耐磨鋼板堆焊機(jī)單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)

中文題目：耐磨鋼板堆焊機(jī)單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)外文題目：THE DESIGN OF SINGLECHIP CONTROLLER OF WEAR-RESISTING STEEL PLATE WELDING MACHINE畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 74 頁（其中：外文文獻(xiàn)及譯文18頁） 圖紙共1張 完成日期 2011年6月 答辯日期 2011年6月摘要隨著焊接生產(chǎn)對設(shè)備自動化要求的提高，堆焊設(shè)備的自動化成了一個(gè)亟待解決的問題。目前能實(shí)現(xiàn)自動堆焊的設(shè)備很少，使用效果差，堆焊勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，效率低，能耗高。因此，設(shè)計(jì)一種自動堆焊設(shè)備有非常重要的意義。本論文采用CO2氣體保護(hù)焊工藝，以單片機(jī)為控制中心設(shè)計(jì)一種耐磨鋼板堆焊控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)焊接過程的全自動，并可以靈活地解決磨損程度不同以及磨損區(qū)尺寸不同的問題。本文論述了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程，包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面。硬件電路部分主要包括以AT89S52單片機(jī)為控制中心的焊接時(shí)序電路和晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)。軟件程序用C語言寫成。利用軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)焊接的時(shí)序控制以及滿焊和定位焊兩種焊接方式。本控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：自動化程度高，堆焊過程連續(xù)；工作穩(wěn)定可靠，生產(chǎn)效率高；操作方便，工人的勞動強(qiáng)度低；原材料供應(yīng)方便，綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，本控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：堆焊；CO2氣體保護(hù)焊；自動控制；單片機(jī)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;singlechipI目錄0 前言11 概述21.1 堆焊技術(shù)的發(fā)展21.1.1 堆焊的主要發(fā)展與應(yīng)用21.1.2 自動堆焊的現(xiàn)狀21.2 課題的提出31.3 自動堆焊機(jī)與以往堆焊相比的優(yōu)點(diǎn)31.4 控制任務(wù)41.5 控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能42 系統(tǒng)指標(biāo)及對設(shè)備的要求62.1 系統(tǒng)指標(biāo)62.1.1 過程指標(biāo)62.1.2 技術(shù)工藝參數(shù)62.2 焊機(jī)對設(shè)備要求72.2.1 弧焊電源的選擇72.2.2 對堆焊機(jī)床的要求72.2.3 對小車、送絲電機(jī)驅(qū)動電路的要求72.2.4 對送絲機(jī)的要求72.2.5 對氣體流量的要求83 焊機(jī)設(shè)備的選擇93.1 焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)93.2.1 工作臺的組成93.2.2 工作臺的構(gòu)造103.3 滑動螺旋傳動103.3.1 滑動螺旋傳動原理103.3.2 滑動螺旋傳動的特點(diǎn)113.3.3 機(jī)電一體化對機(jī)械傳動的基本要求113.4 他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性123.4.1 電樞回路中的電壓平衡方程133.4.2 他勵(lì)直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性133.5 電機(jī)的選擇143.5.1 左右方向電機(jī)和減速器的選擇143.5.2 前后方向電機(jī)和減速器的選擇153.5.3 送絲電機(jī)和減速器的選擇154 自動堆焊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)184.1 硬件設(shè)計(jì)方案184.2 控制面板的設(shè)計(jì)184.2.1 系統(tǒng)的硬件組成194.2.2 硬件系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)194.3 直流電機(jī)的驅(qū)動和調(diào)速電路設(shè)計(jì)204.3.1 直流電機(jī)驅(qū)動和調(diào)速方案204.3.2 電機(jī)的調(diào)速電路204.3.3 電機(jī)的驅(qū)動電路224.4 單片機(jī)控制的焊接時(shí)序控制電路234.4.1 焊接時(shí)序控制電路具體方案234.4.2 單片機(jī)控制的焊接時(shí)序控制電路244.5 電機(jī)位移信號提取電路264.6 顯示電路264.7 鍵盤輸入電路284.8 單片機(jī)的選擇284.8.1 單片機(jī)的選擇284.8.2 單片機(jī)簡介294.8.3 引腳介紹294.8.4 AT89S52單片機(jī)的主要組成部分334.8.5 復(fù)位電路354.8.6 時(shí)鐘電路365 軟件設(shè)計(jì)385.1 自動堆焊機(jī)的程序設(shè)計(jì)385.1.1 系統(tǒng)的主程序385.1.2 各部分子程序396 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析446.1 技術(shù)分析446.2 經(jīng)濟(jì)分析447 結(jié)論45致謝46參考文獻(xiàn)47附錄A 系統(tǒng)程序48附錄B 譯文56附錄C 外文原文64xx大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0 前言隨著各種機(jī)械制造業(yè)迅猛發(fā)展，焊接技術(shù)已在生產(chǎn)建設(shè)的應(yīng)用中日趨廣泛。但是以往的人工焊接勞動量大；速度慢；生產(chǎn)效率低；根本無法滿足生產(chǎn)的需要。所以提高焊接質(zhì)量、改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率己成為所有焊接工作者的強(qiáng)烈愿望。提高焊接對生產(chǎn)設(shè)備的自動化要求，使焊接智能化，也成了一個(gè)亟待解決的問題。近幾年，我國在堆焊技術(shù)上做了許多研究，但仍然沒有滿意的產(chǎn)品誕生，能實(shí)現(xiàn)自動堆焊的設(shè)備很少，效果和普及程度也不佳，不能滿足現(xiàn)階段我國國情的發(fā)展。所以對我國來講研發(fā)出一個(gè)智能化的堆焊機(jī)勢在必行。本論文采用CO2氣體保護(hù)焊工藝，以單片機(jī)為控制中心設(shè)計(jì)一種耐磨鋼板堆焊控制系統(tǒng)。改善了以往工人勞動條件及勞動環(huán)境，勞動強(qiáng)度大大下降，設(shè)備簡單、原材料供應(yīng)方便，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。選取合適的焊接電源，采用單片機(jī)控制及CO2焊接工藝，軟硬件并用，實(shí)現(xiàn)送絲速度、焊接速度和焊縫間距的調(diào)節(jié)、焊接時(shí)序控制以及焊車的行走、滿焊、定位焊、預(yù)停、急停/復(fù)位等功能。送絲速度和焊接速度的調(diào)節(jié)采用晶閘管電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)；焊縫間距的調(diào)節(jié)利用一個(gè)BCD撥盤將信號反饋給單片機(jī)，通過單片機(jī)的程序來控制；焊接時(shí)序控制和焊車的行走方式由軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)。利用此耐磨鋼板堆焊控制系統(tǒng)，堆焊層質(zhì)量好，抗銹、抗裂能力強(qiáng)，縮短了焊前準(zhǔn)備工作時(shí)間和其他輔助工作時(shí)間，堆焊過程連續(xù)，生產(chǎn)效率高，能耗及綜合成本低。改善了工人勞動條件及勞動環(huán)境，勞動強(qiáng)度大大下降，可以靈活地解決磨損程度不同和以及待焊區(qū)尺寸不同的問題，設(shè)備簡單、原材料供應(yīng)方便，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本控制系統(tǒng)和其他機(jī)械設(shè)備適當(dāng)配合，也適用于圓環(huán)面的堆焊。1 概述1.1 堆焊技術(shù)的發(fā)展1.1.1 堆焊的主要發(fā)展與應(yīng)用堆焊技術(shù)在我國起源于20世紀(jì)50年代末，幾乎與焊接技術(shù)同步發(fā)展。發(fā)展初期主要用于修復(fù)領(lǐng)域，即恢復(fù)零件的形狀尺寸，60年代已經(jīng)將恢復(fù)形狀尺寸與強(qiáng)化表面及表面改性相結(jié)合，改革開放后堆焊技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，堆焊技術(shù)從修理業(yè)擴(kuò)展到制造業(yè)，90年代受先進(jìn)制造技術(shù)理念的影響，堆焊方法與智能控制技術(shù)和精密磨削技術(shù)相結(jié)合的近凈形技術(shù)（Near Net Shape）引起了制造業(yè)的廣泛關(guān)注，這也是堆焊技術(shù)從技藝走向科學(xué)的重要標(biāo)志。堆焊技術(shù)在我國經(jīng)歷近50年的風(fēng)雨歷程，不僅是延長材料或零件服役壽命的工藝方法，而且成為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。堆焊焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化的焊接方法。因此，自19世紀(jì)末問世以來得到了迅速發(fā)展，廣泛地用于航空航天，汽車車輛，輕工家電等行業(yè)。特別是近年來，隨著汽車工業(yè)等現(xiàn)代化大批量生產(chǎn)企業(yè)的不斷增加，電阻焊接方法在整個(gè)焊接領(lǐng)域中的比例也在增加，而且其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大。堆焊技術(shù)在我國近50年的發(fā)展歷程中，為基礎(chǔ)工業(yè)的崛起和發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，其應(yīng)用遍及機(jī)械、能源、交通、電力和冶金工業(yè)等領(lǐng)域。1.1.2 自動堆焊的現(xiàn)狀堆焊是指將具有一定使用性能的合金材料借助一定的熱源手段熔覆在母體材料的表面，以賦予母材特殊使用性能或使零件恢復(fù)原有形狀尺寸的工藝方法。因此，堆焊既可用于修復(fù)材料因服役而導(dǎo)致的失效部位，亦可用于強(qiáng)化材料或零件的表面，其目的都在于延長零件的使用壽命、節(jié)約貴重材料、降低制造成本。因此，國內(nèi)外制造業(yè)對堆焊技術(shù)的發(fā)展十分重視，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家的相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)均設(shè)置了專門委員會，以協(xié)調(diào)和促進(jìn)堆焊技術(shù)的發(fā)展。與堆焊技術(shù)的國際發(fā)展前沿相比較，我國在堆焊基礎(chǔ)理論方面（如堆焊合金的設(shè)計(jì)、堆焊缺陷的形成機(jī)理等）并不落后于工業(yè)發(fā)達(dá)國家，但堆焊材料和設(shè)備的工業(yè)發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，我國堆焊材料方面的突出特點(diǎn)是“焊條多焊絲少、熔煉焊劑多燒結(jié)焊劑少、實(shí)心焊絲多藥芯焊絲少”，而堆焊設(shè)備方面的現(xiàn)狀則是“改裝設(shè)備多專用設(shè)備少、機(jī)械化設(shè)備多智能化設(shè)備少”，因此，無論是堆焊材料的品種和質(zhì)量，還是堆焊設(shè)備的自動化、智能化水平等方面均亟待發(fā)展和提高。但目前，世界各國都著重于提高焊接生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化水平，盡量采用各種高效率的機(jī)械化、自動化的焊接方法、焊接設(shè)備及控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種焊接設(shè)備的智能化成果與產(chǎn)品已大量涌現(xiàn)出來，這是焊接設(shè)備的一個(gè)發(fā)展方向，也是焊接生產(chǎn)現(xiàn)代化的必然趨勢。就我國來看，近幾年在堆焊技術(shù)上做了許多研究，但仍然沒有滿意的產(chǎn)品誕生，能實(shí)現(xiàn)自動堆焊的設(shè)備很少，效果和普及程度也不佳，不能滿足現(xiàn)階段我國國情的發(fā)展。所以對我國來講研發(fā)出一個(gè)智能化的堆焊機(jī)勢在必行。1.2 課題的提出依照我國目前國情來看，隨著科技的進(jìn)步，各種機(jī)械制造業(yè)迅猛發(fā)展，堆焊技術(shù)已在生產(chǎn)建設(shè)的應(yīng)用中日趨廣泛。但是人工焊接勞動量大，速度慢，生產(chǎn)效率低，根本無法滿足發(fā)展的需要。所以提高焊接質(zhì)量、改善勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率己成為所有焊接工作者的強(qiáng)烈愿望。提高焊接對生產(chǎn)設(shè)備的自動化要求，使焊接智能化，也成了一個(gè)亟待解決的問題。但就總體而言，目前我國能實(shí)現(xiàn)自動堆焊的設(shè)備很少，而且堆焊勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，效率低，能耗高等，使用效果較差。為解決此等問題，本設(shè)計(jì)研發(fā)了一種以單片機(jī)為控制中心的耐磨鋼板堆焊控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)以CO2為保護(hù)氣體的焊接。設(shè)計(jì)中包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件電路部分主要包括以AT89S52單片機(jī)為控制中心的焊接時(shí)序電路和直流調(diào)速系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)焊接過程的全自動，并可以靈活地解決磨損程度不同以及磨損區(qū)尺寸不同的問題。是采用自動控制技術(shù)達(dá)到上述目的的正確途徑。1.3 自動堆焊機(jī)與以往堆焊相比的優(yōu)點(diǎn)首先，以往我國能實(shí)現(xiàn)自動堆焊的設(shè)備很少，而且使用效果差，堆焊勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，效率低，能耗高。而利用此自動堆焊控制系統(tǒng)，堆焊層質(zhì)量好，抗銹、抗裂能力強(qiáng)，縮短了焊前準(zhǔn)備工作時(shí)間和其他輔助工作時(shí)間，堆焊過程連續(xù)，生產(chǎn)效率高，能耗及綜合成本低。改善了工人勞動條件及勞動環(huán)境，勞動強(qiáng)度大大下降，可以靈活地解決磨損程度不同和以及待焊區(qū)尺寸不同的問題，設(shè)備簡單、原材料供應(yīng)方便，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。其次，由于國產(chǎn)堆焊機(jī)的性能還不能滿足使用要求，因此國內(nèi)所用堆焊機(jī)主要依賴于進(jìn)口。近幾年來，通過引進(jìn)國外先進(jìn)的焊接技術(shù)，我國堆焊技術(shù)很多方面已經(jīng)可以和國外相媲美。但是，引進(jìn)價(jià)格和運(yùn)行費(fèi)用太高，不能成為我國發(fā)展焊接技術(shù)的唯一途徑，我們只有依靠自己的力量借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)研制開發(fā)、確立自己的核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)，為將來進(jìn)一步發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；谏鲜龅脑颍谖覈鴮χ悄苣湍ヤ摪宥押笝C(jī)單片機(jī)控制器展開研究是十分有意義的。1.4 控制任務(wù)選取合適的焊接電源，采用單片機(jī)控制及CO2焊接工藝，軟硬件并用，實(shí)現(xiàn)送絲速度、焊接速度和焊縫間距的調(diào)節(jié)、焊接時(shí)序控制以及焊車的行走（滿焊、定位焊、預(yù)停、急停/復(fù)位）等功能。本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)的程序來控制、焊接時(shí)序控制和焊車的行走方式由軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)。具體過程如下：1）總控開關(guān)負(fù)責(zé)所有電器的控制，總控開關(guān)打開后供氣供電、電焊機(jī)啟動。2）面板上的控制按鈕要實(shí)現(xiàn)手動和自動的轉(zhuǎn)換。3）按下工作按鈕后送絲電機(jī)開始工作，通過檢測電焊機(jī)輸出端的電壓來控制送絲電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，引弧后3秒鐘擺動電機(jī)開始工作，繼續(xù)延時(shí)3秒后小車行走電機(jī)開始工作。4）送絲及小車行走電機(jī)設(shè)行程開關(guān)。控制面板設(shè)緊急停車按鈕。當(dāng)行程開關(guān)或緊急停車按鈕工作時(shí)，電焊機(jī)立即關(guān)閉，關(guān)閉所有電機(jī)。5）自動焊工作時(shí)可手動調(diào)節(jié)弧高。6）各電機(jī)為調(diào)速電機(jī)，自動焊工作時(shí)可隨時(shí)調(diào)節(jié)速度。7）自動焊停車2-3秒鐘后停止供氣。8）停車后控制柜處于起始狀態(tài)。由單片機(jī)控制系統(tǒng)操縱控制電機(jī)驅(qū)動X軸、Y軸、Z軸帶動焊槍分別做左右方向的往復(fù)運(yùn)動、由前到后往復(fù)運(yùn)動和送絲運(yùn)動。1.5 控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能1）焊車的行走方式滿焊：目的是堆焊出具有特殊性能的堆焊層或?qū)δp均勻的平面全面滿堆。系統(tǒng)設(shè)定機(jī)器的最大堆焊長度（如圖1-1 X方向的行程），焊車能按照圖1-1的走向自動焊接，并在最后一條焊道的任何位置按下“預(yù)停”鍵時(shí)，焊車?yán)^續(xù)焊完此焊道后自動停機(jī)。即其工作過程是：1234567891011按預(yù)停鍵12結(jié)束；或：12111098765432按預(yù)停鍵1結(jié)束。其中，1-12的軌道是擺動電機(jī)擺動時(shí)的焊接軌跡。呈鋸齒狀，提高焊接效率。 圖1-1 滿焊的兩種方式Fig.1-1 Two ways of full weld 定位焊：由于工件磨損程度不一致，偏磨段需要多層焊接，所以焊機(jī)設(shè)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。焊車從偏磨段的一端開始焊接，待焊車運(yùn)動到偏磨段的另一端時(shí)，只按一次操作控制面板上的“定位”按鈕，控制系統(tǒng)自動記錄起點(diǎn)和定位點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)，并指揮焊車在起點(diǎn)和定位點(diǎn)之間自動往返焊接，在偏磨段最后一條焊道的任何位置按下“預(yù)?！辨I時(shí)，焊車?yán)^續(xù)焊完此焊道后自動停機(jī)。如圖1-2。其工作過程是：12按“定位”按鈕34567按預(yù)停鍵8結(jié)束；或：87按“定位”按鈕65432按預(yù)停鍵1結(jié)束。圖1-2 定位焊接的兩種方式Fig.1-2 Two ways of positioning welding 2）進(jìn)行堆焊的過程中，能調(diào)節(jié)送絲速度、焊接速度和焊縫間距并實(shí)現(xiàn)送絲機(jī)和焊車電機(jī)的無級調(diào)速。3）實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)序控制，即開焊接電源一送氣一送絲一焊車行走一停絲一停氣一關(guān)電源。2 系統(tǒng)指標(biāo)及對設(shè)備的要求2.1 系統(tǒng)指標(biāo)2.1.1 過程指標(biāo)焊接過程操作自動化，只需輸入相應(yīng)指令，就可實(shí)現(xiàn)引弧、熄弧、熔寬、焊縫搭接等參數(shù)的自動完成；控制系統(tǒng)的作用是對CO2焊的供氣、送絲和供電等過程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。對供氣系統(tǒng)的控制大致是三個(gè)過程：引弧時(shí)要求提前供氣約1-2s，以排除引弧區(qū)的空氣；焊接時(shí)氣流要均勻可靠；結(jié)束時(shí)，因熔池金屬尚未完全冷卻凝固，應(yīng)滯后停氣2-3s，以給予繼續(xù)保護(hù)。對送絲系統(tǒng)的控制，是指對送絲電機(jī)的控制。應(yīng)保證能夠完成焊絲的正常送進(jìn)與停止動作，焊前可調(diào)節(jié)焊絲干伸長，均勻調(diào)節(jié)送絲速度。2.1.2 技術(shù)工藝參數(shù)1）熔寬：040mm。2）熔深：1.54mm。3）焊接速度：在電弧電壓一定的情況下，焊接速度加快則焊縫的熔深、熔寬和余高都減小，焊道成為凸形。焊接速度再加快，在焊趾部出現(xiàn)咬邊。進(jìn)一步提高焊速時(shí)將出現(xiàn)駝峰焊道。相反，焊速過低，熔池中液態(tài)金屬將流到電弧的前面，電弧在液態(tài)金屬上面燃燒，從而使焊縫熔合不良，形成末焊透。所以通常焊接速度多為3050cm/min。4）焊槍擺動速度：0120次/min內(nèi)任意可調(diào)，焊槍節(jié)進(jìn)由單片機(jī)控制，搭接量(0-3)mm，左右停留時(shí)間02s可調(diào)。5）焊絲直徑：1.6mm。根據(jù)焊件的情況，首先應(yīng)選擇合適的焊絲直徑。各種直徑的焊絲都有其適用的電流范圍。細(xì)絲適用于較小的電流，而粗絲用于較大的電流。一般小于直徑1.2mm的焊絲主要的熔滴過渡形式為短路過渡，適用于薄板、打底焊和全位置焊。直徑大于1.2mm的焊絲主要的熔滴過渡形式為潛弧射滴過渡，適用于厚板和填充焊縫11。6）焊接電流：CO2焊時(shí)電流的大小是由送絲速度來調(diào)節(jié)的，送絲速度越快則電流也越大，反之亦然11。7）電弧電壓：CO2焊電弧靜特性是上升特性，為保持一定的弧長，隨著電流的增加，電弧電壓也應(yīng)增大。電弧電壓的高低是由焊接電源調(diào)節(jié)的。電弧電壓是決定焊縫熔寬的最主要的因素。因?yàn)殡娀‰妷涸礁?。電弧籠罩范圍也越大。于是熔寬增加，而熔深、余高卻減小。電弧電壓也反映了弧長的大小。電弧電壓越高，弧長也越大，則焊槍噴嘴到焊件的距離也越大，氣體保護(hù)效果也變差。當(dāng)電弧電壓過高時(shí)，易生成氣孔11。2.2 焊機(jī)對設(shè)備要求2.2.1 弧焊電源的選擇在生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工件的材料、尺寸、機(jī)加工手段和工件的價(jià)值來選擇弧焊電源。在本系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)具有較高的可靠性和良好的經(jīng)濟(jì)性, 通常情況下系統(tǒng)所配電源為國內(nèi)非常成熟的晶閘管電源（也可根據(jù)不同的需要配置其他系列的弧焊電源）。晶閘管電源焊接電流的上升速度與以往的機(jī)型相比提高了4.5倍，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)的高品質(zhì)焊接；焊接電流由晶閘管式電源直接控制，不需要焊接變壓器；在正式通電流之前可以用檢測電流對工件的有無、以及工件的狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。CO2焊接電源的主要焊接參數(shù)有焊接電流與電弧電壓。在等速送絲系統(tǒng)中，焊接電流主要由送絲速度決定，大體上成正比關(guān)系。最小送絲速度Vfmin對應(yīng)著最小電流Imin，而最大送絲速度Vfmax對應(yīng)著最大電流Imax。而電弧電壓主要由電源外持性決定。在電弧自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電源外特性應(yīng)采用緩降或平的外特性。因此本設(shè)計(jì)選取緩降電源外特性且外特性可調(diào)的焊接電源，本設(shè)計(jì)選擇的電源是型號為MDB-2000B晶體管式精密焊接電源11。2.2.2 對堆焊機(jī)床的要求堆焊機(jī)床的任務(wù)是提供主軸的升降、焊槍的移動和焊絲的送進(jìn)等三個(gè)運(yùn)動。這三個(gè)運(yùn)動分別由小車的電機(jī)和送絲電機(jī)拖動。對不同的焊按方法和幾何尺寸相差較大的工件，堆焊機(jī)床可作相應(yīng)的調(diào)整，以滿足不同的需要。2.2.3 對小車、送絲電機(jī)驅(qū)動電路的要求對小車、送絲電機(jī)，采用相同結(jié)構(gòu)的驅(qū)動電路。為了保證上述電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，其驅(qū)動電路均采用晶閘管整流,并引入電樞電壓負(fù)反饋和電樞電流正反饋。晶間管導(dǎo)通角的控制采用集成觸發(fā)器，從而保證了控制的可靠性和精度。2.2.4 對送絲機(jī)的要求在氣體保護(hù)焊時(shí)，送絲機(jī)應(yīng)保證所需的送絲速度范圍及規(guī)定的送絲力，以保證送絲均勻、可靠和無打滑現(xiàn)象。1）在規(guī)定的送絲速度范圍內(nèi)，電網(wǎng)電壓在額定值10%波動時(shí)，送絲速度的變化率不超過5%11。2）裝置從冷狀態(tài)工作到熱狀態(tài)時(shí)，送絲速度變化率不超過5%11。3）在規(guī)定的送絲速度范圍內(nèi)，當(dāng)送絲牽引力由額定值的50%變化到100%時(shí)、送絲速度的變化率不超過5%11。此外，在ZBJ640041988還規(guī)定，在推絲式或推拉絲式CO2焊在供電網(wǎng)絡(luò)電壓為額定值時(shí)，送絲軟管平直狀態(tài)和軟管中部彎繞直徑400mm一圈情況下，送絲速度變化率不大于10%11。2.2.5 對氣體流量的要求CO2焊是利用CO2氣體的屏蔽作用實(shí)現(xiàn)保護(hù)的。影響保護(hù)的主要因素有：氣體流量、噴嘴高度及風(fēng)的大小。氣體流量與電流有關(guān)，在大電流時(shí)為20-25L/min，在短路過渡焊接時(shí)為8-15L/min。在工作地環(huán)境有風(fēng)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大氣體流量。當(dāng)流量較大時(shí)，可能造成保護(hù)氣體紊亂。為此應(yīng)適當(dāng)增大噴嘴直徑，以便在大流量時(shí)仍可獲得穩(wěn)定的層流。通常實(shí)芯焊絲CO2焊時(shí)，為得到可靠的保護(hù)效果，風(fēng)速的上限定為2m/s。如果風(fēng)速超過這一上限值，則應(yīng)當(dāng)采取必要的防風(fēng)措施11。表1-1 CO2氣體流量和風(fēng)速上限的關(guān)系Tab.1-1 Relationship between the gas flow of CO2 and the superior limit of wind speed噴嘴直徑/r/mm1622CO2流量/L/min253035253035風(fēng)速上限/m/s2.12.53.01.11.41.73 焊機(jī)設(shè)備的選擇3.1 焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)滿焊和定位焊兩種焊車行走方式，焊機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)需包括送絲系統(tǒng)和一個(gè)焊接工作臺。焊接工作臺用于實(shí)現(xiàn)焊車的運(yùn)動以及擺放、夾持工件，焊車能夠在X和Y方向上自動往返行走，為此需選用合適的機(jī)械傳動方式和合適的電機(jī)。綜合焊接工藝對送絲機(jī)的要求以及他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性，本設(shè)計(jì)選用他勵(lì)直流電機(jī)；又根據(jù)機(jī)電一體化對機(jī)械傳動的要求和滑動螺旋傳動的特點(diǎn)，機(jī)械傳動方式選用滑動螺旋傳動將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。3.2 工作臺的選擇3.2.1 工作臺的組成焊接工作臺主要由左右拖板、前后拖板、焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，如圖3-1。根據(jù)直流電機(jī)和螺旋傳動的特點(diǎn)，前后拖板和左右拖板采用他勵(lì)直流電機(jī)和滑動螺旋傳動相結(jié)合實(shí)現(xiàn)焊車在X和Y方向的往返運(yùn)動并保證有足夠的傳動力。焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在Z方向上的調(diào)整。同時(shí)，焊槍上設(shè)置擺動電機(jī)，是焊道寬度加寬，挺高焊接效率。X方向：由他勵(lì)直流電機(jī)通過左右拖板內(nèi)的滑動螺旋絲杠副的傳動使焊車沿X方向作往復(fù)運(yùn)動，這是堆焊的主要?jiǎng)幼?。X方向的行程決定于左右拖板內(nèi)絲杠的有效行程。Y方向：由他勵(lì)直流電機(jī)通過前后拖板內(nèi)的滑動螺旋絲杠副的傳動使焊車沿Y方向作間隙運(yùn)動，即當(dāng)焊車焊完一道焊縫開始反向時(shí)，前后拖板起動，載著焊車沿預(yù)定的方向移動指定的距離，使焊車指向新焊道，并使相鄰焊道重疊焊縫寬度的1/3-1/2。Y方向的行程決定于前后拖板內(nèi)絲杠的有效行程。Z方向：由送絲電機(jī)電機(jī)、獨(dú)立焊槍升降機(jī)構(gòu)、焊槍間距調(diào)整機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)焊槍Z軸上的調(diào)整。在焊接時(shí)，焊接速度即為焊車的行走速度，因此要求焊車在實(shí)現(xiàn)焊車在X和Y方向的自動往返運(yùn)動的同時(shí)必須保證有足夠的傳動力，使焊車行走十分平穩(wěn)。另外，機(jī)電一體化對機(jī)械傳動的要求為：精密化、高速化、小型化、輕量化。所以設(shè)計(jì)焊接工作臺時(shí)，在滿足使用要求的前提下，盡量滿足上述基本要求。3.2.2 工作臺的構(gòu)造圖3-1 工作臺結(jié)構(gòu)圖Fig.3-1 Structure of the workbench3.3 滑動螺旋傳動3.3.1 滑動螺旋傳動原理螺旋傳動是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運(yùn)動和動力。它主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變成直線運(yùn)動，以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的推力，或者用以調(diào)整零件的相互位置。當(dāng)螺旋不自鎖時(shí)，也可以將直線運(yùn)動變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。根據(jù)螺紋副摩擦性質(zhì)不同。螺旋傳動可分為滑動螺旋傳動、滾動螺旋傳動和靜壓螺旋傳動13。圖3-2 滑動螺旋傳動簡圖Fig.3-2 Sliding screw transmission diagram滑動螺旋傳動的方式為螺桿轉(zhuǎn)動，螺母移動，螺旋副采用單線螺紋，螺距P定為4mm，左右拖板螺桿的有效行程為500mm，前后拖板螺桿的有效行程為3O0mm。因?yàn)樽笥彝习寤瑒勇菪z桿副的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度都能滿足上拖板的傳動要求，為加工制造方便，拖板螺旋絲桿副的螺紋牙型、公稱直徑d、牙型角a、螺距P、螺母高度H、旋合圈數(shù)z、螺紋的工作高度h、螺紋的牙底寬度b和下拖板的螺旋絲桿副相同。3.3.2 滑動螺旋傳動的特點(diǎn)滑動螺旋絲桿副接觸面間是滑動摩擦，與齒輪齒條傳動相比具有如下特點(diǎn)：1）降速傳動比大。對單線螺旋而言，螺桿（或螺母）轉(zhuǎn)動一圈，螺母（或螺桿）移動一個(gè)螺距，螺距一般很小，所以每轉(zhuǎn)一圈的移動量比齒輪齒條傳動要小得多，對高速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成低速直線運(yùn)動可以簡化傳動系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)緊湊，并提高傳動精度13。2）可獲得大的軸向力。對于螺旋傳動施加一個(gè)不大的轉(zhuǎn)矩，即可得到一個(gè)大的軸向力13。3）能實(shí)現(xiàn)自鎖。當(dāng)螺旋的螺紋升角小于齒面間當(dāng)量摩擦角時(shí)螺旋具有反行程自鎖作用，即只能將轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成軸向移動，不能將移動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動。這對于某些調(diào)整到一定位置后，不允許因軸向載荷而造成逆轉(zhuǎn)的機(jī)械是十分重要的，例如銑床的升降工作臺、螺旋千斤頂、螺旋壓力機(jī)等13。4）工作平穩(wěn)無噪聲。5）效率低、磨損快。螺旋副接觸面之間滑動摩擦大，磨損快，傳動效率低（一般在0.25-0.7之間），在自鎖的情況下效率小于50%。因而不適于高速和大功率傳動13。3.3.3 機(jī)電一體化對機(jī)械傳動的基本要求常用的機(jī)械傳動部件有螺旋傳動、齒輪傳動、同步帶、高速帶傳動以及各種非線形傳動部件等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向得到匹配。機(jī)械傳動部件對伺服系統(tǒng)特性有很大影響，特別是傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇傳動間隙小、精度高、體積小、運(yùn)動平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大的傳動部件12。對工作機(jī)中的傳動機(jī)構(gòu)，既要求能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的變換，又要求能實(shí)現(xiàn)動力的變換。也就是說既能實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動和直線運(yùn)動、往復(fù)擺動的轉(zhuǎn)換，又能實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動或轉(zhuǎn)矩與直線驅(qū)動力的轉(zhuǎn)換。對于信息集中的傳動機(jī)構(gòu)，主要要求具有運(yùn)動的變換功能，只需要去克服慣性力和各種摩擦阻力及較小的負(fù)載即可。常見的傳動機(jī)械有：絲桿螺母、齒輪、齒輪齒條、鏈輪鏈條、帶傳動、滑輪、杠桿機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪、方同節(jié)、輪軸、蝸輪蝸桿、間歇機(jī)構(gòu)等12。近年來，不通過機(jī)械結(jié)構(gòu)而直接由電動機(jī)驅(qū)動負(fù)載的“D.D”技術(shù)日益應(yīng)用廣泛，應(yīng)用這種技術(shù)需要低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)，并要考慮負(fù)載的非線形和耦合性等因素對執(zhí)行電機(jī)的影響。但總的來說，機(jī)電一體化系統(tǒng)對機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的基本要求有以下幾個(gè)方面：1）精密性：對機(jī)電一體化產(chǎn)品而言，應(yīng)根據(jù)性能的需要提出適當(dāng)?shù)木芏纫螅瑢C(jī)械傳動的精密性要求也越來越高。2）高速化：產(chǎn)品工作效率的高低，直接與機(jī)械傳動部件的運(yùn)動速度相關(guān)，因而機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的精密度應(yīng)能適應(yīng)告訴運(yùn)動的要求。3）小型化，輕量化：隨著機(jī)電一體化精密化、高速化的發(fā)展，必須要求其傳動機(jī)構(gòu)小型化、輕量化，以提高運(yùn)動靈敏度，減小沖擊，降低能耗。3.4 他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)選擇他勵(lì)直流電動機(jī)作為系統(tǒng)的運(yùn)行電機(jī)，所以在此介紹他勵(lì)直流電動機(jī)的特性。直流他勵(lì)式電動機(jī)即直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩M的關(guān)系n=f(M)稱為電動機(jī)的機(jī)械特性。如圖3-3所示，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都是轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)速都降低。轉(zhuǎn)矩改變時(shí)，轉(zhuǎn)速變化較小的，稱為硬特性，如曲線1；而轉(zhuǎn)速變化較大的稱為軟特性如曲線215。圖3-3 直流電動機(jī)的機(jī)械特性曲線Fig.3-3 Mechanical characteristic curve of the direct-current motor他勵(lì)電動機(jī)的電路如圖3-4所示，勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。在勵(lì)磁電壓Uf的作用下，勵(lì)磁繞組中通過勵(lì)磁電流If，產(chǎn)生主磁極。在電樞電壓Ua的作用下，電樞繞組中通過電樞電流Ia。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，拖動生產(chǎn)機(jī)械以某一轉(zhuǎn)速n運(yùn)轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生反電勢E。圖3-4 他勵(lì)電動機(jī)Fig.3-4 Other-excited motor3.4.1 電樞回路中的電壓平衡方程電壓平衡方程：Ua =E+IaRa （3-1）將式E=Cen和代入，得到直流電動機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式： （3-2）式中，n0是電動機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，n是轉(zhuǎn)速差：n=n0n=T （3-3）MTn0nnNnMTNTMN3.4.2 他勵(lì)直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性圖3-5 他勵(lì)直流電動機(jī)的固有特性Fig.3-5 Inherent characteristics of the other-excited DC motor直流電動機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式： （3-4）他勵(lì)直流電動機(jī)固有特性如圖3-5所示，N點(diǎn)對應(yīng)于電動機(jī)的額定狀態(tài)。額定狀態(tài)說明電動機(jī)的長期運(yùn)行能力。M點(diǎn)對應(yīng)于電動機(jī)的臨界狀態(tài)，這時(shí)電樞電流Ia等于換向允許的最大電樞電流Iamax=（1.52.0）IaN。對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩TM是電動機(jī)所允許的最大轉(zhuǎn)矩。臨界狀態(tài)說明了電動機(jī)的短時(shí)過載能力15。1）機(jī)械特性斜率： （3-5）2）機(jī)械特性硬度： （3-6）3）額定轉(zhuǎn)矩： （3-7）3.5 電機(jī)的選擇3.5.1 左右方向電機(jī)和減速器的選擇他勵(lì)直流電動機(jī)參數(shù)的確定，主要應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中所提供的電源、功率以及系統(tǒng)對電動機(jī)的要求來決定。1）電機(jī)電樞和勵(lì)磁額定電壓的選定本設(shè)計(jì)中提供110V的可調(diào)直流電源，因此可選用電樞和勵(lì)磁額定電壓為110V的電機(jī)。2）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和減速比的確定：前面所述，CO2焊的焊接速度一般為3050cm/min，螺桿的螺距為4mm，所以要求螺桿的最大轉(zhuǎn)速n左右>0.5/0.004=125r/min。因此，可選用額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的電機(jī)，選用減速比為16的減速器，減速器的輸出轉(zhuǎn)速為188r/min。設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求螺桿的安全轉(zhuǎn)速n>188r/min。螺旋傳動的軸向載荷F約為98N，螺桿的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mq=Fd/2=980.01=0.98Nm。根據(jù)減速器的輸出力矩公式：M=i1T (3-8)其中：減速器的傳動效率，選90%i1傳動比T電機(jī)的輸出力矩減速器的輸出力矩M應(yīng)大于0.98Nm，所以電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：T>0.98/(160.9)0.068Nm。綜合以上計(jì)算，可選取博山機(jī)電設(shè)備廠微電機(jī)分廠的J-SZ(ZYT)PX系列微型直流減速電動機(jī)，分別由SZ(ZYT)系列直流電動機(jī)與PX型普通精度行星減速器構(gòu)成，電機(jī)型號為70SZ54，與其配套的減速器減速比為16。電機(jī)和減速器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出轉(zhuǎn)矩大。電機(jī)的參數(shù)如表3-1：表3-1 左右運(yùn)行電機(jī)參數(shù)Tab.3-1 Motor parameters of running around轉(zhuǎn)矩mNm轉(zhuǎn)速r/min功率P/W電壓U/V電流I/A允許順差轉(zhuǎn)數(shù)差r/min轉(zhuǎn)動慣量不大于mNm電樞激磁電樞激磁1763000551101100.80.132000.073.5.2 前后方向電機(jī)和減速器的選擇采用與下拖同樣的電機(jī)和減速器可達(dá)到要求。3.5.3 送絲電機(jī)和減速器的選擇本設(shè)計(jì)采用推式送絲系統(tǒng)，包含送絲機(jī)、焊槍和送絲軟管等。送絲機(jī)包括送絲盤、送絲電動機(jī)、減速器和送絲滾輪，提供足夠的驅(qū)動功率，使焊絲順利進(jìn)入送絲軟管和焊槍導(dǎo)電嘴。送絲電機(jī)選用直流他勵(lì)電動機(jī)。減速機(jī)構(gòu)選用一級蝸桿減速。送絲滾輪采用一只主動滾輪，另一只為從動滾輪的形式，為減少阻力，滾輪開有V型槽。送絲輪直徑選為d=35mm（直徑太小易磨損），而送絲速度一般要求3-12m/min之間可調(diào)，那么要求送絲輪的最大轉(zhuǎn)速n送絲>12/(0.0353.14)110r/min。因此初步確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，減速比取10。實(shí)驗(yàn)證明，焊絲在進(jìn)行過程中，會受到來自于送絲管、導(dǎo)電嘴、送絲盤的摩擦阻力，一般情況下整個(gè)阻力之和約為F=12N，考慮到還有其他不可遇見的因素，那么阻力矩為： （3-9）其中：M阻力矩k安全系數(shù)，取2阻力和d送絲輪直徑Mr為0.42Nm，減速機(jī)構(gòu)的效率可取0.7，根據(jù)公式3-1，得電機(jī)得輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于0.06Nm。綜合以上計(jì)算，可選用博山機(jī)電設(shè)備廠微電機(jī)分廠電機(jī)型號為705254他勵(lì)直流伺服電機(jī)，電機(jī)的參數(shù)如表3-1。減速機(jī)構(gòu)的減速比取10。表3-2 送絲電機(jī)參數(shù)Tab.3-1 Parameters of the wire-feed-motor轉(zhuǎn)矩mNm轉(zhuǎn)速r/min功率P/W電壓U/V電流I/A允許順差轉(zhuǎn)數(shù)差r/min轉(zhuǎn)動慣量不大于mNm電樞激磁電樞激磁5101500801101101.10.231000.25根據(jù)公式3-1，減速機(jī)構(gòu)輸出的轉(zhuǎn)矩約為3.57Nm，能產(chǎn)生的牽引力約為200N，大于直徑1.6的焊絲所需的額定牽引力100N，所以選取的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)合格。3.5.4 擺動機(jī)構(gòu)擺動機(jī)構(gòu)的傳動方式為進(jìn)口滾珠絲桿配合進(jìn)口直線導(dǎo)軌方式，擺動過程中可實(shí)現(xiàn)無間隙傳動。采用原裝進(jìn)口伺服電機(jī)及伺服電機(jī)專用減速機(jī)，保證了控制精度及運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。該擺動機(jī)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的偏心輪式的擺動機(jī)構(gòu)，不但可以實(shí)現(xiàn)勻速直線擺動（保證熔深均勻），而且可以精確的調(diào)整擺動兩端的停留時(shí)間。該擺動與工作臺共同組成了高精度的平面兩維數(shù)控系統(tǒng)，配合工作臺的運(yùn)動，不但可以堆焊出普通直線擺動耐磨板，而且可以堆焊出“S”形焊道的耐磨板。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，在使用同樣堆焊材料的前提下，“S”形焊道的耐磨板的使用壽命要超過普通直線擺動耐磨板30%。獨(dú)立焊槍升降機(jī)構(gòu)、焊槍間距調(diào)整機(jī)構(gòu)及水冷焊槍均加掛在該擺動機(jī)構(gòu)之上。擺動機(jī)構(gòu)的最大擺動速度4400mm/分鐘、最大擺動寬度199mm（該參數(shù)可根據(jù)用戶的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，最大可以達(dá)到450mm），兩側(cè)停留時(shí)間為0.1-10秒，重復(fù)定位精度0.1mm。3.6.5 焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)對焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)的要求是：能夠調(diào)整焊槍相對于焊道的上下、左右位置，在焊接終了，還需要轉(zhuǎn)動焊槍的角度以清除飛濺到焊槍焊嘴內(nèi)的焊渣。所以，要求焊槍能夠沿Z軸的手動上下調(diào)整以及圍繞Z軸的手動轉(zhuǎn)動。另外，用他勵(lì)直流電機(jī)及滑動螺旋絲桿副實(shí)現(xiàn)焊槍沿X軸和Y軸的自動往返移動。4 自動堆焊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1 硬件設(shè)計(jì)方案硬件設(shè)計(jì)方案如圖4-1。電路的核心是單片機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動和調(diào)速電路用來驅(qū)動電機(jī)并調(diào)節(jié)電機(jī)速度，電機(jī)包括送絲電機(jī)，左右運(yùn)動的電機(jī)，前后運(yùn)動電機(jī)，擺動電機(jī)。圖4-1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案圖Fig.4-1 Design diagram of the control system hardware4.2 控制面板的設(shè)計(jì)操作面板布局如圖4-2，為調(diào)節(jié)方便，設(shè)置手動和自動按鈕。啟動和預(yù)停（停止）共用一個(gè)按鈕。圖4-2 控制面板的設(shè)計(jì)圖Fig.4-2 Design diagram of the control panel4.2.1 系統(tǒng)的硬件組成焊機(jī)的硬件系統(tǒng)主要組成如圖4-3：圖4-3 焊機(jī)的硬件系統(tǒng)框圖Fig.4-3 Welder hardware system diagram系統(tǒng)硬件主要由電源部分、電機(jī)驅(qū)動部分、電機(jī)調(diào)速部分、由單片機(jī)控制的焊接時(shí)序電路部分。電機(jī)調(diào)速板輸出可調(diào)脈沖信號給電機(jī)驅(qū)動板使晶閘管導(dǎo)通，電機(jī)驅(qū)動板將電機(jī)電樞的電壓反饋給電機(jī)調(diào)速板，實(shí)現(xiàn)電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)；單片機(jī)焊接時(shí)序控制板輸出信號給電機(jī)驅(qū)動板，實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)序控制。4.2.2 硬件系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)電源部分由兩部分組成，一部分是：220V的交流電壓經(jīng)變壓器輸出123V、20V、18V、18V、18V的交流電壓。20V的交流電壓經(jīng)整流電路提供調(diào)速板18V的同步電壓；兩18V的交流電壓經(jīng)整流電路、穩(wěn)壓電路后提供調(diào)速板15V的工作電壓；另一18V的交流電壓經(jīng)整流電路、穩(wěn)壓電路后輸出12V的直流電壓給繼電器供電。另一部分是：220V的交流電壓經(jīng)另一變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路后輸出5V的直流電壓給單片機(jī)供電。4.3 直流電機(jī)的驅(qū)動和調(diào)速電路設(shè)計(jì)4.3.1 直流電機(jī)驅(qū)動和調(diào)速方案因?yàn)樗徒z速度對調(diào)速電路的要求同樣滿足左右，上下和前后行走速度對調(diào)速電路的要求，所以在此只擬定送絲電機(jī)的調(diào)速方案。送絲電機(jī)的調(diào)速電路是為了保證適應(yīng)不同直徑的焊絲和焊接對選用的送絲速度的要求，以能實(shí)現(xiàn)在一定的送絲速度范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)節(jié)送絲速度。工程中較多采用下列三種調(diào)節(jié)方式：轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)方式、電樞電壓負(fù)反饋?zhàn)詣诱{(diào)節(jié)和電樞電壓負(fù)反饋配合電樞電流正反饋調(diào)節(jié)方式。采用速度負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，由于控制對象是轉(zhuǎn)速，所以不僅可以補(bǔ)償負(fù)載變化造成的轉(zhuǎn)速降，而且還可以補(bǔ)償網(wǎng)壓波動造成的轉(zhuǎn)速變化，控制精度很高。但是，此種調(diào)速系統(tǒng)成本很高；采用電樞電壓負(fù)反饋，只能實(shí)現(xiàn)電樞電壓的穩(wěn)定。它可以補(bǔ)償電源內(nèi)阻和網(wǎng)壓波動造成的轉(zhuǎn)速變化，卻不能補(bǔ)償負(fù)載力矩變化造成的轉(zhuǎn)速變化。它所能夠達(dá)到的最佳效果即是達(dá)到電樞電壓恒定不變時(shí)的電機(jī)特性，所以其硬度提高很少。但是，在焊接過程中，一般采用電樞電壓負(fù)反饋就可以滿足工藝要求。又因?yàn)榫чl管供電的直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此在此選用電樞電壓負(fù)反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖4-4：圖4-4 電機(jī)的驅(qū)動和調(diào)速方案圖Fig.4-4 Scheme diagram of motor drive and speed regulation因此，電機(jī)的驅(qū)動和調(diào)速采用晶閘管電壓負(fù)反饋系統(tǒng)7。4.3.2 電機(jī)的調(diào)速電路由4.3.1的內(nèi)容可知，電機(jī)的調(diào)速電路選擇晶閘管觸發(fā)電路。晶閘管觸發(fā)電路如圖4-5：圖4-5 電機(jī)調(diào)速電路Fig.4-5 Motor speed regulation circuit由Ql等元件構(gòu)成過零檢測電路，使觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路的電源電壓同步。AR1，C2等組成鋸齒波發(fā)生器。當(dāng)電源電壓過零時(shí)，Ql截止.電流通過C1提供Q2基極電流，從而使Q2導(dǎo)通，將C2剩余電荷通過Q2放出.形成鋸齒波的下降沿。AR1為積分電路，其輸出：U0= （4-1）式中：R=R27，C=C2，t=0.01S。AR2和AR3及相應(yīng)元件組成移相電路。AR2為比例積分電路，給定信號及反饋電壓均加在該放大器的反相端。調(diào)節(jié)給定信號大小使AR3輸出端電平發(fā)生變化。AR3為比較器，它將鋸齒波和AR2輸出電壓進(jìn)行比較。調(diào)節(jié)給定信號電平大小，使AR3輸出端產(chǎn)生寬度可調(diào)的矩形脈沖。Q3、Q4、U1及相應(yīng)元件組成晶閘管觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖為一脈沖列。各點(diǎn)波形如圖4-6所示。觸發(fā)脈沖具有足夠的電流和電壓，因?yàn)橛|發(fā)脈沖為一脈沖列，所以具有足夠的寬度，同時(shí)從圖4-6可以看出，觸發(fā)脈沖的上升前沿很陡，所以此觸發(fā)電路性能良好。通過示波器測量，晶閘管的導(dǎo)通角范圍為01657。圖4-6 觸發(fā)脈沖波形圖Fig.4-6 Triggering pulse waveform 4.3.3 電機(jī)的驅(qū)動電路電機(jī)的驅(qū)動電路主要包括以下幾個(gè)部分：1）123V的交流電壓經(jīng)整流電路輸出110V直流電壓給電機(jī)勵(lì)磁供電。2）123V的交流電壓經(jīng)半控橋整流后,輸出直流電壓給電機(jī)電樞供電，輸出電壓可調(diào)以達(dá)到調(diào)速的目的。電壓的調(diào)節(jié)由調(diào)速板控制晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)，并具有電壓負(fù)反饋功能。3）電機(jī)的手動運(yùn)轉(zhuǎn)通過手動按鈕實(shí)現(xiàn)，自動運(yùn)轉(zhuǎn)通過繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器的吸合和釋放由單片機(jī)控制。4）電機(jī)的手動正反轉(zhuǎn)通過手動撥鈕實(shí)現(xiàn)，自動正反轉(zhuǎn)通過繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器的吸合和釋放由單片機(jī)控制。電機(jī)的驅(qū)動原理圖如4-7所示，由Q1、Q2、D1、D2組成半控橋整流電路。Q1、Q2的導(dǎo)通角由圖4-5輸出的晶閘管觸發(fā)脈沖控制，D8為續(xù)流二極管，因?yàn)殡姍C(jī)為感性負(fù)載，所以接入D3保證晶閘管能夠及時(shí)關(guān)斷；S4為手動按鈕，用于手動調(diào)節(jié)左右方向拖板的位置；JD3位觸發(fā)器，自動關(guān)閉；JD5為觸發(fā)器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。S1為手動撥鈕，手動控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；R5為減速電阻，保證電機(jī)快速制動。JD5JD3圖4-7 電機(jī)驅(qū)動電路圖Fig.4-7 Motor driver circuit diagram 4.4 單片機(jī)控制的焊接時(shí)序控制電路4.4.1 焊接時(shí)序控制電路具體方案根據(jù)80C51系列單片機(jī)的特點(diǎn)，可以利用單片機(jī)的I/O功能和T0、T1的計(jì)數(shù)功能來達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。按啟動鍵后，單片機(jī)通過程序自動載入焊車X方向的最大行程，然后按照焊接程序控制順序送出供電供氣Q1、送絲Q2、左右走行電機(jī)運(yùn)行Q3、前后走行電機(jī)運(yùn)行Q4、左右走行電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號Q5，并根據(jù)需要提供必要的延時(shí)，這些信號通過開關(guān)元件輸送給繼電器。開關(guān)元件可選擇達(dá)林頓管，因?yàn)檫_(dá)林頓管提供大的放大倍數(shù)，基極只需mA級（有的甚至是微安級）的電流就可導(dǎo)通，它的導(dǎo)通電流在單片機(jī)的引腳驅(qū)動能力范圍之內(nèi)；集射極可通過安培級的電流，保證繼電器可靠吸合。要實(shí)現(xiàn)圖滿焊、定位焊的焊車行走方式，可通過單片機(jī)的T0、T1的計(jì)數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)。滿焊：由程序賦給X方向的行程值，當(dāng)焊車從X方向的一端行走到另一端需停左右走行電機(jī)時(shí)，T0溢出并將信號通過單片機(jī)的輸出管腳送給左右走行電機(jī)和上拖電機(jī)的控制繼電器，使左右走行電機(jī)停機(jī)，前后走行電機(jī)運(yùn)行。前后走行電機(jī)的停機(jī)信號通過T1溢出標(biāo)志提供，BCD撥碼提供前后電機(jī)的位移值，位移值可調(diào)，此位移值通過單片機(jī)處理后賦給T1，當(dāng)前后走行電機(jī)行走了相應(yīng)的位移需停機(jī)時(shí)，TI溢出并將信號通過單片機(jī)的輸出管腳送給前后走行電機(jī)和左右走行電機(jī)的控制繼電器，使前后電機(jī)停機(jī)，左右電機(jī)反轉(zhuǎn)并運(yùn)行。這樣就實(shí)現(xiàn)了滿焊的焊車行走方式。定位焊：當(dāng)焊車在偏磨段X方向的一端行走到另一端需停下拖電機(jī)時(shí)，按定位鍵，通過程序的處理，T0自動溢出，同時(shí)改寫X方向的行程值并將信號通過單片機(jī)的輸出管腳送給左右走行電機(jī)和前后走行電機(jī)的控制繼電器，使左右走行電機(jī)停機(jī)，前后走行電機(jī)運(yùn)行。Y方向的行走控制同滿焊。預(yù)停功能是為了方便工人操作而設(shè)置的，當(dāng)焊車焊到最后一道焊道的任何位置時(shí)，工人按以下預(yù)停鍵，焊車都會在此焊道的終點(diǎn)停車，焊接結(jié)束。此功能由單片機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。電機(jī)的位移信號可通過光禍傳感器，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后直接輸送到單片機(jī)的T0和T1引腳。因?yàn)橐笥?jì)數(shù)準(zhǔn)確，所以使用施密特觸發(fā)器整形。4.4.2 單片機(jī)控制的焊接時(shí)序控制電路圖4-8 焊接時(shí)序控制框圖Fig.4-8 The block diagram of welding sequential control 單片機(jī)控制的焊接時(shí)序電路主要包括時(shí)鐘電路，急停（復(fù)位）電路，外部信號輸入電路，時(shí)序控制信號輸出電路，如圖4-8。單片機(jī)主要接收控制面板上啟動/預(yù)停按鈕、急停（復(fù)位）按鈕、定位按鈕的信號以及左右走行電機(jī)、前后走行電機(jī)的位移信號，并及時(shí)輸出信號給達(dá)林頓管使相應(yīng)的繼電器吸合或釋放，實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)序控制。焊接時(shí)序控制主要利用單片機(jī)的I/O口功能和單片機(jī)程序的延時(shí)來實(shí)現(xiàn)，如圖4-9。Q1為送氣送電的信號，對應(yīng)管腳P0.0；Q2為送絲電機(jī)信號，對應(yīng)引腳P0.1；Q3左右電機(jī)信號，對應(yīng)管腳P0.2；Q4為前后電機(jī)信號，對應(yīng)管腳P0.3；Q5為左右電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號，對應(yīng)引腳P0.4；Q6為前后電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制信號，對應(yīng)管腳P0.5；Q7為擺動電機(jī)擺動信號，對應(yīng)管腳P0.6。這些信號通過達(dá)林頓管輸送給繼電器，使繼電器吸合和釋放，達(dá)到控制要求。當(dāng)P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6管腳輸出高電平時(shí)，達(dá)林頓管導(dǎo)通，繼電器吸合，反之，繼電器釋放。焊接程序的控制過程為：1） P0.0輸出高電平，開始送電送氣。2） 延時(shí)2s后，P0.1輸出高電平，開始送絲。2）延時(shí)1s后，焊接開始。通過P0.2、P0.3、P0.4、P0.6電平的高低轉(zhuǎn)換，完成焊接過程。3）焊接完畢后，P0.2、P0.3、P0.4、P0.6輸出低電平，焊車停止運(yùn)行；P0.5輸出低電平，前后電機(jī)反轉(zhuǎn)回到初始位置。4）延時(shí)1S后，P0.1輸出高電平，送絲電機(jī)反轉(zhuǎn)回到原始位置；P0.0輸出低電平，停止送絲，2秒后停氣停電7。圖4-9 焊接時(shí)序控制電路Fig.4-9 Welding sequen