一種汽車橫梁自動焊接機的設計

王斌

摘要；為了實現汽車橫梁的快速焊接，該文設計了一款性能可靠、控制精度高、操作簡單的自動焊接機，介紹了自動焊管機的結構組成和工藝要求，著重闡述了自動焊接機控制系統中的硬件選型與電路設計。

關鍵詞：汽車橫梁自動焊接機單片機

中圖分類號：TG43 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

汽車橫梁自動焊接機是用來實現汽車橫梁自動焊接而設計制作的，該焊接機主要是由焊機機身、工件夾緊和旋轉系統、焊機電源控制系統、氣壓傳動系統以及單片機控制系統組成。自動焊接機的硬件主要包括控制芯片、電機驅動芯片、伺服電機、液晶顯示器、電磁閥、繼電器及光電傳感器等，控制系統的設計主要包括這些硬件的選型和電路的設計。[1]

1 單片機選型與設計

自動焊接機控制系統的硬件選型首要是主控芯片的選型，在設計中我們只要芯片的功能大小滿足我們的設計要求并稍有贏余即可無須浪費資源增加成本，根據作者以往的學習和開發經驗，我們選用STC半導體公司12系列中資源較豐富的STC12C5A32AD作為本設計的主控芯片。該款芯片的I/O引腳、片內Flash和功能模塊全部符合設計要求，因此選用這款芯片還是比較合適的。它是單時鐘/機器周期的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。

2 輸入信號采集電路設計

自動焊接機控制系統的信息采集主要包括，焊接前對焊縫類型和焊管尺寸、焊槍移動速度等相關參數運用一組按鍵進行輸入；焊接過程中對工件位置及焊槍位移等相關信息運用光電傳感器進行實時監控。

2.1鍵盤信號采集

鍵盤可以分為兩種，一種是編碼鍵盤另一種是非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是通過軟件來識別閉合鍵的鍵碼。自動焊管機控制系統中也是運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，行列的交叉點用來設置按鍵。行列數的乘積數就是可以設置的按鍵個數，這樣的設計就可節省大量的I/O口線。

2.2 光電傳感器信號采集

光電傳感器的主要作用是用于位置的檢測，它是各種光電檢測系統中實現光電轉換的關鍵元件，它是將外界信息轉換成電信號的裝置，光電傳感器首先把被測量的信號變化轉換成光信號的變化，然后光電元件再將光信號轉換成電信號。這樣就可以將非電量轉化成電量。

控制系統的外圍傳感器的公共電壓是24V，單片機的工作電壓是5V，所以外圍傳感器的信號不可以直接接到單片機的相應引腳上，要借助于一些硬件電路或元器件來將24V的電壓轉化為5V的電壓，然后再接到單片機相應的引腳上。在實際的電子電路系統中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾能力差將導致測量、控制準確性的降低。常見的信號隔離方法有光電耦合和變壓器隔離等，本系統設計采用光電耦合方式進行隔離，以消除模擬信號對數字信號的干擾。[2]

3系統輸出電路設計

3.1 氣動元件控制電路設計

電磁閥指在氣體或液體流動中受電磁力控制開閉的閥體，大量應用于液壓機械、氣動系統中。線圈不通電時，可動鐵心由于受到彈簧的作用而與固定鐵心脫離，閥門處于關閉狀態。當線圈通電時，可動鐵心克服彈簧作用與鐵心吸合，閥門處于打開狀態。這樣就控制了液體或氣體的流動，流體推動氣缸轉換為物體的機械運動，完成進給、往復運動。本系統就是通過電磁閥的通斷來控制各個氣動回路中的相應動作。

該驅動電路主要是由一個光耦、一個三極管、一個二極管和一個電阻組成。為了防止干擾需要進行信號隔離，采用了型號為817的光耦。光耦輸入端一個接5V電，另一端接單片機的信號輸出口，當系統需啟動電磁閥時單片機輸出端輸出低電平，此時光耦工作，光耦輸出端接三極管9013的基極上，三極管的發射極接地，集電極接電磁閥。光耦工作就會使得三極管也工作，從而導通電磁閥的接地端，電磁閥通電工作。電磁閥兩端反向并聯二極管IN4007，目的是為了防止反向感生電動勢燒壞三極管。

3.2 液晶顯示電路設計

液晶顯示模塊根據其顯示方式和內容的不同可以分為數顯液晶模塊、液晶點陣字符模塊和點陣圖形液晶模塊。其中數顯液晶模塊只能顯示數字和標識符號，液晶點陣字符模塊只能顯示數字和西文字符而點陣圖形液晶模塊即能顯示數字、西文字符還能顯示圖形。自動焊管機在信息采集時要進行圖形編輯故要選用點陣圖形液晶模塊。

LCD12864是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成。[3]

3.3串行接口電平轉換電路設計

自動焊管機根據用戶的實際需求，對一些參數或運行方式要作修改，這就要求控制系統可以和PC機進行通信，PC機與外圍設備進行通信常采用RS-232串行接口，RS-232串行通信接口的結構比較簡單、技術相對成熟、且傳輸距離較遠，現用單片機一般也把串行通訊口作為一個標準接口集成在單片機內，STC單片機的串行接口是一個可編程的全雙工串行通信接口。可以運用RS-232進行兩者的通信。

PC機的RS-232C串行通信接口與STC單片機的信號電平不一致，這就需要進行電平轉換，因此需設計一個RS232和TTL電平轉換電路，該電路設計借助了專用電平轉換芯片MAX232，該芯片具有兩路發送器和接受器，可同時進行兩組電平的轉換。MAX232共有16個引腳，其中VCC接5V電，還需外接5個電容進行電壓匹配和電源去耦。其中R1IN為RS232電平發送端，R1OUT為轉換后TTL電平接受端；T1IN為TTL電平發送端，T1OUT為轉換后RS232電平接受端。

通過MAX232的TTL和RS-232的輸入/輸出端口，自動調節單片機串口的TTL電平信號和RS-232的串行通信信號的電平匹配。

3.4電源電路設計

在控制系統的硬件電路設計中，電源的設計是必不可少的，電源的設計是一個系統系統工程，要對電源功耗、電源分配和電源管理監控綜合考慮。該控制系統單元電路較多且對5V電源的要求比較高，采用了芯片7805完成從12V到5V的轉換，作為單片機5V單元的供電。

用芯片7805組成的穩壓電源所需要的外圍電路簡單，而且芯片內部還有過熱、過流和調整管的保護電路，采用TO-220 或TO-202封裝。實際使用方便可靠。7805有三個端子分別是輸入、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7805的工作原理可知，7805在電壓轉化過程中會產生熱量，所以要給7805加上散熱片。同時最好在7805的輸出端加裝一個濾波電容，容量在100UF/16V。

本系統的設計還涉及到傳感器信號采集與信號放大，其中放大器等部分需要用到±12V電源和±24V電源，因此根據設計要求增加我們采用開關電源，該開關電源是可以直接輸出兩種電壓值的電源。

參考文獻

[1] 吳林， 陳善本. 智能化焊接技術[M]. 北京： 國防工業出版社， 2000. 1-8.

[2] 張玉盛. 焊接技術的現狀和發展趨勢[J]. 魅力中國， 2010， （26）： 204-204.

[3] 宗培言. 焊接結構制造技術與裝備[M]. 北京： 機械工業出版社， 2007. 7-8