（材料加工工程专业论文）摩托车轮辋缝焊控制系统与工艺研究.pdf

西南交通大学研究生学位论文 摘要 l 7 在国内的摩托车行业中，广泛采用缝焊的方法实现轮辋的环形焊缝连接，但传 统的缝焊控制箱由于采用分立元件，其工艺参数波动大，智能化程度低，往往难 于满足高质量缝焊的要求j 本文根据钢轮辋缝焊的特点，设计了一套新型的轮辋 缝焊智能控制系统。采用先进的电力电子技术和微机控制技术相结合，以可编程 控制器( p l c ) y g 核心，设计硬件接口，编制满足工厂生产应用要求的p l c 软件，对 焊接过程实施智能控制，利用集成移相触发器( t c a 7 8 5 ) 触发控制晶闸管，实现了 焊接电流和焊接速度的恒值控制；并运用工业试验优化技术，研究了影响焊接质 量的因素，寻找出了较好的工艺规范参数。 、i 该控制系统经过大量的生产试用，结果表明：系统稳定性、可靠性良好，控制 精度较高，通用性强，成本低廉，焊接质量较稳定，能够满足工厂大规模、高质 量缝焊生产的要求。y 关键词轮辋缝焊p l c正交试验 西南交通大学研究生学位论文 a b s t r a c t t h em e t h o do fs e a mw e l d i n gi se x t e n s i v e l ya d o p t e dt oc o m p l e t et h er i n gw e l d i n g o ft h er i mi nt h em o t o r c y c l ei n d u s t r yo fo u rc o u n t r y h o w e v e r d u et o a d o p t i n go f s e p a r a t ec o m p o n e n t , t h et r a d i t i o n a ls e a r nw e l d i n gc o n t r o l l e rp r e s e n t sl a r g ef l u c t u a t i o no f t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s a n dl o wi n t e l l e c t u a l i z a t i o n ，a n dc a l ln o to f t e nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f h i g hq u a l i t ys e a m w e l d i n g i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs e a mw e l d i n g ，an e wi n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h es e s i t lw e l d i n go ft h er i m h a sb e e ni n t r o d u c e d t h ea d v a n c e de l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y b e i n gc o m b i n e d w i t ht h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g ya n dt h ep l c b e i n gc e n t e r e do n ，t h e s y s t e mi s o ft h ef u n c t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l i n g t h eh a r d w a r ei n t e r f a c eh a sb e e n d e s i g n e d t h es o f t w a r et h a ts a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t so f m a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o ni n f a c t o r yh a s a l s ob e e nc o m p i l e d a st h es c ri st r i g g e r e da n dc o n t r o l l e db yt h ei n t e g r a t e d s h i f t i n g p h r i s et r i g g e r ( t c a 7 8 5 ) ，t h ec o n s t a n tc o n t r o l l i n g o fw e l d i n gc u r r e n ta n d v e l o c i t yh a sb e e nr e a l i z e d w i t ht h eo p t i m u mt e c h n i q u eo f i n d u s t r i a lt e s tb e i n gu s e d ，t h e e f f e c tf a c t o r so ft h ew e l dq u a l i t yh a v eb e e ns t u d i e d ，a n dt h eb e t t e r t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r sh a v eb e e n o b t a i n e d t h ea m o u n to f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n sh a ss h o w nt h a tt b j sc o n t r o ls y s t e mh a sg o o d s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y ，h i g bc o n t r o l l i n gp r e c i s i o n ，g e n e r a lu s a g e ，l o wc o s ta n ds t e a d y w e l dq u a l i t y ，a n dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fl a r g e s c a l e da n dh i g hq u a l i t ys e a m w e l d i n gm a n u f a c t u r e k e y w o r d sr i ms e a m w e l d i n g p l c o r t h o g o n a lt e s t 西南交通大学研究生学位论文 第一章绪论 电阻焊是指焊件组合后通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及临近 区域产生的电阻热进行焊接的方法( 又称接触焊) 。电阻焊主要有点焊、缝焊、凸焊、 对焊等【i l 。 缝焊主要用于薄板箱体的连续气密接头。这种方法的主要优点是焊接生产速度 高，在薄板组件的大批量生产中适于自动化，因而被广泛地应用在家用电器f 电冰 箱壳体等) 、交通运输( 汽车、拖拉机油箱等) 及航空、航天( 火箭的燃料储存箱等) 工业中。被焊材料的厚度通常在0 1 2 m m 。 在国外，从七十年代起，日本、美国、瑞士、法国和英国等电阻焊机生产厂都 大力发展了大功率晶闸管和硅整流元件式控制装置，主要产品有法国西雅基 ( s e i a k y ) m 3 0 0 d t l 、m 4 0 0 d t l 低频缝焊机、苏制m i i i b 6 3 0 1 - 2 次级整流缝焊机、 瑞士施拉特( s c h l a t t e r ) g n 4 6 3 0 0 3 5 0 、g n 4 6 3 0 0 5 0 0 次级整流缝焊机等【2 】。在我 国，f z 型次级整流专用缝焊机，能够解决自行车、摩托车轮辋边缝焊接的问题1 3 】。 四川双泰车轮有限公司是专门生产摩托车轮辋的企业。目前，该公司采用缝焊 方法生产钢轮辋，使用由四川美通焊接有限公司f z 1 0 0 型次级整流缝焊机及其控 制箱，生产发现其气密性不能保证，焊接质量不够稳定。公司希望保证摩托车轮 辋焊缝的气密性，以利控制轮辋质量，使之能够稳定达到摩兰标准( 行业标准) 。 根据该公司缝焊生产特点及采用的缝焊机、控制箱所存在的问题，我们对原控 制系统进行全面改造，使新控制系统对网压波动或焊接回路阻抗变化所造成的影 响能有效地予以补偿，使焊接电流和焊接速度稳定。从控制系统软、硬件以及工 艺优化三方面，设计一套新型的轮辋缝焊机智能控制箱，对焊接质量进行监控， 并采用优化技术寻找最佳规范参数用于指导生产，具有一定的理论意义和实用价 值。 西南交通大学研究生学位论文 2 1 轮辋制造工艺方法 第二章文献综述 轮辋是摩托车重要的部件之一，其使用性能有如下要求： 1 ) 轮辋符合摩托车行业的摩兰标准，即1 4 0 、1 6 0 、1 8 5 型轮辋分别加载 荷至1 9 6 1 n 、3 9 2 2 n 、4 4 1 3 n ，测量轮辋直径变形量1 0 m m ，卸载后轮辋直径 永久变形量1 0 m m ； 2 ) 焊缝的气密性要求，即浸水试验后无水迹； 3 ) 用撕裂试验法检查焊缝，其破坏形式为塑性断裂； 4 ) 外观要求，即大面无压痕，焊缝表面无毛刺，无烧伤、击穿等缺陷。 目前普遍采用低碳钢或低合金钢经过特殊的制造工艺加工而成。 钢轮辋的制造工艺流程为：冷轧专碾压成型斗接头对焊_ 清除接头毛刺斗轮 辋焊接斗去毛刺寸大面抛光_ 打工艺孔斗电镀呻检验。 在该工艺流程中，轮辋焊接是保证轮辋质量的一个重要环节，焊接质量的好坏 不仅影响轮辋的刚度、强度以及疲劳寿命，而且也影响轮辋的外观。其焊接方法 大致可分成电阻缝焊、t i g 焊、c 0 2 焊接法三种。电阻缝焊以其焊接速度快、生 产率高、成本低、易于获得刚度较好的焊接接头等优点，在轮辋的制造工艺中广 泛应用。 2 2 焊接方法的对比 几种常用的焊接方法对比如表2 - 1 所示。 由表2 - 1 可见，t i g 焊由于钨电极载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊 缝熔深浅，造成熔敷率小，焊速低，一般不超过1 s m m i n ，这样的速度远不能满 足工厂大规模生产的效率要求。c 0 2 气体保护焊由于保护气体密度较大，并且受 西南交通大学研究生学位论文 电弧加热后体积膨胀也较大，在隔离空气焊接熔池和电弧方面效果良好，但它的 物理化学性质又给焊接带来一些问题，如焊接过程中有金属飞溅，焊缝外形较为 粗糙，以及电弧气氛具有较强的氧化性必须采用含有脱氧剂的焊丝等，造成焊接 成本增加。而电阻缝焊显著的优点就是焊接速度快，生产率商，且操作简单；不 需要焊丝、焊条等填充金属；也不需要氩气、氧气、乙炔、焊剂之类的辅助材料， 成本低：而且由于加热是采用内部热源，热量集中，加热时间短促，在焊点形成 过程中始终被塑性环包围，其冶金过程简单，热影响区小，变形小，易于获得质 量较好的焊接接头：缝焊还特别适用于形成密封性的接头。众所周知，自行车、 摩托车轮辋焊接的气密性、表面成形要求较高，故在我国自行车、摩托车行业中， 广泛地应用缝焊来形成轮辋的环形焊缝。 表2 1 几种常用焊接方法对比 方法优点缺点应用 冶金过程简单；热影响区小：设备成本比大多数电广泛用于家用电 缝不需填充金属，也不需其它辅弧焊设备离；焊缝抗拉器、交通运输及航 助材料；焊接速度快，生产率强度和疲劳强度较低空航天工业中要求 焊 高：操作简单；可生产连续不密封性的接头制造 漏的焊缝 上 无飞溅：能进行全位置焊接；焊速低；熔敷率小；消适宜于焊接薄板， t i g能焊接薄板；可避免焊后去渣耗氩气，成本较高；焊特别是全位置管道 焊处理 4 】缝金属易受钨的污染对接焊 生产率较高：成本低；抗锈能金属飞溅严重焊缝外主要用于焊接碳钢 c 0 2 力强；焊后不需清渣形较为粗糙；合金元素及低合金钢等黑色 挥烧损；容易引起c o 气金属 孔 2 3 缝焊及其特点 如图2 - 1 为轮辋电阻缝焊方法的示意图。 缝焊是电阻焊方法之一，它是将焊件装配成搭接或对接接头并置于两滚轮电 极之间，滚轮加压焊件并转动，连续或断续送电，利用电流流过工件时的电阻热 在接触面上发生熔化形成熔核，从而形成一条连续焊缝的电阻焊方法【5 1 o 西南交通大学研究生学位论文 滚铲件 2 3 1 熔核形成过程 焊件先被铜电极压紧，然后通电加热，待内部出现熔化区后切断电流。熔化区 在冷却过程中形成铸造组织的核心，这个核心称为熔核、焊核或焊点。缝焊时一 系列焊点部分重叠，形成连续接头，就成为密封的焊缝。熔核的形成可分为三个 阶段，如图2 2 所示【6 1 。 f 图2 - 2 熔核形成过程 一御( 第一阶段从电极压紧后的通电时刻开始。这时焊件之间通过不完全的接触，金 属受到加热和膨胀。在电极压力的作用下，膨胀的金属向结合面的缝隙中挤出， 形成一个塑性环，这个塑性环对中心部分起密封作用。 第二阶段是接触面积进一步扩大及结合面氧化膜大量破碎。中心部分因热景不 易散失，温度上升最高，开始出现熔化金属。热膨胀和塑性变形同时继续发展。 第三阶段是指断电以后，熔化金属在塑性环包围下冷却结晶，形成熔核。由于 中心散热困难，而电极与焊件表面却容易散热，所以形成的熔核是椭圆形的。 2 3 2 缝焊的加热特点 d 西南交通大学研究生学位论文 根据焦耳定律，焊接区总的析热量： q = 1 2 r t( 式2 - 1 ) 式中卜一焊接电流的有效值； r 一焊接区总电阻的平均值； r 一通过焊接电流的时间。 对于缝焊，焊接热源总析热量还可写成： f r g = i i 2 ( + 2 。+ 2 0 p = p r a t ( 式2 - 2 ) 00 式中卜一焊接电流的瞬时值，是时间的函数： r 一两电极间的总电阻，是时间的函数； t 一通过焊接电流的时间： 一焊件间接触电限的动态电阻值，是时间的函数； 2 如。一电极与焊件间接触电阻的动态电阻值，是时间的函数： 2 一焊件内部电阻的动态电阻值，是时间的函数。 由此可见，电阻焊的热源是电阻热。产生电阻热的内在因素是焊接区具有一定 的电阻，产生电阻热的外部条件是电阻焊时焊接区要通以强大的电流。由于该热 源产生于焊件内部，具有内部热源的特点。 缝焊时，由于熔核不断形成，对已焊部位起到后热作用，末焊部位起到预热作 用，故缝焊时的温度分布要比点焊时平坦，又因已焊部位的分流加热，以及由于 滚轮离开后散热条件变坏的影响，因此，温度分布沿工件前进方向前后不对称， 刚从滚轮下离开的金属温度较高，如图2 3 所示l 。焊接速度越大，则散热条件 越坏，预热作用越小，因此温度分布不对称的现象越明显。温度分布曲线越平坦， 则接头的热影响区越大，工件表面越容易过热，电极越容易磨损。因此，在焊机 功率允许的条件下，宜采用硬规范焊接。 断续缝焊时，每一焊点要经过预压、通电加热和冷却结晶三个阶段，但由于 缝焊时滚轮电极与焊件间相对位置的迅速变化，使三个阶段区分不明显。正处于 电极下的焊接区和临近它的两边金属材料，在同一时刻将分别处于不同阶段。而 对于缝焊上的任一焊点来说，从滚轮下通过的过程也就是经历“预压一通电加热 冷却结晶”三阶段的过程。由于该过程是在动态下进行的，预压和冷却结晶阶段 时的压力作用不够充分，就使焊接接头容易出现裂纹、缩孔等缺陷【8 j 。 西南交通大学研究生学位论文 图2 - 3 缝焊时的温度分布曲线 2 3 3 缝焊工艺参数对质量的影响 2 3 3 1 焊接电流( i 。) 若焊接电流很小时，焊接处不能充分加热，始终不能达到金属融化的温度；增 大i 。后出现融化核心，但尺寸尚小，为未焊透。当达到标准所允许的最小焊点直 径“i 。和最小焊透率a 时，电流为1 w m i n ，接头有一定强度。此后随i 。增加，a 与d 随之均匀增大；当核心尺寸比较大时，由于电极板件间接触面增大，散热加 强，电流密度降低，使加热速度变缓。另外因核心内液态金属量较多及熔化潜热 等影响，核心直径和焊透率的增长速度逐渐变缓：当i 。增加过大时，电流密度大 为提高，使加热更加急剧，很短时间内，核心温度已很快超过板材熔点，若核心 扩大的速度远远超过塑性环扩大的速度，就出现飞溅。随着飞溅的形成，则可能 形成深度压坑、大尺寸缩孔等缺陷，降低了接头强度。 2 3 3 2 焊接速度( v 。) 焊接速度决定滚轮与板件表面接触面积，也表明板件表面某点与滚轮接触的时 间。可见，电流场的分布、分流大小、预热与缓冷的传导作用和散热等皆与焊接 速度有关。对导热性比较差的材料，随焊速在一定范围内增加，滚轮板件间的接 触面积很快减小( 因预热作用削弱，滚轮作用时间也变短) ，散热减小而电流密度提 高，故核心尺寸随焊速的增加而增加。但当焊速进一步增加时，超过某一极限值 以后，预热影响则很小，滚轮板件间接触面积将很少变化( 因弹性变形只与材料和 西南交通大学研究生学位论文 电极压力有关，而塑性变形也因预热影响减至最低而近似不变) ，这时板件间接触 面积却在增加，因此焊接区电流密度低，核心减小。 显然，焊速改变了两板间和滚轮与板间的接触面，而使散热、电流密度和分流 条件改变，所以在讨论焊接速度的影响时，应从预热、加热、散热和分流等几方 面去分析。焊接速度一般必须随着被焊材料的厚度的增加而减慢。焊速越快，则 焊接电流和滚轮压力的作用效果也越小。对于相同厚度的焊件，如果焊速选择的 太快，则相应选择的焊接电流和滚轮压力也越大，否则更容易加大熔核内部产生 缩孔和裂纹的倾向。 2 3 3 3 电流脉冲持续i i 寸l e q ( t 。) 及休止时f 司( t o f f ) 若很短时，只能获得接触面的加热痕迹，逐渐增长通电时间便形成塑性粘 连的焊接区，这时很小的热量变化都会引起接头强度的很大波动。t o n 不断增加后， 出现了熔化焊点。随着t o i i 的增加，焊点尺寸不断增加，当超过一定值以后，由于 核心液态金属量的增长和散热影响的增大，使核心尺寸的扩大速度变慢，这时尽 管规范有些波动，核心尺寸仍比较稳定，若t 0 i i 再增加，核心直径虽仍在扩大，塑 性环却因电极压力和电极冷却作用或板问墩粗区所限制，其扩大速度变慢。因此 核心内液态金属在电极压力作用下，有可能突破相对变薄的塑性环，形成飞溅， 引起表面过热、深压坑、搭边压溃等缺陷，使零件表面质量及接头承载能力大为 恶化。 休止时间太长，间距增大，则影响焊缝的密封性；休止时间太短，滚轮表面发 热、磨损严重，而且相应地产生缩孔、裂纹的倾向增大。 2 3 3 4 电极压力( f w ) 电极压力对焊点形成有着双重作用。从热的观点看，电极压力决定了板间接触 面各接点的变形程度，因而决定了电流场的分布，影响着热源( 板件间接触电阻) 和r w ( 板件的内部电阻) 的变化。f w 增大，使板件电极间的接触改善，散热加强， 因而总热量减少，焊点熔化核心尺寸减小，特别是焊透率降低很快，有时会形成 未焊透。从力的观点看，f 。决定了焊接区周围塑性变形程度、变形范围及核心结 晶过程中塑性变形程度和内应力，因此f 。与塑性环、核心致密程度以及能否形成 裂纹、缩孑l 、飞溅等缺陷有很大关系。减小电极压力虽然能提高总热量、降低对 西南交通大学研究生学位论文 焊机功率的要求，但f 。不足时，板间接触不良，r 和r w 都不稳定，外界条件( 如 表面状态) 略有波动，便会引起核心尺寸的增大或减小。另外，电极压力过小，加 热过急，会产生大量飞溅，以至零件烧坏、烧穿。压力增大虽然可能因热量不足 而出现未熔化核心，降低焊点强度，但一般采用高压力可消除某些影响加热稳定 的偶然因素( 如因气路气压波动、焊接处刚性的变化等) ，使作用于焊接处的的压力 相对稳定，以稳定焊点质量。实际上，在一定范围内，只要维持电流密度足够， 电极压力对核心尺寸影响不大，只对焊透率的影响比较明显。因为增加f 。，板间 面积稍有增加，但因电流密度仍能维持必要的加热，所以核，t b 径向尺寸不会减小 很多，而轴向散热加强，故焊透率降低比较明显。f 。过大，核心的直径和焊透率 都大为减小，焊点强度不足，这是不允许的。当f 。过小时，热源虽大，但很不稳 定，甚至出现飞溅、烧穿等严重缺陷，通常不采用这种规范。总的说来，电极压 力的影响规律是：当电极压力过小时，由于焊接区金属的塑性交形范围及变形程 度不足，造成因电流密度过大而引起加热速度大于塑性环扩展速度，从而产生严 重飞溅。电极压力过大将使焊接区接触面积增大，总电阻和电流密度均减小，焊 接区散热增加，因此熔核尺寸下降，严重时会引起未焊透缺陷。 2 3 3 5 电极端面尺寸 电极决定着电流场的分布和4 0 以上热量的散失，所以电极端面及电极本体的 结构形状、尺寸、冷却条件都是通过散热条件的改变而直接影响熔核几何尺寸和 焊点强度。当电极材料、形状、尺寸一定时，增大球面半径使接触表面扩大，电 流密度降低及散热能力加强，其结果是焊透率很快降低。 综上所述，参考文献【7 】推荐了低碳钢板缝焊规范，如表2 2 所示。 2 3 3 6 缝焊质量控制主要因素 影响缝焊质量的因素是多方面的，诸如材质、工艺和工装等。不过，在一般 生产条件t ( t 装状况相对稳定) ，材质一经确定就不会经常变化。因此，影响焊接 质量的因素主要是焊接工艺参数及其波动。由图2 - 4 缝焊循环图可见，缝焊时的电 流、电极压力、通电时间、焊接速度以及滚轮厚度，是影响焊接质量的主要工艺 参数1 。其中滚轮厚度随着焊点数的增加而扩大是可以预见的，又时刻处于操作 者的目视中。通过以上的分析，结合式2 2 不难看出，电流i 、压力p 和时间t 构 西南交通大学研究生学位论文 成了缝焊质量控制的三个主要工艺因素。 板厚( m m ) o 40 81 01 22 03 2 滚轮 最小b ( m m ) 3 74 75 15 46 68 0 宽度 标准b ( m m ) 5 36 57 17 71 0 01 3 6 最小b ( m m ) l l1 31 41 4】72 0 电极最小( n )2 0 0 02 5 0 02 8 0 03 0 0 04 1 0 05 7 0 0 压力 标准( n )2 2 0 03 3 0 04 0 0 0 4 7 0 07 2 0 0 1 0 0 0 0 最小卷 最d , ( m m l 7 29 31 0 0i i 01 3 21 6 0 边尺寸 标准( m m ) 1 0 21 2 51 3 51 4 51 7 52 2 0 焊接时间( 周) 222234 高速 休止时间( 周) 112212 缝焊 焊接速度( m m i n ) 2 82 62 52 42 21 7 焊接电流( k a ) 1 21 5 s1 81 92 22 7 5 焊接时间( 周) 233 451 1 中速 休止时间( 周) 223357 缝焊 焊接速度( m m i n ) 2 o1 81 81 71 41 1 焊接电流( k a ) 9 71 31 4 51 61 92 2 焊接时间( 周) 322366 低速 休止时间( 周) 344 466 缝焊 焊接速度( m m i n ) 1 21 110 9 0 7o 6 焊接电流( k a ) 8 61 1 71 31 41 6 52 0 注：b 指双倒形滚轮电极端面尺寸：b 指滚轮电极的尺寸。 p i 图2 - 4 缝焊循环 1 ) 电流( 1 w ) 根据焦耳一楞次定律，电流i 。是影响缝焊的最重要因素。影响电流准确性的 西南交通大学研究生学位论文 主要干扰因素是网络电压波动、焊接回路感抗的变化、焊接板材厚度和层数的变 化及已焊焊点的分流等。 2 ) 时间( t 。) 时间要素在缝焊过程中表现为焊接速度v 以及各焊点的通电和休止周波数。 时间的波动来自于计时电路参数的变化和电压网路的波动等。如果采用计数电路， 以电网周波计时可以做到周波数的误差为零，因此时间t 更多地受焊接速度的影 响。 3 ) 压力( p 。) 压力是焊接设备的加压机构如汽缸、油缸或杠杆等通过电极加在焊接处的力， 以千牛顿表示。压力的波动来自压力源( 压缩空气、压力油等) 的波动以及加压机构 摩擦力的变化等【。0 】 要形成牢固的焊接接头必须使工件接触面之间的距离达到与晶格参数同一数 量级，使金属结合面的结合所需能量达到最低、键的结合最为稳定的状态，这时， 原子之间才有可能靠金属链牢固结合在一起。为了克服工件表面在相互靠近过程中 原子之间的静电斥力，解脱金属表面原子与外部杂质的结合键，就必须由外界提供 能量，即以金属的交形和加热的方式提高结台处原子的位能与动能，降低原有电子 排列的稳定性，减小晶格歪扭或其它原因形成的内应力，从而获得牢固的、稳定的 焊接接头。由此可见，要形成一个连接两板的共有的焊点，必须提供的外加能量有 两种：电流i ，压力p ，这便是电阻焊的基本条件。 2 4 现代控制器件与技术 2 4 1p i c l 6 c 7 1 单片机 美国m i c r o c h i p 公司推出的8 位单片机，它特别适用于汽车电子、电机马达控 制、低功耗遥测传感器、定位设备、电讯处理、高档家电控制、智能仪表等领域 的应用场合。p i c 系列具有诸多的便于开发豹优点。p i c 系列单片机采用独特的 r i s c ( 精简指令集) 结构和哈佛流水总线，以提高速度和处理性能。单字节指令是 p i c 单片机最显著的特点之一。单字节指令最明显的好处是程序空间的利用率大大 高于多字节指令。p i c l 6 c 7 1 是其中一种性能高、价格低、小封装、采用c m o s 工艺、全静态设计的8 位单片机。 1 ： 西南交通大学研究生学位论文 2 4 1 1p i c l 6 c 7 1 管脚分配 p i c l 6 c 7 1 外部结构为1 8 脚双列直插式，如图2 5 所示。 r a l a i n l r a 0 a i n 0 o s c l o s c 2 c l k o u t v d d i t b 7 r b 6 r b 5 r b 4 图2 5p i c l 6 c 7 1 外部结构图 1 r a 2 a i n 2 ：双向i ，o 口模拟输入通道2 2 r a 3 a i n 3 i r e f ：双向i 0 口模拟输入通道3 模拟参考电压输入 3 r a 4 r t c e ：双向i o 口r t c c 定时计数器输入引脚 4 丽西墓：外部复位引脚，低电平有效 5 v s s ：电源地 6 r b o 肺汀：双向i od ； f 部触发中断输入 7 9 r b l r b 3 ：双向i 0 口 l o 1 3 r b 4 r b 7 ：双向i o 口，电平变化可引起中断 1 4 v d d ：电源 1 5 o s c 2 c l k o u t ：振荡引脚时钟输出引脚 1 6 o s c l ；振荡引脚外部振荡时钟输入引脚 1 7 r a 0 ，a d i 0 ：双向i on 模拟输入通道0 1 8 r a l a 矾1 ：双向i o 口模拟输入通道l 2 4 1 2 高性能精简指令( p d s c ) 特点的c p u 1 ) 仅3 7 条指令，全部为单字节( 1 4 位宽) ； 2 1 除分支跳转指令为双周期指令外，其余指令为单周期指令 3 1 指令周期在4 m h z 振荡频率下为l u s ，2 0 m h z 下2 0 0 n s ； 西南交通大学研究生学位论文 4 ) 数据线和指令线独立分开，分别为8 位宽和1 4 位宽 5 ) 片内1 0 2 4 x 1 4 的程序存储空间； 6 ) 3 6 个8 位通用寄存器，1 5 个特殊功能寄存器； 7 ) 8 级子程序堆栈； 8 ) 直接、间接和相对寻址方式； 9 ) 4 个中断源。 2 4 1 3 外围特点 1 ) 1 3 个双向可编程i o 口： 2 ) i o 口驱动能力强，其灌拉电流可直接驱动l e d 显示； 3 ) 带有8 位预设倍率的计数器r t c c ； 4 ) 4 路a d 输入。 2 4 1 4 微控制器特征 1 )内置上升复位电路( p o p ) ： 2 ) 电源上升定时器，以利稳定电源的建立； 3 ) 振荡起振定时器，以利稳定振荡的建立； 4 )自整定看门狗( w d t ) ； 5 ) 程序保密熔丝，保护片内程序代码不被非法拷贝； 6 ) 低功耗模式； 7 ) 四种用户可选择振荡方式； 8 ) 1 0 2 4 1 4 用户可编程程序存储器。 2 4 2 可编程控制器 可编程控制器( p l c ) 是一种专为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子 系纠1 2 】。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、 定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控 制各种生产机械或过程。近年来，p l c 的发展速度非常迅速，其功能已远远超出 上述定义的范围。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控 制要求，同时也照顾到现场电气操作维护人员的技能和习惯，摒弃了微机需用的 西南交通大学研究生学位论文 计算机编程语言的表达形式，独具风格地形成了一套以继电器梯形图为基础的形 象编程语言和模块化的软件结构，使用户程序的编制清晰直观，方便易学，调试 和查错都很容易【。3 1 。 2 4 2 1p l c 的主要特点 1 ) 灵活通用 2 ) 操作方便 3 ) 标准化的硬件和软件设计 4 1 完善的监视诊断功能 5 1 多种控制功能 6 ) 可适应恶劣的工业应用环境 2 4 2 2p l c 的基本功能 1 ) 逻辑控制功能 2 ) 定时控制功能 3 ) 计数控制功能 4 ) 步进控制功能 5 ) 数据处理功能 6 ) 回路控制功能 7 ) 通讯联网功能 8 ) 监控功能 9 ) 停电记忆功能 l o ) 故障诊断功能 2 4 2 3p l c 的选型原则 p l c 按其结构和功能可分为大、中、小三类。小型p l c 输入，输出点数少，适 用于以开关量为主的顺序控制。大、中型p l c 除进行顺序控制之外还可以处理模 拟量输入、过程控制、数据处理和联网通讯功能。 用户应根据实际需要，合理选择适当型号的p l c ，才能既充分发挥其优势， 又不至于造成资金和设备的浪费。针对用户的具体情况，可以参考以下原则选择 西南交通大学研究生学位论文 不同类型的p l c 1 4 1 ： 1 ) 规模要适当 用输入输出的点数衡量p l c 的规模大小，一般应考虑1 0 的备用量。 2 ) 功能相当，结构合理 若仅用于实现继电器控制功能的系统，可选择小型p l c ，如f 4 0 、g e 一1 等。 若此外还有少量模拟量、算术运算、p i d 控制等，可选择大、中型p l c ，如三菱 f x 2 系列等。 3 ) 输入输出功能及负载能力 主机可配用各种功能模块，实现不同的功能要求。输入输出都是经过光电 隔离与p l c 的控制功能部件交换信息，同时可直接驱动数十瓦，以致近百瓦直流 负载。 4 ) 使用环境条件 p l c 具有高抗干扰能力，耐恶劣环境，适宜在生产现场使用。 2 , 4 2 4 p l c 控制系统设计的一般步骤 对控制任务的分析和软件的编制，是p l c 控制系统设计的两个关键环节。通 过对控制任务的分析，确定p l c 控制系统的硬件构成和软件工作过程；通过软件 的编制，实现被控对象的动作关系。p l c 控制系统设计的一般步骤为1 2 】： 1 ) 对控制任务进行分析，对较复杂的控制任务进行分块，划分成几个相对独 立的子任务，以减小系统规模分散的故障。 2 ) 分析各个子任务中执行机构的动作过程。通过对各个子任务执行机构动作 过程的分析，硒出动作逻辑关系图，列出输入信号和输出信号，列出要实现的非 逻辑功能。 3 ) 根据输入、输出信号的数量，要实现的非逻辑功能，输入、输出信号的空 间分布情况，选择p l c 。 4 ) 根据p l c 型号，选择信号输入器件、输出执行器件和显示器件等。 5 ) 进行i o 点的分配，绘出控制系统硬件原理图，设计控制系统主回路。 6 ) 利用输入信号开关板模拟现场输入信号，根据动作逻辑关系图编制p l c 程 序，进行模拟调试。 7 ) 制作控制箱。 西南交通大学研究生学位论文 8 ) 进行现场调试，对工作过程中可能出现的各种故障进行模拟，考察p l c 程 序的完整性和可靠性。 9 ) 编制技术文件，进行控制系统现场调试运行。 2 4 2 5 三菱f x o n 系列可编程控制器简介 f x o n 系列是将众多功能凝集在超小型机壳内的微型可编程控制器【5 】。 与三菱公司的f i f 2 系列相比，其安装面积只有前者的4 1 ，体积只有3 7 ， 并在控制器内各有模拟电位器与r u n s t o p 开关等方便功能。通过扩展单元、扩 展模块与基本单元的连接，可自由地选择使用输入输出点数。f x o n 系列继承了原 有的f x 2 、2 c 系列的“固定搭配和灵活性”观念又体现了“充分利用微小体积”的 新概念。 1 ) 固定搭配和灵活性 通过扩展单元、扩展模块与基本单元的连接，能任意选用2 4 1 2 8 个输入输 出点。 2 ) 超小型机壳 f x o n 一2 4 ( 4 0 、6 0 m ) 基本单元设计成1 3 0 ( 1 5 0 、1 8 5 ) x 9 0 ( m m ) 的超小型安装面 积，特别适用于由于安装尺寸的限制，而难以采用其他可编程控制器的小型机械 设备上。 3 ) 程序存储器 e e p r o m 作为程序存储器的标准配置。该存储器最多可存2 0 0 0 步程序、注释、 参数等，而无需电池就可以实现掉电保护。除内置e e p r o m 外，还可使用选购件 e p r o m 和e e p r o m 存储器卡盒。 4 ) 外部设备 f x 系列的外部设备仍可使用。在机型选择菜单画面上选择f x 2 时，即可在 f x o n 的软元件及指令范围内编程。 f x o n 系列可编程控制器基本单元即能独立使用，又可将基本单元与扩展单元、 扩展模块组合使用。基本单元内置电源，输入输出电路以及c p u 与存储器，是 可编程控制器的核心部分。 2 4 3 典型的晶闸管触发电路简介 西南交通大学研究生学位论文 触发电路是晶闸管装置中的重要部分。晶闸管最重要的特性是正向导通的可控 性。当阳极加上一定大小的正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上足够功率 的正向控制电压即触发电压，元件才能从阻断转化为导通。根据晶闸管的特性， 这个触发电压可以是交流、直流，也可以是短暂的脉冲电压，为了减少门极损耗 与触发功率，常用脉冲电压触发晶闸管。为门极提供触发电压与电流的电路称为 触发电路l ”i 。 晶闸管的触发电路一般由3 个部分组成： ( 1 ) 同步信号产生：保证触发脉冲与主回路电压同步； ( 2 ) 移相控制：保证将控制信号变成触发脉冲相位即控制角的变化： ( 3 ) 触发脉冲的产生：用以保证触发脉冲的幅值、宽度、功率，足以使回路晶 闸管元件触发导通。 触发电路根据控制晶闸管的通断状况可分为移相触发与过零触发两类【1 7 】。移 相触发就是改变晶闸管每周期导通的起始点即控制角0 【的大小，达到改变输出电 压、功率的目的。采用移相触发方式的晶闸管交流电力控制器称为晶闸管交流调 压器；而过零触发是晶闸管在设定的时间间隔内，改变导通的周波数来实现电压 和功率的控制。采用过零脉冲触发方式的晶闸管交流电力控制器称为晶闸管交流 调功器。 2 4 3 1 对晶闸管触发电路的要求 为了保证晶闸管装置能正常可靠地工作，触发电路必须满足以下要求【1 8 j ： 1 )晶闸管门极触发信号，对阴极而言应为正的电压信号，可以是直流或脉冲 形式。由于晶闸管在触发导通后，门极就失去控制作用，为了减小门极损耗，故 一般触发信号常采用脉冲形式。 2 ) 触发脉冲的幅值。要求触发电路提供的门极电压和电流，在不触发时幅值 小，处于不触发区；而在触发时幅值足够大，应处于可靠触发区，也就是应有足 够的触发功率。 3 ) 触发脉冲应有足够的宽度。要求脉冲信号在晶闸管电流达到掣住电流之前 一直存在。这段时间的长短，一方面和晶闸管本身的触发滞后和导通时间有关， 另一方面还决定于外电路的电气参数。一般触发脉冲的宽度应在1 0 u s 以上。在实 际应用中，为可靠起见，常取5 0 u s 以上。 西南交通大学研究生学位论文 4 】触发脉冲应具有强触发功能。对于大多数容量较小，加到晶闸管的d i d t 不大的应用场合，以上选择的触发脉冲已经足够了。然而在许多应用场合中，例 如功率较大，或者主回路有电容放电，或者晶闸管串、并联使用的场合，晶闸管 电流的d i d t 很高。提高门极电流的电平和陡度，能够有效地提高器件承受d i d t 的 能力。 5 ) 隔离输出方式。在多数情况下，触发电路采用单独的低压电源供电，因此 需要某种隔离方法把两种电源隔离开。通常是直接把脉冲变压器连接在触发电路 和晶闸管之间。 6 ) 具有较强的抗干扰能力。引起触发电路误动作的主要原因之一是从主电路 或者从安装在触发电路附近的继电器和接触器引入的干扰。触发电路的输出级是 主电路干扰进入触发电路的一条途径。一般常用的抗干扰措施有：脉冲变压器采 用静电屏蔽、串联二极管、并联电容等。 7 ) 触发脉冲的同步和移相范围。在可控整流、有源逆变及交流调压器的应用 中，触发信号必须和主电源电压同步，即与电源保持固定的相位关系，以保证晶 闸管在每一周波重复相同的相位触发，触发脉冲还应有一定的移相范围，使系统 能在期望的范围内工作。 一般讲，一个完整的触发电路应包括两大部分，即脉冲形成环节和脉冲输出环 节。脉冲形成环节把来自控制系统的直流输入控制信号转变成多路小功率的脉冲 信号，经脉冲输出环节，分别进行功率放大，然后送到相应的晶闸管门极。 2 4 3 2 典型的晶闸管触发电路 目前晶闸管触发电路应用较多的是阻容移相触发电路、单结晶体管移相电路、 正弦波同步触发电路、锯齿波同步触发电路。近几年新器件不断产生，例如用双 向触发二极管、程控单结晶体管以及集成触发电路等，各种晶闸管触发电路比较 如表2 - 3 所示。 分离元件和集成式触发电路，都存在共同的缺点，那就是采用控制电压与同步 电压叠加的移相方法，由于元件参数的分散性、同步电压畸变等，都会导致各个 触发器的移相特性不一致，一般不对称度为3 5 ，这会使主电路初级电流不平衡， 出现谐波电路，电网的三相电压中性点偏移等。数字式触发电路是为了克服上述 缺点，提高触发脉冲的对称度而设计的，尽管还有些具体问题尚待解决，如在电 西南交通大学研究生学位论文 弧焊接这种高空间辐射、电磁于扰强、网压波动大的环境下，其可靠性尚未得到 保证，当前模拟触发电路仍占有绝对优势。但是，随着集成电路制作技术的提高， 晶闸管触发电路的集成化、数字化将会成为发展的必然趋势【“1 。 表2 - 3 各种晶闸管触发电路性能比较 类型优点缺点应用 阻容移相结构简单，抗干扰能力强，波形陡度差，带负载能适于小功率晶闸管 触发电路调节方便力低整流装置且控制精 度要求较低的场合 单结晶体电路比较简单易于调试脉冲宽度窄，输出脉冲用于小功率的单相 管移相触小，控制的线性度差，晶闸管电路中 发电路移相范围一般小于1 5 0 。 正弦波同线路简单，易于调整，装置易受电网电压的波动及网压波动及干扰较 步触发电可看成线性放大器。对闭环干扰的影响，移相范围小的场合 路控制系统有利小于1 5 0 。 锯齿波同 抗干扰、抗电网波动性能好，电路比较复杂，对锯齿广泛应用于整流和 步触发电调节范围宽波线性度的好坏十分敏逆变电路中 路感 集成触发性能可靠，功耗低，体积小，价格较高各种场合 电路使用方便 窄脉冲触电路简单，易于调试【1 9 1可靠性较差，不能用于适用于单相阻容负 发电路感性负载电路载 强触发脉晶闸管开通时间短，提高了电路较复杂广泛用于大容量的 冲触发电晶闸管承受d i d t 的能力，有变流装置，特别是 路利于改善串并联元件的动态多个晶闸管串并联 均压和均流 工作系统 脉冲列触脉冲前沿陡度高，且采用较电路较复杂大功率变流装置， 发电路高频率，减小了脉冲变压器尤其是带感性负载 的体积i 2 0 】 的晶闸管系统 数字式触触发脉冲对称度高技术不成熟，还未普及，高精度场合 发电路电路较复杂，成本高 西南交通大学研究生学位论文 2 4 3 3 集成移相触发箍t c a 7 8 5 简介 t c a 7 8 5 是德国西门子公司开发用来取代t c a 7 8 0 及t c a 7 8 0 d 的第三代集成 移相触发器电路，它的基本设计特点有：能可靠地对同步交流电源的过零点进行 识别，因而可方便地用作过零触发构成过零开关；具有宽的应用范围，可用来触 发普通晶闸管、快速开关晶闸管、双向晶闸管以及作为功率晶体管的控制脉冲， 故可用于由这些电力电子器件构成的单管斩波、单相半波、半控桥、全控桥或三 相半控、全控整流电路及单相或三相逆变系统或其它电路拓扑结构的变流系统； 它的输入输出与c m o s 及t t l 电平兼容；具有较宽的应用电压范围和较大的负载 驱动能力，每路可直接输出2 5 0 m a 的驱动电流；其电路结构决定了自身锯齿波电 流的范周较宽，对环境温度的适应性较强，可应用于较宽的环境温度范围f 2 5 一+ 8 5 ) 和工作电源电压范围( 0 5 v 井1 8 v ) “。t c a 7 8 5 集同步检测、移相脉冲形 成、保护为一体，所需外围器件晟少，适用面广，是一种性价比极高的集成触发 器。 t c a 7 8 5 是双列直插式十六引脚的大规模集成电路，其管脚配置【2 31 如表2 - 4 。 管脚符号功能管脚符号功能 1g n d地9 r 。锯齿波斜率调整电阻 _ 2 q 2输出2 的非 1 0 c 1 0锯齿波斜率调整电容 3 q 。输出u 1 l v 。移相控制电压 _ 4 o t输出1 的非 1 2 c 1 2 脉冲调整电容 5v m c同步电压1 3l宽脉冲控制 6i封锁