步進(jìn)電機(jī)在鉤舌堆焊機(jī)中的應(yīng)用

，，

（1.西南交通大學(xué) 材料工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 前言

隨著鐵路機(jī)車的高速發(fā)展，鉤舌磨損現(xiàn)象日益嚴(yán)重，鉤舌修復(fù)的表面質(zhì)量要求越來越高。傳統(tǒng)鉤舌堆焊機(jī)的驅(qū)動大多采用普通交、直流電機(jī)，運動慣性大，位移控制精度不高。步進(jìn)電機(jī)能夠彌補其缺點，并改善焊縫成形，提高堆焊質(zhì)量。

1 鉤舌堆焊機(jī)的堆焊過程

鉤舌堆焊機(jī)的工藝設(shè)備如圖1所示[1]，主要由十字托板、焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)等部分組成。十字托板分為上托板和下托板。x、y、z軸步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動上托板、下托板和焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)；焊槍在十字托板和焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)的帶動下進(jìn)行焊接。整個焊接過程為：首先手動裝夾鉤舌并調(diào)整焊槍，啟動送絲送電送氣，然后下托板垂直紙面向里運動，焊槍到達(dá)鉤舌內(nèi)邊緣時，下托板停止，上托板向右后退一個節(jié)距，同時焊槍豎直向上調(diào)整一定高度，保證焊絲的干伸長穩(wěn)定，接著下托板垂直紙面向外運動，當(dāng)焊槍到達(dá)鉤舌外邊緣時，下托板停止，上托板再次退出一個節(jié)距同時焊槍調(diào)整一定高度后，下托板再次向里運動，如此反復(fù)完成整個焊接。

圖1 鉤舌自動堆焊示意

2 控制系統(tǒng)的硬件電路

控制電路原理如圖2所示，核心器件是PIC單片機(jī)[2-3]，控制電路采用基于單片機(jī)的模塊化設(shè)計：一個主機(jī)和x、y、z方向3個從機(jī)，保證各個單片機(jī)在額定功率下工作，有利于后續(xù)的產(chǎn)品升級和功能模塊引腳的添加。

主機(jī)采用微芯公司的DSPIC30F6011A單片機(jī)；其引腳RB0與啟動開關(guān)S相連，S按下表示啟動；從機(jī)采用微芯公司PIC16C54的低端單片機(jī)，RA端口為輸出I/O端口。3個從機(jī)驅(qū)動原理相同，在此僅介紹Y軸從機(jī)驅(qū)動。S按下時主機(jī)通過IIC半雙工通信發(fā)送啟動命令到3個從機(jī)。當(dāng)Y從機(jī)通過模擬IIC程序接收到啟動命令時，其RA端口發(fā)出數(shù)字脈沖，經(jīng)過525G-2光耦隔離后再由達(dá)林頓管TIP122功率放大為強(qiáng)電V-HB來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)各相繞組通電。步進(jìn)電機(jī)STEPER采用86BYG4502混合式四相步進(jìn)電機(jī)，工作方式為四相單雙八拍，其正轉(zhuǎn)脈沖時序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，反轉(zhuǎn)脈沖時序為A-AD-D-DC-C-CB-B-BA；各相繞組的導(dǎo)通時序如圖3所示，每一相繞組的通電周期為8T，占空比為3/8，步距角β為0.9°，傳動絲杠的螺距P為5 mm，步進(jìn)電機(jī)每步的脈沖周期為T，并且其每步帶動托板走的單位距離S=（P×β）/360=12.5 μm，焊接中托板累計運行距離S0和總運行時間T0的關(guān)系式為

圖2 控制系統(tǒng)電路

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 數(shù)字脈沖分配器程序

3個從機(jī)均置有軟件數(shù)字脈沖分配器[4]，由定時器T0中斷函數(shù)實現(xiàn)此功能，數(shù)字脈沖分配器程序如圖4所示。RD為正反轉(zhuǎn)標(biāo)志寄存器，正轉(zhuǎn)時RD=1，反轉(zhuǎn)時RD=0；定時器T0的周期寄存器PR0中的值為脈沖周期T，可由單片機(jī)按照設(shè)定的焊接速度v和式（1）通過算術(shù)運算程序得到；PS為脈沖序列標(biāo)志寄存器，結(jié)合圖3和圖4每次T0中斷后，函數(shù)先判斷正反轉(zhuǎn)，然后依據(jù)PS值進(jìn)入相應(yīng)脈沖序列操作程序，同時PS遞增1，PS每變換一次，繞組通電的相序就變換一次，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角。完整的正轉(zhuǎn)子程序應(yīng)是：T0第一次中斷，PS=0時RA0為高電平A相導(dǎo)通；T0第二次中斷，PS=1時RA1和RA0為高電平AB相導(dǎo)通；T0第三次中斷，PS=2時RA1為高電平B組導(dǎo)通；T0第四次中斷，PS=3時RA1和RA2為高電平BC相導(dǎo)通；T0第五次中斷，PS=4時RA2為高電平C相導(dǎo)通；T0第六次中斷時，PS=5時RA2和RA3為高電平CD相導(dǎo)通；T0第七次中斷時，PS=6時RA3為高電平D相導(dǎo)通；T0第八次中斷時，PS=7時RA3和RA0為高電平DA相導(dǎo)通，同時清零PS為下一個脈沖循環(huán)做準(zhǔn)備；此時一個完整正轉(zhuǎn)時序脈沖已經(jīng)完成，如此反復(fù)循環(huán)T0中斷便可實現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運行；反轉(zhuǎn)子程序原理與正轉(zhuǎn)子程序相同，反轉(zhuǎn)時每次T0中斷將依據(jù)PS值按照反轉(zhuǎn)脈沖時序改寫相應(yīng)RA端口，如PS=0時A相通電，PS=1時AD相通電……PS=7時BA相通電。如此便可完成反轉(zhuǎn)時序脈沖循環(huán)。

圖3 繞組脈沖示意

圖4 數(shù)字脈沖分配器程序

3.2 自動焊接控制程序

（1）從機(jī)控制程序。x、y、z方向3個從機(jī)控制程序相同，都只控制脈沖的發(fā)送。如圖5所示：系統(tǒng)上電，當(dāng)有啟動命令時，先判斷正反轉(zhuǎn)，然后寫寄存器RD并開T0中斷，步進(jìn)電機(jī)每走一步判斷是否停止，有停止命令時，停止焊接并返回初始化等待新的啟動命令。

圖5 從機(jī)控制程序

（2）主機(jī)控制程序。自動焊接時主機(jī)控制x、y、z從機(jī)按一定時序停止或正反轉(zhuǎn)，如圖6所示。WC為焊縫計數(shù)一個節(jié)距和高度的時間，實際中高度和節(jié)距同時完成調(diào)節(jié)；在焊縫長度和節(jié)距設(shè)定后，VD1和VD2的數(shù)值都可由單片機(jī)根據(jù)式（1）計算得到；系統(tǒng)上電后檢測到自動焊接啟動時，通過IIC模塊與從機(jī)通信，發(fā)送正轉(zhuǎn)命令到Y(jié)從機(jī)；調(diào)用VD1延時，焊槍走完一道焊縫后發(fā)送停止命令到Y(jié)從機(jī)并判斷是否完成，未完成則發(fā)送正轉(zhuǎn)命令到X、Z從機(jī)，調(diào)用VD2延時，調(diào)整節(jié)距和高度后WC遞增1并發(fā)送停止命令到X、Z從機(jī)，此時WC值為奇數(shù)，發(fā)送反轉(zhuǎn)命令到Y(jié)從機(jī)，調(diào)用VD1延時，焊槍走完一道焊縫后發(fā)送停止命令到Y(jié)從機(jī)并判斷是否完成；循環(huán)往復(fù)直至焊接完成，焊槍停止運動，程序返回到初始化等待新的自動焊接啟動命令。

4 結(jié)論

（1）本驅(qū)動控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，便于后續(xù)產(chǎn)品的升級和功能模塊的添加。

（2）數(shù)字脈沖環(huán)形分配器的設(shè)計取代硬件脈沖分配器使得系統(tǒng)簡單可靠，性價比高。

（3）由單片機(jī)編程控制的系統(tǒng)比PLC等的控制系統(tǒng)成本低很多，且在現(xiàn)場焊接中切實可行。

[1]曹炎珍，蘭強(qiáng)，肖坤文.兩種鉤舌自動堆焊方式的比較[J].電焊機(jī)，2003，33（10）：41-43.

[2]MICROCHIP.DSPIC30F系列參考手冊[EB].Microchip Technology Inc，2015.

[3]MICROCHIP.PIC16C5X[EB].Microchip Technology Inc，2013.

[4]程樹康，劉寶廷.步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.