CO2焊接自動送絲機的設計【含CAD圖紙和說明書】
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課題名稱
基于單片機8051的CO2焊接自動送絲機設計
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畢業(yè)設計（論文）工作進度內容及比重
已完成主要內容
比重（%）
待完成主要內容
比重（%）
英文翻譯，開題報告，總體方案設計
40%
說明書及單片機程序設計，圖紙繪制
60%
存在問題及問題的解決情 況
送絲機機構設計存在部分問題，通過查閱資料，與老師的討論分析進行合理的改善。單片機程序設計有待提高，通過鉆研理論知識并結合生產實踐進行現場論證。
基于單片機8051的CO2焊接自動送絲機設計
目錄
摘要 4
1緒論 6
1.1送絲焊機概述 6
1.2送絲焊技術 6
1.2.1 送絲焊原理及特點 6
1.2.2 送絲焊的主要優(yōu)點 7
1.3送絲自動焊機分類和結構特點 8
1.3.1送絲焊的分類 8
1.3.2送絲焊的結構特點 8
1.3.焊接自動送絲機 8
2.機械部分 9
2.1送絲進給系統(tǒng)方案設計 9
2.1.1 齒條、支撐桿、平衡桿的設計及校核 9
2.1.2 送絲進給齒輪的設計計算 15
2.1.3蝸桿的設計和校核計算 18
2.1.4送絲進給軸的設計及校核 20
2.1.5軸承校核 25
2.1.6 步進電動機的計算和選用 26
2.2 擺動機構方案設計 27
2.2.1整體方案設計 27
2.2.2 送絲的結構設計 28
3、微機數控系統(tǒng)硬件電路設計 30
3.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖 30
3.2選擇中央處理單元CPU的類型 30
3.2.1. 8051芯片引腳介紹 30
3.3 I/O口擴展 32
3.4 存儲器的擴展 33
3.4.1 程序存儲器的擴展 33
3.4.2數據存儲器的擴展 34
3.5 上位機與單片機的通訊接口電路 35
3.6步進電機接口及驅動電路 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開關接口的設計 38
4 論文總結 40
致 謝 41
參考文獻 42
摘要
現在市場應用最多的焊接自動送絲機，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，并且有時要求可以焊接曲線角焊縫，這樣直線送絲焊機就沒辦法完成這樣的要求任務。本設計通過對焊接自動送絲機的數控化改型，利用單片機同時控制X,Z方向的步進電機，兩軸聯(lián)動通過插補使得送絲焊機按預定的軌道行走，從而完成任意曲線的焊接，同時也便于實現遠程自動控制。
關鍵詞:送絲焊接；曲線焊縫；數控化
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送絲焊機概述[1]
焊接是指通過適當的物理化學過程使兩個分離的固態(tài)物體產生原子（分子）間結合力而連接成一體的連接方法。被連接的兩個物體（構件、零件）可以是各種同類或不同類的金屬、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。金屬連接在現代工業(yè)中具有很重要的實際意義。
送絲焊接是當今生產效率較高的機械化焊接的方法之一，全稱是送絲自動焊，又稱焊劑層下自動電弧焊。
1.2送絲焊技術
1.2.1 送絲焊原理及特點
送絲焊是電弧在焊劑保護層下進行燃燒焊接的一種焊接方法。送絲焊時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,焊接時沒有弧光輻射，減輕對操作者身體的傷害。焊劑在燃燒時的冶金作用下焊縫得到有效的保護，使焊縫不產生氣孔，夾渣等缺陷，焊縫質量較高。送絲焊的小車（焊車）都裝有自動變速送絲機構和行走機構，焊接時自動送絲及行走，焊縫成型美觀，生產效率高，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。電弧向前移動時，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。熔渣除了對熔池和焊縫金屬起機械保護作用外，焊接過程中還與熔化金屬發(fā)生冶金反應，從而影響焊縫金屬的化學成分。
送絲焊時，被焊工件與焊絲分別接在焊接電源的兩極。焊絲通過與導電嘴的滑動接觸與電源聯(lián)接。焊接回路包括焊接電源、聯(lián)接電纜、導電嘴、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，因而焊絲應連續(xù)不斷地送進，以保持焊接過程的穩(wěn)定連續(xù)進行。焊絲的送進速度應與焊絲的熔化速度向平衡。
1.2.2 送絲焊的主要優(yōu)點
1）所用的焊接電流大，相應的電流密度也大。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 的鋼板對接焊為例，單絲送絲焊速度可達50～80cm/min，手工點弧焊則不達10～13cm/min。
3) 焊劑的存在不僅能隔開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間進行冶金反應，減少了焊縫中產生氣孔，裂紋等缺陷的可能性。焊劑還可以向焊縫金屬補充一些合金元素，提高焊縫金屬的力學性能，滿足石油工業(yè)特別是井下作業(yè)的需求。
4）在有風的環(huán)境中焊接時，送絲焊的保護效果比其他電弧焊方法好。對環(huán)境的要求較低，適合野外作業(yè)。
5）自動焊接時，焊接參數可以通過自動調節(jié)保持穩(wěn)定。與手工電弧焊相比，焊接質量對焊工技藝水平的依賴程度可大大降低。
6）沒有電弧光輻射，勞動條件較好，可以較好的滿足QHSE要求。
7）焊縫質量高。因為熔渣隔絕空氣的保護效果好，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，焊接參數可以通過自動調節(jié)保持穩(wěn)定，對焊工技術水平要求不高，焊縫成分穩(wěn)定，機械性能比較好。
8)勞動條件好。除了減輕手工焊操作的勞動強度外，它沒有弧光輻射，這是送絲焊的獨特優(yōu)點。
送絲焊的眾多優(yōu)點決定了其在工業(yè)中的重要應用。[1]
1.3送絲自動焊機分類和結構特點
1.3.1送絲焊的分類
1)按用途分為通用和專用焊機。前者可以廣泛用于各種結構的對接、角接、環(huán)縫和縱縫等焊接生產；后者則只能用來焊接某些特定的金屬結構和焊縫。
2)按送絲方式分為等速送絲式和電弧電壓調節(jié)式焊機。前者適用于細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)按行走機構形式分為小車式、門架式、懸臂式三種。通用送絲自動焊機大都采用小車式行走機構，就屬于這種結構形式。
4)按焊絲數量分為單絲、雙絲和多絲焊機。目前國內大多用的是單絲焊機，雙絲和多絲焊機是提高生產率和質量的有效途徑，正日益收到重視。
1.3.2送絲焊的結構特點
1)機械結構。包括：送絲機頭、行走小車、機頭調節(jié)機構、導電嘴、焊劑回收器等。
2)電源?？刹捎媒涣骰蛑绷麟娫催M行焊接，可根據產品焊接要求及焊劑型號選擇電源。
3)控制系統(tǒng)。包括：電源外特性控制、送絲和小車拖動控制及程序自動控制（其中主要是引弧和熄弧自動控制）。
1.3.焊接自動送絲機
送絲自動焊機為發(fā)電機-電動機系統(tǒng)弧壓反饋調節(jié)式，一些采用晶閘管控制的送絲焊機也開始用于生產。
用途：可以焊接開坡口或不開坡口的對接焊縫、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、焊接小車拖動電路、送絲拖動電路組成。
2.機械部分
2.1送絲進給系統(tǒng)方案設計
2.1.1 齒條、支撐桿、平衡桿的設計及校核
焊接機頭重G1=150N，當加入焊劑的時候，焊劑中大部分是二氧化硅，密度為2.6g/cm，還有一些其它物質和空隙，可以設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，機頭總重G=300N，且距齒條桿末端距離為200mm，設齒條與平衡桿的移動速度比為2，而設計要求焊接范圍在0-1500mm，由傳動比可以計算平衡桿的移動范圍為750mm。我們將支撐齒條和平衡桿的支座兩壁的距離設為200mm，所以送絲進給桿齒條的長度就為1700mm，平衡杠的齒條的長度為950mm。送絲進給吃條的兩端各留上150mm的光杠空間，以便安裝焊接機頭，這樣一來送絲進給齒條的總長度就可以設成2000mm，支撐杠長度和送絲進給齒條的長度相同，其目的就是為了增加強度，防止送絲進給齒條的強度不足，減少系統(tǒng)的撓度，所以支撐杠的長度也為2000mm；同樣也在平衡杠兩端留上150mm的光杠長度以便裝配重，設兩配重的質心距平衡杠端點各為100mm,故可以將平衡杠的長度看成1500mm。
送絲進給齒條、支撐光杠、平衡杠的材料都選用40Cr[2]，其密度為7.8g/cm3,設送絲進給齒條、支撐光杠、平衡杠是同樣的截面形狀，外徑30mm，內徑為15mm，三個桿在重力的作用下，可以看成其上受到一個均勻分布的力，這個均布載荷q的大小為[3]
(2-1) ， (2-2)
圖1送絲進給機構受力示意圖
如圖1：當齒條，平衡杠處于中間時，可以設整個系統(tǒng)的質心處于中間，則有平衡公式
， (2-3)
當系統(tǒng)移動時，也就是齒條帶動機頭焊槍左右移動mm的時候，根據傳動比為2，則平衡齒條相反方向移動mm，根據李學平衡公式，求質心的位置，設質心移動了
則有：
， (2-4)
的最大移動距離就是平衡齒條可以移動的范圍，即
設配重的分配為
帶入上式
在設計小車兩端輪距距離為500mm，質心始終在兩輪之間，所以不會發(fā)生傾倒的現象。
校核強度
校核送絲進給齒條的強度，根據現實的經驗可以知道當焊接機頭移動到最遠處時，是送絲進給齒條最危險的時候，故只要校核此時送絲進給齒條的強度就可以了。對此時的強度校核如下
圖2齒條受力簡圖
將均布載荷集中到送絲進給齒條的質心位置，力的大小為，，， (2-5)
根據力平衡得：
B點的受力最大，剪切強度和接觸應力校核就要校核[4]此點。
剪切應力
， (2-6)
故剪切強度足夠。
由于支座的材料是鋁，要低于鋼的強度，故要校核計算支座接觸表面的擠壓應力 ，支座壁厚設計為10mm，故擠壓截面面積
， (2-7)
擠壓截面應力
， (2-8)
鋁的擠壓應力取
故擠壓強度足夠。
計算抗彎強度
圖3齒條載荷分析圖
應用材料力學計算軟件，可以將送絲進給齒條上的受力簡化為圖3，W1為均布載荷，P1為機頭重量的一半，根據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，彎矩大小為
送絲進給齒條的抗彎截面模量， (2-9)
，為齒條外徑，為齒條內徑。
那么齒條的彎曲應力為， (2-10)
其彎曲應力遠小于許應彎曲應力，所以齒條的強度足夠。
計算送絲進給齒條的撓度
由于均布載荷的大小相對較小可以不計算，只要計算焊接機頭移動到最遠處時的撓度就可以了。彈性模量E=380GPa,送絲進給齒條的截面慣矩
， (2-11)
根據送絲進給齒條的受力情況，由撓度公式得，
其中a焊接機頭到支座壁的距離，l為支座兩壁的距離。
撓度在我們設計的許可范圍內，所以送絲進給齒條的撓度足夠。
同理，平衡齒條上的受力也和送絲進給齒條上的情況一樣，就是在焊接機頭移動到最遠處，即配重m1移動到最遠處時是平衡齒條最危險的時候，要校核此時的強度。
圖4平衡齒條受力簡圖
圖4為為危險時的受力簡圖，將均布載荷集中到平衡齒條的質心位置，力的大小為，，。
根據力平衡得：， (2-12)
B點的受力最大，剪切強度和接觸應力校核就要校核此點。
剪切應力
， (2-13)
故剪切強度足夠。
支座接觸表面的擠壓應力
， (2-14)
， (2-15)
所以制作強度足夠。
計算抗彎強度
圖5平衡齒條的載荷分析圖
同樣應用材料力學計算軟件，可以將平衡齒條上的受力簡化為圖5，W1為均布載荷，P1為m1的重量P2為m2的重量，根據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[6]，彎矩大小為。
平衡齒條的抗彎截面模量， (2-16)
，為齒條外徑，為齒條內徑。
那么齒條的彎曲應力為， (2-17)
其彎曲應力小于許應彎曲應力，所以齒條的強度足夠。
2.1.2 送絲進給齒輪的設計計算
選定齒輪類型、精度等級、材料和齒數
1）選用直齒圓柱齒輪傳動。
2）速度最高在600mm/min，故速度不高，選用7級精度（GB10095-88）。
3）材料選擇。兩個齒輪都選用40Cr（調質），硬度為280HBS。
4）小齒輪的齒數為z1=32，大齒輪的齒數為z2=uz1=2*32=64,其模數取m=1.25mm，齒厚取16mm。
校核兩個齒輪的強度
齒條和支座壁之間的摩擦系數為0.2，齒輪驅動齒條所需要的力
大齒輪：
小齒輪：
大齒輪的校核：
大齒輪齒根彎曲強度校核
齒根危險截面的彎曲強度條件為， (2-18)
計算載荷系數
根據，7級精度，由圖10-8（以下查表或圖都在璞良貴的第七版機械設計書中）查得動載荷系數
直齒輪，假設。有表10-3查得
由表10-2查得使用系數
由表10-4查得7級精度，大齒輪相對支座非對稱布置時，
， (2-19)
齒寬系數， (2-20)
將數據帶入上式得
， (2-21)
故載荷系數
， (2-22)
齒上受力N；
齒形系數及應力校正系數，查表10-5得
，；
帶入齒根危險截面的彎曲強度條件公式
， (2-23)
其彎曲強度取500MPa，所以齒根危險截面的彎曲強度足夠。
大齒輪齒面接觸疲勞強度校核
齒面接觸疲勞強度條件為， (2-24)
為區(qū)域系數（標準直齒輪時，）；
彈性影響系數；
載荷系數根據上面得， (2-25)
由于是齒輪齒條傳動所以取1；
齒輪受到的軸向力；
齒寬為；
齒輪的分度圓直徑；
將參數帶入齒面接觸疲勞強度校核公式得
， (2-26)
所以大齒輪的齒面接觸疲勞強度足夠。
小齒輪的校核[7]：
小齒輪齒根彎曲強度校核
齒根危險截面的彎曲強度條件為， (2-27)
計算載荷系數：
根據，7級精度，由圖10-8查得動載荷系數；
直齒輪，假設。有表10-3查得；
由表10-2查得使用系數；
由表10-4查得7級精度，大齒輪相對支座非對稱布置時，
， (2-28)
齒寬系數， (2-29)
將數據帶入上式得
，(2-30)
故載荷系數
， (2-31)
齒上受力；
齒形系數及應力校正系數，查表10-5得
，；
帶入齒根危險截面的彎曲強度條件公式
， (2-32)
其彎曲強度取500MPa，所以齒根危險截面的彎曲強度足夠。
小齒輪齒面接觸疲勞強度校核
齒面接觸疲勞強度條件為
為區(qū)域系數（標準直齒輪時，）；
彈性影響系數；
載荷系數根據上面得， (2-33)
由于是齒輪齒條傳動所以取1；
齒輪受到的軸向力；
齒寬為；
齒輪的分度圓直徑；
將參數帶入齒面接觸疲勞強度校核公式得
， (2-34)
所以小齒輪的齒面接觸疲勞強度足夠。
2.1.3蝸桿的設計和校核計算
1.選擇蝸桿傳動類型
根據GB/T 10085--1988的推薦，采取漸開線蝸桿（ZI）。
2.選擇材料
根據材料的情況，并考慮到蝸桿傳動傳遞的功率不大，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.選擇蝸桿頭數為Z1=1，模數]為1.25mm，直徑系數查表11-2可知，，蝸桿齒寬；則蝸桿得分度圓直徑為根據現場加工的要求和設計的條件暫時選擇蝸桿齒數為64，則渦輪得分度圓直徑為，齒厚為。
4.蝸桿傳動強度計算
蝸輪齒面接觸疲勞強度
蝸輪齒面接觸疲勞強度的校核公式為， (2-35)
計算載荷系數：
載荷系數公式為， (2-36)
使用系數，查表11-5可以知道載荷均勻，無沖擊，每小時運動次數少于25次，啟動載荷小，故選擇；
為齒向載荷分布系數，當蝸桿傳動在平穩(wěn)載荷下工作時，載荷分布不均的現象將由于工作表面良好的磨合而得到改善，此時可取；
為動載荷系數，由于蝸桿傳動一般較平穩(wěn)，動載荷要比齒輪傳動的小得多，故對于精確制造，且蝸輪圓周速度時，可取動載荷系數，
所以，； (2-37)
為材料的彈性影響系數，單位為，對于青銅或鑄鐵蝸輪與鋼蝸桿配對時，取，
蝸桿傳動的接觸線長度和曲率半徑對接觸強度的影響系數，即接觸系數，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；
蝸桿傳動的功率為
將參數帶入蝸輪齒面接觸疲勞強度的驗算公式為：
(2-38)
可以從表11-6中查到，故蝸輪的齒面接觸強度足夠。
蝸輪齒根彎曲強度計算：
蝸輪齒根彎曲強度的驗算公式為， (2-39)
蝸輪的載荷系數為， (2-40)
蝸桿傳動的功率為
蝸輪齒形系數可由蝸輪的當量齒數及蝸輪的變形系數從圖11-19中查得，在，變形系數為-0.5，蝸輪的當量齒數，則
螺旋角影響系數， (2-41)
蝸桿直徑，蝸輪直徑，模數為1.25mm,將上述參數帶入蝸輪齒根彎曲強度的驗算公式得
(2-42)
查表11-8得蝸輪的基本許用彎曲應力，由于，所以蝸輪的齒根彎曲強度足夠。
2.1.4送絲進給軸的設計及校核
圖6軸的結構
1.軸的結構設計
1）擬訂軸上零件的裝配方案
根據上面圖示，1-2處是和齒輪連接，2-3處也是和齒輪相連，4-5處、7-8處是兩個軸承，6-7處和蝸輪連接。
2）根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度
（1）根據送絲進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段的長度定為。
（2）由于2-3段仍然要安裝一個小齒輪，為了滿足小齒輪的軸向定位要求，2-3軸段右側也需制出一軸肩，故取3-4段的直徑，送絲進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段長度可取。
（3）3-4段軸起作用是過渡段，齒輪的位置要距傳動蝸輪一段距離，其直徑，長度以設計情況定為47mm。
（4）初步選擇滾動軸承，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，由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組、標準精度級的角接觸球軸承7006C，其尺寸為，故取4-5段的直徑，長度取得稍微比T長些，取為，為了使軸承可以定位，所以要在右段設計一軸肩，此軸肩與軸承的內圈結合，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，且蝸輪距箱體內壁還要留有一定的間距，所以根據情況將軸環(huán)的長度。
（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，由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組、標準精度等級的角接觸滾子軸承7005C，其尺寸為，故取7-8段的直徑，長度取得稍微比T長些，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。按由手冊查得單圓頭平鍵截面（GB/T 1096-1990）,鍵長14mm；和由手冊查得圓頭普通平鍵分別是和（GB/T 1096-1990），鍵長都為14mm。鍵槽用鍵槽銑刀加工，同時為了保證齒輪和軸配合的良好的對中性，故選擇選擇齒輪輪轂與軸的配合為，滾動軸承與軸軸向定位是借過渡配合來保證的。
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）校核軸的強度[8]
應用力學平衡計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用材料力學軟件計算出軸上的彎矩圖，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方向的分力，一個方向受到的彎矩圖如圖7，另個方向的彎矩圖如圖8。危險截面可能是在A點的軸承處也可能在和蝸輪配合的那段軸段，所以要計算兩者受到的總彎矩的大小，計算如下：
1）A點軸承受到的總彎矩大小
2）蝸輪受到的總彎矩大小
故危險截面在A點軸承處的軸段。
A軸段的轉矩為，
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面A）的強度。根據第三強度理論及上面的受力數值，并取，計算軸上的應力
(2-43)
軸的材料是45鋼，調制處理，由表15-1查得。因此，故安全。
2.1.5軸承校核
查滾動軸承設計手冊可知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.求軸承當量動載荷和
由于軸向受力相當小，所以可以直接設徑向載荷系數和軸向載荷系數都為，。
因軸承運轉中無明顯沖擊載荷，按表13-6，，取。則
， (2-44)
， (2-45)
3）計算壽命：
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 步進電動機的計算和選用
1）轉動慣量計算[9]：
圓柱體轉動慣量（kg.cm2)計算公式如下：
， (2-48)
對于鋼材：， (2-49)
故軸的轉動慣量為
大齒輪的轉動慣量為
小齒輪的轉動慣量為
蝸輪的轉動慣量為
蝸桿的轉動慣量為
折算到電機軸上的轉動慣量
，(2-50)
2）電機的力矩計算：
(1)快速空載啟動時所需力矩
， (2-51)
傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總等效轉動慣量
(2-52)
折算到電機軸上的摩擦力矩
(2-53)
由于沒有預緊力的作用，故取0。
則快速啟動時所需力矩
， (2-54)
根據最大靜轉矩選擇電機型號130BF001,根據，所以選擇五相十拍。
2.2 擺動機構方案設計
2.2.1整體方案設計
擺動機構的設計其目的主要是為了滿足對角焊縫焊接的要求，又由于在焊接工作中焊槍上幾乎沒有工作載荷，所以對設計的零件在一定情況下不用對其進行強度校核。
對于角焊縫，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一定角度。
2.2.2 送絲的結構設計
參考上屆同學所做，焊劑下料口與焊絲出口又一定距離，且不能轉動，當要立焊或者焊縫是斜線的時候，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，導致焊劑并不能鋪在焊縫上，達不到焊接的條件，故改變設計方案，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，當立焊的時候，可以使焊劑鋪在焊縫上面了
3、微機數控系統(tǒng)硬件電路設計
3.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖
數控系統(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。有了硬件,軟件才能有效的運行。硬件電路的可靠性直接影響到數控系統(tǒng)性能指示。
送絲焊機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。包括數據總線、地址總線和控制總線。
(3) 存儲器。包括程序存儲器和數據存儲器。
(4) 接口。即I/O輸入/輸出接口電路。
(5) 外圍設備。如開關、顯示器及光電輸入機等。
下位機的硬件結構原理框圖如圖13：
圖13下位機硬件結構原理圖
3.2中央處理單元CPU的選擇
本設計采用 PC 機為上位機，AT8051[11]為核心的單片機系統(tǒng)作下位機，以MAX232作為兩者間的通訊接口，目前在經濟型數控機床中，推薦采用MCS-51系列的單片機作為主控制器。AT8051是一款高性能CMOS8位單片機，片內8kbytes的可反復擦除的PEROM和256bytes的RAM,功能強大的AT8051單片機適合于許多較為復雜控制應用場合。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
定時器
計數器
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8位漏極開路雙向I/O口，在接有片外存儲器或擴展I/O接口時，P0口分時復用，做低8位地址總線與雙向8位數據總線。
P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口。
P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。
P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，除可作為雙向的輸入輸出口外，還具有第2功能，見表2.2
表2.2 8051芯片引腳P3口功能說明
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 （定時器0外部輸入）
T1 （定時器1外部輸入）
WR （外部數據存儲器寫控制信號）
RD （外部數據存儲器讀控制信號）
RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。
ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。
?：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。
/VPP：當保持低電平時,接低電平時，CPU執(zhí)行外部ROM中的程序；接高電平時，CPU執(zhí)行內部4K ROM中的程序，超過4K時，自動轉去執(zhí)行外部ROM中的程序；燒寫程序時，此引腳接收合適的燒寫電壓。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。
XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。
3.3 I/O口擴展[12]
8255芯片功能簡介8255是MCS－51單片機常用的并行口擴展芯片之一。8255和MCS－51單片機相連，可以為外設提供三個8位的并行I/O端口：A口、B口和C口，三個端口的功能完全由編程來決定。所以稱做可編程并行I/O擴展接口。內部結構
圖15 8255的引腳圖和內部結構
外部引腳功能：
D0-D7：數據輸入/輸出管腳用于傳送數據和控制字
PA0-PA7：A口的輸入/輸出線，可由軟件編程設置為輸入或輸出
PB0-PB7：B口的輸入/輸出線，可由軟件編程設置為輸入或輸出
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，可由軟件編程設置為輸入或輸出
：讀信號線，低電平有效
：寫信號線，低電平有效
：片選信號線，低電平有效，當時，選中本片8255
A1、A0：端口地址選擇信號，用于選擇4個端口
RESET：復位輸入信號，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位均可獨立定義為輸入或輸出。定義為輸出口均有鎖存數據的能力，而定義為輸出口無鎖存能力。適合于無條件傳送方式，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口可以當輸入也可以當輸出，C口的莫些位用來作聯(lián)絡信號。
3) 方式2：又稱為雙向傳輸方式，僅僅使用于PA口，既能發(fā)送數據，液能接受數據。此時PC口又5根線用來提供雙向傳輸所需的控制信號。
3.4 存儲器的擴展
在8051單片機中，內部程序存儲器的容量最大為8K，內部數據存儲器的容量最大為256B，在此送絲焊機的控制系統(tǒng)中，不夠用，必須擴展外部程序存儲器和數據存儲器，擴展的最大容量為64K。針對本系統(tǒng)擴展一片AT28C256(32K×8bit)的EEPROM,和一片HM62256（32K×8bit）。
3.4.1 程序存儲器的擴展
AT28C256管腳功能如下：
A0-14：地址端
：片選
：輸出允許
：寫允許
：編程電壓
I/00-I/07：數據輸入輸出
AT28C256程序存儲器與單片機的連接方式如下：
低8位地址線A0～A7與P0.0～P0.7（先經74LS373鎖存）對應連。
高7位地址線與P2.0～P2.6對應相連。
數據線I/O0～I/O7與P0.0～P0.7對應相連。
（輸出允許）與（外部程序存儲器的選通信號）相連。
與單片機的相連。
片選與P2.7相連。
圖16 存儲器的擴展電路
3.4.2數據存儲器的擴展
在本設計中選用的外部數據存儲器為HM62256，地址線和數據線的連接方法與28C256相同，具體接線方法如圖16所示?？刂凭€的連接如下：
（數據存儲器讀信號）和（單片機的片外數據讀信號）相連。
（數據存儲器寫信號）和（單片機的片外數據寫信號）相連。
（數據存儲器片選信號）和P2.7。
送絲焊機數控系統(tǒng)地址分配如表2.3
表2.3全地址譯碼
器件
地址選擇線
片內地址單元數
（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 上位機與單片機的通訊接口電路
步進電機的控制需要三個參數：1啟動電機工作與停止電機工作信號；2步進電機轉向信號；3電機脈沖數的控制。如果我們欲通過計算機對步進電機進行控制，就必須向步進電機輸送三路信號，通過這三路信號分別實現上述三個參數的傳送。而要實現這些工作就需要我們設置硬件電路作為連接計算機與步進電機的接口。從中我們不難看出計算機對外設的控制實際上是實現計算機與外部設備之間的通訊，這種通訊既需要開發(fā)硬件設備，即在計算機與外設之間架起一座橋，又需要由軟件制定通訊協(xié)議加以管理。
計算機提供了兩種標準的接口與外設進行連接：并行接口與串行接口。并行接口受傳輸距離的限制，距離過長，干擾太大，易出錯。由于送絲焊機的控制信息的傳輸對速度要求不高，因此選擇串行通訊。本設計采用MAX232和一個九針的串口將上位機與單片機建立起通訊。
MAX232芯片包含兩路驅動器和接受器，芯片內部有一個電壓轉換器，可以把輸入的+5V電壓轉換為RS-232接口所需的±10V電壓，尤其適用于沒有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上位機與單片機的通訊接口電路
3.6步進電機接口及驅動電路[13]
由于焊接對軌跡精度的要求不是高，本設計采用步進電機開環(huán)控制。送絲焊機焊槍的運動軌跡由三個步進電機控制——X,Z方向的電機和用于焊接角縫的角度調整的Y電機。X,Z向電機分別選擇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。由脈沖分配器實現步進電機各相脈沖的通電順序。為避免強電對弱電的干擾，在分配器與功率放大電路間采用光電隔離電路。步進電機控制的控制框圖如圖17
控制指令
脈沖 分配器
步進電機
光電隔離電路
功率放大電路
圖17步進電機控制的控制框圖
3.6.1 脈沖分配器
控制脈沖通過脈沖分配器控制步進電機都電機繞組按一定的順序接通，斷電。使電機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)點是硬件簡單，但占用軟件的運行時間。故只適合用于速度要求不高的簡單數控系統(tǒng)。因此本設計采用硬件環(huán)分器，選用YB013進行脈沖分配，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
管腳連線說明：
A0=1,A1=1,勵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的P1.3和P1.4控制是否輸出脈沖。決定是X 電機還是Z電機輸出脈沖。
，始終接地，輸入脈沖許可。
復位端接P1.3,以防亂相。
時鐘輸入端接P1.0,決定步進電機的旋轉速度。
正反轉控制端接P1.1，決定步進電機的旋轉方向。
3.6.2光電隔離和功率放大電路
在步進電機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后，控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安培到幾十安培），如果將Ｉ／Ｏ口輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響計算機的正常運行，重則導致計算機接口電路損壞。必須加光電隔離電路。由于脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足電機的要求，必須將它放大以產生足夠大的功率驅動步進電機的正常運轉。
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導通，并使VT2和VT3導通．在VT2導通瞬間，脈沖變壓器T1導通，線圈中感應出一個正脈沖，使大功率管VT4導通．同時由于VT3導通，大功率晶體管VT5也導通。于是繞組Ｗ中有電流流過，步進電機旋轉，由于Ｗ是感性負載，其電流在導通后逐漸增加，但其增加到一定值時，在檢測電阻R10上產生的壓降將超過分壓電阻R7和R8所設定的電壓值，使得比較器OP翻轉，輸出低電平使得VT2截止。在VT2截止瞬間，又通過T1將一個負脈沖交連到二次線圈，使得VT4截止。于是電源通路被切斷。W中儲存的能量通過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重新導通。在控制脈沖持續(xù)期間，上述過程不斷重復。當控制脈沖撤銷后，VT1～VT5等相繼截止，W中的能量則通過VD6，電源，地和VD7釋放。
3.7開關接口的設計
本設計對于鍵盤采取了兩種訪問方式，一種是查詢方式,一種是中斷的方式。在本設計中：對于行程控制及手動方式按鍵等，使用頻率不高，相對不是特別重要的按鍵采取的訪問方式是中斷，提高控制微機的工作效率。而對于啟動，暫停，回零解除超程等直接關系機床運行狀況的按鍵采取查詢的方式，對整個系統(tǒng)做到適時監(jiān)控。將處理意外緊急事件的急停按鈕直接設置在電動機的總電源開關上。而不與單片機又直接聯(lián)系。以防止程序的運行受干擾而“跑飛”從而導致急停失效，發(fā)生重大事故。具體的連接方式如圖20所示。
圖20控制面板結構電路
本設計中用到了按鍵開關和按鈕開關，由于這類開關多是機械開關,機械觸電的彈性作用使開關在閉合及斷開瞬間產生抖動,造成A點電位產生一系列脈沖。抖動時間長短與機械特性有關,一般為5~10ms。按鈕的穩(wěn)定閉合期由操作員的按鍵動作決定,一般在幾百微妙至幾秒之間。所以在進行實際接口設計時,必須采取軟件或硬件措施進行消抖處理。
本設計采用軟件消抖動，軟件消抖辦法是檢測到開關狀態(tài)后,延時一段時間再進行檢測,若兩次檢測到的開關狀態(tài)相同則認為有效。延時時間應大于抖動時間。
4 論文總結
經過數控化改進的送絲焊機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，通過編程可完成任意曲線焊縫的焊接。而且焊接精度高，質量穩(wěn)定，生產效率高，能實現復雜的運動，良好的經濟效益，有利于生產管理的現代化。
在設計中，本人通過閱讀大量有關資料，同時結合本次設計的實踐，總結了如下心得：
1.在機械部分設計時，思維方式要開闊，不能局限于教課書上學過的傳動方案，多借鑒國內外的先進設備。將經濟性與方案可行性充分結合考慮。
2.總結數控系統(tǒng)與純機械系統(tǒng)的差別，合理選擇數控系統(tǒng)設計零件。
3.在整個系統(tǒng)設計中要有全局觀念，嚴密的思維方式。
4．在現有計算機硬件設備的基礎上，稍加改進而利用已有的標準接口，可減少開發(fā)的難度，縮短開發(fā)的周期。
5．存儲器擴展時應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．在硬件設計時應盡可能采用功能強的芯片,這樣系統(tǒng)也更加緊湊，可靠性也提高了。
通過本次畢業(yè)設計，本人在復習舊知識基礎上又學到了許多新知識。既加強了機械設計的學習，又豐富了微機和單片機的軟件編程知識，熟悉了數控系統(tǒng)的整個設計過程，為今后的學習打下了基礎。由于時間和水平有限，開發(fā)時間較短、系統(tǒng)龐大而復雜，本人只完成了設計任務書上的內容，本系統(tǒng)還有許多地方沒有做或有待完善，懇切希望各位老師、同學指正。
致 謝
本文是在老師的熱情關懷和悉心指導下完成的，本人特借此機會，向老師表示最誠摯的感謝，感謝老師在畢業(yè)設計期間對作者學業(yè)的指導。老師嚴謹務實的科學態(tài)度、淵博的學識令我非常欽佩，同時也教會了我許多知識，為以后的工作打下了基礎。
在硬件電路的搭建過程中，老師給予了我多方面的支持和幫助，同時也教會了許多有關微機和單片機及編程方面的知識，在此特表示誠摯的謝意。非常感激我的家人在學習期間的對我的支持，最后向所有關心和幫助過我的人致以最衷心的感謝和祝福！
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