以看出，触发脉冲的上升前沿很陡，所以此触发电路性能良好。通过示波器测量，晶闸管的导通角范围为01657。图4-6 触发脉冲波形图Fig.4-6 Triggering pulse waveform 4.3.3 电机的驱动电路电机的驱动电路主要包括以下几个部分：1）123V的交流电压经整流电路输出110V直流电压给电机励磁供电。2）123V的交流电压经半控桥整流后,输出直流电压给电机电枢供电，输出电压可调以达到调速的目的。电压的调节由调速板控制晶闸管的导通角实现，并具有电压负反馈功能。3）电机的手动运转通过手动按钮实现，自动运转通过继电器实现，继电器的吸合和释放由单片机控制。4）电机的手动正反转通过手动拨钮实现，自动正反转通过继电器实现，继电器的吸合和释放由单片机控制。电机的驱动原理图如4-7所示，由Q1、Q2、D1、D2组成半控桥整流电路。Q1、Q2的导通角由图4-5输出的晶闸管触发