毕业设计论文搅拌摩擦头测温装置硬件部分设计模板.docx

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毕业设计论文搅拌摩擦头测温装置硬件部分设计模板

江苏科技大学

本科毕业设计（论文）

学院材料科学与工程

专业焊接技术与工程

学生姓名

班级学号

指导教师

二零一零年六月

江苏科技大学本科毕业论文

搅拌摩擦头测温装置

硬件部分设计

Hardwaredesignoffrictionstirweldingpin

temperaturemeasurementdevice

摘要

搅拌头是实现搅拌摩擦焊的关键和核心技术之一，被誉为搅拌摩擦焊的“心脏”。

搅拌头用以提供搅拌摩擦焊接过程中所需的热量，是热塑性材料与周围材料实现扩散连接的工具，因此对其温度场实施检测具有重要意义。

本文采用典型的ATMEGA128单片机作为微处理器，对工作时高速旋转的搅拌头设计了一款简单、实用的无线测温装置。

该装置由温度的采集处理和串行口通信两大部分构成，其中温度采集是通过K型热电偶和热电偶数字转换器芯片MAX6675实现的；无线数据传输系统主要由3模块组成，即无线收发模块、处理器模块和与计算机的串口通信模块。

无线收发模块负责对外进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；处理器模块负责控制整个系统的处理操作和系统传输模式设置；串口通信是将所采集的温度通过RS-232串行口传给PC机，由PC完成对温度数据的各种统计、分析等后续处理。

为了提高系统的抗干扰能力，在无线模块CC1000处还增加了抗干扰硬件及软件的设计。

实验证明，该无线测温装置具有体积小、结构简单、通用性好、使用方便等特点。

关键词:

搅拌摩擦焊；搅拌头；温度场；ATMEGA128；CC1000

Abstract

Theheadofstirsisthekeytorealizethefrictionstirweldingtechnologyisoneofthecoreandthefrictionstirwelding,knownasthe"heart".Theheadofstirstoprovidethefrictionstirweldingprocessisneeded,theheatwiththesurroundingmaterialthermoplasticmaterialsdiffusionbondingoftools,sothetemperaturefieldtestofgreatsignificance.

UsingtypicalATMEGA128single-chipprocessorisproposedtoworkasamicroprocessor,high-speedmixingheadwhendesigningasimpleandpracticaltemperaturemeasurementdevicewireless.Thedevicebytemperatureoftheacquisitionandprocessingandserialcommunication,includingtwomosttemperaturegatheringisthroughKthermocoupleandthermocoupletypetodigitalconverterchipMAX6675realization,Wirelessdatatransmissionsystemmainlyconsistsofthreemodules,namelythewirelesstransceivermodule,theprocessormoduleandcomputerserialcommunicationmodule.Wirelesstransceivermoduleisresponsibleforforeignexchangecontrolforwirelesscommunication,informationanddatatransceiver,ProcessormoduleisresponsibleforcontrolofthesystemoperationsystemandtransmissionmodeSettings,SerialcommunicationwillbecollectedbythetemperatureRS-232serialtransmissiontoPC,completebythePCfortemperaturedataofvariousstatistics,analysisandsubsequentprocessing.Inordertoimprovethesystemofanti-jammingandCC1000moduleinwirelessalsoincreasestheanti-interferencedesignofhardwareandsoftware.

Experimentsshowthatthewirelesstemperaturemeasurementdevicehastheadvantagesofsmallsize,simplestructure,easyandconvenientuse,etc.

Keywords:

frictionstirwelding;headofstirs;temperaturefield;ATMEGA128;CC1000

目录

第一章前言

1.0引言

搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型的固态塑化连接方法，与传统熔化焊相比，它具有接头晶粒细小、性能良好、无飞溅、无烟尘、内应力小、变形小等许多优点[1]。

从1991年问世至今，已引起人们的极大关注，且在航空、航天、车辆及造船等行得到应用。

目前关于FSW的研究主要是针对铝合金及其他金属材料的焊接工艺、微观组织，以及焊接工具和设备的开发，对其机理如温度场和塑性流体流动的研究正逐步成为一个热点[2]。

搅拌头是搅拌摩擦焊的关键，最优搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。

搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成，其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式，还影响焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式，对于给定板厚的材料来说，焊接质量和效率主要取决于搅拌头的形貌和几何设计。

因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。

对国内焊接行业来说，搅拌摩擦焊技术仍属于一种崭新的技术，对搅拌头这种核心技术的研究尚不够深入。

本文对搅拌头的温度场检测进行了系统的研究和设计，为搅拌摩擦焊技术在中国的应用和发展提供有价值的参考。

1.1温度场检测方法

测温方法很多，仅从测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测温与非接触式测温两大类。

接触式测温是基于热平衡原理，测温敏感元件必须与被测介质接触，使两者处于同一热平衡状态，具有同一温度，如水银温度计，热电偶温度计等就是利用此法测量。

非接触式测温是利用物质的热辐射原理，测温元件不需与被测介质接触，而是通过接收被测物体发出的辐射热来判断温度，如辐射温度计，光纤温度计等。

接触式测温简单、可靠，且测量精度高。

但是由于测温元件需与被测介质接触后进行的热交换，才能达到热平衡，因而产生了滞后现象。

另外，由于受到耐高温材料的限制，接触式测量不能应用于很高温度的测量。

非接触式测温，由于测温元件不与被测介质接触，因而其测温范围很广，其测温上限原则上不受限制;测温速度也较快，而且可以对运动体进行测量。

但是，它受到物体的发射率，被测对象到仪表之间的距离，烟尘和水汽等其它介质的影响，一般测温误差较大，目前使用较广的是接触式测温。

下面几种热电偶、测温电阻、谐振型NOR温度计、全辐射高温计、光纤温度传感器、红外测温、为现代常用温度测量方法。

1.2测温方法中存在的缺点及误差分析

1.2.1热电偶

（1）热电偶的参比端处理

如前所述，热电偶的热电势大小与热电极材料和两结点的温度有关，热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表都是以热电偶的冷端温度等于零（0℃），但在实际测量中，很难保证冷端温度恒定为0℃，所以必须进行冷端温度补偿与修正。

传统方法有如下几种：

0℃恒温法、导线补偿法、热电势修正法、电位补偿法、电桥补偿法。

近年来，利用集成温度传感器对冷端温度进行补偿取得进展，由于电位补偿法和电桥补偿法都对电阻要求较高，尤其在多路温度测量中不易调试，因而随着芯片技术的发展，出现了用集成温度传感器精密测量热偶冷端温度进行补偿的方法。

从原理上讲，这种方法就是由集成温度传感器测得冷端温度，再与热电偶所测温度叠加。

电路实现主要有两种形式，即：

模拟信号叠加形式和数字信号叠加形式[3]。

模拟信号叠加形式又可分为两种，如图1-1（a）、（b）所示。

图1-1（a）中，补偿电势V提高了热电偶温差电势E的地电位，输出端为叠加后的电动势；图1-1（b）中，补偿通过运放构成的加法器实现。

比较而言，前者电路易于实现，设计巧妙，后者电路参数选配繁琐，一定程度上影响了补偿精度。

（a）（b）

图1-1冷端补偿的模拟信号叠加电路

下面以ADI公司的集成温度传感器AD590用作冷端补偿为例加以说明。

AD590是绝对温度-电流传感器，满足I=K（T+273.2）的变换，其中I和T的单位分别是μA和℃，K=1μA/℃。

它直接将温度转换成输出电流，且具有标准化（1μA/K）的线性输出。

AD590工作时，两端加上+4V~+30V的电压，器件呈现为一个高阻抗（10MΩ）的温控电流源，对激励电压变化不敏感，功耗低，用长线传输信号时不会因为电压降或感应的噪声电压而产生误差，抑制干扰的能力也很强，因此可用于较远距离的温度测量，在-55℃~+150℃内优于其它温度传感器。

这些特点使它极易与热电偶配合，作高精度的温度测量[4]。

（2）实际应用中的其它问题

AD转换芯片位数的选择和信号放大倍数的确定

测温范围（量程）和测温精度是进行仪器设计时必须着重考虑的问题，务必保证测量允许误差大于满量程范围内的热分辨率（测温精度）。

一般来说，由测温范围（量程）和最大允许误差（量程×精度等级%）之比，可估算出AD转换芯片位数，注意要留出1~2位的余量。

AD转换芯片位数确定后，根据AD转换芯片参考电压的大小，即AD转换芯片模拟输入电压的范围，进一步确定热电偶输出信号放大电路的放大倍数。

既要保证放大电路最大输出小于AD转换芯片的输入范围，又要保证测温精度小于允许误差。

以镍铬－镍硅热电偶为例，要测量+10~+150℃的温度，要求最大测温误差不得超过0.1，则大致估算出AD转换芯片的位数为12（因为140/0.1=1400∈（1024,2048），选择11位AD即可满足要求，要留出一定的余量，应选12位）。

设AD转换芯片模拟输入范围是0~2.5V。

由热电偶分度表可知，+10~+150℃对应0.40mV~6.13mV，0.1℃约对应0.004mV，则按11位AD估算，由于2500/（6.13-0.40）≈436，放大倍数小于它才能保证最大输出小于参考电压；又因为[2500/（211-1）]/0.004≈306，放大倍数大于它才能保证测温精度小于允许误差；所以，放大倍数G∈（306,436）。

据此可设计放大电路[5]。

断偶检测问题

众所周知，在实际应用中热电偶可能由于各种原因发生断路，使仪器不能正常工作，如果不能及时发现，势必给工业生产造成损失。

为此应该设计一个断偶检测电路，