直缝自动焊机结构及运动控制系统设计.doc
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济南大学毕业设计
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。
故而设计的主要内容是：
焊接电源的选择，其输出功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。
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0.5-6.0mm；
（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
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
3.1.1X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。
3.1.2Z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
控制电源
单相50HzAC200V
焊接工件厚度
0.5～6.0mm
焊接工件直径
600mm≥φ≥200mm
焊接工件有效长度
≤800mm（焊枪垂直状态）
焊枪移动速度范围
100～1600mm/min
焊枪升降行程
200mm
焊枪手动微调距离
X向±30mm、Z向±30mm
主机最大允许焊接电流
500A
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。
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，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）
公式中L—代表丝杠的寿命，它是以100万转为单位的，
L=（4-2）
n—代表丝杠转速，（r/min）,用下面的这个公式计算：
n=（4-3）
V—代表最大切削力下的进给速度（m/min）,可取最大进给速度的1/2-1/3；
L—是初选的滚珠丝杠导程，（mm）
T—机器的使用寿命要求
f—机器的运转系数，一般取1.0-1.5
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，每天按三班制工作。
代入公式（4-3）可以得到：
n===10r/min
T=530083=36000h
代入公式（4-2）可得：
L===21.6
代入公式（4-1）可得：
C===2673.86N
最后根据最大动载荷来选择所需要的滚珠丝杠的直径，通过查阅《机电专业课程设计指导书》p158页表3可得，选择W1L2505,2.5圈每列，，其额定动载荷为13100N，精度等级按表3-15选三级。
显然额定动载荷13100N远大于计算出的最大动载荷2673.86N，故满足要求。
c）传动效率的计算
下面这个是用来计算丝杠传递效率的公式
（4-4）
公式中—代表螺旋升角，WL2505的是3°39′
—为摩擦角，在这里取10′
==0.958
d）刚度验算
由于滚珠丝杠副的精度对于进给以及焊接精度都有很大的影响，且其中其刚度的变化对加工精度影响最大，并且会影响进给系统的定位精度性以及运动的平稳性。
而刚度的变化主要由于轴向变形产生的，因此应该考虑引起变形的主要因素，其中丝杠的拉伸或压缩量在总的变形中占得比重最大，故而，我们主要考虑它。
先通过公式计算受工作载荷F的作用时引起的丝杠导程L的变化量△L，再计算此时滚珠丝杠总长度上的拉伸和压缩量。
△L===（4-5）
△L—是在工作载荷F的作用引起的丝杠导程L的变化量mm；
F—是工作负载，单位为N；
L—滚珠丝杠的初选导程，此处选择的是5mm；
E—丝杠材料的弹性模数，对于钢：
E=20.6（N/mm）；
F—滚珠丝杠的截面积mm。
接着计算丝杠长度拉伸或压缩的变形量mm
=△L/LL=4.12/5=3.30mm（4-6）
可知=3.30mm<0.03mm/2=0.015mm,即滚珠丝杠的变形小于机床精度要求变形的一半，可见所选丝杠的直径是合适的。
e）稳定性检验
对于已选定的尺寸的滚珠丝杠，在给定的支承的条件下，滚珠丝杠在承受最大轴向负载时，应该验算丝杠有没有产生失稳的危险。
其中产生纵向弯曲的临界负载F可以用下面的公式来计算：
F=（4-7）
公式中I—截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩I=（丝杠螺纹的底径）（4-8）
E—所选材料的弹性模数，对于钢：
E=20.6（N/mm）；
l—丝杠两端支撑的距离（mm）
f—滚珠丝杠支承的长度系数。
两端简支取1.0。
其中为丝杠螺纹的底径是24.5mm代入公式（4-8）可得：
I===17677.22mm
代入公式（4-7）可得：
F===2.24N
=F/F=2.24N/800N=280[]=4
显然稳定性验证符合要求，选用是合格的。
4.1.2滚珠丝杠螺母副的几何参数计算
由上面的设计计算以及验算可以知道我们选择的滚珠丝杠的尺寸是可以满足设计要求的，下面我们来计算一下W1L2505,2.5圈每列的相关几何参数。
表4.1滚珠丝杠螺母副的几何参数
名称
符号
计算公式
WL2505
螺纹滚导
公称直径
25
螺距
5
接触角
3°39′
钢球直径
3.175
滚道法面半径
R
R=0.52
1.651
偏心距
e
e=（R-/2）sin
0.056
螺纹升角
=arctan（/）
3°39′
螺杆
螺杆外径
d
d=-（0.2-0.25）
24.20
螺杆内径
=+2e-2R
21.81
螺杆接触直径
=-
21.83
螺母
螺母螺纹
D
D=-2e+2R
50
螺母内径（外循环）
D
D=+0.2-0.25）
25.79
这样我们就完成了Z轴机械部分的结构与尺寸设计。
4.2直缝自动焊机X轴机械部分的计算
4.2.1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，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，且与其配合的螺母外径尺寸小，我们选择了外循环螺旋槽式的滚珠丝杠螺母副。
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X进给率引力主要是由Z轴的重量以及X方向的焊接阻力设为1000N.
F=KF+（4-9）
公式中K—为考虑颠覆力矩影响的实验系数，滚动导轨取K=1.15；
—滚动导轨的摩擦系数，一般取0.0025-0.005；
G—移动的重量1600N
代入公式得（4-9）得
F=KF+=1.15=1158N
X轴上主要进行的运动是直缝的焊接，为了保证焊缝的焊接深度以及焊缝的干净、整洁，焊接的速度一般要求比较低，同样为了避免爬行现象我们选用滚动导轨。
当然滚动导轨还有其他优点，后面有详细的介绍。
b）计算最大动载荷C
在设计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，在滚珠丝杠回转了100万转以后，在它的滚道上不会出现点蚀现象。
而这个最大的轴向载荷的值就称为最大动载荷C，可用下面的公式计算：
C=（4-10）
公式中的L可以用前面介绍过的这个公式来计算，就是下面这个公式：
L=（4-11）
公式中的n是滚珠丝杠的转速（r/min），用下面的这个公式计算：
n=（4-12）
由于结合本设计的要求可知：
最大进给速度为1.6m/min,故V=1.6/2=0.8m/min,初选丝杠导程L为8mm，工作时间为五年，每年300天，每天按三班制工作。
代入公式（4-12）可以得到：
n===100r/min
T=530083=36000h
代入公式（4-11）可得：
L===216
代入公式（4-10）可得：
C===8337.6N
根据最大动载荷选择滚珠丝杠的直径，查阅《机电专业课程设计指导书》p158页表3可得，选择WL5008,2.5圈每列，，其额定动载荷为23400N，精度等级按表3-15选三级。
显然额定动载荷23400N远大于计算出的最大动载荷8337.6N，满足设计要求。
c）传动效率的计算
再次运用前面介绍过的公式计算丝杠的传动效率如下：
（4-13）
公式中—螺旋升角，WL5008的是2°55′；
—为摩擦角，此处取10′
==0.945
d）刚度验算
由于滚珠丝杠副的精度对于进给以及焊接都有很大的影响，其中其刚度的变化对加工精度影响最大，会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性。
而刚度的变化主要由于轴向变形，因此应该考虑引起变形的因素，其中丝杠的拉伸或压缩量在总的变形中占得比重最大，故而，我们主要考虑它。
先用公式计算在承受工作载荷F的作用时，引起的丝杠导程L的变化量△L，再设计计算滚珠丝杠总长度上的拉伸和压缩量。
△L===mm（4-14）
L—滚珠丝杠导程─8mm；
E—所选材料的弹性模数，对钢E=20.6（N/mm）；
F—滚珠丝杠的截面积mm。
在设计计算滚珠丝杠长度的拉伸或压缩的变形量mm
=△L/LL=/8=0.006（4-15）
可知=0.006mm<0.03mm/2=0.015mm,即滚珠丝杠的变形小于机床精度要求变形的一半，可见所选丝杠的直径是合适的。
e）稳定性检验
在给定的支承的条件下对于已选定的尺寸的丝杠，当承受最大轴向负载时，应该验算丝杠有没有产生失稳的危险。
产生纵向弯曲的临界负载F可以用下式计算：
F=（4-16）
公式中I—截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩I=（丝杠螺纹的底径）（4-17）
E—所选材料的弹性模数，对于钢：
E=20.6（N/mm）；
l—丝杠两端支撑的距离（mm）
f—丝杠支承长度系数。
两端简支取1.0。
其中为丝杠螺纹的底径是48.5mm代入公式（4-17）可得：
I===2.7mm
代入公式（16）可得：
F===1.37N
=F/F=1.37/1158=118[]=4
所以符合稳定性的要求。
4.2.2滚珠丝杠螺母副的几何参数计算
由上面的设计计算以及验算可以知道我们选择的滚珠丝杠的尺寸是可以满足设计要求的，下面我们来计算一下W1L2505,2.5圈每列的相关几何参数。
表4.2滚珠螺母副的几何参数
名称
符号
计算公式
WL5008
螺纹滚导
公称直径
50
螺距
8
接触角
2°55′
钢球直径
4.763
滚道法面半径
R
R=0.52
2.478
偏心距
e
e=（R-/2）sin
0.068
螺纹升角
=arctan（/）
2°55′
螺杆
螺杆外径
d
d=-（0.2-0.25）
48.80
螺杆内径
=+2e-2R
45.18
螺杆接触直径
=-
49.78
螺母
螺母螺纹
D
D=-2e+2R
75
螺母内径（外循环）
D
D=+0.2-0.25）
51.19
4.3滚动导轨的计算和选型
当前滚动导轨在数控型机床上的应用非常广泛，因为它与滑动导轨相比具有以下优点：
（1）滚动导轨的摩擦系数小，其摩擦系数一般在0.0025-0.005范围内，而且运动灵活。
（2）滚动导轨的动、静摩擦系数基本相同，且其启动阻力小，还不宜产生爬行现象，低速运动时灵活性好。
（3）滚动导轨以预紧，以便提高其刚度和抗振性，时期能够承受较大的冲击和振动。
（4）滚动导轨的运动平稳，定位精度高，微量移动准确。
（5）滚动导轨的保养方便，并可以用脂润滑，一次填充，可长期使用。
（6）滚动导轨使用寿命长，其使用耐磨性材料制作而成，摩擦小，精度保持性好。
本次设计选用的是滚珠式导轨，循环式，截面积为矩形型。
4.3.1X轴导轨计算
计算四方向等载荷窄型滚动导轨副的承载能力的额定动载荷负载用C表示，和额定静载荷用C表示。
其额定寿命按下式计算：
L=（4-18）
公式中L—导轨需满足的额定寿命（km）
—行程长度（m）,X轴设计要求为1000mm,
—每分钟往复的次数
—m小时为单位额定寿命。
代入公式（18）可以得到：
L===720000
其中额定寿命L与额定动载荷C的关系式为：
L=（）K（km）（4-19）
公式中—为硬度系数，此处取=1.0
—为温度系数，此处取=1。
0
—为接触系数，此处取=1.0
—为精度系数，此处取=0.9
P—为实际工作载荷，此处取X轴为1158N
K—为额定寿命单位，滚珠K=50（km）
根据公式（19）计算额定动载荷C，则有：
C=（4-20）
这样根据公式（20）计算X轴的滚动导轨的额定动载荷，如下：
C===37.56
根据计算出来的动载荷查表选用JSA-LG45四方向等载荷窄型滚动导轨副，其C=42.5KN，C=71KN。
显然满足要求。
4.3.2Z轴导轨设
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