基于单片机8051的CO2焊接自动送丝机设计

基于单片机 8051 的 CO2 焊接自动送丝机设计摘 要现在市场应用最多的焊接自动送丝机，但它只能焊接直线形焊缝，很多情况下我们要求能够焊接曲线焊缝，并且有时要求可以焊接曲线角焊缝，这样直线送丝焊机就没办法完成这样的要求任务。本设计通过对焊接自动送丝机的数控化改型，利用单片机同时控制 X,Z 方向的步进电机，两轴联动通过插补使得送丝焊机按预定的轨道行走，从而完成任意曲线的焊接，同时也便于实现远程自动控制。关键词:送丝焊接；曲线焊缝；数控化AbstractNow the market applies the most welding machine , but it can weld the straight line sew only, under a lot of circumstances we request and can weld the curve sew, and sometimes request and can weld the curve Cape sew, the welding machine has no way to complete the mission thus and straightly. Through the numerical control modification of the submerged-arc welding machine, the design uses MCS-51 single chip microcomputer to control two electronic motors, which provide the movement of the direction of X and Z simultaneously .The two axes coordinate to make submerged-arc welding machine move along the designed track. At the same time, the machine achieves the long-distance automatic control.Keywords: cover up the welding ;The curve sew;The number controls to turn目 录摘要 .41 绪论 .61.1 送丝焊机概述 .61.2 送丝焊技术 .61.2.1 送丝焊原理及特点 .61.2.2 送丝焊的主要优点 .71.3 送丝自动焊机分类和结构特点 .81.3.1 送丝焊的分类 .81.3.2 送丝焊的结构特点 .81.3.焊接自动送丝机 .82.机械部分 .92.1 送丝进给系统方案设计 .92.1.1 齿条、支撑杆、平衡杆的设计及校核 .92.1.2 送丝进给齿轮的设计计算 .152.1.3 蜗杆的设计和校核计算 .182.1.4 送丝进给轴的设计及校核 .202.1.5 轴承校核 .252.1.6 步进电动机的计算和选用 .262.2 摆动机构方案设计 .272.2.1 整体方案设计 .272.2.2 送丝的结构设计 .283、微机数控系统硬件电路设计 .303.1 绘制系统电气控制的结构框图 .303.2 选择中央处理单元 CPU 的类型 .303.2.1. 8051 芯片引脚介绍 .303.3 I/O 口扩展 .323.4 存储器的扩展 .333.4.1 程序存储器的扩展 .333.4.2 数据存储器的扩展 .343.5 上位机与单片机的通讯接口电路 .353.6 步进电机接口及驱动电路 .363.6.1 脉冲分配器 .363.6.2 光电隔离和功率放大电路 .373.7 开关接口的设计 .384 论文总结 .40致 谢 .41参考文献 .421 绪论1.1 送丝焊机概述 1焊接是指通过适当的物理化学过程使两个分离的固态物体产生原子（分子）间结合力而连接成一体的连接方法。被连接的两个物体（构件、零件）可以是各种同类或不同类的金属、非金属（石墨、陶瓷、玻璃、塑料等），也可以是一种金属和一种非金属。金属连接在现代工业中具有很重要的实际意义。送丝焊接是当今生产效率较高的机械化焊接的方法之一，全称是送丝自动焊，又称焊剂层下自动电弧焊。1.2 送丝焊技术1.2.1 送丝焊原理及特点送丝焊是电弧在焊剂保护层下进行燃烧焊接的一种焊接方法。送丝焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊接剂覆盖下燃烧，电弧光不外露，因而叫做送丝焊。电弧被焊剂覆盖与空气隔离,焊接时没有弧光辐射，减轻对操作者身体的伤害。焊剂在燃烧时的冶金作用下焊缝得到有效的保护，使焊缝不产生气孔，夹渣等缺陷，焊缝质量较高。送丝焊的小车（焊车）都装有自动变速送丝机构和行走机构，焊接时自动送丝及行走，焊缝成型美观，生产效率高，因此，送丝焊在工业中被广泛采用。送丝焊焊接电弧在焊丝与工件之间燃烧。电弧热将焊丝端部及电弧附近的母材和焊剂熔化。熔化的金属形成熔池，熔融的焊剂成为熔渣。电弧向前移动时，电弧力将熔池中的液体金属推向熔池后方。在随后的冷却过程中，这部分液体金属凝固成焊缝。熔渣则凝固成渣壳覆盖于焊缝表面。熔渣除了对熔池和焊缝金属起机械保护作用外，焊接过程中还与熔化金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的化学成分。送丝焊时，被焊工件与焊丝分别接在焊接电源的两极。焊丝通过与导电嘴的滑动接触与电源联接。焊接回路包括焊接电源、联接电缆、导电嘴、焊丝、电弧、熔池、工作等环节。焊丝端部在电弧热作用下不断熔化，因而焊丝应连续不断地送进，以保持焊接过程的稳定连续进行。焊丝的送进速度应与焊丝的熔化速度向平衡。1.2.2 送丝焊的主要优点1）所用的焊接电流大，相应的电流密度也大。加上焊剂和熔渣的隔热作用，热效率较高，熔深大。工件的坡口可以较小，减少了金属填充量。2）焊接速度高。以厚度 810mm 的钢板对接焊为例，单丝送丝焊速度可达 5080cm/min，手工点弧焊则不达 1013cm/min。3) 焊剂的存在不仅能隔开熔化金属与空气的接触，而且使熔池金属较慢凝固。液体金属与熔化的焊剂间有较多时间进行冶金反应，减少了焊缝中产生气孔，裂纹等缺陷的可能性。焊剂还可以向焊缝金属补充一些合金元素，提高焊缝金属的力学性能，满足石油工业特别是井下作业的需求。4）在有风的环境中焊接时，送丝焊的保护效果比其他电弧焊方法好。对环境的要求较低，适合野外作业。5）自动焊接时，焊接参数可以通过自动调节保持稳定。与手工电弧焊相比，焊接质量对焊工技艺水平的依赖程度可大大降低。6）没有电弧光辐射，劳动条件较好，可以较好的满足 QHSE 要求。7）焊缝质量高。因为熔渣隔绝空气的保护效果好，电弧区主要成分是CO，焊缝金属含氧量、含氮量大大降低；另外，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高，焊缝成分稳定，机械性能比较好。8)劳动条件好。除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是送丝焊的独特优点。送丝焊的众多优点决定了其在工业中的重要应用。 11.3 送丝自动焊机分类和结构特点1.3.1 送丝焊的分类1)按用途分为通用和专用焊机。前者可以广泛用于各种结构的对接、角接、环缝和纵缝等焊接生产；后者则只能用来焊接某些特定的金属结构和焊缝。2)按送丝方式分为等速送丝式和电弧电压调节式焊机。前者适用于细焊丝或高电流密度的情况；后者适用于粗焊丝或低电流密度的情况。3)按行走机构形式分为小车式、门架式、悬臂式三种。通用送丝自动焊机大都采用小车式行走机构，就属于这种结构形式。4)按焊丝数量分为单丝、双丝和多丝焊机。目前国内大多用的是单丝焊机，双丝和多丝焊机是提高生产率和质量的有效途径，正日益收到重视。1.3.2 送丝焊的结构特点1)机械结构。包括：送丝机头、行走小车、机头调节机构、导电嘴、焊剂回收器等。2)电源。可采用交流或直流电源进行焊接，可根据产品焊接要求及焊剂型号选择电源。3)控制系统。包括：电源外特性控制、送丝和小车拖动控制及程序自动控制（其中主要是引弧和熄弧自动控制）。1.3.焊接自动送丝机送丝自动焊机为发电机-电动机系统弧压反馈调节式，一些采用晶闸管控制的送丝焊机也开始用于生产。用途：可以焊接开坡口或不开坡口的对接焊缝、角接焊缝等，这种焊缝可以位于平面或与平面成 15 度的斜面上。技术规格：电源电压为 380V，焊接电流为 400-1200A，送丝速度为 0.5-2m/min，焊丝直径为 3-6mm，焊接速度为 15-70m/h。电路组成：由焊接电源、焊接小车拖动电路、送丝拖动电路组成。2.机械部分2.1 送丝进给系统方案设计2.1.1 齿条、支撑杆、平衡杆的设计及校核焊接机头重 G1=150N，当加入焊剂的时候，焊剂中大部分是二氧化硅，密度为 2.6g/cm，还有一些其它物质和空隙，可以设倒入漏斗中的焊剂的密度为2g/cm，制作 7.5 升的漏斗，那么焊剂 G2=150N，机头总重 G=300N，且距齿条杆末端距离为 200mm，设齿条与平衡杆的移动速度比为 2，而设计要求焊接范围在0-1500mm，由传动比可以计算平衡杆的移动范围为 750mm。我们将支撑齿条和平衡杆的支座两壁的距离设为 200mm，所以送丝进给杆齿条的长度就为1700mm，平衡杠的齿条的长度为 950mm。送丝进给吃条的两端各留上 150mm 的光杠空间，以便安装焊接机头，这样一来送丝进给齿条的总长度就可以设成2000mm，支撑杠长度和送丝进给齿条的长度相同，其目的就是为了增加强度，防止送丝进给齿条的强度不足，减少系统的挠度，所以支撑杠的长度也为2000mm；同样也在平衡杠两端留上 150mm 的光杠长度以便装配重，设两配重的质心距平衡杠端点各为 100mm,故可以将平衡杠的长度看成 1500mm。送丝进给齿条、支撑光杠、平衡杠的材料都选用 40Cr2，其密度为7.8g/cm3,设送丝进给齿条、支撑光杠、平衡杠是同样的截面形状，外径 30mm，内径为 15mm，三个杆在重力的作用下，可以看成其上受到一个均匀分布的力，这个均布载荷 q 的大小为 3(2-1) 222231.5.344DlAcm， (2-2)37.80./0.413/qgNc图 1 送丝进给机构受力示意图如图 1：当齿条，平衡杠处于中间时，可以设整个系统的质心处于中间，则有平衡公式， (2-3)12(02)()750Gm13/48N 当系统移动时，也就是齿条带动机头焊枪左右移动 l2mm 的时候，根据传动比为 2，则平衡齿条相反方向移动 lmm，根据李学平衡公式，求质心的位置，设质心移动了 xm则有：， (2-4)12(750)10()2(120)lxqlxGlx12123.4.3()()650mxlml的最大移动距离就是平衡齿条可以移动的范围，即 ml50设配重的分配为 1250,N带入上式 .8xl145在设计小车两端轮距距离为 500mm，质心始终在两轮之间，所以不会发生倾倒的现象。校核强度校核送丝进给齿条的强度，根据现实的经验可以知道当焊接机头移动到最远处时，是送丝进给齿条最危险的时候，故只要校核此时送丝进给齿条的强度就可以了。对此时的强度校核如下图 2 齿条受力简图将均布载荷集中到送丝进给齿条的质心位置，力的大小为 ql， m20，Nql6.80413.， (2-5)根据力平衡得： 2.510AF6.9/8.BAqlGNB 点的受力最大，剪切强度和接触应力校核就要校核 4此点。剪切应力， (2-6)2218.518.543.63(0)()4QMPADd 故剪切强度足够。由于支座的材料是铝，要低于钢的强度，故要校核计算支座接触表面的挤压应力 ，支座壁厚设计为 10mm，故挤压截面面积， (2-2103.1409jyAm7)挤压截面应力， (2-8.52.094jyj jyPMPA8)铝的挤压应力取 jya故挤压强度足够。计算抗弯强度图 3 齿条载荷分析图应用材料力学计算软件，可以将送丝进给齿条上的受力简化为图 3，W1 为均布载荷，P1 为机头重量的一半，根据齿条上的受力可以得到齿条各截面上的剪力 5和弯矩图，如图 3 可以知道受到最大弯矩的位置是 B 点，弯矩大小为194.6MNm送丝进给齿条的抗弯截面模量 ， 3 3()251.2dWm434（ 1-） 0.d-(2-9)， 1d为齿条外径， d为齿条内径。那么齿条的弯曲应力为 ， (2-10)319467.0225.MNmMPa其弯曲应力远小于许应弯曲应力，所以齿条的强度足够。计算送丝进给齿条的挠度由于均布载荷的大小相对较小可以不计算，只要计算焊接机头移动到最远处时的挠度就可以了。弹性模量 E=380GPa,送丝进给齿条的截面惯矩 444 8.37256)10(6)(6mdDI ， (2-11)根据送丝进给齿条的受力情况，由挠度公式得malEIPy2.)(32，其中 a 焊接机头到支座壁的距离，l 为支座两壁的距离。挠度在我们设计的许可范围内，所以送丝进给齿条的挠度足够。 同理，平衡齿条上的受力也和送丝进给齿条上的情况一样，就是在焊接机头移动到最远处，即配重 m1 移动到最远处时是平衡齿条最危险的时候，要校核此时的强度。图 4 平衡齿条受力简图图 4 为为危险时的受力简图，将均布载荷集中到平衡齿条的质心位置，力的大小为 ql， m130， Nql69.5310.。根据力平衡得： 4502.)5( Fc， (2-12) Fc 3.16720450369.130Nd8.5.6730B 点的受力最大，剪切强度和接触应力校核就要校核此点。剪切应力 9.3)150(4.32)(42 MPadDAQ， (2-13)故剪切强度足够。支座接触表面的挤压应力 2.945.208jyjyj PaAP， (2-14)2943010mDAjy ， (2-15)所以制作强度足够。计算抗弯强度图 5 平衡齿条的载荷分析图同样应用材料力学计算软件，可以将平衡齿条上的受力简化为图 5，W1 为均布载荷，P1 为 m1 的重量 P2 为 m2 的重量，根据齿条上的受力可以得到齿条各截面上的剪力和弯矩图，如图 5 可以知道受到最大弯矩的位置是 A 点 6，弯矩大小为 mNM36| 。平衡齿条的抗弯截面模量34343 25.1)(1.0)(2mddW， (2-16)d1， 为齿条外径， 为齿条内径。那么齿条的弯曲应力为MPa8.1325.6， (2-17)其弯曲应力小于许应弯曲应力，所以齿条的强度足够。2.1.2 送丝进给齿轮的设计计算选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数1）选用直齿圆柱齿轮传动。2）速度最高在 600mm/min，故速度不高，选用 7 级精度（GB10095-88） 。3）材料选择。两个齿轮都选用 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS。4）小齿轮的齿数为 z1=32，大齿轮的齿数为 z2=uz1=2*32=64,其模数取m=1.25mm，齿厚取 16mm。校核两个齿轮的强度齿条和支座壁之间的摩擦系数为 0.2，齿轮驱动齿条所需要的力大齿轮： NF56.832.0)2.19.6(1 小齿轮： 97453702大齿轮的校核：大齿轮齿根弯曲强度校核齿根危险截面的弯曲强度条件为0FSaFtSaFbmYK， (2-18)计算载荷系数根据 min/6.0v，7 级精度，由图 10-8（以下查表或图都在璞良贵的第七版机械设计书中）查得动载荷系数 12.v直齿轮，假设 mNbFKtA/10/。有表 10-3 查得 2.1FHK由表 10-2 查得使用系数 A由表 10-4 查得 7 级精度，大齿轮相对支座非对称布置时， bdH 3210.)6.01(8.2， (2-19)齿宽系数2.0816db， (2-20)将数据带入上式得 13.023.0)2.61(.021 bKH， (2-21)故载荷系数 52.1.HVAK， (2-22)齿上受力 56.832tFN；齿形系数 aY及应力校正系数 SaY，查表 10-5 得71.Sa， 7.F；带入齿根危险截面的弯曲强度条件公式 MPabmYKSaFt 61.24525.167.835. ， (2-23)其弯曲强度取 500MPa，所以齿根危险截面的弯曲强度足够。大齿轮齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度条件为1HEtHZubdKF， (2-24)HZ为区域系数（标准直齿轮 02时， 5.2） ；弹性影响系数 /18MPZE；载荷系数根据上面得 52.13.1.HVAK， (2-25)由于是齿轮齿条传动所以 u1取 1；齿轮受到的轴向力 NFt56.832；齿宽为 mb16；齿轮的分度圆直径 d01；将参数带入齿面接触疲劳强度校核公式得 MPaH 5403.4671805.2806.35. ， (2-26)所以大齿轮的齿面接触疲劳强度足够。小齿轮的校核 7：小齿轮齿根弯曲强度校核齿根危险截面的弯曲强度条件为0FSaFtSaFbmYK， (2-27)计算载荷系数：根据 min/6.0v，7 级精度，由图 10-8 查得动载荷系数 12.v；直齿轮，假设 mNbFKtA/10/。有表 10-3 查得 FHK；由表 10-2 查得使用系数 A；由表 10-4 查得 7 级精度，大齿轮相对支座非对称布置时， bdH 3210.)6.01(8.2， (2-28)齿宽系数4.061db， (2-29)将数据带入上式得 31.61023.40).61(8.22 HK，(2-30)故载荷系数 75.HVA， (2-31)齿上受力 NFt952.70；齿形系数 aY及应力校正系数 SaY，查表 10-5 得.2Fa， 63.1S；带入齿根危险截面的弯曲强度条件公式 MPabmYKFSat 05.2725.1663.970. ， (2-32)其弯曲强度取 500MPa，所以齿根危险截面的弯曲强度足够。小齿轮齿面接触疲劳强度校核齿面接触疲劳强度条件为1HEtHZubdKFHZ为区域系数（标准直齿轮 02时， 5.2） ；弹性影响系数 /18MPZE；载荷系数根据上面得 765.13.1.HVAK， (2-33)由于是齿轮齿条传动所以 u1取 1；齿轮受到的轴向力 NFt952.70；齿宽为 mb16；齿轮的分度圆直径 d41；将参数带入齿面接触疲劳强度校核公式得 MPaH 5407.03145.24069.75. ， (2-34)所以小齿轮的齿面接触疲劳强度足够。2.1.3 蜗杆的设计和校核计算1.选择蜗杆传动类型根据 GB/T 10085-1988 的推荐，采取渐开线蜗杆（ZI ） 。2.选择材料根据材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度不高，故蜗杆用 45钢；因希望功率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 45 至55HBC。涡轮用铸锡磷青铜 ZCuSn10P1，金属模铸造。3.选择蜗杆头数为 Z1=1，模数 为 1.25mm，直径系数查表 11-2 可知 92.17q，mmqd4.29.175.1，蜗杆齿宽 mb401；则蜗杆得分度圆直径为根据现场加工的要求和设计的条件暂时选择蜗杆齿数为 64，则涡轮得分度圆直径为 Z806.2，齿厚为 62。4.蜗杆传动强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度蜗轮齿面接触疲劳强度的校核公式为 /32HEHaKTZ， (2-35)计算载荷系数：载荷系数公式为 vAK， (2-36)使用系数，查表 11-5 可以知道载荷均匀，无冲击，每小时运动次数少于 25 次，启动载荷小，故选择 1A；K为齿向载荷分布系数，当蜗杆传动在平稳载荷下工作时，载荷分布不均的现象将由于工作表面良好的磨合而得到改善，此时可取 1K；v为动载荷系数，由于蜗杆传动一般较平稳，动载荷要比齿轮传动的小得多，故对于精确制造，且蜗轮圆周速度 smv/32时，可取动载荷系数 05.v，所以， 05.1vAK； (2-37)EZ为材料的弹性影响系数，单位为 2/1MPa，对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时，取 2/160Pa，蜗杆传动的接触线长度和曲率半径对接触强度的影响系数，即接触系数 Z，从图 11-4 中查得 7.2Z，由于蜗轮的分度圆直径为 80mm，蜗杆的分度圆直径为 22.4mm，则a=51.2mm；蜗杆传动的功率为 mNT8.9642将参数带入蜗轮齿面接触疲劳强度的验算公式为： MPaPaaKZ HEH 26809.182.5/.9640.17/ 332 (2-38)可以从表 11-6 中查到，故蜗轮的齿面接触强度足够。蜗轮齿根弯曲强度计算：蜗轮齿根弯曲强度的验算公式为53.12FaFYmdKT， (2-39)蜗轮的载荷系数为 0.vAK， (2-40)蜗杆传动的功率为 NT28.9642蜗轮齿形系数 FAY可由蜗轮的当量齿数 32cos/zv及蜗轮的变形系数 2x从图11-19 中查得，在 namh3.0,120*，变形系数为-0.5，蜗轮的当量齿数48.32vz，则 87.FaY螺旋角影响系数912.04.10， (2-41)蜗杆直径 md4.21，蜗轮直径 md82，模数为 1.25mm,将上述参数带入蜗轮齿根弯曲强度的验算公式得 MPaYKTFaF 285.19.08725.104.9653153.21 (2-42)查表 11-8 得蜗轮的基本许用弯曲应力 MPaH，由于 H，所以蜗轮的齿根弯曲强度足够。2.1.4 送丝进给轴的设计及校核图 6 轴的结构1.轴的结构设计1）拟订轴上零件的装配方案根据上面图示，1-2 处是和齿轮连接，2-3 处也是和齿轮相连，4-5 处、7-8 处是两个轴承，6-7 处和蜗轮连接。2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）根据送丝进给齿轮所要传递的力矩大小，初步确定 md162，为了满足大齿轮的轴向定位，1-2 轴段右端需制出一轴肩，故取 2-3 轴段的直径md203，大齿轮的齿宽为 16mm，所以 1-2 段的长度定为 l21。（2）由于 2-3 段仍然要安装一个小齿轮，为了满足小齿轮的轴向定位要求，2-3 轴段右侧也需制出一轴肩，故取 3-4 段的直径 md43，送丝进给齿条的轴心和平衡齿条的轴心距离定为 80mm，小齿轮的齿厚和大齿轮的齿厚都是16mm，所以 2-3 段长度可取 ml8032。（3）3-4 段轴起作用是过渡段，齿轮的位置要距传动蜗轮一段距离，其直径md24，长度以设计情况定为 47mm。（4）初步选择滚动轴承，因轴承受到径向力和轴向力的作用，又因轴向受力不大，故选择角接触球轴承，参照工作要求并根据 md243，由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度级的角接触球轴承 7006C，其尺寸为mTDd1353，故取 4-5 段的直径 054，长度取得稍微比 T 长些，取为 l74，为了使轴承可以定位，所以要在右段设计一轴肩，此轴肩与轴承的内圈结合，直径要求在 36mm，所以 md365。（5）6-7 段安装的是一蜗轮，其左端靠 5-6 段的轴肩定位，跟蜗轮配合的轴和轴肩之间的高度要满足 h0.07d，取 h 为 3mm，周环的直径为 36mm，所以 6-7段的轴直径可去 md3076，轴环宽度 b4.1，且蜗轮距箱体内壁还要留有一定的间距，所以根据情况将轴环的长度 ml365。（6）蜗轮厚度为 16mm，蜗轮的右段和轴承的左端采用套筒定位，套筒的内径与和蜗轮配合的轴相配合，轴套要伸出与蜗轮配合那段轴，所以 ml267。（7）选择右段轴承，因轴承也是同时受到油径向力和轴向力的作用，但受力又不是很大，故选择角接触球轴承。参照工作要求并根据 d3076，由轴承产品目录中初步选取 0 基本游隙组、标准精度等级的角接触滚子轴承 7005C，其尺寸为 mTDd124725，故取 7-8 段的直径 m2587，长度取得稍微比 T 长些，又因轴套要与轴承接触，取为 l187，轴的末端有端盖定位。3）轴上零件的轴向定位齿轮和蜗轮的轴向定位均采用平键联接。按 21d由手册查得单圆头平键截面mhb4（GB/T 1096-1990）,键长 14mm； 32和 76d由手册查得圆头普通平键分别是 mhb4和 mhb5（GB/T 1096-1990） ，键长都为 14mm。键槽用键槽铣刀加工，同时为了保证齿轮和轴配合的良好的对中性，故选择选择齿轮轮毂与轴的配合为 6/7nH，滚动轴承与轴轴向定位是借过渡配合来保证的。4）确定轴上圆角和倒角尺寸周端倒角为 0451，各轴间的圆角半径为 mR5.15）校核轴的强度 8应用力学平衡计算齿轮和蜗轮上受到的圆周力和径向力大齿轮： NFt6.8321， NFtr 02.3tan6.832an01 小齿轮： t9570， tr 79572蜗轮： t.3， tr 68.49ta0.a03由轴上受力情况可以应用材料力学软件计算出轴上的弯矩图，如下：图 7 轴上的载荷分析图 a图 8 轴的载荷分析图 b轴上受力可以分解成相互垂直的两个方向的分力，一个方向受到的弯矩图如图 7，另个方向的弯矩图如图 8。危险截面可能是在 A 点的轴承处也可能在和蜗轮配合的那段轴段，所以要计算两者受到的总弯矩的大小，计算如下：1）A 点轴承受到的总弯矩大小 mNMA 8.731268073592）蜗轮受到的总弯矩大小 542故危险截面在 A 点轴承处的轴段。A 轴段的转矩为mNdFDTtt 4832075146.83221，进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面 A）的强度。根据第三强度理论及上面的受力数值，并取 6.，计算轴上的应力 MPaWTMAca 9.30301.)482(78)(222 (2-43)轴的材料是 45 钢，调制处理，由表 15-1 查得 Pa61。因此 1ca，故安全。2.1.5 轴承校核查滚动轴承设计手册可知 7006C 轴承的 NC1520, 120;7005C 轴承的NC150， 7450。1.求两轴承受到的径向载荷 1rF和 2根据上面的受力图可以得到两轴承受到的径向载荷 NFr 6.043.29.10， Nr 8.1695.140222。2.求轴承当量动载荷 1P和 2由于轴向受力相当小，所以可以直接设径向载荷系数和轴向载荷系数都为 21X， 021Y。因轴承运转中无明显冲击载荷，按表 13-6， 2.10Pf，取 1.Pf。则NFXfPar 673.16.111 ， (2-44)Yr 48.9222， (2-45)3）计算寿命：分别带入公式得： hPCnLh 1207593)26.130(56)(016 ， (2-46)h 8)4.()(61， (2-47)故所选轴承可以满足寿命要求。2.1.6 步进电动机的计算和选用1）转动惯量计算 9：圆柱体转动惯量（kg.cm 2)计算公式如下：8MDJ， (2-48)对于钢材： 34107.L， (2-49)故轴的转动惯量为 23434 7.01.26.788. cmkgDJ 大齿轮的转动惯量为 23434 5.017.0L小齿轮的转动惯量为 23434 19.06.178.8. cmkgDJ 蜗轮的转动惯量为 23434 5.017.0L蜗杆的转动惯量为 cmkgDJ 1.08.78. 3434折算到电机轴上的转动惯量 22 5.5.19.05.0)641( ，(2-50)2）电机的力矩计算：(1)快速空载启动时所需力矩 qM 0maxqf ， (2-51)传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 23maxax 165.064.215.62 cmkgtnJ (2-52)折算到电机轴上的摩擦力矩 221 73.)29.74.0832(4 ckNTzMf (2-53)0M由于没有预紧力的作用，故取 0。则快速启动时所需力矩 20maxq 15.79.63cmkgMf ， (2-54)根据最大静转矩选择电机型号 130BF001,根据951.083.axjq，所以选择五相十拍。2.2 摆动机构方案设计2.2.1 整体方案设计摆动机构的设计其目的主要是为了满足对角焊缝焊接的要求，又由于在焊接工作中焊枪上几乎没有工作载荷，所以对设计的零件在一定情况下不用对其进行强度校核。对于角焊缝，焊接是焊枪的枪头要始终垂直于焊缝，这就要焊枪的枪头要可以摆动一定角度。2.2.2 送丝的结构设计参考上届同学所做，焊剂下料口与焊丝出口又一定距离，且不能转动，当要立焊或者焊缝是斜线的时候，由于焊丝在焊剂下料口后面并又一段距离，具有一定的滞后性，导致焊剂并不能铺在焊缝上，达不到焊接的条件，故改变设计方案，将焊剂下料口做称直杆状，并与送丝并行捆绑，使得焊剂下料口在焊丝出口前很短的距离，当立焊的时候，可以使焊剂铺在焊缝上面了3、微机数控系统硬件电路设计3.1 绘制系统电气控制的结构框图数控系统是由硬件和软件两部分组成 10。硬件是组成系统的基础。有了硬件,软件才能有效的运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指示。送丝焊机硬件电路有以下五部分组成(1)主控制器,即中央处理器单元 CPU。(2)总线。包括数据总线、地址总线和控制总线。(3)存储器。包括程序存储器和数据存储器。(4)接口。即 I/O 输入/输出接口电路。(5) 外围设备。如开关、显示器及光电输入机等。下位机的硬件结构原理框图如图 13：图 13 下位机硬件结构原理图3.2 中央处理单元 CPU 的选择本设计采用 PC 机为上位机，AT8051 11为核心的单片机系统作下位机，以 MAX232 作为两者间的通讯接口，目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51 系列的单片机作为主控制器。AT8051 是一款高性能 CMOS8 位单片机，片内 8kbytes 的可反复擦除的 PEROM 和 256bytes 的 RAM,功能强大的 AT8051单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。表 2.1 和图 14 分别介绍了芯片的特性和引脚。表 2.1 8051 芯片的特性I/O 口 功能配置芯片 ROM RAM 定时器计数器 并行 串行中断源8051 8KB 256B 216 位 48 位 1 58051 芯片引脚如图 14：图 14 8051 芯片引脚VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，在接有片外存储器或扩展I/O 接口时，P0 口分时复用，做低 8 位地址总线与双向 8 位数据总线。P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，除可作为双向的输入输出口外，还具有第 2 功能，见表 2.2表 2.2 8051 芯片引脚 P3 口功能说明引脚 第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD （串行输入口）TXD （串行输入口）INT0 （外部中断）INT1 （外部中断）T0 （定时器 0 外部输入）T1 （定时器 1 外部输入）WR （外部数据存储器写控制信号）RD （外部数据存储器读控制信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 信号将不出现。/VPP：当 保持低电平时,接低电平时，CPU 执行外部 ROM 中的程序；EA接高电平时，CPU 执行内部 4K ROM 中的程序，超过 4K 时，自动转去执行外部ROM 中的程序；烧写程序时，此引脚接收合适的烧写电压。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 I/O 口扩展 128255 芯片功能简介 8255 是 MCS51 单片机常用的并行口扩展芯片之一。8255 和 MCS51 单片机相连，可以为外设提供三个 8 位的并行 I/O 端口：A 口、B 口和 C 口，三个端口的功能完全由编程来决定。所以称做可编程并行 I/O 扩展接口。内部结构 图 158255 的引脚图和内部结构外部引脚功能：D0-D7：数据输入/输出管脚用于传送数据和控制字PA0-PA7：A 口的输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出PB0-PB7：B 口的输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出PC0-PC3：C 口的低 4 位输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出PC4-PC7：C 口的高 4 位输入/输出线，可由软件编程设置为输入或输出RD：读信号线，低电平有效W：写信号线，低电平有效CS：片选信号线，低电平有效，当 时，选中本片 82550CSA1、A0：端口地址选择信号，用于选择 4 个端口RESET：复位输入信号，高电平有效VCC：电源电压+5VGND：接地工作方式：8255 有 3 种工作方式：方式 0、方式 1、方式 2。其中 PA 口可以工作在 3 种工作方式之一，PB 口工作在方式 0、方式 1，PC 口只能工作在方式 0.1）方式 0：为基本输入/输出方式。这种方式下，PA 口、PB 口、PC 口的低4 位和高 4 位均可独立定义为输入或输出。定义为输出口均有锁存数据的能力，而定义为输出口无锁存能力。适合于无条件传送方式，CPU 直接执行输入/输出指令。2）方式 1：又称为选通输入/输出方式。在这种方式下，PA 口、PB 口可以当输入也可以当输出，C 口的莫些位用来作联络信号。3) 方式 2：又称为双向传输方式，仅仅使用于 PA 口，既能发送数据，液能接受数据。此时 PC 口又 5 根线用来提供双向传输所需的控制信号。3.4 存储器的扩展在 8051 单片机中，内部程序存储器的容量最大为 8K，内部数据存储器的容量最大为 256B，在此送丝焊机的控制系统中，不够用，必须扩展外部程序存储器和数据存储器，扩展的最大容量为 64K。针对本系统扩展一片AT28C256(32K8bit)的 EEPROM,和一片 HM62256（32K8bit） 。3.4.1 程序存储器的扩展AT28C256 管脚功能如下：A0-14：地址端：片选CE：输出允许O：写允许W：编程电压PVI/00-I/07：数据输入输出AT28C256 程序存储器与单片机的连接方式如下：低 8 位地址线 A0A7 与 P0.0P0.7（先经 74LS373 锁存）对应连。高 7 位地址线与 P2.0P2.6 对应相连。数据线 I/O0I/O7 与 P0.0P0.7 对应相连。（输出允许）与 （ 外部程序存储器的选通信号）相连。OE与单片机的 相连。WR片选 与 P2.7 相连。 C图 16 存储器的扩展电路3.4.2 数据存储器的扩展在本设计中选用的外部数据存储器为 HM62256，地址线和数据线的连接方法与 28C256 相同，具体接线方法如图 16 所示。控制线的连接如下：（数据存储器读信号）和 （单片机的片外数据读信号）相连。RDRD（数据存储器写信号）和 （单片机的片外数据写信号）相连。WEW（数据存储器片选信号）和 P2.7。CS送丝焊机数控系统地址分配如表 2.3 表 2.3 全地址译码器件 地址选择线 片内地址单元数（字节）地址译码HM62256 1* * * * 32K 8000HFFFFH28C256 1* * * * 32K 8000HFFFFH8255 0111 1111 1111 11* 4 7FFCH7FFFH3.5 上位机与单片机的通讯接口电路步进电机的控制需要三个参数：1 启动电机工作与停止电机工作信号；2 步进电机转向信号；3 电机脉冲数的控制。如果我们欲通过计算机对步进电机进行控制，就必须向步进电机输送三路信号，通过这三路信号分别实现上述三个参数的传送。而要实现这些工作就需要我们设置硬件电路作为连接计算机与步进电机的接口。从中我们不难看出计算机对外设的控制实际上是实现计算机与外部设备之间的通讯，这种通讯既需要开发硬件设备，即在计算机与外设之间架起一座桥，又需要由软件制定通讯协议加以管理。计算机提供了两种标准的接口与外设进行连接：并行接口与串行接口。并行接口受传输距离