CO2焊接自動(dòng)送絲機(jī)的設(shè)計(jì)【含CAD圖紙和說(shuō)明書(shū)】
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基于單片機(jī)8051的CO2焊接自動(dòng)送絲機(jī)設(shè)計(jì)
目錄
摘要 4
1緒論 6
1.1送絲焊機(jī)概述 6
1.2送絲焊技術(shù) 6
1.2.1 送絲焊原理及特點(diǎn) 6
1.2.2 送絲焊的主要優(yōu)點(diǎn) 7
1.3送絲自動(dòng)焊機(jī)分類(lèi)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 8
1.3.1送絲焊的分類(lèi) 8
1.3.2送絲焊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 8
1.3.焊接自動(dòng)送絲機(jī) 8
2.機(jī)械部分 9
2.1送絲進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9
2.1.1 齒條、支撐桿、平衡桿的設(shè)計(jì)及校核 9
2.1.2 送絲進(jìn)給齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
2.1.3蝸桿的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算 18
2.1.4送絲進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)及校核 20
2.1.5軸承校核 25
2.1.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選用 26
2.2 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 27
2.2.1整體方案設(shè)計(jì) 27
2.2.2 送絲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
3、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 30
3.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 30
3.2選擇中央處理單元CPU的類(lèi)型 30
3.2.1. 8051芯片引腳介紹 30
3.3 I/O口擴(kuò)展 32
3.4 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 33
3.4.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 33
3.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 34
3.5 上位機(jī)與單片機(jī)的通訊接口電路 35
3.6步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路 36
3.6.1 脈沖分配器 36
3.6.2光電隔離和功率放大電路 37
3.7開(kāi)關(guān)接口的設(shè)計(jì) 38
4 論文總結(jié) 40
致 謝 41
參考文獻(xiàn) 42
摘要
現(xiàn)在市場(chǎng)應(yīng)用最多的焊接自動(dòng)送絲機(jī)，但它只能焊接直線形焊縫，很多情況下我們要求能夠焊接曲線焊縫，并且有時(shí)要求可以焊接曲線角焊縫，這樣直線送絲焊機(jī)就沒(méi)辦法完成這樣的要求任務(wù)。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)焊接自動(dòng)送絲機(jī)的數(shù)控化改型，利用單片機(jī)同時(shí)控制X,Z方向的步進(jìn)電機(jī)，兩軸聯(lián)動(dòng)通過(guò)插補(bǔ)使得送絲焊機(jī)按預(yù)定的軌道行走，從而完成任意曲線的焊接，同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。
關(guān)鍵詞:送絲焊接；曲線焊縫；數(shù)控化
Now 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
1緒論
1.1送絲焊機(jī)概述[1]
焊接是指通過(guò)適當(dāng)?shù)奈锢砘瘜W(xué)過(guò)程使兩個(gè)分離的固態(tài)物體產(chǎn)生原子（分子）間結(jié)合力而連接成一體的連接方法。被連接的兩個(gè)物體（構(gòu)件、零件）可以是各種同類(lèi)或不同類(lèi)的金屬、非金屬（石墨、陶瓷、玻璃、塑料等），也可以是一種金屬和一種非金屬。金屬連接在現(xiàn)代工業(yè)中具有很重要的實(shí)際意義。
送絲焊接是當(dāng)今生產(chǎn)效率較高的機(jī)械化焊接的方法之一，全稱是送絲自動(dòng)焊，又稱焊劑層下自動(dòng)電弧焊。
1.2送絲焊技術(shù)
1.2.1 送絲焊原理及特點(diǎn)
送絲焊是電弧在焊劑保護(hù)層下進(jìn)行燃燒焊接的一種焊接方法。送絲焊時(shí)電弧是在一層顆粒狀的可熔化焊接劑覆蓋下燃燒，電弧光不外露，因而叫做送絲焊。電弧被焊劑覆蓋與空氣隔離,焊接時(shí)沒(méi)有弧光輻射，減輕對(duì)操作者身體的傷害。焊劑在燃燒時(shí)的冶金作用下焊縫得到有效的保護(hù)，使焊縫不產(chǎn)生氣孔，夾渣等缺陷，焊縫質(zhì)量較高。送絲焊的小車(chē)（焊車(chē)）都裝有自動(dòng)變速送絲機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)，焊接時(shí)自動(dòng)送絲及行走，焊縫成型美觀，生產(chǎn)效率高，因此，送絲焊在工業(yè)中被廣泛采用。
送絲焊焊接電弧在焊絲與工件之間燃燒。電弧熱將焊絲端部及電弧附近的母材和焊劑熔化。熔化的金屬形成熔池，熔融的焊劑成為熔渣。電弧向前移動(dòng)時(shí)，電弧力將熔池中的液體金屬推向熔池后方。在隨后的冷卻過(guò)程中，這部分液體金屬凝固成焊縫。熔渣則凝固成渣殼覆蓋于焊縫表面。熔渣除了對(duì)熔池和焊縫金屬起機(jī)械保護(hù)作用外，焊接過(guò)程中還與熔化金屬發(fā)生冶金反應(yīng)，從而影響焊縫金屬的化學(xué)成分。
送絲焊時(shí)，被焊工件與焊絲分別接在焊接電源的兩極。焊絲通過(guò)與導(dǎo)電嘴的滑動(dòng)接觸與電源聯(lián)接。焊接回路包括焊接電源、聯(lián)接電纜、導(dǎo)電嘴、焊絲、電弧、熔池、工作等環(huán)節(jié)。焊絲端部在電弧熱作用下不斷熔化，因而焊絲應(yīng)連續(xù)不斷地送進(jìn)，以保持焊接過(guò)程的穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)行。焊絲的送進(jìn)速度應(yīng)與焊絲的熔化速度向平衡。
1.2.2 送絲焊的主要優(yōu)點(diǎn)
1）所用的焊接電流大，相應(yīng)的電流密度也大。加上焊劑和熔渣的隔熱作用，熱效率較高，熔深大。工件的坡口可以較小，減少了金屬填充量。
2）焊接速度高。以厚度8～10mm 的鋼板對(duì)接焊為例，單絲送絲焊速度可達(dá)50～80cm/min，手工點(diǎn)弧焊則不達(dá)10～13cm/min。
3) 焊劑的存在不僅能隔開(kāi)熔化金屬與空氣的接觸，而且使熔池金屬較慢凝固。液體金屬與熔化的焊劑間有較多時(shí)間進(jìn)行冶金反應(yīng)，減少了焊縫中產(chǎn)生氣孔，裂紋等缺陷的可能性。焊劑還可以向焊縫金屬補(bǔ)充一些合金元素，提高焊縫金屬的力學(xué)性能，滿足石油工業(yè)特別是井下作業(yè)的需求。
4）在有風(fēng)的環(huán)境中焊接時(shí)，送絲焊的保護(hù)效果比其他電弧焊方法好。對(duì)環(huán)境的要求較低，適合野外作業(yè)。
5）自動(dòng)焊接時(shí)，焊接參數(shù)可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定。與手工電弧焊相比，焊接質(zhì)量對(duì)焊工技藝水平的依賴程度可大大降低。
6）沒(méi)有電弧光輻射，勞動(dòng)條件較好，可以較好的滿足QHSE要求。
7）焊縫質(zhì)量高。因?yàn)槿墼艚^空氣的保護(hù)效果好，電弧區(qū)主要成分是CO，焊縫金屬含氧量、含氮量大大降低；另外，焊接參數(shù)可以通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)保持穩(wěn)定，對(duì)焊工技術(shù)水平要求不高，焊縫成分穩(wěn)定，機(jī)械性能比較好。
8)勞動(dòng)條件好。除了減輕手工焊操作的勞動(dòng)強(qiáng)度外，它沒(méi)有弧光輻射，這是送絲焊的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。
送絲焊的眾多優(yōu)點(diǎn)決定了其在工業(yè)中的重要應(yīng)用。[1]
1.3送絲自動(dòng)焊機(jī)分類(lèi)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.3.1送絲焊的分類(lèi)
1)按用途分為通用和專(zhuān)用焊機(jī)。前者可以廣泛用于各種結(jié)構(gòu)的對(duì)接、角接、環(huán)縫和縱縫等焊接生產(chǎn)；后者則只能用來(lái)焊接某些特定的金屬結(jié)構(gòu)和焊縫。
2)按送絲方式分為等速送絲式和電弧電壓調(diào)節(jié)式焊機(jī)。前者適用于細(xì)焊絲或高電流密度的情況；后者適用于粗焊絲或低電流密度的情況。
3)按行走機(jī)構(gòu)形式分為小車(chē)式、門(mén)架式、懸臂式三種。通用送絲自動(dòng)焊機(jī)大都采用小車(chē)式行走機(jī)構(gòu)，就屬于這種結(jié)構(gòu)形式。
4)按焊絲數(shù)量分為單絲、雙絲和多絲焊機(jī)。目前國(guó)內(nèi)大多用的是單絲焊機(jī)，雙絲和多絲焊機(jī)是提高生產(chǎn)率和質(zhì)量的有效途徑，正日益收到重視。
1.3.2送絲焊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1)機(jī)械結(jié)構(gòu)。包括：送絲機(jī)頭、行走小車(chē)、機(jī)頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)電嘴、焊劑回收器等。
2)電源?？刹捎媒涣骰蛑绷麟娫催M(jìn)行焊接，可根據(jù)產(chǎn)品焊接要求及焊劑型號(hào)選擇電源。
3)控制系統(tǒng)。包括：電源外特性控制、送絲和小車(chē)拖動(dòng)控制及程序自動(dòng)控制（其中主要是引弧和熄弧自動(dòng)控制）。
1.3.焊接自動(dòng)送絲機(jī)
送絲自動(dòng)焊機(jī)為發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)弧壓反饋調(diào)節(jié)式，一些采用晶閘管控制的送絲焊機(jī)也開(kāi)始用于生產(chǎn)。
用途：可以焊接開(kāi)坡口或不開(kāi)坡口的對(duì)接焊縫、角接焊縫等，這種焊縫可以位于平面或與平面成15度的斜面上。
技術(shù)規(guī)格：電源電壓為380V，焊接電流為400-1200A，送絲速度為0.5-2m/min，焊絲直徑為3-6mm，焊接速度為15-70m/h。
電路組成：由焊接電源、焊接小車(chē)拖動(dòng)電路、送絲拖動(dòng)電路組成。
2.機(jī)械部分
2.1送絲進(jìn)給系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2.1.1 齒條、支撐桿、平衡桿的設(shè)計(jì)及校核
焊接機(jī)頭重G1=150N，當(dāng)加入焊劑的時(shí)候，焊劑中大部分是二氧化硅，密度為2.6g/cm，還有一些其它物質(zhì)和空隙，可以設(shè)倒入漏斗中的焊劑的密度為2g/cm，制作7.5升的漏斗，那么焊劑G2=150N，機(jī)頭總重G=300N，且距齒條桿末端距離為200mm，設(shè)齒條與平衡桿的移動(dòng)速度比為2，而設(shè)計(jì)要求焊接范圍在0-1500mm，由傳動(dòng)比可以計(jì)算平衡桿的移動(dòng)范圍為750mm。我們將支撐齒條和平衡桿的支座兩壁的距離設(shè)為200mm，所以送絲進(jìn)給桿齒條的長(zhǎng)度就為1700mm，平衡杠的齒條的長(zhǎng)度為950mm。送絲進(jìn)給吃條的兩端各留上150mm的光杠空間，以便安裝焊接機(jī)頭，這樣一來(lái)送絲進(jìn)給齒條的總長(zhǎng)度就可以設(shè)成2000mm，支撐杠長(zhǎng)度和送絲進(jìn)給齒條的長(zhǎng)度相同，其目的就是為了增加強(qiáng)度，防止送絲進(jìn)給齒條的強(qiáng)度不足，減少系統(tǒng)的撓度，所以支撐杠的長(zhǎng)度也為2000mm；同樣也在平衡杠兩端留上150mm的光杠長(zhǎng)度以便裝配重，設(shè)兩配重的質(zhì)心距平衡杠端點(diǎn)各為100mm,故可以將平衡杠的長(zhǎng)度看成1500mm。
送絲進(jìn)給齒條、支撐光杠、平衡杠的材料都選用40Cr[2]，其密度為7.8g/cm3,設(shè)送絲進(jìn)給齒條、支撐光杠、平衡杠是同樣的截面形狀，外徑30mm，內(nèi)徑為15mm，三個(gè)桿在重力的作用下，可以看成其上受到一個(gè)均勻分布的力，這個(gè)均布載荷q的大小為[3]
(2-1) ， (2-2)
圖1送絲進(jìn)給機(jī)構(gòu)受力示意圖
如圖1：當(dāng)齒條，平衡杠處于中間時(shí)，可以設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)心處于中間，則有平衡公式
， (2-3)
當(dāng)系統(tǒng)移動(dòng)時(shí)，也就是齒條帶動(dòng)機(jī)頭焊槍左右移動(dòng)mm的時(shí)候，根據(jù)傳動(dòng)比為2，則平衡齒條相反方向移動(dòng)mm，根據(jù)李學(xué)平衡公式，求質(zhì)心的位置，設(shè)質(zhì)心移動(dòng)了
則有：
， (2-4)
的最大移動(dòng)距離就是平衡齒條可以移動(dòng)的范圍，即
設(shè)配重的分配為
帶入上式
在設(shè)計(jì)小車(chē)兩端輪距距離為500mm，質(zhì)心始終在兩輪之間，所以不會(huì)發(fā)生傾倒的現(xiàn)象。
校核強(qiáng)度
校核送絲進(jìn)給齒條的強(qiáng)度，根據(jù)現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)可以知道當(dāng)焊接機(jī)頭移動(dòng)到最遠(yuǎn)處時(shí)，是送絲進(jìn)給齒條最危險(xiǎn)的時(shí)候，故只要校核此時(shí)送絲進(jìn)給齒條的強(qiáng)度就可以了。對(duì)此時(shí)的強(qiáng)度校核如下
圖2齒條受力簡(jiǎn)圖
將均布載荷集中到送絲進(jìn)給齒條的質(zhì)心位置，力的大小為，，， (2-5)
根據(jù)力平衡得：
B點(diǎn)的受力最大，剪切強(qiáng)度和接觸應(yīng)力校核就要校核[4]此點(diǎn)。
剪切應(yīng)力
， (2-6)
故剪切強(qiáng)度足夠。
由于支座的材料是鋁，要低于鋼的強(qiáng)度，故要校核計(jì)算支座接觸表面的擠壓應(yīng)力 ，支座壁厚設(shè)計(jì)為10mm，故擠壓截面面積
， (2-7)
擠壓截面應(yīng)力
， (2-8)
鋁的擠壓應(yīng)力取
故擠壓強(qiáng)度足夠。
計(jì)算抗彎強(qiáng)度
圖3齒條載荷分析圖
應(yīng)用材料力學(xué)計(jì)算軟件，可以將送絲進(jìn)給齒條上的受力簡(jiǎn)化為圖3，W1為均布載荷，P1為機(jī)頭重量的一半，根據(jù)齒條上的受力可以得到齒條各截面上的剪力[5]和彎矩圖，如圖3可以知道受到最大彎矩的位置是B點(diǎn)，彎矩大小為
送絲進(jìn)給齒條的抗彎截面模量， (2-9)
，為齒條外徑，為齒條內(nèi)徑。
那么齒條的彎曲應(yīng)力為， (2-10)
其彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于許應(yīng)彎曲應(yīng)力，所以齒條的強(qiáng)度足夠。
計(jì)算送絲進(jìn)給齒條的撓度
由于均布載荷的大小相對(duì)較小可以不計(jì)算，只要計(jì)算焊接機(jī)頭移動(dòng)到最遠(yuǎn)處時(shí)的撓度就可以了。彈性模量E=380GPa,送絲進(jìn)給齒條的截面慣矩
， (2-11)
根據(jù)送絲進(jìn)給齒條的受力情況，由撓度公式得，
其中a焊接機(jī)頭到支座壁的距離，l為支座兩壁的距離。
撓度在我們?cè)O(shè)計(jì)的許可范圍內(nèi)，所以送絲進(jìn)給齒條的撓度足夠。
同理，平衡齒條上的受力也和送絲進(jìn)給齒條上的情況一樣，就是在焊接機(jī)頭移動(dòng)到最遠(yuǎn)處，即配重m1移動(dòng)到最遠(yuǎn)處時(shí)是平衡齒條最危險(xiǎn)的時(shí)候，要校核此時(shí)的強(qiáng)度。
圖4平衡齒條受力簡(jiǎn)圖
圖4為為危險(xiǎn)時(shí)的受力簡(jiǎn)圖，將均布載荷集中到平衡齒條的質(zhì)心位置，力的大小為，，。
根據(jù)力平衡得：， (2-12)
B點(diǎn)的受力最大，剪切強(qiáng)度和接觸應(yīng)力校核就要校核此點(diǎn)。
剪切應(yīng)力
， (2-13)
故剪切強(qiáng)度足夠。
支座接觸表面的擠壓應(yīng)力
， (2-14)
， (2-15)
所以制作強(qiáng)度足夠。
計(jì)算抗彎強(qiáng)度
圖5平衡齒條的載荷分析圖
同樣應(yīng)用材料力學(xué)計(jì)算軟件，可以將平衡齒條上的受力簡(jiǎn)化為圖5，W1為均布載荷，P1為m1的重量P2為m2的重量，根據(jù)齒條上的受力可以得到齒條各截面上的剪力和彎矩圖，如圖5可以知道受到最大彎矩的位置是A點(diǎn)[6]，彎矩大小為。
平衡齒條的抗彎截面模量， (2-16)
，為齒條外徑，為齒條內(nèi)徑。
那么齒條的彎曲應(yīng)力為， (2-17)
其彎曲應(yīng)力小于許應(yīng)彎曲應(yīng)力，所以齒條的強(qiáng)度足夠。
2.1.2 送絲進(jìn)給齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料和齒數(shù)
1）選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2）速度最高在600mm/min，故速度不高，選用7級(jí)精度（GB10095-88）。
3）材料選擇。兩個(gè)齒輪都選用40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS。
4）小齒輪的齒數(shù)為z1=32，大齒輪的齒數(shù)為z2=uz1=2*32=64,其模數(shù)取m=1.25mm，齒厚取16mm。
校核兩個(gè)齒輪的強(qiáng)度
齒條和支座壁之間的摩擦系數(shù)為0.2，齒輪驅(qū)動(dòng)齒條所需要的力
大齒輪：
小齒輪：
大齒輪的校核：
大齒輪齒根彎曲強(qiáng)度校核
齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件為， (2-18)
計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，7級(jí)精度，由圖10-8（以下查表或圖都在璞良貴的第七版機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)中）查得動(dòng)載荷系數(shù)
直齒輪，假設(shè)。有表10-3查得
由表10-2查得使用系數(shù)
由表10-4查得7級(jí)精度，大齒輪相對(duì)支座非對(duì)稱布置時(shí)，
， (2-19)
齒寬系數(shù)， (2-20)
將數(shù)據(jù)帶入上式得
， (2-21)
故載荷系數(shù)
， (2-22)
齒上受力N；
齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)，查表10-5得
，；
帶入齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件公式
， (2-23)
其彎曲強(qiáng)度取500MPa，所以齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度足夠。
大齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為， (2-24)
為區(qū)域系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)，）；
彈性影響系數(shù)；
載荷系數(shù)根據(jù)上面得， (2-25)
由于是齒輪齒條傳動(dòng)所以取1；
齒輪受到的軸向力；
齒寬為；
齒輪的分度圓直徑；
將參數(shù)帶入齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式得
， (2-26)
所以大齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度足夠。
小齒輪的校核[7]：
小齒輪齒根彎曲強(qiáng)度校核
齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件為， (2-27)
計(jì)算載荷系數(shù)：
根據(jù)，7級(jí)精度，由圖10-8查得動(dòng)載荷系數(shù)；
直齒輪，假設(shè)。有表10-3查得；
由表10-2查得使用系數(shù)；
由表10-4查得7級(jí)精度，大齒輪相對(duì)支座非對(duì)稱布置時(shí)，
， (2-28)
齒寬系數(shù)， (2-29)
將數(shù)據(jù)帶入上式得
，(2-30)
故載荷系數(shù)
， (2-31)
齒上受力；
齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù)，查表10-5得
，；
帶入齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件公式
， (2-32)
其彎曲強(qiáng)度取500MPa，所以齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度足夠。
小齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件為
為區(qū)域系數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)直齒輪時(shí)，）；
彈性影響系數(shù)；
載荷系數(shù)根據(jù)上面得， (2-33)
由于是齒輪齒條傳動(dòng)所以取1；
齒輪受到的軸向力；
齒寬為；
齒輪的分度圓直徑；
將參數(shù)帶入齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式得
， (2-34)
所以小齒輪的齒面接觸疲勞強(qiáng)度足夠。
2.1.3蝸桿的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算
1.選擇蝸桿傳動(dòng)類(lèi)型
根據(jù)GB/T 10085--1988的推薦，采取漸開(kāi)線蝸桿（ZI）。
2.選擇材料
根據(jù)材料的情況，并考慮到蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率不大，速度不高，故蝸桿用45鋼；因希望功率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45至55HBC。渦輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。
3.選擇蝸桿頭數(shù)為Z1=1，模數(shù)]為1.25mm，直徑系數(shù)查表11-2可知，，蝸桿齒寬；則蝸桿得分度圓直徑為根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)加工的要求和設(shè)計(jì)的條件暫時(shí)選擇蝸桿齒數(shù)為64，則渦輪得分度圓直徑為，齒厚為。
4.蝸桿傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算
蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度
蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為， (2-35)
計(jì)算載荷系數(shù)：
載荷系數(shù)公式為， (2-36)
使用系數(shù)，查表11-5可以知道載荷均勻，無(wú)沖擊，每小時(shí)運(yùn)動(dòng)次數(shù)少于25次，啟動(dòng)載荷小，故選擇；
為齒向載荷分布系數(shù)，當(dāng)蝸桿傳動(dòng)在平穩(wěn)載荷下工作時(shí)，載荷分布不均的現(xiàn)象將由于工作表面良好的磨合而得到改善，此時(shí)可?。?
為動(dòng)載荷系數(shù)，由于蝸桿傳動(dòng)一般較平穩(wěn)，動(dòng)載荷要比齒輪傳動(dòng)的小得多，故對(duì)于精確制造，且蝸輪圓周速度時(shí)，可取動(dòng)載荷系數(shù)，
所以，； (2-37)
為材料的彈性影響系數(shù)，單位為，對(duì)于青銅或鑄鐵蝸輪與鋼蝸桿配對(duì)時(shí)，取，
蝸桿傳動(dòng)的接觸線長(zhǎng)度和曲率半徑對(duì)接觸強(qiáng)度的影響系數(shù)，即接觸系數(shù)，從圖11-4中查得，
由于蝸輪的分度圓直徑為80mm，蝸桿的分度圓直徑為22.4mm，則a=51.2mm；
蝸桿傳動(dòng)的功率為
將參數(shù)帶入蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算公式為：
(2-38)
可以從表11-6中查到，故蝸輪的齒面接觸強(qiáng)度足夠。
蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算：
蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度的驗(yàn)算公式為， (2-39)
蝸輪的載荷系數(shù)為， (2-40)
蝸桿傳動(dòng)的功率為
蝸輪齒形系數(shù)可由蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)及蝸輪的變形系數(shù)從圖11-19中查得，在，變形系數(shù)為-0.5，蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)，則
螺旋角影響系數(shù)， (2-41)
蝸桿直徑，蝸輪直徑，模數(shù)為1.25mm,將上述參數(shù)帶入蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度的驗(yàn)算公式得
(2-42)
查表11-8得蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力，由于，所以蝸輪的齒根彎曲強(qiáng)度足夠。
2.1.4送絲進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)及校核
圖6軸的結(jié)構(gòu)
1.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）擬訂軸上零件的裝配方案
根據(jù)上面圖示，1-2處是和齒輪連接，2-3處也是和齒輪相連，4-5處、7-8處是兩個(gè)軸承，6-7處和蝸輪連接。
2）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（1）根據(jù)送絲進(jìn)給齒輪所要傳遞的力矩大小，初步確定，為了滿足大齒輪的軸向定位，1-2軸段右端需制出一軸肩，故取2-3軸段的直徑，大齒輪的齒寬為16mm，所以1-2段的長(zhǎng)度定為。
（2）由于2-3段仍然要安裝一個(gè)小齒輪，為了滿足小齒輪的軸向定位要求，2-3軸段右側(cè)也需制出一軸肩，故取3-4段的直徑，送絲進(jìn)給齒條的軸心和平衡齒條的軸心距離定為80mm，小齒輪的齒厚和大齒輪的齒厚都是16mm，所以2-3段長(zhǎng)度可取。
（3）3-4段軸起作用是過(guò)渡段，齒輪的位置要距傳動(dòng)蝸輪一段距離，其直徑，長(zhǎng)度以設(shè)計(jì)情況定為47mm。
（4）初步選擇滾動(dòng)軸承，因軸承受到徑向力和軸向力的作用，又因軸向受力不大，故選擇角接觸球軸承，參照工作要求并根據(jù)，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度級(jí)的角接觸球軸承7006C，其尺寸為，故取4-5段的直徑，長(zhǎng)度取得稍微比T長(zhǎng)些，取為，為了使軸承可以定位，所以要在右段設(shè)計(jì)一軸肩，此軸肩與軸承的內(nèi)圈結(jié)合，直徑要求在36mm，所以。
（5）6-7段安裝的是一蝸輪，其左端靠5-6段的軸肩定位，跟蝸輪配合的軸和軸肩之間的高度要滿足h>0.07d，取h為3mm，周環(huán)的直徑為36mm，所以6-7段的軸直徑可去，軸環(huán)寬度，且蝸輪距箱體內(nèi)壁還要留有一定的間距，所以根據(jù)情況將軸環(huán)的長(zhǎng)度。
（6）蝸輪厚度為16mm，蝸輪的右段和軸承的左端采用套筒定位，套筒的內(nèi)徑與和蝸輪配合的軸相配合，軸套要伸出與蝸輪配合那段軸，所以。
（7）選擇右段軸承，因軸承也是同時(shí)受到油徑向力和軸向力的作用，但受力又不是很大，故選擇角接觸球軸承。參照工作要求并根據(jù)，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度等級(jí)的角接觸滾子軸承7005C，其尺寸為，故取7-8段的直徑，長(zhǎng)度取得稍微比T長(zhǎng)些，又因軸套要與軸承接觸，取為，軸的末端有端蓋定位。
3）軸上零件的軸向定位
齒輪和蝸輪的軸向定位均采用平鍵聯(lián)接。按由手冊(cè)查得單圓頭平鍵截面（GB/T 1096-1990）,鍵長(zhǎng)14mm；和由手冊(cè)查得圓頭普通平鍵分別是和（GB/T 1096-1990），鍵長(zhǎng)都為14mm。鍵槽用鍵槽銑刀加工，同時(shí)為了保證齒輪和軸配合的良好的對(duì)中性，故選擇選擇齒輪輪轂與軸的配合為，滾動(dòng)軸承與軸軸向定位是借過(guò)渡配合來(lái)保證的。
4）確定軸上圓角和倒角尺寸
周端倒角為，各軸間的圓角半徑為
5）校核軸的強(qiáng)度[8]
應(yīng)用力學(xué)平衡計(jì)算齒輪和蝸輪上受到的圓周力和徑向力
大齒輪：，
小齒輪：，
蝸輪：，
由軸上受力情況可以應(yīng)用材料力學(xué)軟件計(jì)算出軸上的彎矩圖，如下：
圖7軸上的載荷分析圖a
圖8軸的載荷分析圖b
軸上受力可以分解成相互垂直的兩個(gè)方向的分力，一個(gè)方向受到的彎矩圖如圖7，另個(gè)方向的彎矩圖如圖8。危險(xiǎn)截面可能是在A點(diǎn)的軸承處也可能在和蝸輪配合的那段軸段，所以要計(jì)算兩者受到的總彎矩的大小，計(jì)算如下：
1）A點(diǎn)軸承受到的總彎矩大小
2）蝸輪受到的總彎矩大小
故危險(xiǎn)截面在A點(diǎn)軸承處的軸段。
A軸段的轉(zhuǎn)矩為，
進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險(xiǎn)截面A）的強(qiáng)度。根據(jù)第三強(qiáng)度理論及上面的受力數(shù)值，并取，計(jì)算軸上的應(yīng)力
(2-43)
軸的材料是45鋼，調(diào)制處理，由表15-1查得。因此，故安全。
2.1.5軸承校核
查滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)手冊(cè)可知7006C軸承的,;7005C軸承的，。
1.求兩軸承受到的徑向載荷和
根據(jù)上面的受力圖可以得到兩軸承受到的徑向載荷
，。
2.求軸承當(dāng)量動(dòng)載荷和
由于軸向受力相當(dāng)小，所以可以直接設(shè)徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)都為，。
因軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中無(wú)明顯沖擊載荷，按表13-6，，取。則
， (2-44)
， (2-45)
3）計(jì)算壽命：
分別帶入公式得：
， (2-46)
， (2-47)
故所選軸承可以滿足壽命要求。
2.1.6 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選用
1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算[9]：
圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2)計(jì)算公式如下：
， (2-48)
對(duì)于鋼材：， (2-49)
故軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為
折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
，(2-50)
2）電機(jī)的力矩計(jì)算：
(1)快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
， (2-51)
傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
(2-52)
折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩
(2-53)
由于沒(méi)有預(yù)緊力的作用，故取0。
則快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩
， (2-54)
根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇電機(jī)型號(hào)130BF001,根據(jù)，所以選擇五相十拍。
2.2 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.2.1整體方案設(shè)計(jì)
擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)其目的主要是為了滿足對(duì)角焊縫焊接的要求，又由于在焊接工作中焊槍上幾乎沒(méi)有工作載荷，所以對(duì)設(shè)計(jì)的零件在一定情況下不用對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。
對(duì)于角焊縫，焊接是焊槍的槍頭要始終垂直于焊縫，這就要焊槍的槍頭要可以擺動(dòng)一定角度。
2.2.2 送絲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
參考上屆同學(xué)所做，焊劑下料口與焊絲出口又一定距離，且不能轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)要立焊或者焊縫是斜線的時(shí)候，由于焊絲在焊劑下料口后面并又一段距離，具有一定的滯后性，導(dǎo)致焊劑并不能鋪在焊縫上，達(dá)不到焊接的條件，故改變?cè)O(shè)計(jì)方案，將焊劑下料口做稱直桿狀，并與送絲并行捆綁，使得焊劑下料口在焊絲出口前很短的距離，當(dāng)立焊的時(shí)候，可以使焊劑鋪在焊縫上面了
3、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
3.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖
數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成[10]。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)。有了硬件,軟件才能有效的運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指示。
送絲焊機(jī)硬件電路有以下五部分組成
(1) 主控制器,即中央處理器單元CPU。
(2) 總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。
(3) 存儲(chǔ)器。包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
(4) 接口。即I/O輸入/輸出接口電路。
(5) 外圍設(shè)備。如開(kāi)關(guān)、顯示器及光電輸入機(jī)等。
下位機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)原理框圖如圖13：
圖13下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)原理圖
3.2中央處理單元CPU的選擇
本設(shè)計(jì)采用 PC 機(jī)為上位機(jī)，AT8051[11]為核心的單片機(jī)系統(tǒng)作下位機(jī)，以MAX232作為兩者間的通訊接口，目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS-51系列的單片機(jī)作為主控制器。AT8051是一款高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)8kbytes的可反復(fù)擦除的PEROM和256bytes的RAM,功能強(qiáng)大的AT8051單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。表2.1和圖14分別介紹了芯片的特性和引腳。
表2.1 8051芯片的特性
功能配置
芯片
ROM
RAM
定時(shí)器
計(jì)數(shù)器
I/O口
中斷源
并行
串行
8051
8KB
256B
2×16位
4×8位
1
5
8051芯片引腳如圖14：
圖14 8051芯片引腳
VCC：供電電壓。?
GND：接地。????
P0口：P0口為一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，在接有片外存儲(chǔ)器或擴(kuò)展I/O接口時(shí)，P0口分時(shí)復(fù)用，做低8位地址總線與雙向8位數(shù)據(jù)總線。
P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。
P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。
P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，除可作為雙向的輸入輸出口外，還具有第2功能，見(jiàn)表2.2
表2.2 8051芯片引腳P3口功能說(shuō)明
引腳
第二功能
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD （串行輸入口）
TXD （串行輸入口）
INT0 （外部中斷）
INT1 （外部中斷）
T0 （定時(shí)器0外部輸入）
T1 （定時(shí)器1外部輸入）
WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)控制信號(hào)）
RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀控制信號(hào)）
RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。
ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。
?：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。
/VPP：當(dāng)保持低電平時(shí),接低電平時(shí)，CPU執(zhí)行外部ROM中的程序；接高電平時(shí)，CPU執(zhí)行內(nèi)部4K ROM中的程序，超過(guò)4K時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)去執(zhí)行外部ROM中的程序；燒寫(xiě)程序時(shí)，此引腳接收合適的燒寫(xiě)電壓。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。
XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。
3.3 I/O口擴(kuò)展[12]
8255芯片功能簡(jiǎn)介8255是MCS－51單片機(jī)常用的并行口擴(kuò)展芯片之一。8255和MCS－51單片機(jī)相連，可以為外設(shè)提供三個(gè)8位的并行I/O端口：A口、B口和C口，三個(gè)端口的功能完全由編程來(lái)決定。所以稱做可編程并行I/O擴(kuò)展接口。內(nèi)部結(jié)構(gòu)
圖15 8255的引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
外部引腳功能：
D0-D7：數(shù)據(jù)輸入/輸出管腳用于傳送數(shù)據(jù)和控制字
PA0-PA7：A口的輸入/輸出線，可由軟件編程設(shè)置為輸入或輸出
PB0-PB7：B口的輸入/輸出線，可由軟件編程設(shè)置為輸入或輸出
PC0-PC3：C口的低4位輸入/輸出線，可由軟件編程設(shè)置為輸入或輸出
PC4-PC7：C口的高4位輸入/輸出線，可由軟件編程設(shè)置為輸入或輸出
：讀信號(hào)線，低電平有效
：寫(xiě)信號(hào)線，低電平有效
：片選信號(hào)線，低電平有效，當(dāng)時(shí)，選中本片8255
A1、A0：端口地址選擇信號(hào)，用于選擇4個(gè)端口
RESET：復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效
VCC：電源電壓+5V
GND：接地
工作方式：
8255有3種工作方式：方式0、方式1、方式2。其中PA口可以工作在3種工作方式之一，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：為基本輸入/輸出方式。這種方式下，PA口、PB口、PC口的低4位和高4位均可獨(dú)立定義為輸入或輸出。定義為輸出口均有鎖存數(shù)據(jù)的能力，而定義為輸出口無(wú)鎖存能力。適合于無(wú)條件傳送方式，CPU直接執(zhí)行輸入/輸出指令。
2）方式1：又稱為選通輸入/輸出方式。在這種方式下，PA口、PB口可以當(dāng)輸入也可以當(dāng)輸出，C口的莫些位用來(lái)作聯(lián)絡(luò)信號(hào)。
3) 方式2：又稱為雙向傳輸方式，僅僅使用于PA口，既能發(fā)送數(shù)據(jù)，液能接受數(shù)據(jù)。此時(shí)PC口又5根線用來(lái)提供雙向傳輸所需的控制信號(hào)。
3.4 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
在8051單片機(jī)中，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的容量最大為8K，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量最大為256B，在此送絲焊機(jī)的控制系統(tǒng)中，不夠用，必須擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，擴(kuò)展的最大容量為64K。針對(duì)本系統(tǒng)擴(kuò)展一片AT28C256(32K×8bit)的EEPROM,和一片HM62256（32K×8bit）。
3.4.1 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
AT28C256管腳功能如下：
A0-14：地址端
：片選
：輸出允許
：寫(xiě)允許
：編程電壓
I/00-I/07：數(shù)據(jù)輸入輸出
AT28C256程序存儲(chǔ)器與單片機(jī)的連接方式如下：
低8位地址線A0～A7與P0.0～P0.7（先經(jīng)74LS373鎖存）對(duì)應(yīng)連。
高7位地址線與P2.0～P2.6對(duì)應(yīng)相連。
數(shù)據(jù)線I/O0～I(xiàn)/O7與P0.0～P0.7對(duì)應(yīng)相連。
（輸出允許）與（外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)）相連。
與單片機(jī)的相連。
片選與P2.7相連。
圖16 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路
3.4.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
在本設(shè)計(jì)中選用的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為HM62256，地址線和數(shù)據(jù)線的連接方法與28C256相同，具體接線方法如圖16所示?？刂凭€的連接如下：
（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào)）和（單片機(jī)的片外數(shù)據(jù)讀信號(hào)）相連。
（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)信號(hào)）和（單片機(jī)的片外數(shù)據(jù)寫(xiě)信號(hào)）相連。
（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片選信號(hào)）和P2.7。
送絲焊機(jī)數(shù)控系統(tǒng)地址分配如表2.3
表2.3全地址譯碼
器件
地址選擇線
片內(nèi)地址單元數(shù)
（字節(jié)）
地址譯碼
HM62256
1*** **** **** ****
32K
8000H～FFFFH
28C256
1*** **** **** ****
32K
8000H～FFFFH
8255
0111 1111 1111 11**
4
7FFCH～7FFFH
3.5 上位機(jī)與單片機(jī)的通訊接口電路
步進(jìn)電機(jī)的控制需要三個(gè)參數(shù)：1啟動(dòng)電機(jī)工作與停止電機(jī)工作信號(hào)；2步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)；3電機(jī)脈沖數(shù)的控制。如果我們欲通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，就必須向步進(jìn)電機(jī)輸送三路信號(hào)，通過(guò)這三路信號(hào)分別實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)參數(shù)的傳送。而要實(shí)現(xiàn)這些工作就需要我們?cè)O(shè)置硬件電路作為連接計(jì)算機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口。從中我們不難看出計(jì)算機(jī)對(duì)外設(shè)的控制實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的通訊，這種通訊既需要開(kāi)發(fā)硬件設(shè)備，即在計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間架起一座橋，又需要由軟件制定通訊協(xié)議加以管理。
計(jì)算機(jī)提供了兩種標(biāo)準(zhǔn)的接口與外設(shè)進(jìn)行連接：并行接口與串行接口。并行接口受傳輸距離的限制，距離過(guò)長(zhǎng)，干擾太大，易出錯(cuò)。由于送絲焊機(jī)的控制信息的傳輸對(duì)速度要求不高，因此選擇串行通訊。本設(shè)計(jì)采用MAX232和一個(gè)九針的串口將上位機(jī)與單片機(jī)建立起通訊。
MAX232芯片包含兩路驅(qū)動(dòng)器和接受器，芯片內(nèi)部有一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS-232接口所需的±10V電壓，尤其適用于沒(méi)有12V的電電源系統(tǒng)。
具體連接方法如圖16所示。
1）C7,C8,C9,C10；外接電容。
2）R1IN,R2IN:2路RS232C電平輸入。
3）R1OUT,R2OUT：2路轉(zhuǎn)換后的TTL電平輸出，送RXD接受端。
4）T1IN,T2IN:2路TTL電平輸入，接TXD發(fā)送端。
5）T1OUT,T2OUT:2路轉(zhuǎn)換后的RS-232輸出，接傳輸線。
6）V+:接去藕電容C11，電容接電源+5V。
7）V-:接地。
圖 17上位機(jī)與單片機(jī)的通訊接口電路
3.6步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動(dòng)電路[13]
由于焊接對(duì)軌跡精度的要求不是高，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。送絲焊機(jī)焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡由三個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制——X,Z方向的電機(jī)和用于焊接角縫的角度調(diào)整的Y電機(jī)。X,Z向電機(jī)分別選擇75BF003，通電方式選擇均為三相六拍的通電方式A-AB-B-BC-C-CA和130BF001，通電方式選擇五相十拍的通電方式A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A。由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各相脈沖的通電順序。為避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾，在分配器與功率放大電路間采用光電隔離電路。步進(jìn)電機(jī)控制的控制框圖如圖17
控制指令
脈沖 分配器
步進(jìn)電機(jī)
光電隔離電路
功率放大電路
圖17步進(jìn)電機(jī)控制的控制框圖
3.6.1 脈沖分配器
控制脈沖通過(guò)脈沖分配器控制步進(jìn)電機(jī)都電機(jī)繞組按一定的順序接通，斷電。使電機(jī)繞組按輸入脈沖的控制而循環(huán)變化。分環(huán)器有軟件環(huán)分器和硬件環(huán)分器。
軟件環(huán)分器的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡(jiǎn)單，但占用軟件的運(yùn)行時(shí)間。故只適合用于速度要求不高的簡(jiǎn)單數(shù)控系統(tǒng)。因此本設(shè)計(jì)采用硬件環(huán)分器，選用YB013進(jìn)行脈沖分配，它執(zhí)行速度快，可靠性高。
YB013的連接如圖18 所示。
圖18脈沖分配電路
管腳連線說(shuō)明：
A0=1,A1=1,勵(lì)磁方式控制選擇三相六怕的通電方式。即A-AB-B-BC-C-CA。
選通輸出控制分別接單片機(jī)的P1.3和P1.4控制是否輸出脈沖。決定是X 電機(jī)還是Z電機(jī)輸出脈沖。
，始終接地，輸入脈沖許可。
復(fù)位端接P1.3,以防亂相。
時(shí)鐘輸入端接P1.0,決定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。
正反轉(zhuǎn)控制端接P1.1，決定步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
3.6.2光電隔離和功率放大電路
在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安培到幾十安培），如果將Ｉ／Ｏ口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)接口電路損壞。必須加光電隔離電路。由于脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足電機(jī)的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
光電隔離電路與功率放大電路如圖19
圖19光電隔離電路與功率放大電路
光電隔離與功率放大的工作原理如下：
在控制脈沖加到光電耦合器OT的輸入端期間，晶體管VT1導(dǎo)通，并使VT2和VT3導(dǎo)通．在VT2導(dǎo)通瞬間，脈沖變壓器T1導(dǎo)通，線圈中感應(yīng)出一個(gè)正脈沖，使大功率管VT4導(dǎo)通．同時(shí)由于VT3導(dǎo)通，大功率晶體管VT5也導(dǎo)通。于是繞組Ｗ中有電流流過(guò)，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，由于Ｗ是感性負(fù)載，其電流在導(dǎo)通后逐漸增加，但其增加到一定值時(shí)，在檢測(cè)電阻R10上產(chǎn)生的壓降將超過(guò)分壓電阻R7和R8所設(shè)定的電壓值，使得比較器OP翻轉(zhuǎn)，輸出低電平使得VT2截止。在VT2截止瞬間，又通過(guò)T1將一個(gè)負(fù)脈沖交連到二次線圈，使得VT4截止。于是電源通路被切斷。W中儲(chǔ)存的能量通過(guò)VT5,R10及二極管VD7釋放，電流逐漸減小。但電流減小到一定值后，R10上的電壓又低于R8上的電壓，使得OP輸出高電平，VT2,VT4及W重新導(dǎo)通。在控制脈沖持續(xù)期間，上述過(guò)程不斷重復(fù)。當(dāng)控制脈沖撤銷(xiāo)后，VT1～VT5等相繼截止，W中的能量則通過(guò)VD6，電源，地和VD7釋放。
3.7開(kāi)關(guān)接口的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)對(duì)于鍵盤(pán)采取了兩種訪問(wèn)方式，一種是查詢方式,一種是中斷的方式。在本設(shè)計(jì)中：對(duì)于行程控制及手動(dòng)方式按鍵等，使用頻率不高，相對(duì)不是特別重要的按鍵采取的訪問(wèn)方式是中斷，提高控制微機(jī)的工作效率。而對(duì)于啟動(dòng)，暫停，回零解除超程等直接關(guān)系機(jī)床運(yùn)行狀況的按鍵采取查詢的方式，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做到適時(shí)監(jiān)控。將處理意外緊急事件的急停按鈕直接設(shè)置在電動(dòng)機(jī)的總電源開(kāi)關(guān)上。而不與單片機(jī)又直接聯(lián)系。以防止程序的運(yùn)行受干擾而“跑飛”從而導(dǎo)致急停失效，發(fā)生重大事故。具體的連接方式如圖20所示。
圖20控制面板結(jié)構(gòu)電路
本設(shè)計(jì)中用到了按鍵開(kāi)關(guān)和按鈕開(kāi)關(guān)，由于這類(lèi)開(kāi)關(guān)多是機(jī)械開(kāi)關(guān),機(jī)械觸電的彈性作用使開(kāi)關(guān)在閉合及斷開(kāi)瞬間產(chǎn)生抖動(dòng),造成A點(diǎn)電位產(chǎn)生一系列脈沖。抖動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短與機(jī)械特性有關(guān),一般為5~10ms。按鈕的穩(wěn)定閉合期由操作員的按鍵動(dòng)作決定,一般在幾百微妙至幾秒之間。所以在進(jìn)行實(shí)際接口設(shè)計(jì)時(shí),必須采取軟件或硬件措施進(jìn)行消抖處理。
本設(shè)計(jì)采用軟件消抖動(dòng)，軟件消抖辦法是檢測(cè)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)后,延時(shí)一段時(shí)間再進(jìn)行檢測(cè),若兩次檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同則認(rèn)為有效。延時(shí)時(shí)間應(yīng)大于抖動(dòng)時(shí)間。
4 論文總結(jié)
經(jīng)過(guò)數(shù)控化改進(jìn)的送絲焊機(jī)不僅可以完成大型零件的任意曲線平縫的焊接，而且能完成角縫的焊接。加工柔性好，通過(guò)編程可完成任意曲線焊縫的焊接。而且焊接精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，良好的經(jīng)濟(jì)效益，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。
在設(shè)計(jì)中，本人通過(guò)閱讀大量有關(guān)資料，同時(shí)結(jié)合本次設(shè)計(jì)的實(shí)踐，總結(jié)了如下心得：
1.在機(jī)械部分設(shè)計(jì)時(shí)，思維方式要開(kāi)闊，不能局限于教課書(shū)上學(xué)過(guò)的傳動(dòng)方案，多借鑒國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)設(shè)備。將經(jīng)濟(jì)性與方案可行性充分結(jié)合考慮。
2.總結(jié)數(shù)控系統(tǒng)與純機(jī)械系統(tǒng)的差別，合理選擇數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)零件。
3.在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中要有全局觀念，嚴(yán)密的思維方式。
4．在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，稍加改進(jìn)而利用已有的標(biāo)準(zhǔn)接口，可減少開(kāi)發(fā)的難度，縮短開(kāi)發(fā)的周期。
5．存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)應(yīng)該盡可能選擇容量大的芯片，這樣可以減少連線，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
6．在硬件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用功能強(qiáng)的芯片,這樣系統(tǒng)也更加緊湊，可靠性也提高了。
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，本人在復(fù)習(xí)舊知識(shí)基礎(chǔ)上又學(xué)到了許多新知識(shí)。既加強(qiáng)了機(jī)械設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，又豐富了微機(jī)和單片機(jī)的軟件編程知識(shí)，熟悉了數(shù)控系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，為今后的學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。由于時(shí)間和水平有限，開(kāi)發(fā)時(shí)間較短、系統(tǒng)龐大而復(fù)雜，本人只完成了設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)上的內(nèi)容，本系統(tǒng)還有許多地方?jīng)]有做或有待完善，懇切希望各位老師、同學(xué)指正。
致 謝
本文是在老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，本人特借此機(jī)會(huì)，向老師表示最誠(chéng)摯的感謝，感謝老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間對(duì)作者學(xué)業(yè)的指導(dǎo)。老師嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)的科學(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識(shí)令我非常欽佩，同時(shí)也教會(huì)了我許多知識(shí)，為以后的工作打下了基礎(chǔ)。
在硬件電路的搭建過(guò)程中，老師給予了我多方面的支持和幫助，同時(shí)也教會(huì)了許多有關(guān)微機(jī)和單片機(jī)及編程方面的知識(shí)，在此特表示誠(chéng)摯的謝意。非常感激我的家人在學(xué)習(xí)期間的對(duì)我的支持，最后向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的人致以最衷心的感謝和祝福！
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