毕业论文 焊枪二维位置控制系统设计

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1、毕业论文毕业论文焊枪二维位置控制系统设计1 前言近20年来，随着数字化、自动化、计算机、机械设计技术的发展，以及对焊接质量的高度重视，自动焊接已发展成为一种先进的制造技术，自动焊接设备在各工业的应用中所发挥的作用越来越大，应用范围正在迅速扩大。在现代工业生产中，焊接生产过程的机械化和自动化是焊接机构制造工业现代化发展的必然趋势。未来的焊接工艺，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序

2、控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件1。2 选题背景2.1 题目来源生产实际2.2 研究的目的和意义焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，发电厂、化工厂等建设中所涉及的焊接操作，其焊缝质量需要那些经过优质培训的焊工操作才能保证，一般人难以达到，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣2，导致自动化焊接的需求越来越多。自动化焊接的意义主要有以下几个方面3：（1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、

3、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用自动化焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长度等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。 （2）改善了工人的劳动条件。采用自动化焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等的危害。 （3）提高劳动生产率。机器没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 （4）产品周期明确，容易控制产品产量。自动化的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 焊枪二维位置控制系统是对焊接

4、时焊枪的平面移动进行控制，是自动化焊接中的一部分。本次设计的目的在于了解焊枪二维位置控制系统在实际工业生产中的应用并对它改进和创新。2.3 国内外焊接自动化现状焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止2005 年，全世界在役工业机器人约为91.4 万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了50 万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，

5、全球机器人的数量在迅速增加。 我国自上世纪70 年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近些年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40% , 焊接机器人的增长率超过了60% ；2004年国产工业机器人数量突破1400 台，进口机器人数量超过9000 台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005 年我国新增机器人数量超过了5000 台，但仅占亚洲新增数量的6% ，远小于韩国所占的15% ，更远小于日本所占的69% 。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这

6、说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了第 25 页 选题背景我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人焊接工艺方法、遥控焊接技术

7、等七个方面4。2.4 焊接自动化技术发展趋势电子技术、计算机微电子信息和自动化技术的发展，推动了焊接自动化技术的发展。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了焊接自动化技术革命性的发展。（1）焊接过程控制系统的智能化是焊接自动化的核心问题之一，也是未来研究的重要方向。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制，以及专家系统的研究。（2）焊接柔性化技术也是今后着力研究的内容。在未来的研究中，用微电子技术改造传统焊接工艺装备，是提高焊接自动化水平的根本途径。将数控技术配以各类焊接机械设备，以提高其柔性化水平，是当前的一个研究方向；另外，焊接机器人与专家系统的结合，实现

8、自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深等功能，是研究的重点。（3）焊接控制系统的集成是人与技术的集成和焊接技术与信息技术的集成。集成系统中信息流和物质流是其重要的组成部分，促进其有机地结合，可大大降低信息量和实时控制的要求。注意发挥人在控制和临机处理的响应和判断能力，建立人机对话的友好界面，使人和自动系统和谐统一，是集成系统的不可低估的因素。（4）提高焊接电源的可靠性、质量稳定性和可控性，以及优良的动感特性，也是今后着重研究的方向。开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊枪姿态，能探测焊缝坡口形状、温度场、熔池状态、熔透情况，适时提供焊接规范参数的高性能焊机，并应积极开发焊接过程的计算机模拟技术。

9、使焊接技术由“技艺”向“科学”演变。是实现焊接自动化的一个重要方面5。2.5 自动化焊接设备介绍随着产品种类的增多及对产品质量要求的不断提高，对焊接工艺要求越来越高，所以许多原来由人工焊接的产品对焊接自动化设备的需求及要求也越来越多。自动化设备工程应用特点：（1）工件在工位上的定位根据产品的实际情况，轴向及圆周方向均以某一管接的孔（或管接头）作为基准。 （2）工件的上下料（上下线）采用人工模式，附件的上料为人工理料、自动上料。 （3）焊接为自动焊接，焊枪做多自由度运动，工件可作旋转运动，以达到所需位置的焊缝。 （4）采用微机或单片机控制整个自动生产过程，有人机操作界面，人工操作方便。2.6 摆

10、动机构的作用丝极摆动在焊接过程中有着重要的实际意义，可以增加焊道宽度，对于焊接宽度不均匀的焊缝可以增进焊道表面美观。同时，摆动焊接可以降低焊层厚度，容易实现多层多道焊接，有利于提高焊缝金属的机械性能。摆动焊接过程的基本要求是摆动速度、摆动幅度可调。更高一些的要求是除了摆动速度、摆动幅度无级可调外，左右摆幅处停留时间也可以调节。其中摆动速度要求线性可调，甚至摆动速度在摆动过程中可以变速调节。这样的摆动系统有利于实现复杂焊接工艺对焊枪运动轨迹的要求6-8。2.7 本文的主要研究内容利用滚珠丝杠螺母副设计行走机构和摆动机构，以单片机为核心，通过程序控制电机实现焊枪移动和摆动是本次设计的核心和难点。在

11、控制系统方面，步进电机的选择、控制电路设计、脉冲分配等问题是设计的重点。选择合适型号的步进电机才能对焊枪在平面上的运动进行有效的控制，控制电路设计包括了步进电机驱动电路和单片机外围电路，由于有两个步进电机，要使焊枪沿一定轨迹行走，就要对两个步进电机进行正确的脉冲分配。方案论证3 方案论证方案一：机械摆动，采用直流电机带动凸轮旋转，驱动焊枪摆动。摆频通过调整直流电机速度实现，摆幅及两端驻留时间大小等通过凸轮实现。方案二：电控摆动，以单片机为核心，通过程序控制步进电机旋转，滚珠丝杠螺母副将步进电机的旋转运动转变为焊枪直线运动，实现焊枪摆动。采用方案二，方案一虽然工作可靠，成本较低，但摆动参数修改困

12、难，且不直观，只适用于变化较少的场合使用，而方案二摆动参数通过面板上的拨码开关可以很方便的设定和修改，灵活性强。单片机控制的焊枪摆动机构示意图如下：图1 单片机控制焊枪摆动机构示意图如上图所示，步进电机驱动器驱动步进电机转动，滚珠丝杠将步进电机的旋转运动转变为焊枪的直线运动，步进电机正转或反转即可实现焊枪在Y方向上的左移或右移。同样，焊枪的行走机构也采用单片机控制步进电机带动滚珠丝杠旋转，实现焊枪在X方向上的移动。4 控制系统的选择及设计4.1 步进电机工作原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不

13、受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。目前，常用的步进电机有反应式步进电机、永磁式步进电机和混合式步进电机等。永磁式步进电机输出力矩大，动态性能好，但步距角大；反应式步进电机结构简单，生产成本低，步距角小，但动态性能差；混合式步进电机综合了反应式

14、、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电机，它有时也称作永磁感应子式步进电机，目前应用最为广泛9。4.1.1 反应式步进电机工作原理以三相反应式步进电机为例，反应式步进电机定子铁性上有六个均匀分布的磁极，沿直径相对的两个极上的线圈串联，构成一项励磁绕组。相邻两个磁极间的夹角为60度，每个定子磁极上均匀分布5个齿，齿槽距相等，齿距角为9度。转子铁心上无绕组，只有均匀分布的40个齿，齿槽距相等，齿距角为9度。 图2 步进电机剖面结构如果不断地按ABCA给绕组轮流通电，转子顺时针转动，如按AC控制系统的选择及设计BA给绕组轮流通电，转子逆时针转动。由此可

15、见，步进电机的转动方向取决于定子绕组的通电顺序。三相步进电机有三种工作方式：a.三相单三拍，定子绕组的通电顺序为ABCA；b.三相双三拍,定子绕组通电顺序为ABACBCAB；c.三相六拍，定子绕组通电顺序为AABBBCCCAA。4.1.2 混合式步进电机工作原理混合式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子磁极只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。4.1.3 步进电机的特点（1）一般步进电机的精度

16、为步进角的3-5%，且不累积。（2）步进电机外表允许的最高温度：步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在130摄氏度以上，有的甚至在200摄氏度以上，所以步进电机外表温度在80-90摄氏度完全正常。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4）步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。步进电

17、机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。（5）步进电机的转向可以通过改变通电顺序来改变。步进电机有自锁能力，一旦停止输入脉冲，只要维持绕组通电，电动机就可以保持在该固定位置。（6）步进电机的功率小，输出力矩小，适用于中小机电一体化系统。（7）控制性能好，可以精确的控制转子的转角和转速，有良好的缓冲定位能力。步进电机是一种脉冲或数字控制的装置

18、，可与计算机和微处理器联接，构成智能化系统。可以直接与微机的I/O口联接，构成开环位置伺服系统。（8）微机控制时，硬件电路简单。步进电机即是驱动原件又是脉冲角位移变换原件10-11。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。 4.2 步进电机型号选择步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的功率，但有着本质的区别。步进电机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，步进电机的输出功率是可变。通常根据需要的转矩大小（即所需带动物体的扭力大小），来选择哪种型号的步进电机。大致来说，扭力在0.8牛米以

19、下，选择28、35、39、42（电机的机身直径或方度，单位：mm）系列电机；扭力在1牛米左右的，选择57系列电机较为合适；扭力在几个牛米或更大的情况下，就要选择75、85、90、110、130等规格的步进电机。对于步进电机的转速也要特别考虑，因为步进电机的输出转矩，与转速成反比。就是说，步进电机在低速（每分钟几百转或更低转速）其输出转矩较大，在高速旋转状态的转矩（1000转/分9000转/分）就很小了。有些工况环境需要高速步进电机，就要对步进电机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。选择电感稍小一些的步进电机，作为高速步进电机，能够获得较大的输出转矩。反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感和电阻

20、稍大的步进电机。步进电机力矩与功率换算如下：P= M （1） =2n/60 （2） P=2nM/60 （3）其中，P为电机输出功率，为电机转动的每秒角速度，n为电机的每分钟转速，M为力矩。本次设计中焊枪直线位移为5m，焊枪摆动位移为5mm,所需电机功率不大，在250W左右，设电机每分钟转速为1000转，由上式（3）计算出电机的输出力矩为2.39Nm，应此，选用的步进电机为森创三相混合式步进电机86BYG350AL,其具体参数如表1所示。表1 86BYG350AL参数 型号相数步距角（）静态相电流（A）相电阻（）相电感（mH）86BYG350AL30.6/1.260.93.6保持转矩（NM）定位

21、转矩（NM）电压（VDC）重量（Kg）转动惯量（gcm2）外形尺寸（mm）2.50.424702132085x85x694.3 步进电机驱动电路设计步进电机与单片机的连接一般有两种形式，一种连接形式是以硬件来完成脉冲分配的功能，在这种形式里，单片机提供步进脉冲和正、反转控制信号，步进脉冲的产生与停止、步进脉冲的频率和个数用软件控制，单片机输出步进脉冲后，再由脉冲分配电路按事先确定的顺序控制各相的通断，一般来说，硬件一旦确定下来，不易更改，这种方案，硬件设备成本高，它的应用受到了限制。另外一种连接形式是由软件完成脉冲分配工作，这样不仅使线路简化，成本下降，而且可根据应用系统的需要，灵活的改变步进

22、电机的控制方案。控制系统的硬件原理框图如图3所示，8279控制键盘输入和LED显示。键盘用于输入焊枪直线位移和摆动位移，LED用于显示当前的焊接信息。8051单片机光电隔离器步进电机驱动器步进电机行走机构LED显示8279键盘光电隔离器步进电机驱动器步进电机摆动机构外部中断信号 图3 控制系统硬件原理4.3.1 8051单片机简介8051单片机的40个引脚大致可以分为四类：电源、时钟、控制和I/O引脚,其各个引脚功能如下12：（1）电源引脚VCC：接电源+5V端VSS：GND接地。 （2）时钟引脚XTAL1和XTAL2 ：外接晶振引脚。当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；

23、当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。图4 8051单片机引脚图（3）控制线ALE/：地址锁存控制信号，在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。这个引脚的另一个功能是在片内EPROM编程时，作为脉冲输入端。：外部程序存储器读选通信号，在读外部ROM时低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。/Vpp:用于输入是从外部程序存储器取指还是从内部程序存储器取指的选择信号。当接高电平时，先从片内存储器读取指令，读玩4KB后，自动改为片外取指。若接低电平，则所有指令均从片外程序存储器读取。编程期间由此引脚引入编程用的电源Vpp。RST/VPD

24、：用于输入复位信号，此引脚另一功能是作为备用电源输入端，在Vcc掉电情况下，接备用电源。（4）I/O线8051共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P0口：双向输入/输出口，如果系统皆有外部存储器，则P0口作为数据总线和低8位的地址总线公用口，通过分时操作达到复用的目的。当CPU对外部存储器操作时，总是先作地址总线，在ALE信号的下降沿，将地址锁存后，再转为做数据总线。P1口：准双向输入/输出口，准双向是指该口内部有上拉电阻，能驱动4个LS/TTL负载。P2口：准双向输入/输出口，能驱动4个LS/TTL负载。如果系统皆有外部存储器，则CPU访问外部存储器时该口成为

25、高8位地址输出口。P3口：准双向输入/输出口，能驱动4个LS/TTL负载。P3口的每一引脚都有两种功能，其第二功能分别是：P3.0、P3.1作为串行口发送与接收，P3.2、P3.3作为外部中断请求输入，P3.4、P3.5作为定时/计数器外部计数信号输入端，P3.6作为片外数据存储器的写选通信号。P3.7作为片外数据存储器读选通信号。4.3.2 驱动电路设计目前，常用的三种典型步进电机驱动电路是单电压驱动、高低压驱动和斩波恒流驱动。单电压驱动电路简单、成本低，只能用于电感小，额定电流不超过6A的步进电机驱动，高低压驱动电路和斩波恒流电路性能较好，特别是斩波恒波电路，这两种电路特别适合于功率型步进

26、电机的驱动，但对电路设计及选件要求高，否则，一旦电路出现问题，因外加电压较高，稳定电流较大，不但会造成功率管击穿，还会烧坏步进电机线圈13。本次设计采用单电压驱动电路。步进电机驱动电路框图如图5所示，步进电机驱动电路由三部分组成：单片机产生时钟脉冲频率和步进电机每相所需的时序脉冲；光电耦合器、功率放大电路对每一相信号进行放大，产生电动机工作所需的激磁电流。单片机步进电机驱动功率放大电路光电隔离器 图5 步进电机驱动电路框图步进电机驱动电路图如图6所示。图6 步进电机驱动电路8051单片机的P1.0、P1.1、P1.2分别控制步进电机1的A相、B相、C相，P1.3、P1.4、P1.5分别控制步进

27、电机2的A相、B相、C相。单片机的P1.0、P1.1、P1.2、 P1.3、P1.4、P1.5先经7404后，再与光电耦合器TLP521-1相连，7404逻辑图如下：图7 7404逻辑图由图可知，7404实际上是六组反向器，即六个非门。若以P1.0口为例，若P1.0输出为高电平，反门7404变为低电平，光电耦合器TLP521-1截止，达林顿管9013导通，A相绕组通电。反之，若P1.0输出为低电平，反门7404变为高电平，光电耦合器TLP521-1导通，达林顿管9013截止，A相绕组断电。如果步进电机的工作电压较高，将影响单片机工作，因此在I/O口和晶体管之间接入光电耦合器TLP521-1，在

28、接口电路与驱动电路之间进行电气隔离。光电耦合器的主要特点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高，广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离 、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光电耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。9013是一种NPN型小功率的三极管，驱动电路中接入的是由两个9013三极管组成的达林顿管，其放大倍数是两个三极管放大倍数的乘积。驱动电路中的稳压二极管IN4756A起续流作用，消除电机线圈绕组从通电状态到断电状态发生突变

29、时阴极线圈所产生的反电动势，防止晶体管被高压击穿。4.4 外围电路设计4.4.1 8051单片机外部数据存储器扩展8051单片机片内只有128B的数据存储器，应用中若需要更多的RAM时，只能在片外扩展。可扩展的最大容量为64KB。RAM有DRAM（动态存储器）和SRAM（静态存储器），动态存储器定时刷新（充电），单片机不采用，SRAM扩展电路简单，单片机RAM存储器的扩展都采用SRAM。 本次设计中，为8051单片机扩展了一个外部数据存储器6116，6116为2K*8位的高速静态CMOS数据存储器，有11条地址线（A0A10）、8条数据线（I/O0I/O7）、1条电源线、1条接地线GND和3条

30、控制线片选信号、写允许信号和输出允许信号（3条控制线低电平有效）。这3个控制信号的组合控制6116芯片的工作方式，如下表：表2 6116工作方式工作方式I/O7-I/O0001读数据输入010写数据输出1维持高阻态6116特点：（1）高速度：存取时间为100ns/120ns/150ns/200ns(分别以6116-10、6116-12、6116-15、6116-20为标志)。（2）低功耗：运行时为150mW,空载时为100mW。（3）与TTL兼容。（4）完全静态：无须时钟脉冲与定时选通脉冲。8051与6116之间接有八D锁存器74LS373，74LS373引脚图如图8所示。其中，D0-D7为数

31、据输入端，O0-O7为输出端，OE为三态允许控制端，低电平时有效，LE为锁存允许端。当三态允许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 图8 74LS373引脚图 当锁存允许端 LE 为高电平时，O 随数据 D 而变。当 LE 为低电平时，O 被锁存在已建立的数据电平。8051与74LS373、6116接线图如下： 图9 8051扩展一片6116的电路8051单片机的P00-P07与锁存器74LS373的DO-D7相连，P20-P22与数据存储器6116的

32、A8-A10相连，6116的片选端接地，表示永远选中8051。4.4.2 8279单片机简介Intel 8279是一种可编程键盘/显示器接口芯片，8279的内部功能可分为键盘功能块、显示功能块、控制功能块、与CPU接口功能块。键盘输入时，它提供自动扫描，能与按键或传感器组成的矩阵相连，接收输入信息，它能自动消除开关抖动并能对多键同时按下提供保护。显示输出时，它有一个168位显示RAM，其内容通过自动扫描，可由8或16位LED数码管显示。8279引脚图及各引脚功能14：图10 8279引脚图（1）DB0DB7：双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。（2）CLK：时钟输入线，用以

33、产生内部定时的时钟脉冲。（3）RESET：复位输入线，高电平有效。 （4）：片选输入线，低电平有效，单片机在端为低电平时可以对8279进行读/写操作。（5）A0：缓冲器地址选择线，A0=0时，读写一般数据；A0=1时，读取状态标志位或写入命令。 （6）：读取控制线，=0时，8279输送数据到外部总线。 （7）：写入控制线，=0时，8279从外部总线接收数据。 （8）IRQ：中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器RAM中有数据时，此中断线变为高电平，在FIFO/传感器RAM每次读出时，中断线就下降为低电平，若在RAM中还有信息，则此线又变为高电平。在传感器工作方式中，每

34、当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。（9）SL0SL3：扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字， 这些可被编程或被译码。（10）RL0RL7：键盘/传感器的返回线。无按键被按时，返回线为高电平；有按键被按时，该按键的返回线为低电平。在激发输入模式时，为8位的数据输入。 （11）SHIFT：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与其它按键的状态一同储存(在BIT6)，内部有上拉电阻，未按时为高电平，按时为低电平。 （12）CNTL/STB：在键盘扫描模式时，引脚的输入状态会与SHIFT以及其它按键的状态一同储存，内部有上拉电阻，未按时为高电平，按时为低电平。在激发输入模式时，作为返

35、回线8位数据的使能引脚。 （13）OUTA0OUTA3及OUTB0OUTB3：显示输出A口及B口，这两个口是164切换的数字显示。这两个端口可被独立控制，也可看成一个8位端口。（14）：空格显示，此输出端信号用于在数字转换时显示空格或者用显示空格命令控制其显示空格字符。4.4.3 8279与键盘显示器连接电路单片机应用系统中，常使用LED(发光二极管Light Emitting Diode )、CRT（阴极射线管Cathode Ray Tube）显示器和LCD(液晶显示器Liquid Crystal Display )等作为显示器件。其中LED和LCD应用较为广泛。发光二极管是一种光电转换器件

36、，是PN结结构，在PN结上加上正向电压，其电子、空穴带间跃迁产生复合发光，不同的半导体材料能发出不同的波长（颜色）的可见光。发光二极管具有以下特点：（1）主动发光，亮度较高；（2）工作电压低，约为2V;（3）性能稳定，工作温度范围宽，寿命长达1000000小时； 图11 7段LED显示器LED显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，亦称数码管，它由8个发光二极管构成，通过不同的组合可用来显示09、af及小数点等字符，图中dp表示小数点。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。在单片机应用系统中，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开

37、关状态来设置控制功能或输入数据的。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。对于一组键或一个键盘，总有一个接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无将键输入，并检查是哪一个键按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过跳转指令转入执行该键的功能程序，执行完后再返回主程序。单片机系统中最常见的是触点式开关按键， 这些按键的连接方式，可分为独立式按键和行列式键盘。触点式按键在按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时 间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图所示，抖动时间的长短与开关的机械特性

38、有关，一般为510 ms。在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。 图12 按键抖动按键去除抖动影响的方法有硬件、软件两种。在硬件上市采取在键输出端加R-S触发器或RC滤波的方法，去除抖动影响。硬件去抖的方法CPU占用少，但是电路较为复杂。软件消除抖动的方法是在检测到有键按下是，执行一个10ms左右的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持为闭合状态电平，则确认为该键处于闭合状态，否则认为是干扰信号，从而去除了抖动影响。为简化硬件电路设

39、计，通常单片机应用系统中大都是采用软件方法消除抖动干扰15。8279与键盘显示器接口电路如图13、图14所示： 图13 8279与键盘接口电路图14 显示器接口电路8279的OUTA0-OUTA3和OUTB0-OUTB3为数码管段选码输出口，SL0-SL2经译码器译码后为数码管的位选码输出口，同时还用作键盘行扫描信号输入口，RL0-RL7为键盘列选口。SLO-SL2经3线-8线译码器译码后，最多可构成8x8键盘，本次设计采用2x8键盘。数码管分为两组，前六个数码管用来显示焊枪在X方向的位移，后两个数码管显示焊枪在Y方向上的位移。译码器选用74LS138，74LS138 为3 线8 线译码器，其

40、工作原理如下： （1）当一个选通端（E1）为高电平，另两个选通端（E2)和/(E3)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：ABC=110时，则Y6输出端输出低电平信号。（2）利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 （3）若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。 LED的驱动采用74HC244总线驱动器。如果输入的数据可以保持比较长的时间，简单输入接口扩展通常使用的典型芯片为74HC244，由该芯片可构成三态数据缓冲器。74HC244芯片内部共有两个四

41、位三态缓冲器，使用时可分别以1G和2G作为它们的选通工作信号。4.5 对步进电机单片机控制系统的要求要求单片机能实现两个基本任务16-17：（1）步进电机的转动方向可以通过改变通电的相序来实现。（2）步进电机的速度控制可以通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现，通常有两种方法：a. 软件延时。该方法通过改变延时时间来改变输出脉冲的频率，其缺点是占用CPU时间较多。b. 定时器延时。在终端服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可实现调整。5 软件流程图设计5.1 脉冲生成单片机控制步进电机时，时序脉冲主要由软件生成。软件产生脉冲的方法是先输出一个高电平，然后延时，再输出一个低电平，

42、再延时。程序延时方式脉冲生成流程如图13所示。步进电机的旋转方向取绝于内部绕组的通电顺序和通电方式，三相六拍的通电方式为：AABBBCCCAA。以步进电机1为例，三相六拍对应的控制字如表3所示。表3 步进电机三相六拍工作模式C相P1.2000111B相P1.1011100A相P1.0110001控制字01H03H02H06H04H05H相序AABBBCCCAA上面的控制字的顺序为正转的情况，如果按照05H，04H，06H，02H，03H，01H的顺序输出，则步进电机反转。步进电机控制程序的主要任务是：判断旋转方向，按顺序送出控制脉冲，判断脉软件流程图设计冲是否送完。开始设置脉冲个数输出高电平延

43、时输出低电平延时脉冲个数够否返回否是图15 程序延时方式脉冲生成流程 5.2 焊枪轨迹控制步进电机对焊枪轨迹的控制，是通过对两个步进电机进行脉冲分配实现的，焊枪轨迹控制流程如图14所示开始读入坐标值分配X、Y方向脉冲个数生成脉冲电机1、2轨迹控制结束脉冲数够否是否 图16 焊枪轨迹控制流程6 结论（1）采用滚珠丝杠螺母副将步进电机的旋转运动转变为焊枪的二维平面运动，结构简单、调节方便。（2）混合式步进电机86BYG350AL能够满足功率和扭矩要求，为焊枪在二维平面上的运动提供动力。（3）以8051单片机为核心，设计了步进电机的控制电路，包括步进电机驱动电路和单片机外围电路，焊枪直线位移和摆动位

44、移等参数可以通过键盘很方便的设定和修改，灵活活性强。参考文献参考文献1潘际銮.现代弧焊控制M.北京：机械工业出版社，2000.2S Imanaga，M Haneda，N Shibata，M Kobayashi，E Hino. Development of torch position control and welding condition control technology for all-position, multi-layer GTA welding. Development of fully automatic GTA welding system for pipes (2nd

45、Report) J. Welding international, 2000, 14(5):356-363.3邹增大，李亚江，孙俊生，曲仕尧.焊接材料、工艺及设备手册M.北京：化学工业出版社，2001.4黄政艳.焊接机器人的应用现状与技术展望J.装备制造技术，2007（3）:46-48.5杨光.焊接自动化技术的现状与展望J.现代制造，2004（11）：36-37.6谭蓉.全位置自动焊焊枪移动和摆动机构的设计J.焊接技术，2001,30（6）：32-33.7付松岭,孙建青,马晓君.PLC控制的焊枪摆动机构的研制J.山东机械，2002（4）:23-24.8崔明,莫立东,张文明. 基于NIOS的焊枪

46、摆动控制系统设计J.电焊机，2009,39（12）:81-84.9韩建海.数控技术及装备M.武汉：华中科技大学出版社，2007.10炳延年.机电一体化原理及应用M.江苏：苏州大学出版社，2004.11张建民.机电一体化系统设计M.北京：北京理工大学出版社，1996.12陈立周，陈宇.单片机原理及其应用M.北京：机械工业出版社，2008.13尤婷，冯君命，吕梅蕾.步进电机驱动电路研究J.电器开关，2005（5）：34-35.14李伯成.基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计M.北京：电子工业出版社，2004.15梅灿华.单片微计算机原理及应用M.合肥：合肥工业大学出版社，2005.16刘国永，陈

47、杰平.单片机控制步进电机系统设计J.安徽技术师范学院学报，2002,16（4）：61-63.17刘小山.单片机在步进电机控制系统中的应用J.机电工程技术，2004,3（1）：69-70.致谢大学四年的学习生活就要结束了，毕业设计是对我们学习情况的最后检测。在这次设计中，需要我们全面的应用所学知识，并与实际相联系，培养了我们发现问题、解决问题的能力。这次毕业设计使我对所学知识进行了全面的回顾和整理，查阅了大量资料，培养了我综合运用的能力。在这次毕业设计中，我遇到了很多困难，感谢我的指导老师景和吴对我悉心的辅导，在毕业设计阶段，许多同学给予了我大量的帮助，在共同的学习中，大家互相帮助，结下了深厚的友谊，感谢他们给予我的关心和帮助。