（材料加工工程专业论文）单钩舌COlt2gt自动堆焊控制系统的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着焊接生产对设备自动化要求的不断提高，堆焊设备的自动化成了一个 亟待解决的问题。目前能实现自动堆焊的设备很少，尤其是专用堆焊设备，使 用效果差。堆焊劳动强度大，工作环境恶劣，效率低，能耗高。对大量规格相 同的待焊工件设计专用自动堆焊设备有非常重要的意义。 本论文采用c 如气体保护焊工艺，以单片机为控制中心设计一种钩舌s 面 堆焊控制系统，能实现焊接过程的全自动，并可以灵活地解决磨损程度不同以 及磨损区尺寸不同的问题。本文主要论述了控制系统的设计方法和设计过程， 包括硬件设计、软件设计等方面。硬件电路部分主要包括以p i c l 6 f 8 7 7 a 型号的 p i c 单片机为控制中心的焊接时序电路和p i c l 6 f 8 7 7 a 单片枫p 刚输出口控制的 i g b t 直流调速系统，阐述了电路的抗干扰措施。软件程序用p i c 系列汇编语言 写成。利用软硬件结合，实现钩舌s 曲面的自动堆焊修复。 试验证明，本控制系统具有下列特点：自动化程度高、堆焊过程连续：工作 稳定可靠、生产效率高；操作方便、工人的劳动强度低；原材料供应方便、综 合成本低。因此，本控制系统具有良好的实用价值。 关键词：自动控制，钩舌堆焊修复，单片机，c o ：气体保护焊 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v i n go fa u t o m a t i cw ej d i n gm a c h i n e ，t h ea u t o m a t l z a t i o no f h a r d - f a c i n gw e l d i n gf a c i i 垤yb e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mw h i c hw es h o u l c i r e s o i v ea ss o o na sp o s s i b i e h a r d f a c i n gw e i d i n gw n hh a n di sat y p eo fw o r k w h i c hi ss w i n k e d ，h i g h - d r a j na n dl a wp r o d u c t i v ee f f l c i e n c y s oi th a sg r e a t s i g n l f i c a n c et od e s i g nak l n do fa u t o m a t i ch a r d - f a c i n gw e l d i n ge q u j p m e n t a i m i n ga tas p e c i a ik i n do fw o r k p i e c e t h i st h e s i ss t u d i 髓ak i n do fa u 惫d m a 矗cs i n g i ec o u p i e rk n u c eh a r d - f a c l n g w e l d i n gc o m m is y s t e m1 i v i t hc 0 2w e 旧i n gt e c h n i q u e 隐c o n 臼o l n t e ri s s l n g i h i p 醐di t m a k e st h ew h o l ep r o 豁i n g 制t o m 酬i mi ta i s oc a n a u t o m 利c 硝i yw e i dt h ew o r k p i e c ew h i c hi sf r a y e da b n o 帅a 咐o rf r a y e dw i t h d i 竹e r e n ts i z e t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e s j g nm e t h o da n dr e s e a f c hp r o c e s s 0 ft h ec o n 订o l 纠s t e m ，i nc i u d i n gh a r d w b 旧d e s i g n ，f h 憾怕d e s i g na n ds oo n t h eh a r d w a 旭c i r c u i n c i u d ei g e r rd i 怕c tc u r 怕n ts p e e d - g o v e m i n gs y s t e m a n dt h ew e i d i n gl o g j cc o n t m ic i r c u 随c o n t r o i i e dm a i n i yb yp i c l6 f 8 7 7 a s i n g l e c h i p ，a n db e s i d ，t h ec i r c u i t sh a v es o m em e a s u 怕s0 fa n 戗- j a m m - n g t h e8 矾悯阳l s 、 r _ n e nb yp i ca 筠e m b | y1 8 n g u a g e w 盹hs 矾a n dh a r d 帕怕， t h ec o n t r o is y 8 t e mc a na c h i e v et h ea u t o m a t i c 怕p a j ro fc o u p i e rk n u c k l ew w e i dp r o c e s s l n gl o g i ca u t o m 越i cc o m m i p r o v e db y 歌p er i m e n t ，t h f ss y s t e mh a v et h ef o o w | n gf e a t u 阳：w or k i n g c o n t j n u o u s i yw i t hh l g h i y a u t o m a t i cd e g r e e ； h a v l n gh i g hs t a b i t ya n d e f 秆c i e n c y ；e a s yo p e r a t e dw i t h 1 0 wl a b o ri n t e n s i t y ：g e t t i n gr ；1 wm a t e r i a l s e a s i i ya n dp r o c e s s i n gw i l hi o wc o s t 。w i t ht h e s ea d v a n t a g e st h i ss y s t e mw i h a v eh i g hp r a c t l c a lv a i u e k e y w o r d s ：a u 乜a m a “cc o n t r o l ；r e p a i ro fc o u p f e rk n u c k l e ：s i n g i e c h i p ：c 0 2 w e j d i n g “、 。? i 。 。 。1 丸 j 。7 ，蠢 。1。 7 ，f ? j j | 。景 _ ! i j ? ，。一夕，? 。 7 _ ：。! ；一0 i 澎+ | 图1 - 4 满焊 、1 _ ? l ，、 、 一。 图1 5 定位焊 1 2 课题的研究思想及课题的研究意义 1 2 1 课题的研究思路 根据焊件要求，设计工作平台，结合c 啦焊接工艺，采用单片机控制的软 硬件结合，实现送丝速度、焊接速度和焊缝间距的调节、焊接时序控制、焊接 过程控制( 满焊、定位焊、预停、急停复位) 以及焊接过程结束后恢复工件摆 放的归位等功能。其中焊接工件的复位是在焊接结束后，根据焊接过程中对工 件旋转角度的计数，对焊接工作台进行反向调整至原来位置。 送丝速度和焊接速度的调节采用电压负反馈调速系统；焊缝间距主要是根 据以往的焊接经验，通过对程序中具体参数的设定来确定的，它可以根据实际 亘堕塞壅盎堂i 匣尘巫窒生堂焦婆塞塑! 页 第2 章c o ：焊接工艺及对机械部分的要求 2 1c 0 2 焊气体保护焊焊接的工艺参数要求 c o z 焊广泛用于各种位置、不同坡口形式和各种厚度焊件的焊接。对于夼 同的焊接方式需要选择不同的焊接参数，如焊丝直径、焊接电流、电弧电压、 焊接速度等参数的设置。选择适当的焊接参数，将减少焊接过程中产生的各种 缺陷，减少工时和提高工作效率等恤1 。由于现在c 魄气体保护焊接的参数选 择已经比较成熟，这里就不多详述。 2 2 焊接工艺对焊接设备的要求 2 2 1 焊接工艺对电源外特性的要求 电源外特性也称电源静特性，它是一种伏一安特性曲线，其特征参数包括电 弧燃烧工作段和空载电压。 工作段的曲线形状和大小主要根据电弧燃烧稳定性和电弧自身调节能力来 决定。c 0 | 焊接电弧静特性，根据焊丝直径不同，通常为平的或上升的特性。对 于细丝c o 。焊均为上升电弧静特性。所以，根据电源一电弧系统稳定性原理，o 吼 焊电源可以采用缓升、平硬或者陡降外特性“。，但通常都采用缓降外特性。 缓降外特性，容易设计制造，成本低，它还有其他的优点，首先焊接参数 调节方便，可以对电弧电压和焊接电流单独她加以调节，通过改变送丝速度来 调节电流，改变电源外特性来调节电压。其次，焊丝干伸长变化时，产生的静 态电压误差小，也就是说焊接电压基本上不受焊丝干伸长变化的影响。再次， 平特性电源对防止焊丝回烧和粘熊有利。因为电弧回烧时，随着电弧的拉长， 电弧电流隧之减小，使得电弧在来回烧到导电嘴前已熄灭；焊丝粘丝时，缓降 特性电源有足够大的短路电流使粘接处爆开，从而避免粘丝“1 。 2 2 2 焊接工艺对送丝机的要求 在气体保护焊时，送丝机应保证所需的送丝速度范围及规定的送丝力，以 保证送丝均匀、可靠和无打滑现象。 此外，在z b j 6 4 0 0 4 一1 9 8 8 还规定，在推丝式或推拉丝式c 吼焊在供电网络 电压为额定值时，送丝软管平直状态和软管中部弯绕直径4 0 0 l m 一圈情况下， 送丝速度变化率不大于1 0 。 2 2 3 焊接工艺对焊机控制系统的要求 控制系统的作用是对c 嘎焊的供气、送丝和供电等过程系统实现控制。 控制系统的作用是对c 0 。焊的供气、送丝和供电等过程系统实现控制。 亘堕窑道盍望亟受窒生学位论文第7 页 对供气系统的控制大致是三个过程：引弧时，要求提前供气约卜2 s ，以排 除引弧区的空气；焊接时气流要均匀可靠；结束时，因熔池金属尚未完全冷却。 凝固，应滞后停气2 3 s ，以给予继续保护“。 对送丝系统的控制，是指对送丝电机的控制。应保证能够完成焊丝的正常 送进与停止动作，焊前可调节焊丝干伸长：均匀调节送丝速度。 2 3 他励直流电机的机械特性 直流他励式电动机( 以下简称直流电机) 的励磁绕组是有其他直流电源供 电，与电枢绕组之间没有电的联系，其转速n 与转矩m 的关系n = f ( m 称为电 动机的机械特性。如图2 一l 所示，直流电机的转速一般都是转矩的函数，随着 负载的增加，转速都降低。转矩改变时，转速变化较小的，称为硬特性，如曲 线l ，而转速变化较大的称为软特性如曲线2 ，图2 2 所示为直流他励式电动机 的原理接线图。“。 图2 1 直流电动机的机械特性曲线 图2 2 直流他励电动机的接线原理图 由图可得如下方程式： 电枢电压方程式：阮；e + 瑚。 电势表达式e 。c i 咖 电磁转矩表达式肘；d 西，d 由上面公式可知月：旦一而生 ( 1 三垂c k 西 式中阮电枢电压 e 电动机的反电动势 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) z d 电枢电流 r d 电枢内阻 m 电动机磁通 m 电动机转矩 、c ”电动机结构参数 此即为直流他励电动机的机械特性方程。由此可知，直流他励电动机的机 械特性曲线如图2 _ 3 所示，为一条直线，当转矩为。时，肋4 卷，称为理想 空载转速。则有，l ；n 。一疗! 竺 ( 2 5 ) 此即为直流他励电动机的转速降，此式表明当负载加大时，转速的降低和 电枢内阻成正比。这是由于当外加电枢电压不变时，由于负载的加大，转矩增 大，电枢电流上升，电枢内阻上的压降也随之增大。此时，反电动势将减小， 从而使转速减小。可见电枢内阻越大，转速变化越大。呲1 ”1 在直流他励电机中，m 固定不交，则肼* ，。 图2 3 他励直流电动机的机械特性 2 4 丝杆螺母传动 丝杆螺母传动即螺旋传动是通过螺杆和螺母的旋合传递运动和动力。它 主要是将旋转运动变成直线运动，以较小的转矩得到很大的推力，或者用以调 整零件的相互位置。 螺旋传动按其在机械中的作用可分为： 1 ) 传力螺旋传动。以传递力为主，可用较小的力矩转动产生轴向运动和大 的轴向力。 2 ) 传导螺旋传动。以传递运动为主，常用作实现机床中刀具和工作台的直 线进给。通常工作速度较高，在较长时间内连续工作，要求具有较高的传动精 度。本设计所采用的就属于传导螺旋传动，如图2 5 。 耍囊至适盔堂亟塑塞皇堂丝焦塞篁2 页 3 ) 调整螺旋传动。用于调整或固定零件( 或部件) 之间的相对位黉，如： 带传动调整中心距的张紧螺旋，般不经常转动。 2 5 焊机对焊接工作台的要求 焊接工作台主要盛下拖板、上拖板、焊枪调整机构、工作台和工作台调整 器组成，如图2 5 和2 7 2 明”1 ，其中图2 4 2 6 例是工作台和工件放置的位 置图。根据直流电机和螺旋传动的特点，上拖板和下拖板采用他励直流电机和 滑动螺旋传动相结合实现焊枪在x 和y 方向的往返运动并保证有足够的传动力， 如图2 - 5 ：而工作台调整机构则采用他励直流电机和蜗轮蜗杆配合实现工件的 旋转，利用蜗轮蜗杆的自锁功能来实现工件焊接时的定位和固定，如图2 6 。 x 方向；由他励直流电机通过下拖板内的滑动螺旋丝杠辅的传动使焊枪沿x 方向作往复运动，这是堆焊的主要动作。x 方向的行程决定于下拖板内丝杠的 有效行程。 y 方向：由他励直流电机通过上拖板内的滑动螺旋丝杠辅的传动使焊枪沿y 方l 句作间隙运动，即当挥枪焊完一道焊缝开始反向时。上拖板起动，载着焊枪 沿预定的方向穆动指定的距离，使焊枪指向薪焊道，并使租邻焊遵重叠焊缝宽 度的l 3 1 2 。y 方向的行程决定于上拖板内丝杠的有效行程 工件旋转调整：要实现焊接过程的自动化，这部分起到了关键的作用。因 为待焊工件的焊接面是s 形曲面，要实现曲面( 圆弧面) 的平焊，旋转中心的 选择是关链，本设计中是选择的盐面圆弧的中心点o 作为旋转中心的，如图2 4 中钩舌的放置，围绕o 点的旋转可以把曲面的每一条线通过旋转运行到焊枪所 图2 4 钩舌的放置图 处的平面位置，并且要求调整机构可以对工件进行定位，使工件在焊接过程中 保持固定的位置。这样焊枪就可以通过上面所讲的x 、y 方向平面运动实现钩舌 待焊曲面的自动化焊接。工件旋转调整机构是由他励直流电机通过蜗轮蜗杆减 速并传递动力以使工件在焊完一道焊缝转换到另外的焊缝位置时旋转，其旋转 的有效范围和工作台的设计有关，本工作台设计的范围在一9 0 。+ 9 0 。之间； 当旋转停止时，利用蜗轮蜗杆的自锁作用实现工件位置的固定。 图2 5 上拖板、下拖板和焊枪调整机构 电机 一口一器、 轴承l塑里一 一 f 一、1 一、 螺母移动方向 螺杆轴承2 ， 一!、 一 2 6 滑动螺旋传动简图 广飞 、f 沟舌 - 1 7 v 、1 i 工、 _仁一 l 。盯删 件 雎 i l 工。皿 l 叫 作 台 i i 图 图2 7 工作台和调整机构 2 5 1 上拖板电机、下拖板电机及对应减速器的选择 他励直流电动机参数的确定，主要应根据系统中所提供的电源、功率以及 系统对电动机的要求来决定。“1 一、电机电枢和励磁额定电压的选定 本设计中提供1 1 0 v 的可调直流电源，因此可选用电枢和励磁额定电压为 1 l o v 的电机。 二、电机额定转速和减速比的确定 前面所述，c o ：焊的焊接速度一般为3 0 5 0 c m m i n ，螺杆的螺距为4 衄， 所以要求螺杆的最大转速n ， 5 0 0 4 = 1 2 5 r m i n ，因此，可选用额定转速为 3 0 0 0 r m i n 的电机，选用减速比为1 6 的减速器，减速器的输出转速为1 8 8 r m i n 。 设计螺杆时要求螺杆的安全转速m 1 8 8 r m i n 。 螺旋传动的轴向载荷f 约为9 8 n ，螺杆的驱动转矩= f d 2 = 9 8 0 o l = 0 9 8 n m 。根据减速器的输出力矩公式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ，暑f l r ” ( 2 7 ) 其中：叩诚速器的传动效率，选g o f 1 - f 专动比 r 电机的输出力矩 减速器的揄出力矩m 应大于o 9 8 n m ，所以电机的输出转矩： r o 9 8 ( 1 6 0 9 ) 0 0 6 8 n m 。 综合以上计算，可选取博山机电设备厂微电机分厂的j s z ( z y t ) 一p x 系 列微型直流减速电动机，分别由s z ( 踟系列直流电动机与p x 型普通精度行 星减速器构成，电机型号为7 0 s z 5 4 ，与其配套的减速器减速比为1 6 。电机和减 速器体积小、重量轻、结构紧凑、输出转矩大。电机的参数如表2 - 1 。 表2 1 电机参数 l 麓 转速功率电压( v )电流( a )允许顺差转速差转动惯量 r h i nw电枢 激磁电枢激磁 r m i n 不大于n m l | 1 7 63 0 0 05 51 1 01 1 0o 鼬o 1 32 0 0o 0 7 0 2 5 2 送丝机构的选择 本设计采用推式送丝系统，它是靠弹簧将送丝滚轮压紧在焊丝上，以便将 送丝电机的扭矩传给焊丝，通过弹簧可以调节送丝滚轮作用于焊丝上的压紧力 和送丝的轴向力。它主要包含送丝机和送丝软管等。 为了保证在焊接过程中焊丝的均匀送进，选用的驱动电机是具有硬机械特 性曲线的直流他励电动机。减速机构选用一级蜗杆减速。送丝滚轮采用一只主 动滚轮，另一只为从动滚轮的形式。 对送丝电机及减速器的选择：前面所述，送丝电机选用直流他励电动机。 减速机构选用一级蜗杆减速。送丝滚轮采用一只主动滚轮，另一只为从动滚轮 的形式，为减少阻力，滚轮开有v 型槽。 送丝轮直径选为d = 3 5 删( 直径小则易磨损) ，而送丝速度一般要求在3 1 2 m m i n 之间可调，那么要求送丝轮的最大转速 n 3 1 2 0 0 0 ( 3 5 3 1 4 ) 1 1 0 r m i n 因此初步确定电机的额定转速为1 5 0 0 r m i n ，减速比取1 0 。 实验证明，焊丝在进行过程中，会受到来自于送丝管、导电嘴、送丝盘的 摩擦阻力，一般情况下整个阻力之和约为f = 1 2 n ，考虑到还有其他不可遇见的 因素，那么阻力矩为： 胁= k 了f d ( 2 8 ) ，z 一 其中：胁阻力矩 k 一安全系数，= 2 孓f 阻力和 o h 羞丝轮直径 可以计算出，胁- 为0 4 2 n m ，减速机构的效率可取o 7 ，根据公式3 6 ， 得电机得输出转矩应大于0 0 6n m ，综合以上计算，可选用博山机电设备厂 微电机分厂电机型号为7 0 s z 5 4 他励直流伺服电机，电机的参数如表2 7 。减速 机构的减速比取l o 。 根据公式2 - 2 ，减速机构输出的转矩约为3 5 7 n m ，能产生的牵引力约为 2 0 0 n ，大于直径1 6 舳的焊丝所需的额定牵引力1 0 0 n ，所以选取的电机和减速 机构合格。表2 2 送丝电机参数 l 转矩 转速功电压( v )电流( a )允许顺差转速差转动惯量 n 膳r m l n搴w电枢 励磁电枢励礁 r m i n 不大于n f 5 1 01 5 1 1 0 l 加1 10 1 0 00 2 5 2 5 3 工作台旋转电机及其减速器的选择 一、工作台旋转电机的选择1 1 ) 电机电枢和励磁额定电压的选定 本设计中提供1 1 0 v 的可调直流电源，因此可选用电枢和励磁额定电压为 l l o v 的电机。 2 ) 确定电动机的功率 工作装置所需功率p - ( 工作装置的转速在1 3 r m i n ，在此计算中以4 为准) 己黑坐笔祟竽埘6 ) 1 0 0 0 ，7 。 1 0 0 0 0 7 5 、7 电机的输出功率p o ： 晶一1 哆幺一3 9 6 + o 9 4 4 ( 矿) 其中：，7 为减速器的效率 只为蜗轮轴上的功率 考虑到载荷和其他的因素，选用功率为8 5 w ( 大于所需功率4 4 w ) 的电动机。 3 ) 确定电动机的转速 考虑蜗杆和齿轮的传动比范围：选用减速器的减速比为1 6 ，蜗轮蜗杆减速 比为7 4 0 ，则总传送比的范围为f = 1 6 7 1 6 4 0 = 1 1 2 6 4 0 ，可见电动机 的转速范围为： n 一l ) ( ，l 。= ( 1 1 2 6 4 0 ) 4 = 4 4 8 2 5 6 0 r m i n 为减少电机的价格和重量且能满足使用要求，选用较为普通的型号为9 0 s z 的电机，其转速为1 5 0 0 r m i n ，其余的参数如下表2 3 。 表2 3 旋转电机参数 l 转矩转速功率 电压( v )电流( a )允许顺差转速差 转动惯量 n mr m i nw电枢 励磁电枢励磁 r m i n 不大于n m 2 | 5 1 01 5 0 08 01 1 01 1 01 10 2 31 0 00 2 5 在设计中为了尽量减少环节，使用了一个成型的减速器和一个蜗轮蜗杆来 完成的，蜗轮蜗杆传动比大，结构紧凑；传动平稳，噪音小；可以实现自锁。 由于齿面间存在较大的相对滑动，传动中摩擦大，发热大，效率低( 通常为： o 7 o 8 ) ，因而需要良好的润滑和散热条件，不适用于大功率传动( 一般不超 过5 0 k w ) 和不连续工作的场合，而在此设计中所使用中，主要是用于调整工作 台的位置使待焊s 面置于平焊位置，它需要的功率只有几十瓦，也不是连续工 作的。 1 ) 已选好一个减速器，其减速比为1 6 ，效率为0 9 。 2 ) 蜗轮蜗杆的减速比选为3 0 ，在7 4 0 之间。 这样总的减速比为：i = 1 6 3 0 = 4 8 0 最大工作速度为：1 5 0 0 4 8 0 = 3 1 2 5 ，符合工作条件。 根据工作台和其他的一些条件来确定蜗轮蜗杆的各种参数。 蜗杆： 选用双头蜗杆，其效率在0 7 5 0 8 之间。 蜗杆直径：4 0 衄。模数m ：4 蜗杆螺纹长度的计算： 当z ，一1 、2 时，l 苫( 1 1 + 0 0 6 z ，) 卅= ( 1 1 + 0 0 6 2 ) 4 = 4 4 4 8 因此可以取l 为6 0 咖。 蜗杆最大功率：p 涡杆= 叩藏遗嚣墙机= o 9 8 5 = 7 6 5 ( 矿) 蜗杆最大转速：玎蜗杆。乡乞遗器一1 5 哕6 9 3 7 5 ( i n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 s 页 蜗杆最大黼_ 9 5 5 。x 誓_ 9 5 5 0 罴- 7 7 9 2 8 ( n m ) 蜗轮：蜗轮的直径：1 2 0 m ，厚度：4 0 m ，齿数：6 0 。 蜗轮最大功率：p 涡轮= p 黼叩混轮蜩杆= - 7 6 5 x o 7 5 5 7 4 ( ) 蜗轮最大转速：“涡轮= “螨杆i 舅轮蠛杆= 9 3 7 5 3 0 = 3 1 2 5 ( r m i l i ) 蜗轮最大转矩：m 涡轮= ：9 5 5 0 轮n 祸转- 9 5 5 0 5 7 4 3 1 2 5 1 7 5 1 0 8 & n m ) 此转矩大于工作台所需转矩4 0 x 9 8 o 1 8 1 = 7 0 9 ( n m ) ，可满足要求。 由于蜗杆材料的强度较蜗轮高得多，其螺牙通常不会先于蜗轮损坏，一般 不进行蜗杆齿的强度计算，对于蜗轮蜗杆中蜗轮齿的表面强度校核是根据赫兹 公式推算过来的，对于钢制蜗杆和青铜或铸铁制的蜗轮有如下的蜗轮齿面接触 强度条件性计算公式： 埘叼。( 罢) ：灯加袱：) ( 2 9 ) p j j r j z 2 由式2 9 对蜗轮强度的校核； m 2 d 斛( 最) 2 = ( 罴) 2 x 1 o 1 7 5 1 0 8 8 = 6 删n m ) 这样小幻蠕杆t 4 2 4 0 6 4 0 6 2 4 0 ，蜗轮齿的强度就满足要求了。 因此设计中的蜗轮蜗杆强度均符合要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章控制部分设计方案 3 1 控制系统总体方案 控制系统包括硬件和软件两个部分，这里总体概述一下，在下面的章节将 进行详细分析。 在拟定的设计方案中，单片机是设计的核心，电机的驱动和调速都是通过 单片机来实现的，如图3 一l 。设计中包含送丝电机、下拖板电机、上拖板电机 和旋转电机，这些电机的启动、停止和调速都是通过单片机的程序来实现的， 这就为焊接过程的全自动化准备了条件。在焊接过程中，由于焊缝位置的不同， 需要不同的焊接速度，通过单片机的程序设计来实现焊接速度的自动调节，是 焊接过程的全自动化的关键。 图3 一l 控制系统设计框图 3 2 控制面板的设计 这里设计时用了两个控制面板，一个是焊接控制面板，如图3 2 ，另一个 是调速控制面板，如图3 3 。为了焊接时调节方便，在焊接控制面板上设置了 手动和自动按钮，预停和起焊按钮是一个复用按钮，上面并设有焊接指示灯； 在调速面板上，有四个电机的调速按钮，它们发送信号到单片机由单片机来进 行对四个电机的增速减速控制，并将调节好的速度值存到相应的e 2 p r o m 地址空 间，另外下拖板电机的调节可以调节两个速度值，分别存到两个不同e 2 p r o m 地 址空间，以供在焊接时被准确的读取，确保焊接的过程顺利进行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图3 2焊接控制面板 图3 3 调速控制面板 3 3 直流电机驱动与调速方案 因为下拖板电机对调速电路的要求同样也满足旋转电机、上拖板电机和送 丝电机对调速电路的要求，所以在此只拟定下拖板电机的调速方案。 下拖板电机的调速电路是为了保证适应在不同的焊接位置有不同的焊接速 度来满足焊接过程的需要。在此采用的无级调速以满足其要求。工程中较多采 用下列三种调节方式：转速反馈自动调节方式、电枢电压负反馈自动调节和电枢 电压负反馈配合电枢电流正反馈调节方式。采用速度负反馈调速系统，由于控 制对象是转速，所以不仅可以补偿负载变化造成的转速降，而且还可以补偿电 网电压波动造成的转速变化，控制精度很高。1 。但是，此种调速系统成本很高； 采用电枢电压负反馈，只能实现电枢电压的稳定。它可以补偿电源内阻和电网 电压波动造成的转速变化，却不能补偿负载力矩变化造成的转速变化。它所能 够达到的最佳效果即是达到电枢电压恒定不变时的电机特性，所以其硬度提高 很少。但是，在焊接过程中，一般采用电枢电压负反馈就可以满足工艺要求。 而且p i c 单片机内置的p w m 输出及a d 转换模块2 ( 用以转换负反馈回来的电 压，以提供p i 调节的数据) 有很好的稳定性，结合电枢电压负反馈足以使电机 能够进行稳定的工作，因此在此选用电枢电压负反馈直流调速系统，如图3 3 。 图3 - 3 电枢的驱动与调速方案 3 4 单片机控制的焊接时序设计方案 这部分电路的主要功能是实现焊接的时序调节，并且包含焊接前的速度调 节以及反馈部分的a d 转换和p i 计算等部分，如图3 4 。因此要实现上面的这 些功能，必须选择合适的单片机。 图3 4 焊接时序方案框图 3 4 1 单片机的选择 p i c 系列单片机是美国微芯科技股份有限公司推出的一种高性能8 位系列 单片微型控制器，体现了现代微型控制器的一种发展新趋势。p i c 是p e r i p h e r a l i n t e r f a c ec o n t r o l l e r ( 外围接口控制器) 的缩写，由此可以知道p i c 单片机 的市场定位。从p i c 单片机的问世到快速普及并成为业界广为采用，最主要的 原因是其完整的单片机系列芯片让使用者可以根据不同的需要选择最合适的单 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 片机的“单片”特性，它具有实用、低价、省电、高速、体积小和驱动性强等 的特点，考虑本论文的设计需要a d 转换、p w m 输出和e 2 p r 等，而且考虑单 片机开发的工具条件，就选择p i c 系列的单片机来进行设计的“”“。 一、p i c 单片机的特点与优越处。 1 高性能r i s c 结构c p u p i c 单片机采用了指令总线和数据总线分开的哈佛双总线结构，因此避免 了瓶颈现象；p i c 系列各种型号的单片机都采用精简指令集，基本级仅3 3 条指 令，中级产品有3 5 条指令加两条保留指令，高级产品也只合5 8 条指令。这样 的指令系统具有易学易用的特点，而且所有指令都是单字节指令，所以程序空 间的效率即紧凑性比般单片机高得多。由于采用哈佛总线结构，以及指令的 读取和执行采用流水作业方式，使得运行速度大大提高；它的功耗比较极低， 其中有些型号在4 删z 时钟下工作时耗电不超过2 m a ，在睡眠模式下耗电可以低 到1 u a 以下；p i c 单片机端口的驱动能力比较强，每个i o 引脚吸入和输出的 最大值可分别达到2 5 i i i a 和2 0 m a ，能够直接驱动光耦、光电耦合器或者微型继 电器等。 2 复位电路与时钟电路“ p i c 系列单片机内集成了上电复位电路，减少了外接器件的使用。而中档 的p i c l 6 f 8 7 x 还有人工复位( 单片机执行期闻) 、人工复位( 单片机睡眠期间) 、 看门狗复位和电源欠压复位，为了满足人工复位的需要，通常单片机都设置一 个外接复位引脚，来接受外部输入的人工复位信号，在p i c 系列单片机的技术 文档中称该引脚为m c l r ，英文的原意是“人工清除”，低电平有效。 p i c 系列单片机的系统时钟可以工作在d c 2 0 瑚z 的频率范围之内。有四 种类型的时基振荡方式可供选择：l p 、x t 、h s 和r c 。一般来说，晶振的稳定性 比较好，接线比较简单而且各种频率的晶振都比较齐全，因此是比较常用一种 方式。 3 定时器计数器 p i c l 6 f 8 7 x 系列的单片机有3 个定时器计数器，其中t m r o 和t m r l 既可以 用于定时，也可以用于计数，t m r 2 只能进行计时，但可以配合p w m 实现脉冲、 捕捉和比较。 t m r o 可用于定时控制、延时、对外部事件进行计数和检测等场合。它是一 个8 位增量的计数器，定时器所用的时钟源可以是内部系统时钟，此时就是定 时器功能；也可以是外部时钟，就变成计数器功能。不管定时还是计数都不占 用c p u 的时间。t m r l 和t m r 0 功能差不多，主要区别就是t m r l 是1 6 位增量的 定时计数器。 4 e 2 p r o m 数据存储器 e 2 p r o m 是一种可电擦可电写的数据存储器，它可以在线改写，并且在掉电 后仍可以保持数据。p i c 自带的e 2 p r o m 在正常操作时的整个v 叻工作电压范围 内是可读可写的，典型情况下可以重写1 0 0 万次，数据保存期长于4 0 年。不同 型号p i c 单片机带e 2 p r o m 的容量不一样，p i c l 6 f 8 4 带的e 2 p r o m 共有6 4 b ， p i c l 6 f 8 7 7 a 带的e 2 p r o m 有2 5 6 b 。 p i c 系列单片机中的e 2 p r o m 并未映象在寄存器组空间中，不能对其进行直 接访问，需要通过专用寄存器进行间接寻址操作。因此在单片机中增加了四个 专用寄存器：数据寄存器e e d a t a 、地址寄存器e e a d r 、控制寄存器e e c 0 n 1 和 e e c o n 2 。表3 一le e c 0 n l 寄存器位 d 7d 6d 5 d 4 d 3d zd 1d 0 l e e i f硼t 掰mw r e n帜r d 5 a d 转换模块 p i c 单片机中的a d c 模块采用的原理是逐次逼近型。这种a d c 是以d a c 为 基础的，再加上模拟电压比较器、逐次逼近寄存器、置数控制逻辑以及输出锁 存器组成。在中高档系列p i c 中有许多型号都带有a d 转换模块，而且大部分 都是8 位或者l o 位的。其中p i c l 6 f 8 7 x 内部豹 d c 模块是1 0 位的，2 8 脚封装 的p i c l 6 f 8 7 x 部分型号，其a d c 具有5 个模拟通道；而4 0 脚封装的p i c l 6 f 8 7 x 部分型号，其a d c 则有8 个模拟通道。 与a d c 相关的寄存器比较多，一共1 1 个。主要有中断控制寄存器i n t c 0 n 、 a d c 控制寄存器0a d c o n o 、a d c 控制寄存器la d c 0 n 1 、第一外设中断使能和中 断标志寄存器、a 口与e 口数据寄存器和方向寄存器和a d c 结果寄存器等。下 面说一下a d c 控制寄存器o 和a d c 控制寄存器1 ，如表3 2 。 表3 2a d c o n o 与a d c 0 n 1 岔d 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld o 寄杀敲 a d c o n oa d c s la d c s oc h s 2c h s lc h s og o d o n ea d o n a d c o n la d f mp c f b 3p c f g 2p c f g lp c f g o a d c o n o ：位7 ：6 ，a d c s l ：a d c s 0 即a d 转换时钟及其频率选择位。 位5 3 ，c h s 2 c h s 0 即a d 转换模拟通道选择位，如下图3 5 。 c h s 2 c h s 0 ：一l 一上一一l v 州 模拟电压输入到采 样，保持电路 图3 - 58 选1 选择开关 位2 ，g o ，d o n e ： d 转换启动控制位兼作状态位 位0 ，a d o n ：a d 转换开关位。 6 输入捕捉输出比较脉宽调制c c p c c p 即c a p t u r e c o m p a r e p 嘲的简写。在抵挡的p i c 中没有配置，在中档 的p i c 单片机系列中有些配置一个，有些配置了两个；甚至在高档的p i c 单片 机系列中的部分型号还配置了多达4 个c c p 模块。 顾名思义c c p 模块有3 中工作模式：输入捕捉、输出比较和脉宽调制。这 3 种工作模式都与定时器有关，即都需要定时器模块提供时钟源的支持才能工 作，其关系如表3 3 ： 表3 3c c p 模块与定时器模块的搭配关系 c c p 模块工作模式时钟源 捕捉器 t m r l 比较器n 喂1 脉宽调制器 t m r 2 其中脉宽调制( p 删，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 输出工作模式适合用于从 引脚上输出脉冲宽度随时可调的p w m 信号。例如实现直流电机调速、简易数 模转换器( d a c ) 、步进电机变频控制等。 与p 1 v m 输出相关的主要寄存器c c p x c o n 、c c p r x l 、c c p r x h ( 其中x 为l 或 2 ) 、t 2 c o n 和i n t c o n 等。表3 4c c p l c 0 n 寄存器的位 d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1 d 0 卜 c c p l xc c p l yc c p l m 3c c p l m 3c c p l m 3 c c p l m 3 其各位的含义如下： c c p l x c c p l y ；c c p l 脉宽寄存器低端补充位。 p _ | v m 模式：作为其脉宽寄存器的低2 位，高8 位在c c p r l l 中。 c c p l m 3 c c p l m o ：c c p l 工作模式选择位。 0 0 0 0 = 关闭e c p l 模块，即禁止c c p l 工作以降低功耗； 1 1 x x = 脉宽调制p w m 模式，低两位不起作用，可以不理会。 二、单片机具体型号的确定 1 确定系统的i o 点数和通道： 输入量点数的确定。系统的输入量包括：上拖板电机的位移信号、下拖 板电机的位移信号和旋转电机的信号各一个，总共三个；开关量输入有启动 预停( 1 个) 、定位( 1 个) 、急停复位( 1 个) 、下拖板电机与送丝电机的调速 ( 3 个) 、上拖板电机与旋转电机的调速( 3 个) 、焊接调速选择、下拖板电机高 低速区分( 1 个) 、续焊( 1 个) ，模拟量输入( 四路的反馈量) 总共1 5 个； 0 输出量点数的确定。输出量主要用于焊接程序控制，供电供气共用( 1 个) ，送丝电机控制( 1 个) ，下拖扳电机运行控制( 1 个) ，上拖板电机运行( 1 个) ， 下拖板电机正反转控制( 1 个) ，上拖板电机正反转( 1 个) ，旋转电机正反转( 1 个) ，一共七个。 考虑以后焊机扩展人机界面，留有8 个脚给键盘输入，在留一些引脚给 l e d 或l c d 作为备用。 2 确定需要使用的模块 电路中使用的i g b t 需要4 个具有p 删信号的输出口来进行控制，并且需要 四路a d 转换，在焊接时需要对焊接的道数进行计数为防止数据丢失要将其存 入酽p r 伽，而预调焊接速度时的速度值也要存入e 2 p r o m 中以备在以后的焊接过 程中使用。 3 根据以上i o 口数和通道以及需要的模块，选用两个有4 0 引脚型号为 p i c l 6 f 8 7 7 a 带f l a s h 闪存和e 2 p r o m 的单片机，便于程序修改且价格低廉。 3 4 2 焊接时序控制电路具体方案 焊接开始之前可以进行焊接速度的调整，包含对下拖板电机、上拖板电机、 旋转电机和送丝电机。调好以后单片机会自动将这些值分别存入相应的e 2 p r o m 中去，以后焊接过程中使用“”“。 根据p i c 系列单片机的特点，主单片机可以利用单片机的i 0 功能和t m r 0 、 r c 3 以及r c 7 来进行计数。 一、按启动键后，主单片机照焊接程序控制顺序送出供电供气q 4 ，然后通 过r b o 传输的信号使从单片机程序自动载入焊枪x 方向的最大行程，然后送丝、 下拖板电机运行：上拖板电机运行、下拖板电机正反转信号，并根据需要提供 必要的延时，在焊接结束时使上拖板和旋转电机翻转，各自运行至起始位置， 为下次焊接做好准备。其中的开关信号是通过控制p 删的输出与否来实现的，输 出p w m 时，此信号通过光电耦合器隔离然后输出到i g b t 开关管的控制信号端( g ) “，来运行电机，需要下拖板运行就输送此信号，不需要时就关断。其余的反 向信号通过开关元件输送给继电器。开关元件可选择达林顿管，因为达林顿管 提供大的放大倍数，基极只需i i i a 级( 有的甚至是微安级) 的电流就可导通， 它的导通电流在单片机的引脚驱动能力范围之内；集射极可通过安培级的电流， 保证继电器可靠吸合。 要实现图卜4 和卜5 的焊枪行走方式，可通过主单片机的t m r o 、r c 3 以及r c 7 来进行计数实现。 自动焊“。：由主单片机控制从单片机程序赋给下拖板x 方向的行程值，当焊 枪从x 方向的一端行走到另一端需停下拖板电机时，t 陬o 溢出，主单片机通过检 查脚标志位，然后控制从单片机停止下拖板y 方向电机和送丝电机的运行，并 开始运行上拖板y 方向电机，上拖板y 方向运行的距离是根据实际情况设定好并 能进行调节的，上拖板运行结束后，根据下拖板焊接的道数由程序来决定要不 要运行旋转电机和旋转多少，之后再启动下拖板。这样，来回几个往返就可以 完全焊好整个钩舌。这样就实现了图l - 4 满焊的焊枪行走方式。 定位焊”1 ：当焊枪在偏磨段x 方向的一端行走到另一端需停下拖板电机时， 按定位键，通过程序的处理，主单片机( 以后简称“主机”) t m r 0 自动溢出， 同时改写x 方向的行程值并通过控制从单片机( 以后简称“从机”) ，然后由从 机结束下拖板电机的运行，主机通过程序来运行上拖板电机，y 方向的行走控 制同自动焊，也就可以实现图卜5 所示的定位焊。 预停功能是为了方便工人操作而设置的，当焊枪焊到某条焊道中的任意位 置时，希望焊完此道即停焊，则人工按下预停按钮，焊枪就会在此焊道的终点 停车，焊接结束。此功能由单片机的程序实现。 二、 电机的位移信号可通过光耦传感器，经施密特触发器整形后直接输 送到单片机的t m r o 、r c 3 以及r c 7 引脚。因为要求计数准确，所以使用施密特触 发器整形。 第4 章控制部分硬件部分设计 4 1 硬件系统的总体概述 一1 2 3 v 图4 一l 硬件电路总体框图 控制系统硬件主要组成如上图4 - 1 主要由电源部分、电机驱动部分、单 片机控制电机调速部分和单片机控制的焊接时序电路部分。p i c 单片机的p 咖 输出口输出宽度可调的脉冲信号，经过光电隔离来驱动i g b t 开关管；电机驱动 板将电机电枢的电压反馈给调速及焊接时序板上，通过单片机的a d 转换、p i 计算实现电压负反馈调节；调速及焊接时序板控制板4 个p 啊输出信号分别控 制电机驱动板上的四路电机驱动电路，只有在根据焊接时序需要运行某个电机 的时候才有