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摘 要

本文以C8051F020作为数控芯片设计单面焊双面成形焊炬运动装置控制系统。控制系统主要包括三个伺服电机和一个三相步进电机的驱动电路，输入输出装置和检测电路的设计。伺服电机驱动电路，以DM7407作为电机的驱动控制芯片。步进电机单独设计了一个驱动电路，以L297芯片作为脉冲分配器，用光耦元件将驱动电路与芯片相隔离，采用单三拍的工作方式。根据各个电机工作的频率范围，通过改变PCA可编程计数器阵列的时基信号源及工作方式，为每个电机设置不同的脉冲频率。以4×4矩阵键盘作为输出装置，4位LED显示器作为输出装置。设置线性传感器将焊炬运动距离转化为电信号，经检测电路进行前处理后，输入单片机中，再经A/D转换后由软件系统进行比较、判断处理，实现对焊炬运动轨迹的精确控制。设计接触检测电路以便于在焊接前测量焊接坡口参数，通过计算前面焊炬和焊丝的行程对坡口进行测量，得出坡口参数。文章最后设计了焊接工件坡口测量程序流程和焊接过程执行程序流程，以供编程参考。

关键词：单片机控制；驱动电路；输入输出装置；检测电路；软件流程

Abstract

A control system of single-side welding torch motion is designed with C8051F020 as NC chip. The control system consists of three servo motors and a three-phase stepping motor. design of input and output devices and detection circuits. Servo motor drive circuit, DM7407 as the driving control chip for the motor, With the gate 7409 control signal transmission, Two control signals must arrive at the same time, To output the control signal. The stepper motor has designed a drive circuit, L297 chip as a pulse splitter, Isolate the drive circuit from the chip with an optocoupler, Use single three-beat mode of work. According to the frequency range of each motor, By changing the time base signal source and mode of operation of PCA programmable counter array, set a different pulse frequency for each motor. A 4×4 matrix keyboard as the output device, 4-bit LED display as output device. Set up linear sensor to convert torch moving distance into electrical signal, After pre-processing the circuit, In the MCU, After A/D conversion, it is compared and judged by software system. to achieve accurate control of torch motion trajectory. Design the contact detection circuit to measure the welding groove parameters before welding, Add a small voltage between the wire and the workpiece, To generate electricity through contact, Through the amplifier, The comparator generates the corresponding contact signal, In the MCU, After receiving contact information, Single - chip machine stop torch movement and wire feed action, The groove is measured by calculating the stroke of the welding torch and welding wire. Get the groove parameters. At last, the procedure flow of groove measurement and the procedure flow of welding process are designed. for programming reference.

Key Words：microcontrollers control；drive circuit； input/output device；detection circuit； software process

目□□录

第1章□绪论 1

□□1.1□单面焊双面成形焊及其焊接装备 1

□□1.2□课题内容、意义和目标 2

第2章□焊炬运动装置总体方案设计 3

□□2.1□自动焊装置组成 3

□□2.2□控制系统方案设计 3

□□2.3□控制系统数控芯片的选择 4

第3章□驱动系统电路设计 5

□□3.1□伺服电机驱动电路设计 5

□□□□3.1.1□伺服电机型号的确定 5

□□□□3.1.2□伺服电机单片机PWM输出接口的设置 5

□□□□3.1.3□伺服电机驱动电路的设计 7

□□3.2□步进电机驱动电路设计 9

□□□□3.2.1□步进电机型号的确定 9

□□□□3.2.2□步进电机单片机PWM输出接口的设置 10

□□□□3.3.3□步进电机驱动电路的设计 10

第4章□输入及显示电路设计 13

□□4.1□键盘输入电路设计 13

□□□□4.1.1□键盘功能设计 13

□□□□4.1.2□键盘电路设计 14

□□4.2□显示输出电路设计 14

□□□□4.2.1□显示电路功能设计 14

□□□□4.2.2□显示电路设计 15

第5章□控制系统相关功能设计 18

□□5.1□位置传感器 18

□□□□5.1.1□位置传感器原理及选用 18

□□5.2□接触检测电路设计 18

□□□□5.2.1□检测电路原理 18

□□□□5.2.2□检测电路参数选择 19

第6章□控制系统软件流程 20

□□6.1□焊接工件坡口测量程序 20

□□6.2□焊接过程执行程序 20

第7章□结论 22

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

本章的主要介绍了单面焊双面成形工艺原理以及焊接自动化设备的发展现状，结合时代背景阐明本课题的内容、意义和目标。

1.1 单面焊双面成形焊及焊接装备

单面焊双面成形，是指一种在焊件的某一面上进行焊接，同时又能使另一面的焊缝成形状况良好且焊缝纹路美观均匀的焊接工艺。这种焊接工艺能够使焊件只需焊一面就能取得内外质量达标的焊接结构，可以有效地节约时间和成本，并且能适应复杂情况下的焊接要求。例如，在焊接高楼的某些表面焊接结构时，因为难以焊接到该结构反面或者说过于危险，单面焊双面成形焊接工艺可以有效解决这个难题。

单面焊双面成形有自由成形和强制成形两种方式；有熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊、TIG焊、焊条电弧焊、CO2气体保护焊等多种焊接工艺类型；有自动焊、半自动焊、手工焊等工作作业方式；强制成形的衬垫也有陶瓷、焊剂、铜金属、不可拆卸的与母材同质金属、热强化材料等类型。

单面焊双面成形因其无需进行双面焊接的独特优势，在船舶业、高层建筑钢骨架结构制造、桥梁建设等都有广泛的应用。

由于历史原因，我国在推动焊接技术向自动化转变上与发达国家相比时间上有些落后。1950年及以后数年间，我国开始从开发自动化装备方面来推动焊接技术向自动化发展。伴随工业生产水平的提高和科研力量的进步，我国在焊接技术领域的研发水平在不断地发展与提高。这些年，焊接设备的自动化进程在相关企业的努力下取得了不错的成就，例如冈田电子研制的自动焊锡机器人，雷沃重工自主研发的滚筒焊接自动化设备等。在实现自动化的过程中，计算机控制技术是不可或缺的一环。在焊接设备中，微机控制的作用不再局限于简单的控制焊接参数的功能，而是要求其能在设备运行时，在实现设定好程序的前提下，主动协助调整设备的相应动作，以达到操作的无人化的实现，即实现智能化、自动化与数控化的焊接生产过程。将人力资源从简单化的重复性劳动中解放出来。由于焊接结构之间有时差异过大，特征明显。在生产中要对症下药，要根据焊件的相应特征来进行自动化焊接装备设计与制造，灵活使用焊接小车、自动化焊接机头、送丝装置、弧焊电源等设备的组合。利用控制系统将设备统一为整体，改进制造工艺，以达到批量生产。然后在生产上形成规模，降低成本，产生经济效益，提高企业在市场上的竞争力。

现阶段对于焊接自动化设备，国内外都有相应的研究，例如：贾传宝^[8] 等人对厚板窄间隙磁控电弧惰性气体保护焊设计了自动控制系统,通过交变磁场控制电弧周期性左右偏转以消除侧壁未熔合缺陷的原理.以可编程控制器为控制核心。Jinle Zeng^[12]等人针对多层多道焊的焊缝位置识别提出了一种新的方法该方法融合了多层多道焊中的各种信息。首先，开发同步获取方法以分别在定向光和结构光源打开时获得各种视觉信息。然后，通过融合相邻图像来消除干扰。最后，来自定向和结构光图像的信息被融合以获得焊道的3D位置。

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