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光源控制信號 ＋5v 采樣保持信號 ＋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)動電路 P1-7 8031系統(tǒng) P3-0 P3-1 P3-2 P3-4 光源控制信號輸出 信 號 預(yù) 處 理 電 路 C D D 及 驅(qū) 動 電 路 控制線 I /O 接口 及 處 理 電 路 DB 通訊線 控制線 （當不采用從機時，此為步進電機信號輸出口） 傳感器線路框圖 40vv ＋15v 至步進電機的A1 A1 光電耦合器 40vv ＋15v 步進 至步進電機的B1 B1 光電耦合器 40vv 電機 ＋15v 至步進電機的C1 控制 C1 光電耦合器 40vv ＋15v 驅(qū)動 至步進電機的A2 A2 光電耦合器 40vv ＋15v 至步進電機的B2 B2 40v 光電耦合器 .. 至步進電機的C2 C2 光電耦合器 湘潭大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計說明書 題目：焊機焊縫跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計-控制設(shè)計 院 （系）： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 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）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目： 焊機焊縫跟蹤裝置-結(jié)構(gòu)及控制設(shè)計 學(xué) 號： XXXXX 學(xué)生姓名XXXXX專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： XXXXX 系主任： 1、檢索國外焊機焊縫跟蹤裝置設(shè)計的發(fā)展動態(tài)，分析國內(nèi)的現(xiàn)狀； 2、完成焊機焊縫跟蹤裝置系統(tǒng)方案選擇； 3、完成系統(tǒng)中焊機焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計； 4、完成系統(tǒng)中焊機焊縫跟蹤裝置控制功能設(shè)計； 5、完成系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計； 6、總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計的體會和收獲； 7、完成畢業(yè)論文的文稿工作，要求：總字數(shù)不低于一萬字，使用A4編輯及打印裝訂成冊； 8、技術(shù)圖紙：零件圖1張（0號）、裝配圖1張（0號）、系統(tǒng)控制原理圖1張（0號）、系統(tǒng)程序流程圖1張（0號） 9、翻譯英文技術(shù)資料：翻譯國外焊機焊縫跟蹤裝置系統(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)稿同冊裝訂。 二、重點研究的問題： 1、 系統(tǒng)中焊機焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計； 2、 系統(tǒng)中焊機焊縫跟蹤裝置控制功能設(shè)計； 3、 系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計。 三、進度安排 各階段完成的內(nèi)容 起止時間 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 2014年3月 6日 ～ 3月15日 3 完成系統(tǒng)方案選擇設(shè)計 2014年3月16日 ～ 3月31日 4 完成結(jié)構(gòu)部分設(shè)計； 2014年4月 1日 ～ 4月15日 5 完成系統(tǒng)控制部分設(shè)計； 2014年4月16日 ～ 4月30日 6 畢業(yè)設(shè)計論文撰寫和編輯 2014年5月1日 ～ 5月8日 7 交畢業(yè)設(shè)計說明書和圖紙，答辯準備 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 [1]陳武柱,王勇,林青松,焊縫自動跟蹤技術(shù)的現(xiàn)狀及新發(fā)展, 焊管，Vol. 15(5)(1992)，1～10。 [2]陳強,路井榮,孫振國等，弧焊機器人焊炬姿態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)的 研究，第三屆計算機在焊接中的應(yīng)用技術(shù)交流會論文集，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，Vol.28(4)(1999),21～24 [4]姜煥中，焊接方法及設(shè)備（第一分冊），機械工業(yè)出版社， 北京，1981。 [5]潘際鑾，現(xiàn)代弧焊控制，機械工業(yè)出版社，北京，（2000）， 171～172。 [6]陳丙森主編，計算機輔助焊接技術(shù)（第一版），機械工業(yè) 出版社，北京，（1999），243～245。 湘潭大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表 學(xué) 號XXXXX 姓 名 XXXXX 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 焊機焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計控制設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選 題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當。 能 力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 論文質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準確，符號是否統(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，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 工作量 工作量是否飽滿，含論文篇幅、圖紙等是否達到規(guī)定要求。 綜 合 評 價 評閱人姓名（職稱）： 年 月 日 湘 潭 大 學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學(xué) 號： XXXXX 學(xué)生姓名： XXXXX 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 74 頁 圖 表 3 張 論文（設(shè)計）題目： 焊機焊縫跟蹤裝置機構(gòu)及控制設(shè)計 內(nèi)容提要： 本文介紹了一種小車結(jié)構(gòu)的、以單片機為控制核心的焊機焊縫跟蹤裝置的數(shù)據(jù)采 樣、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計 本文首先從國內(nèi)外現(xiàn)狀出發(fā)，及煤炭行業(yè)的發(fā)展狀況，對焊機焊縫控制制系統(tǒng)提 出了新的要求。再對幾種焊縫控制系統(tǒng)的比較選擇，從中選取最合適、最經(jīng)濟的作為 研究對象。并分析了其市場需求，對其可行性進行了研究，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了焊機 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算機控制系統(tǒng)主要是以單片機技術(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)計出來的。 本文主要設(shè)計是以Intel公司的高性能8位單片機8051為主控制芯片，通過對上下 焊縫跟蹤系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設(shè)計，對焊縫跟蹤控制系統(tǒng)進行了全方面的改進，使其控制 能力強，性能穩(wěn)定可靠，操作方便?？垢蓴_能力強，并以系統(tǒng)的可靠性進行了研究， 最后提出了有關(guān)不足和改進的建議。 指導(dǎo)教師評語 指導(dǎo)教師姓名（職稱）： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 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)實意義 3 第二節(jié) 國內(nèi)外研究動態(tài) 3 第二章 電動機的選擇 5 第一節(jié) 電動機型號的選擇 5 第二節(jié) 步進電機的工作原理 5 第三節(jié) 步進電機的詳細參數(shù) 6 第三章 焊接小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計 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)計計算 8 第三節(jié) 傳動齒輪的設(shè)計計算 13 第四節(jié) 小車車廂及其他零件的設(shè)計 16 第四章 單片機控制系統(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)動電路 21 第四節(jié) 步進電機驅(qū)動電路 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 焊機焊縫跟蹤裝置結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計 摘要:長直軌道焊接在工業(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，其啟動性能如何和運行速度是不是平穩(wěn)直接影響到焊接質(zhì)量。 本文設(shè)計的是一臺應(yīng)用于實際焊接場所的基于單片機控制的焊接小車，此設(shè)備主要應(yīng)用于長直軌道的焊接場所中。該焊接系統(tǒng)采用了單片機和外部硬件電路相結(jié)合的控制方式，當中單片機是該系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)首先通過控制電路輸出模擬信號，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)字信號接到單片機相應(yīng)的接口，通過編程對整個系統(tǒng)進行控制，電機前安排了驅(qū)動電路，作用于驅(qū)動步進電機，電機經(jīng)過減速器把轉(zhuǎn)矩輸送到小車的輪軸上。 在焊接自動化系統(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)對焊接速度的控制十分精確，十分精確地解決了這個問題。本文提出的采用單片機控制步進電機的方案，可依據(jù)設(shè)計需要，通過控制電路的三個相應(yīng)開關(guān)實現(xiàn)對焊接小車的轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)、停止及啟動等工作狀態(tài)進行控制，具有實時性以及交互性的特點，從而提高了焊接生產(chǎn)效率。 關(guān)鍵詞：焊接小車，單片機控制系統(tǒng)，步進電動機 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)實意義 依照國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2012年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，我國2012年粗鋼產(chǎn)量為7.2 億噸，按照我國焊接用鋼量為30%的比率計算,焊接結(jié)構(gòu)的鋼材量接近2.7 億噸。在工業(yè)發(fā)達國家，焊接用鋼量基本達到其鋼材總量59%-69%。專家預(yù)測，我國可能在今后的5到10年時間內(nèi)達到60%的水平，這就形成了對焊接生產(chǎn)效率和勞動力的可觀需求。 焊接生產(chǎn)效率的需求急需提高焊接過程的自動化和智能化水平，焊接也是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作，雖然這樣，目前我國的焊接加工基本上停留在手工、半自動焊接和有軌道的機械化生產(chǎn)的水平。依照相關(guān)資料，按熔敷金屬計算，2002年我國焊接機械化、自動化率僅僅才能達到40%，而世界工業(yè)發(fā)達國家一般都在60%多以上，由此可知我國的焊接生產(chǎn)總體上說自動化和智能化水平比較低，跟歐美、日本等一些發(fā)達國家相比存在較大差距。 通過焊接技術(shù)的發(fā)展來看，焊接自動化、機器人化以及智能化已成為一種趨勢。在市場競爭日益激烈的今天，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)展焊接過程的自動化方面特別是具有先進技術(shù)、低成本的自動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，改善勞動條件是現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展的方向。 手工焊接場合主要依靠人的眼睛和手的配合來跟蹤焊縫，但是自動焊接的場合就需要解決焊接熔池（或電?。┮恢睂蚀负缚p的問題。由此可見，隨著現(xiàn)代生產(chǎn)焊接的自動化程度越來越高和機器人焊接技術(shù)的發(fā)展，對焊縫的自動跟蹤技術(shù)的需求也越來越迫切，這主要表現(xiàn)在三個方面。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，第三焊縫自動跟蹤技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率。 二、國內(nèi)外研究動態(tài) 焊接生產(chǎn)時候自動焊接裝置或機器人焊接系統(tǒng)對焊縫的自動、實時跟蹤已經(jīng)成為自動化焊接和智能化焊接的重要內(nèi)容。近十年來，焊縫跟蹤技術(shù)的研究、應(yīng)用得到了突飛猛進的發(fā)展，特別是在焊縫傳感技術(shù)己從簡單的機械接觸、電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒘扛蟆⒕_度更高的電弧傳感、光電（視覺）傳感等方式，同時計算機信息處理也成為必不可少的輔助手段。 焊縫自動跟蹤是焊接生產(chǎn)機械化、自動化的關(guān)鍵?；趯嵺`生產(chǎn)的需要，50多年來我國在焊縫自動跟蹤方面有了長足發(fā)展，技術(shù)水平不斷提高，并取得了許多應(yīng)用成果。 我國已發(fā)展了各種類型的傳感器技術(shù)，控制坐標已從單坐標和雙坐標發(fā)展到了多坐標。50～60 年代的時候大多采用接觸跟蹤，西安交通大學(xué)和三橋機車車輛廠是中國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焊機，跟蹤精度達±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跟蹤焊機，應(yīng)用在萬噸輪的焊接上。天水電氣傳動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鋼廠合作研制的激光跟蹤裝置用于螺旋管焊接自動生產(chǎn)線等。80 年代后期，微機跟蹤和電視跟蹤技術(shù)得到了迅速發(fā)展，從而為傳統(tǒng)焊接自動化向現(xiàn)代焊接的自動化發(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)及控制方面進行了新的研究，研制出了一種空心馬達式高速旋轉(zhuǎn)的掃描電弧傳感器，對一種無道軌的自動小車成功的進行跟蹤控制，獲得了專利此外．哈爾濱工業(yè)大學(xué)成功研制了單片機控制高精度激光跟蹤系統(tǒng)。 同時西北工業(yè)大學(xué)成功研制微處理機控制熔化極脈沖窄間隙焊縫自動跟蹤系統(tǒng)等，都獲得了較好的自動控制效果。此外計算機圖像法控制技術(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)圖像的傳感器進行焊縫跟蹤的裝置。 近年來，我國的各大高校、科研機構(gòu)對焊縫跟蹤技術(shù)的研究非?；钴S，研究人員采用各種傳感方法，對不同焊接對象的焊縫跟蹤技術(shù)進行了研究?？傮w來說，我國焊接研究人員對各種焊縫跟蹤的方法進行研究，并在有些特定的應(yīng)用中獲得了成功。但是，因為各種因素，我國的焊縫跟蹤技術(shù)大部分還停留在實驗室中，在生產(chǎn)中應(yīng)用的絕大部分還是針對特定焊接對象、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，而這也正是我國在焊縫跟蹤領(lǐng)域與一些發(fā)達國家的最大差距。  第二章 電動機的選擇 一、電動機型號的選擇 正是因為步進電動機性能優(yōu)越、控制精度高等性能，以及結(jié)合本課題中選用單片機作為我們設(shè)計控制核心的特點；又因為本控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，而步進電動機具有適合應(yīng)用于開環(huán)控制系統(tǒng)，所以電動機的類型我們就選擇步進電動機。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電磁機械裝置，也是一種能把輸出機械位移增量和輸入數(shù)字脈沖對應(yīng)的驅(qū)動器件。步進電機具有快速啟動能力，只要電機的負荷沒有超過它所提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，就可以通過其輸入脈沖來控制它在一瞬間啟動和停止，步進電機的步距角和轉(zhuǎn)速只與輸入的脈沖頻率有關(guān)，和氣壓、環(huán)境溫度、振動以及沖擊無關(guān)，也不受電網(wǎng)電壓的波動和負載變化的影響，它每轉(zhuǎn)一周都具有固定的參數(shù)。步進精確和步距誤差也不會長期積累。因此，步進電機在需要精確定位的場所應(yīng)用十分廣泛。依據(jù)已知國內(nèi)焊接小車的大致尺寸，初步選定電動機的型號為55BF003。 1、步進電機的工作原理 步進電機作為一種控制用的特種電機, 旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的, 它的特點是沒有積累誤差(精度為100%), 所以廣泛使用于各種開環(huán)控制。步進電機的運行一定要有一個電子裝置對其進行驅(qū)動, 這種裝置就是步進電機驅(qū)動器, 它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M電機的角位移, 也可以說: 控制系統(tǒng)每發(fā)出的一個脈沖信號, 通過驅(qū)動器就能夠使步進電機旋轉(zhuǎn)一步距角。因此步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比。所以，只要控制步進脈沖信號的頻率，就可以對電機精確調(diào)速；只要控制步進脈沖的個數(shù)，就可以對電機進行精確定位；步進電機是機電控制中一種經(jīng)常被使用的執(zhí)行機構(gòu)，它的用途是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，簡單地說：當步進驅(qū)動器接收一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按照事先設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。通過控制脈沖的個數(shù)就可以控制角位移量，從而達到準確得定位；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速。? ????常見的步進電機分三種：永磁式（PM），反應(yīng)式（VR）和混合式（HB），永磁式步進一般是兩相，轉(zhuǎn)矩和體積都比較小的，步進角一般為7.5度?或15度；反應(yīng)式步進一般是三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般是1.5度，但是噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達國家80年代就已經(jīng)被淘汰了；混合式步進是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點。它分為兩相和五相：兩相步進角一般是1.8度而五相步進角一般是0.72度。這種步進電機在市場的應(yīng)用最為廣泛。 三相反應(yīng)式步進電機定子上均勻地有6個磁極分布，相鄰兩個磁極的夾角為60o，線圈繞過相對的兩個磁極構(gòu)成一相（A-A'、B-B'、以及C-C'）。此外各個磁極上還有5個分布均勻的矩形小齒。電機轉(zhuǎn)子上沒有繞組，上面有40個矩形小齒分布均勻在圓周上，兩個相鄰小齒之間的夾角為9o。 當其中有一相繞組通電時，相應(yīng)的兩個磁極就分別形成N-S極，從而產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路。如果這時候定子上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒沒有對齊，則在磁場的作用下，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對齊，因此使步進電機向前“走”一步。 2、步進電機的詳細參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 電流 電壓 保持轉(zhuǎn)矩 空載啟動頻率 運行頻率 接線圈 55BF003 3 1.5°/3° 3 27 0.666 1800 1 表2-1電機參數(shù) 型號 D D h d E L D MS 55BF003 55 32 25 62 205 70 40 4-M3 表2-2電機尺寸 初步計算所選步進電動機的轉(zhuǎn)速 取額定頻率f=6×10Hz，額定轉(zhuǎn)矩Md=0.27N·m。 當定子控制繞組按著一定的順序不斷地輪流通電時，步進電機就持續(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，則步進電動機的轉(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 一、 小車的工作原理 1、基本要求及主要問題 自動焊接小車機構(gòu)的基本要求是結(jié)構(gòu)緊湊、自重輕以及可控性強，主要實現(xiàn)焊條的兩個運動： （1） 焊接運動，即焊條的移動（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）焊條上下運動（Z向），作用是引弧和維持所需電弧的穩(wěn)定長度，電弧的長短直接影響焊接質(zhì)量和焊接電流。薄板長直焊縫焊接宜采用短弧，快速直線焊接，焊條不作擺動，以得到小熔池和整齊的焊接表面。 薄板焊接存在的缺點主要是容易燒穿，變形較大和焊縫成形不良等。自動焊接小車需要達到的基本要求是準確控制焊接速度、焊接位置、焊接電流和穩(wěn)定焊接電弧，能根據(jù)實際需要在焊接全過程中實施調(diào)節(jié)，維持適宜的電弧長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，步進電動機的控制指令發(fā)出，步進電機1運轉(zhuǎn)，通過蝸桿渦輪運動服（2、3）減速，渦輪2與齒輪14同軸，齒輪14與齒條15構(gòu)成移動副帶動自動焊接小車X向移動，對焊接運動的方向、速度、位置實施控制：步進電機5運轉(zhuǎn)，由于同步齒形帶6，絲桿螺母移動副7，帶動焊槍8在Z向上移動，對焊條上下運動的方向、位置實施控制、速度。絲桿螺母移動副7傳動比愈大，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的要求，但在小車設(shè)計中仍然要考慮。自動焊接小車由兩對支撐平臺12上沿X向滾動，支撐平臺固定在薄板焊接機的床身上。焊接小車示意圖如下： 1、步進電機 2、渦輪 3、蝸桿 4、小車箱體 5、步進電機 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 13、支撐滾輪 14、齒輪 15、齒條 2、 渦輪蝸桿減速器的設(shè)計計算 1、傳動零件的設(shè)計計算 （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級精度標準。來保證側(cè)隙c （2）、計算步驟 ①.按接觸疲勞強度設(shè)計 設(shè)計公式： 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d1的值 d151155120 原選參數(shù)滿足齒面接觸疲勞強度要求 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 螺旋長度 40 48 32 11.3 25.12 160 ④、熱平衡計算 （1）估算散熱面積A A=0.33=0.33=1.439 (2) 驗算油的工作溫度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）潤滑方式 根據(jù) m/s，查表7.14，采用侵油潤滑，油的運動粘度為220 ⑤、蝸輪軸的設(shè)計 （1）選擇軸的材料 選取45鋼，調(diào)質(zhì)，硬度HBS=230，強度極限為600Pa,由表查得其許用彎曲應(yīng)力為55 Pa，查《機械設(shè)計基礎(chǔ)》表10-1、10-2 （2）最小直徑估算 dmin c C查《機械設(shè)計》表11.3得 c=120 dmin120=30 根據(jù)《機械設(shè)計》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《機械設(shè)計》表 11.4取3.5 （3）結(jié)構(gòu)設(shè)計 (a)軸上零件的定位、固定和裝配 單級減速器中，可以將齒輪安排在箱體中央，相對兩軸承對稱分布，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 亦符合氈圈密封標準軸徑 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稱性，Ⅳ,Ⅴ段的長度和直徑分別與Ⅱ，Ⅰ段的長度和直徑對應(yīng)，分別為d4=20mm,L4=40mm;D5=15mm,L5=15mm (c) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 繪出軸的計算簡圖 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 （1）軸的材料選擇 選取45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=230，強度極限為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 ，對稱循環(huán)變應(yīng)力時的許用應(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 按軸的結(jié)構(gòu)和強度要求選取軸承處的軸徑d=30mm,初選軸承型號為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,長度尺寸根據(jù)中間軸的結(jié)構(gòu)進行具體的設(shè)計，校核的方法與渦輪軸的校核類似，經(jīng)過具體的設(shè)計與校核，得該蝸桿軸的結(jié)構(gòu)式符合要求的，是安全的。 三、 傳動齒輪的設(shè)計計算 1、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) (1) 按焊接小車運轉(zhuǎn)的實際需要，選用斜齒圓柱齒輪傳動 (2) 焊接小車為一般工作機，速度不高，故選用7級精度（GB10095—88） (3) 材料選擇。由《機械設(shè)計》表10-1選擇齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS, (4) 兩傳動齒輪的齒數(shù)都選定為20 (5) 選取螺旋角為=16° 2、按齒面接觸強度設(shè)計 按式試算，即 （1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 ①試選 ②由《機械設(shè)計》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） 計算 ①試算齒輪分度圓直徑，由計算公式 ②計算式圓周速度 ③計算齒寬b模數(shù)。 ④計算縱向重合度 ⑤計算載荷系數(shù)K 已知使用系數(shù)=1，根據(jù)速度，精度等級，由《機械設(shè)計》圖10-8查得動載系數(shù)=1.11， 由表10-4查得=1.42 由圖10-3查得==1.4.故動載系數(shù) K==11.111.42=2.21 ⑥按實際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑，由式（10-10a）得 ⑦計算模數(shù) 3、按齒根彎曲強度設(shè)計 由式（10-17） (1)確定計算參數(shù) ①計算載荷系數(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計算當量齒數(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 計算齒輪的 = ⑦設(shè)計計算 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的法面模數(shù)大于按齒根彎曲疲勞強度計算的法面模數(shù)，取=6，已可滿足彎曲強度。但為力同時滿足接觸疲勞強度，需按接觸疲勞強度算的分度圓直徑=136.5mm來計算應(yīng)有的齒數(shù)。于是 由 取Z=10，由 = 4、幾何尺寸的計算 （1）計算中心距 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)計算分度圓直徑 （4）計算齒輪寬度 圓整后去B=60mm (5)結(jié)構(gòu)設(shè)計 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 1、小車車廂鑄造箱體的主要結(jié)構(gòu)尺寸 （1） 車廂長為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)軸器的選擇與計算 高速軸輸入端的聯(lián)軸器 計算轉(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 對鍵的強度進行校核，鍵同樣采用45鋼。鍵的工作長度 ，按公式的擠壓應(yīng)力 合格。所以高速級選用的聯(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)過校核計算，選用的鍵是符合聯(lián)結(jié)的強度要求的，具體的計算過程與上面相同。 （5） 小車車輪幾何尺寸的設(shè)計 根據(jù)焊接小車在實際場合的應(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滑 減速器中渦輪和軸承都需要良好的潤滑，起主要目的是減少摩擦磨損和提高傳動效率，并起冷卻和散熱的作用，另外，潤滑油還可以鋼制零件銹蝕和降低減速器的噪聲和振動等。 本設(shè)計選取潤滑油溫度t=40°C時的蝸輪蝸桿油，渦輪采用浸沒潤滑，浸油深度約為1個螺牙高，但油面不應(yīng)高于蝸桿軸承最低一個滾動體中心。 第四章 單片機控制系統(tǒng) 按照安裝位置和控制功能，可以講設(shè)計分為五部分：傳感器線路，CRT顯示及控制線路，步進電機驅(qū)動電路，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，其他部分在控制臺內(nèi)。整個系統(tǒng)采用兩個單片機進行控制，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)。他們各自獨立工作，通過串行口進行數(shù)據(jù)通訊和協(xié)調(diào)動作，由于在協(xié)調(diào)動作時，以傳感器線路中的8031為主，所以稱之為主機，所以另一片8031為從機。省去從機并不影響主機的動作，只是當主機查詢到從機不存在時，自己輸出步進電機控制信號。 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） 光源 控制 線路 步進電機1 步進 電機 驅(qū)動 電路 步進電機2 電 源 控制臺 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。當未選用CRT顯示及控制部分時，它還會自動輸出步進電機控制信號。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8031小系統(tǒng)、CCD及其驅(qū)動電路、信號預(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 光源控制信號輸出 信 號 預(yù) 處 理 電 路 C D D 及 驅(qū) 動 電 路 控制線 I /O 接口 及 處 理 電 路 DB 通訊線 控制線 （當不采用從機時，此為步進電機信號輸出口） 傳感器線路框圖 2.1主機8031小系統(tǒng) 這部分是整個跟蹤系統(tǒng)的指揮中心，而且還承擔著信息的采集處理等工作。我們選用了80C31單片機芯片，配以16KEPROM、2K外部RAM，組成了一個8031小系統(tǒng)。 3.CDD及其驅(qū)動電路 電荷禍合器件(eharge一eoupleddeviees)簡稱CCD，是1970年在MOS工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型半導(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)下依靠勢井轉(zhuǎn)移電荷信息的，具有獨特工作機構(gòu)的器件，主要有三個方面的用途:攝像、信息處理、信息存儲。下面就簡要介紹一下它作為攝像器件時的工作原理。簡單說來，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。當透鏡將來自景物的光聚焦到CCD的光敏面上時，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度成正比。此時，若在CCD電極上施加適當?shù)臅r鐘電壓，那么就會在半導(dǎo)體和絕緣層的界面上造成“深井”一“勢井”。此時，光生信號電荷包就滾入“勢井”中存儲起來。若在相鄰電極上施加適當?shù)臅r鐘電壓，在該電極下又會出現(xiàn)不同深度的“勢井”，于是光生電荷包就會從原來的勢井中轉(zhuǎn)移到這個勢井中。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圖像傳感器實質(zhì)上是一種能進行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號電荷作短暫存儲后再轉(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)動電路 我們選用的是國產(chǎn)256xl線陣CCD，由于生產(chǎn)單位提供的驅(qū)動電路較為復(fù)雜，器件多，體積大，而且與其它線路及計算機的協(xié)調(diào)動作也有一定的困難，不適移植到本系統(tǒng)中，所以我們專門設(shè)計了CCD驅(qū)動電路。驅(qū)動CCD需要一組直流源和六個時鐘脈沖。這六個時時鐘脈沖是:轉(zhuǎn)移時鐘。x、復(fù)位時鐘中R、三相傳輸驅(qū)動時鐘(中1、中2、中3)以及胖零時鐘。i。我們設(shè)計的CCD驅(qū)動電路如圖5.3所示。六個時鐘脈沖由8031的軟件發(fā)生、Pl口輸出。經(jīng)過芯片74HC245整形，驅(qū)動能力放大后，送去驅(qū)動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)動電路 4. 步進電機驅(qū)動電路 步進電機驅(qū)動電路，是主要用來放大來自控制系統(tǒng)的步進電機控制信號，使之達到驅(qū)動步進電機要求的電路。在功率放大中，采用了MOS管。另外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，用光電禍合器進行了線路隔離。我們采用的是兩個三相六拍式步進電機。這部分電路的電路圖如圖5.7所示。 40vv ＋15v 至步進電機的A1 A1 光電耦合器 B1 步進 C1 電機 A2 控制 B2 信號 C2 步進電機驅(qū)動電路 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) 我們設(shè)計的電路系統(tǒng)具有下述特點: 1.抗干擾性能強，工作可靠; 2.系統(tǒng)整體同步性好，易于控制; 3.系統(tǒng)較為簡單，功能強; 4.系統(tǒng)設(shè)計為模塊結(jié)構(gòu)，便于改進與維修 第五章 總結(jié)與展望 一、總結(jié) 在將近半年的時間里，我針對我的課題“單片機控制的焊接小車系統(tǒng)設(shè)計”展開了一系列調(diào)研，完成了畢業(yè)設(shè)計，基本達到了當初的設(shè)計目的以及設(shè)計任務(wù)書中的要求。在設(shè)計過程中，通過大量的文獻查詢和老師的啟發(fā)，使我對本課題及相關(guān)的知識有一定的了解，尤其對單片機應(yīng)用于焊接設(shè)備的知識有了較深入的了解，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了一個良好的基礎(chǔ)，使自己能將所學(xué)真正應(yīng)用到實際工作中；通過查閱文獻資料，使我鞏固了所學(xué)的書本知識，擴大了知識視野，增長了見識；通過本次設(shè)計，使自己真正學(xué)會了獨自解決問題的方法，這將使我受益終身 。 在設(shè)計中得到李衛(wèi)老師的悉心指導(dǎo)。他對學(xué)生要求嚴格，同時真誠地關(guān)心、幫助每一位同學(xué)，他和同學(xué)亦師亦友的關(guān)系使我們在輕松的氛圍中完成了工作，學(xué)到了知識。他注重對學(xué)生各方面能力的培養(yǎng)，能耐心細致的對我們進行指導(dǎo)，在此對李老師表示深深的謝