一種汽車橫梁自動(dòng)焊接機(jī)的設(shè)計(jì)

王斌

摘要；為了實(shí)現(xiàn)汽車橫梁的快速焊接，該文設(shè)計(jì)了一款性能可靠、控制精度高、操作簡(jiǎn)單的自動(dòng)焊接機(jī)，介紹了自動(dòng)焊管機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工藝要求，著重闡述了自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)中的硬件選型與電路設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：汽車橫梁自動(dòng)焊接機(jī)單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TG43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

汽車橫梁自動(dòng)焊接機(jī)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車橫梁自動(dòng)焊接而設(shè)計(jì)制作的，該焊接機(jī)主要是由焊機(jī)機(jī)身、工件夾緊和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、焊機(jī)電源控制系統(tǒng)、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)以及單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。自動(dòng)焊接機(jī)的硬件主要包括控制芯片、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、伺服電機(jī)、液晶顯示器、電磁閥、繼電器及光電傳感器等，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括這些硬件的選型和電路的設(shè)計(jì)。[1]

1 單片機(jī)選型與設(shè)計(jì)

自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型首要是主控芯片的選型，在設(shè)計(jì)中我們只要芯片的功能大小滿足我們的設(shè)計(jì)要求并稍有贏余即可無(wú)須浪費(fèi)資源增加成本，根據(jù)作者以往的學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，我們選用STC半導(dǎo)體公司12系列中資源較豐富的STC12C5A32AD作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。該款芯片的I/O引腳、片內(nèi)Flash和功能模塊全部符合設(shè)計(jì)要求，因此選用這款芯片還是比較合適的。它是單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。

2 輸入信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)的信息采集主要包括，焊接前對(duì)焊縫類型和焊管尺寸、焊槍移動(dòng)速度等相關(guān)參數(shù)運(yùn)用一組按鍵進(jìn)行輸入；焊接過(guò)程中對(duì)工件位置及焊槍位移等相關(guān)信息運(yùn)用光電傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.1鍵盤信號(hào)采集

鍵盤可以分為兩種，一種是編碼鍵盤另一種是非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是通過(guò)軟件來(lái)識(shí)別閉合鍵的鍵碼。自動(dòng)焊管機(jī)控制系統(tǒng)中也是運(yùn)用的行列式非編碼鍵盤。行列式鍵盤是指將I/O口線的一部分作為行線，另外一部分作為列線，行列的交叉點(diǎn)用來(lái)設(shè)置按鍵。行列數(shù)的乘積數(shù)就是可以設(shè)置的按鍵個(gè)數(shù)，這樣的設(shè)計(jì)就可節(jié)省大量的I/O口線。

2.2 光電傳感器信號(hào)采集

光電傳感器的主要作用是用于位置的檢測(cè)，它是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是將外界信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，光電傳感器首先把被測(cè)量的信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后光電元件再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。這樣就可以將非電量轉(zhuǎn)化成電量。

控制系統(tǒng)的外圍傳感器的公共電壓是24V，單片機(jī)的工作電壓是5V，所以外圍傳感器的信號(hào)不可以直接接到單片機(jī)的相應(yīng)引腳上，要借助于一些硬件電路或元器件來(lái)將24V的電壓轉(zhuǎn)化為5V的電壓，然后再接到單片機(jī)相應(yīng)的引腳上。在實(shí)際的電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號(hào)，若電路的抗干擾能力差將導(dǎo)致測(cè)量、控制準(zhǔn)確性的降低。常見(jiàn)的信號(hào)隔離方法有光電耦合和變壓器隔離等，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用光電耦合方式進(jìn)行隔離，以消除模擬信號(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)的干擾。[2]

3系統(tǒng)輸出電路設(shè)計(jì)

3.1 氣動(dòng)元件控制電路設(shè)計(jì)

電磁閥指在氣體或液體流動(dòng)中受電磁力控制開(kāi)閉的閥體，大量應(yīng)用于液壓機(jī)械、氣動(dòng)系統(tǒng)中。線圈不通電時(shí)，可動(dòng)鐵心由于受到彈簧的作用而與固定鐵心脫離，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)線圈通電時(shí)，可動(dòng)鐵心克服彈簧作用與鐵心吸合，閥門處于打開(kāi)狀態(tài)。這樣就控制了液體或氣體的流動(dòng)，流體推動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)換為物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，完成進(jìn)給、往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本系統(tǒng)就是通過(guò)電磁閥的通斷來(lái)控制各個(gè)氣動(dòng)回路中的相應(yīng)動(dòng)作。

該驅(qū)動(dòng)電路主要是由一個(gè)光耦、一個(gè)三極管、一個(gè)二極管和一個(gè)電阻組成。為了防止干擾需要進(jìn)行信號(hào)隔離，采用了型號(hào)為817的光耦。光耦輸入端一個(gè)接5V電，另一端接單片機(jī)的信號(hào)輸出口，當(dāng)系統(tǒng)需啟動(dòng)電磁閥時(shí)單片機(jī)輸出端輸出低電平，此時(shí)光耦工作，光耦輸出端接三極管9013的基極上，三極管的發(fā)射極接地，集電極接電磁閥。光耦工作就會(huì)使得三極管也工作，從而導(dǎo)通電磁閥的接地端，電磁閥通電工作。電磁閥兩端反向并聯(lián)二極管IN4007，目的是為了防止反向感生電動(dòng)勢(shì)燒壞三極管。

3.2 液晶顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示模塊根據(jù)其顯示方式和內(nèi)容的不同可以分為數(shù)顯液晶模塊、液晶點(diǎn)陣字符模塊和點(diǎn)陣圖形液晶模塊。其中數(shù)顯液晶模塊只能顯示數(shù)字和標(biāo)識(shí)符號(hào)，液晶點(diǎn)陣字符模塊只能顯示數(shù)字和西文字符而點(diǎn)陣圖形液晶模塊即能顯示數(shù)字、西文字符還能顯示圖形。自動(dòng)焊管機(jī)在信息采集時(shí)要進(jìn)行圖形編輯故要選用點(diǎn)陣圖形液晶模塊。

LCD12864是一種圖形點(diǎn)陣液晶顯示器，它主要由行驅(qū)動(dòng)器/列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成。[3]

3.3串行接口電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)焊管機(jī)根據(jù)用戶的實(shí)際需求，對(duì)一些參數(shù)或運(yùn)行方式要作修改，這就要求控制系統(tǒng)可以和PC機(jī)進(jìn)行通信，PC機(jī)與外圍設(shè)備進(jìn)行通信常采用RS-232串行接口，RS-232串行通信接口的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、技術(shù)相對(duì)成熟、且傳輸距離較遠(yuǎn)，現(xiàn)用單片機(jī)一般也把串行通訊口作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口集成在單片機(jī)內(nèi)，STC單片機(jī)的串行接口是一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口?？梢赃\(yùn)用RS-232進(jìn)行兩者的通信。

PC機(jī)的RS-232C串行通信接口與STC單片機(jī)的信號(hào)電平不一致，這就需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，因此需設(shè)計(jì)一個(gè)RS232和TTL電平轉(zhuǎn)換電路，該電路設(shè)計(jì)借助了專用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232，該芯片具有兩路發(fā)送器和接受器，可同時(shí)進(jìn)行兩組電平的轉(zhuǎn)換。MAX232共有16個(gè)引腳，其中VCC接5V電，還需外接5個(gè)電容進(jìn)行電壓匹配和電源去耦。其中R1IN為RS232電平發(fā)送端，R1OUT為轉(zhuǎn)換后TTL電平接受端；T1IN為TTL電平發(fā)送端，T1OUT為轉(zhuǎn)換后RS232電平接受端。

通過(guò)MAX232的TTL和RS-232的輸入/輸出端口，自動(dòng)調(diào)節(jié)單片機(jī)串口的TTL電平信號(hào)和RS-232的串行通信信號(hào)的電平匹配。

3.4電源電路設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)中，電源的設(shè)計(jì)是必不可少的，電源的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)系統(tǒng)工程，要對(duì)電源功耗、電源分配和電源管理監(jiān)控綜合考慮。該控制系統(tǒng)單元電路較多且對(duì)5V電源的要求比較高，采用了芯片7805完成從12V到5V的轉(zhuǎn)換，作為單片機(jī)5V單元的供電。

用芯片7805組成的穩(wěn)壓電源所需要的外圍電路簡(jiǎn)單，而且芯片內(nèi)部還有過(guò)熱、過(guò)流和調(diào)整管的保護(hù)電路，采用TO-220 或TO-202封裝。實(shí)際使用方便可靠。7805有三個(gè)端子分別是輸入、輸出和公共端。由7805芯片完成由12V的電源轉(zhuǎn)化成5V電源的電路原理圖如圖3-4所示。必須特別注意的是，根據(jù)7805的工作原理可知，7805在電壓轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱量，所以要給7805加上散熱片。同時(shí)最好在7805的輸出端加裝一個(gè)濾波電容，容量在100UF/16V。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還涉及到傳感器信號(hào)采集與信號(hào)放大，其中放大器等部分需要用到±12V電源和±24V電源，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求增加我們采用開(kāi)關(guān)電源，該開(kāi)關(guān)電源是可以直接輸出兩種電壓值的電源。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳林， 陳善本. 智能化焊接技術(shù)[M]. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社， 2000. 1-8.

[2] 張玉盛. 焊接技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J]. 魅力中國(guó)， 2010， （26）： 204-204.

[3] 宗培言. 焊接結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與裝備[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2007. 7-8