【文章內(nèi)容簡介】 電樞繞組分別由兩個獨立電源供電。在勵磁電壓Uf的作用下，勵磁繞組中通過勵磁電流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。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，拖動生產(chǎn)機械以某一轉(zhuǎn)速n運轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生反電勢E。圖34 他勵電動機 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，得到直流電動機機械特性的一般表達式： （32）式中，n0是電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，?n是轉(zhuǎn)速差：?n=n0－n=βT （33）MTn0nnNnMTNTMN 他勵直流電動機的固有機械特性圖35 他勵直流電動機的固有特性 Inherent characteristics of the otherexcited DC motor直流電動機機械特性的一般表達式： （34）他勵直流電動機固有特性如圖35所示，N點對應于電動機的額定狀態(tài)。額定狀態(tài)說明電動機的長期運行能力。M點對應于電動機的臨界狀態(tài)，這時電樞電流Ia等于換向允許的最大電樞電流Iamax=（~）IaN。對應的轉(zhuǎn)矩TM是電動機所允許的最大轉(zhuǎn)矩。臨界狀態(tài)說明了電動機的短時過載能力[15]。1）機械特性斜率： （35）2）機械特性硬度： （36）3）額定轉(zhuǎn)矩： （37） 電機的選擇 左右方向電機和減速器的選擇他勵直流電動機參數(shù)的確定，主要應根據(jù)系統(tǒng)中所提供的電源、功率以及系統(tǒng)對電動機的要求來決定。1）電機電樞和勵磁額定電壓的選定本設計中提供110V的可調(diào)直流電源，因此可選用電樞和勵磁額定電壓為110V的電機。2）電機額定轉(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，選用減速比為16的減速器，減速器的輸出轉(zhuǎn)速為188r/min。設計螺桿時要求螺桿的安全轉(zhuǎn)速n188r/min。螺旋傳動的軸向載荷F約為98N，螺桿的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩Mq=Fd/2==m。根據(jù)減速器的輸出力矩公式：M=i1T (38)其中：—減速器的傳動效率，選90%i1—傳動比T—電機的輸出力矩m，所以電機的輸出轉(zhuǎn)矩：T()m。綜合以上計算，可選取博山機電設備廠微電機分廠的JSZ(ZYT)—PX系列微型直流減速電動機，分別由SZ(ZYT)系列直流電動機與PX型普通精度行星減速器構成，電機型號為70SZ54，與其配套的減速器減速比為16。電機和減速器體積小、重量輕、結構緊湊、輸出轉(zhuǎn)矩大。電機的參數(shù)如表31：表31 左右運行電機參數(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)動慣量不大于mNm電樞激磁電樞激磁176300055110110200 前后方向電機和減速器的選擇采用與下拖同樣的電機和減速器可達到要求。 送絲電機和減速器的選擇本設計采用推式送絲系統(tǒng)，包含送絲機、焊槍和送絲軟管等。送絲機包括送絲盤、送絲電動機、減速器和送絲滾輪，提供足夠的驅(qū)動功率，使焊絲順利進入送絲軟管和焊槍導電嘴。送絲電機選用直流他勵電動機。減速機構選用一級蝸桿減速。送絲滾輪采用一只主動滾輪，另一只為從動滾輪的形式，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。因此初步確定電機的額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，減速比取10。實驗證明，焊絲在進行過程中，會受到來自于送絲管、導電嘴、送絲盤的摩擦阻力，一般情況下整個阻力之和約為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。綜合以上計算，可選用博山機電設備廠微電機分廠電機型號為705254他勵直流伺服電機，電機的參數(shù)如表31。減速機構的減速比取10。表32 送絲電機參數(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，所以選取的電機和減速機構合格。 擺動機構擺動機構的傳動方式為進口滾珠絲桿配合進口直線導軌方式，擺動過程中可實現(xiàn)無間隙傳動。采用原裝進口伺服電機及伺服電機專用減速機，保證了控制精度及運行的穩(wěn)定可靠。該擺動機構有別于傳統(tǒng)的偏心輪式的擺動機構，不但可以實現(xiàn)勻速直線擺動（保證熔深均勻），而且可以精確的調(diào)整擺動兩端的停留時間。該擺動與工作臺共同組成了高精度的平面兩維數(shù)控系統(tǒng)，配合工作臺的運動，不但可以堆焊出普通直線擺動耐磨板，而且可以堆焊出“S”形焊道的耐磨板。根據(jù)國外的經(jīng)驗，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耐磨板30%。獨立焊槍升降機構、焊槍間距調(diào)整機構及水冷焊槍均加掛在該擺動機構之上。擺動機構的最大擺動速度4400mm/分鐘、最大擺動寬度199mm（該參數(shù)可根據(jù)用戶的實際需要進行調(diào)整，最大可以達到450mm），重復定位精度≤。 焊槍調(diào)整機構對焊槍調(diào)整機構的要求是：能夠調(diào)整焊槍相對于焊道的上下、左右位置，在焊接終了，還需要轉(zhuǎn)動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軸的手動上下調(diào)整以及圍繞Z軸的手動轉(zhuǎn)動。另外，用他勵直流電機及滑動螺旋絲桿副實現(xiàn)焊槍沿X軸和Y軸的自動往返移動。4 自動堆焊系統(tǒng)的硬件設計 硬件設計方案硬件設計方案如圖41。電路的核心是單片機，電機的驅(qū)動和調(diào)速電路用來驅(qū)動電機并調(diào)節(jié)電機速度，電機包括送絲電機，左右運動的電機，前后運動電機，擺動電機。圖41 控制系統(tǒng)硬件設計方案圖 Design diagram of the control system hardware 控制面板的設計操作面板布局如圖42，為調(diào)節(jié)方便，設置手動和自動按鈕。啟動和預停（停止）共用一個按鈕。圖42 控制面板的設計圖 Design diagram of the control panel 系統(tǒng)的硬件組成焊機的硬件系統(tǒng)主要組成如圖43：圖43 焊機的硬件系統(tǒng)框圖 Welder hardware system diagram系統(tǒng)硬件主要由電源部分、電機驅(qū)動部分、電機調(diào)速部分、由單片機控制的焊接時序電路部分。電機調(diào)速板輸出可調(diào)脈沖信號給電機驅(qū)動板使晶閘管導通，電機驅(qū)動板將電機電樞的電壓反饋給電機調(diào)速板，實現(xiàn)電壓負反饋調(diào)節(jié)；單片機焊接時序控制板輸出信號給電機驅(qū)動板，實現(xiàn)焊接時序控制。 硬件系統(tǒng)的電源設計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供電。 直流電機的驅(qū)動和調(diào)速電路設計 直流電機驅(qū)動和調(diào)速方案因為送絲速度對調(diào)速電路的要求同樣滿足左右，上下和前后行走速度對調(diào)速電路的要求，所以在此只擬定送絲電機的調(diào)速方案。送絲電機的調(diào)速電路是為了保證適應不同直徑的焊絲和焊接對選用的送絲速度的要求，以能實現(xiàn)在一定的送絲速度范圍內(nèi)進行無級調(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)速反饋自動調(diào)節(jié)方式、電樞電壓負反饋自動調(diào)節(jié)和電樞電壓負反饋配合電樞電流正反饋調(diào)節(jié)方式。采用速度負反饋調(diào)速系統(tǒng)，由于控制對象是轉(zhuǎn)速，所以不僅可以補償負載變化造成的轉(zhuǎn)速降，而且還可以補償網(wǎng)壓波動造成的轉(zhuǎn)速變化，控制精度很高。但是，此種調(diào)速系統(tǒng)成本很高；采用電樞電壓負反饋，只能實現(xiàn)電樞電壓的穩(wěn)定。它可以補償電源內(nèi)阻和網(wǎng)壓波動造成的轉(zhuǎn)速變化，卻不能補償負載力矩變化造成的轉(zhuǎn)速變化。它所能夠達到的最佳效果即是達到電樞電壓恒定不變時的電機特性，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反饋就可以滿足工藝要求。又因為晶閘管供電的直流調(diào)速控制系統(tǒng)具有良好的技術經(jīng)濟指標，因此在此選用電樞電壓負反饋晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖44：圖44 電機的驅(qū)動和調(diào)速方案圖 Scheme diagram of motor drive and speed regulation因此，電機的驅(qū)動和調(diào)速采用晶閘管電壓負反饋系統(tǒng)[7]。 電機的調(diào)速電路，電機的調(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 電機調(diào)速電路 Motor speed regulation circuit由Ql等元件構成過零檢測電路，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。當電源電壓過零時，從而使Q2導通。AR1為積分電路，其輸出：U0= （41）式中：R=R27，C=C2，t=。AR2和AR3及相應元件組成移相電路。AR2為比例積分電路，給定信號及反饋電壓均加在該放大器的反相端。調(diào)節(jié)給定信號大小使AR3輸出端電平發(fā)生變化。AR3為比較器，它將鋸齒波和AR2輸出電壓進行比較。調(diào)節(jié)給定信號電平大小，使AR3輸出端產(chǎn)生寬度可調(diào)的矩形脈沖。QQU1及相應元件組成晶閘管觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖為一脈沖列。各點波形如圖46所示。觸發(fā)脈沖具有足夠的電流和電壓，因為觸發(fā)脈沖為一脈沖列，所以具有足夠的寬度，同時從圖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。通過示波器測量，晶閘管的導通角范圍為0~165[7]。圖46 觸發(fā)脈沖波形圖 Triggering pulse waveform 電機的驅(qū)動電路電機的驅(qū)動電路主要包括以下幾個部分：1）123V的交流電壓經(jīng)整流電路輸出110V直流電壓給電機勵磁供電。2）123V的交流電壓經(jīng)半控橋整流后,輸出直流電壓給電機電樞供電，輸出電壓可調(diào)以達到調(diào)速的目的。電壓的調(diào)節(jié)由調(diào)速板控制晶閘管的導通角實現(xiàn)，并具有電壓負反饋功能。3）電機的手動運轉(zhuǎn)通過手動按鈕實現(xiàn)，自動運轉(zhuǎn)通過繼電器實現(xiàn)，繼電器的吸合和釋放由單片機控制。4）電機的手動正反轉(zhuǎn)通過手動撥鈕實現(xiàn)，自動正反轉(zhuǎn)通過繼電器實現(xiàn)，繼電器的吸合和釋放由單片機控制。電機的驅(qū)動原理圖如47所示，由QQDD2組成半控橋整流電路。QQ2的導通角由圖45輸出的晶閘管觸發(fā)脈沖控制，D8為續(xù)流二極管，因為電機為感性負載，所以接入D3保證晶閘管能夠及時關斷；S4為手動按鈕，用于手動調(diào)節(jié)左右方向拖板的位置；JD3位觸發(fā)器，自動關閉；JD5為觸發(fā)器控制電機的正反轉(zhuǎn)。S1為手動撥鈕，手動控制電機的正反轉(zhuǎn)；R5為減速電阻，保證電機快速制動。JD5JD3圖47 電機驅(qū)動電路圖 Motor driver circuit diagram 單片機控制的焊接時序控制電路 焊接時序控制電路具體方案根據(jù)80C51系列單片機的特點，可以利用單片機的I/O功能和T0、T1的計數(shù)功能來達到設計的目的。按啟動鍵后，單片機通過程序自動載入焊車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左右走行電機運行Q前后走行電機運行Q左右走行電機正反轉(zhuǎn)信號Q5，并根據(jù)需要提供必要的延時，這些信號通過開關元件輸送給繼電器。開關元件可選擇達林頓管，因為達林頓管提供大的放大倍數(shù)，基極只需mA級（有的甚至是微安級）的電流就可導通，它的導通電流在單片機的引腳驅(qū)動能力范圍之內(nèi)；集射極可通過安培級的電流，保證繼電器可靠吸合。要實現(xiàn)圖滿焊、定位焊的焊車行走方式，可通過單片機的T0、T1的計數(shù)功能來實現(xiàn)。滿焊：由程序賦給X方向的行程值，當焊車從X方向的一端行走到另一端需停左右走行電機時，T0溢出并將信號通過單片機的輸出管腳送給左右走行電機和上拖電機的控制繼電器，使左右走行電機停機，前后走行電機運行。前后走行電機的停機信號通過T1溢出標志提供，BCD撥碼提供前后電機的位移值，位移值可調(diào)，此位移值通過單片機處理后賦給T1，當前后走行電機行走了相應的位移需停機時，TI溢出并將信號通過單片機的輸出管腳送給前后走行電機和左右走行電機的控制繼電器，使前后電機停機，左右電機反轉(zhuǎn)并運行。這樣就實現(xiàn)了滿焊的焊車行走方式。定位焊：當焊車在偏磨段X方向的一端行走到另一端需停下拖電機時，按定位鍵，通過程序的處理，T0自動溢出，同時改寫X方向的行程值并將信號通過單片機的輸出管腳送給左右走行電機和前后走行電機的控制繼電器，使左右