步進電機在鉤舌堆焊機中的應用

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（1.西南交通大學 材料工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

0 前言

隨著鐵路機車的高速發展，鉤舌磨損現象日益嚴重，鉤舌修復的表面質量要求越來越高。傳統鉤舌堆焊機的驅動大多采用普通交、直流電機，運動慣性大，位移控制精度不高。步進電機能夠彌補其缺點，并改善焊縫成形，提高堆焊質量。

1 鉤舌堆焊機的堆焊過程

鉤舌堆焊機的工藝設備如圖1所示[1]，主要由十字托板、焊槍調整機構等部分組成。十字托板分為上托板和下托板。x、y、z軸步進電機分別驅動上托板、下托板和焊槍調整機構；焊槍在十字托板和焊槍調整機構的帶動下進行焊接。整個焊接過程為：首先手動裝夾鉤舌并調整焊槍，啟動送絲送電送氣，然后下托板垂直紙面向里運動，焊槍到達鉤舌內邊緣時，下托板停止，上托板向右后退一個節距，同時焊槍豎直向上調整一定高度，保證焊絲的干伸長穩定，接著下托板垂直紙面向外運動，當焊槍到達鉤舌外邊緣時，下托板停止，上托板再次退出一個節距同時焊槍調整一定高度后，下托板再次向里運動，如此反復完成整個焊接。

圖1 鉤舌自動堆焊示意

2 控制系統的硬件電路

控制電路原理如圖2所示，核心器件是PIC單片機[2-3]，控制電路采用基于單片機的模塊化設計：一個主機和x、y、z方向3個從機，保證各個單片機在額定功率下工作，有利于后續的產品升級和功能模塊引腳的添加。

主機采用微芯公司的DSPIC30F6011A單片機；其引腳RB0與啟動開關S相連，S按下表示啟動；從機采用微芯公司PIC16C54的低端單片機，RA端口為輸出I/O端口。3個從機驅動原理相同，在此僅介紹Y軸從機驅動。S按下時主機通過IIC半雙工通信發送啟動命令到3個從機。當Y從機通過模擬IIC程序接收到啟動命令時，其RA端口發出數字脈沖，經過525G-2光耦隔離后再由達林頓管TIP122功率放大為強電V-HB來驅動步進電機各相繞組通電。步進電機STEPER采用86BYG4502混合式四相步進電機，工作方式為四相單雙八拍，其正轉脈沖時序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA，反轉脈沖時序為A-AD-D-DC-C-CB-B-BA；各相繞組的導通時序如圖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°，傳動絲杠的螺距P為5 mm，步進電機每步的脈沖周期為T，并且其每步帶動托板走的單位距離S=（P×β）/360=12.5 μm，焊接中托板累計運行距離S0和總運行時間T0的關系式為

圖2 控制系統電路

3 系統程序設計

3.1 數字脈沖分配器程序

3個從機均置有軟件數字脈沖分配器[4]，由定時器T0中斷函數實現此功能，數字脈沖分配器程序如圖4所示。RD為正反轉標志寄存器，正轉時RD=1，反轉時RD=0；定時器T0的周期寄存器PR0中的值為脈沖周期T，可由單片機按照設定的焊接速度v和式（1）通過算術運算程序得到；PS為脈沖序列標志寄存器，結合圖3和圖4每次T0中斷后，函數先判斷正反轉，然后依據PS值進入相應脈沖序列操作程序，同時PS遞增1，PS每變換一次，繞組通電的相序就變換一次，步進電機轉過一個步距角。完整的正轉子程序應是：T0第一次中斷，PS=0時RA0為高電平A相導通；T0第二次中斷，PS=1時RA1和RA0為高電平AB相導通；T0第三次中斷，PS=2時RA1為高電平B組導通；T0第四次中斷，PS=3時RA1和RA2為高電平BC相導通；T0第五次中斷，PS=4時RA2為高電平C相導通；T0第六次中斷時，PS=5時RA2和RA3為高電平CD相導通；T0第七次中斷時，PS=6時RA3為高電平D相導通；T0第八次中斷時，PS=7時RA3和RA0為高電平DA相導通，同時清零PS為下一個脈沖循環做準備；此時一個完整正轉時序脈沖已經完成，如此反復循環T0中斷便可實現電機的連續運行；反轉子程序原理與正轉子程序相同，反轉時每次T0中斷將依據PS值按照反轉脈沖時序改寫相應RA端口，如PS=0時A相通電，PS=1時AD相通電……PS=7時BA相通電。如此便可完成反轉時序脈沖循環。

圖3 繞組脈沖示意

圖4 數字脈沖分配器程序

3.2 自動焊接控制程序

（1）從機控制程序。x、y、z方向3個從機控制程序相同，都只控制脈沖的發送。如圖5所示：系統上電，當有啟動命令時，先判斷正反轉，然后寫寄存器RD并開T0中斷，步進電機每走一步判斷是否停止，有停止命令時，停止焊接并返回初始化等待新的啟動命令。

圖5 從機控制程序

（2）主機控制程序。自動焊接時主機控制x、y、z從機按一定時序停止或正反轉，如圖6所示。WC為焊縫計數一個節距和高度的時間，實際中高度和節距同時完成調節；在焊縫長度和節距設定后，VD1和VD2的數值都可由單片機根據式（1）計算得到；系統上電后檢測到自動焊接啟動時，通過IIC模塊與從機通信，發送正轉命令到Y從機；調用VD1延時，焊槍走完一道焊縫后發送停止命令到Y從機并判斷是否完成，未完成則發送正轉命令到X、Z從機，調用VD2延時，調整節距和高度后WC遞增1并發送停止命令到X、Z從機，此時WC值為奇數，發送反轉命令到Y從機，調用VD1延時，焊槍走完一道焊縫后發送停止命令到Y從機并判斷是否完成；循環往復直至焊接完成，焊槍停止運動，程序返回到初始化等待新的自動焊接啟動命令。

4 結論

（1）本驅動控制系統采用模塊化設計，便于后續產品的升級和功能模塊的添加。

（2）數字脈沖環形分配器的設計取代硬件脈沖分配器使得系統簡單可靠，性價比高。

（3）由單片機編程控制的系統比PLC等的控制系統成本低很多，且在現場焊接中切實可行。

[1]曹炎珍，蘭強，肖坤文.兩種鉤舌自動堆焊方式的比較[J].電焊機，2003，33（10）：41-43.

[2]MICROCHIP.DSPIC30F系列參考手冊[EB].Microchip Technology Inc，2015.

[3]MICROCHIP.PIC16C5X[EB].Microchip Technology Inc，2013.

[4]程樹康，劉寶廷.步進電動機及其驅動控制系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.