张岩岩 说明书.docx
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张岩岩说明书
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本科毕业设计说明书
题目：
钢制轮毂圈焊专机设计
院（部）：
机电工程学院
专业：
机械工程及自动化
班级：
机械091
姓名：
张岩岩
学号：
2009071125
指导教师：
范文利
完成日期：
2013年6月12日
目录
摘要III
ABSTRACTIV
1前言1
1.1焊接自动化的概念与现状1
1.2焊接自动化的发展趋势2
1.3课题研究的目的与意义3
1.4课题关键问题及难点4
1.5钢制轮毂的焊接设备及工艺........................................................4
2钢制轮毂圈焊专机的简介6
2.1专机的总体设计方案6
2.2本设计方案的优点7
3机械部分设计7
3.1机械部分总体方案简述7
3.2主机架的设计9
3.3工件定位机构和主轴旋转机构的设计9
3.4焊枪提升及三维微调机构的设计10
3.5电机及减速机的选择11
3.5.1电机的选择11
3.5.2减速机的选择12
3.6气缸的选择12
3.7机械结构的校核与计算13
3.7.1轴的校核与计算13
3.7.2工作台转动中的轴承的校核与选用14
4控制系统的设计16
4.1控制系统的总体设计方案16
4.2操控系统的工作原理16
4.3焊接设备的选用18
5结论20
谢辞21
参考文献22
摘要
本文论述了钢制轮毂圈焊专机的设计过程。
自动焊接机采用具有自动控制，能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表，按规定的程序或指令自动进行作业。
实验表明使用该自动焊接机焊接焊接质量提高，焊工的劳动强度降低，生产效率比手工电弧焊提高4-6倍。
本文介绍了一种采用PLC工业微处理器来控制的钢制轮毂自动焊接设备，着重于其工业原理及软硬件设计的构成。
采用该焊接设备可以满足钢制轮毂分段不同及焊缝长短不同的要求。
本文主要论述了该设备的机械结构设计和部分电气控制系统设计。
其机械部分由运动主轴系统和焊枪摆动提升系统、及工作台的旋转系统组成；控制系统由PLC和触摸屏组成，通过控制伺服电机、步进电机等各执行元件来实现焊接过程的控制。
关键词：
轮毂圈焊专机；PLC；自动控制
AutomaticWeldingmachineforsteelrimofwheel
—workpiececlampingandspindlesystem
ABSTRACT
Thisarticlediscussestheautomaticweldingmachineforsteelrimofwheeldesignprocess.Theexperimentshowthatwhenusingtheexperimentweldingqualityishighlyimproved,physicallaborofthewelderisgreatlydecreased,andtheworkefficencyisincreasedby4to6timesmorethanmanualmetalarewelding.
ThisarticlepresentsanautomativeweldingequipmentantrolledbyPLCindustrymicro-processors,ofwhichtheworkingprincipleandthedesignconstructionofsoftwareandhardwarearethekeypoints.Thisequipmentcanmeettherequirmentofdifferentdiviscionsofsteelrimofwheelandifferentdimensionofseam.Itsmechanicalpartsfromtoolingpositioningsystem,rotatingspindlesystemandupgradetorchswingsystem,thecenterracksystemsandcomponents;controlsystembythePLCandtouch-screencomposition,bycontrollingtheservomotor,steppermotor,GeneralMotorsandthecylinder,Andothercomponentstoachievetheimplementationoftheweldingprocesscontrol.
KeyWords:
wheelinrimweldingmachines；PLC；automaticcontrol
1前言
焊接自动化是实现我国装备制造业由大到强转变的基石，是装备制造业由粗放型、作坊式的经营模式向高技术、集约型转变的重要标志。
通过焊接自动化工艺技术装备，可以提高焊接加工效率和质量、降低能源和材料消耗、节约成本、减轻工人的劳动强度、改善作业环境，从而对提高企业核心竞争力，实现可持续性发展具有重要意义。
焊接自动化装备的技术水平是国家科技水平的重要体现，直接决定了国家重大核心装备的技术水平。
目前，我国焊接自动化装备制造企业已经可按客户的不同需求，设计、制造、集成各种类型的专用焊接自动化装备，并大量采用计算机控制技术。
部分焊接自动化装备还配备了焊缝自动跟踪系统和图像监控系统，确保了焊接过程中的焊接质量。
1.1焊接自动化的概念与现状
焊接自动化行业属于新兴行业，目前处于初级发展阶段。
虽然自二十世纪九十年代以来，随着社会主义市场经济的进一步成熟，我国焊接行业有了长足发展，但焊接自动化作为一个新兴行业尚处于起步阶段，目前我国仍以传统手工焊为主，根据中国行业咨询网数据显示，焊接自动化率仅为30%左右，同发达工业国家的80%存在较大差距，未来发展潜力巨大，前景广阔。
焊接自动化有两方面的含义：
一是焊接工序的自动化，二是焊接生产的自动化。
焊接生产自动化是指焊接产品的生产过程，包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的焊接生产过程的自动化。
只有实现了焊接生产全过程的自动化，才能得到稳定的焊接质量和均衡的焊接生产节奏以及较高的焊接生产率。
而单一的焊接工序的自动化是焊接生产自动化的基础。
仅就焊接工序自动化来说，就要考虑到焊接过程及焊接装备的自动控制问题。
关于焊接过程和焊接装备的自动化控制又包含许多内容，如焊接程序的自动控制、焊接参数的自动控制、焊接胎夹具的自动控制、自动上下料等。
然而，焊接工序自动化的最基本问题是应用自动焊机和焊接机械装备构成焊接自动化系统，通过焊接程序的自动控制，完成工件的自动焊接。
在当今世界工业技术突飞猛进的时候，自动化程度的高低往往决定了工业技术的发展水平。
而焊接作为与新兴学科发展紧密相关的综合性的工艺技术、制造业中最重要的工艺技术之一，其自动化技术涉及材料、机械、电子、信息、控制等多学科交叉领域，生产过程是包括从备料、切割、装配、焊接、检验等工序组成的一个焊接产品生产全过程的自动化，只有实现这一过程的机械化和自动化才能得到稳定的焊接产品质量和均衡的生产节奏。
因此焊接自动化的发展必然带来整个制造业生产效率的提高，其综合应用的分析和研究，对促进现代科技体系的发展，具有一定的理论意义和实际意义。
众所周知，利用先进工艺和与之相配套的设备可以大幅度地提高产品质量，提高生产效率。
世界各国及国内以焊接为主导的生产厂（如锅炉、桥梁、重型及工程机械行业）一直在积极地采用国际先进的焊接工艺和设备。
利用这些先进的工艺和设备提高了焊接质量，降低了焊接成本，改善了工人的劳动条件。
目前由于市场激烈，为了提高生产率，使工艺合理化及降低成本就显得十分重要。
目前，许多生产制造业纷纷采用先进的生产设备和先进的生产方法来大幅提高生产效率和降低制造成本。
低成本焊接已成为焊接行业发展的一种趋势。
它明显区别于传统的手工电弧焊和先进的焊接机器人及柔性焊接系统（FWS），而采用优质，高效，节能的焊接技术，且焊接设备投资不大，利用率较高，投资回收期较短。
焊接过程中焊丝自动送进或配备自动行走等机构，在焊接质量，生产效率，降低焊材消耗，节约能源等方面均有明显的经济效益。
20世纪初电弧应用于焊接产生了电弧焊，在造船、汽车、桥梁、航空航天等工业，创造出了许多大型焊接结构，使焊接成为一种重要的连接技术。
20世纪中期，电子束、等离子弧、激光束相继问世，高能束连接技术应运而生，其应用如航空发动机的电子束焊接，立即创造出了明显的经济和社会效益。
焊接制造工艺由于其工艺的复杂性，以及对劳动强度、产品质量、批量等要求，使得焊接工艺对于机械化、自动化、智能化的要求极为迫切。
目前电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展为焊接过程的自动化与智能化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中，近20年来，在自动焊接技术方面已取得许多研究与应用成果。
1.2焊接自动化的发展趋势
信息技术、计算机技术、自动控制技术的发展和应用，正在彻底改变传统焊接的面貌，焊接生产过程的自动化已经成为一种迫切的需要，它不仅可以大大提高生产率，更重要的是可以确保焊接质量，改善操作环境。
自动化焊接专机、机器人工作站、生产线和柔性制造系统在工程中的应用已经成为一种不可阻挡的趋势。
在汽车、造船、工程机械和航空航天等领域，广泛地应用适用于不同场合的智能化焊接机器人，大幅度提高焊接质量和生产效率。
船舶工业的高效率焊接要达到80%以上，二氧化碳焊接应用率达到55%，焊接机械化率、自动化率要达到70%。
成套、专用焊接设备的应用领域将会越来越广阔。
今后一个时期，我国成套焊接设备制造企业不但要在提高技术、设计水平上做出努力，还要在企业质量管理、各种基础件、配套件的选用方面下功夫，力争在专用、成套焊接设备方面取得新的突破。
焊接产业的发展趋势为发展高效、自动化、智能型、环保型的焊接，并适应21世纪新型工程材料发展趋势的焊接工艺、设备和耗材。
达到这一要求，还需进行艰苦的努力，急需解决诸多问题。
我国在创新性研究方面与发达国家相比相差很远，而较多的是跟踪性研究。
焊接产业要实现可持续发展，要大力加强有关工艺理论和技术的研究，尤其是创新性研究，发展有中国自主知识产权的产品，提高企业的核心竞争力。
国产产品的品质已经接近国际先进水平，但在细节上仍然有一定的差距。
目前在高端产品市场，基本是进口产品的天下，国产产品只能在低端市场与进口产品竞争，产品质量的不稳定是其主要因素。
产品构成不合理也是目前行业存在的一个大问题。
虽然近两年，国内产品结构有了变化，但通用产品的生产企业大部分仍然在中低水平徘徊。
产品是以仿制为主，结构和技术含量大同小异，性能和质量水平相近。
特种产品基本上不能批量生产或在品质上相差很远。
因此，国内企业必须进一步提高产品品质，完善产品系列，才能更有效的提高企业核心竞争力，打入国际市场。
我国自动化焊接技术及设备将以前所未有的速度快速发展。
三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工程有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展与进步。
汽车及零部件的制造对焊接的自动化程度要求也日新月异。
预计未来10年内，我国自动化焊接技术及其设备将以前所未有的速度快速发展。
1.3课题研究的目的与意义
随着现代工业的飞速发展，机械制造业也不断对焊接技术提出了更高更新的要求，而现代工业和科学技术的新成就又为焊接方法和焊接专用设备的发展提供了宽广和雄厚的技术基础，因而焊接工艺和焊接设备就是在现代工业和科学技术的推动下相辅相成的蓬勃的发展起来的，随着国内汽车工业与焊接产业相结合，使两者都得到了较快的发展，同时也极大地促进了焊接技术自身的发展，现代焊接技术是机械制造业中一种毕要的金属加工工艺方法，在汽车制造业中得到广泛应用，比如汽车的发动机、车桥、车架、车身，车轮轮毂等几大部分都离不开焊接技术的应用。
然而随着汽车行业的蓬勃发展，人们对钢制轮毂的焊接技术有了更新更高的要求，传统的轮毂人工焊接已不能满足汽车行业对其的发展需求，而且人工焊接存在很多不足：
1,、焊接效率低，质量差；2焊缝均匀性差、人工成本高；3、焊缝接头多变形大，缺陷多切安全性不高等许多问题。
因此面对轮毂的焊接种种问题，就需要钢制轮毂焊接专机来代替传统的人工焊接。
本次对钢制轮毂圈焊专机设计这一课题的选择，就在于更好的进一步去探讨、研究、设计钢制轮毂焊接技术的改进空间和提高效率的有效方法，并且达到设计的轮毂圈焊转机对轮毂不同焊点的焊接要求。
希望在通过这次毕业设计后，对钢制轮毂焊接专机有了更好的了解，同时也能对轮毂焊接技术能有新的认识，也希望在写毕业论文的过程中通过不断地查资料，不断学习中对本专业有更好的了解，为以后的学习和工作打下一定的知识基础。
载重汽车底盘加长变截面梁自动焊接专机的目的是实现对变截面梁的自动焊接，由于载重汽车底盘加长变截面梁是载重汽车上很重要的一个零件，且变截面梁所在的平面是受力面，其受力强度较大，因此对焊缝的质量要求很高。
由要求可知本课题中的工件所需焊接的焊缝都比较大，需要多层焊接才能焊接完成，焊接工作量很大。
传统的环缝焊接方法是由焊接工人手工进行焊接，其焊接难度较大，对焊接工人的技术水平要求高，而且焊接质量难以达到满意的效果，焊接一个工件耗时很长，严重的影响了生产效率，另外手工焊接的工作环境很差：
烟尘多、热辐射大、危险性高，这对焊接工人的身体健康有一定的损害。
1.4课题关键问题及难点
设计的轮毂圈焊专机除了要满足上述的参数要求的同时，还要能够焊接不同型号的钢圈，做到一机多用，做到确实能够缩短施工周期，降低焊工的劳动强度，减少焊工人数，而且要求焊接质量不受焊工自身因素影响，还有就是要保证设计的轮毂圈焊专机的安全性。
我觉得本次设计的难点是:
（1）对定位胎盘角度、焊枪摆动、提升装置的设计，因为根据轮毂不同的焊接部位，要能够使焊接变换不同的焊接角度和速度，而且还要保证焊缝美观、强度，以及生产效率;
（2）再有就是对焊机的选择、步进电机的选择、传动控制的设计、PLC控制系统的设计等都是课题设计的重点。
1.5钢制轮毂的焊接设备及工艺
下图1.5为钢制轮毂的焊缝示意图，共有六段环形焊缝，其中有4条轮毂内焊缝，2条轮毂外焊缝，因此需要通过一把焊枪两次成形，人工上料→预设好焊接参数（包括焊接速度、气体流量、焊接电流、焊接电压、引弧时间、引弧驻留时间、收弧时间等参数）→焊枪落下（调整焊枪高度，焊丝干伸长伸出大喷嘴参考高度为焊丝直径的10～12倍）→按“焊接启动”按钮，高电压，慢送丝引弧→所设引弧驻留时间到后（1-2s），工件开始旋转→焊接长度到预设数值后，工件停转，程序控制焊接电源自动切换到收弧规范（即小电流，低电压收弧）→滞后停送CO2保护气→焊枪升起→人工翻转工件→重复前述过程→人工下料。
在装夹好工件，焊枪落下的情况下，可通过手动调整焊枪（左右、上下、前后），直至焊枪对正焊缝。
但在实际工作中一般都使焊枪处于有一定下坡量的位置，因为这样更有利于焊缝的成形。
N焊接使用ZC3-500型CO2保护自动焊接机，采用松下KRⅡ-500型CO2/MAG焊接电源，焊接工艺参数选择：
（1）定位胎盘角度：
0～120度可调；
（2）装夹时间少于8s；3）焊接速度：
300-1200mm/min（4）输入电压：
相交流380V 50HZ（5）焊接电流:
60～500A；（6）电机功率：
0.55Kw；（7）变频器功率：
0.75Kw；（8）CO2耗量：
15～30L/min。
图1.5钢制轮毂焊缝示意图
2钢制轮毂圈焊专机的简介
2.1专机的总体设计方案
图2.1钢制轮毂专机总体方案的效果图
本课题是进行钢制轮毂自动焊接专机的设计工作，该钢制轮毂圈焊专机大体包括机架、焊枪、底座转盘、连接底座转盘和机架的倾斜角度调整机构以及设在底座转盘之上的能够夹紧轮毂的轮毂夹紧机构，以及连接焊枪和机架的三向调整机构由于工件体积重量都较大，因此采用工件固定，只是通过底座转盘绕自身转动的方式和倾斜角度的调整机构来调整轮毂的位置，焊枪运动的工作方式，焊接时将工件装夹在固定机构上；通过控制气缸来对焊枪位置进行定位，以确保焊枪与轮毂焊缝高精度重合；焊枪运动机构可通过焊枪微调装置对焊枪位置调整，并可以实现焊接过程中焊枪的位置移动。
专机控制系统由工业PC机和变频调速器来实现车轮环缝的自动焊接。
专机的工作过程为：
将工件装至定位胎具，按“焊接启动”按钮；电磁气阀通电，焊枪落下；检验焊缝起始位置，若焊缝起始位置偏离焊枪，手动调整微调机购至合适位置，焊枪移动，直至焊缝位置对正焊枪，然后焊机按预先设置好的程序和焊接参数进行引弧、焊接、收弧；当焊接完毕，按“焊接停止”按钮，焊枪提升，手工卸料，准备下一焊接循环。
2.2本设计方案的优点
（1）本方案采用工件固定，通过调节焊枪位置的工作方式来实现焊缝焊接，可以简化工装系统的设计。
（2）控制系统使用可编程序控制器为核心，减少了控制系统设计及施工的工作量，使焊接过程的控制更易于实现，并且其可靠性高，抗干扰能力强。
（3）采用变频器及减速电机调速，精度高，实现了焊接速度无级可调，且调节方便可靠，调节范围大，运行稳定可靠。
（4）采用机械定位，定位准确。
更换不同的定位胎盘可焊接不同内孔直径的工件。
（5）定位胎具角度可调，可根据工件需要调整到最佳角度，使工件处于最佳船形焊接位置，且焊枪三维可调。
（6）结构较简单，成本较低，同时可以适应多种焊缝焊接而不改变其结构，通用性较强。
（7）各种工件可方便地通过切换编码开关的数值从而改变不同的工件焊接程序，如常见的满圈焊、有缺口（气门孔）、四分段、五分段、六分段等均可通过程序预置来实现。
从而实现一机多用。
3机械部分设计
3.1机械设计部分总体方案简述
图3.1专机的机械结构总装配图主视图（上）左视图（下）
轮毂圈焊专机的机械部分如图3.1：
主要由主机架、工作台和主轴旋转机构的设计、焊枪提升及二维微调机构的设计、电机及减速机送丝机构及防护装置等组成。
3.2主机架的设计
主机架由机座、机身、直线导轨等组成，主机架结构图如下图3.2。
机身采用钢结构焊接而成，具有足够的强度和刚度。
确保整机结构紧凑，外形美观，运转安全、平稳。
机身前下侧安装电机及减速机、工作台，保持架上安装焊枪进给及调整夹持机构，送丝机构；主机架后侧固定电气控制箱及其它附件。
图3.2主机架结构图
3.3工件定位机构和主轴旋转机构的设计
工作台上安装大转盘、定位胎盘，导电铜套等,旋转机构采用步进电机驱动，旋转速度无级调节，使工件在旋转工作台上作平稳均匀的运动，确保焊接质量，从而达到对轮毂焊缝进行圈焊的目的；而工作台的角度调整则由角度调整机构进行调整，这一机构由手动实现，手动转动手柄，通过链轮的传动带动工作台转动，以此达到对焊枪精准对正焊缝的目的。
更换不同的定位胎盘可焊接不同内孔直径的工件。
图3.3工作台和主轴旋转机构三维图
3.4焊枪提升及三维微调机构的设计
焊枪的提升机构由气动系统实现自动进给，辅以三维手动调整机构。
焊枪提升及微调机构主要由提升机构、焊枪微调装置、焊枪微调及夹持装置等组成。
焊枪的提升机构工作是用气缸推动上下移动箱体带动横梁的上下移动，从而带动焊枪的竖直升降移动；焊枪微调装置是通过手动调节上下、左右方向的微调丝杠螺母对焊枪进行上下、左右的微调；焊枪微调及夹持装置是通过调节焊枪夹持装置上的调节螺母使焊枪在滚珠丝杠上进行前后调节，焊枪提升及二维微调机构的设计的结构图如图3.6所示。
图3.4焊枪提升及三维微调机构的设计的结构图
3.5电机及减速机的选择
3.5.1电机的选择
1.选择电动机的类型和结构形式。
按工作条件和要求，选用一般用途的Y系列三相异步动机，为卧式封闭结构。
2.选择电动机的容量。
工作时所需要的功率Pw为
（3-1）
式中，
代入上式得
电动机所需要的功率为
（3-2）
从电动机到工作的传动总效率
为
（3-3）
经查得
则
选取电动机的额定功率
，查设计手册取
所以工作查阅《机械设计课程设计手册》中三相异步电动机的选择，确定所选电动机的相关参数如表4-1所示：
表4-1电动机参数
电机型号
（YS）
额定功率
/kW
转速
/（r/min）
电流
（A）
额定转矩
（N*m）
级数
Y2-712
0.55
3000
2.01
2.2
4
3.5.2减速机的选择
由电动机的转速3000r/min到大转盘的转速1.5r/min可计算出总的减速比为：
所以选取电动机的减速比为4，而且根据电机和减速机的定位，则选择RV两级方型铝合金蜗轮蜗杆减速器。
图3.5电机减速机机构图
3.6气缸的选择
选择气缸时首先根据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。
由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。
若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。
在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。
本次钢制轮毂圈焊专机的设计中气缸的作用是粗调焊枪的上下移动，气缸所受的压力估算约为500N，工作要求的行程为640mm，因此根据工作要求，选择了SC（SU）63-FB型气缸。
如下图3.6：
图3.5气缸二维示意图
3.7机械结构的校核与计算
3.7.1轴的校核与计算
图3.6轴和工作台的二维图
图3..7为轴的二维视图，两端工作台两端轴的长度为115mm，该轴的最小直径为35mm在设计校核中，将两根轴作为简支梁来分析校核。
对轴进行简单的计算校核，图3.8为导轨的受力简图：
图3.7轴的受力简图
，
；图示位置为在一根轴上的特殊位置，工作台焊接在两根轴的中间，所以两端受弯矩最大，由于本课题设计的材料已知，初步预算的重量M。
则F1=F2=1/4Mg,直径为35mm，材料为45钢的轴能够满足强度跟刚度要求。
所以在本课题中轴的尺寸满足要求。
3.7.2工作台转动中的轴承的校核与选用
轴承径向载荷Fr=2100N,轴向载荷Fa=700N,轴承转速n=1.5r/min，运转时有轻微冲击，预期计算寿命Lh＝5000h
1.求比值
Fa／Fr=700/2100=0.33（3.16）
查表得，深沟球轴承的最大e为0.44,故此时Fa／Fr＜e
2.初步计算当量动载荷P
P=fp（XFr+YFa）（3.17）
查表：
fp=1.0—1.2取fp=1.2
查表：
X=0.56
根据公式3-8求得：
P=2671.2N
3.求静载荷C得
C=
=3420.6N（3.18）
4.按照设计手册选择
1）求相应的轴向载荷对应的e值和Y值
对深沟球轴承f0=1.47,则相对轴向载荷为f0F0/G0=0.37,在表中介于0.172-0.689之间
对应的e值为0.19-0.26,Y值为2.30-1.71
2）用插值法求得
Y=1.71+（2.30-1.71）×（0.26-0.190）/（0.689-0.172）=1.79（3.19）
故 X=0.56Y=
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