（农业机械化工程专业论文）随焊锤击设备自动控制系统研究.pdf

摘要 焊接是一种重要的材料加工工艺，是现代制造业的重要组成部分，它广泛应用 于国民经济的各个领域，为工业经济的发展做出了重要贡献。然而，多数焊接过程 不可避免得会在工件内产生复杂的焊接残余应力、裂纹、气孔等缺陷，从而降低了 焊接结构的性能，影响了焊接质量。 消除焊接应力、防止裂纹产生是焊接领域广泛关注和研究的重要课题之。通 过多年的潜心研究，人们提出了热处理法、锤击法、随焊碾压法等多种鞘除和降低 残余应力方法。随焊锤击是近些年发展起来的焊接新技术，它在成功防裂的前提下， 不仅能够将焊接纵向及横向收缩变形控制在极低的水平，而且可以根据实际需要， 对焊接接头的不同部位进行锤击强化，从而真正实现动态低应力、小变形、无热裂 焊接。 为了实现随焊锤击系统低成本、高质量、高效率的目的，在前期的研究基础之 上，对随焊锤击自动化控制系统进行了研究。首先，通过改进电磁锤的结构，增大 通电电流，实现了增大锤击力减小电磁锤体积的目的。设计了装卡机构，带动电磁 锤和红# t - 狈k j 温仪根据控制信号前后移动，寻找合适的锤击位置。其次，以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，以电磁锤作为随焊锤击设备，利用非接触式在线红外测温仪对焊道 跟踪采温，步进电机作为驱动装置，构成了由温度采集、步进电机控制、锤击参数 控制和系统基本配置等模块组成的硬件电路。采用模块化设计思想，高级编程语言 k e i lc 结合汇编语言编写了主程序、初始化程序模块、焊接温度采集程序模块、步 进电机驱动程序模块、锤击参数控制模块等程序。最后，鉴于在焊接环境中存在强 噪声、弧光、电磁等诸多外界环境的干扰，为保证单片机系统的可靠运行，结合焊 接的实际情况，从硬件和软件两个方面分析了系统存在的干扰，并运用了有效的抗 干扰措施。 随焊锤击试验表明，本控制系统能根据具体的焊接温度适时锤击，装卡机构的 往返运动和锤击位置的确定都采用步进电机执行，因此执行精度高，能快速启停， 且没有累计误差。采用a t 8 9 c 5 2 单片机最小系统设计方式，软硬件抗干扰措施得 力，控制系统运行稳定，实现了随焊锤击自动控制的目的，且系统操作灵活、方便、 准确性高。 关键词：随焊锤击；焊接缺陷；锤击装置；温度采集；单片机；参数控制；抗干扰 s m d y o na u t o m a t i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fw e l d i n gw i t h t r a i l i n gp e e n i n ge q u i p m e n t a u t h o r ：y uf e n g - k u n s u p e r v i s o r ：m ay u e - j i n m a j o r ：a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t n l ew e l d i n gi so n ek i n do fi m p o r t a n tm a t e d a lp r o c e s s i n gc r a f t ， a n dw h i c hi st h e i m p o r t a n tc o n s t i t o e n to fm o d e r ni n d u s t r ym a n u f a c t u r et e c h n o l o g y i ti sa p p l i e di ne a c h d e p a r t m e n to fn a t i o n a le c o n o m yw i d e l v h o w e v e r ，n 峙o v e r w h e l m i n gm a j o r i t y w e l d i n gp r o c e s sa l lc a ne n g e n d e rc o m p l e xw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s ， c r a c k ，b l o w h o l e a n ds oo ni nt h ew o r kp i e c e ， w h i c hr e d u c e dt h ew e l d i n gs t r u c t u r ep e r f o r m a n c e ， a f f e c t e dt h ew e l d i n gq u a l i t y i ti so n eo f t h ew e l d sd o m a i nw i d e s p r e a da t t e n t i o na n di m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c st o e l i m i n a t ew e l d i n gs t r e s sa n dr e d u c ew e l d i n go r a c l et h r o u g hc o n c e n t r a t i n go ns t u d y m a n yy e a r s ，p e o p l ep r o p o s e sm a n ym e t h o do f r e d u c i n go re l i m i n a t i n gw e l d i n gs t r e s s ， i n c l u d i n gt h eh e a tt r e a t m e n t ，p e e n i n gm e t h o d ，a l o n gw i t hw e l d st h er o l l e rc o m p a c t i o n a n ds oo n 。w e l d i n gw i t ht r a i l i n gp e e n i n gb e c , o m e saw e l d i n gn e wt e c h n o l o g yi nt h e r e c e n ty e a r s ，i tg u a r d sa g a i n s tt h ec r a c ki nt h es u c c e s s 勰t h ep r e m i s e ，i tn o to n l yc a n c o n t r o ll o n g i t u d i n a la n dt h et r a n s v e r s ew e l ds h r i n k a g ed i s t o r t i o ni nt h ee x t r e m e l yl o w l e v e l ，b u ta l s oc a r r yo np e e n i n gs t r e n g t h e n i z a t i o ni nt h ed i f f e r e n ta r e ao f w e l d e d j o i n t ， w h i c ha c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d t h u si tr e a l i z e st h ed y n a m i cl o ws t r e s s 。t h es m a l l d i s t o r t i o n ，t h en o n - t h e r m a lc r a c kw e i d i n gt r u l y i no r d e rt or e a l i z et h e1 0 wc o s t ，h i g hq u a l i t ya n dh i g he 丘i c i e n e y ，t h i ss u b j e c ti s b a s eo np r e d e c e s s o r sr e s e a r c hf o u n d a t i o nt os t u d ya u t o m a t i z a f i o nc o n t r o ls y s t e mo f w e l d i n gw i t ht r a i l i n gp e e n i n g f i r s t ，t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n te l e c t r o m a g n e t i s m h a m l n e rs t r u c m r ea n di n c r e m e n tt h ec o i lc u r r e n t ，t h eh a m m e rs t r e n g t hw a si n c r e a s e d a n dt l l ee l e c t r o m a g n e t i s mh a m n l e rv o l u m ew a sr e d u c c d t h el o c o m o t o r yh o i d i n gd e v i c e w h i c hm o v e sc o m e - a n d - g ow i t he l e c t r o m a g n e t i s mh a m m e ra n di n f r a r e ds e n s o rw a s d e s i g n e dt ol o o k i n gf o rs e e m i n g l yp e e n i n ga r e a t h ea t 8 9 c 5 2s i n 百e c h i pi sc o n t r o l s v s t e mc o r e n ee l e c t r o m a g n e t i s mh a m m e ri sp e e n i n gd e v i c e n l et e m p e r a t u r e p a r a m e t e rw a sg a t h e r e db yi n f i a r e ds e n s o rw h i c ht r a c k e dt h ew e l d ，s t e p p i n gm o t o r w e r eu s e d 鹊d r i v i n gd e v i c e 弧l cm a i nc o n t r o lc k c m tw a sm a d eu po fp i c k i n gu pt h e t e m p e r a t u r eu n i t ，p e e n i n gp a r a m e t e rc o n t r o lu n i t ，s t e p p e rm o o rc o n t r o lu n i ta n d s y s t e r mc o n f i g u r a t i o nu n i ta n ds oo n f i n a l l y ，i no r d et op r o t e c ts y s t e r mf o r ms t r o n g n o i s e ，a r ca n de l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e ，啊姆i n t e r f e r e n c ei ns y s t e r mw a s a n a l y s e df r o ms o f t w a r ea n dh a r d w a r ea s p e c tb yu n i t i n gw i t hp r a c f i c a ls i t u a t i o n t h r o u g he x p e r i m e n to f w e l d i n gw i t l lt r a i l i n gp e e n i n g ，i ts h o w st h a tt h i ss y s t e n ni s 曲l et oh a m f i - l e ra tt h em o m e n ta c c o r d i n gt ot h ec o n c r e t ew e l d i n g s t e pm o t o t w a su s e d t od r i v eh o l d i n gd e v i c et om o v ea n dl o o kf o rp e e n i n gp o s i t i o n i th a sh i g he x e c u t i o n p r e c i s i o n 。h i g ho i l o f f v e l o c i t ya n ds m a l ls u m m a t i o ne r r o r a t 8 9 c 5 2m a k et h es m a l l e s t m o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ts y s t e m s e e m i n g l ys o f t w a r ea n t i - j a m m i n gw a yw a su s e d ， a l ls y s t e r mh a ss t a b l er t m i n gs t a t e s t h ea u t o m a t i o nc o n t r o lo fw e l d i n gw i t hw a i l i n g p e e n i n gw a s c a l n et r u e o p e r a t i o nn i m b l e ，c o n v e n i e n t ，h i g ha c c u r a c yi sc h a r a c t e r i s t i c o f a l ls y s t e r m k e yw o r d s ：w e l d i n gw i t ht r a i l i n gp e e n i n g ：w e l d i n gd e f e e t ；p e e n i n gd e v i c e ： t e m p e r a t u r eg a t h e r i n g ；s i n g l e c h i p ；p a r a m e t e rc o n t r o l ；a n t i - j a m m i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑i 垦盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j 同牢签字日期：7 唧年月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑a 垦盔些盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑i 垦盔些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孑旺。婶 签字日期：矽年月_ 了日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：疲也 ! ! ! i - 字i i i i ：峒年b 只7 日 电话： 邮编： 史 随焊锤击设备自动控制系统的研究 1 1 课题背景及选题意义 1 引言 焊接是一种重要的材料加工工艺，是现代制造业的重要组成部分，它广泛应用 于国民经济的各个领域，为工业经济的发展做出了重要贡献。在人类引以为自豪的 各个领域，如航空航天、核能利用、电子信息、海洋钻探、高层建筑等，都利用了 焊接技术的优秀成果。然而，绝大多数焊接过程都是在焊件的局部区域进行，这种 局部的不均匀加热与冷却的过程导致焊接温度场的分布极不均匀，温度变化范围 大，同时伴随着相变，使焊件各部位产生了不同程度的膨胀和收缩，从而不可避免 的产生了复杂的焊接残余应力。焊接残余应力是影响焊接结构性能、安全可靠性和 制造工艺性的重要因素，对焊接结构的质量有非常不利的影响。由于残余应力的存 在使得构件的强度降低、工件疲劳极限下降，造成应力腐蚀和脆性断裂，产生热裂 纹、冷裂纹：使用中随着残余应力的松弛，使构件产生变形，影响了构件的尺寸精 度等。残余应力的脆性破坏在焊接中最易发生，它经常会导致焊接裂纹而使焊件大 批报废1 1 。 因此，消除焊接应力、防止裂纹产生是焊接领域广泛关注和研究的重要课题之 一。通过多年的潜心研究，人们提出了热处理法、锤击法、振动法、抛丸处理法、 机械拉伸法、随焊碾压法、超声波冲击法等多种消除和降低残余应力方法。锤击处 理消除焊接残余应力是使被处理金属通过锤击，在体内局部产生一定的塑性伸长， 释放焊接过程产生的残余拉伸弹性应变，从而达到释放焊接残余应力的目的【2 】。锤 击处理作为一种动态消除应力的方法，和其它消除应力的方法相比，操作简单、施 工方便、效率高，可以节省能源，降低成本，在一些材料( 如铸铁) 的焊接中得到了 广泛的应用。随焊锤击是近些年发展起来的焊接新技术，它在成功防裂的前提下， 不仅能够将焊接纵向及横向收缩变形控制在极低的水平，而且可以根据实际需要， 对焊接接头的不同部位进行锤击强化，从而真正实现动态低应力、小变形、无热裂 焊接【l 】 哈尔滨工业大学刘雪松、徐文立等将随焊锤击技术应用于铝合金薄板的焊接应 力与变形控制，有效地降低了焊接纵向残余应力和挠曲变形。但目前，对于随焊锤 击的研究仅限于利用锤击的方法来完善焊接工艺，对自动化随焊锤击控制系统的研 究未见有报道。近年来，王希望、赵建国等人分别对气动锤击系统和可调电磁锤击 系统进行了研究，并取得一定的成果。 为了实现锤击设备低成本、高质量、高效率的目的，在前期的研究基础之上， 对锤击装置进行了改进，利用单片机作为控制核心，预存焊接锤击参数，红外测 温仪跟踪采集焊道温度，步进电机作为动作执行部件，构成了由温度信号采集单元、 锤击力和锤击频率控制单元和步进电机控制单元组成的随焊锤击自动化控制系统。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 这种新型设备的研制不仅可使锤击处理工艺趋于规范化，而且能进一步提高锤击消 应力的机械化自动化程度，为深入研究锤击消应力的机理提供了较为理想的手段。 1 2 锤击处理的研究现状 锤击处理是一种非常有效地消除焊接应力方法。它不仅可以有效地降低焊接残 余应力，甚至可以在锤击处理金属表面及一定深度范围内形成压应力区，从而改变 焊接区的应力状态。针对锤击处理，许多学者对其消应力的原理也提出了各咱的观 点。 一 目前，实现随焊锤击功能消除应力的方案主要有以下几种： ( 1 ) 手锤锤击：早在8 0 年代，河北农业大学的张建华教授，就成功进行了铸铁 冷焊的锤击消应力的研究i s 。他采用自制的尖锤，在焊缝处温度为4 0 0 1 0 0 0 。c 时， 通过手工锤击焊缝及近缝区，有效的防止铸铁熟裂纹的出现。他指出锤击时，应尽 量使锤击频率高，而锤击力不要过大。通过此种方法他还成功的焊接了高锰合金， 高铬合金等材料。此种方式劳动强度大、效率低，受工作人员的技术和知识限制， 可重复性较差，且只被少数人掌握。 ( 2 ) 冲击枪锤击：天津大学王东坡等人研究了一种冲击枪，利用超声变幅杆带动 几根钢针产生的往复机械运动对焊接接头的焊趾等部位进行焊后冲击处理，有效的 改善了焊件的接头疲劳强度。一些研究资料也表明，利用超声变幅杆带动几根钢针 高速冲击焊接接头的过渡区等部位，能够细化该部位的晶粒，明显地改善焊接接头 的疲劳性能l 叫。但由于目前超声发生器的功率一般较小，钢针的冲击作用难以使得 金属焊件产生较大的压缩塑性变形，导致控制焊接变形、防止焊接热裂纹的效果不 够理想。若超声发生器的功率较大，发热问题就会变得相当突出，不得不考虑相应 的冷却手段，这在一定程度上加大了制造难度，而且超声发生器的暂载率也不能太 大，不适于长期持续工作。并且该方法设备比较复杂，制造成本相对较大，而且属 于焊后处型钔。 ( 3 ) 电动锤击：我国学者李臻等人用z i c - 1 6 型电动锤锤击焊趾，锤头用工具钢 制成，试验研究了经锤击的1 6 m n 钢对焊接接头的带存活率的疲劳寿命估算模型嘲。 西南交通大学苏彦江等人采用z i 1 6 型电动锤，试验研究了1 6 m n q 钢焊接接头试件 在不同缺口长度下，经锤击处理前后，缺口处疲劳裂纹的萌生寿命及扩展寿命的变 化，分析测试了焊接接头在锤击处理后的残余应力分布。电动锤击的频率可调性好， 但设备较庞大，锤击的距离较小，价格较贵；安装时受设备空间的限制。 ( 4 ) 磁致伸缩方式：利用磁致伸缩材料在外加磁场的作用下自身长度可显著伸长 和缩短的特点，实现振动锤击的目的。目前，稀土超磁致伸缩材料具有较高的磁致 伸缩系数九，大约为1 5 0 0 - 2 0 0 0 p p m ，是传统磁致伸缩材料的4 0 倍，e , f e 陶瓷( p z t ) 的5 - 2 5 倍【lo j 。但其伸长量相对来说还是非常小，磁致伸缩效应的最大应变为1 0 0 左右【i ”，难以满足防止焊接热裂纹、控制焊接变形的要求，并且价格也是相当昂贵。 2 随焊锤击设各自动控制系统的研究 ( 5 ) 气动随焊锤击方式：该方案是通过压缩气体作为动力来实现锤击目的。哈尔 滨工业大学徐文立等人为克服采用冶金方法防止焊接热裂纹存在的不足，从力学角 度出发，提出了随焊锤击的焊接新工艺。以高热裂敏感性材料l y l 2 c z 薄板作为研 究对象，采用气动锤，在自行研制的变拘束度试验夹具上进行焊接试验，并对不同 工艺条件下焊接接头的显微组织进行了研究【u 4 1 。该方案的特点是设备简单，结构 紧凑，锤击力较大，但使用气动锤击需要空气压缩机为其提供动力，这样不仅不容 易实现锤击力和频率的有效调节，而且还增了随焊锤击系统的附加设备。 ( 6 ) 电磁随焊锤击方式：该方式是利用锤击力和锤击频率可调的电磁锤作为随焊 锤击装置，通过调节电磁线圈电流和通断频率实现锤击参数的调节。河北农业大学 的赵建国等人利用电磁随焊锤击在n u - 3 0 0 1 型振动堆焊设备上对2 0 钢4 0 c f 进行 了焊接试验。该装置操作方便，使用灵活，其主要特点是锤击力和锤击频率均可独 立调节，两者互不影响。但电磁锤体积较大、输出的锤击力和电磁锤通电电流调节 范围较小。 现有的随焊锤击设备，采用了气动锤击和电磁锤锤击方式。气动和电磁锤锤击 设备均是手动随焊锤击装置，生产效率较低，调节参数容易产生误差，降低了锤击 处理的质量。并且这些锤击方式虽然能实现对锤击频率和锤击力的调节，但如果锤 击力、锤击频率调节不当不仅达不到消除焊接应力的目的，甚至可能出现其它的焊 接缺陷( 如：微裂纹) 。因此，目前的随焊锤击设备仍受工作人员经验和知识的限 制。本课题采用改进的电磁锤作为随焊锤击的锤击装置，通过多次的试验找出焊接 参数和锤击参数之间的优化关系，预存于控制系统内存中，通过控制系统的调用， 从而实现随焊锤击设备的自动化控制。 1 3 本课题主要研究的内容 针对目前电磁锤体积较大，输出的锤击力与输入电流的调节范围较小、夹装设 备不能移动等缺陷，课题首先对随焊锤击装置电磁锤结构和装卡机构进行了改进； 通过对焊接温度场数据的采集，使电磁锤的锤击频率、锤击力和锤击位置能根据焊 接温度场的实时参数的变化不断调整，从而实现自动化随焊锤击的目的。以下是控 制系统的整体设计示意图如图1 所示： 本课题的主要研究内容如下： 1 电磁锤和装卡机构的结构改进和设计。 2 焊接温度采集电路的设计。 3 步进电机控制电路的设计。 4 锤击参数控制电路的改进。 5 整体电路的软件设计。 6 控制系统的抗干扰设计。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 4 苦 撩 母却 窖 障 l _ _ - l l - - - 4 号l 曩 苕 嗡 琶 土 妇 堇 。 久 疆 巍 电 呈 廿 、j _ - - 皂 考 蠢 负 番 罨 功 土 b -耄t - - - - - 磊 爵 豳i 控制系统总体设计示意图 f i g 1c o l l e c t i v i t yd e s i g ns c h e m a t i cd r a w i n g o f c o n t r o ls y s t e m 随焊锤击设备自动控制系统的研究 2 随焊锤击装置的改进设计 为了改善原有随焊锤击设备体积较大，输出的锤击力与电磁锤通电电流的调节范 围比率较小、装卡机构不能移动的局限性，满足体积减小、重量减轻，锤击形成的压 应力能有效抵消焊接产生的拉应力，锤击参数随控制电路要求而改变，增大电流的变 化范围，电磁锤和红外测温仪能根据检测温度在一定距离内移动的目的。对电磁锤和。 装卡机构的结构进行了设计。 2 1 随焊锤击装置组成 本试验装置由电磁锤、装卡运动装置和控制装置三大部分组成。电磁锤是实施 锤击的执行机构；装卡运动装置实现电磁锤和温度传感器的装卡和锤击位置的确 定；控制装置则完成控制电磁线圈的通电时间和电压导通角的大小，实现锤击力和 锤击频率的调节的功能。 2 1 1 电磁锤的结构选择及工作原理 电磁锤作为消除应力的主要装置，由静铁、储能弹簧、电磁线圈、锤杆、导向 管和绝缘材料等部分组成。电磁锤的结构如图2 所示。静铁作为电磁锤的导磁回路， 它是用软磁材料即矫玩磁力小，磁导率高的硅钢片叠制而成硅钢片是一种含硅量 阕默 鋈雾 - i ，静衔铁2 、电艘13 辱向f4 啊融材料5 ，电凇2 “蕾扦7 ，储糖弹簧 国2 电磁锤结构冒 f i 9 2s m e t u t e d r a w i n g o f e l e c t r o m a g n e t i ch a m m a 在5 以下的铁硅合金，一般含硅量在2 3 - 3 6 。铁中加硅，增加了铁的电阻率 l 2 3 4 5 6 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 降低涡流和磁滞损耗及提高磁导率，铁心材料的磁导率越高，制成的电磁铁尺寸 愈小l i ”，从材料的特性和结构两方面考虑，选硅钢片作为静铁的制作材料；锤杆 既作为二级磁路的铁芯又是施加锤击力的锤击部件，因此选用既有一定的硬度、磁 导率又高的工业纯铁来制作；电磁线圈则是由普通的漆包绝缘的铜线绕制。 其工作原理：电磁线圈1 和电磁线圈2 的绕向相反，通电电流方向一致，电磁 锤在工作时，线圈l 始终通电。当线圈2 断电时，由于电磁吸力的作用锤杆被吸引 向上移动，与上部静铁接触，同时压缩储能弹簧储存能量，为实施锤击作准备；当 线圈2 通电时，锤杆由于受到电磁斥力的和弹簧储能力的作用迅速向下移动锤击工 件，使工件受锤击的部位产生塑性变形，实现一次锤击。 2 1 2 锤击力与锤击电流关系的确定 锤击力的大小是影响焊接应力消除程度的关键因素之一，锤击力又与线圈通电 时的电磁力有关。然而，电磁力又由线圈的匝数、通电电流等因素决定，电磁锤一 旦制作完成线圈匝数便固定不变，要想改变电磁力的大小，就要改变线圈的电流大 小。因此，有必要确定电磁力与线圈电流的对应关系，计算电磁力的大小。 l 、线圈l 产生电磁力的计算 由于线圈1 的电磁场类似于螺管式电磁阀，电磁力的计算可借助螺管式电磁阀 电磁力的计算方法求得理论值。螺管式电磁阀电磁力的计算公式【1 6 】为： 根据u = r i ，所以上式可写为： 式中： 为空气磁导率，g o = 4 ，r x l 0 。亨米 s 。为气隙面积( r a m 2 ) 荪为漆包线直径( m m ) d l 为绕线外径( r a m ) b 为绕线轴直径( n u n ) 占为气隙长度( m m ) p 为铜的电阻率，大小为0 0 1 7 8 q 删一m 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 随焊锤击设备自动控制系统的研究 i 、r 分别为电流和电阻 在本系统中应用的参数值，其s o = 7 8 5 3 舢0 ，磊= o 5 衄，d 1 + d 2 = 1 5 0 衄， 8 = 1 0 i n m ，r = 1 0 f 2 。通过计算电磁力理论值f = i o s l 2 n 。实验所的数值为f = 1 0 9 6 1 2 n 。 2 、线圈2 产生的电磁力的计算 线圈2 的结构类似于螺旋管式电磁铁，电磁力的计算可借助螺管式电磁铁电磁 力的计算方法求得理论值。螺管式电磁铁电磁力的计算公式叼为： 哮祸 糕+ 希与 沼3 ， 式中： m 为整个磁路的磁通量，i n = 庐r ( 、) l ，b ) 为空气磁导率，u o = 4 7 r 1 0 。( i - i m ) r j 为工作空气隙磁阻( q ) ，r d = 志 ，么为锤杆顶端直径( n 皿) ，d 为锤杆底端直径( 舢) 万为气隙长度( m m ) 位为铁心形状的角度( 度) 在本系统中应用的参数值，其n = 1 0 3 5 匝s 。= 2 0 1 7 m m 以= 2 5 r a m ，d - - 1 6 m m ， 8 = 1 5m t l a ，r = 2 0 f 2 。通过计算电磁力理论值f = 1 7 2 1 2 n 。 通过比较可以看出，线圈2 的电磁力和电流的比率较线圈l 大，增大线圈2 的 电流对锤击力的增大效果明显。因此根据现有的两线圈电磁力与电流之间的关系， 将线圈1 的电流和匝数固定不交，只要改变线圈2 的电流大小，使线圈2 克服线圈 1 的电磁力、弹簧的储能力、锤杆本身的重力，即可实现有效锤击的目的。 2 2 装卡机构的设计 装卡运动装置带动电磁锤和红外传感器根据控制信号前后移动，寻找合适的 锤击位置。它主要由夹具、丝杠副和步进电机等部件组成。装卡运动装置示意图如 图3 所示： 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 3 8 6 1 电磁锤罡夹 2 在线缸并嗣量仪爰亮 3 轴袍4 垃扛t 请董n 步琏电抑齿转捌8 鹰崖 图3 装卡运动装置示意圈 f i 9 3s k e t c h m a p o f c l a m p 2 2 1 传动装置的选择 l 、丝杠的选用 作为传统滑动丝杠的迸一步延伸发展，滚珠丝杠由于其高效率、温升少、高精 度、高速度、高刚性、可逆性、长寿命、低能耗、同步性、高灵敏度、无间隙、维护 简单等优点，在当代传动伺服机构中得到广泛应用【1 8 】。由于焊接温度场的变化速度很 快( 对于埋弧焊理论计算平均3 0 c s ) ，本系统有效地温度变化范围为1 0 0 ，从传 感器采集信号到步进电机通过丝杠带动电磁锤运动并实施锤击的时间要控制在2 。3 s 之间，所以要有高速度、高灵敏度、低功耗的传动副，考虑本系统的要求和滚珠丝杠 的特点，选用l l 3 2 0 6 ，公称直径为3 2 m m ，螺距l = 6 m m 的滚珠丝杠作为本系统的传动 副，步进电机经传动比为3 2 ( 被动齿轮为3 0 齿，主动齿轮为2 0 齿) 的齿轮副降速后 与滚珠丝杠相联，丝杠螺母带动执行部件作直线移动。 2 2 2 控制电机的选择 机电控制系统一般以机械位置、速度、加速度为控制对象，其控制指令经变换 与放大后，通过伺服系统转化为机械执行部件的准确位移、速度，并保证动作的快速、 准确和高效率【1 9 】。控制电动机是伺服系统中最关键的部件，其作用在于跟踪指令脉 冲运动，产生功率输出，并使输出量能够准确迅速的复现输入量的变化，整个伺服系 统的调速性能、动态特性、运动精度等均与控制电动机有关，控制电动机是机械系统 的基本要素，是伺服系统必备的部件。 1 、系统的控制要求 系统由单片机作为主控器件，利用步进电机带动测温和锤击装置移动，寻找合 适的锤击位置，实施有效的锤击。因此系统对控制电机的要求如下： ( 1 ) 应能适应频繁启动、停止、制动、反转以及连续低速的工作要求； 8 随焊锤击设各自动控制系统的研究 ( 2 ) 电动机应具有良好的快速响应能力，较大的转矩和较小的时间常数； ( 3 ) 要求电动机自身稳定性好，振动和噪音小，另外，正反转特性应相同： ( 4 ) 要求控制性能良好。控制信号与转矩( 速度) 之比高并且稳定，位置控制精度 高，低速运转平稳，分辨率高，调速范围宽； ( 5 ) 可靠性高，寿命长。 2 、步进电机的确定 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步迸驱动器接收到一个 脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步距角”) ， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移 量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度 和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机区别于其他控制用途电动机的最大特 点是，它接收数字控制信号( 电脉冲信号) ，并转换成与之相对应的角位移或直线 位移【2 l j 。它本身就是一个完好的数字模拟转换的执行元件。这种系统比较简单， 控制比较容易，维修也比较方便，而且它可开环位置控制，输入一个脉冲信号就得 到一个规定的增量位置控制系统与传统的直流伺服系统相比，其成本明显降低，几 乎不必进行系统调整，因此，随着运动控制系统数字化到来，步进电动机的应用日 益广泛。 步进电机有步距角( 涉及到相数) 、静转矩及电流三个主要选择参数。 ( 1 ) 步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率( 当量) 换算到电 机轴上，每个当量电机应走多少角度( 包括减速) 。电机的步距角应等于或小于此 角度。目前市场上步进电机的步距角一般有o 3 6 度o 7 2 度( 五相电机) 、0 9 度1 8 度( - - 、四相电机) 、1 5 度乃度( 三相电机) 等。 ( 2 ) 静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩 选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯 性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时( 一般由低速) 二种负载均要考 虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行主要考虑摩擦负载。一般情况下，静 力矩应为摩擦负载的2 3 倍为好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下 来( 几何尺寸) 。 ( 3 ) 电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特 性曲线图，参考驱动电源、及驱动电压，判断电机的电流。 根据以上系统对控制电动机的基本要求和步进电机的选用原则，经过对电机参 数的测算。最终确认选用8 5 b y g 4 5 0 b ，其步距角为o 9 1 8 。，最大静转矩为2 8 n m ， 驱动电压为d c ( 4 0 - 6 0 ) v ，相电流为2 a 的两相混合式步进电机作为本系统的控制 电机。 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 控制系统硬件电路的设计 系统以a t 8 9 c 5 2 单片机为核心，以自行设计的电磁锤作为随焊锤击设备，利 用非接触式在线红外测温仅对焊道跟踪采温，步进电机作为驱动装置。电磁锤和测 温仪通过专用夹具固定在一起，电磁锤的锤头和焊枪在垂直于焊件的同一直线上， 锤头和测湿仪指向焊道的同一点，并使测湿仪的照射直径d 小于焊道的直径d ( 一 般d 0 5 d 时测温的精确度高) 。起焊的同时启动测温仪，将测温仪采集的焊道温 度经a d 转换器传送给单片机，与单片机中预存的优化温度值进行比较，根据比较 结果确定此位置是否为合适的锤击位置。位置确定后再输出锤击参数( 锤击力和锤 击频率) 。通过改变单片机定时器产生的脉冲信号频率来改变电磁锤电流的通断次 数，以达到调节锤击频率的目的。改变通过线圈的电压电流大小来调整锤击力的大 小。利用单片机控制步迸电机来驱动电磁锤和测温仪与焊枪同步移动。 3 1 控制电路核心一单片机的性能与特点 单片机是本系统的控制核心，它的性能特点直接影响着整个控制系统方案的制 定和系统控制性能的优劣。a t 8 9 c 5 2 是目前应用较广且功能强大的5 1 系列荜片机， 该单片机自带大量r o m 和r a m 的微处理器直接构成最小系统。这种系统的优点 是实现了结构最简，输入输出能力强，无须附加译码电路，所需外部器件较少【2 0 】。 a t 8 9 c 5 2 是一个低电压、高性能c m o s8 位单片机，片内含8 k b y t e s 的可反复擦写 的f l a s h 只读程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用 a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 5 1 指令系统，片 内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元，功能强大的a t 8 9 c 5 2 单片机可为应用 于许多较复杂系统控制场合。 a t 8 9 c 5 2 有4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入，输出( 的) 端口，同时内含2 个 外中断口，3 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线， a t 8 9 c 5 2 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 f l a s h 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低开发成本。 a t 8 9 c 5 2 主要功能特性： 兼容m c s 5 1 指令系统8 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m 3 2 个双向i o 口 2 5 6 x 8b i t 内部r a m 3 个1 6 位可编程定时计数器中断时钟频率0 - - 2 4 m h z 2 个串行中断可编程u a r t 串行通道 2 个外部中断源共6 个中断源 2 个读写中断口线3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 l o 堕堡堡重堡墨皂垫丝型至竺墼塑塑 由于a t 8 9 c 5 2 有4 个8 位i 0 口，其中有相当一部分是多用途的【2 1 1 ，这为使用 带来了很大的方便。 3 2 控制电路电源的设计 3 2 1电磁锤电源的设计 在系统中，电磁锤的通断电是通过控制功率开关来实现的。电磁锤的简化等效 电路如4 所示。由于线圈为感性负载，当开关回路导通时，线圈中的电流成指数形 式上升。因此，电流上升速率( 线路的时间常数t ) 的大小，影响着电流达到稳定 值的时间，从而对工作频率有很大影响。线路的时间常数t 越小，开关回路导通后， 线圈中电流上升率越快，达到稳定电流值的时间越短、则电磁锤可工作在较高频率： 相反，t 越大，电流上升越慢，达到稳定电流值的时间就越长，则不利于电磁锤工 作频率的提高。为了减少时间常数t 使电磁锤能在较高频率下稳定工作，通常采 用以下两种方法：增加串联电阻和增加回路电压。 u 圈4 电磁锤简化等效电路 f i g 4p r e d i g e s t i o ne q u i v a l e n tc i r c u i to f e l e c t r o m a g n e t i c h m - , m e r 一、增加与电磁锤线圈串联电阻的阻值 线路的时间常数t 为： r ；l r ，+ 矗 ( 3 1 ) 式中t 为时间常数，l 为线圈电感，r l 为线圈电阻，r 是与电磁线圈串联的外 接电阻。当r 增加时，t 减小。但是r 增加的同时。也会使得稳态电流值减小，且 电阻r 消耗的能量增加，从而增大了电路的功耗。因此，在设计中，采用第二种方 法：增加开关回路电压。 二、增加开关回路电压 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 在系统中，开关回路产生的控制电压是以矩形波的形式加在电磁线圈上的。随 着通断频率的增加，矩形脉冲电压波的频率也相应的提高，这样，矩形脉冲电压的 宽度和周期就会变小，当矩形脉冲窄到一定程度时，流入电磁锤线圈的电流就无法 达到预设稳定值，因此，电磁锤很难在高频下稳定地工作。为了保证在工作频率高 时，电磁锤仍能按设定的电流值进行工作，可通过提高开关回路的电压值来加以保 证。在设计中，电磁锤线圈阻值轧为5 欧，额定电流为3 a ，则额定电压u 为： u = r l 3 = 1 5 v ( 3 - 2 ) 为保证高频时，电磁锤稳定工作，通常将电压提高，实验中取u = 2 4 v 。电磁锤 电源电路如图5 所示。通过l r 2 2 0 3 0 变压器将2 2 0 v 交流电变换为3 0 v 交流电， 经过整流桥电路、电容滤波、三端稳压器稳压输出稳定的直流2 4 v 电压。经试验验 证，在电压u = 2 4 v ，高频工作时，电磁锤仍能按设定的电流值进行正常工作；且当 工作于低频时，线圈中有良好的上升沿，即电流上升速率较大。 3 2 2 单片机电源的设计 图5 电磁锤电源电路 f i g5 p o w e r c i r c u i t o f c l e c t r o m a g n e t i c h a m m e r 4 v 在整个单片机系统设计中，电源的设计是需要首先考虑的，这决定了系统是采 用单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。不同的电源方案决 定了整个系统的方案选择和器件选择。 单片机系统中的电源设计主要包括三个方面的内容1 2 5 】：一是电源功耗，二是电 源电压，三是电源管理。设计电源时首先要了解系统供电电流( 包括某种工作条件 下系统消耗的最大电流，以便选择电压调节方法) ，确定系统电源结构。对于一般 的实际应用中，在设计时对功耗的限制只要符合实际系统的需要，主要是选择一些 低功耗的器件，并使器件工作在正常的额定电压下。此外，可以通过选择电源管理 和监控芯片帮助减小功耗。 本系统控制电路中包括a d 数据采集、步进电机控制、参数输出控制三大部分。 由于系统中的各个器件和传感器所需要的电源并不相同，a d 需要4 0 9 6 v 的基准， 随焊锤击设备自动控制系统的研究 比较放大器为1 2 v 基准，而单片机的电源是5 v 等，所以在设计电路时，需要对 电源进行规划，并且为了保证测控系统中模数转换的精度，也需要对电源部分进行 单独的设计，减少数字电路对高频噪声对电源的影响。通常单片机的a d 数据采集 对