毕业设计（论文）-太阳直缝焊接机设计.docx

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1、1课题设计前沿分析1.1 选题背景及意义随着国民经济的高质量发展，铁路、船舶、汽车等大规模交通工具已不能满足现如今日益增长的对于液体、气体的运输任务。目前，世界上工业发达的国家对液体、气体及矿煤等燃料资源都使用的是最为普遍的管道运输。在运送这些不同介质的过程中，对管道中的钢板特性材料的耐腐蚀、耐高温、抗压、耐酸碱等要求是不同的，其中最为严格的运输要求是天然气管道。因为天然气的开采和转运需要压力高环境，气体中含有的硫化氢和氢气等腐蚀气体对钢材产生化学电化学腐蚀，会导致管路有较严重的破坏，因此对运输用的钢管钢板材料的强度、韧性、耐蚀性和焊接性的要求极高。我国对管线运输石油、天然气及其开采和发展非常

2、重视。到1996年底，我国已建成20000多公里的运输管线，其中输气管线占47%,输油管线占45%,成品油管线占8%o在未来高新技术发展中将增加天然气管线的比重，因此为了研究、开发、探讨管线用钢管的生产工艺、装机水平，选择以天然气管道为典型焊接管路研究比较合理。天然气运输的大口径焊接钢管的生产加工工艺基本上可分为二大类别，即螺旋焊管和直缝焊接钢管。螺旋焊接钢管是用板卷为原料，用窄的板宽，调整不同的成型角度，生产出大口径焊接钢管，其焊缝是呈螺旋形的。直缝焊接钢管是用钢板为原料，不同管径对应不同的钢板宽度，用多种成型工艺弯曲成钢管。目前，国内生产的大口径焊接钢管主要是螺旋焊管，钢管的材质大部分是1

3、6Mn钢，相当于API-5LX标准中的X52,管径最大约为720mm。但是对于大口直径螺旋管的焊接技术是不太成熟需要有待大力发展。随着国内外的焊接技术的革新发展和技术突飞猛进，学科知识交叉使得自动控制系统、可编步伐控制器、微处理机和计算机技术等在管路焊接的生产生活中得到广泛应用，焊接方法的自动程序编程以及控制、焊接过程的自动控制，用自动传送装置、制造专用焊接夹具及电气控制部分回路等组成的焊接技术中心和焊接产品自动流水线，这些技术综合且广泛地应用在火车、船舶、核能、电站、锅炉、矿山机械等行业中，为了不断提高焊接的自动化程度。直缝焊接技术也不断与自动控制系统、可编步伐控制器、微处理机和计算机技术逐

4、步结合适应并走向自动化，这样可以得到焊接表面比较清洁以及焊层质地均匀，焊缝达到比较完美的效果。目前国外企业还是通过引进先进技术及相应配套的自动化焊接机器、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接机械化与自动化技术相结合，但是目前国内的直缝自动焊机的发展还不是很完善，还有许多需要改进和自我革新地方，比如国内生产的直缝焊机焊缝易出现夹渣、气孔、裂纹等不符合质量要求的缺陷，开发先进的控制技术，为了提高直缝焊接机的稳定性和抗干扰性能以及得到高质量的焊缝是目前直缝自动焊机迫切需要解决的问题。因而设计一个可以满足目前高标准要求，低成本的比较成熟的直缝自动焊机是很有必要的。1.2 设计内容本次设计的设

5、计一台新型直缝焊接机，本次直缝焊接机焊接的零件主要包括壁厚度为0.8mm-7mm薄壁筒体、圆柱体、薄壁平板以及一端开口或者两端均开口的方形盒体，本次设计主题有机械设计部分包括轴、齿轮、联轴器、电动机、丝杆、滑块、滑轨等零件，在机械部分设计完成的基础上并结合自动控制系统以及软件模拟分析，目的是为了提高直缝焊接机的稳定性和工作时抗干扰性以及为了得到高质量均匀的焊缝。以及利用电气控制和直流电路调速系统为了实现焊接过程的自动化，避免人工焊接产生的气孔、未焊透、未熔合、夹渣、裂纹、热裂纹等严重缺陷，最终极大地提高焊接的生产效率。因此直缝焊机技术在本次设计内容包括机械部分和电气部分两大基本模块，其中机械部

6、分以及电气部分主要内容如下(1)机械设计零件图、总体装配图及配套零部件图：根据个人设计设计多种传动方案选择最佳方案并严格按照机械设计规范和安全实用性能合理设计(2)电气设计部分：相关电器原理图，以及单片机控制程序编程；(3)主要计算内容：X轴，Z轴尺寸选取以及计算，滚珠丝杠的设计计算，导轨滑块及轴承的选择，电动机的型号的选择以及计算，齿轮的选择计算等；(4)设计说明书初步编写，毕业设计资料的初步完善(5)毕业答辩资格审查，导师给予建议以及毕业设计资料的修改和完善(6)毕业答辩，以及答辩后图纸和论文的修改装订和整理具体设计内容：考虑到直缝自动焊机的整体尺寸结构和焊枪头部运动控制系统的设计要求，就

7、要求对其结构和运动控制系统进行设计。因此，本设计的主要内容是:焊接电动机的型号选择，其输出功率、响应频率和焊接特性应当与所采用的焊接工艺方法相匹配吻合，并配备与主控制器连接的接口；焊枪机构的进给移动机构主要包括焊枪接头、焊枪头支撑支架、悬挂式压板等组成，驱动系统是采用步进电机;焊接件沿着XY方向位移机构包括焊接滚轮架、头部尾部转弯链接器、回转平台和位移机等。焊件夹紧构架包括琴键压板托架。系统控制器的设计,主要用于每个副部件的控制,焊接的控制程序编写、设置、调整高度适应尺寸和显示焊接参数,如果遇到突然状况,可以使用运行故障诊断技术和人机对话和其他控制功能。计算机软件设计用于控制焊接设备。在直缝焊

8、接机的控制中常用见到的计算机软件是利用编程软件。本次设计的主要目的：实现油箱钢材底板焊缝的自动焊接，采用先进的单片机控制系统以及人性化的人机互动式界面来实现此目的，本次设计的自动化程度比较高，运动性能稳定可靠。设计实现的方式第一步是大量查阅、收集、整理、提取资料。主要是根据查阅的相关资料以及设计要求的基准环节，运用本科机电相关专业知识以及对国内外直缝自动焊机发展现状前景的情况动态掌握，结合大学本科阶段课程实验安排和生产实习对直缝自动焊接设备的机械结构和运动状态有更深一步了解，对于直缝自动焊机结构与运动控制系统的分模块设计以及整体装配设计，以完成本科毕业的设计要求。2设计参数计算及传动方案2.1

9、 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，根据设计题目要求以及相关的设计参数要求进行时期为一学期的设计。本次设计主要完成设计要求：（1） 用于焊接钢板材料，板层厚度范围为0.8-7.0mm；（2） 焊接工件的尺寸范围为100-650mm；（3） 焊接工件的有效长度（即焊枪保持与X垂直状态）（4） X轴，Z轴的脉冲当量信号是0.01mm/脉冲；（5） 焊接头进给速度范围为1001800mm/min；（6） 伺服驱动本台机器的动力装置采用步进电机；（7） 焊接过程增加抗干扰装置以及防震动装置；（8） 使用年限7年，每年工作320天，每天两班制；2.2 总体设计方案设计内容要

10、求有机械设计和电气设计部分。首先是机械结构设计部分，关于设备整体尺寸初步设计其主要结构尺寸如下：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） 焊枪沿着Z轴方向做直线往复升降运动。（3） 步进电带动联轴器以及导轨的滑块使得焊枪头做X直线往复运动。（4） 采用三爪卡盘夹具利用其自动调心对准的能力，目的是利于焊缝背面成形。（5） 调距装置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

11、轴沿着X轴水平移动，整个运动过程中不涉及到工件以及焊枪同步运动，所以在选择数控系统时选择点位控制系统。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，不自带检测装置，没有反馈电路，指令信号是按照单一方向不可逆传送的。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在一个脉冲信号作用下前进一格，比较适合控制精度要求不高，运动速度低的场合，由于本次直缝焊接机的运动速度比较低，故选择步进电机比较合适，而且其系统结构比较简单，成本低，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，灵活的人机操作界面，机械自动化程度比较高，运行稳定可靠。通过运行程序自动控

12、制焊接过程。这样具有独立调速电路，数字化显示焊枪行走速度。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。下图2.1是总体方案设计图以及图2.2是单片机控制系统图系统原理图。图2.1系统原理图|数码显示器译码/锁存顺动II A/D通道操作命令按钿|并行接口| ,焊接电源MCS 51单片微型计算机并行输入/输出接口通信电路光电隔离电路A/D通道D/A通道送丝电机行走电机洋电1！焊接电流焊接速度焊接电/k图2.2单片机控制系统结构简图3直缝焊接机进给驱动系统设计3.1 焊机基本

13、结构设计3.1.1 X轴结构设计在设计X轴的结构时，根据控制系统的相关知识可知道本次设计的直缝焊接机的X轴是由步进电机控制，连接焊接头以及电动机的机械构架选择的是滚珠丝杠螺母副，X轴上的滚珠丝杠通过导轨滑块带动Z轴导轨运动，其中滚珠丝杠两端的轴承选择的类型是角接触类型球轴承且约束方式是两端支撑，并施加一定量的预紧力。采用双推一双推支承方式，这样刚度适用性好，并且可以减少由于丝杠自重产生的线变形以及有效地补偿热膨胀，从而使刚度提高。考虑到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等，设计其结构时仍然需要考虑这些部件的配合安装尺寸，即根据步进电机，减速箱，滚动轴承以及滚珠丝杠的尺寸设

14、计在X轴方向上的结构尺寸。3.1.2 Z轴结构设计在设计Z轴的结构，考虑到X轴和Z轴在空间处于垂直的位置关系，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，且其轴上安装有用来安装焊枪的焊枪底座以及用来安装焊枪座的安装螺栓，他们具有一定质量的自重，故而滚珠丝杠两端采用角接触球轴承两端支撑，并同样施加预紧力。采用双推-双推支承的方式,这样即可以满足刚度实用型要求，也可以减少由于丝杠自重而产生的线变形和补偿热膨胀带来的增量。3.1.3 夹具结构设计设计的直缝自动焊机的定位夹紧的工具是采用三爪卡盘的结构，具体来说是采用内三爪卡盘（爪伸出型）定位，夹紧采用的是用普通三爪卡盘只不过采用反向爪，由

15、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。在设计中需要将头部尾部均采用卡爪，一端固定，一端自由游动。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，通用化程度高。操作简答易懂。3.2 直缝焊接机尺寸及重量在设计计算之前，首先根据设计的要求，初步确定设计参数，由于本次设计的直缝焊接机主要是用来焊接钢板构件而且缝一般长度不超过4mm,板厚0.8-7.0mm,焊接工件的尺寸100-650mm,焊枪升降行程400mm将设计数据绘成表格，具体的参数要求如下表3.1：表3.1参数设计要求控制电源单相50Hz AC 200V焊接工件厚度0.87.0mm焊接工件尺寸650mm(p 100mm焊接工件有效长度SlOOOmm (焊枪垂直状态)-焊枪移动速度范围1001800mm/min焊枪升降行程400mm焊枪手动微调距离X