直缝自动焊机结构及运动控制系统设计

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1、济南大学毕业设计- 1 -1 前言1.1 选题背景及意义目前国内的焊接技术的发展，由于自动控制系统、可编步伐控制器、微处理机和计算机技术等在焊接出产中的应用，80 年代以后，中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动控制，用自动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接出产自动线，较广泛地应用在汽车、船舶、核能、电站、汽锅、矿山机械等行业中，不断提高焊接出产的自动化程度。其中直缝焊接技术近年来也结合自动控制系统、可编步伐控制器、微处理机和计算机技术逐步走向自动化，并可以得到焊接表面比较清洁，焊缝比较完美地效果。然而很多企业还是通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊

2、接设备、焊接出产线和柔性打造系统，使焊接机械化与自动化技术相结合，可见目前国内的直缝自动焊机的发展还不是很完善，还有许多需要改进的地方，比如国内生产的直缝焊机焊缝易出现夹渣、气孔等缺陷，开发先进的控制技术，以提高直缝自动焊机的稳定性和抗干扰性以及得到高质量的焊缝是目前直缝自动焊机急需解决的问题。因而设计一个可以满足目前高要求，低成本的直缝自动焊机是很有必要的。1.2 设计内容直缝（纵缝）应用广泛。本次设计的直缝自动焊机主要用于完成壁厚 0.5mm-6mm 薄壁筒体、锥形筒、平板或一端开口的方形盒体对接直缝焊接。而且对焊缝的要求很高，要求其外观美观，纹路均匀，焊缝宽窄、高低基本一致以及焊缝表面不

3、得有裂纹、未熔合、夹渣、咬边和凹坑等，为此设计直缝自动焊机的主要内容如下所示。设计内容包括机械部分和电气部分，主要内容如下：(1)机械部分总装配图及配套零部件图：根据个人设计方案绘制，符合国家标准；(2)电气设计部分：相关电器原理图，以及单片机控制程序；(3)主要计算内容：X 轴， Z 轴尺寸计算，滚珠丝杠的设计计算，导轨及轴承的选用，步进电机的选型计算，齿轮的选择计算等；(4)设计说明书得编写：符合设计要求。设计完成后，需要根据具体的设计方案内容，编写相关程序并调试、搭接电路出来的，仿真执行情况等。具体设计内容：根据直缝自动焊机结构与运动控制系统的设计要求，我们需要设计其结构与运动控制系统。

4、故而设计的主要内容是：焊接电源的选择，其输出功济南大学毕业设计- 2 -率和焊接特性应与拟用的焊接工艺方法相匹配，并装有与主控制器相连接的接口；焊接机头用的移动机构，其由焊接机头，焊接机头支承架，悬挂式拖板等组成，其驱动系统应采用步进电机；焊件移动或变位机构，如焊接滚轮架，头尾架翻转机，回转平台和变位机等；焊件夹紧机构；主控制器的设计，亦称系统控制器，主要用于各组成部分的联动控制，焊接程序的控制，主要焊接参数的设定，调整和显示，必要时可扩展故障诊断和人机对话等控制功能；计算机软件设计，焊接设备中常用的计算机软件有：编程软件。实现的主要功能：实现油箱的直缝自动焊接，采用先进的单片机控制系统，人性

5、化的人机操作界面，自动化程度高，性能稳定可靠。设计实现的方式主要是根据查阅的相关资料（包括书籍、论文、期刊文献、设计手册等）以及设计要求（包括工作温度，工作环境等） ，以及对国内外直缝自动焊机发展的情况等相关知识的认知，加上通过实习对直缝自动焊设备的进一步了解，对于直缝自动焊机结构与运动控制系统的设计各个部分总体设计，以完成预计实现的的设计要求。济南大学毕业设计- 3 -2 设计参数及方案2.1 初始参数本次毕业设计题目的是直缝自动焊机结构及运动控制系统设计，根据设计题目以及以下的相关设计要求进行为期三个月的设计。本次设计主要完成设计要求：（1） 用于油箱卷板纵缝的焊接，板厚 0.5-6.0m

6、m；（2） 焊接工件的直径 200-600mm；（3） 焊接工件的有效长度（焊枪垂直状态）1000mm；（4） X 轴，Z 轴的脉冲当量是 0.01mm/脉冲；（5） 焊接移动速度范围：100-1600mm/脉冲；（6） 伺服驱动使用步进电机；（7） 要有硬件限位保护；（8） 控制部分需要采取抗干扰措施；（9） 使用年限五年，每年工作三百天，每天三班制；（10） 基于单片机控制器的数控装置应有键盘和 LED 显示。2.2 总体方案因为设计内容要求有机械设计和电气设计部分，机械结构设计部分，主要采用如下结构：机械结构部分设计：（1） 采用双立柱结构，主要由床身、三爪卡盘夹具、横梁导轨、焊枪升降机

7、构、 电气控制系统等组成。 （2） 焊枪采用在 Z 轴上升降。（3） 步进电机驱动的焊枪直线移动及导轨。（4） 三爪卡盘夹具保证自动调心，以及焊缝背面成形。（5） 可调节两个三爪卡盘之间的距离。电气部分设计：由于数控系统按运动方式可分为点位/直线控制，系统点位控制系统和连续控制系统。由于直缝自动焊机在焊接过程中主要运动是调节焊枪的垂直位置以及焊枪所在的 Z 轴沿着 X 轴水平移动，之中不涉及到工件运动的同时焊枪也运动，故而，在选择数控系统时可以选择点位控制系统。电气部分包括伺服系统以及控制系统的设济南大学毕业设计- 4 -计，其中伺服系统采用开环系统，开环系统中，不带检测装置，没有反馈电路，指

8、令信号是单方向传送的。开环系统主要是由步进电机驱动的。步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，比较适合控制精度要求不高，运动速度低的场合，由于焊机的运动速度比较低，故选择步进电机比较合适，而且其系统结构简单，成本低廉，容易控制、调试和维修。控制系统则选用采用先进的单片机控制系统，人性化的人机操作界面，自动化程度高，性能稳定可靠。通过程序控制自动焊接过程。其具有独立调速电路，数码显示焊枪行走速度。也具有“调整/自动”功能：调整状态可调整焊枪行走速度、焊枪对中焊缝及焊枪高度和焊接长度的调整。自动状态可实现焊接过程的自动完成。具有速度数码显示、焊接长度数码预置等功能。以下附有总的方案设计图 2.1 以及

9、单片机控制系统图系统原理图 2.2。图 2.1 系统原理图图 2.2 单片机控制系统结构简图济南大学毕业设计- 5 -3 焊机进给伺服系统机械部分设计3.1 焊机基本结构设计 3.1.1 X 轴结构设计在设计 X 轴的结构时，首先我们根据控制系统的相关要求可以知道 X 轴由步进电机控制，因而我们需要其由滚珠丝杠螺母副带动，而且 X 轴滚珠丝杠需带动 Z 轴导轨通过滑块在 X 轴上运动，所以我们需要滚珠丝杠两端由角接触球轴承两端支撑，并施加预紧力。采用双推-双推支承方式，这样刚度好，并且可以减少由于丝杠自重产生的变形和补偿热膨胀，从而使刚度更高。从上面的分析我们可以知道，在 X 轴上主要安装的有

10、步进电机，减速箱，滚动轴承以及滚珠丝杠，设计其结构时主要考虑与这些部件的配合尺寸，即根据步进电机，减速箱，滚动轴承以及滚珠丝杠的尺寸设计 X 轴的结构尺寸。3.1.2 Z 轴结构设计在设计 Z 轴的结构时，根据上面 X 州的设计可以知道，Z 轴同样也是由步进电机控制的，也需要滚珠丝杠螺母副带动，且其其轴上安装有用来安装焊枪的焊枪座以及用来安装焊枪座的安装板，他们都有一定的质量，故而滚珠丝杠两端采用角接触球轴承两端支撑，并施加预紧力。采用双推-双推支承的方式，这样即可以满足刚度要求，也可以减少由于丝杠自重而产生的变形和补偿热膨胀。3.1.3 夹具结构设计由于设计的直缝自动焊机主要是用于油箱卷板纵

11、缝的焊接，需要定位夹紧的工件是空心卷板，借鉴环缝自动焊机的夹具结构，同样此处我们也可以选用三爪卡盘的结构，不过改进以下该结构，采用内三爪卡盘（爪伸出型）定位，夹紧则是用普通三爪卡盘只不过采用反爪，由三爪卡盘卡着卷板内孔，同样通过夹紧扳手上一对锥齿轮的运动夹紧卷板的方式进行定位夹紧。在设计中需要一头一尾两个卡盘，一端固定，一段浮动。 由于三爪卡盘是自动调心机构，因而可以加工不同直径的工件，并且其为标准件，只需要根据需要选择相应的尺寸安装使用即可，不需要自己进行设计，且其结构简单，运用方便。3.2 初定焊机部件尺寸及重量 在设计计算之前，首先我们要根据前面的要求，初步确定一下后面设计计算重济南大学

12、毕业设计- 6 -要用到的一些参数，由于我们设计的直缝自动焊机主要是用来焊接卷板油箱的直缝，缝一般长度不超过 800mm，板厚为 6mm 左右，当然还有一些具体的使用与设计要求，我们在设计计算时，都应一一满足。根据设计的参数要求如下表 3.1：表 3.1 参数设计要求根据上面的参数要求，我们初步确定关于 Z 轴方向的尺寸及重量，由于 Z 轴上有用于焊枪的焊枪座以及用于连接焊枪座与十字滑块尺寸的安装板，初定安装板的尺寸为：长*宽*高为 400*200*20（mm）材料为低碳钢，焊枪座的尺寸为：长*宽*高为 100*100*20，材料为低碳钢，估计二者的总重为 800N。其中需要加工的工件的最大尺

13、寸：长*宽*高为 800*600*6mm，其重量主要由三爪卡盘承担，故在这里不将其计入重量要求中。初步确定 X 轴上移动部件的重量，也就是整个 Z 轴的重量，初步估计为1600N。另外，由于 Z 轴只是进行焊枪位置的移动，并不进行该方向的焊接，故 Z 方向的切削力为零，同时，X 方向由于进行 X 方向的焊接，故 X 方向的焊接阻力设为1000N。控制电源 单相 50Hz AC 200V焊接工件厚度 0.56.0mm焊接工件直径 600mm200mm焊接工件有效长度 800mm（焊枪垂直状态）焊枪移动速度范围 1001600mm/min焊枪升降行程 200mm焊枪手动微调距离 X 向30mm 、

14、Z 向30mm主机最大允许焊接电流 500A济南大学毕业设计- 7 -4 焊机进给伺服系统机械部分计算4.1 直缝自动焊机 Z 轴机械部分的计算4.1.1 滚珠丝杠螺母副的设计、计算、选型（1）滚珠丝杠螺母副的结构设计在选择滚珠丝杠螺母副的结构时，由于考虑到在满足同样精度要求下，外循环螺旋槽式的滚珠丝杠的工艺简单，与其配合的螺母的外径尺寸小，所以我们选择了外循环螺旋槽式的滚珠丝杠螺母副。而对于滚珠丝杠的预紧方式的选择，考虑到螺纹式预紧方式的结构紧凑，工作可靠性，我们选择了螺纹式预紧。（2）滚珠丝杠螺母副的设计计算a) 计算进给率引力由于作用于 Z 轴的进给率引力主要是由焊枪及送丝机的重力产生的

15、，故F =800N。同时由于 Z 轴上的运动速度比较低，为了避免爬行现象我们选用滚动导m轨。b) 计算最大动载荷 C在计算选用滚珠丝杠副的直径时，首先必须保证在一定的轴向载荷的作用下，在丝杠回转了 100 万转以后，在它的滚道上不会产生点蚀现象。而这个最大的轴向载荷值就称为最大动载荷 C，可以用下面的公式进行计算：C= (4-1)mwFfL3公式中 L代表丝杠的寿命，它是以 100 万转为单位的 ，L= (4-2)610Tnn 代表丝杠转速， （r/min）,用下面的这个公式计算：n= (4-3) 0LVsV 代表最大切削力下的进给速度（m/min） ,可取最大进给速度的 1/2-s1/3；L 是初选的滚珠丝杠导程， （mm）0济南大学毕业设计- 8 -T机器的使用寿命要求f 机器的运转系数，一般取 1.0-1.5w由于结合本次直缝自动焊机的设计的要求可知：最大进给速度为 0. 1m/min,故 V=0.1/2=0.05m/min,初选丝杠导程 L 为 5mm，工作时间为五年，每年 300 天，每天s 0按三班制工作。代入公式（4-3）可以得到：n= = =10r/min01LVs50.T=5 300 8 3=36000h代入公式（4-2）可得：L= = =21.6610Tn6103代入公式（4-1）可得：C=