轮轴焊接专机说明书毕业设计 精品.docx
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第一章绪论……………………………………………………………………3
第一节本课题的研究目的意义…………………………………………3
第二节本课题研究的基本内容…………………………………………4
第二章CO
保护焊接技术……………………………………………………4
第一节CO
焊接的基本原理……………………………………………4
第二节CO
电弧焊接的优点……………………………………………6
第三节CO
焊接参数的选择……………………………………………6
第四节CO
焊接的起弧和收弧…………………………………………8
第三章旋压轮焊接机设计……………………………………………………10
第一节自动焊机的主要组成部分………………………………………10
第二节控制对象…………………………………………………………10
第三节电气控制方式的要求……………………………………………11第四节自动焊机的控制流程……………………………………………11
第四章电气系统硬件设计……………………………………………………12
第一节气动回路的设计…………………………………………………12
第二节步进电机和驱动器………………………………………………14
一、步进电机…………………………………………………………14
二、驱动器……………………………………………………………15
第三节断路器……………………………………………………………17
第四节开关电源…………………………………………………………17
第五节接近开关…………………………………………………………18
第六节压力开关…………………………………………………………18
第七节热继电器…………………………………………………………19
第八节电流传感器………………………………………………………19
第五章PLC控制设计……………………………………………………………19
第一节选用可编程控制器的优点………………………………………20
第2节PLC的整体结构和工作原理………………………………………20
第3节工作过程和控制原理……………………………………………21
第四节PLC的选型………………………………………………………23
第六章PLC编程………………………………………………………………25
第一节可编程控制器的编程语言……………………………………25
一、梯形图编程………………………………………………………25
二、指令语句编程……………………………………………………26
三、三菱FX1N系列PLC的编程元件及编号…………………………27
第2节焊机软件设计…………………………………………………28
一、关于编程计算……………………………………………………28
二、梯形图……………………………………………………………29
第七章结束语…………………………………………………………………31
第八章致敬……………………………………………………………………32
第九章参考文献………………………………………………………………33
第一章绪论
第一节本课题的研究目的及意义
在现代制造业中，焊接技术起着十分重要的作用，无论是在钢铁、车辆、航空航天、石化设备、机床、桥梁等行业，还是在电机电器、微电子产品、家用电器等行业，焊接技术都是一种基本的、甚至是关键性或主导性的生产技术。
近二十年来，随着数字化、自动化、计数机技术、机械设计技术的发展，以及人们对产品的质量要求的提高，焊接质量、美观度等得到了更大的重视。
特别是在08年金融危机以后，随着我国劳动成本的增加，以及对工人的身体健康的重视和对提高生产效率的要求，所以，在现代工业生产中，越来越多的焊接生产过程中开始采用自动焊接专机。
自动焊接专机（AutomaticweldingSpecialequipment）是为特定的工件和一定形状的焊接接头而专门设计的焊接自动化设备。
可以通过电气控制，气动控制和液压控制技术，实现对电动机、气动执行元件、液压执行元件的旋转或移动，实现工件焊缝与焊枪的相对运动，从而自动完成焊接接头的焊接工作。
以自动焊接专机为代表的自动控制焊接是一种高效焊接方法，由于整个焊接过程由焊接专机自动完成，工人只需装卸焊件（一些自动化高的自动焊接专机还有自动装卸功能），避免了人工焊接存在的焊接质量良莠不齐，焊接效率相对低下的问题。
总所周知，焊接工种是有害工种，长期从事焊接工作对工人健康不利，而使用自动焊接专机能大大降低焊接工作对工人的影响，降低工人的劳动强度。
基于以上优点，自动焊接专机获得较强的市场竞争能力，带来巨大的社会效益和经济效益。
由于现有某些零件加工企业中的自动焊接专机存在质量与效率问题，这些企业有改进意愿又缺少相应的设计指导理论，所以对其进行研究改进是非常有意义的。
现有的部分自动焊接专业采用的电气控制方式与机械结构还有很大的改进空间，例如采用PLC（可编程控制器）等更加高级的电气控制方式，采用步进电机、脉冲编码器等能实现高精度控制的部件应该能大大提高焊接的质量与效率。
这也是本课题的主要研究方向。
第二节本课题研究的基本内容
本系统研究的主要内容：
1）设计电气硬件图；元器件布置图，接线图；控制流程图；
2）PLC梯形图，软件设计；
3）设计气压传动回路及控制流程；
4）选择合适的电气元件；
第二章CO
保护焊接技术
第一节CO
焊接的基本原理
CO
电弧焊接是利用CO
作为保护气体的气体保护电弧焊。
CO
电弧焊原理如图2-1所示，图中给出了CO
焊接所需要的焊接设备和焊接材料。
与其他的气体保护电弧焊一样，焊接设备主要由焊枪、送丝机构和平特性直流代能源组成。
焊接材料主要由焊丝和CO
气体组成。
图2-1CO
气体保护电弧焊原理示意图
1-直流焊机2-送丝机构3-焊枪4-焊丝盘5-CO
气瓶6-工件
当焊丝与工件短路引燃电弧后，电弧几周围区域得到CO
气体保护，避免了熔滴和熔池金属被空气氧化和氮化。
同时，在电弧高温下CO
气体发生分解：
CO
=CO+
-Q
分解产物的体积比分解前增加了一半，这有利于增强保护效果：
另一方面，分解反应是吸热反应，对电弧产生强烈的冷却作用，引起弧柱收缩，使电弧热量集中，焊丝的熔化率高，母材的熔透度大，焊接速度快，能够显著的提高焊接效率。
CO
保护电弧时，根据焊丝直径和焊接参数的不同，溶滴过渡形式也不同。
（1）细丝（焊丝直径为1.2mm）一般以小电流、低电弧电压的短路过渡进行焊接。
这时焊丝端部的溶滴以熔池短路接触的形式向熔池过渡。
（2）中丝（焊丝直径为1.6-2.4mm）大都采用较大电流和较高电压进行焊接，熔池过渡呈现细滴排斥过渡，甚至射滴过渡。
这是一种自由过渡形式。
（3）粗丝（焊丝直径为2.4-5mm）常采用大电流和较低电压进行焊接。
这时电弧基本上潜入熔池凹坑内，溶滴呈射滴过渡，甚至射流过渡。
第二节CO
电弧焊接的优点
由于采用CO
作为焊接保护气体，该方法有以下优点：
1）生产效率高和节省能量。
由于该焊接电流密度较大，通常为100-300A/mm
因此，电弧能量集中，焊丝的熔化效率高，母材的熔透深度大，焊接速度快，电弧能量集中，焊丝的熔化效率较高，母材的熔透深度大，焊接速度快，同时，焊接后不需要清渣，是一种高效节能的焊接方法。
生产率可比焊条电弧高1-3倍。
2）焊接成本低。
由于CO
气体和焊丝价格便宜，对于焊前的准备要求不高，焊后清理和校正工时少：
同时，避免了焊条电弧焊中频繁更换焊条的缺点。
CO
电弧焊接的成本只有焊条电弧焊的40%-50%。
3）焊接变形小。
由于电弧热量集中，热输入低和CO
气体具有较强的冷却作用，使焊接工件受热面积小，变形小。
特别是焊接薄板时,CO
焊接变形比其他焊接方法时的变形小。
4）对油和锈的敏感性很低。
5）由于保护气体的氧化性，焊缝中含氢量少，提高了焊接低合金高强度钢抗裂纹的能力。
6）当CO
电弧焊采用短路过渡形式时，可用于立焊、仰焊和全位置焊接。
7）电弧可见性好有利于观察，使焊丝对准焊缝位置。
尤其是在半自动焊时可以较容易地实现短焊缝和曲线焊缝工作。
8）操作简单，容易掌握。
第三节CO
焊接参数的选择
CO
电弧焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属。
在电弧焊接时，由于熔池表面没有熔渣覆盖，CO
气流又有较强的冷却作用，因而熔池金属凝固的较快，但其中气体来不及逸出时，就容易在焊缝中产生气孔。
可能产生的气孔主要有3种：
一氧化碳气孔、氢气孔、氮气孔。
在我国普遍采用H08Mn2SiA焊丝来焊接低碳钢和低合金钢，此焊丝含碳量低，而且有足够的Mn和Si,出去脱氧作用外，剩余部分留在焊缝中，提高了焊缝的力学性能和抗裂性能。
工件壁厚小于3mm，属于薄壁板，焊丝直径
1.2mm，一般以短路过渡进行焊接。
其特点是电压低、电流小，适合于焊接薄板以及进行全位置焊接。
焊接薄
板时，生产效率高、变形小。
而且操作上容易掌握，对焊工技术水平要求不高。
此外由于焊接参数小，焊接过程光辐射、热辐射和烟尘辐射等都比较小。
CO
焊接薄板时，应保证焊缝成形和不烧穿。
显然应减少焊接电流。
为保证小电流的焊接稳定，往往采用细焊丝。
在这种情况下，如果选用较高的电弧电压，必然获得大滴过渡，由于焊丝端头的大溶滴不断摇摆和电弧斑点的跳动，而使得电弧不稳定和引起焊缝成形不良。
为克服这一现象，常对电弧电压降低。
直到行程稳定的短路过渡。
短路——燃弧过程交替变换，燃弧阶段电弧热直接加热焊丝与母材，而短路阶段只在焊丝伸出部分因导电而产生电阻热。
可见，在短路焊接过渡焊时，对母材及焊丝的加热过程都有周期性的特点。
这就保证了薄板材料在燃弧电流时加热熔化，而在短路时熔池凝固，得到较小的熔深，有利于薄板焊接。
表2-1是3种不同直径焊丝的短路过度焊接参数，此时的飞溅最小，焊接过程稳定。
考虑到焊接效率和焊接电缆的长度等因素，实际的焊接电流范围均比表2-1所示的要大一些。
表2-1不同直径焊丝典型的短路过渡焊接参数
焊丝直径/mm
0.8
1.2
1.6
电弧电压/V
18
19
20
焊接电流/A
100
110
120
135
140
180
焊接速度对焊缝内部与外观的质量都有重要影响。
当焊接速度增加时，将焊缝熔宽，熔深和堆积高度都相应降低。
当焊接速度过快时，会使气体保护的作用受到破坏，易使焊缝产生气孔。
同时焊缝的冷却速度也会相应提高，因而降低了焊缝金属的塑性的韧性，并会使焊缝中间出现一条棱，造成成形不良。
当焊接速度过慢时，熔池变大，焊缝变宽，易因过热造成焊缝金属组织粗大或烧穿。
因此焊接速度应根据焊缝内部与外观的质量选择。
气体流量大小取决于接头型式板厚、焊接规范及作业条件等因素。
通常细丝焊接时气流量为5-15 L/min，粗丝焊接时为20-25 L/min。
焊丝伸长度。
合适的焊丝伸出长度应为焊丝直径的10-20倍。
焊接过程中，尽量保持在10-20㎜范围内，伸出长度过大时，容易发生过热而成段熔断，飞溅较大、焊缝成形恶化，焊接过程不稳定，难以操作。
同时，焊丝伸出长度较大时，喷嘴母材之间的距离较大，因此气体保护效果差，甚至可能产生气孔。
相反，焊丝伸出长度减小时，焊接电流增加，弧长略变短，熔深变大，焊接飞溅金属大量粘附到喷嘴内壁。
同时，还妨碍观察电弧，影响焊工操作。
当伸出长度过小时，容易使导电管过热而夹住焊丝，甚至烧毁导电嘴，使焊接过程不能正常进行。
由工件厚度：
1-3mm查《焊接工艺手册》焊丝直径：
1.2mm焊接电流：
120
135A焊速：
20-30m/h电弧电压：
19-23V气体流量：
6-12L/min
选择焊机：
E200气体保护焊机
输入电压：
380V空载电压：
17-31V工作电压：
16-24V
额定电流：
130A工作电流：
30-200A焊丝直径：
0.8-1.2mm送丝速度：
1.5-12.5m/min送丝方式：
推丝
第四节CO
焊接的起弧和收弧
在自动焊时，喷嘴——母体之间的距离不好控制，这个距离过大，则气体保护效果恶化。
当焊丝以一定速度冲向母材时，往往把焊枪顶起，结果使焊枪远离母材，从而破坏了正常保护。
起弧时切忌在焊丝和工件接触时按下焊枪按钮。
在这种情况下起弧，往往造成很大的飞溅，并可使导电嘴堵塞，结果使焊丝和导电嘴粘在一起，还可能出现返烧，甚至烧毁导电嘴。
起弧之前应该在焊丝端头与工件表面之间保持一定距离的情况小按焊枪按钮。
起弧处由于工件的温度较低，所以，熔深较浅。
另外，由于焊接过程不稳定，容易产生缺陷。
为防止这种缺陷的影响，要求在工件旋转180度后，继续旋转一定角度，多焊接2-5mm。
补偿起弧那段时间的焊接缺陷。
二氧化碳焊接引弧的状态如图2-2所示。
起动后，焊丝送进并逐渐接近母材，一旦与母材接触，电源将提供较大的短路电源，利用在A点附近的焊丝爆断，进行引弧。
如果在B点爆断，由于AB的距离超过电弧可能保持的最大弧长，则电弧立即熄灭，引弧失败。
所以在A点爆断是引弧成功的必要条件。
图2-2接触引弧时的状态
当焊接电流较大时，在焊道结束的部位总要产生凹坑，称为火口。
则焊缝的几何形状不良和影响焊接强度外，还极易产生裂纹和气孔等缺陷，所以必须填满火口。
另外，还要避免焊丝与工件粘合或者焊丝与导电嘴粘合等。
还需要收弧。
一般都以短路过渡形式填充火口。
为了防止焊丝与工件粘合，应该先停丝，利用送丝机的惯性减速送进，焊接电源延时大约0.3S（这时电源电压可以称为火口填充电压，还可以进一步降低，以便去掉焊丝端头球滴）
查《焊接工艺手册》确定引弧时控制开关接通0.3s,收弧时控制开关接通0.3s。
第三章旋压轮焊接机设计
第一节自动焊机主要的组成部分
1）焊接装置：
焊接设备的主要组成部分。
2）气源装置：
为入枪气缸和压紧气缸提供气源。
3）焊枪伸出机构：
带动焊枪对工件焊接。
4）工件旋转与压紧机构：
夹紧工件时旋转工件，圆周焊接。
5）电气控制柜：
对设备状态操作和监控。
6）门装置：
焊接时防止吹风影响焊接效果及焊接的安全性。
7）设备支架：
各种配件的载体。
第二节控制对象
主要的控制对象有：
一台步进电机；四个电磁换向阀；外接一台松丝焊接机器。
控制要求：
1）利用开关信号和PLC控制电磁换向阀，实现对气缸的顺序控制，从而实现工件的定位夹紧。
2）通过行程开关和PLC控制步进电机的驱动器及焊枪，实现工件的焊接过程。
第三节电气控制方式的要求
根据客户所需，该焊接设备电气系统主要有以下5点要求：
1）气压传动方式：
工件的夹紧和焊枪的进给都采用气压传动。
2）无级调速:
调节带动工件旋转的电动机速度，保证焊接工艺的要求。
3）自动焊接工作方式：
自动焊接时，工作流程如图纸所示。
4）可视化操作：
能方便的对焊接设备进行操作和监控。
5）运行稳定可靠：
故障率低，维修方便。
在以下章节中将对各种要求的解决方案和主要元件以及软件的设计做相应的介绍。
第四节自动焊机的控制流程
控制过程：
按下启动按钮SB2,气泵运转，气瓶充气，待压力稳定到0.8MPa后，按下SB4,二氧化碳焊机接通电源，指示灯亮（调节焊机的送丝速度和电流的大小）。
按下按钮SB5，单控二位三通电磁换向阀YA1得电，气动回路主阀开关接通，气动回路通气，等待各气缸复位（复位没有严格要求，只要便于安装工件即可）放好工件。
按下按钮SB6，单控二位五通电磁换向阀YA2得电，定位缸伸出，接近开关SQ1接通，电磁换向阀YA3得电，夹紧缸伸出，夹紧工件后回路压力升高，当压力上升到压力开关SP1的调整压力时，单控二位五通电磁换向阀YA4得电,带动双焊枪的气缸同时伸出，在两气缸行程端部有接近开关SQ2、SQ3。
当接近开关的指示灯都亮起时，发出信号，同时PLC的定时器T1开始计时，时间设定为10s,等待时间到，KM3通电焊枪起弧，同时PLC发送47000个脉冲给步进电机驱动器，步进电机旋转。
PLC定时器T201计时，计时到0.3S时,KM3断电，流过焊丝的电流转化为正常的焊接电流，PLC内特殊功能继电器M8029在脉冲发送结束后，KM3通电，焊枪收弧，同时计时器计时，时间设定为0.3S，时间到，KM3断电，停止焊接，等待15S后，YA2、YA4失电，定位缸复位，焊枪伸出缸复位。
步进电机反转，回到原点。
YA3失电，松开焊件，取走工件放好下一个毛胚，继续加工。
第四章电气系统硬件设计
针对系统电气方面提出的各种要求，这里主要介绍对于系统要求解决的方案，和部分电路的设计。
第一节气动回路的设计
工件在焊接时，需要采用夹紧装置夹紧才能焊接，同时入枪也需要上下伸缩。
这里采用气压传动，而不采用液压传动，因为和液压传动相比气压传动有以下优点：
1）气压传动的工作介子为空气，空气可以从大气中取之不尽，将用过后的气体排入大气，排气方便，不会污染空气；
2）宜于远距离传动和控制。
由于空气的黏性很小，在管路中传动的阻力损失远远小于液压传动系统，因此与液压传动相比气压传动更宜于远距离传动和控制；
3）使用维护方便。
由于气压传动工作压力低，元件的材料性能和制造精度低，结构简单，因此价格较低。
同时维护简单，使用安全；
4）传动与控制响应快；
5）适应工作环境能力强。
气动元件可以根据不同场合，选用相应材料，使元件能够在恶劣的环境下（易燃、易爆、强磁、粉尘、强震动、强腐蚀等）进行正常工作。
气压传动由气源装置、气动辅件、气动执行元件、气动控制阀、气动逻辑元件、气动仪表组成。
驱动工作的动力是由气源装置提供的，气源装置的主体式空气压缩机，由于空气压缩机产生的压缩空气所含的杂质比较多，因而不能直接提供给设备，因此一般气源装置还包括空气净化装置，同时设备使用时一般也使用空气净化装置进一步净化压缩空气。
该焊机工作时需要有两个焊枪的分别进给，和工件的压紧，考虑到减小工人劳动强度和提高生产效率，采用PLC控制电磁换向阀来实现顺序动作，动作准确可靠，控制精度高。
下图4-1所示的气动原理图就可以实现该功能。
图4-1
系统中有主要用到的控制元件有：
（1）单控两位五通电磁阀（YA2YA3YA4）,单控二位3通电磁换向阀（YA1）
（2）双作用式普通气缸
（3）气动三联件
电磁阀动作顺序表4-1
动作
YA1
YA2
YA3
YA4
初始状态
-
-
-
-
复位
+
-
-
-
定位
+
+
-
-
夹紧轮盘
+
+
+
-
焊枪伸出
+
+
+
+
焊枪缩回
+
-
+
-
松开工件
+
-
-
-
根据气缸工作气压和电路的布置选取24V的直流电磁换向阀比较合适，具体可选型号如下表4-2
表4-2
选择4v210-06DC24v比较合适。
第二节步进电机及驱动器
一、步进电机的选择
在焊接过程中，要求工件旋转，因为采用双焊枪焊接，且焊接收尾处要超出2-3cm，所以要控制工件旋转180+X度（X的大小根据轴套具体的直径而设定），步进电机控制方便精度也高。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
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（即步进角）。
您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；同时您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。
参照其他专用机器的传动选用三相混合式FHB31115型步进电机比较合适具体参数如下图4-2，采用三相三拍的工作方式：
A-B-C.步距角为1.2度。
图4-2
二、步进电机驱动器的选择
根据选用的步进电机已经给出相应的适配驱动器，如图2-2所示选择HBQ30722A，该驱动器的接线示意图如图4-3所示，具体的实际接线将在电路图做具体描绘。
图4-3
第三节断路器
根据新华电器集团有限公司产品选型资料，选择型号为：
C65N3PD50A施耐德小型低压断路器2台规格3P
额定电流50A灭弧方式:
真空断路器
NSE160N4P160施耐德电路总断路器1台规格4P
额定电流160A灭弧方式:
真空断路器
施耐德系列断路器，适用于交流50Hz或60Hz,
额定电压单相220V，三相380V及以下额定电流1-63A
的电路中，具有漏电、过载、短路等保护功能。
当有
人触电或电路泄漏超过规定值时，漏电断路器能在0.1s
内自动断开电源保障人身安全和防止设备损失。
本产品体积小、重量轻、部件通用性强，外型美观，导轨
安装，使用方便。
本产品适用于工业、商业、高层建筑和民用
住宅等各种场所，产品符合GB6829-95、IEC898-95、IEC755标准。
第四节开关电源
选择型号：
S82H-3324（欧姆龙）数量：
1个容量：
150W；
输入电压：
220V；输出电压/电流：
24V/1.3A
特点：
•全面采用高温电解电容，确保系统
长寿命高可靠性。
•能量分散系统设计，印刷线路板受。
外部压力降低到极限。
•采用高级环氧线路板，强度、耐湿性高。
•接线端子台吸能构造，撞击保护等级高。
第五节接近开关C节、位置A1_____________________________________________________________________________________________________________________
型号：
SMTSO-8-K-LED-24-150855数量：
3个
输如电压：
DC24V输出电流能达100mA
焊接屏蔽式行程开关与电感式行程开关SMT工作方
式相同，但他有一个特点，当行程开关检测到变磁场
时，开关信号会被冻结这防止了焊接操作期间，不正
确的开关动作，SMTSO行程开关用于焊接机械，焊接
操作会产生高强度的变换磁场。
对普通接近开关的干
扰很大，会发生错误动作。
所以此类型的接近开关是
最佳选择。
特点：
•种类丰富,可根据条件选择最佳型号。
•带有LED指示灯，可以显示开关状态。
•耐热，焊接屏蔽，耐腐蚀。
•不受周围金属的影响。
第六节压力开关
型号：
SNS-120数量：
1个
输入电压：
DC24V
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