【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電。在勵(lì)磁電壓Uf的作用下，勵(lì)磁繞組中通過勵(lì)磁電流If，產(chǎn)生主磁極Ф。在電樞電壓Ua的作用下，電樞繞組中通過電樞電流Ia。電樞電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械以某一轉(zhuǎn)速n運(yùn)轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生反電勢(shì)E。圖34 他勵(lì)電動(dòng)機(jī) Otherexcited motor 電樞回路中的電壓平衡方程電壓平衡方程：Ua =E+IaRa （31）將式E=CeФn和代入，得到直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式： （32）式中，n0是電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，?n是轉(zhuǎn)速差：?n=n0－n=βT （33）MTn0nnNnMTNTMN 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性圖35 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有特性 Inherent characteristics of the otherexcited DC motor直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式： （34）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有特性如圖35所示，N點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)。額定狀態(tài)說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行能力。M點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的臨界狀態(tài)，這時(shí)電樞電流Ia等于換向允許的最大電樞電流Iamax=（~）IaN。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩TM是電動(dòng)機(jī)所允許的最大轉(zhuǎn)矩。臨界狀態(tài)說(shuō)明了電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力[15]。1）機(jī)械特性斜率： （35）2）機(jī)械特性硬度： （36）3）額定轉(zhuǎn)矩： （37） 電機(jī)的選擇 左右方向電機(jī)和減速器的選擇他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)的確定，主要應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)中所提供的電源、功率以及系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求來(lái)決定。1）電機(jī)電樞和勵(lì)磁額定電壓的選定本設(shè)計(jì)中提供110V的可調(diào)直流電源，因此可選用電樞和勵(lì)磁額定電壓為110V的電機(jī)。2）電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和減速比的確定：前面所述，CO2焊的焊接速度一般為30~50cm/min，螺桿的螺距為4mm，所以要求螺桿的最大轉(zhuǎn)速n左右。因此，可選用額定轉(zhuǎn)速為3000r/min的電機(jī)，選用減速比為16的減速器，減速器的輸出轉(zhuǎn)速為188r/min。設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求螺桿的安全轉(zhuǎn)速n188r/min。螺旋傳動(dòng)的軸向載荷F約為98N，螺桿的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq=Fd/2==m。根據(jù)減速器的輸出力矩公式：M=i1T (38)其中：—減速器的傳動(dòng)效率，選90%i1—傳動(dòng)比T—電機(jī)的輸出力矩m，所以電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩：T()m。綜合以上計(jì)算，可選取博山機(jī)電設(shè)備廠微電機(jī)分廠的JSZ(ZYT)—PX系列微型直流減速電動(dòng)機(jī)，分別由SZ(ZYT)系列直流電動(dòng)機(jī)與PX型普通精度行星減速器構(gòu)成，電機(jī)型號(hào)為70SZ54，與其配套的減速器減速比為16。電機(jī)和減速器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出轉(zhuǎn)矩大。電機(jī)的參數(shù)如表31：表31 左右運(yùn)行電機(jī)參數(shù) Motor parameters of running around轉(zhuǎn)矩mNm轉(zhuǎn)速r/min功率P/W電壓U/V電流I/A允許順差轉(zhuǎn)數(shù)差r/min轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大于mNm電樞激磁電樞激磁176300055110110200 前后方向電機(jī)和減速器的選擇采用與下拖同樣的電機(jī)和減速器可達(dá)到要求。 送絲電機(jī)和減速器的選擇本設(shè)計(jì)采用推式送絲系統(tǒng)，包含送絲機(jī)、焊槍和送絲軟管等。送絲機(jī)包括送絲盤、送絲電動(dòng)機(jī)、減速器和送絲滾輪，提供足夠的驅(qū)動(dòng)功率，使焊絲順利進(jìn)入送絲軟管和焊槍導(dǎo)電嘴。送絲電機(jī)選用直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)。減速機(jī)構(gòu)選用一級(jí)蝸桿減速。送絲滾輪采用一只主動(dòng)滾輪，另一只為從動(dòng)滾輪的形式，為減少阻力，滾輪開有V型槽。送絲輪直徑選為d=35mm（直徑太小易磨損），而送絲速度一般要求312m/min之間可調(diào)，那么要求送絲輪的最大轉(zhuǎn)速n送絲12/()110r/min。因此初步確定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，減速比取10。實(shí)驗(yàn)證明，焊絲在進(jìn)行過程中，會(huì)受到來(lái)自于送絲管、導(dǎo)電嘴、送絲盤的摩擦阻力，一般情況下整個(gè)阻力之和約為F=12N，考慮到還有其他不可遇見的因素，那么阻力矩為： （39）其中：M—阻力矩k—安全系數(shù)，取2—阻力和d—送絲輪直徑m，根據(jù)公式31，m。綜合以上計(jì)算，可選用博山機(jī)電設(shè)備廠微電機(jī)分廠電機(jī)型號(hào)為705254他勵(lì)直流伺服電機(jī)，電機(jī)的參數(shù)如表31。減速機(jī)構(gòu)的減速比取10。表32 送絲電機(jī)參數(shù) Parameters of the wirefeedmotor轉(zhuǎn)矩mNm轉(zhuǎn)速r/min功率P/W電壓U/V電流I/A允許順差轉(zhuǎn)數(shù)差r/min轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不大于mNm電樞激磁電樞激磁510150080110110100根據(jù)公式31，m，能產(chǎn)生的牽引力約為200N，所以選取的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)合格。 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式為進(jìn)口滾珠絲桿配合進(jìn)口直線導(dǎo)軌方式，擺動(dòng)過程中可實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)。采用原裝進(jìn)口伺服電機(jī)及伺服電機(jī)專用減速機(jī)，保證了控制精度及運(yùn)行的穩(wěn)定可靠。該擺動(dòng)機(jī)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的偏心輪式的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，不但可以實(shí)現(xiàn)勻速直線擺動(dòng)（保證熔深均勻），而且可以精確的調(diào)整擺動(dòng)兩端的停留時(shí)間。該擺動(dòng)與工作臺(tái)共同組成了高精度的平面兩維數(shù)控系統(tǒng)，配合工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，不但可以堆焊出普通直線擺動(dòng)耐磨板，而且可以堆焊出“S”形焊道的耐磨板。根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，在使用同樣堆焊材料的前提下，“S”形焊道的耐磨板的使用壽命要超過普通直線擺動(dòng)耐磨板30%。獨(dú)立焊槍升降機(jī)構(gòu)、焊槍間距調(diào)整機(jī)構(gòu)及水冷焊槍均加掛在該擺動(dòng)機(jī)構(gòu)之上。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大擺動(dòng)速度4400mm/分鐘、最大擺動(dòng)寬度199mm（該參數(shù)可根據(jù)用戶的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，最大可以達(dá)到450mm），重復(fù)定位精度≤。 焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)對(duì)焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)的要求是：能夠調(diào)整焊槍相對(duì)于焊道的上下、左右位置，在焊接終了，還需要轉(zhuǎn)動(dòng)焊槍的角度以清除飛濺到焊槍焊嘴內(nèi)的焊渣。所以，要求焊槍能夠沿Z軸的手動(dòng)上下調(diào)整以及圍繞Z軸的手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，用他勵(lì)直流電機(jī)及滑動(dòng)螺旋絲桿副實(shí)現(xiàn)焊槍沿X軸和Y軸的自動(dòng)往返移動(dòng)。4 自動(dòng)堆焊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)方案硬件設(shè)計(jì)方案如圖41。電路的核心是單片機(jī)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速電路用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并調(diào)節(jié)電機(jī)速度，電機(jī)包括送絲電機(jī)，左右運(yùn)動(dòng)的電機(jī)，前后運(yùn)動(dòng)電機(jī)，擺動(dòng)電機(jī)。圖41 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案圖 Design diagram of the control system hardware 控制面板的設(shè)計(jì)操作面板布局如圖42，為調(diào)節(jié)方便，設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)按鈕。啟動(dòng)和預(yù)停（停止）共用一個(gè)按鈕。圖42 控制面板的設(shè)計(jì)圖 Design diagram of the control panel 系統(tǒng)的硬件組成焊機(jī)的硬件系統(tǒng)主要組成如圖43：圖43 焊機(jī)的硬件系統(tǒng)框圖 Welder hardware system diagram系統(tǒng)硬件主要由電源部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、電機(jī)調(diào)速部分、由單片機(jī)控制的焊接時(shí)序電路部分。電機(jī)調(diào)速板輸出可調(diào)脈沖信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板使晶閘管導(dǎo)通，電機(jī)驅(qū)動(dòng)板將電機(jī)電樞的電壓反饋給電機(jī)調(diào)速板，實(shí)現(xiàn)電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)；單片機(jī)焊接時(shí)序控制板輸出信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)序控制。 硬件系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)電源部分由兩部分組成，一部分是：220V的交流電壓經(jīng)變壓器輸出123V、20V、18V、18V、18V的交流電壓。20V的交流電壓經(jīng)整流電路提供調(diào)速板18V的同步電壓；兩18V的交流電壓經(jīng)整流電路、穩(wěn)壓電路后提供調(diào)速板15V的工作電壓；另一18V的交流電壓經(jīng)整流電路、穩(wěn)壓電路后輸出12V的直流電壓給繼電器供電。另一部分是：220V的交流電壓經(jīng)另一變壓器、整流電路、穩(wěn)壓電路后輸出5V的直流電壓給單片機(jī)供電。 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速電路設(shè)計(jì) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和調(diào)速方案因?yàn)樗徒z速度對(duì)調(diào)速電路的要求同樣滿足左右，上下和前后行走速度對(duì)調(diào)速電路的要求，所以在此只擬定送絲電機(jī)的調(diào)速方案。送絲電機(jī)的調(diào)速電路是為了保證適應(yīng)不同直徑的焊絲和焊接對(duì)選用的送絲速度的要求，以能實(shí)現(xiàn)在一定的送絲速度范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)送絲速度。工程中較多采用下列三種調(diào)節(jié)方式：轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)方式、電樞電壓負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)和電樞電壓負(fù)反饋配合電樞電流正反饋調(diào)節(jié)方式。采用速度負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，由于控制對(duì)象是轉(zhuǎn)速，所以不僅可以補(bǔ)償負(fù)載變化造成的轉(zhuǎn)速降，而且還可以補(bǔ)償網(wǎng)壓波動(dòng)造成的轉(zhuǎn)速變化，控制精度很高。但是，此種調(diào)速系統(tǒng)成本很高；采用電樞電壓負(fù)反饋，只能實(shí)現(xiàn)電樞電壓的穩(wěn)定。它可以補(bǔ)償電源內(nèi)阻和網(wǎng)壓波動(dòng)造成的轉(zhuǎn)速變化，卻不能補(bǔ)償負(fù)載力矩變化造成的轉(zhuǎn)速變化。它所能夠達(dá)到的最佳效果即是達(dá)到電樞電壓恒定不變時(shí)的電機(jī)特性，所以其硬度提高很少。但是，在焊接過程中，一般采用電樞電壓負(fù)反饋就可以滿足工藝要求。又因?yàn)榫чl管供電的直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，因此在此選用電樞電壓負(fù)反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖44：圖44 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速方案圖 Scheme diagram of motor drive and speed regulation因此，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速采用晶閘管電壓負(fù)反饋系統(tǒng)[7]。 電機(jī)的調(diào)速電路，電機(jī)的調(diào)速電路選擇晶閘管觸發(fā)電路。晶閘管觸發(fā)電路如圖45：圖45 電機(jī)調(diào)速電路 Motor speed regulation circuit由Ql等元件構(gòu)成過零檢測(cè)電路，使觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路的電源電壓同步。AR1，C2等組成鋸齒波發(fā)生器。當(dāng)電源電壓過零時(shí)，從而使Q2導(dǎo)通。AR1為積分電路，其輸出：U0= （41）式中：R=R27，C=C2，t=。AR2和AR3及相應(yīng)元件組成移相電路。AR2為比例積分電路，給定信號(hào)及反饋電壓均加在該放大器的反相端。調(diào)節(jié)給定信號(hào)大小使AR3輸出端電平發(fā)生變化。AR3為比較器，它將鋸齒波和AR2輸出電壓進(jìn)行比較。調(diào)節(jié)給定信號(hào)電平大小，使AR3輸出端產(chǎn)生寬度可調(diào)的矩形脈沖。QQU1及相應(yīng)元件組成晶閘管觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖為一脈沖列。各點(diǎn)波形如圖46所示。觸發(fā)脈沖具有足夠的電流和電壓，因?yàn)橛|發(fā)脈沖為一脈沖列，所以具有足夠的寬度，同時(shí)從圖46可以看出，觸發(fā)脈沖的上升前沿很陡，所以此觸發(fā)電路性能良好。通過示波器測(cè)量，晶閘管的導(dǎo)通角范圍為0~165[7]。圖46 觸發(fā)脈沖波形圖 Triggering pulse waveform 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要包括以下幾個(gè)部分：1）123V的交流電壓經(jīng)整流電路輸出110V直流電壓給電機(jī)勵(lì)磁供電。2）123V的交流電壓經(jīng)半控橋整流后,輸出直流電壓給電機(jī)電樞供電，輸出電壓可調(diào)以達(dá)到調(diào)速的目的。電壓的調(diào)節(jié)由調(diào)速板控制晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)，并具有電壓負(fù)反饋功能。3）電機(jī)的手動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)通過手動(dòng)按鈕實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)通過繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器的吸合和釋放由單片機(jī)控制。4）電機(jī)的手動(dòng)正反轉(zhuǎn)通過手動(dòng)撥鈕實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)正反轉(zhuǎn)通過繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器的吸合和釋放由單片機(jī)控制。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理圖如47所示，由QQDD2組成半控橋整流電路。QQ2的導(dǎo)通角由圖45輸出的晶閘管觸發(fā)脈沖控制，D8為續(xù)流二極管，因?yàn)殡姍C(jī)為感性負(fù)載，所以接入D3保證晶閘管能夠及時(shí)關(guān)斷；S4為手動(dòng)按鈕，用于手動(dòng)調(diào)節(jié)左右方向拖板的位置；JD3位觸發(fā)器，自動(dòng)關(guān)閉；JD5為觸發(fā)器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。S1為手動(dòng)撥鈕，手動(dòng)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；R5為減速電阻，保證電機(jī)快速制動(dòng)。JD5JD3圖47 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 Motor driver circuit diagram 單片機(jī)控制的焊接時(shí)序控制電路 焊接時(shí)序控制電路具體方案根據(jù)80C51系列單片機(jī)的特點(diǎn)，可以利用單片機(jī)的I/O功能和T0、T1的計(jì)數(shù)功能來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。按啟動(dòng)鍵后，單片機(jī)通過程序自動(dòng)載入焊車X方向的最大行程，然后按照焊接程序控制順序送出供電供氣Q送絲Q左右走行電機(jī)運(yùn)行Q前后走行電機(jī)運(yùn)行Q左右走行電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)Q5，并根據(jù)需要提供必要的延時(shí)，這些信號(hào)通過開關(guān)元件輸送給繼電器。開關(guān)元件可選擇達(dá)林頓管，因?yàn)檫_(dá)林頓管提供大的放大倍數(shù)，基極只需mA級(jí)（有的甚至是微安級(jí)）的電流就可導(dǎo)通，它的導(dǎo)通電流在單片機(jī)的引腳驅(qū)動(dòng)能力范圍之內(nèi)；集射極可通過安培級(jí)的電流，保證繼電器可靠吸合。要實(shí)現(xiàn)圖滿焊、定位焊的焊車行走方式，可通過單片機(jī)的T0、T1的計(jì)數(shù)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。滿焊：由程序賦給X方向的行程值，當(dāng)焊車從X方向的一端行走到另一端需停左右走行電機(jī)時(shí)，T0溢出并將信號(hào)通過單片機(jī)的輸出管腳送給左右走行電機(jī)和上拖電機(jī)的控制繼電器，使左右走行電機(jī)停機(jī)，前后走行電機(jī)運(yùn)行。前后走行電機(jī)的停機(jī)信號(hào)通過T1溢出標(biāo)志提供，BCD撥碼提供前后電機(jī)的位移值，位移值可調(diào)，此位移值通過單片機(jī)處理后賦給T1，當(dāng)前后走行電機(jī)行走了相應(yīng)的位移需停機(jī)時(shí)，TI溢出并將信號(hào)通過單片機(jī)的輸出管腳送給前后走行電機(jī)和左右走行電機(jī)的控制繼電器，使前后電機(jī)停機(jī)，左右電機(jī)反轉(zhuǎn)并運(yùn)行。這樣就實(shí)現(xiàn)了滿焊的焊車行走方式。定位焊：當(dāng)焊車在偏磨段X方向的一端行走到另一端需停下拖電機(jī)時(shí)，按定位鍵，通過程序的處理，T0自動(dòng)溢出，同時(shí)改寫X方向的行程值并將信號(hào)通過單片機(jī)的輸出管腳送給左右走行電機(jī)和前后走行電機(jī)的控制繼電器，使左右