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(lái)越高。傳統(tǒng)鉤舌堆焊機(jī)的驅(qū)動(dòng)大多采用普通交、直流電機(jī)，運(yùn)動(dòng)慣性大，位移控制精度不高。步進(jìn)電機(jī)能夠彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，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(guò)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(dòng)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(dòng)下進(jìn)行焊接。整個(gè)焊接過(guò)程為：首先手動(dòng)裝夾鉤舌并調(diào)整焊槍，啟動(dòng)送絲送電送氣，然后下托板垂直紙面向里運(yùn)動(dòng)，焊槍到達(dá)鉤舌內(nèi)邊緣時(shí)，下托板停止，上托板向右后退一個(gè)節(jié)距，同時(shí)焊槍豎直向上調(diào)整一定高度，保證焊絲的干伸長(zhǎng)穩(wěn)定，接著下托板垂直紙面向外運(yùn)動(dòng)，當(dāng)焊槍到達(dá)鉤舌外邊緣時(shí)，下托板停止，上托板再次退出一個(gè)節(jié)距同時(shí)焊槍調(diào)整一定高度后，下托板再次向里運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)完成整個(gè)焊接。

圖1 鉤舌自動(dòng)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(jì)：一個(gè)主機(jī)和x、y、z方向3個(gè)從機(jī)，保證各個(gè)單片機(jī)在額定功率下工作，有利于后續(xù)的產(chǎn)品升級(jí)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(dòng)開關(guān)S相連，S按下表示啟動(dòng)；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(gè)從機(jī)驅(qū)動(dòng)原理相同，在此僅介紹Y軸從機(jī)驅(qū)動(dòng)。S按下時(shí)主機(jī)通過(guò)IIC半雙工通信發(fā)送啟動(dòng)命令到3個(gè)從機(jī)。當(dāng)Y從機(jī)通過(guò)模擬IIC程序接收到啟動(dòng)命令時(shí)，其RA端口發(fā)出數(shù)字脈沖，經(jīng)過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)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(shí)序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA，反轉(zhuǎn)脈沖時(shí)序?yàn)锳-AD-D-DC-C-CB-B-BA；各相繞組的導(dǎo)通時(shí)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(dòng)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(dòng)托板走的單位距離S=（P×β）/360=12.5 μm，焊接中托板累計(jì)運(yùn)行距離S0和總運(yùn)行時(shí)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(jì)

3.1 數(shù)字脈沖分配器程序

3個(gè)從機(jī)均置有軟件數(shù)字脈沖分配器[4]，由定時(shí)器T0中斷函數(shù)實(shí)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(shí)RD=1，反轉(zhuǎn)時(shí)RD=0；定時(shí)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(guò)算術(shù)運(yùn)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(shí)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(guò)一個(gè)步距角。完整的正轉(zhuǎn)子程序應(yīng)是：T0第一次中斷，PS=0時(shí)RA0為高電平A相導(dǎo)通；T0第二次中斷，PS=1時(shí)RA1和RA0為高電平AB相導(dǎo)通；T0第三次中斷，PS=2時(shí)RA1為高電平B組導(dǎo)通；T0第四次中斷，PS=3時(shí)RA1和RA2為高電平BC相導(dǎo)通；T0第五次中斷，PS=4時(shí)RA2為高電平C相導(dǎo)通；T0第六次中斷時(shí)，PS=5時(shí)RA2和RA3為高電平CD相導(dǎo)通；T0第七次中斷時(shí)，PS=6時(shí)RA3為高電平D相導(dǎo)通；T0第八次中斷時(shí)，PS=7時(shí)RA3和RA0為高電平DA相導(dǎo)通，同時(shí)清零PS為下一個(gè)脈沖循環(huán)做準(zhǔn)備；此時(shí)一個(gè)完整正轉(zhuǎn)時(shí)序脈沖已經(jīng)完成，如此反復(fù)循環(huán)T0中斷便可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行；反轉(zhuǎn)子程序原理與正轉(zhuǎn)子程序相同，反轉(zhuǎn)時(shí)每次T0中斷將依據(jù)PS值按照反轉(zhuǎn)脈沖時(shí)序改寫相應(yīng)RA端口，如PS=0時(shí)A相通電，PS=1時(shí)AD相通電……PS=7時(shí)BA相通電。如此便可完成反轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)焊接控制程序

（1）從機(jī)控制程序。x、y、z方向3個(gè)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(dòng)命令時(shí)，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(shí)，停止焊接并返回初始化等待新的啟動(dòng)命令。

圖5 從機(jī)控制程序

（2）主機(jī)控制程序。自動(dòng)焊接時(shí)主機(jī)控制x、y、z從機(jī)按一定時(shí)序停止或正反轉(zhuǎn)，如圖6所示。WC為焊縫計(jì)數(shù)一個(gè)節(jié)距和高度的時(shí)間，實(shí)際中高度和節(jié)距同時(shí)完成調(diào)節(jié)；在焊縫長(zhǎng)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(jì)算得到；系統(tǒng)上電后檢測(cè)到自動(dòng)焊接啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(yùn)動(dòng)，程序返回到初始化等待新的自動(dòng)焊接啟動(dòng)命令。

4 結(jié)論

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

（2）數(shù)字脈沖環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)取代硬件脈沖分配器使得系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，性價(jià)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(chǎng)焊接中切實(shí)可行。

[1]曹炎珍，蘭強(qiáng)，肖坤文.兩種鉤舌自動(dòng)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(cè)[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(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.