便携式数控马鞍形焊缝焊接机电控系统设计Word格式.docx
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我国电焊机行业经过40多年的发展壮大，目前已形成一批有一定规模的企业，其生产的产品主要包括：
手工电弧焊机、电阻焊机、半自动弧焊机、特种焊机以及各类专用成套焊接设备和焊装生产线，可以基本满足国民经济的需求。
随着我国改革开放和企业与产品结构改革的不断深化，原有的1500家电焊机专业和兼业制造厂、辅机具制造厂中，停产、半停产、转产以及资产重组的约占50%；
一批电焊机制造的新兴企业"
异军突起"
，部分合资和民营企业的业绩尤为突出。
目前，电焊机行业各类企业的总数仍保持在900家左右，其中：
原机械部定点企业38家（含骨干企业2家，重点企业6家），设有焊接设备专业的大专院校35个，与焊接设备有关的各部委和地方所属设计研究院（所）30余个，以及设有焊接专业的中等专业学校10余个。
1.2国外发展水平及差距对比分析
焊机控制数字化。
全数字化控制的焊机，已经成为进口焊机的主流。
全数字化控制技术大大提高焊机的控制精度、焊机产品的一致性和可靠性，同时也大大简化了控制技术的升级。
而国内的焊接电源，仍然以模拟控制技术为主，虽然部分厂家也推出了全数字化的焊接电源，但是大都处于简单代替模拟控制的水平，全数字控制的作用还没有发挥出来，导致市场的认可度不高。
工艺控制智能化。
国外进口焊接电源大都以免费或选配的方式提供了焊接专家系统，允许操作者输入焊接材料、厚度、坡口形式等焊接工艺条件就可自动生成焊接工艺。
而国内焊接电源厂家在焊接工艺的研究和积累工作还十分有限，难以提供成熟可靠的焊接工艺支持，导致国内产品除价格外与进口产品不存在竞争优势，大部分高端市场份额仍然被进口焊机占据。
正是在智能化和焊接工艺服务上的缺失和脱节，我国的焊接设备大多为纯粹的机器和设备，而没有背负起为焊接用户解决焊接问题的责任。
系统集成网络化。
国外焊接设备大都提供了现场总线接口，而且可控参数丰富，焊接工艺控制更加方便，国外自动化焊接系统的集成水平显著提高。
而国内的自动化焊接系统普遍处于继电器开关量编组控制的水平，各个自动化焊接部件信息量的传递十分有限，难以实现复杂的焊接工艺协调控制。
自动化、机器人焊接装备技术。
在欧美、日本等技术发达国家，自动化、机器人焊接设备的应用非常普遍，特别是在批量化、大规模和有害作业环境中使用率更高，已形成了成熟的技术、设备和与之配套并不断升级的焊接工艺。
在我国，汽车、石化、钢构等行业焊接生产现场使用的自动化和机器人焊接设备，少部分为国内焊接装备企业的自主知识产权设备，一部分由国内或合资、独资企业提供的、关键部件采用国外技术的组装和成套产品，更多的则是成套进口设备。
国内企业对自动化、机器人焊接设备的关键技术的掌握和生产应用方面，与国际先进水平相比还存在较大差距。
焊接企业集团化。
国外焊接企业为提高自身的生存能力，都在尽可能的完善产品链，提高市场的占有率。
各个专业厂家之间也都组成联盟或企业集团，提高在市场竞争中的共生共存能力。
而国内的焊接装备企业普遍弱小且各自为战，在高端产品的研制开发上投入不足，在高端市场上难以对国外大的焊接企业集团构成威胁，只能采用价格战拼抢低端市场。
1.3我国焊接设备的需求趋势及前景
根据我国经济发展的总体趋势,今后几年内我国的年钢总产量及钢材进口量基本保持稳定,因而以钢产量来核算国内市场对电焊机产品的需求量不会有大的出入。
单市场对产品的需求将随着焊接技术、工艺的发展和生产的机械化、自动化水平的提高而变化，特别是各类产品的构成比，如交流弧焊机的比重明显下降，自动、半自动焊机，特别是二氧化碳保护焊焊机，专用成套焊机的需求量有显著的增加。
电焊机产品的进口量将持续增大，其进口总值仍占国内市场总额的50%左右；
国产电焊机的出口额历年来都不超过生产总值的6%。
随着新产品开发能力和生产水平的提高，引进产品国产化和规模化的实现，特别是外资、合资企业的发展和民营企业的迅速崛起，不仅其出口量会有较大的增长，而且出口的地域也由目前的中东、南亚和非洲等发展中国家，扩大到美国、欧洲等工业发达国家。
目前国内电焊机市场总的形式是：
产品产量供大于求，竞争激烈，多数企业生产、经营举步维艰。
在产品构成上，一般通用型焊机供过于求；
高可靠性，多功能的自动、半自动焊机和专用成套焊机、特种焊机市场需求增长快，部分焊机仍需进口；
在市场格局上国产与进口焊机基本上是平分秋色，虽然以台数计国产焊机占绝对优势，而在销售额上进口产品则占到一半左右。
尽管国产焊机出口形势因产品性能的提高和引进产品国产化的实现，以及合资、外资企业生产规模的扩大，出口额有所增长，出口产品逐步由交流弧焊机、旋转直流焊机为主转向自动、半自动焊机和成套焊机，但与进口的同类型产品相比，差距仍很大。
经过改革开放30年的发展，特别是“十一·
五”期间国内装备制造业及金属加工行业的发展，完成了资金积累及制造技术基础的奠定，与此同时，市场化的发展导致行业内的竞争更加激烈，对产品实物质量标准及质量稳定的一致要求不断提高，国内焊工劳动力成本的迅速提高及国家对焊接作业环境的环保要求的强化，这些因素都促进了焊接施工技术的结构调整，加速焊接自动化的进程，国内各主要工业领域的焊接自动化及智能化时代即将到来。
十二五期间，将是国内焊接自动化技术发展及其应用的高速增长期，也是中国焊接自动化发展的关键阶段。
我国焊接设备发展的趋势：
（1）机器人焊接技术由于其良好的控制柔性和软硬件成本的迅速降低，将得到极大地发展并成为制造业自动化焊接技术的首选。
（2）焊缝形式单一的标准化的自动化焊接专机在金属结构制造和金属结构安装行业将得到极大发展。
（3）针对特定行业具体金属结构件的非标自动化焊接专机技术将继续得到发展的智能化焊接专机技术。
综合以上国内外焊机技术的发展趋势，结合我国焊机技术发展现状，我国的焊机技术应当向着数字化、智能化、网络化、环保化发展。
我国焊接设备发展的要求：
（1）节能降耗的环保型焊接设备；
（2）优质高效的熔化极气体保护焊接设备；
（3）基于数字控制技术的自动化焊接装备；
（4）超精密或超大型的焊接专机和辅机具；
（5）适应国家重大工程领域需求的专用焊接装备；
（6）符合行业技术标准的自动化焊机的辅机具；
（7）焊接机器人技术的研究和推广应用。
经过多年的发展，我国已经大体形成了京津冀、长三角、珠三角和成都地区四个电焊机产业聚集地。
随着我国经济的持续发展，国内重型机械、冶金机械、船舶制造、矿山工程机械、电站锅炉、压力容器、机车车辆、汽车等行业已进入世界同行业先进行列，由于这些行业都是以焊接工艺为主导，加上国内投资的增加，为中国电焊机行业提供了良好的发展机遇。
高效节能焊接装备将强势增长，在石化、造船、锅炉、铁路等行业得到快速推广。
国内焊接自动化装备将进入高速发展阶段，自动化程度高、性能优良、可靠性好的各种自动化专用成套焊接设备、焊接机器人工作站和焊接生产线，其市场容量相当大，发展前景乐观。
1.4本论文研究内容概述
随着我国经济的持续发展，国内重型机械、冶金机械、船舶制造、矿山工程机械、电站锅炉、压力容器、机车车辆、汽车等行业已进入世界同行业先进行列，由于这些行业都是以焊接工艺为主导，为中国电焊机行业提供了良好的发展机遇。
为适应市场的需求，焊缝形式单一的标准化的自动化焊接专机在金属结构制造和金属结构安装行业将得到极大发展。
在焊接结构的实际生产中，特别在锅炉、压力容器、化工容器、石油化工设备焊接结构的制造中，经常会碰到管-管“横接”的实例，径较小圆管（俗称子管）与一直径较大圆管（俗称母管）相互垂直相贯时，其相贯线像一马鞍的形状，在焊接实际生产中，如果工件接口焊缝的形状像一马鞍就习惯称其为“马鞍形”焊缝。
在实际生产中，大多数此类焊缝的焊接设备体积较大，不能够灵活的运用在不同的焊接环境，满足各类焊接要求，而且成本较高，给实际应用带来诸多不便。
本设计是针对马鞍形焊缝设计的便携式数控焊机，其主要特点是体积较小，为数控MIG焊机，设计主要完成便携式马鞍形焊缝焊机控制系统的设计。
2焊机控制系统总方案设计
2.1焊机机械结构
由于“马鞍形”焊缝几何形状的复杂形态，给这条焊缝自动焊机的设计带来很多技术难点。
主要技术难点在于：
（1）每道“马鞍形”施焊时，自动焊机的焊头都要依某一恰当的偏摆角度围绕子管旋转；
（2）焊头要随着“马鞍形”焊道轨迹高度的变化而自动调整焊头的高度、以保持一定的弧长；
图2.1马鞍形焊缝示意图
根据马鞍形焊缝具有上述特点，目前用来焊接该类焊缝的焊接设备，其运动系统的构成大致类似。
现就所采用的马鞍形焊缝焊接运动系统作一介绍，其结构示意图见图2.2。
图2.2便携式焊接外形图
整个系统是通过三爪卡盘定位安装在工件上。
当系统工作时，回转电机旋转，带动整台焊机的运动系统回转，也带动了位于焊机横梁下端的焊枪围绕工件做圆周运动。
与此同时，位于上支板上的提升直线电机，通过带动横梁带动焊枪做上下反复运动，这一反复运动可以作为补偿运动，实现马鞍形落差补偿。
横梁上的直线电机可以带动水平滚轮导轨可实现焊枪范围的变化。
本次设计中焊机为二氧化碳气体保护焊即熔化极惰性气体保护焊，简称MIG。
相对于其它弧焊机，MIG焊机添加了送丝结构，而且，送丝速度、输出电压可调节，可使两者达到良好匹配，提高了焊接质量，适用于各类焊接。
MIG焊的特点：
（1）工作效率高：
CO2的电弧穿透力强、熔深池大、焊丝熔化率高、熔敷速度快、，工作效率比手工弧焊高1~3倍。
（2）焊接成本低：
CO2气体是工厂的副产品，来源广、价格低。
其成本只有埋弧焊和手工焊的40%~50%左右。
（3）能耗低：
相同条件下，MIG焊与手弧焊相比，前者消耗的电能约为后者的40%~70%。
（4）适用范围广：
MIG焊能焊接任何位置，薄板可焊致电1mm，最厚几乎不受限制。
而且焊接薄板时，较氩气焊速度快、变形小。
（5）抗锈能力强：
焊缝含氩量低，抗裂性好。
（6）焊后无需清渣，因是阴弧，便于监视和控制，便于实现自动化。
2.2控制系统结构
图2.3控制系统框图
本次设计是基于STC89C52RC单片机的控制电路。
其主要模块如图2.3，包括单片机最小系统I/O扩展及ROM和RAM扩展，步进电机电源、驱动电路、细分电路、行程开关，手动复位电路，焊枪电流采样电路，与上位机通讯的串口通讯模块。
下章将进行各模块设计的详细介绍。
3控制系统模块设计
3.1单片机I/O扩展及ROM和RAM扩展
如图3.12所示为单片机I/O接口及RAM和ROM扩展模块电路，电路主要由主控芯片STC89C52RC单片机、2个8255I/O接口芯片、2764EPROM芯片、6264芯片、74S373和74LS138构成。
图3.1I/O及ROM和RAM扩展模块电路
虽然单片机芯片内集成了存储器资源，但是在应用时还是常常会出现资源不够用的情况，这时就需要扩展外部资源，以适应系统的要求。
因此在本次设计中，加入了8255芯片对单片机I/O扩展，2764芯片对单片机ROM扩展，6264芯片对单片机RAM扩展，以满足控制系统的要求。
由于STC89C52RC单片机受到引脚数的限制，数据线和地址线是复用的，由P0口线兼用。
为了将它们分离出来，以便同单片机外的扩展芯片正确连接所以就需要在单片机外部增加地址锁存器。
本系统选用74S373锁存器，74S373为三态输出的八D透明锁存器,引出端符号：
D0～D7数据输入端；
OE三态允许控制端（低电平有效）,LE锁存允许端；
Q0～Q7输出端。
74LS138为3线－8线译码器，其工作原理：
（1）当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（E2和E3）为低电平时，可将地址端（A0、A1、A2）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。
（2）利用E1、E2和E3可级联扩展成24线译码器；
若外接一个反相器还可级联扩展成32线译码器。
（3）若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。
（4）可用在8086的译码电路中，扩展内存。
3.1.1STC89C52RC主要特性
图3.2STC89C52RC单片机原理图
如图3.2所示，STC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机。
其主要特性：
（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；
（2）工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；
（3）工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz；
（4）片上集成512字节RAM，用户应用程序空间为8K字节，具有EEPROM功能；
（5）通用I/O口（32个），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；
（6）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
（7）共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2；
（8）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
（9）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；
（10）工作温度范围：
-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；
（11）PDIP封装。
STC89C52RC引脚功能说明：
VCC（40引脚）：
电源电压。
VSS（20引脚）：
接地。
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。
作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。
在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。
此时，P0口内部上拉电阻有效。
在FlashROM编程时，P0端口接收指令字节；
而在校验程序时，则输出指令字节。
验证时，要求外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。
P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。
此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
表3.1P1.0和P1.1的引脚复用功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。
P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时，P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的内容在整个访问期间不会改变。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。
对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。
P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。
p3口亦作为stc89c52特殊功能（第二功能）使用，如表2.2所示。
在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。
表3.2P3口引脚复用功能
复用功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
RST（9引脚）：
复位输入。
当输入连续两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机单片机的复位初始化操作。
看门狗计时完成后，RST引脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/
（30引脚）：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
（29引脚）：
外部程序存储器选通信号。
/VPP（31引脚）：
访问外部程序存储器控制信号。
X1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
X2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
STC89C52RC单片机的工作模式：
（1）掉电模式，典型功耗（0.1μA）,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
（2）空闲模式，典型功耗2mA。
（3）正常工作模式，典型功耗4mA-7mA。
3.1.2I/O接口扩展模块
图3.3I/O扩展模块
如图3.3所示为I/O扩展模块，此模块采用8255作为I/O口扩展模块的主控芯片。
8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。
具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。
其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。
8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。
8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。
同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。
由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：
与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
CPU连接部分，8255能并行传送8位数据，所以其数据线为8根D0～D7。
由于8255具有3个通道A、B、C，所以只要两根地址线就能寻址A、B、C口及控制寄存器，故地址线为两根A0～A1。
此外CPU要对8255进行读、写与片选操作，所以控制线为片选、复位、读、写信号。
各信号的引脚编号：
（1）数据总线DB：
编号为D0～D7，用于8255与CPU传送8位数据。
（2）地址总线AB：
编号为A0～A1，用于选择A、B、C口与控制寄存器。
（3）控制总线CB：
片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。
当CPU要对8255进行读、写操作时，必须先向8255发片选信号选中8255芯片，然后发读信号或写信号对8255进行读或写数据的操作。
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