全自动热熔对接焊机.doc

毕业设计(或论文)说明书页摘 要本文设计是塑料压力管道对熔焊机，其设计的主要方面是控制部分，研制了基于AT89C51单片机控制的塑料管道热熔对接焊机，它主要是来完成塑料压力管道热熔对接，随着塑料压力管道广泛用于燃气输送、给水、排污、农业灌溉、矿山细颗粒固体输送以及油田、化工和邮电通讯等领域，特别在燃气输送方面得到了普遍的应用，与传统的钢管相比较具有价格低廉，经久耐用，这使塑料压力管道迅速的发展。随之而来的，管道的连接技术成了一个重要的问题。由于管道输送的流体中不乏危险介质，如天然气和煤气等， 结构一旦破坏后果不堪设想，因此管道的连接技术是影响塑料管道是否广泛应用的关键技术之一。本文就是基于这种焊接技术，研究设计了315型全自动对熔焊机。目前聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯均采用此焊接方式，不但焊接质量有保证，而且焊接效率也非常高。关键词：塑料压力管道、热熔对接焊机、单片机 AbstractThe design of this paper is that plastic pressure pipeline is control part for the machine of fusion welding and the major aspect of its design, have developed based on AT89C51The plastic pipeline heat of single flat machine control Rong the welder of butt joint, it major come to complete plastic pressure pipeline heat Rong butt joint, as plastic pressure pipeline is used to burn extensively, air transports and gives water, blowdown, agricultural irrigation, the mining solid transportation of fine grained as well as the fields such as oil field and the chemical communication of post and telecommunications, special when burn angry transportation aspect has gotten universal application, compared with traditional steel tube, it is cheap to have price comparatively, it is durable and durable , it is developed that this makes plastic pressure pipeline quick. Follow come , the connection of pipeline technology has become a important problem. The fluid transported because of pipeline in do not lack dangerous mediums, such as natural gas and gas etc., structure once damage consequence is unimaginable, therefore the connection of pipeline technology influences plastic pipeline whether one of crucial technologies of extensive application. This paper is to study design based on this kind of welding technology 315 types full automatic is for the machine of fusion welding. Now, polyethylene, polypropylene and polybutene adopt this welding way , not only, welding quality has guarantee, and welding efficiency is also very high. Keyword: Plastic pressure pipeline、heat Rong the and welder of butt joint、single flat machine目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 设计的目的与意思11.2 研究目标11.3 国内外的发展状况21.4 设计内容21.4.1机械部分21.4.2驱动部分31.4.3 控制部分3第2章 总体方案设计42.1 全自动对熔焊机的开发背景42.2 设计方案的拟定4第3章 控制系统设计63.1 控制系统硬件设计63.2 微型单片机的简介63.3 数据采集系统73.3.1 传感器的选用73.3.2 多路模拟开关配置83.3.3 采样保持器93.3.4 A/D转换器的选择93.3.5 数据采集系统的综合误差计算103.4 LCD与单片机的接口设计133.5 打印机与单片机的接口设计143.6 独立按键的设计153.7 过零脉冲单元电路163.8 控制系统软件设计173.8.1 温度控制算法183.8.2 热电偶冷端补偿193.8.3 工艺过程控制方法193.8.4 软件设计20第4章 机械系统的设计214.1 全自动对熔焊机的工艺过程214.2 热熔焊机的组成234.2.1 夹持及导向装置234.2.2 液压系统234.2.3 修整装置294.2.4 加热板31第5章 技术经济分析33第6章 结论34参考文献35塑料压力管道焊接技术的发展现状371 绪论372 焊接技术的发展382.1 电熔焊技术的发展382.2 热熔对接焊技术的发展413 管道焊接新方法的开发444 可追溯性与质量保证体系445 我国塑料压力管道焊接技术的发展现状456 结束语47参考文献48附录149附录271致谢80IV毕业设计(或论文)说明书共82页第1章 绪论1.1 设计的目的与意思与传统金属管道相比塑料压力管道具有质轻价廉，比强度大，比强度高，以及耐腐蚀且绝缘等特点而且在生产和使用方面均可节约大量能源。针对目前塑料PE管材的大量应用，它的联接技术也迅速发展，电熔焊，对熔焊，手动焊接，自动焊接技术相应产生，而且向自动化、智能化方向发展。我的论文题目是全自动对熔焊的机研究。它是利用液压力系统来完成焊接的四个阶段及提供各阶段所需要的不同压力。它的型号是GATOR315，适用范围110315mm,重量162kg。通过对时间、温度、压力、位移量、时序的全自动控制、将影响接口质量的人为因素减至最小，保证了接口质量，并使焊接工作台具有可追溯性。塑料压力管道系统连接口技术的优劣，直接关系到石油、燃气管道系统的运行效果和使用寿命，因此对塑料压力管道的连接形式展开了深入研究使电热熔对接技术能得到合理的应用。以充分发挥管道系统的先进性、经济性、安全性。目前国外同类型电熔、热熔焊机的发展属前沿科技，无论是在外型设计、使用性能，经济学角度都是先进的，主要厂家有FUSION INTRADE LTD 、GASTRADE LTD 、SC FUSION ROMANIA LTD 等，国内生产的主要厂家有GH FUSION CORP LTD 等。1.2 研究目标能自动适应环境的变化以及自动调整在新材料上焊接的焊接参数；具有记忆功能，自动记录所采用的焊接参数；采用磁卡数据载体；对塑料焊机采用ID授权管理。随着网络技术的发展，将对焊机利用网络进行辅助管理远程故障诊断及远程参数设置。充分利用网络的快捷、方便，使塑料焊接技术向前发展。1.3 国内外的发展状况塑料压力管道热熔对接焊的发展方向也是全自动化。这样不仅可消除人为因素的影响，并且可实现可追溯性。这主要是针对大口径管道，因为传统设备用于直径大于315的管道时已出现问题。英国、德国、比利时、法国、美国、日本等均已开发出半自动、全自动热熔对接焊设备。如英国煤 气公司开发了一种自动热熔对接焊机，它可以选定最佳热熔焊接参数，并保持很小的公差，大大减小了操作人员对焊接 过程的干预程度，从而保证了焊接质量。在我国，塑料压力管道的应用起步较晚与发达国家相比，在塑料压力管道焊接技术方面的差距很大。目前，在我国工程上广泛使用的塑料压力管道的焊接设备均为国外进口产品，且焊接设备比较落后。就热熔对接焊机而言，均为手动控制，焊接时工人凭经验掌握焊接的进程。这样一方面增 大了工人的劳动强度，另一方面焊接质量受人为因素影响较大，难以保证焊接质量的一致性。电熔焊技术也是应用较广泛的焊接技术，但只在小管径管道上使用效果比较好；在大直径管道上使用时，电熔焊难以保证焊接质量，经常在接头处存在泄漏的现象；同时电熔管件受锢于国外技术，国内使用的电熔管件都依赖于进口或中外合资生产，没有自主知识产权的电熔管件。近几年来，国内学者也开始重视塑料压力管道焊接技术的研究开发，并取得了一些成就。1.4 设计内容论文设计内容包括对熔焊机的机械部分，驱动部分，控制部分，是一个集机械电子为一体的自动化控制过程。1.4.1机械部分1、机架 快速夹具采用液压动力系统。2、铣刀 安装迅速和方便、曲面刀片、链条驱动增强铣刀的切削能力。3、加热板 有效保护加热板、新型的隔热护板隔热效果更好。加热板表面有聚四氟乙烯薄膜防止塑料粘在加热板上1.4.2驱动部分1、液压对接夹紧机构、通过压力传感器反应加热压力。2、直流电机带动铣刀铣削3、加热抽出锁驱动加热板迅速平稳抽出1.4.3 控制部分采用AT89C51单片机控制焊接温度、时间、及液压缸的动作，以及根据管道参数和环境条件自动选择和校正焊接参数消除人为因素的影响，以提高焊接质量。第2章 总体方案设计2.1 全自动对熔焊机的开发背景塑料压力管道焊接技术的优劣,直接关系到管网系统的运行效果和使用寿命。欧美工业发达国家塑料管道焊接始于20世纪50年代,但是在80年代以后,特别是90年代才得到迅速的发展。目前,塑料管道焊接已从20世纪6070年代的手工焊接发展到20世纪90年代的全自动焊接,焊接设备也从简单的手工控制发展到今天的计算机控制的专用塑料管道焊接系统,它能够适应聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)等多种材料和多种规格管道的焊接,且能够自动完成塑料压力管道接头的装配和焊接过程。随着塑料压力管焊接技术的发展,焊接的管道也从最初的低压管道向中、高压管道拓宽。在我国塑料压力管道的焊接领域属于朝阳领域,有着极为光明的发展前景。在我国塑料压力管道应用才刚刚起步,焊接技术与国际先进水平相比,比较落后,同时缺乏焊接基础理论的研究,这在某种程度上制约了塑料压力管道在我国的推广速度和应用范围。因此,为了推动塑料压力管道在我国的广泛应用,在国家自然科学基金的资助下,天津大学材料科学与工程学院开始着手在塑料压力管道的焊接方法、焊接工艺及焊接的基本理论方面展开全面深入的研究。热熔对接焊的基本原理是，热熔对接焊是采用热熔对焊机来加热管道端面,使其熔化,迅速将其贴合,并保持一定的压力,经冷却达到熔接的目的。各尺寸的塑料压力管道均可采取热熔对接方式焊接,该方法经济可靠,其焊接接头在受拉和受压时都比管道本身具有更高的强度。2.2 设计方案的拟定本文设计的是机电一体化产品，其机械部分的结构采用夹持及导向装置其材料选用45#钢，动力由液压系统提供，该装置装卸方便，并且可通过在夹持装置中添加管套，以适应不同规格塑料管道焊接的需要。铣刀安装迅速和方便、曲面刀片、链条驱动增强铣刀的切削能力。加热板采用电阻丝加热，将电阻丝置于加热板内部。加热板采用铝合金制成，这种加热板表面不易腐蚀，而且传热快，表面温度均匀。同时表面有聚四氟乙烯薄膜防止塑料粘在加热板上。同时新型的隔热护板隔热效果更好。控制采用AT89C51控制，由于输入量均是模拟量，故用A/D转换，以考虑数据需要存档则要对数据进行打印同时数据如温度、压力、时间都要时时显示故需要LCD显示，又考虑到人机对话则需要有键盘控制。该设备自动化程度高、焊接质量好。第3章 控制系统设计在可燃气体输送问题上，传统的金属管道输送存在着成本高、金属管结合外密封不易、管道耐蚀力差、维护任务大的缺点。目前的一种新方法是采用高强度工程塑料代替金属管组成输气管道，这样成本全大幅度下降，同时耐蚀力大为提高，维护难度也相应地降低，针对这项新技术，我们在广泛调查研究、反复实验的基础上，结合我国实际情况，确定了此种热熔焊机的工作机理：在工程塑料管的结合都用一个特制的内嵌可导电材质的合金管套套紧，然后对该管套的两个输入端供电， 由于此管套内导体电阻较小，可在管套内形成七、八十安培的大电流，从而使合金管套内能够产生足够热量并使工程塑料管的末端熔化而与合金管套紧密地结合在一起。单片机控制热熔焊机实质上是一个以AT89C51芯片为主体，应用各种计算机控制手段、可提供精确定时和恒定稳电压的交流电压变换器。本机采用220V市电电源，以AT89C5芯片为主控器，能自动监测焊接全过程，能够依照电网电压和太平洋地区境温度的变化及电熔管件的规格和其它相关指标自动或人工设定热熔焊机的工作参数，故可以具有良好的可控性能。该机采用由于上述工作原理，具有小而轻便、操作简易的特点。3.1 控制系统硬件设计针对总体设计意图，我们采用了图3-1所示结构3.2 微型单片机的简介AT89C51单片机与Inter80C51单片机在引脚排列、工作特性、硬件组成、指令系统等方面完全兼容。其主要特性是：内含4KB的Flash存储器，擦写次数1000次；内含128字节的RAM具有32根可编程I/O线;具有2个16位可编程定时器；图3-1 控制系统总体框图 中断系统是具有6个中断源、5个中断矢量、2 级优先权的中断结构；根据我的设计需要选用AT89C51单片机作为主控方式，与其它控制方式比较，单片机控制具有操作简单，稳定性好，故障率低，及维护方便等优点故选单片机控制。3.3 数据采集系统原理如图3-2所示。3.3.1 传感器的选用由设计需要由多个温度传感器,压力,位移,湿度传感器组成1.加热板温度传感器的选用.由加热板的温度在21010故加热温度高.选用镍铬-康铜热电偶作为温度传感器,并利用AD590对热电偶冷端进行补偿.采用多温度采集取平均温度。2.压力传感器选用P-2000系列352G 0.35Mpa 使用温度范围-20-+80桥式电阻为33000.3,驱动电流为1.5mA 额定输出为90mA40mA3.湿度传感器电路中由MC-2为电器件,并由7556(1)构成多谐振荡器,所产生的200ns 脉冲信号来触发7556(2)从而构成调脉宽发生器,其脉宽与MC-2的电容量有关,供电电压为2.5V保证MC-2的工作电压不超过1.0V图3-2 数据采集系统原理图3.3.2 多路模拟开关配置A/D7501是单向CMOS8通道多路开关。开关导通电阻的影响，模拟电子开关根据其手续费构可分为：双极型晶体开关，结型场效应管开关，绝缘栅场效应管开关。双极型 开关导通电阻小，工作快，但它是电流控制器件，功耗大，集成度低，主要用于大电流、高速开关的场合。结型 场效应管开关与接通电阻无介于双极型 晶体开关与绝缘栅场效应管开关之间，其导通电阻5100接通时间10100ns.MOS管是约缘栅场效应管的一种，以可分为PMOSNMOS和CMOS三种类型。它们最大的缺点就是导通电阻随控制电压和输入模拟电压的大小而变。CMOS开关的导通电阻小，其值随信号电压波动小，而且接通时间小，易于和驱动电路集成，所以适合集成模开关。3.3.3 采样保持器一、 A/D582是由一个高性能的运算放大器、低漏电阻的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成。全电路集成在一个芯片上，保持电容器是外接的。开关闭合是，A/D582的作用就像一个运算放大器，输出跟随输入变化；当开关断开时，由保持电容器保持住开关断开时的值，此时的输出为断开时刻的输入值，而不再受输入电压变化的影响。其特点是：1.采样时间短。2.采样保持电流比可达10.该值是保持电容器的充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值 ，该值是采样保持器的质量的标志。3.由于元件内寄生电容小，而由寄生电容耦合引起的输出误差也小。4.在采样和保持模式时有较高的输入阻抗，约30M.5.输入信号电平高达电源电压Vs,可适用于12位A/D转换电路。二、采样保持器的抗干扰措施1. 保持电容对电路精度的影响起着十分重要的作用。电容值的选择应综合考虑精度、下降误差、采样保持偏差、馈送及采样频率等参数。保持电容产生的主要原因是感应吸收，即电容两端电压急剧变化时，产生电容值下降现象。2. 控制逻辑信号应有较陡的前沿，否则，当电路由采样状态到保持状态的切换瞬间，输出端极易产生尖峰电压。故降低逻辑输入信号的同度也可以减少寄生电容耦合和漏电耦合干扰。特别是高阻抗的信号源，这种误差更为突出应注意采取必要的措施。在保持模式时，输出将随电源的波动而变化，因此，芯片的供电电源应该是经过稳压和滤波，在芯片电源线与地线间加去耦电容。3.为了克服地线公共阻抗干扰，应将模拟信号地和数字信号地互隔开，以提高抗干扰的能力。3.3.4 A/D转换器的选择由设计的需要，选择A/D574A，A/D574A是美国AD公司制造的12位A/转换芯片，采用逐次逼近式转换原理。其特点是：1.有参考电压基准和时钟电路；2.全8位或16 位微处理器接口；3.10ns总线取数时间，能满足一般微处理器的时序要求；4.转换精速率，12位时25s，8 位时16s5.在-55+125C温度范围内满足线性要求，在恶劣环境下亦能稳定工作。3.3.5 数据采集系统的综合误差计算本设计单片机数据采集系统，模拟输入信号为5V，信号源内阻是10被检测回路有8个通道，顺序测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过50s系统最大允许误差不超过满刻度的0.5%系统的逻辑电平是TTL电平；二进制数数码输出，数据传输方式是并行方式 ；放大器的误差为0.01%。温度范围是+25C到55C，现场提供+5V及15V的稳压电源，15V电源变化是150mV，即1%.首先根据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换时间、输入信号同度、逻辑电平、环境度以及提供的电源，粗略地选择与这些参数相当的器件。因此本设计选用AD574,其分辨是12位，转换精度可达0.02%，转换时间25s采样保持器选用AD582，建立时间是5s，多路模拟开关选用AD7501,建立时间是2s器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要求范围内。一、 转换时间系统转换时间由多路模拟开关、输入放大器的稳定时间、采样保持电路的采集时间以及A/D转换器的稳定和转换时间确定，它决定了系统的动态特性。系统转换时间=多路开关和放大器的稳定时间+S/H采样和稳定时间+A/D转换器的稳定和转换时间=2s+5s+25s=32s。系统转换时间小于50s满足要求。二、 转换精度用来描述数据采集系统转换精度的最常用的方法是计划处各环节的方和根误差。由下式表示：RRS=式中：2MUX 多路模拟开关误差；2AMP 输入放大器误差；2SH 采样保持电路误差；2ADC A/D转换器误差；根据上式，下成对各器件进行校验。1、多路模拟开关A/D7501的误差多路模拟开关产生的误差由两项组成。（1） 多路开关中，不接通的通道有漏电流，该漏电流通过不接的通开关，与接通的通道 开关及信号源内阻形成了回路，从而在信号源内阻上产生了电压降，信号被衰减。 多路开关漏电流2nA；信号源内阻10误差电压=210-910=210-8V这个误差可以忽略不计（2） 在多路开关中，接通的原那一路，开关本身有“接通电阻”，输入模拟信号在该电阻上产生电压降，则信号被衰减。多路开关接通电阻300采样保持器的输入电阻30M衰减分压比= =110-5=0.001%由此可得MUX =0.001% 2.输入放大器的误差根据题目给定条件可知AMP=0.01%3.采样保持器A/D582的误差采样保持器A/D582的非线性度，在10V范围内是0.01%，也就是1mV.（1）输入旁路电流3A在信号源内阻上产生的误差电压为：信号源电阻=10+300=310误差电压=310310-6=93010-6V；该误差是满刻度的0.01%.（2）在保持时间内的输入模拟信号电压下降的计算：若保持电容C=1000pF，下降电压降为=1V/s=10-6/sA/D574A转换时间是25s，则电压下降为10-6V/s25s=25v相当于满刻度的0.00025%，可略去不计。（3）环境温度变化及供电电源电压的变化，相当于引入了模拟信号输入误差电压。手册中并未给出A/D582的这两个参数，但这两个因素是应考虑的，设计的指标应选取偏高些。通过上述计算可得SH=0.02%4.A/D转换芯片A/D574A（1）A/D574A的转换精度是LSB，即0.025%；（2）双极性偏差温度系数：AD574AL是10010-6/C，设计要求温度变化30C，则 10010-6/C30C=300010-6,即0.3%.由此可得ADC=0.325%三、 据采集系统总误差计算 RRS= =0.33%上述各项误差方和根约为0.33%，小于设计要求的0.5%.在粗选及误差校验以后，如所件篻合设计要求，便可着手进行电路设计，包括硬件接口、软件及布线等。同时考虑系统的造价及体积。其采集系统的原理框图如3-3所示。传感器多路模拟开关采样保持器A/D转换器单片机图3-3 采集系统原理图3.4 LCD与单片机的接口设计液晶显示器概述液晶实质上是一种特殊物质态，它不同于固体，又不同于气体、液体，也有人把它称为第四态，德语称液晶为液态晶体，中文译为“液晶”简称“LC”用它制成的液晶显示器件称为“LCD”.常用的有两种形式：一种是液晶显示器件，包括前后偏振片在内的液晶显示器件简称LCD加一种是液晶显示模块，包括组装好的线路板，LCD驱动和控制电路及其它附件，简称LCM液晶显示器必须通过环境光来显示，其本身不发光，因此功耗低，只要求液晶周围有足够的光强，必要时可选用背景光源来显示，保证LCD显示信息。液晶显示必须由交流电压驱动，使用直流驱动会损坏LCD.LCD有段式、点阵式、字符型、图型、有单色、彩色的，可以由LCD显示器配LCD驱动构成电路、也可购买各种LCD模块直接与单片机相连接。根据本设计的需要，选用HC16202显示模块，其管脚功能好表3-1所示，与单片机的接口如图3-4所示：Vss接地VDD电路电源，+5VV0液晶驱动电压R/W读/写信号E使能，片选DB0DB7数据线表3-1 HC16202的管脚功能图3-4 液晶模块与单元片机接口电路3.5 打印机与单片机的接口设计根据系统的打印需要将所记录的数据全部打印输出。选用TPP40A/16A智能打印机，其主要的技术性能如下：1.可打印出8240点阵的图样，代码字符和点阵图样可在一行中混合打印。2.带有水平和垂直制表命令，便于打印。3.较丰富的打印命令，命令代码均为单字节，格式简单。在输入电路中有锁存器、在输出电路中有三态门控制，因此在和单片机接口电路中，低8位地址可以不通过锁存器，实际应用中，通常是通过扩展I0口与打印机相连的，介绍AT89C51通过8155与打印机相连的接口电路图及工作原理如图3-5所示：图3-5微型打印机与单片机接口电路首先查P3.3即BUSY是否是1，若BUSY=0说明打印机不忙，可以打印，当8155的PC0即STB有负脉冲的上升沿才开始打印。AT89C51经P0口把数据送出，再由8155的PA口送至打印机的数据端口DB0DB7,另外注意P2.7接8155的CE，平P2.0接IO/M，决定8155的地址。3.6 独立按键的设计单片机控制系统中，往往只需要几个功能键。对于少量键一般采用独立式结构。独立式按键结构的特点是，每个键单独占用1根I/O接口线，每个键的工作不会影响。图3-6键盘与单片机接口电路其它I/O接口的状态，如图3-6所示。这种电路结构简单、配置灵活。独立式按键软件常用查询方式 。如图中查到哪个I/O接口虽低电平，表示哪个键按下，然后转向该键的功能处理程序。3.7 过零脉冲单元电路此处采用电网电压信号与二极管压降0.6V经比较器比较产生触发脉冲的方法。在电路中电压信号用串联的1K电阻和2K电阻分压，同时在2K电阻两端并联一5V稳定管以确保输出电平被钳制在5V以下。如图3-7所示图3-7 过零脉冲单元电路3.8 控制系统软件设计控制系统用来提供不同管材(或管件)的焊接工艺参数,在线显示各种焊接工艺参数和环境条件以及对加热板的温度实施控制,保证加热板的温度变化控制在一定的范围内。整个系统由一AT89C51单片机控制,主要包括:温度控制;压力控制;各阶段时间的控制;液压缸的运动控制;信息处理,包括工艺参数的计算与给定;环境条件的获取,包括环境温度及风速等;工艺参数和环境条件的显示;工艺参数的设置,可人工根据经验设置,也可根据被焊材料自动从数据库中选取。该控制系统主要包括:温度控制系统和焊接过程控制系统。用AT89C51单片机实施这两个系统的控制。该系统采用热电偶检测加热板的温度,同时利用集成温度传感器AD590检测环境温度,一方面作为热电偶的补偿温度,另一方面用于修正焊接过程参数的比较温度。并根据PID算法对加热元件进行控制。对液压缸的控制是通过控制换向阀的两个电磁铁的通断,从而达到控制液压系统的油路来实现焊接过程的控制。如图3-8所示。图3-8控制系统原理图3.8.1 温度控制算法本文采用双向可控硅调工方式,双向可控硅串在50HZ流电源和加热装置中,只要在给定周期内改变可控硅开关的接通时间,就能达到改变加热功率的目的,从而实现温度调节。如图7所示。试验证明,采用PID算法控制温度可获得满意的效果。PID算法的递推公式为:U()=q0()+1(-1)+2(-2) 式4.1其中0=p1+q1 = - Kp 1 + 式4.2q2 = Kp 式4.3U = U ( n) - U ( n - 1)式中U ( n) 第n 次过零次数U ( n - 1) 第n - 1 次过零次数E( n) 第n 次测量温度值与设定温度值之差Kp 比例系数T 采样时间Ti 积分时间常数Td 微分时间常数在PID 控制中,积分的作用是消除残差,为了克服积分饱和,防止超调,提高控制性能,采取积分分离的措施。即当| e ( n) | 时,用PD 算法控制;当| e ( n) | 时,用PID 算法控制。其中,为设定温度偏差,即控制精度,如2 。若积分分离值值过大,达不到积分分离的目的;若积分分离值值过小,一旦被控量无法跳出积分分离区,则只能进行PD 算法控制,将会出现残差。为了实现积分分离,PD 的递推公式为:U ( n) = q0 e ( n) + q1 e ( n - 1) + q2 e ( n - 2) 式4.4其中q0 = Kp 1 + 式4.53.8.2 热电偶冷端补偿热电偶的温度热电势关系是在冷端温度为0 时测得的,而工作中冷端温度不是0 而是环境温度t0 。因此采用AD590 测量环境温度t0 来对热电偶的冷端进行补偿。冷端置于环境温度t0 时,可得：E( t ,0) = E( t , t0) + E( t0 ,0) 式4.6式中E( t , t0) 热电偶冷端温度为t0 ,热端为t 时的热电势； E( t0 , 0) 冷端温度补偿值。热电偶冷端温度为0 ,热端为t0 时的热电势； E ( t , 0) 热电偶冷端温度为0 ,热端为t时的热电势；3.8.3 工艺过程控制方法热熔对接焊的工艺参数较多,动作过程也较复杂,因此焊接质量的好坏受人为因素的影响也较大。但利用计算机控制焊接的工艺参数和工艺过程,可避免由于人为因素的影响。本文采用预置参数控制热熔对接焊过程。就是将不同塑料管道热熔对接焊的8 个工艺参数储存计算机,同时考虑焊接现场环境温度及风速的影响,利用传感器测量出环境温度和风速,并根据这些参数修改储存于计算机的工艺参数,得出适合于现场的焊接工艺参数,并根据这些工艺参数完成其工艺过程,从而不用人工干预,实现自动焊接过程。3.8.4 软件设计用AT89C51单片机控制热熔对接焊机,其软件设计时主要考虑解决以下几个问题:键盘扫描和键码识别;塑料压力管道参数和控制温度值的设定;温度采样、冷端补偿、标度转换、PID 计算和加热控制;焊接工艺过程控制,包括液压缸的动作控制和时间控制及工艺参数的修正;过流检测处理和报警处理。软件包括主程序、外部中断服务程序、HSI. 0 中断服务程序、HIS 数据有效中断服务程序、温度采集与数据处理程序(包括标度变换、三字节浮点数的转换及加减乘除和BCD 码转换为二进制数程序等) 、PID 控制程序、键码识别与动作控制程序、时间显示程序及报警程序等。液压缸动作过程时间控制利用DS12887 时钟芯片产生一秒钟中断来实现。温度采样时间控制采用8155 芯片定时器实现。第4章 机械系统的设计4.1 全自动对熔焊机的工艺过程热熔对接焊的四个阶段如图4-1和图4-2所示,热熔对接焊的过程比较简单,大体上可以分为四个阶段。图4-1热熔对接的主要工艺过程热熔对接焊的主要工艺过程：准备阶段,清洁焊接部位的油污及泥土等脏物,装夹管道,并保证二个互相对接焊管件的同轴度和各自的圆柱度不超过公差范围,然后切削和修整管道的端面,保证端面的平直以及与轴线的垂直度。加热阶段,将互相对接焊的二个管道在较高压力作用下与加热板接触,以保证管道的二个表面与加热板充分接触,并保持压力P1不变,如图4-1a所示。当熔化的塑料开始向两侧流动时,降低压力至P2,便于熔化的塑料流动,如图4-1b所示。切换阶段,当有足够的熔化层厚度时,管道与加热板分开,将加热板快速移出,如图4-1c所示。压焊和冷却阶段,在压力P3的作用下,将二个管道连在一起,保持压力一定的时间,如图4-1d所示。 热熔对接焊的基本参数影响热熔对接焊的焊接质量参数主要有以下几个(如图4-2所示)。.图4-2焊接过程压力、位移和温度与时间的关系加热压力在加热阶段,加热板表面与管道表面间的压力,包括P1和P2; 加热时间包括在加热压力P1作用下塑料表面被加热的时间1和在加热压力P2作用下塑料表面被加热的时间2;切换时间3加热结束至压焊开始的一段时间,包括管道与加热板分开的时间、加热板移出的时间和管道互相靠拢的时间;焊接压力P3焊接时,作用在两个焊接面上的压力;压焊时间4保持焊接压力的时间;加热板温度1加热板表面的真实温度。焊接过程中多余的熔融塑料被挤出,形成了焊接接头,且焊接接头的大小和几何形状影响焊接质量。研究表明,接头性能的好坏主要由焊接过程中的温度、压力及加热时间决定。热熔对接焊机的开发热熔对接焊机是用来加热塑料管道(或管件)端面的. 专用设备,使被加热的两端面熔化,迅速将其贴合。保有一定的压力、冷却,达到熔接的目的。4.2 热熔焊机的组成塑料压力管道热熔对接焊机主要由夹持及导向装置、液压系统、修整装置、加热板及控制系统等几部分组成。4.2.1 夹持及导向装置夹持及导向装置夹持及导向装置主要用来夹紧和固定管道(或管件),同时为被焊管材的运动提供导向。在该装置中动力的来源是靠液压缸来提供的,液压杆又起导向和整个装置的连接作用。管道(或管件)的夹持装置分上下两半,通过可转动的螺杆压紧,装卸方便。如图3-3所示。图3-3夹持及导向装置原理图4.2.2 液压系统液压系统用来完成焊接过程中的所需的各种动作和各阶段所需的不同压力。液压系统原理图如图3-4所示。该系统采用溢流阀调节系统的压力。液压缸采用双出杆形式,固定活塞杆,在油压的作用下缸筒在活塞杆上来回运动。同时两个液压缸通过机械连接方式将其固定在一起,以保证同步。该系统压力稳定,可调节,且噪音低。图4-4 液压系统原理图一、液压缸的设计选择:1.拖动压力的计算：（油缸的推动摩擦力P0）P0=G管 式4.1上式中，G管为焊接管的重量；为液压缸与活塞的摩擦系数；G管=米重管长重力加速度20米下列各管材的重量：如表4-1.SPR11SPR17.6PE63管规格5270.44N3430NPE80管材规格5243N3488NPE100管材规格5297.88N3620.12N表4-1 各种管材的参数注：焊接时应将拖动压力叠加到各压力参数中。建议：拖动压力以能拖动焊接管材的最小压力为准 。从以上的计算可知，拖动PE100管材规格SPR11焊接材料的拖动力最大，应以它为设计标准，即选 G管=Gmax=5297.88N经查用液压缸手册可知：=0.9P0= G管=5297.880.9=4768.092N2.热熔对接压力的计算：HDPE热熔对接压力:如表4-2所示。表4-2 德国焊接学会关于HDPE管材的焊接工艺参数壁厚/mm预热时的卷边高度/mm预热温度：21010C预热压力：0.15MPa加热时间/s加热温度21010C加热压力:0.01MPa允许最大切换时间/s压焊时间/s焊接压力：0.15MPa23.94.36.97.011.412.218.220.125.528.332.30.50.51.01.01.51.5304040707012012017017021021025045681012456101016172425323340 A.SDR11系列：管径D=315mm壁厚S=28.26mm，截面积=257.32，P1=P3=1.73MPa压力F=PS=1.73106257.310-4=44512.9NB.SDR17.6系列管径D=315mm 壁厚S=17.9mm，截面积=167.12，P1=P3=1.12MPa压力F=PS=1.128106167.110-4=18715.2N由上面的计算可知，同直径的SDP11管材在焊接时所而的对接压力比SDR17.6管材所而的对接压力大所以选取SDR17.6系列为标准，即：F=Fmax=44512.9N所以液压缸总的工作压力为： F负=F+P0=44512.9+4768.092=49280.992N由上面计算出的液压缸的负载选用液压缸.查液压传动手册可知：选用液压缸尺寸为 5540 双活塞杆液压缸，单油缸截面11.2cm2二、液压缸的结构设计1.已知条件; A.工作机构要求的负载力F=44512.9N B.缸工作行程和速度：由上表可知:Vmax=V1=V2= 式4.2在上式中，l是夹具开合行程l=2l1+l2式4.3l1是夹具打开时的行程为40mm；l2是加热板的厚度为40mm；t为夹具开合时间t=4s；所以Vmax=l/t=120/4=0.03m/s。2.液压缸类型选择根据工作机构的要求和设计目的，要求工作行程的速度和负载与返行程相等。选用双活塞液压缸。三、双活塞步骤液压缸的设计1. 估算缸而要克服的总负载力FF=K F负式4.4F负-工作机构要求的负载力，为已知量为44512.9N；K-考虑缸体和各种负载力的系数，K=1.2；F-缸的输出力。F=KF负=1.244512.9=53415.48N2. 定活塞杆直径d按简单拉伸或压缩的受力条件确定活塞杆直径。因为本设计采用两个相同的液压缸。所以每个液压缸的输出力为总的输出力的一半。d=-材料的许用应力 45#d= =8.01由于设计目的的而要。活塞杆固定，并且作为缸筒的导向机构，所以要对活塞村进行稳定性计算：Pcr-活塞杆的临界压力Pcr=nstF=653415.48=320492.88N所以得出： d= =42考虑到加工的精确度，确保活塞杆在500mm,长度上应小于0.04mm，通过圆整取d=45mm3. 选择缸筒直径D考虑到加工精户外作业方面的需要，缸筒不应选择的太大，对照前面算出的活塞直径d约大些即可。表4-3缸内径D系列8101216202532406380100125160200250320400630选取63mm4. 选择设计压力P由于精度的需要由下表4-4选择设计压力。主机类型系统压力精加工机床0.82半精加工机床35粗加工或重型加工510农业机械、小型工程机械1016液压机、重型机械2032表4-4 各类主机常用系统压力取0.8-2选定的缸的设计要圆整，取P=1MPa5. 计算缸的输出力FH=PA=P(-)=1878400N因为FH F=53415.48 所以合格.6.计算缸所需的流量Q极据前面计算出的系统最大速度Vmax=0.03Q=V(D2-d2)=0.03(0.0562-0.0452)=0.0067. 缸主要零件的强度计算（1）缸筒壁厚的计算常用的缸筒均为无缝缸管。=-油缸壁厚Pr-油缸的度验压力P-油缸的工作压力考虑到耐用的需要，取(PY=0.21.5P)D油缸的内径油缸材料的许用应力注：夹具的宽度为100mm厚为30mm夹具上夹瓦键槽深10mm两夹具之间的距离为300液压缸由前面计算可知，选用双活塞杆-杆固定式液压缸，满行程为308mm铣刀整体宽度为100mm，固定铣刀的圆盘宽15mm，两个导槽分别为5mm。4.2.3 修整装置修整装置用来切削和修整管材(或管件)的端面,保证两相互焊接端面平行图4-5 修整装置原理图与平整,以及保证管材(或管件)的端面与其轴线的垂直度。在两个切割板面上都装有切割刀片,一般可布置一片、二片或三片切割刀片。如图4-5所示。一、铣刀刀片的设计根据工作要求：铣削PE、PP及料料管材的端面。所以选用端铣刀1. 铣刀材料的选择：由于加工材料为塑料管件，故铣刀材料选用通用型高速钢-钨钢这种钢的曲型牌号是W18Cr4V(简称W18)它含W18%具有较好的综合性能见表3-5，在600C时的高温硬度为HRC48.5可以制作各种复杂刀具。钢号常温硬度HRC抗弯强度冲击韧性高温硬度500600W18Cr4V636633.40.180.325648.5表4-5铣刀材料的力学性能W18钢的优点是淬火时过热倾向小，由于含钒量较少，故加工性好，由于炭化物含量较高，因而塑性变形抗力较大。2. 刀具类型的选择根据工作条件和需要，把PE、PP及塑料管材的端面铣平，所以本人设计的热熔焊机所采用的刀具为端面铣刀。二、电动机的选择根据作用在铣刀的作用力计算切削力、及转速，从而计算电机的功率。已知工作条时压力的最大值为0.5MPa作用在铣刀上的作用力为：由公式： 式4.6作用在铣刀上的面积为,所以作用在铣刀上的力：由于两端同时铣削，故作用在铣刀上的总作用力为：工作机的功率应由机器工作阻力和运行速度由计算求得。按下式计算： 式4.7根据铣刀铣时的需要，转速为1000，故实际的线速度为：所以故选用电机 由此选用YC112M6单相起动异步电动机。4.2.4 加热板加热板主要用来加热管材(或管件)的端面。设计加热板应考虑与遵循的原则：加热板的材料必须导热容易、且不易腐蚀,一般用铝合金制成。加热板温度应能任意调节，以适应不同塑料管道焊接的需要。因此采用镍-铜热电偶测量加热板的温度，以便控制加热板的温度。为确保加热区域温度均匀