耐磨钢板堆焊机单片机控制器设计.docx
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耐磨钢板堆焊机单片机控制器设计
中文题目:
耐磨钢板堆焊机单片机控制器设计
外文题目:
THEDESIGNOFSINGLECHIPCONTROLLEROF
WEAR-RESISTINGSTEELPLATEWELDINGMACHINE
毕业设计(论文)共74页(其中:
外文文献及译文18页)图纸共1张
完成日期2011年6月答辩日期2011年6月
摘要
随着焊接生产对设备自动化要求的提高,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,使用效果差,堆焊劳动强度大,工作环境恶劣,效率低,能耗高。
因此,设计一种自动堆焊设备有非常重要的意义。
本论文采用CO2气体保护焊工艺,以单片机为控制中心设计一种耐磨钢板堆焊控制系统,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AT89S52单片机为控制中心的焊接时序电路和晶闸管直流调速系统。
软件程序用C语言写成。
利用软硬件结合,实现焊接的时序控制以及满焊和定位焊两种焊接方式。
本控制系统具有以下优点:
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,综合成本低等优点。
因此,本控制系统具有良好的实用价值。
关键词:
堆焊;CO2气体保护焊;自动控制;单片机
Abstract
Withtheimprovingofautomaticweldingmaehine,theautomatizationofhardfacingwe1dingfacilitybecomeanurgentprob1emwhichweshouldresolveassoonaspossible.Hardfacingweldingwithhandisatypeofworkwhichisswinked,high-drainandlowproduetiveefficiency.Sodesigningakindofautomatichardfacingweldingequipmentwithcost-effeetiveappoachestoimproveproduetivityandworkconditionswillhaveabigmarket.
ThisthesisstudiesakindofautomaticplanehardfacingweldingcontrolsystemwithCO2weldingtechnique.Itscontrolcenterissinglechipanditmakesthewholeproeessingautomatically.Italsocanautomaticallyweldtheworkpiecewhichisfrayedabnormallyorfrayedwithdifferentsize.Thispaperintroducedthedesignmethodandresearchprocessofthecontrolsystem,ineludinghardwaredesign,softwaredesignandsoon.Thehardwarecireuitsineludethyristordirectcurrentspeed-goveningsystemandtheweldinglogiccontrolcircuitscontrolledmainlybyAT89S52siglechip,andbesides,thecircuitshavesomemeasuresofanti-jamming.ThesoftwareiswrittenbyClanguage.Withsofthardware,thecontrolsystemcanachievetwokindsofweldingmethods,fullweldingandorientationweldingbyweldproeessinglogicautomaticcontrol.
Thissystemhavethefollowingfeature:
Workingcontinuouslywithhighlyautomaticdegree;Havinghighstabilityandefficieney;Easilyoperatedwithlowlaborintensity;Gettingrawmaterialseasilyandproeessingwithlowcost.Withtheseadvantagesthissystemwillhavehighpractiealvalue.
Keywords:
hardfaeingwelding;CO2welding;automaticcontrol;singlechip
0前言
随着各种机械制造业迅猛发展,焊接技术已在生产建设的应用中日趋广泛。
但是以往的人工焊接劳动量大;速度慢;生产效率低;根本无法满足生产的需要。
所以提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率己成为所有焊接工作者的强烈愿望。
提高焊接对生产设备的自动化要求,使焊接智能化,也成了一个亟待解决的问题。
近几年,我国在堆焊技术上做了许多研究,但仍然没有满意的产品诞生,能实现自动堆焊的设备很少,效果和普及程度也不佳,不能满足现阶段我国国情的发展。
所以对我国来讲研发出一个智能化的堆焊机势在必行。
本论文采用CO2气体保护焊工艺,以单片机为控制中心设计一种耐磨钢板堆焊控制系统。
改善了以往工人劳动条件及劳动环境,劳动强度大大下降,设备简单、原材料供应方便,具有良好的经济价值。
选取合适的焊接电源,采用单片机控制及CO2焊接工艺,软硬件并用,实现送丝速度、焊接速度和焊缝间距的调节、焊接时序控制以及焊车的行走、满焊、定位焊、预停、急停/复位等功能。
送丝速度和焊接速度的调节采用晶闸管电压负反馈调速系统;焊缝间距的调节利用一个BCD拨盘将信号反馈给单片机,通过单片机的程序来控制;焊接时序控制和焊车的行走方式由软硬件结合实现。
利用此耐磨钢板堆焊控制系统,堆焊层质量好,抗锈、抗裂能力强,缩短了焊前准备工作时间和其他辅助工作时间,堆焊过程连续,生产效率高,能耗及综合成本低。
改善了工人劳动条件及劳动环境,劳动强度大大下降,可以灵活地解决磨损程度不同和以及待焊区尺寸不同的问题,设备简单、原材料供应方便,具有良好的经济价值。
本控制系统和其他机械设备适当配合,也适用于圆环面的堆焊。
1概述
1.1堆焊技术的发展
1.1.1堆焊的主要发展与应用
堆焊技术在我国起源于20世纪50年代末,几乎与焊接技术同步发展。
发展初期主要用于修复领域,即恢复零件的形状尺寸,60年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合,改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大,堆焊技术从修理业扩展到制造业,90年代受先进制造技术理念的影响,堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术(NearNetShape)引起了制造业的广泛关注,这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志。
堆焊技术在我国经历近50年的风雨历程,不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法,而且成为先进制造技术的发展基础。
堆焊焊接质量稳定,生产效率高,易于实现机械化、自动化的焊接方法。
因此,自19世纪末问世以来得到了迅速发展,广泛地用于航空航天,汽车车辆,轻工家电等行业。
特别是近年来,随着汽车工业等现代化大批量生产企业的不断增加,电阻焊接方法在整个焊接领域中的比例也在增加,而且其应用领域也在不断的扩大。
堆焊技术在我国近50年的发展历程中,为基础工业的崛起和发展作出了重要贡献,其应用遍及机械、能源、交通、电力和冶金工业等领域。
1.1.2自动堆焊的现状
堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面,以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。
因此,堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位,亦可用于强化材料或零件的表面,其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。
因此,国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视,各工业发达国家的相关学术机构均设置了专门委员会,以协调和促进堆焊技术的发展。
与堆焊技术的国际发展前沿相比较,我国在堆焊基础理论方面(如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等)并不落后于工业发达国家,但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距,我国堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”,而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”,因此,无论是堆焊材料的品种和质量,还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发展和提高。
但目前,世界各国都着重于提高焊接生产的机械化和自动化水平,尽量采用各种高效率的机械化、自动化的焊接方法、焊接设备及控制系统。
随着计算机技术的迅猛发展,各种焊接设备的智能化成果与产品已大量涌现出来,这是焊接设备的一个发展方向,也是焊接生产现代化的必然趋势。
就我国来看,近几年在堆焊技术上做了许多研究,但仍然没有满意的产品诞生,能实现自动堆焊的设备很少,效果和普及程度也不佳,不能满足现阶段我国国情的发展。
所以对我国来讲研发出一个智能化的堆焊机势在必行。
1.2课题的提出
依照我国目前国情来看,随着科技的进步,各种机械制造业迅猛发展,堆焊技术已在生产建设的应用中日趋广泛。
但是人工焊接劳动量大,速度慢,生产效率低,根本无法满足发展的需要。
所以提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率己成为所有焊接工作者的强烈愿望。
提高焊接对生产设备的自动化要求,使焊接智能化,也成了一个亟待解决的问题。
但就总体而言,目前我国能实现自动堆焊的设备很少,而且堆焊劳动强度大,工作环境恶劣,效率低,能耗高等,使用效果较差。
为解决此等问题,本设计研发了一种以单片机为控制中心的耐磨钢板堆焊控制系统,实现以CO2为保护气体的焊接。
设计中包括硬件设计和软件设计,硬件电路部分主要包括以AT89S52单片机为控制中心的焊接时序电路和直流调速系统,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。
是采用自动控制技术达到上述目的的正确途径。
1.3自动堆焊机与以往堆焊相比的优点
首先,以往我国能实现自动堆焊的设备很少,而且使用效果差,堆焊劳动强度大,工作环境恶劣,效率低,能耗高。
而利用此自动堆焊控制系统,堆焊层质量好,抗锈、抗裂能力强,缩短了焊前准备工作时间和其他辅助工作时间,堆焊过程连续,生产效率高,能耗及综合成本低。
改善了工人劳动条件及劳动环境,劳动强度大大下降,可以灵活地解决磨损程度不同和以及待焊区尺寸不同的问题,设备简单、原材料供应方便,具有良好的经济价值。
其次,由于国产堆焊机的性能还不能满足使用要求,因此国内所用堆焊机主要依赖于进口。
近几年来,通过引进国外先进的焊接技术,我国堆焊技术很多方面已经可以和国外相媲美。
但是,引进价格和运行费用太高,不能成为我国发展焊接技术的唯一途径,我们只有依靠自己的力量借鉴国外的经验研制开发、确立自己的核心技术和知识产权,为将来进一步发展打下坚实的基础。
基于上述的原因,在我国对智能耐磨钢板堆焊机单片机控制器展开研究是十分有意义的。
1.4控制任务
选取合适的焊接电源,采用单片机控制及CO2焊接工艺,软硬件并用,实现送丝速度、焊接速度和焊缝间距的调节、焊接时序控制以及焊车的行走(满焊、定位焊、预停、急停/复位)等功能。
本设计通过单片机的程序来控制、焊接时序控制和焊车的行走方式由软硬件结合实现。
具体过程如下:
1)总控开关负责所有电器的控制,总控开关打开后供气供电、电焊机启动。
2)面板上的控制按钮要实现手动和自动的转换。
3)按下工作按钮后送丝电机开始工作,通过检测电焊机输出端的电压来控制送丝电机的正反转,引弧后3秒钟摆动电机开始工作,继续延时3秒后小车行走电机开始工作。
4)送丝及小车行走电机设行程开关。
控制面板设紧急停车按钮。
当行程开关或紧急停车按钮工作时,电焊机立即关闭,关闭所有电机。
5)自动焊工作时可手动调节弧高。
6)各电机为调速电机,自动焊工作时可随时调节速度。
7)自动焊停车2-3秒钟后停止供气。
8)停车后控制柜处于起始状态。
由单片机控制系统操纵控制电机驱动X轴、Y轴、Z轴带动焊枪分别做左右方向的往复运动、由前到后往复运动和送丝运动。
1.5控制系统要实现的功能
1)焊车的行走方式
满焊:
目的是堆焊出具有特殊性能的堆焊层或对磨损均匀的平面全面满堆。
系统设定机器的最大堆焊长度(如图1-1X方向的行程),焊车能按照图1-1的走向自动焊接,并在最后一条焊道的任何位置按下“预停”键时,焊车继续焊完此焊道后自动停机。
即其工作过程是:
1—2—3—4—5—6—7—8—9—10—11—按预停键—12—结束;
或:
12—11—10—9—8—7—6—5—4—3—2—按预停键—1—结束。
其中,1-12的轨道是摆动电机摆动时的焊接轨迹。
呈锯齿状,提高焊接效率。
图1-1满焊的两种方式
Fig.1-1Twowaysoffullweld
定位焊:
由于工件磨损程度不一致,偏磨段需要多层焊接,所以焊机设置定位功能,用于焊接偏磨段。
定位焊目的是只堆焊待焊平面的某一偏磨段。
焊车从偏磨段的一端开始焊接,待焊车运动到偏磨段的另一端时,只按一次操作控制面板上的“定位”按钮,控制系统自动记录起点和定位点的位置数据,并指挥焊车在起点和定位点之间自动往返焊接,在偏磨段最后一条焊道的任何位置按下“预停”键时,焊车继续焊完此焊道后自动停机。
如图1-2。
其工作过程是:
1—2—按“定位”按钮—3—4—5—6—7—按预停键—8—结束;
或:
8—7—按“定位”按钮—6—5—4—3—2—按预停键—1—结束。
图1-2定位焊接的两种方式
Fig.1-2Twowaysofpositioningwelding
2)进行堆焊的过程中,能调节送丝速度、焊接速度和焊缝间距并实现送丝机和焊车电机的无级调速。
3)实现焊接时序控制,即开焊接电源一送气一送丝一焊车行走一停丝一停气一关电源。
2系统指标及对设备的要求
2.1系统指标
2.1.1过程指标
焊接过程操作自动化,只需输入相应指令,就可实现引弧、熄弧、熔宽、焊缝搭接等参数的自动完成;控制系统的作用是对CO2焊的供气、送丝和供电等过程系统实现控制。
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1-2s,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2-3s,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。
2.1.2技术工艺参数
1)熔宽:
0~40mm。
2)熔深:
1.5~4mm。
3)焊接速度:
在电弧电压一定的情况下,焊接速度加快则焊缝的熔深、熔宽和余高都减小,焊道成为凸形。
焊接速度再加快,在焊趾部出现咬边。
进一步提高焊速时将出现驼峰焊道。
相反,焊速过低,熔池中液态金属将流到电弧的前面,电弧在液态金属上面燃烧,从而使焊缝熔合不良,形成末焊透。
所以通常焊接速度多为30~50cm/min。
4)焊枪摆动速度:
0~120次/min内任意可调,焊枪节进由单片机控制,搭接量±(0-3)mm,左右停留时间0~2s可调。
5)焊丝直径:
1.6mm。
根据焊件的情况,首先应选择合适的焊丝直径。
各种直径的焊丝都有其适用的电流范围。
细丝适用于较小的电流,而粗丝用于较大的电流。
一般小于直径1.2mm的焊丝主要的熔滴过渡形式为短路过渡,适用于薄板、打底焊和全位置焊。
直径大于1.2mm的焊丝主要的熔滴过渡形式为潜弧射滴过渡,适用于厚板和填充焊缝[11]。
6)焊接电流:
CO2焊时电流的大小是由送丝速度来调节的,送丝速度越快则电流也越
大,反之亦然[11]。
7)电弧电压:
CO2焊电弧静特性是上升特性,为保持一定的弧长,随着电流的增加,电弧电压也应增大。
电弧电压的高低是由焊接电源调节的。
电弧电压是决定焊缝熔宽的最主要的因素。
因为电弧电压越高。
电弧笼罩范围也越大。
于是熔宽增加,而熔深、余高却减小。
电弧电压也反映了弧长的大小。
电弧电压越高,弧长也越大,则焊枪喷嘴到焊件的距离也越大,气体保护效果也变差。
当电弧电压过高时,易生成气孔[11]。
2.2焊机对设备要求
2.2.1弧焊电源的选择
在生产中,应根据工件的材料、尺寸、机加工手段和工件的价值来选择弧焊电源。
在本系统中,为了使系统具有较高的可靠性和良好的经济性,通常情况下系统所配电源为国内非常成熟的晶闸管电源(也可根据不同的需要配置其他系列的弧焊电源)。
晶闸管电源焊接电流的上升速度与以往的机型相比提高了4.5倍,实现了短时间内的高品质焊接;焊接电流由晶闸管式电源直接控制,不需要焊接变压器;在正式通电流之前可以用检测电流对工件的有无、以及工件的状态进行确认。
CO2焊接电源的主要焊接参数有焊接电流与电弧电压。
在等速送丝系统中,焊接电流主要由送丝速度决定,大体上成正比关系。
最小送丝速度Vfmin对应着最小电流Imin,而最大送丝速度Vfmax对应着最大电流Imax。
而电弧电压主要由电源外持性决定。
在电弧自身调节系统中,电源外特性应采用缓降或平的外特性。
因此本设计选取缓降电源外特性且外特性可调的焊接电源,本设计选择的电源是型号为MDB-2000B晶体管式精密焊接电源[11]。
2.2.2对堆焊机床的要求
堆焊机床的任务是提供主轴的升降、焊枪的移动和焊丝的送进等三个运动。
这三个运动分别由小车的电机和送丝电机拖动。
对不同的焊按方法和几何尺寸相差较大的工件,堆焊机床可作相应的调整,以满足不同的需要。
2.2.3对小车、送丝电机驱动电路的要求
对小车、送丝电机,采用相同结构的驱动电路。
为了保证上述电机运行的稳定性,其驱动电路均采用晶闸管整流,并引入电枢电压负反馈和电枢电流正反馈。
晶间管导通角的控制采用集成触发器,从而保证了控制的可靠性和精度。
2.2.4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。
1)在规定的送丝速度范围内,电网电压在额定值
10%波动时,送丝速度的变化率不超过
5%[11]。
2)装置从冷状态工作到热状态时,送丝速度变化率不超过
5%[11]。
3)在规定的送丝速度范围内,当送丝牵引力由额定值的50%变化到100%时、送丝速度的变化率不超过5%[11]。
此外,在ZBJ64004—1988还规定,在推丝式或推拉丝式CO2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400mm一圈情况下,送丝速度变化率不大于10%[11]。
2.2.5对气体流量的要求
CO2焊是利用CO2气体的屏蔽作用实现保护的。
影响保护的主要因素有:
气体流量、喷嘴高度及风的大小。
气体流量与电流有关,在大电流时为20-25L/min,在短路过渡焊接时为8-15L/min。
在工作地环境有风时,应适当增大气体流量。
当流量较大时,可能造成保护气体紊乱。
为此应适当增大喷嘴直径,以便在大流量时仍可获得稳定的层流。
通常实芯焊丝CO2焊时,为得到可靠的保护效果,风速的上限定为2m/s。
如果风速超过这一上限值,则应当采取必要的防风措施[11]。
表1-1CO2气体流量和风速上限的关系
Tab.1-1RelationshipbetweenthegasflowofCO2andthesuperiorlimitofwindspeed
喷嘴直径/r/mm
16
22
CO2流量/L/min
25
30
35
25
30
35
风速上限/m/s
2.1
2.5
3.0
1.1
1.4
1.7
3焊机设备的选择
3.1焊机机械结构
为实现满焊和定位焊两种焊车行走方式,焊机的机械系统需包括送丝系统和一个焊接工作台。
焊接工作台用于实现焊车的运动以及摆放、夹持工件,焊车能够在X和Y方向上自动往返行走,为此需选用合适的机械传动方式和合适的电机。
综合焊接工艺对送丝机的要求以及他励直流电机的机械特性,本设计选用他励直流电机;又根据机电一体化对机械传动的要求和滑动螺旋传动的特点,机械传动方式选用滑动螺旋传动将电机的旋转运动转换为直线运动。
3.2工作台的选择
3.2.1工作台的组成
焊接工作台主要由左右拖板、前后拖板、焊枪调整机构组成,如图3-1。
根据直流电机和螺旋传动的特点,前后拖板和左右拖板采用他励直流电机和滑动螺旋传动相结合实现焊车在X和Y方向的往返运动并保证有足够的传动力。
焊枪调整机构实现在Z方向上的调整。
同时,焊枪上设置摆动电机,是焊道宽度加宽,挺高焊接效率。
X方向:
由他励直流电机通过左右拖板内的滑动螺旋丝杠副的传动使焊车沿X方向作往复运动,这是堆焊的主要动作。
X方向的行程决定于左右拖板内丝杠的有效行程。
Y方向:
由他励直流电机通过前后拖板内的滑动螺旋丝杠副的传动使焊车沿Y方向作间隙运动,即当焊车焊完一道焊缝开始反向时,前后拖板起动,载着焊车沿预定的方向移动指定的距离,使焊车指向新焊道,并使相邻焊道重叠焊缝宽度的1/3-1/2。
Y方向的行程决定于前后拖板内丝杠的有效行程。
Z方向:
由送丝电机电机、独立焊枪升降机构、焊枪间距调整机构等实现焊枪Z轴上的调整。
在焊接时,焊接速度即为焊车的行走速度,因此要求焊车在实现焊车在X和Y方向的自动往返运动的同时必须保证有足够的传动力,使焊车行走十分平稳。
另外,机电一体化对机械传动的要求为:
精密化、高速化、小型化、轻量化。
所以设计焊接工作台时,在满足使用要求的前提下,尽量满足上述基本要求。
3.2.2工作台的构造
图3-1工作台结构图
Fig.3-1Structureoftheworkbench
3.3滑动螺旋传动
3.3.1滑动螺旋传动原理
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。
当螺旋不自锁时,也可以将直线运动变成旋转运动。
根据螺纹副摩擦性质不同。
螺旋传动可分为滑动螺旋传动、滚动螺旋传动和静压螺旋传动[13]。
图3-2滑动螺旋传动简图
Fig.3-2Slidingscrewtransmissiondiagram
滑动螺旋传动的方式为螺杆转动,螺母移动,螺旋副采用单线螺纹,螺距P定为4mm,左右拖板螺杆的有效行程为500mm,前后拖板螺杆的有效行程为3O0mm。
因为左右拖板滑动螺旋丝杆副的结构和强度都能满足上拖板的传动要求,为加工制造方便,拖板螺旋丝杆副的螺纹牙型、公称直径d、牙型角a、螺距P、螺母高度H、旋合圈数z、螺纹的工作高度h、螺纹的牙底宽度b和下拖板的螺旋丝杆副相同。
3.3.2滑动螺旋传动的特点
滑动螺旋丝杆副接触面间是滑动摩擦,与齿轮齿条传动相比具有如下特点:
1)降速传动比大。
对单线螺旋而言,螺杆(或螺母)转动一圈,螺母(或螺杆)移动一个螺距,螺距一般很小,所以每转一圈
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