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光源控制信號(hào) ＋5v 采樣保持信號(hào) ＋5v ＋5v 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DIR Vdc A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 74HC245 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 A8 B8 GND G ＋5v OS OS- D3 Vp G3 OS OS ΦX G2 ΦI G1 ΦR CCD OD Φ3 OG Φ2 RG Z 1 OD- Vm OG- P1-7 P1-6 P1-5 P1-4 P1-3 P1-2 P1-1 P1-0 ＋5v CDD驅(qū)動(dòng)電路 P1-7 8031系統(tǒng) P3-0 P3-1 P3-2 P3-4 光源控制信號(hào)輸出 信 號(hào) 預(yù) 處 理 電 路 C D D 及 驅(qū) 動(dòng) 電 路 控制線 I /O 接口 及 處 理 電 路 DB 通訊線 控制線 （當(dāng)不采用從機(jī)時(shí)，此為步進(jìn)電機(jī)信號(hào)輸出口） 傳感器線路框圖 40vv ＋15v 至步進(jìn)電機(jī)的A1 A1 光電耦合器 40vv ＋15v 步進(jìn) 至步進(jìn)電機(jī)的B1 B1 光電耦合器 40vv 電機(jī) ＋15v 至步進(jìn)電機(jī)的C1 控制 C1 光電耦合器 40vv ＋15v 驅(qū)動(dòng) 至步進(jìn)電機(jī)的A2 A2 光電耦合器 40vv ＋15v 至步進(jìn)電機(jī)的B2 B2 40v 光電耦合器 .. 至步進(jìn)電機(jī)的C2 C2 光電耦合器 湘潭大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 題目：焊機(jī)焊縫跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-控制設(shè)計(jì) 院 （系）： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： XXXXX 姓 名： XXXXX 指導(dǎo)教師： XXXXX 完成日期： 2014年5月25日 湘 潭 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 焊機(jī)焊縫跟蹤裝置-結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào)： XXXXX 學(xué)生姓名XXXXX專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： XXXXX 系主任： 1、檢索國(guó)外焊機(jī)焊縫跟蹤裝置設(shè)計(jì)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，分析國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀； 2、完成焊機(jī)焊縫跟蹤裝置系統(tǒng)方案選擇； 3、完成系統(tǒng)中焊機(jī)焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4、完成系統(tǒng)中焊機(jī)焊縫跟蹤裝置控制功能設(shè)計(jì)； 5、完成系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計(jì)； 6、總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體會(huì)和收獲； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字?jǐn)?shù)不低于一萬(wàn)字，使用A4編輯及打印裝訂成冊(cè)； 8、技術(shù)圖紙：零件圖1張（0號(hào)）、裝配圖1張（0號(hào)）、系統(tǒng)控制原理圖1張（0號(hào)）、系統(tǒng)程序流程圖1張（0號(hào)） 9、翻譯英文技術(shù)資料：翻譯國(guó)外焊機(jī)焊縫跟蹤裝置系統(tǒng)的（或相關(guān)課題）開發(fā)及研究的英文資料。要求：3000單詞，復(fù)印原稿與翻譯(打印)稿同冊(cè)裝訂。 二、重點(diǎn)研究的問題： 1、 系統(tǒng)中焊機(jī)焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 2、 系統(tǒng)中焊機(jī)焊縫跟蹤裝置控制功能設(shè)計(jì)； 3、 系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計(jì)。 三、進(jìn)度安排 各階段完成的內(nèi)容 起止時(shí)間 1 資料檢索、查詢 2014年2月20日 ～ 3月5日 2 系統(tǒng)總體方案構(gòu)思及設(shè)計(jì) 2014年3月 6日 ～ 3月15日 3 完成系統(tǒng)方案選擇設(shè)計(jì) 2014年3月16日 ～ 3月31日 4 完成結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)； 2014年4月 1日 ～ 4月15日 5 完成系統(tǒng)控制部分設(shè)計(jì)； 2014年4月16日 ～ 4月30日 6 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文撰寫和編輯 2014年5月1日 ～ 5月8日 7 交畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書和圖紙，答辯準(zhǔn)備 2014年5月9日 ～ 5月15日 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1]陳武柱,王勇,林青松,焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)的現(xiàn)狀及新發(fā)展, 焊管，Vol. 15(5)(1992)，1～10。 [2]陳強(qiáng),路井榮,孫振國(guó)等，弧焊機(jī)器人焊炬姿態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)的 研究，第三屆計(jì)算機(jī)在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會(huì)論文集，上海， 2000，198～203。 [3]岳宏,孫立新,李慨等，基于結(jié)構(gòu)光焊縫跟蹤系統(tǒng)的研究， 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.28(4)(1999),21～24 [4]姜煥中，焊接方法及設(shè)備（第一分冊(cè)），機(jī)械工業(yè)出版社， 北京，1981。 [5]潘際鑾，現(xiàn)代弧焊控制，機(jī)械工業(yè)出版社，北京，（2000）， 171～172。 [6]陳丙森主編，計(jì)算機(jī)輔助焊接技術(shù)（第一版），機(jī)械工業(yè) 出版社，北京，（1999），243～245。 湘潭大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表 學(xué) 號(hào)XXXXX 姓 名 XXXXX 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 焊機(jī)焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容 選 題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)。 能 力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力； 4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。 論文質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何； 3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。 工作量 工作量是否飽滿，含論文篇幅、圖紙等是否達(dá)到規(guī)定要求。 綜 合 評(píng) 價(jià) 評(píng)閱人姓名（職稱）： 年 月 日 湘 潭 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見 學(xué) 號(hào)： XXXXX 學(xué)生姓名： XXXXX 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 74 頁(yè) 圖 表 3 張 論文（設(shè)計(jì)）題目： 焊機(jī)焊縫跟蹤裝置機(jī)構(gòu)及控制設(shè)計(jì) 內(nèi)容提要： 本文介紹了一種小車結(jié)構(gòu)的、以單片機(jī)為控制核心的焊機(jī)焊縫跟蹤裝置的數(shù)據(jù)采 樣、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì) 本文首先從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀出發(fā)，及煤炭行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)焊機(jī)焊縫控制制系統(tǒng)提 出了新的要求。再對(duì)幾種焊縫控制系統(tǒng)的比較選擇，從中選取最合適、最經(jīng)濟(jì)的作為 研究對(duì)象。并分析了其市場(chǎng)需求，對(duì)其可行性進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了焊機(jī) 焊縫跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng) 這一焊縫跟蹤裝置的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要是以單片機(jī)技術(shù)為核心，通過分析其。 工作原理、掌握其硬件結(jié)構(gòu)和軟件而設(shè)計(jì)出來(lái)的。 本文主要設(shè)計(jì)是以Intel公司的高性能8位單片機(jī)8051為主控制芯片，通過對(duì)上下 焊縫跟蹤系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)焊縫跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了全方面的改進(jìn)，使其控制 能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定可靠，操作方便?？垢蓴_能力強(qiáng)，并以系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了研究， 最后提出了有關(guān)不足和改進(jìn)的建議。 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 指導(dǎo)教師姓名（職稱）： 年 月 日 答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ) 答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日 答辯委員會(huì)意見 答辯委員會(huì)主任： 年 月 日 目錄 摘要 1 Abstract 2 第一章 緒 論 3 第一節(jié) 焊縫跟蹤裝置研究的現(xiàn)實(shí)意義 3 第二節(jié) 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 3 第二章 電動(dòng)機(jī)的選擇 5 第一節(jié) 電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 5 第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 5 第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的詳細(xì)參數(shù) 6 第三章 焊接小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 第一節(jié) 小車的工作原理 7 第二節(jié) 渦輪蝸桿減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 8 第三節(jié) 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 13 第四節(jié) 小車車廂及其他零件的設(shè)計(jì) 16 第四章 單片機(jī)控制系統(tǒng) 19 第一節(jié) 硬件系統(tǒng)配置裝置 19 第二節(jié) 傳感器線路 19 第三節(jié) CDD及其驅(qū)動(dòng)電路 21 第四節(jié) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 22 第五章 總結(jié)與展望 23 第一節(jié) 總結(jié) 23 第二節(jié) 展望 23 附錄1：英文資料 24 附錄2：英文資料翻譯 29 焊機(jī)焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要:長(zhǎng)直軌道焊接在工業(yè)焊接技術(shù)中的十分常見，但是焊接小車在焊接系統(tǒng)中是不可缺少的設(shè)備，其啟動(dòng)性能如何和運(yùn)行速度是不是平穩(wěn)直接影響到焊接質(zhì)量。 本文設(shè)計(jì)的是一臺(tái)應(yīng)用于實(shí)際焊接場(chǎng)所的基于單片機(jī)控制的焊接小車，此設(shè)備主要應(yīng)用于長(zhǎng)直軌道的焊接場(chǎng)所中。該焊接系統(tǒng)采用了單片機(jī)和外部硬件電路相結(jié)合的控制方式，當(dāng)中單片機(jī)是該系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)首先通過控制電路輸出模擬信號(hào)，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)接到單片機(jī)相應(yīng)的接口，通過編程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，電機(jī)前安排了驅(qū)動(dòng)電路，作用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)經(jīng)過減速器把轉(zhuǎn)矩輸送到小車的輪軸上。 在焊接自動(dòng)化系統(tǒng)中，焊接小車速度的控制直接影響著焊件的焊接質(zhì)量，本系統(tǒng)對(duì)焊接速度的控制十分精確，十分精確地解決了這個(gè)問題。本文提出的采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的方案，可依據(jù)設(shè)計(jì)需要，通過控制電路的三個(gè)相應(yīng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接小車的轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)、停止及啟動(dòng)等工作狀態(tài)進(jìn)行控制，具有實(shí)時(shí)性以及交互性的特點(diǎn)，從而提高了焊接生產(chǎn)效率。 關(guān)鍵詞：焊接小車，單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī) Abstract:Long straight track in the welding industry in welding technology are very common, and welding car in the welding system is essential equipment, how to start performance, speed direct impact on whether a smooth welding quality. This paper is designed for a welding places based on the actual control of the microcontroller welding car, the device used in the track's long straight welding in place. The welding system uses a single chip and external hardware circuit combination of control, of which SCM is the core of the control system, the system first of all by controlling the circuit output analog signals, then the ADC will convert them to digital signal , The digital signal from the corresponding MCU interface, through the programming of the whole system of control, pre-arranged a motor drive circuit, used to drive stepper motor, motor reducer, as the torque transmitted to the car's axle On. Welding Automation System, welding car speed control direct impact on the welding of the welding quality of the welding speed of the system of control is very accurate, very good solution to this problem. The proposed use of SCM stepper motor control programmes, as required, from the three corresponding control circuit switching to achieve the speed of the car welding, positive and stop and start the work, such as state control, with real-time and Interactive features, improved welding productivity. Key words: Welding car，SCM Control System，Stepper motor 26 第一章 緒 論 一、焊縫跟蹤裝置研究的現(xiàn)實(shí)意義 依照國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《2012年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，我國(guó)2012年粗鋼產(chǎn)量為7.2 億噸，按照我國(guó)焊接用鋼量為30%的比率計(jì)算,焊接結(jié)構(gòu)的鋼材量接近2.7 億噸。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，焊接用鋼量基本達(dá)到其鋼材總量59%-69%。專家預(yù)測(cè)，我國(guó)可能在今后的5到10年時(shí)間內(nèi)達(dá)到60%的水平，這就形成了對(duì)焊接生產(chǎn)效率和勞動(dòng)力的可觀需求。 焊接生產(chǎn)效率的需求急需提高焊接過程的自動(dòng)化和智能化水平，焊接也是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作，雖然這樣，目前我國(guó)的焊接加工基本上停留在手工、半自動(dòng)焊接和有軌道的機(jī)械化生產(chǎn)的水平。依照相關(guān)資料，按熔敷金屬計(jì)算，2002年我國(guó)焊接機(jī)械化、自動(dòng)化率僅僅才能達(dá)到40%，而世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一般都在60%多以上，由此可知我國(guó)的焊接生產(chǎn)總體上說(shuō)自動(dòng)化和智能化水平比較低，跟歐美、日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大差距。 通過焊接技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，焊接自動(dòng)化、機(jī)器人化以及智能化已成為一種趨勢(shì)。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天，依靠手工焊接不能夠滿足焊接質(zhì)量和生產(chǎn)規(guī)模的要求，研究和發(fā)展焊接過程的自動(dòng)化方面特別是具有先進(jìn)技術(shù)、低成本的自動(dòng)化焊接從而獲得比手工焊更高質(zhì)量的焊縫，因此提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件是現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的方向。 手工焊接場(chǎng)合主要依靠人的眼睛和手的配合來(lái)跟蹤焊縫，但是自動(dòng)焊接的場(chǎng)合就需要解決焊接熔池（或電?。┮恢睂?duì)準(zhǔn)待焊焊縫的問題。由此可見，隨著現(xiàn)代生產(chǎn)焊接的自動(dòng)化程度越來(lái)越高和機(jī)器人焊接技術(shù)的發(fā)展，對(duì)焊縫的自動(dòng)跟蹤技術(shù)的需求也越來(lái)越迫切，這主要表現(xiàn)在三個(gè)方面。第一該技術(shù)可以提高焊縫質(zhì)量，第二它可以改善焊接工人工作條件，第三焊縫自動(dòng)跟蹤技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率。 二、國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 焊接生產(chǎn)時(shí)候自動(dòng)焊接裝置或機(jī)器人焊接系統(tǒng)對(duì)焊縫的自動(dòng)、實(shí)時(shí)跟蹤已經(jīng)成為自動(dòng)化焊接和智能化焊接的重要內(nèi)容。近十年來(lái)，焊縫跟蹤技術(shù)的研究、應(yīng)用得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，特別是在焊縫傳感技術(shù)己從簡(jiǎn)單的機(jī)械接觸、電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒘扛?、精確度更高的電弧傳感、光電（視覺）傳感等方式，同時(shí)計(jì)算機(jī)信息處理也成為必不可少的輔助手段。 焊縫自動(dòng)跟蹤是焊接生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化的關(guān)鍵?；趯?shí)踐生產(chǎn)的需要，50多年來(lái)我國(guó)在焊縫自動(dòng)跟蹤方面有了長(zhǎng)足發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，并取得了許多應(yīng)用成果。 我國(guó)已發(fā)展了各種類型的傳感器技術(shù)，控制坐標(biāo)已從單坐標(biāo)和雙坐標(biāo)發(fā)展到了多坐標(biāo)。50～60 年代的時(shí)候大多采用接觸跟蹤，西安交通大學(xué)和三橋機(jī)車車輛廠是中國(guó)從事接觸跟蹤和電磁跟蹤研究比較早的單位。到了60～70 年代后期，發(fā)展了電磁跟蹤、光電跟蹤、電弧跟蹤、激光跟蹤等非接觸跟蹤技術(shù)。華中理工大學(xué)與湖北造船廠共同合作研制成功全位置電磁跟蹤氣體保護(hù)焊機(jī)，跟蹤精度達(dá)±1mm。華南理工大學(xué)還與廣州造船廠共同研制的電磁立焊縫自動(dòng)跟蹤焊機(jī)，應(yīng)用在萬(wàn)噸輪的焊接上。天水電氣傳動(dòng)研究所和上海造船工藝研究所合作，研制的光電跟蹤裝置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生產(chǎn)中。哈爾濱焊接研究所與遼陽(yáng)鋼廠合作研制的激光跟蹤裝置用于螺旋管焊接自動(dòng)生產(chǎn)線等。80 年代后期，微機(jī)跟蹤和電視跟蹤技術(shù)得到了迅速發(fā)展，從而為傳統(tǒng)焊接自動(dòng)化向現(xiàn)代焊接的自動(dòng)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 70 年代末開始，清華大學(xué)潘際鑾院士對(duì)電弧傳感焊縫跟蹤做了大量的研究。到了80 年代末，潘院士在電弧傳感器結(jié)構(gòu)及控制方面進(jìn)行了新的研究，研制出了一種空心馬達(dá)式高速旋轉(zhuǎn)的掃描電弧傳感器，對(duì)一種無(wú)道軌的自動(dòng)小車成功的進(jìn)行跟蹤控制，獲得了專利此外．哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功研制了單片機(jī)控制高精度激光跟蹤系統(tǒng)。 同時(shí)西北工業(yè)大學(xué)成功研制微處理機(jī)控制熔化極脈沖窄間隙焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)等，都獲得了較好的自動(dòng)控制效果。此外計(jì)算機(jī)圖像法控制技術(shù)在 80 年代研究成功，如水電部電力建設(shè)研究所成功研制 DL-64 固態(tài)圖像的傳感器進(jìn)行焊縫跟蹤的裝置。 近年來(lái)，我國(guó)的各大高校、科研機(jī)構(gòu)對(duì)焊縫跟蹤技術(shù)的研究非?；钴S，研究人員采用各種傳感方法，對(duì)不同焊接對(duì)象的焊縫跟蹤技術(shù)進(jìn)行了研究?？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)焊接研究人員對(duì)各種焊縫跟蹤的方法進(jìn)行研究，并在有些特定的應(yīng)用中獲得了成功。但是，因?yàn)楦鞣N因素，我國(guó)的焊縫跟蹤技術(shù)大部分還停留在實(shí)驗(yàn)室中，在生產(chǎn)中應(yīng)用的絕大部分還是針對(duì)特定焊接對(duì)象、工藝和焊接狀況的焊縫跟蹤系統(tǒng)，真正成為商業(yè)化的產(chǎn)品非常少見，而這也正是我國(guó)在焊縫跟蹤領(lǐng)域與一些發(fā)達(dá)國(guó)家的最大差距。  第二章 電動(dòng)機(jī)的選擇 一、電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇 正是因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)性能優(yōu)越、控制精度高等性能，以及結(jié)合本課題中選用單片機(jī)作為我們?cè)O(shè)計(jì)控制核心的特點(diǎn)；又因?yàn)楸究刂茖儆陂_環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有適合應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)，所以電動(dòng)機(jī)的類型我們就選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電磁機(jī)械裝置，也是一種能把輸出機(jī)械位移增量和輸入數(shù)字脈沖對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器件。步進(jìn)電機(jī)具有快速啟動(dòng)能力，只要電機(jī)的負(fù)荷沒有超過它所提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，就可以通過其輸入脈沖來(lái)控制它在一瞬間啟動(dòng)和停止，步進(jìn)電機(jī)的步距角和轉(zhuǎn)速只與輸入的脈沖頻率有關(guān)，和氣壓、環(huán)境溫度、振動(dòng)以及沖擊無(wú)關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，它每轉(zhuǎn)一周都具有固定的參數(shù)。步進(jìn)精確和步距誤差也不會(huì)長(zhǎng)期積累。因此，步進(jìn)電機(jī)在需要精確定位的場(chǎng)所應(yīng)用十分廣泛。依據(jù)已知國(guó)內(nèi)焊接小車的大致尺寸，初步選定電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為55BF003。 1、步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)作為一種控制用的特種電機(jī), 旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的, 它的特點(diǎn)是沒有積累誤差(精度為100%), 所以廣泛使用于各種開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一定要有一個(gè)電子裝置對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 這種裝置就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器, 它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的角位移, 也可以說(shuō): 控制系統(tǒng)每發(fā)出的一個(gè)脈沖信號(hào), 通過驅(qū)動(dòng)器就能夠使步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一步距角。因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比。所以，只要控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率，就可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速；只要控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，就可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確定位；步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種經(jīng)常被使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，簡(jiǎn)單地說(shuō)：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按照事先設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。通過控制脈沖的個(gè)數(shù)就可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確得定位；同時(shí)通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速。? ????常見的步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進(jìn)一般是兩相，轉(zhuǎn)矩和體積都比較小的，步進(jìn)角一般為7.5度?或15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般是三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般是1.5度，但是噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家80年代就已經(jīng)被淘汰了；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般是1.8度而五相步進(jìn)角一般是0.72度。這種步進(jìn)電機(jī)在市場(chǎng)的應(yīng)用最為廣泛。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)定子上均勻地有6個(gè)磁極分布，相鄰兩個(gè)磁極的夾角為60o，線圈繞過相對(duì)的兩個(gè)磁極構(gòu)成一相（A-A'、B-B'、以及C-C'）。此外各個(gè)磁極上還有5個(gè)分布均勻的矩形小齒。電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有繞組，上面有40個(gè)矩形小齒分布均勻在圓周上，兩個(gè)相鄰小齒之間的夾角為9o。 當(dāng)其中有一相繞組通電時(shí)，相應(yīng)的兩個(gè)磁極就分別形成N-S極，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時(shí)候定子上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒沒有對(duì)齊，則在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，因此使步進(jìn)電機(jī)向前“走”一步。 2、步進(jìn)電機(jī)的詳細(xì)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 電流 電壓 保持轉(zhuǎn)矩 空載啟動(dòng)頻率 運(yùn)行頻率 接線圈 55BF003 3 1.5°/3° 3 27 0.666 1800 1 表2-1電機(jī)參數(shù) 型號(hào) D D h d E L D MS 55BF003 55 32 25 62 205 70 40 4-M3 表2-2電機(jī)尺寸 初步計(jì)算所選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 取額定頻率f=6×10Hz，額定轉(zhuǎn)矩Md=0.27N·m。 當(dāng)定子控制繞組按著一定的順序不斷地輪流通電時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。如果電脈沖的頻率為f（通電頻率），步距角用弧度表示，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為： {n}?={β}·{f}·60/2Π=1.5×6×103×60/2Π=85.98≈86 r/min ? 第三章 焊接小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、 小車的工作原理 1、基本要求及主要問題 自動(dòng)焊接小車機(jī)構(gòu)的基本要求是結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕以及可控性強(qiáng)，主要實(shí)現(xiàn)焊條的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)： （1） 焊接運(yùn)動(dòng)，即焊條的移動(dòng)（X向），速度大小決定了焊縫尺寸。速度過大的話，焊縫斷面就小，達(dá)不到焊接要求且易出現(xiàn)未焊透等缺陷：速度過慢的話形成大斷面焊縫，造成焊料堆積浪費(fèi)且易出現(xiàn)燒穿等缺陷：因此合理的焊接速度能得到整齊美觀的焊縫。 （2）焊條上下運(yùn)動(dòng)（Z向），作用是引弧和維持所需電弧的穩(wěn)定長(zhǎng)度，電弧的長(zhǎng)短直接影響焊接質(zhì)量和焊接電流。薄板長(zhǎng)直焊縫焊接宜采用短弧，快速直線焊接，焊條不作擺動(dòng)，以得到小熔池和整齊的焊接表面。 薄板焊接存在的缺點(diǎn)主要是容易燒穿，變形較大和焊縫成形不良等。自動(dòng)焊接小車需要達(dá)到的基本要求是準(zhǔn)確控制焊接速度、焊接位置、焊接電流和穩(wěn)定焊接電弧，能根據(jù)實(shí)際需要在焊接全過程中實(shí)施調(diào)節(jié)，維持適宜的電弧長(zhǎng)度和保持合理的焊接速度可較好地提高焊接質(zhì)量和焊接效率。 2、 工作原理 如圖所示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制指令發(fā)出，步進(jìn)電機(jī)1運(yùn)轉(zhuǎn)，通過蝸桿渦輪運(yùn)動(dòng)服（2、3）減速，渦輪2與齒輪14同軸，齒輪14與齒條15構(gòu)成移動(dòng)副帶動(dòng)自動(dòng)焊接小車X向移動(dòng)，對(duì)焊接運(yùn)動(dòng)的方向、速度、位置實(shí)施控制：步進(jìn)電機(jī)5運(yùn)轉(zhuǎn)，由于同步齒形帶6，絲桿螺母移動(dòng)副7，帶動(dòng)焊槍8在Z向上移動(dòng)，對(duì)焊條上下運(yùn)動(dòng)的方向、位置實(shí)施控制、速度。絲桿螺母移動(dòng)副7傳動(dòng)比愈大，若果焊條Z定位越精確。薄板焊接焊條就可以不作橫向擺動(dòng)的要求，但在小車設(shè)計(jì)中仍然要考慮。自動(dòng)焊接小車由兩對(duì)支撐平臺(tái)12上沿X向滾動(dòng)，支撐平臺(tái)固定在薄板焊接機(jī)的床身上。焊接小車示意圖如下： 1、步進(jìn)電機(jī) 2、渦輪 3、蝸桿 4、小車箱體 5、步進(jìn)電機(jī) 6、同步齒形帶 7、絲桿螺母 8、焊槍 9、焊接薄板 10、支撐滾輪 11、絲桿螺母 12、支撐平臺(tái) 13、支撐滾輪 14、齒輪 15、齒條 2、 渦輪蝸桿減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 1、傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1）、選擇渦輪蝸桿的精度，類型，材料 蝸桿材料選用45鋼，整體調(diào)質(zhì)，表面淬火，齒面硬度45~50HRC.渦輪齒圈材料選用ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造，滾銑后加載跑合，8級(jí)精度標(biāo)準(zhǔn)。來(lái)保證側(cè)隙c （2）、計(jì)算步驟 ①.按接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)公式： ㈠、選， 查表7.2取=2 =/=2/61.2=48 在30~64之間，故符合要求。 初估n=0.82 ㈡、渦輪轉(zhuǎn)矩 = ㈢、載荷系數(shù)K 因載荷平穩(wěn)，查表7.8取K=1.1 ㈣、材料系數(shù)=155a ㈤、許用接觸應(yīng)力 查表7.10, 取許用接觸應(yīng)力為220MPa N=60=6061.2=4.406410 ㈥、 ㈦、初選、的值 查表7.1取m=8,d=80 ㈧、導(dǎo)程角 tan r=m/=880=0.2 r=arctan0.2=11.3° ㈨、滑動(dòng)速度 =/60=801460/601000COS11.3°=6.32m/s ㈩、嚙合效率由=6.32m/s查表V=1°16′ =tan r/tan(r+tan11.3°/tan(11.3=0.896 (11) 、傳動(dòng)效率n 取軸承效率=0.99，攪油效率=0.98 n=n1n2=0.896=0.87 T2=T1in=9.55101460=1410451.553N·m (12) 、檢驗(yàn)d1的值 d151155120 原選參數(shù)滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求 ②、 蝸桿尺寸 分度圓直徑d1 d1=40mm 齒頂圓直徑 =d1+2=(40+24)=48mm 齒根圓直徑=d1-2=(40-2)=32mm 導(dǎo)程角 tan r=11.3 右旋 軸向齒距 Px1=m=3.148=25.12 齒輪部分長(zhǎng)度 b1m(11+0.0648)=159.2 取b1=160mm ③、蝸輪尺寸 分度圓直徑 d2=m=724=168 齒頂高 =m=1=6.8 齒根高 =(+)=(1+0.2)4=4.8 齒頂圓直徑 =d2+2=168+26.8=181.4 齒根圓直徑 d2-2m(=168-9.6=158.8 導(dǎo)程角 tan r=11.3 右旋 軸向齒距 Px2=Px1=m=3.147=21.98 蝸輪齒寬b2 b2=0.75=30 齒寬角 sinα=b2/d1=30/40=0.75 蝸輪咽喉母圓半徑 rg2=(a-)/2=15 蝸輪各參數(shù)如下表 法向模數(shù) 齒數(shù) 壓力角 螺旋角 齒寬 齒頂高系數(shù) 齒底隙系數(shù) 變位系數(shù) 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 7 24 20 16 30 1 0.25 0 168 181.4 158.8 蝸桿各參數(shù)如下表 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 導(dǎo)程角 軸向齒距 螺旋長(zhǎng)度 40 48 32 11.3 25.12 160 ④、熱平衡計(jì)算 （1）估算散熱面積A A=0.33=0.33=1.439 (2) 驗(yàn)算油的工作溫度ti 室溫:通常取20 散熱系數(shù)Ks=17.5W/( t=1000(1-n)P1/A+=73.3280 油溫未超過界限 （3）潤(rùn)滑方式 根據(jù) m/s，查表7.14，采用侵油潤(rùn)滑，油的運(yùn)動(dòng)粘度為220 ⑤、蝸輪軸的設(shè)計(jì) （1）選擇軸的材料 選取45鋼，調(diào)質(zhì)，硬度HBS=230，強(qiáng)度極限為600Pa,由表查得其許用彎曲應(yīng)力為55 Pa，查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表10-1、10-2 （2）最小直徑估算 dmin c C查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11.3得 c=120 dmin120=30 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11.5，選dmin=30 d1=dmin+2a=30+22=34 a=(0.07~0.1)dmin d2=d1+(1~5)=30+4=34 d3=d2+2a+34+2=39 a=(0.07~o.1)d2 d4=d1-2h=34-23.5=27 h查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 11.4取3.5 （3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (a)軸上零件的定位、固定和裝配 單級(jí)減速器中，可以將齒輪安排在箱體中央，相對(duì)兩軸承對(duì)稱分布，齒輪左面由肩軸定位，而其右面用套筒軸固定，周向固定靠平鍵和過渡配合，兩軸承分別以肩軸和套筒定位，但是周向則采用過渡配合或過渡配合來(lái)固定，聯(lián)軸器以軸肩向定位，右面用軸端向固定。 鍵聯(lián)接作軸向固定，其軸做成階梯形，左軸承做從左面裝入，將齒輪、套筒、右軸承和聯(lián)軸器一次右面裝到軸上。 （b）確定軸各段直徑和長(zhǎng)度 Ⅰ段d1=15mm L1=20mm Ⅱ段直徑d2=20mm a(0.07~0.1)dmin=4.5 亦符合氈圈密封標(biāo)準(zhǔn)軸徑 Ⅲ段考慮選用30214圓錐滾子軸承，其內(nèi)徑為30mm，寬度為24mm,故Ⅲ段直徑d3=30mm. 考慮到小車的左右對(duì)稱性，Ⅳ,Ⅴ段的長(zhǎng)度和直徑分別與Ⅱ，Ⅰ段的長(zhǎng)度和直徑對(duì)應(yīng)，分別為d4=20mm,L4=40mm;D5=15mm,L5=15mm (c) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 繪出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 a圖 ②繪制垂直面的彎矩圖 b =2/d1=21621.63/15=216.21 =2/d2=23051.57/20=305.1 =tanα=158.957.8 軸承支反力 =(/2-L/2)/L=(40.5/2-57.80.094/2)/0.094=7.35N =+=57.8+7.35=65.15N 計(jì)算彎矩 M=L/2=65.150.094/2=3.06N·m M′=L/2=7.350.094/2=0.345N·m ⑥、蝸桿軸的設(shè)計(jì) （1）軸的材料選擇 選取45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=230，強(qiáng)度極限為650MPa，屈服極限為360MPa，彎曲疲勞極限為300 MPa，剪切疲勞極限為15 MPa ，對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的許用應(yīng)力為60 MPa。 （2）初步估算軸的最小直徑 最小直徑的估算 dminc3=1203=23 (3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 按軸的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求選取軸承處的軸徑d=30mm,初選軸承型號(hào)為30210圓錐滾子軸承（GB/T297—94）,采用蝸桿軸結(jié)構(gòu)，其中，齒根圓直徑d=60.8mm,,分度圓直徑=80mm,齒頂圓直徑d=96mm,長(zhǎng)度尺寸根據(jù)中間軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，校核的方法與渦輪軸的校核類似，經(jīng)過具體的設(shè)計(jì)與校核，得該蝸桿軸的結(jié)構(gòu)式符合要求的，是安全的。 三、 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 1、選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) (1) 按焊接小車運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際需要，選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng) (2) 焊接小車為一般工作機(jī)，速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095—88） (3) 材料選擇。由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-1選擇齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS, (4) 兩傳動(dòng)齒輪的齒數(shù)都選定為20 (5) 選取螺旋角為=16° 2、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 按式試算，即 （1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ①試選 ②由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-30選取區(qū)域系數(shù) ③由圖10-26查得 ④許用接觸應(yīng)力 （2） 計(jì)算 ①試算齒輪分度圓直徑，由計(jì)算公式 ②計(jì)算式圓周速度 ③計(jì)算齒寬b模數(shù)。 ④計(jì)算縱向重合度 ⑤計(jì)算載荷系數(shù)K 已知使用系數(shù)=1，根據(jù)速度，精度等級(jí)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)=1.11， 由表10-4查得=1.42 由圖10-3查得==1.4.故動(dòng)載系數(shù) K==11.111.42=2.21 ⑥按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑，由式（10-10a）得 ⑦計(jì)算模數(shù) 3、按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式（10-17） (1)確定計(jì)算參數(shù) ①計(jì)算載荷系數(shù) ②根據(jù)縱向重合度=1.903，由圖10-28查得螺旋角影響系數(shù)=0.88 ③計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) ④ 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10-5查得=1.596 ⑤查取齒形系 由表10-5查得=2.592 ⑥ 計(jì)算齒輪的 = ⑦設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)大于按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的法面模數(shù)，取=6，已可滿足彎曲強(qiáng)度。但為力同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度，需按接觸疲勞強(qiáng)度算的分度圓直徑=136.5mm來(lái)計(jì)算應(yīng)有的齒數(shù)。于是 由 取Z=10，由 = 4、幾何尺寸的計(jì)算 （1）計(jì)算中心距 將中心距圓整為125mm (2)按圓整后的中心距修正螺旋角 因β值沒改變，故參數(shù)等不必修正 (3)計(jì)算分度圓直徑 （4）計(jì)算齒輪寬度 圓整后去B=60mm (5)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 因齒輪齒頂圓直徑小于500mm，故選用腹板式結(jié)構(gòu)為宜。其他有關(guān)尺寸及斜齒輪的零件圖見圖紙。 四、 小車車廂及其他零件的設(shè)計(jì) 1、小車車廂鑄造箱體的主要結(jié)構(gòu)尺寸 （1） 車廂長(zhǎng)為413.7mm,寬為150 mm，高150 mm （2） 渦輪蝸桿減速箱箱體壁厚：取=12.28，其中a=232 （3） 車廂底座的凸緣厚度： （4） 聯(lián)軸器的選擇與計(jì)算 高速軸輸入端的聯(lián)軸器 計(jì)算轉(zhuǎn)矩=,查表,=1.5，查表選用彈性套柱校型聯(lián)軸器，材料為35鋼，許用轉(zhuǎn)矩，許用轉(zhuǎn)速 標(biāo)記 TL8聯(lián)軸器42114 (GB1096-79) 選鍵 ，裝聯(lián)軸器處的軸徑為30mm,,選用鍵12 70GB1096—79 對(duì)鍵的強(qiáng)度進(jìn)行校核，鍵同樣采用45鋼。鍵的工作長(zhǎng)度 ，按公式的擠壓應(yīng)力 合格。所以高速級(jí)選用的聯(lián)軸器為TL8聯(lián)軸器42114 GB4323—84，所用的聯(lián)結(jié)鍵為1270 GB1097—79 低速軸輸出端的聯(lián)軸器 根據(jù)低速軸的結(jié)構(gòu)尺寸以及轉(zhuǎn)矩，選用聯(lián)軸器TL11聯(lián)軸器63114 GB4323—84，所用的聯(lián)軸鍵為1890 GB1096—79，經(jīng)過校核計(jì)算，選用的鍵是符合聯(lián)結(jié)的強(qiáng)度要求的，具體的計(jì)算過程與上面相同。 （5） 小車車輪幾何尺寸的設(shè)計(jì) 根據(jù)焊接小車在實(shí)際場(chǎng)合的應(yīng)用以及結(jié)合小車車廂的幾何尺寸，確定小車后輪的直徑大小為D1=130mm,前輪的直徑大小為D2= 110mm. (6) 蝸輪蝸桿減速器的潤(rùn)滑 減速器中渦輪和軸承都需要良好的潤(rùn)滑，起主要目的是減少摩擦磨損和提高傳動(dòng)效率，并起冷卻和散熱的作用，另外，潤(rùn)滑油還可以鋼制零件銹蝕和降低減速器的噪聲和振動(dòng)等。 本設(shè)計(jì)選取潤(rùn)滑油溫度t=40°C時(shí)的蝸輪蝸桿油，渦輪采用浸沒潤(rùn)滑，浸油深度約為1個(gè)螺牙高，但油面不應(yīng)高于蝸桿軸承最低一個(gè)滾動(dòng)體中心。 第四章 單片機(jī)控制系統(tǒng) 按照安裝位置和控制功能，可以講設(shè)計(jì)分為五部分：傳感器線路，CRT顯示及控制線路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，光線控制線路和電源。傳感器線路和光線系統(tǒng)一起構(gòu)成本系統(tǒng)的傳感器，其他部分在控制臺(tái)內(nèi)。整個(gè)系統(tǒng)采用兩個(gè)單片機(jī)進(jìn)行控制，及在傳感器線路和CRT顯示及控制線路中各裝備一套8031系統(tǒng)。他們各自獨(dú)立工作，通過串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和協(xié)調(diào)動(dòng)作，由于在協(xié)調(diào)動(dòng)作時(shí)，以傳感器線路中的8031為主，所以稱之為主機(jī)，所以另一片8031為從機(jī)。省去從機(jī)并不影響主機(jī)的動(dòng)作，只是當(dāng)主機(jī)查詢到從機(jī)不存在時(shí)，自己輸出步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)。 1.硬件系統(tǒng)配置裝置 傳 感 器 線 路 光 源 傳感器 CRT顯示及 控制線路 （可選項(xiàng)） 光源 控制 線路 步進(jìn)電機(jī)1 步進(jìn) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電路 步進(jìn)電機(jī)2 電 源 控制臺(tái) 硬件系統(tǒng)配置裝置示意圖 2. 傳感器線路 傳感器線路是硬件中的關(guān)鍵部分，它的好壞，直接影響著跟蹤的總體質(zhì)量。它的主要作用是用來(lái)完成信息的采集、處理、顯示(LED顯示)、系統(tǒng)監(jiān)控和操作輸入等工作。當(dāng)未選用CRT顯示及控制部分時(shí)，它還會(huì)自動(dòng)輸出步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)。圖5.2是這部分線路的示意框圖，它主要由下述的四部分電路組成:主機(jī)8031小系統(tǒng)、CCD及其驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)預(yù)處理電路和外設(shè)接口及外設(shè)電路。 P1-7 8031系統(tǒng) P3-0 P3-1 P3-2 P3-4 光源控制信號(hào)輸出 信 號(hào) 預(yù) 處 理 電 路 C D D 及 驅(qū) 動(dòng) 電 路 控制線 I /O 接口 及 處 理 電 路 DB 通訊線 控制線 （當(dāng)不采用從機(jī)時(shí)，此為步進(jìn)電機(jī)信號(hào)輸出口） 傳感器線路框圖 2.1主機(jī)8031小系統(tǒng) 這部分是整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的指揮中心，而且還承擔(dān)著信息的采集處理等工作。我們選用了80C31單片機(jī)芯片，配以16KEPROM、2K外部RAM，組成了一個(gè)8031小系統(tǒng)。 3.CDD及其驅(qū)動(dòng)電路 電荷禍合器件(eharge一eoupleddeviees)簡(jiǎn)稱CCD，是1970年在MOS工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體器件，它與以前在熱平衡狀態(tài)下工作的雙極和單極的半導(dǎo)體器件相反，是一種在非平衡狀態(tài)下依靠勢(shì)井轉(zhuǎn)移電荷信息的，具有獨(dú)特工作機(jī)構(gòu)的器件，主要有三個(gè)方面的用途:攝像、信息處理、信息存儲(chǔ)。下面就簡(jiǎn)要介紹一下它作為攝像器件時(shí)的工作原理。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，CCD是一種金屬一氧化物一半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)，是由為數(shù)眾多的MOS電容器按序排列成規(guī)則陣列。當(dāng)透鏡將來(lái)自景物的光聚焦到CCD的光敏面上時(shí)，在CCD內(nèi)部就產(chǎn)生了一幅由電荷包組成的圖案，電荷包的大小與景物的光照強(qiáng)度成正比。此時(shí)，若在CCD電極上施加適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘電壓，那么就會(huì)在半導(dǎo)體和絕緣層的界面上造成“深井”一“勢(shì)井”。此時(shí)，光生信號(hào)電荷包就滾入“勢(shì)井”中存儲(chǔ)起來(lái)。若在相鄰電極上施加適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘電壓，在該電極下又會(huì)出現(xiàn)不同深度的“勢(shì)井”，于是光生電荷包就會(huì)從原來(lái)的勢(shì)井中轉(zhuǎn)移到這個(gè)勢(shì)井中。依次類推，電荷包就從CCD陣列的一端依次轉(zhuǎn)移到另一端。如在CCD輸出端加上顯示裝置，這種經(jīng)CCD轉(zhuǎn)移的電荷包就被放大顯示在顯示器上，從而得到一副與原來(lái)景物相同的畫面，于是完成了攝像過程。因此，CCD圖像傳感器實(shí)質(zhì)上是一種能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)電荷作短暫存儲(chǔ)后再轉(zhuǎn)移的新型模擬移位寄存器。CCD從光敏單元的排列上可分為線陣CCD和面陣CCD。我們采用的是硅襯底的線陣CCD，它的光譜響應(yīng)范圍為0.4一1.1pm，對(duì)近紅外光有較好的響應(yīng)性，可以很好地利用有效光。 CCD驅(qū)動(dòng)電路 我們選用的是國(guó)產(chǎn)256xl線陣CCD，由于生產(chǎn)單位提供的驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜，器件多，體積大，而且與其它線路及計(jì)算機(jī)的協(xié)調(diào)動(dòng)作也有一定的困難，不適移植到本系統(tǒng)中，所以我們專門設(shè)計(jì)了CCD驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)CCD需要一組直流源和六個(gè)時(shí)鐘脈沖。這六個(gè)時(shí)時(shí)鐘脈沖是:轉(zhuǎn)移時(shí)鐘。x、復(fù)位時(shí)鐘中R、三相傳輸驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘(中1、中2、中3)以及胖零時(shí)鐘。i。我們?cè)O(shè)計(jì)的CCD驅(qū)動(dòng)電路如圖5.3所示。六個(gè)時(shí)鐘脈沖由8031的軟件發(fā)生、Pl口輸出。經(jīng)過芯片74HC245整形，驅(qū)動(dòng)能力放大后，送去驅(qū)動(dòng)CCD?？紤]到不同芯片的差異性和為了使CCD。 ＋5v ＋5v ＋5v 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DIR Vdc A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 74HC245 B4 A5 B5 A6 B6 A7 B7 A8 B8 GND G ＋5v OS OS- D3 Vp G3 OS OS ΦX G2 ΦI G1 ΦR CCD OD Φ3 OG Φ2 RG Z 1 OD- Vm OG- P1-7 P1-6 P1-5 P1-4 P1-3 P1-2 P1-1 P1-0 ＋5v CDD驅(qū)動(dòng)電路 4. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，是主要用來(lái)放大來(lái)自控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)，使之達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)要求的電路。在功率放大中，采用了MOS管。另外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，用光電禍合器進(jìn)行了線路隔離。我們采用的是兩個(gè)三相六拍式步進(jìn)電機(jī)。這部分電路的電路圖如圖5.7所示。 40vv ＋15v 至步進(jìn)電機(jī)的A1 A1 光電耦合器 B1 步進(jìn) C1 電機(jī) A2 控制 B2 信號(hào) C2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 電源 電源，主要是由幾組穩(wěn)壓器組成，采用的基本上都是典型電路，在此不多作介紹了，只是為了克服供電系統(tǒng)的雜波干擾和電涌沖擊，在某些部分加上了低通濾波器。 本章小結(jié) 我們?cè)O(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)具有下述特點(diǎn): 1.抗干擾性能強(qiáng)，工作可靠; 2.系統(tǒng)整體同步性好，易于控制; 3.系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，功能強(qiáng); 4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)為模塊結(jié)構(gòu)，便于改進(jìn)與維修 第五章 總結(jié)與展望 一、總結(jié) 在將近半年的時(shí)間里，我針對(duì)我的課題“單片機(jī)控制的焊接小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)”展開了一系列調(diào)研，完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，基本達(dá)到了當(dāng)初的設(shè)計(jì)目的以及設(shè)計(jì)任務(wù)書中的要求。在設(shè)計(jì)過程中，通過大量的文獻(xiàn)查詢和老師的啟發(fā)，使我對(duì)本課題及相關(guān)的知識(shí)有一定的了解，尤其對(duì)單片機(jī)應(yīng)用于焊接設(shè)備的知識(shí)有了較深入的了解，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，使自己能將所學(xué)真正應(yīng)用到實(shí)際工作中；通過查閱文獻(xiàn)資料，使我鞏固了所學(xué)的書本知識(shí)，擴(kuò)大了知識(shí)視野，增長(zhǎng)了見識(shí)；通過本次設(shè)計(jì)，使自己真正學(xué)會(huì)了獨(dú)自解決問題的方法，這將使我受益終身 。 在設(shè)計(jì)中得到李衛(wèi)老師的悉心指導(dǎo)。他對(duì)學(xué)生要求嚴(yán)格，同時(shí)真誠(chéng)地關(guān)心、幫助每一位同學(xué)，他和同學(xué)亦師亦友的關(guān)系使我們?cè)谳p松的氛圍中完成了工作，學(xué)到了知識(shí)。他注重對(duì)學(xué)生各方面能力的培養(yǎng)，能耐心細(xì)致的對(duì)我們進(jìn)行指導(dǎo)，在此對(duì)李老師表示深深的謝