[工学]小车埋弧焊机送丝机构数控化设计.doc

小车埋弧焊机送丝机构数控化设计摘要 现在市场应用最多的MZ-1000直线埋弧焊机，但它只能焊接直线形焊缝，很多情况下我们要求能够焊接曲线焊缝，并且有时要求可以焊接曲线角焊缝，这样直线埋弧焊机就没办法完成这样的要求任务。本设计通过对MZ-1000型埋弧焊机的数控化改型，利用单片机同时控制X,Z方向的步进电机，两轴联动通过插补使得埋弧焊机按预定的轨道行走，从而完成任意曲线的焊接，同时也便于实现远程自动控制。关键词:埋弧焊接；曲线焊缝；数控化ABSTRACT Now the market applies the most MZ-1000 welding machine , but it can weld the straight line sew only, under a lot of circumstances we request and can weld the curve sew, and sometimes request and can weld the curve Cape sew, the MZ-1000 welding machine has no way to complete the mission thus and straightly. Through the numerical control modification of the MZ-1000 submerged-arc welding machine, the design uses MCS-51 single chip microcomputer to control two electronic motors, which provide the movement of the direction of X and Z simultaneously .The two axes coordinate to make submerged-arc welding machine move along the designed track. At the same time, the machine achieves the long-distance automatic control.Keywords: cover up the welding ;The curve sew;The number controls to turn目录摘要41绪论61.1埋弧焊机概述61.2埋弧焊技术61.2.1 埋弧焊原理及特点61.2.2 埋弧焊的主要优点71.3埋弧自动焊机分类和结构特点81.3.1埋弧焊的分类81.3.2埋弧焊的结构特点81.3.3MZ-1000埋弧自动焊机82.机械部分92.1进给系统方案设计92.1.1 齿条、支撑杆、平衡杆的设计及校核92.1.2 进给齿轮的设计计算152.1.3蜗杆的设计和校核计算182.1.4进给轴的设计及校核202.1.5轴承校核252.1.6 步进电动机的计算和选用262.2 摆动机构方案设计272.2.1整体方案设计272.2.2 焊枪杆的结构设计283、微机数控系统硬件电路设计303.1绘制系统电气控制的结构框图303.2选择中央处理单元CPU的类型303.2.1. 89C52芯片引脚介绍303.3 I/O口扩展323.4 存储器的扩展333.4.1 程序存储器的扩展333.4.2数据存储器的扩展343.5 上位机与单片机的通讯接口电路353.6步进电机接口及驱动电路363.6.1 脉冲分配器363.6.2光电隔离和功率放大电路373.7开关接口的设计384 论文总结40致 谢41参考文献42 1绪论1.1埋弧焊机概述1焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。被连接的两个物体（构件、零件）可以是各种同类或不同类的金属、非金属（石墨、陶瓷、玻璃、塑料等），也可以是一种金属和一种非金属。金属连接在现代工业中具有很重要的实际意义。埋弧焊接是当今生产效率较高的机械化焊接的方法之一，全称是埋弧自动焊，又称焊剂层下自动电弧焊。1.2埋弧焊技术1.2.1 埋弧焊原理及特点埋弧焊是电弧在焊剂保护层下进行燃烧焊接的一种焊接方法。埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊接剂覆盖下燃烧，电弧光不外露，因而叫做埋弧焊。电弧被焊剂覆盖与空气隔离,焊接时没有弧光辐射，减轻对操作者身体的伤害。焊剂在燃烧时的冶金作用下焊缝得到有效的保护，使焊缝不产生气孔，夹渣等缺陷，焊缝质量较高。埋弧焊的小车（焊车）都装有自动变速送丝机构和行走机构，焊接时自动送丝及行走，焊缝成型美观，生产效率高，因此，埋弧焊在工业中被广泛采用。埋弧焊焊接电弧在焊丝与工件之间燃烧。电弧热将焊丝端部及电弧附近的母材和焊剂熔化。熔化的金属形成熔池，熔融的焊剂成为熔渣。电弧向前移动时，电弧力将熔池中的液体金属推向熔池后方。在随后的冷却过程中，这部分液体金属凝固成焊缝。熔渣则凝固成渣壳覆盖于焊缝表面。熔渣除了对熔池和焊缝金属起机械保护作用外，焊接过程中还与熔化金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的化学成分。埋弧焊时，被焊工件与焊丝分别接在焊接电源的两极。焊丝通过与导电嘴的滑动接触与电源联接。焊接回路包括焊接电源、联接电缆、导电嘴、焊丝、电弧、熔池、工作等环节。焊丝端部在电弧热作用下不断熔化，因而焊丝应连续不断地送进，以保持焊接过程的稳定连续进行。焊丝的送进速度应与焊丝的熔化速度向平衡。1.2.2 埋弧焊的主要优点1）所用的焊接电流大，相应的电流密度也大。加上焊剂和熔渣的隔热作用，热效率较高，熔深大。工件的坡口可以较小，减少了金属填充量。2）焊接速度高。以厚度810mm 的钢板对接焊为例，单丝埋弧焊速度可达5080cm/min，手工点弧焊则不达1013cm/min。3) 焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池金属较慢凝固。液体金属与熔化的焊剂间有较多时间进行冶金反应，减少了焊缝中产生气孔，裂纹等缺陷的可能性。焊剂还可以向焊缝金属补充一些合金元素，提高焊缝金属的力学性能，满足石油工业特别是井下作业的需求。4）在有风的环境中焊接时，埋弧焊的保护效果比其他电弧焊方法好。对环境的要求较低，适合野外作业。5）自动焊接时，焊接参数可以通过自动调节保持稳定。与手工电弧焊相比，焊接质量对焊工技艺水平的依赖程度可大大降低。6）没有电弧光辐射，劳动条件较好，可以较好的满足QHSE要求。7）焊缝质量高。因为熔渣隔绝空气的保护效果好，电弧区主要成分是CO，焊缝金属含氧量、含氮量大大降低；另外，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高，焊缝成分稳定，机械性能比较好。8)劳动条件好。除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是埋弧焊的独特优点。埋弧焊的众多优点决定了其在工业中的重要应用。11.3埋弧自动焊机分类和结构特点1.3.1埋弧焊的分类1)按用途分为通用和专用焊机。前者可以广泛用于各种结构的对接、角接、环缝和纵缝等焊接生产；后者则只能用来焊接某些特定的金属结构和焊缝。 2)按送丝方式分为等速送丝式和电弧电压调节式焊机。前者适用于细焊丝或高电流密度的情况；后者适用于粗焊丝或低电流密度的情况。 3)按行走机构形式分为小车式、门架式、悬臂式三种。通用埋弧自动焊机大都采用小车式行走机构，MZ-1000就属于这种结构形式。 4)按焊丝数量分为单丝、双丝和多丝焊机。目前国内大多用的是单丝焊机，双丝和多丝焊机是提高生产率和质量的有效途径，正日益收到重视。1.3.2埋弧焊的结构特点 1)机械结构。包括：送丝机头、行走小车、机头调节机构、导电嘴、焊剂回收器等。 2)电源。可采用交流或直流电源进行焊接，可根据产品焊接要求及焊剂型号选择电源。 3)控制系统。包括：电源外特性控制、送丝和小车拖动控制及程序自动控制（其中主要是引弧和熄弧自动控制）。1.3.3MZ-1000埋弧自动焊机MZ-1000埋弧自动焊机为发电机-电动机系统弧压反馈调节式，一些采用晶闸管控制的埋弧焊机也开始用于生产。用途：可以焊接开坡口或不开坡口的对接焊缝、角接焊缝等，这种焊缝可以位于平面或与平面成15度的斜面上。技术规格：电源电压为380V，焊接电流为400-1200A，送丝速度为0.5-2m/min，焊丝直径为3-6mm，焊接速度为15-70m/h。电路组成：由焊接电源、焊接小车拖动电路、送丝拖动电路组成。2.机械部分2.1进给系统方案设计2.1.1 齿条、支撑杆、平衡杆的设计及校核焊接机头重G1=150N，当加入焊剂的时候，焊剂中大部分是二氧化硅，密度为2.6g/cm，还有一些其它物质和空隙，可以设倒入漏斗中的焊剂的密度为2g/cm，制作7.5升的漏斗，那么焊剂G2=150N，机头总重G=300N，且距齿条杆末端距离为200mm，设齿条与平衡杆的移动速度比为2，而设计要求焊接范围在0-1500mm，由传动比可以计算平衡杆的移动范围为750mm。我们将支撑齿条和平衡杆的支座两壁的距离设为200mm，所以进给杆齿条的长度就为1700mm，平衡杠的齿条的长度为950mm。进给吃条的两端各留上150mm的光杠空间，以便安装焊接机头，这样一来进给齿条的总长度就可以设成2000mm，支撑杠长度和进给齿条的长度相同，其目的就是为了增加强度，防止进给齿条的强度不足，减少系统的挠度，所以支撑杠的长度也为2000mm；同样也在平衡杠两端留上150mm的光杠长度以便装配重，设两配重的质心距平衡杠端点各为100mm,故可以将平衡杠的长度看成1500mm。 进给齿条、支撑光杠、平衡杠的材料都选用40Cr2，其密度为7.8g/cm3,设进给齿条、支撑光杠、平衡杠是同样的截面形状，外径30mm，内径为15mm，三个杆在重力的作用下，可以看成其上受到一个均匀分布的力，这个均布载荷q的大小为3(2-1) ， (2-2)图1进给机构受力示意图 如图1：当齿条，平衡杠处于中间时，可以设整个系统的质心处于中间，则有平衡公式， (2-3) 当系统移动时，也就是齿条带动机头焊枪左右移动mm的时候，根据传动比为2，则平衡齿条相反方向移动mm，根据李学平衡公式，求质心的位置，设质心移动了则有：， (2-4)的最大移动距离就是平衡齿条可以移动的范围，即设配重的分配为带入上式 在设计小车两端轮距距离为500mm，质心始终在两轮之间，所以不会发生倾倒的现象。校核强度校核进给齿条的强度，根据现实的经验可以知道当焊接机头移动到最远处时，是进给齿条最危险的时候，故只要校核此时进给齿条的强度就可以了。对此时的强度校核如下图2齿条受力简图将均布载荷集中到进给齿条的质心位置，力的大小为， (2-5)根据力平衡得：B点的受力最大，剪切强度和接触应力校核就要校核4此点。剪切应力， (2-6)故剪切强度足够。 由于支座的材料是铝，要低于钢的强度，故要校核计算支座接触表面的挤压应力 ，支座壁厚设计为10mm，故挤压截面面积， (2-7)挤压截面应力， (2-8)铝的挤压应力取故挤压强度足够。计算抗弯强度图3齿条载荷分析图应用材料力学计算软件，可以将进给齿条上的受力简化为图3，W1为均布载荷，P1为机头重量的一半，根据齿条上的受力可以得到齿条各截面上的剪力5和弯矩图，如图3可以知道受到最大弯矩的位置是B点，弯矩大小为进给齿条的抗弯截面模量， (2-9)，为齿条外径，为齿条内径。那么齿条的弯曲应力为， (2-10)其弯曲应力远小于许应弯曲应力，所以齿条的强度足够。计算进给齿条的挠度由于均布载荷的大小相对较小可以不计算，只要计算焊接机头移动到最远处时的挠度就可以了。弹性模量E=380GPa,进给齿条的截面惯矩 ， (2-11)根据进给齿条的受力情况，由挠度公式得，其中a焊接机头到支座壁的距离，l为支座两壁的距离。挠度在我们设计的许可范围内，所以进给齿条的挠度足够。 同理，平衡齿条上的受力也和进给齿条上的情况一样，就是在焊接机头移动到最远处，即配重m1移动到最远处时是平衡齿条最危险的时候，要校核此时的强度。图4平衡齿条受力简图图4为为危险时的受力简图，将均布载荷集中到平衡齿条的质心位置，力的大小为，。根据力平衡得：， (2-12) B点的受力最大，剪切强度和接触应力校核就要校核此点。剪切应力， (2-13)故剪切强度足够。支座接触表面的挤压应力 ， (2-14)， (2-15)所以制作强度足够。计算抗弯强度图5平衡齿条的载荷分析图 同样应用材料力学计算软件，可以将平衡齿条上的受力简化为图5，W1为均布载荷，P1为m1的重量P2为m2的重量，根据齿条上的受力可以得到齿条各截面上的剪力和弯矩图，如图5可以知道受到最大弯矩的位置是A点6，弯矩大小为。平衡齿条的抗弯截面模量， (2-16)，为齿条外径，为齿条内径。那么齿条的弯曲应力为， (2-17)其弯曲应力小于许应弯曲应力，所以齿条的强度足够。2.1.2 进给齿轮的设计计算选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数1）选用直齿圆柱齿轮传动。2）速度最高在600mm/min，故速度不高，选用7级精度（GB10095-88）。3）材料选择。两个齿轮都选用40Cr（调质），硬度为280HBS。4）小齿轮的齿数为z1=32，大齿轮的齿数为z2=uz1=2*32=64,其模数取m=1.25mm，齿厚取16mm。校核两个齿轮的强度齿条和支座壁之间的摩擦系数为0.2，齿轮驱动齿条所需要的力大齿轮：小齿轮：大齿轮的校核：大齿轮齿根弯曲强度校核齿根危险截面的弯曲强度条件为， (2-18)计算载荷系数根据，7级精度，由图10-8（以下查表或图都在璞良贵的第七版机械设计书中）查得动载荷系数直齿轮，假设。有表10-3查得由表10-2查得使用系数由表10-4查得7级精度，大齿轮相对支座非对称布置时， (2-19)齿宽系数， (2-20)将数据带入上式得， (2-21)故载荷系数， (2-22)齿上受力N；齿形系数及应力校正系数，查表10-5得，；带入齿根危险截面的弯曲强度条件公式， (2-23)其弯曲强度取500MPa，所以齿根危险截面的弯曲强度足够。大齿轮齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度条件为， (2-24)为区域系数（标准直齿轮时，）；弹性影响系数；载荷系数根据上面得， (2-25)由于是齿轮齿条传动所以取1；齿轮受到的轴向力；齿宽为；齿轮的分度圆直径；将参数带入齿面接触疲劳强度校核公式得， (2-26)所以大齿轮的齿面接触疲劳强度足够。小齿轮的校核7：小齿轮齿根弯曲强度校核齿根危险截面的弯曲强度条件为， (2-27)计算载荷系数：根据，7级精度，由图10-8查得动载荷系数；直齿轮，假设。有表10-3查得；由表10-2查得使用系数；由表10-4查得7级精度，大齿轮相对支座非对称布置时， (2-28)齿宽系数， (2-29)将数据带入上式得，(2-30)故载荷系数， (2-31)齿上受力；齿形系数及应力校正系数，查表10-5得，；带入齿根危险截面的弯曲强度条件公式， (2-32)其弯曲强度取500MPa，所以齿根危险截面的弯曲强度足够。小齿轮齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度条件为为区域系数（标准直齿轮时，）；弹性影响系数；载荷系数根据上面得， (2-33)由于是齿轮齿条传动所以取1；齿轮受到的轴向力；齿宽为；齿轮的分度圆直径；将参数带入齿面接触疲劳强度校核公式得， (2-34)所以小齿轮的齿面接触疲劳强度足够。2.1.3蜗杆的设计和校核计算1.选择蜗杆传动类型根据GB/T 10085-1988的推荐，采取渐开线蜗杆（ZI）。2.选择材料根据材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度不高，故蜗杆用45钢；因希望功率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为45至55HBC。涡轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。3.选择蜗杆头数为Z1=1，模数为1.25mm，直径系数查表11-2可知，蜗杆齿宽；则蜗杆得分度圆直径为根据现场加工的要求和设计的条件暂时选择蜗杆齿数为64，则涡轮得分度圆直径为，齿厚为。4.蜗杆传动强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为， (2-35)计算载荷系数：载荷系数公式为， (2-36)使用系数，查表11-5可以知道载荷均匀，无冲击，每小时运动次数少于25次，启动载荷小，故选择；为齿向载荷分布系数，当蜗杆传动在平稳载荷下工作时，载荷分布不均的现象将由于工作表面良好的磨合而得到改善，此时可取；为动载荷系数，由于蜗杆传动一般较平稳，动载荷要比齿轮传动的小得多，故对于精确制造，且蜗轮圆周速度时，可取动载荷系数，所以，； (2-37)为材料的弹性影响系数，单位为，对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时，取，蜗杆传动的接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数，即接触系数，从图11-4中查得，由于蜗轮的分度圆直径为80mm，蜗杆的分度圆直径为22.4mm，则a=51.2mm；蜗杆传动的功率为将参数带入蜗轮齿面接触疲劳强度的验算公式为：(2-38)可以从表11-6中查到，故蜗轮的齿面接触强度足够。蜗轮齿根弯曲强度计算：蜗轮齿根弯曲强度的验算公式为， (2-39)蜗轮的载荷系数为， (2-40)蜗杆传动的功率为蜗轮齿形系数可由蜗轮的当量齿数及蜗轮的变形系数从图11-19中查得，在，变形系数为-0.5，蜗轮的当量齿数，则螺旋角影响系数， (2-41)蜗杆直径，蜗轮直径，模数为1.25mm,将上述参数带入蜗轮齿根弯曲强度的验算公式得(2-42)查表11-8得蜗轮的基本许用弯曲应力，由于，所以蜗轮的齿根弯曲强度足够。2.1.4进给轴的设计及校核图6轴的结构1.轴的结构设计1）拟订轴上零件的装配方案根据上面图示，1-2处是和齿轮连接，2-3处也是和齿轮相连，4-5处、7-8处是两个轴承，6-7处和蜗轮连接。2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）根据进给齿轮所要传递的力矩大小，初步确定，为了满足大齿轮的轴向定位，1-2轴段右端需制出一轴肩，故取2-3轴段的直径，大齿轮的齿宽为16mm，所以1-2段的长度定为。（2）由于2-3段仍然要安装一个小齿轮，为了满足小齿轮的轴向定位要求，2-3轴段右侧也需制出一轴肩，故取3-4段的直径，进给齿条的轴心和平衡齿条的轴心距离定为80mm，小齿轮的齿厚和大齿轮的齿厚都是16mm，所以2-3段长度可取。（3）3-4段轴起作用是过渡段，齿轮的位置要距传动蜗轮一段距离，其直径，长度以设计情况定为47mm。（4）初步选择滚动轴承，因轴承受到径向力和轴向力的作用，又因轴向受力不大，故选择角接触球轴承，参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承7006C，其尺寸为，故取4-5段的直径，长度取得稍微比T长些，取为，为了使轴承可以定位，所以要在右段设计一轴肩，此轴肩与轴承的内圈结合，直径要求在36mm，所以。（5）6-7段安装的是一蜗轮，其左端靠5-6段的轴肩定位，跟蜗轮配合的轴和轴肩之间的高度要满足h0.07d，取h为3mm，周环的直径为36mm，所以6-7段的轴直径可去，轴环宽度，且蜗轮距箱体内壁还要留有一定的间距，所以根据情况将轴环的长度。（6）蜗轮厚度为16mm，蜗轮的右段和轴承的左端采用套筒定位，套筒的内径与和蜗轮配合的轴相配合，轴套要伸出与蜗轮配合那段轴，所以。（7）选择右段轴承，因轴承也是同时受到油径向力和轴向力的作用，但受力又不是很大，故选择角接触球轴承。参照工作要求并根据，由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度等级的角接触滚子轴承7005C，其尺寸为，故取7-8段的直径，长度取得稍微比T长些，又因轴套要与轴承接触，取为，轴的末端有端盖定位。3）轴上零件的轴向定位齿轮和蜗轮的轴向定位均采用平键联接。按由手册查得单圆头平键截面（GB/T 1096-1990）,键长14mm；和由手册查得圆头普通平键分别是和（GB/T 1096-1990），键长都为14mm。键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证齿轮和轴配合的良好的对中性，故选择选择齿轮轮毂与轴的配合为，滚动轴承与轴轴向定位是借过渡配合来保证的。4）确定轴上圆角和倒角尺寸周端倒角为，各轴间的圆角半径为5）校核轴的强度8应用力学平衡计算齿轮和蜗轮上受到的圆周力和径向力大齿轮：，小齿轮：，蜗轮：，由轴上受力情况可以应用材料力学软件计算出轴上的弯矩图，如下：图7轴上的载荷分析图a图8轴的载荷分析图b 轴上受力可以分解成相互垂直的两个方向的分力，一个方向受到的弯矩图如图7，另个方向的弯矩图如图8。危险截面可能是在A点的轴承处也可能在和蜗轮配合的那段轴段，所以要计算两者受到的总弯矩的大小，计算如下：1）A点轴承受到的总弯矩大小2）蜗轮受到的总弯矩大小故危险截面在A点轴承处的轴段。A轴段的转矩为，进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面A）的强度。根据第三强度理论及上面的受力数值，并取，计算轴上的应力 (2-43)轴的材料是45钢，调制处理，由表15-1查得。因此，故安全。2.1.5轴承校核查滚动轴承设计手册可知7006C轴承的,;7005C轴承的，。1.求两轴承受到的径向载荷和根据上面的受力图可以得到两轴承受到的径向载荷，。2.求轴承当量动载荷和由于轴向受力相当小，所以可以直接设径向载荷系数和轴向载荷系数都为，。因轴承运转中无明显冲击载荷，按表13-6，取。则， (2-44)， (2-45)3）计算寿命：分别带入公式得：， (2-46)， (2-47)故所选轴承可以满足寿命要求。2.1.6 步进电动机的计算和选用1）转动惯量计算9：圆柱体转动惯量（kg.cm2)计算公式如下：， (2-48)对于钢材：， (2-49)故轴的转动惯量为大齿轮的转动惯量为小齿轮的转动惯量为蜗轮的转动惯量为蜗杆的转动惯量为折算到电机轴上的转动惯量，(2-50)2）电机的力矩计算：(1)快速空载启动时所需力矩， (2-51)传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(2-52)折算到电机轴上的摩擦力矩 (2-53)由于没有预紧力的作用，故取0。则快速启动时所需力矩， (2-54)根据最大静转矩选择电机型号130BF001,根据，所以选择五相十拍。2.2 摆动机构方案设计2.2.1整体方案设计 摆动机构的设计其目的主要是为了满足对角焊缝焊接的要求，又由于在焊接工作中焊枪上几乎没有工作载荷，所以对设计的零件在一定情况下不用对其进行强度校核。对于角焊缝，焊接是焊枪的枪头要始终垂直于焊缝，这就要焊枪的枪头要可以摆动一定角度，图9就是为了满足这样的要求而设计的，其工作情况是在箱体上固定一个电机，电机带动小齿轮经一级减速带动大齿轮沿垂直方向旋转，齿轮和焊枪杆是在一起的，所以焊枪杆也随着齿轮的旋转而摆动，通过控制电机的频率可以改变焊枪杆摆动的角度，从而使焊枪可以一直垂直焊缝。焊枪摆动机构的总的装配图如图9所示： 图9摆动机构装配图2.2.2 焊枪杆的结构设计方案1：参考上届同学所做，焊剂下料口与焊丝出口又一定距离，且不能转动，当要立焊或者焊缝是斜线的时候，由于焊丝在焊剂下料口后面并又一段距离，具有一定的滞后性，导致焊剂并不能铺在焊缝上，达不到焊接的条件，故改变设计方案，将焊剂下料口做称直杆状，并与焊枪杆并行捆绑，使得焊剂下料口在焊丝出口前很短的距离，当立焊的时候，可以使焊剂铺在焊缝上面了，如图10所示：缺点：当斜线焊缝的时候，如果斜率较大，焊剂就不能很好的铺在焊缝上，达不到很好的焊接要求。图10方案1设计图方案2：针对方案1的缺点，改变设计方案，将焊剂下料口包在焊枪杆外（如同焊条的焊皮一样），结构设计如图11所示：图11方案2设计图缺点：浪费焊剂，而且制作很麻烦。方案3：综合以上两种方案的优缺点，设计如图12所示，当焊缝是曲线或者是斜线的时候，焊剂业可以铺再焊缝上，达到焊接的条件，也可以减少焊剂的浪费。图12方案3设计图根据以上论述：选用方案3的设计方案。3、微机数控系统硬件电路设计3.1绘制系统电气控制的结构框图数控系统是由硬件和软件两部分组成10。硬件是组成系统的基础。有了硬件,软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指示。埋弧焊机硬件电路有以下五部分组成(1) 主控制器,即中央处理器单元CPU。(2) 总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。(3) 存储器。包括程序存储器和数据存储器。(4) 接口。即I/O输入/输出接口电路。(5) 外围设备。如开关、显示器及光电输入机等。下位机的硬件结构原理框图如图13：图13下位机硬件结构原理图3.2中央处理单元CPU的选择 本设计采用 PC 机为上位机，AT89C5211为核心的单片机系统作下位机，以MAX232作为两者间的通讯接口，目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列的单片机作为主控制器。AT89C52是一款高性能CMOS8位单片机，片内8kbytes的可反复擦除的PEROM和256bytes的RAM,功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。表2.1和图14分别介绍了芯片的特性和引脚。表2.1 89C52芯片的特性 功能配置芯片 ROMRAM定时器计数器I/O口中断源并行串行89C528KB256B216位48位1589C52芯片引脚如图14：图14 89C52芯片引脚 VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，在接有片外存储器或扩展I/O接口时，P0口分时复用，做低8位地址总线与双向8位数据总线。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，除可作为双向的输入输出口外，还具有第2功能，见表2.2 表2.2 89C52芯片引脚P3口功能说明引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD （串行输入口）TXD （串行输入口）INT0 （外部中断） INT1 （外部中断）T0 （定时器0外部输入）T1 （定时器1外部输入） WR （外部数据存储器写控制信号） RD （外部数据存储器读控制信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。 ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/VPP：当保持低电平时,接低电平时，CPU执行外部ROM中的程序；接高电平时，CPU执行内部4K ROM中的程序，超过4K时，自动转去执行外部ROM中的程序；烧写程序时，此引脚接收合适的烧写电压。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 I/O口扩展128255芯片功能简介8255是MCS51单片机常用的并行口扩展芯片之一。8255和MCS51单片机相连，可以为外设提供三个8位的并行I/O端口：A口、B口和C口，三个端口的功能完全由编程来决定。所以称做可编程并行I/O扩展接口。内部结构 图158255的引脚图和内部结构 外部引脚功能：D0-D7：数据输入/输出管脚用于传送数据和控制字PA0-PA7：A口的输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出PB0-PB7：B口的输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出PC0-PC3：C口的低4位输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出PC4-PC7：C口的高4位输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出：读信号线，低电平有效：写信号线，低电平有效：片选信号线，低电平有效，当时，选中本片8255A1、A0：端口地址选择信号，用于选择4个端口RESET：复位输入信号，高电平有效VCC：电源电压+5VGND：接地工作方式：8255有3种工作方式：方式0、方式1、方式2。其中PA口可以工作在3种工作方式之一，PB口工作在方式0、方式1，PC口只能工作在方式0.1）方式0：为基本输入/输出方式。这种方式下，PA口、PB口、PC口的低4位和高4位均可独立定义为输入或输出。定义为输出口均有锁存数据的能力，而定义为输出口无锁存能力。适合于无条件传送方式，CPU直接执行输入/输出指令。2）方式1：又称为选通输入/输出方式。在这种方式下，PA口、PB口可以当输入也可以当输出，C口的莫些位用来作联络信号。3) 方式2：又称为双向传输方式，仅仅使用于PA口，既能发送数据，液能接受数据。此时PC口又5根线用来提供双向传输所需的控制信号。3.4 存储器的扩展 在89C52单片机中，内部程序存储器的容量最大为8K，内部数据存储器的容量最大为256B，在此埋弧焊机的控制系统中，不够用，必须扩展外部程序存储器和数据存储器，扩展的最大容量为64K。针对本系统扩展一片AT28C256(32K8bit)的EEPROM,和一片HM62256（32K8bit）。3.4.1 程序存储器的扩展AT28C256管脚功能如下：A0-14：地址端：片选：输出允许：写允许：编程电压I/00-I/07：数据输入输出AT28C256程序存储器与单片机的连接方式如下：低8位地址线A0A7与P0.0P0.7（先经74LS373锁存）对应连。高7位地址线与P2.0P2.6对应相连。数据线I/O0I/O7与P0.0P0.7对应相连。（输出允许）与（外部程序存储器的选通信号）相连。与单片机的相连。片选与P2.7相连。 图16 存储器的扩展电路3.4.2数据存储器的扩展 在本设计中选用的外部数据存储器为HM62256，地址线和数据线的连接方法与28C256相同，具体接线方法如图16所示。控制线的连接如下：（数据存储器读信号）和（单片机的片外数据读信号）相连。（数据存储器写信号）和（单片机的片外数据写信号）相连。（数据存储器片选信号）和P2.7。埋弧焊机数控系统地址分配如表2.3 表2.3全地址译码器件 地址选择线片内地址单元数 （字节）地址译码HM622561* * * *32K8000HFFFFH28C2561* * * *32K8000HFFFFH82550111 1111 1111 11*47FFCH7FFFH3.5 上位机与单片机的通讯接口电路步进电机的控制需要三个参数：1启动电机工作与停止电机工作信号；2步进电机转向信号；3电机脉冲数的控制。如果我们欲通过计算机对步进电机进行控制，就必须向步进电机输送三路信号，通过这三路信号分别实现上述三个参数的传送。而要实现这些工作就需要我们设置硬件电路作为连接计算机与步进电机的接口。从中我们不难看出计算机对外设的控制实际上是实现计算机与外部设备之间的通讯，这种通讯既需要开发硬件设备，即在计算机与外设之间架起一座桥，又需要由软件制定通讯协议加以管理。 计算机提供了两种标准的接口与外设进行连接：并行接口与串行接口。并行接口受传输距离的限制，距离过长，干扰太大，易出错。由于埋弧焊机的控制信息的传输对速度要求不高，因此选择串行通讯。本设计采用MAX232和一个九针的串口将上位机与单片机建立起通讯。 MAX232芯片包含两路驱动器和接受器，芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232接口所需的10V电压，尤其适用于没有12V的电电源系统。具体连接方法如图16所示。1）C7,C8,C9,C10；外接电容。2）R1IN,R2IN:2路RS232C电平输入。3）R1OUT,R2OUT：2路转换后的TTL电平输出，送RXD接受端。4）T1IN,T2IN:2路TTL电平输入，接TXD发送端。5）T1OUT,T2OUT:2路转换后的RS-232输出，接传输线。6）V+:接去藕电容C11，电容接电源+5V。7）V-:接地。 图 17上位机与单片机的通讯接口电路3.6步进电机接口及驱动电路13 由于焊接对轨迹精度的要求不是高，本设计采用步进电机开环控制。埋弧焊机焊枪的运动轨迹由三个步进电机控制X,Z方向的电机和用于焊接角缝的角度调整的Y电机。X,Z向电机分别选择75BF003，通电方式选择均为三相六拍的通电方式A-AB-B-BC-C-CA和130BF001，通电方式选择五相十拍的通电方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A。由脉冲分配器实现步进电机各相脉冲的通电顺序。为避免强电对弱电的干扰，在分配器与功率放大电路间采用光电隔离电路。步进电机控制的控制框图如图17控制指令脉冲 分配器步进电机光电隔离电路功率放大电路 图17步进电机控制的控制框图3.6.1 脉冲分配器 控制脉冲通过脉冲分配器控制步进电机都电机绕组按一定的顺序接通，断电。使电机绕组按输入脉冲的控制而循环变化。分环器有软件环分器和硬件环分器。软件环分器的优点是硬件简单，但占用软件的运行时间。故只适合用于速度要求不高的简单数控系统。因此本设计采用硬件环分器，选用YB013进行脉冲分配，它执行速度快，可靠性高。YB013的连接如图18 所示。图18脉冲分配电路管脚连线说明： A0=1,A1=1,励磁方式控制选择三相六怕的通电方式。即A-AB-B-BC-C-CA。选通输出控制分别接单片机的P1.3和P1.4控制是否输出脉冲。决定是X电机还是Z电机输出脉冲。 ，始终接地，输入脉冲许可。 复位端接P1.3,以防乱相。 时钟输入端接P1.0,决定步进电机的旋转速度。 正反转控制端接P1.1，决定步进电机的旋转方向。3.6.2光电隔离和功率放大电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安培到几十安培），如果将口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的正常运行，重则导致计算机接口电路损坏。必须加光电隔离电路。由于脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足电机的要求，必须将它放大以产生足够大的功率驱动步进电机的正常运转。光电隔离电路与功率放大电路如图19图19光电隔离电路与功率放大电路光电隔离与功率放大的工作原理如下：在控制脉冲加到光电耦合器OT的输入端期间，晶体管VT1导通，并使VT2和VT3导通在VT2导通瞬间，脉冲变压器T1导通，线圈中感应出一个正脉冲，使大功率管VT4导通同时由于VT3导通，大功率晶体管VT5也导通。于是绕组中有电流流过，步进电机旋转，由于是感性负载，其电流在导通后逐渐增加，但其增加到一定值时，在检测电阻R10上产生的压降将超过分压电阻R7和R8所设定的电压值，使得比较器OP翻转，输出低电平使得VT2截止。在VT2截止瞬间，又通过T1将一个负脉冲交连到二次线圈，使得VT4截止。于是电源通路被切断。W中储存的能量通过VT5,R10及二极管VD7释放，电流逐渐减小。但电流减小到一定值后，R10上的电压又低于R8上的电压，使得OP输出高电平，VT2,VT4及W重新导通。在控制脉冲持续期间，上述过程不断重复。当控制脉冲撤销后，VT1VT5等相继截止，W中的能量则通过VD6，电源，地和VD7释放。3.7开关接口的设计 本设计对于键盘采取了两种访问方式，一种是查询方式,一种是中断的方式。在本设计中：对于行程控制及手动方式按键等，使用频率不高，相对不是特别重要的按键采取的访问方式是中断，提高控制微机的工作效率。而对于启动，暂停，回零解除超程等直接关系机床运行状况的按键采取查询的方式，对整