一种汽车横梁自动焊接机的设计

王斌

摘要；为了实现汽车横梁的快速焊接，该文设计了一款性能可靠、控制精度高、操作简单的自动焊接机，介绍了自动焊管机的结构组成和工艺要求，着重阐述了自动焊接机控制系统中的硬件选型与电路设计。

关键词：汽车横梁自动焊接机单片机

中图分类号：TG43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（a）-0000-00

汽车横梁自动焊接机是用来实现汽车横梁自动焊接而设计制作的，该焊接机主要是由焊机机身、工件夹紧和旋转系统、焊机电源控制系统、气压传动系统以及单片机控制系统组成。自动焊接机的硬件主要包括控制芯片、电机驱动芯片、伺服电机、液晶显示器、电磁阀、继电器及光电传感器等，控制系统的设计主要包括这些硬件的选型和电路的设计。[1]

1 单片机选型与设计

自动焊接机控制系统的硬件选型首要是主控芯片的选型，在设计中我们只要芯片的功能大小满足我们的设计要求并稍有赢余即可无须浪费资源增加成本，根据作者以往的学习和开发经验，我们选用STC半导体公司12系列中资源较丰富的STC12C5A32AD作为本设计的主控芯片。该款芯片的I/O引脚、片内Flash和功能模块全部符合设计要求，因此选用这款芯片还是比较合适的。它是单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。

2 输入信号采集电路设计

自动焊接机控制系统的信息采集主要包括，焊接前对焊缝类型和焊管尺寸、焊枪移动速度等相关参数运用一组按键进行输入；焊接过程中对工件位置及焊枪位移等相关信息运用光电传感器进行实时监控。

2.1键盘信号采集

键盘可以分为两种，一种是编码键盘另一种是非编码键盘，非编码键盘是通过软件来识别闭合键的键码。自动焊管机控制系统中也是运用的行列式非编码键盘。行列式键盘是指将I/O口线的一部分作为行线，另外一部分作为列线，行列的交叉点用来设置按键。行列数的乘积数就是可以设置的按键个数，这样的设计就可节省大量的I/O口线。

2.2 光电传感器信号采集

光电传感器的主要作用是用于位置的检测，它是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是将外界信息转换成电信号的装置，光电传感器首先把被测量的信号变化转换成光信号的变化，然后光电元件再将光信号转换成电信号。这样就可以将非电量转化成电量。

控制系统的外围传感器的公共电压是24V，单片机的工作电压是5V，所以外围传感器的信号不可以直接接到单片机的相应引脚上，要借助于一些硬件电路或元器件来将24V的电压转化为5V的电压，然后再接到单片机相应的引脚上。在实际的电子电路系统中，不可避免地存在各种各样的干扰信号，若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低。常见的信号隔离方法有光电耦合和变压器隔离等，本系统设计采用光电耦合方式进行隔离，以消除模拟信号对数字信号的干扰。[2]

3系统输出电路设计

3.1 气动元件控制电路设计

电磁阀指在气体或液体流动中受电磁力控制开闭的阀体，大量应用于液压机械、气动系统中。线圈不通电时，可动铁心由于受到弹簧的作用而与固定铁心脱离，阀门处于关闭状态。当线圈通电时，可动铁心克服弹簧作用与铁心吸合，阀门处于打开状态。这样就控制了液体或气体的流动，流体推动气缸转换为物体的机械运动，完成进给、往复运动。本系统就是通过电磁阀的通断来控制各个气动回路中的相应动作。

该驱动电路主要是由一个光耦、一个三极管、一个二极管和一个电阻组成。为了防止干扰需要进行信号隔离，采用了型号为817的光耦。光耦输入端一个接5V电，另一端接单片机的信号输出口，当系统需启动电磁阀时单片机输出端输出低电平，此时光耦工作，光耦输出端接三极管9013的基极上，三极管的发射极接地，集电极接电磁阀。光耦工作就会使得三极管也工作，从而导通电磁阀的接地端，电磁阀通电工作。电磁阀两端反向并联二极管IN4007，目的是为了防止反向感生电动势烧坏三极管。

3.2 液晶显示电路设计

液晶显示模块根据其显示方式和内容的不同可以分为数显液晶模块、液晶点阵字符模块和点阵图形液晶模块。其中数显液晶模块只能显示数字和标识符号，液晶点阵字符模块只能显示数字和西文字符而点阵图形液晶模块即能显示数字、西文字符还能显示图形。自动焊管机在信息采集时要进行图形编辑故要选用点阵图形液晶模块。

LCD12864是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器/列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成。[3]

3.3串行接口电平转换电路设计

自动焊管机根据用户的实际需求，对一些参数或运行方式要作修改，这就要求控制系统可以和PC机进行通信，PC机与外围设备进行通信常采用RS-232串行接口，RS-232串行通信接口的结构比较简单、技术相对成熟、且传输距离较远，现用单片机一般也把串行通讯口作为一个标准接口集成在单片机内，STC单片机的串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口。可以运用RS-232进行两者的通信。

PC机的RS-232C串行通信接口与STC单片机的信号电平不一致，这就需要进行电平转换，因此需设计一个RS232和TTL电平转换电路，该电路设计借助了专用电平转换芯片MAX232，该芯片具有两路发送器和接受器，可同时进行两组电平的转换。MAX232共有16个引脚，其中VCC接5V电，还需外接5个电容进行电压匹配和电源去耦。其中R1IN为RS232电平发送端，R1OUT为转换后TTL电平接受端；T1IN为TTL电平发送端，T1OUT为转换后RS232电平接受端。

通过MAX232的TTL和RS-232的输入/输出端口，自动调节单片机串口的TTL电平信号和RS-232的串行通信信号的电平匹配。

3.4电源电路设计

在控制系统的硬件电路设计中，电源的设计是必不可少的，电源的设计是一个系统系统工程，要对电源功耗、电源分配和电源管理监控综合考虑。该控制系统单元电路较多且对5V电源的要求比较高，采用了芯片7805完成从12V到5V的转换，作为单片机5V单元的供电。

用芯片7805组成的稳压电源所需要的外围电路简单，而且芯片内部还有过热、过流和调整管的保护电路，采用TO-220 或TO-202封装。实际使用方便可靠。7805有三个端子分别是输入、输出和公共端。由7805芯片完成由12V的电源转化成5V电源的电路原理图如图3-4所示。必须特别注意的是，根据7805的工作原理可知，7805在电压转化过程中会产生热量，所以要给7805加上散热片。同时最好在7805的输出端加装一个滤波电容，容量在100UF/16V。

本系统的设计还涉及到传感器信号采集与信号放大，其中放大器等部分需要用到±12V电源和±24V电源，因此根据设计要求增加我们采用开关电源，该开关电源是可以直接输出两种电压值的电源。

参考文献

[1] 吴林， 陈善本. 智能化焊接技術[M]. 北京： 国防工业出版社， 2000. 1-8.

[2] 张玉盛. 焊接技术的现状和发展趋势[J]. 魅力中国， 2010， （26）： 204-204.

[3] 宗培言. 焊接结构制造技术与装备[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007. 7-8