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點焊機自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
學 生：胡仁俊
指導教師：施保華
（三峽大學 電氣與新能源學院）
1.課題來源及行業(yè)背景
隨著計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，觸摸屏和PLC在工業(yè)控制中的應用越來越廣泛。在消音金剛石圓鋸片的生產(chǎn)過程中,其基體的焊接水平是鋸片質(zhì)量保證的先決條件。而傳統(tǒng)的手工焊接方式無法滿足高精度的焊接要求。由此，研究新型自動化裝置控制的焊接系統(tǒng)顯得尤為重要。
本課題是指導老師在大規(guī)模生產(chǎn)的具體要求下，要求工作臺按要求進行動作，在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)日益發(fā)達的時代背景下應運而生的，電焊機的自動控制為工業(yè)生產(chǎn)帶來很大的方便，使自動化在生產(chǎn)中得到很好的利用。
2.研究的目的和意義
2.1解決人工無法完成的困難
隨著科技的進步和發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的方式正在發(fā)生巨大的變化，從傳統(tǒng)的手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，本項目自主設(shè)計研發(fā)的焊接集散控制系統(tǒng)能使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的經(jīng)濟效益，也使得企業(yè)的技術(shù)和管理自動化水平提高。該產(chǎn)品突破傳統(tǒng)鋸片基體制造方法 ,采用2張相同金屬基體中間夾一層阻尼材料 (三明治復合鋸片基體) ,有效地解決了環(huán)保消音降噪問題.自主設(shè)計研發(fā)基于人機界面的PLC控制焊接自動化系統(tǒng)可以將其三合一 ,而且能使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致 ,解決了焊后變形大的問題。而使用手工焊接方法工作量較大，而且難于保證焊接質(zhì)量?，F(xiàn)設(shè)計焊接自動化工作臺，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。
2.2提高生產(chǎn)效率
在當今社會的大規(guī)模生產(chǎn)過程中，人力的局限性無法跟上工業(yè)自動化時代的工作效率，所以企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，自動化生產(chǎn)線也逐漸被企業(yè)所認同并采用。點焊機自動控制系統(tǒng)是按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動移動、焊接的操作的自動控制裝置。實現(xiàn)了自動化的工作并減少了很多不必要的人工勞動，極大的提高了生產(chǎn)的效率。
2.3改善現(xiàn)有點焊機的工作性能
點焊機的工作原理是利用正負兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達到使它們結(jié)合的目的?，F(xiàn)設(shè)計焊接自動化工作臺，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和加工效率。自動化工作臺主要完成旋轉(zhuǎn)、 進退和抬升動作。自動化焊接過程滿足焊接工藝 (隔點焊接，內(nèi)外圈焊點錯位和工件壓緊防變形)要求.項目研發(fā)的系統(tǒng)將從焊點分布、焊接順序、時間、電流、 溫度、受力和平面度等方面保障基體質(zhì)量 ,使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致，解決焊后變形問題，并提高生產(chǎn)效率，降低次品率，從而提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，也使得整個技術(shù)和管理的自動化水平提高.
3.國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
3.1國內(nèi)電焊機科技水平及發(fā)展趨勢
(1)手工電弧焊機逆變式手工電弧焊機已大部分采用了IGBT等新型電子元器件，并在某些場合部分替代了弧焊整流器，但其可靠性與一般手工弧焊機相比尚有差距。今后應開發(fā)適宜于苛刻焊接環(huán)境條件的、可靠性高的、多用途的逆變式焊機。
(2)MIG/MAG焊機要繼續(xù)開發(fā)推拉式送絲機構(gòu)、脈沖MIG/MAG焊機使之在引弧、收弧、減少飛濺等方面有明顯的改進，用微處理器控制的送絲機構(gòu)亦是開發(fā)的方向。
(3)TIG焊機廣泛應用于不銹鋼焊接，因此發(fā)展較快的磁放大器式或晶閘管式，僅一小部分為逆變式。
交流TIG焊機大多已采用矩形波輸出，大部分用電子及磁場混合控制以獲得矩形波，最近國內(nèi)亦出現(xiàn)了逆變式交流矩形波TIG焊機，但還有待于市場的考驗。
國內(nèi)宇航工業(yè)要求焊接較厚的長焊縫，需用電流在500A以上、負載持續(xù)率100%的大容量TIG焊機，此類產(chǎn)品國內(nèi)尚屬空白。
(4)埋弧焊機有必要進一步發(fā)展2000A以上的大容量埋弧焊機。埋弧焊機的操作部份大多為單一的中型小車結(jié)構(gòu)，不夠靈活。應發(fā)展輕型及重型小車結(jié)構(gòu)，并可加裝成雙絲或多絲結(jié)構(gòu)，以利于提高生產(chǎn)率。
(5)電阻焊機目前電阻焊機屬中等容量，較大的如400kVA以上及適宜于小型、微型結(jié)構(gòu)的1kVA以下的精密電阻焊機則較少。點、凸焊控制器雖有進步，但大多為合資企業(yè)產(chǎn)品，為保證質(zhì)量，關(guān)鍵部份依賴進口。
因此，開發(fā)和研制出自行設(shè)計制造的控制器亦是方向之一。
3.2國外電焊機科技水平的現(xiàn)狀和發(fā)展
(1)逆變焊機某些著名的電焊機生產(chǎn)廠對逆變焊機的不斷改進，使它的可靠性已接近一般電焊機的故障率，即1%左右。利用逆變焊機的固有的特征，使電弧控制邁出了新的一步。
(2)非傳統(tǒng)（非電弧、電阻）焊技術(shù)的應用和設(shè)備發(fā)展迅速，現(xiàn)已有：摩擦縫焊(FrictionSeamWelding）、摩擦攪拌焊(FrictionStirWelding）、摩擦堆焊(FrictionSurfacing)、摩擦插入焊(FrictionPlunge)、摩擦切割(FrictionCutting)等等。
(3)微處理器及計算機已普遍應用，但距完全的智能控制尚有距離。
(4)焊接機器人的應用更為廣泛。
(5)小型、微型電阻焊機日趨成熟和普及。
3.3復合圓鋸片的發(fā)展趨勢
目前復合鋸片的使用范圍越來越廣，在實際使用過程中對其各項性能的要求也越來越高，相應的檢測方法也要能滿足要求。隨著復合鋸片檢測方法研究的不斷深入，其發(fā)展有以下幾個趨勢:
(1)熱穩(wěn)定性?，F(xiàn)在研究復合片的熱穩(wěn)定性不可避免地要涉及到熱損傷的概念，它是指PDC由于受熱引起的損傷。可以采用對熱處理前后的復合片進行SEM觀察，以了解損傷的形貌、程度和特點，這種方法可以用來判斷復合片的熱穩(wěn)定性，其優(yōu)點是可以分析復合片產(chǎn)生損傷的原因，進而找到解決的辦法，相應地可以提高復合片的熱穩(wěn)定性。76
(2)殘余應力檢測。金剛石復合片內(nèi)部的殘余應力影響復合片的熱穩(wěn)定性及抗沖擊性能，而且主要以熱殘余應力為主，通過中子衍射法可以對復合片內(nèi)部的殘余應力進行表征，并得到具體數(shù)值。
(3)耐磨性。從復合片的微觀結(jié)構(gòu)方面進行其耐磨性的檢測，用X射線衍射方法、Raman光譜法及電鏡法等[11-12]對復合片進行綜合測試。不僅可以準確測得復合片的耐磨性，更能找出影響其耐磨性的內(nèi)在原因，提高復合片的耐磨性。
(4)沖擊性能。由于復合片在實際使用中受沖擊破壞一般有2種，一種是受到多次沖擊而破壞，還有一種是突然受到巨大沖擊力而破壞。因此一般在檢測復合片沖擊性能時，要同時檢測其最大抗沖擊性能及抗沖擊韌性。
4.研究的主要內(nèi)容
4.1點焊機的基本工作原理
點焊機系采用雙面雙點過流焊接的原理，工作時兩個電極加壓工件使兩層金屬在兩電極的壓力下形成一定的接觸電阻，而焊接電流從一電極流經(jīng)另一電極時在兩接觸電阻點形成瞬間的熱熔接，且焊接電流瞬間從另一電極沿兩工件流至此電極形成回路，不傷及圓鋸片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
點焊機自動控制系統(tǒng)的工作臺旋轉(zhuǎn)和進退運動采用步進電動機及驅(qū)動器控制，保證較高的定位精度。
4.2 系統(tǒng)方案
此次研究的課題是來源于自動化專業(yè)在企業(yè)生產(chǎn)實際過程中的圓鋸片焊接實用流程，所設(shè)計的是點焊機自動控制系統(tǒng)。利用PLC來控制，用步進電機來驅(qū)動點焊機，來實現(xiàn)點焊機的運行?？刂浦行牟捎每删幊炭刂破鳎≒LC）和觸摸式液晶顯示屏進行操作，比傳統(tǒng)的控制中心更具有直觀性和可操作性。
點焊機的工作原理十分簡單，采用S7—200對步進電機進行控制，從而達到點焊機多點運動和工作臺的旋轉(zhuǎn)和進退運動的目的。通過S7—200PLC對步進電機的正反轉(zhuǎn)的控制，可使點焊機的焊接觸頭運動到不同的工位。驅(qū)動步進電機使運動方向沿X軸Y軸的方向來進行工作。點焊機的控制系統(tǒng)中由PLC、傳感器、步進電機、驅(qū)動器、電磁閥、點焊槍等元器件組成。
5.工作的主要階段、進度
(1)2011年秋季學期第11周（2011年11月18日前）
接受畢業(yè)設(shè)計任務書，學習畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及有關(guān)規(guī)定。
(2)2011年秋季學期第12~17周
閱讀指定的參考資料及文獻（包括10萬個印刷符號外文資料），基本完成開題報告、外文翻譯等任務。
(3)2011年秋季學期第18周
進一步修訂完善開題報告、外文翻譯，使其在內(nèi)容及格式上符合畢業(yè)設(shè)計（論文）規(guī)范要求。
(4)2011年秋季學期第19周（2012年1月13日前）
上交開題報告、外文翻譯，指導教師批閱。
(5)2012年春季學期第11周（2012年4月30日前）
按照開題報告的技術(shù)路線和設(shè)計方案進行總體設(shè)計。
(6)2012年春季學期第14周
完成硬件選型和程序開發(fā)設(shè)計，完成試驗制作與調(diào)試任務。
完成畢業(yè)設(shè)計，全部成果交指導教師批閱。
(7)2012年春季學期第15周（5月25日至5月27日）
畢業(yè)答辯
6.最終目標及完成時間
通過查閱相關(guān)的文獻和資料，了解點焊機自動控制系統(tǒng)的工作流程，通過設(shè)計點焊機自動控制系統(tǒng)，達到課題預期的基本要求。能夠正常運行，可進行模擬調(diào)試?？墒裹c焊機能夠在所要求的不同工件型號下正常的運行工作。
完成時間：第15周
7.現(xiàn)有條件及必須采取的措施
現(xiàn)有STEP7軟件和Wincc flexible軟件，可以完成PLC的編程設(shè)計和觸摸屏的模擬實現(xiàn)，在設(shè)計過程中需要采用工程軟件進行模擬調(diào)試。
8.協(xié)助單位及要解決的主要問題
本課題要完成具體的硬件設(shè)計和實現(xiàn)，需要得到學院的大力支持和幫助。
參 考 文 獻
1. 張進秋.陳永力.張中民. 可編程控制器原理及應用實例.機械工業(yè)出版社.2004.1
2. 李新.張文濤. 可編程序控制器在機械手設(shè)計中的應用.山東煤炭科技.2002.5
3. 周虹. 氣動與PLC技術(shù)相結(jié)合在機械手設(shè)計中的應用.液壓與氣動.2004.3
4. 李春菊.王迎旭. 普通機械手PLC與觸摸屏全自動控制設(shè)計.湖南工程學院學報.2004.3
5. 王迎旭.李春菊.施晚蓉. 觸摸屏與PLC在全自動雙面鉆控制系統(tǒng)中的應用.湖南工程學院學報.2004.4
6. 朱光力. 三坐標氣動機械手控制回路設(shè)計.機械設(shè)計與制造.2003.2
7. 董繼成. 用PLC控制生產(chǎn)線自動機械手.中國儀器表廠.2004.2
8. 求是科技.PLC應用開發(fā)技術(shù)與工程實踐.人民郵電出版社.2005.1
9. 鄒金慧.可編程控制器及其系統(tǒng).重慶大學出版社.2002.11
10. 袁艷敏.PLC在機械手自動控制系統(tǒng)中的應用西安航空技術(shù)高等?？茖W校學報.2004.9
11. 鄧昌奇.熊德琴.張立斌. PLC在工業(yè)機械手中的應用研究機電工程技術(shù).2004.4
12. 劉連勝.王英東.PLC和觸摸屏控制系統(tǒng)的應用.中國棉花加工.2002.4
13. 蔣少英. PLC控制的機械手.微計算機信息.2002.2
14. 胡冰.吳升艷.岳春生.ADS7843觸摸屏接口.解放軍信息工程大學.2001.12
15. 鄧輝.孫富春.孫增圻.機械手的模糊逆模型魯棒控制（英文）.自動化學報.2001.4
XX大 學
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
課題名稱 自動點焊機的設(shè)計
系 部 XX系
專 業(yè)
班 級
學 號
姓 名
指導教師（簽名） 年 月 日
教研室主任（簽名） 年 月 日
XX大學本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
學號
學生姓名
系部
專業(yè)年級
指導教師
職稱
設(shè)計（論文）題目
自動點焊機的設(shè)計
本課題國內(nèi)外研究動態(tài)及意義：
隨著社會和科學技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些 生產(chǎn)過程，所以為了適應生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具——點焊機。與此同時也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動，在這些生產(chǎn)活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷 害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作長時間的工作，點焊機則正好適應這類工作。防止了一些化學物品對人類的傷害。
在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為 提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器的技術(shù)水平和應用 程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)焊接機主要承擔著焊接、噴涂、搬運等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再 現(xiàn)的方式。
點焊機是按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動移動、焊接的操作的自動機械裝置[6]。實現(xiàn)了自動化的工作并減少了很多不必要的人工勞動。本文對多工位點焊機利用PLC的控制進行了詳細的研究。
點焊機的工作原理是利用正負兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達到使它們結(jié)合的目的[7]。點焊機是由焊頭、點焊槍等組成。點焊槍是四工位點焊機電氣控制系統(tǒng)的核心。利用電磁閥控制點焊槍的伸縮及溫度
解決人工無法完成的困難
隨著科技的進步和發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的方式正在發(fā)生巨大的變化，從傳統(tǒng)的手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，本項目自主設(shè)計研發(fā)的焊接集散控制系統(tǒng)能使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的經(jīng)濟效益，也使得企業(yè)的技術(shù)和管理自動化水平提高。C控制焊接自動化系統(tǒng)可以將其三合一 ,而且能使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致 ,解決了焊后變形大的問題。而使用手工焊接方法工作量較大，而且難于保證焊接質(zhì)量。現(xiàn)設(shè)計焊接自動化工作臺，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。
提高生產(chǎn)效率
在當今社會的大規(guī)模生產(chǎn)過程中，人力的局限性無法跟上工業(yè)自動化時代的工作效率，所以企業(yè)為了提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，自動化生產(chǎn)線也逐漸被企業(yè)所認同并采用。點焊機自動控制系統(tǒng)是按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動移動、焊接的操作的自動控制裝置。實現(xiàn)了自動化的工作并減少了很多不必要的人工勞動，極大的提高了生產(chǎn)的效率。
改善現(xiàn)有點焊機的工作性能
點焊機的工作原理是利用正負兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達到使它們結(jié)合的目的。現(xiàn)設(shè)計焊接自動化工作臺，提高產(chǎn)品加工質(zhì)量和加工效率。自動化工作臺主要完成旋轉(zhuǎn)、 進退和抬升動作。自動化焊接過程滿足焊接工藝 (隔點焊接，內(nèi)外圈焊點錯位和工件壓緊防變形)要求.項目研發(fā)的系統(tǒng)將從焊點分布、焊接順序、時間、電流、 溫度、受力和平面度等方面保障基體質(zhì)量 ,使焊接部分與非焊接部分硬度均勻一致，解決焊后變形問題，并提高生產(chǎn)效率，降低次品率，從而提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，也使得整個技術(shù)和管理的自動化水平提高.
畢業(yè)設(shè)計(論文)研究內(nèi)容、擬解決的主要問題：
下面的絲桿為 X軸 上面橫著的為Y 軸 上面豎著的為Z 軸 都用電動機帶動。 X Y 實現(xiàn)定位 Z 實現(xiàn)點焊 將上圖 Z 軸上的物體（畫紅圈的） 換成焊頭。焊頭是裝上彈簧 有緩沖等。防止撞壞工作臺就行。滾珠絲桿螺母副跟總體尺寸都由你們確定?？傃b配圖要有總體尺寸 裝配尺寸 還要有技術(shù)要求等。 設(shè)計說明說主要包括 絲桿螺母副的選擇 電動機的選擇 還有焊頭的設(shè)計 如何實現(xiàn)自動點焊等 成本設(shè)計等。大概10000字左右。
Y軸和Z軸采用絲杠傳動
X軸采用絲杠加導軌形式
電焊頭緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖
畢業(yè)設(shè)計(論文)研究方法、步驟及措施：
1、查閱設(shè)計資料和手冊，了解基本結(jié)構(gòu)和原理；
2、確定工作機的主要動力和運動機構(gòu)；
3、零部件的設(shè)計及其主要零件圖和裝配圖的詳細繪制。
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 7
1.1 選題的依據(jù)及意義 7
1.1.1 選題的依據(jù) 7
1.1.2 選題的意義 7
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 7
1.2.1 自動點焊機研究現(xiàn)狀 8
1.2.2 自動點焊機機構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢 9
1.3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法 9
第2章 自動點焊機構(gòu)總體設(shè)計 10
2.1 設(shè)計原理 10
2.2 導向桿機構(gòu)的選用要點 11
2.3 方案討論 12
2.4 本章小結(jié) 12
第3章 自動點焊機Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.1絲杠螺母導程的確定 13
3.2確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 13
3.3 絲杠的等效負載 13
3.4 確定絲杠所受的最大動載荷 13
3.5 計算軸承動載荷 14
3.6 絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗算 14
3.7 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 15
3.8 傳動精度計算 15
3.9 電動機的計算選擇 16
第4章 自動點焊機X向結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
4.1滾珠絲杠螺母副的計算和選型 17
4.2 精度的選擇 17
4.3絲杠導程的確定 17
4.4 最大工作載荷的計算 17
4.5 最大動載荷的計算 18
4.6 滾珠絲杠螺母副的選型 18
4.7 滾珠絲杠副的支承方式 19
4.8 傳動效率的計算 19
4.9 剛度的驗算 19
4.10 穩(wěn)定性校核 20
4.11 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 21
4.12 步進電機的選擇 22
4.13 滾動直線導軌副 25
第5章 自動點焊機Z向結(jié)構(gòu)設(shè)計 27
5.1 Z向精度設(shè)計 27
5.2 滾珠絲杠疲勞強度 27
5.3選用滾珠絲杠 28
5.4 滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算 28
5.5 滾珠絲杠剛度驗算 29
5.6 滾珠絲杠效率驗算 30
5.7 Z向電機選型 30
第6章 焊頭設(shè)計 32
6.1 焊頭設(shè)計 32
6.2 自動點焊設(shè)計 33
第7章 成本設(shè)計 34
總結(jié)與展望 35
致 謝 37
參 考 文 獻 38
步驟
(1)XX（時間）-XX（時間）
接受畢業(yè)設(shè)計任務書，學習畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及有關(guān)規(guī)定。
(2) XX（時間）-XX（時間）
閱讀指定的參考資料及文獻（包括10萬個印刷符號外文資料），基本完成開題報告、外文翻譯等任務。
(3) XX（時間）-XX（時間）
進一步修訂完善開題報告、外文翻譯，使其在內(nèi)容及格式上符合畢業(yè)設(shè)計（論文）規(guī)范要求。
(4)2 XX（時間）-XX（時間）
上交開題報告、外文翻譯，指導教師批閱。
(5) XX（時間）-XX（時間）
按照開題報告的技術(shù)路線和設(shè)計方案進行總體設(shè)計。
(6) XX（時間）-XX（時間）
完成圖紙論文任務。
完成畢業(yè)設(shè)計，全部成果交指導教師批閱。
(7) XX（時間）-XX（時間）
畢業(yè)答辯
主要參考文獻：
[1] 原 魁．工業(yè)自動點焊機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):33～34.
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[3] 宋海宏．自動點焊機技術(shù)展望[J].山西煤炭管理干部學院學報,2006,(04):43～45.
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是否可以進入設(shè)計（論文）研究：
指導教師簽名：
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寧XX大學
畢業(yè)設(shè)計(論文)
自動點焊機的設(shè)計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
摘 要
隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如自動點焊機、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，自動點焊機要適應焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將自動點焊機技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。因此自動點焊機的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。
關(guān)鍵詞：焊接技術(shù) 機構(gòu)設(shè)計 強度校核
Abstract
With the development of industrial level, it is important to large-scale structure of the application of welding more and more, including a large number of welding operations must be at the scene, such as robot welding corrugated containers, large ship cabin, the deck of the welding, a large spherical tank (tank), such as welding. These welding occasion, the welding robot to adapt to changes in weld, welding can be done to improve the level of automation. There is no doubt that technology and robot seam tracking technology to effectively solve large-scale structure of the automation field welding problems.
Key Words: Robot technology Intensity is proofreaded
37
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 7
1.1 選題的依據(jù)及意義 7
1.1.1 選題的依據(jù) 7
1.1.2 選題的意義 7
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 7
1.2.1 自動點焊機研究現(xiàn)狀 8
1.2.2 自動點焊機機構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢 9
1.3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法 9
第2章 自動點焊機構(gòu)總體設(shè)計 10
2.1 設(shè)計原理 10
2.2 導向桿機構(gòu)的選用要點 11
2.3 方案討論 12
2.4 本章小結(jié) 12
第3章 自動點焊機Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.1絲杠螺母導程的確定 13
3.2確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 13
3.3 絲杠的等效負載 13
3.4 確定絲杠所受的最大動載荷 13
3.5 計算軸承動載荷 14
3.6 絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗算 14
3.7 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 15
3.8 傳動精度計算 15
3.9 電動機的計算選擇 16
第4章 自動點焊機X向結(jié)構(gòu)設(shè)計 17
4.1滾珠絲杠螺母副的計算和選型 17
4.2 精度的選擇 17
4.3絲杠導程的確定 17
4.4 最大工作載荷的計算 17
4.5 最大動載荷的計算 18
4.6 滾珠絲杠螺母副的選型 18
4.7 滾珠絲杠副的支承方式 19
4.8 傳動效率的計算 19
4.9 剛度的驗算 19
4.10 穩(wěn)定性校核 20
4.11 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 21
4.12 步進電機的選擇 22
4.13 滾動直線導軌副 25
第5章 自動點焊機Z向結(jié)構(gòu)設(shè)計 27
5.1 Z向精度設(shè)計 27
5.2 滾珠絲杠疲勞強度 27
5.3選用滾珠絲杠 28
5.4 滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算 28
5.5 滾珠絲杠剛度驗算 29
5.6 滾珠絲杠效率驗算 30
5.7 Z向電機選型 30
第6章 焊頭設(shè)計 32
6.1 焊頭設(shè)計 32
6.2 自動點焊設(shè)計 33
第7章 成本設(shè)計 34
總結(jié)與展望 35
致 謝 37
參 考 文 獻 38
第1章 緒論
1.1 選題的依據(jù)及意義
1.1.1 選題的依據(jù)
隨著社會和科學技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化，從手工作坊式的勞動，逐漸演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些 生產(chǎn)過程，所以為了適應生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具——點焊機。與此同時也出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動，在這些生產(chǎn)活動中，有些是屬于高危險的，對人體傷 害較大，有些領(lǐng)域不適宜人類工作長時間的工作，點焊機則正好適應這類工作。防止了一些化學物品對人類的傷害[5]。
在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為 提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器的技術(shù)水平和應用 程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)焊接機主要承擔著焊接、噴涂、搬運等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再 現(xiàn)的方式。
點焊機是按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動移動、焊接的操作的自動機械裝置[6]。實現(xiàn)了自動化的工作并減少了很多不必要的人工勞動。本文對多工位點焊機利用PLC的控制進行了詳細的研究。
點焊機的工作原理是利用正負兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上的焊料和被焊材料，來達到使它們結(jié)合的目的[7]。點焊機是由焊頭、點焊槍等組成。點焊槍是四工位點焊機電氣控制系統(tǒng)的核心。利用電磁閥控制點焊槍的伸縮及溫度
1.1.2 選題的意義
通過完成該課題，即設(shè)計出自動點焊機及對其進行運動學分析，能夠解決在焊接過程中焊槍不能隨波形的變化調(diào)整與焊槍速度的夾角這個問題，使得在直線段與在波內(nèi)斜邊段焊接時，焊槍與焊縫都保持垂直，相對于焊縫的焊接速度都恒為同一速度，進而能夠提高在直線段與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性，提高的生產(chǎn)質(zhì)量。
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
這里的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢包括三個方面：前面也提到這里的三自由度自動點焊機（為自動點焊機）是為提高焊接自動化水平的，故這里為自動點焊機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關(guān)于運動學分析的常用方法[5]。
1.2.1 自動點焊機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
這里所設(shè)計的自動點焊機為有軌自動點焊機，只是現(xiàn)有的自動點焊機技術(shù)在焊接中的應用，是該領(lǐng)域的焊接自動化水平低的緣故，而當前的自動點焊機技術(shù)有相當?shù)陌l(fā)展。
隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，自動點焊機要適應焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將自動點焊機技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。
當前國內(nèi)外在自動點焊機方向研制的幾個典型自動點焊機如下：
(1) 韓國Pukyong國立大學的Kam B O 等研制的艙體格子形構(gòu)件焊接自動點焊機
這種自動點焊機能夠在人比較難以達到的狹窄空間自主地實現(xiàn)焊接過程,能夠自動尋找焊縫的起始點。在遇到格子框架的拐角焊縫時,在保證焊接速度不變且焊炬準確對準焊縫的情況下,能夠自動調(diào)整自動點焊機本體和十字滑塊的位置[4]。
(2) 日本慶應大學學者 Suga 等為平面薄板焊接研制的自主性自動點焊機
該自動點焊機能夠直線前進,還可以利用兩個輪的差速控制小車的轉(zhuǎn)彎,它裝焊槍的臂可以伸縮，可以檢測焊縫的位置并精確的識別焊縫的形狀,如是直線焊縫、曲線焊縫、還是折線焊縫等[5]。
(3) 日本慶應大學學者 Suga 等研制了管道焊接自主自動點焊機
該自動點焊機可以沿著管道 ,根據(jù) CCD 攝取的圖象信息,在焊前可以自動尋找并識別焊縫,然后使自動點焊機本體沿管道方向達到正確的焊接位置[5]。
(4) 清華大學機械工程系與北京石油化工學院裝備技術(shù)研究所聯(lián)合研制的球罐磁吸附輪式自動點焊機該自動點焊機的焊炬跟蹤精度可達±0.5mm,能夠滿足實際工程應用[3]。
(5) 上海交通大學研制的具有自尋跡功能的焊接自動點焊機
該自動點焊機在焊前,小車能夠自動尋找焊縫并經(jīng)過軌跡推算后自動調(diào)整小車本體和焊炬的位姿到待焊狀態(tài)；在焊接過程中能夠進行橫向大范圍的實時焊縫跟蹤[8]。
當前絕大多數(shù)自動點焊機還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把自動點焊機放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將自動點焊機本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說自動點焊機的自主性還很低,基本上還不具有自主的運動規(guī)劃能力。
未來的發(fā)展趨勢為三個方面：選擇視覺傳感器來進行傳感跟蹤，因為與圖象處理方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展；采用多傳感信息融合技術(shù)以面對更為復雜的焊接任務；由于控制技術(shù)由經(jīng)典控制到向智能控制技術(shù)的發(fā)展，這也將是自動點焊機的控制所采用。
1.2.2 自動點焊機機構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
在當前，自動點焊機的機構(gòu)設(shè)計絕大部分還是采用依據(jù)具體的情況來設(shè)計專用自動點焊機，稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)自動點焊機，其運動特性使特定自動點焊機僅能適應一定的范圍,不利于自動點焊機的發(fā)展。解決這一問題的方法就是利用關(guān)節(jié)模塊和連桿模塊,根據(jù)具體的要求開發(fā)可重構(gòu)自動點焊機系統(tǒng)。下面為當前一些人所做的研究：
(1) Benhabib等人建立的自動點焊機庫,將模塊分成模塊單元連接器、連桿模塊、主關(guān)節(jié)模塊和末端關(guān)節(jié)模塊四類[13]；
(2) 1999年DanielaRus等提出了一種由晶體結(jié)構(gòu)“分子”組成的可自重構(gòu)自動點焊機系統(tǒng)[13]；
(3) 上海交通大學的費燕瓊和沈陽航空工業(yè)學院的張艷麗等對模塊化自動點焊機的構(gòu)形設(shè)計進行了研究[13]。
1.3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法
下面的絲桿為 X軸 上面橫著的為Y 軸 上面豎著的為Z 軸 都用點動機 帶動。 X Y 實現(xiàn)定位 Z 實現(xiàn)點焊 將上圖 Z 軸上的物體（畫紅圈的） 換成焊頭。焊頭是裝上彈簧 有緩沖等。防止撞壞工作臺就行。滾珠絲桿螺母副跟總體尺寸都由你們確定。總裝配圖要有總體尺寸 裝配尺寸 還要有技術(shù)要求等。 設(shè)計說明說主要包括 絲桿螺母副的選擇 電動機的選擇 還有焊頭的設(shè)計 如何實現(xiàn)自動點焊等 成本設(shè)計等。大概10000字左右。
第2章 自動點焊機構(gòu)總體設(shè)計
2.1 設(shè)計原理
Y軸和Z軸采用絲杠傳動
X軸采用絲杠加導軌形式
電焊頭緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 導向桿機構(gòu)的選用要點
由于工業(yè)生產(chǎn)中導向桿機械臂的應用較為廣泛，因此本設(shè)計著重對導向桿機械臂機構(gòu)進行研究。
1. 應具有足夠的推拉力 焊接機的機構(gòu)靠執(zhí)行機構(gòu)的液壓力實現(xiàn)手部結(jié)構(gòu)的伸縮和升降，便把工件從一個位置到另一個位置，由于工件本身的重量以及過程中產(chǎn)生的慣性力和振動等，執(zhí)行機構(gòu)必須具有足夠大的液壓力，才能防止工件在過程中擺動。一般要求液壓力N為工件以及重量的2~3倍。
2. 應具有足夠的俯仰角 為了實現(xiàn)升降以及伸縮，必須具有足夠大的俯仰角度來適應較大的范圍，對于式手部要有足夠大的范圍。
3. 應能保證工件的可靠定位 為了使工件、工具與目的地保持準確的相對位置，必須根據(jù)要求的目的地，選用相對應的執(zhí)行機構(gòu)來定位。
4. 應具有足夠的強度和剛度 除了受到工件、工具的重量，還要受到本身的重量，還受到焊接機手不在運動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，沒有足夠的強度和剛度會發(fā)生折斷或彎曲變形，因此對于受力較大的應進行必要的強度、剛度計算。
5. 應適應對象的要求 為了適應工件的載荷，可以選用V型、燕尾型、園柱導向桿型的導軌。
6. 盡可能具有一定的通用性 一般專用性較強，在可能的情況下，應考慮到產(chǎn)品零件的變換。為適應不同形狀和尺寸的要求，可將制成組合式結(jié)構(gòu)，迅速更換不同的部件及附件來擴大機構(gòu)的使用范圍。也可在設(shè)計時適當選取其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)以擴大其使用范圍。
2.3 方案討論
導向桿制造工藝性、導向性好，可以承受較大的軸向力，且其適用場合是輕型機械；燕尾槽導向的導軌尺寸緊湊，用鑲條調(diào)整見習 ，比較方便，但是制造比較復雜，磨損不能自動補償，且一般用于高度小的部件中；V型導軌有利于排屑，但不易保存潤滑油，而且一般用于低速。
綜合以上情況，該設(shè)計選用導向桿導向。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹自動點焊機機械結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計及方案的選擇和確定。
第3章 自動點焊機Y向結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1絲杠螺母導程的確定
本設(shè)計中，電機與絲杠直接相連，傳動比i=1，選擇電機Y系列異步電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導程為
3.2確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速
最大進給時，絲杠的轉(zhuǎn)速為
最慢進給時，絲杠的轉(zhuǎn)速為
則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速（估計
3.3 絲杠的等效負載
工作負載是指機床工作時，實際作用在絲杠上的軸向壓力，它的數(shù)值可用進給牽引力的實驗公式計算。選用導軌為滾動導軌，而一般情況下，滾動導軌的摩擦系數(shù)為0.0025-0.005，取摩擦系數(shù)f為0.005，則絲杠所受的最大牽引力為
故其等效負載可按下式計算（估算 t1=t2 ;n2=2n1）
由以上確定進給運動的總阻力F∑=12N
3.4 確定絲杠所受的最大動載荷
查表，取絲杠的工作壽命Th為15000h，同時取精度系數(shù)fa=1，負荷性質(zhì)系數(shù)fw=105，溫度系數(shù)ft=0.95，硬度系數(shù)fh=1，可靠性系數(shù)fk=0.53；平均轉(zhuǎn)速為1000r/min。
選用滑動絲杠螺母傳動，絲杠公稱直徑為，基本導程，絲杠螺母的接觸剛度為1692N/，螺旋升角絲杠的底徑26mm，螺母長度為210mm，取絲杠的精度等級為1級。
3.5 計算軸承動載荷
壽命系數(shù)為：
式中 ——壽命系數(shù)：
——可靠性為90%的額定壽命，取為10000h；
——轉(zhuǎn)速系數(shù)：；
計算轉(zhuǎn)速取最高轉(zhuǎn)速，?。?
故能滿足要求。
3.6 絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗算
已知：軸承的接觸剛度，絲杠螺母的接觸剛，絲杠的最小拉壓剛度：
當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。螺母座剛度。軸向拉壓總剛度為：
絲杠拉壓振動的固有頻率
由計算可知，絲杠拉壓振動的固有頻率遠遠大于1500r/min，所以能滿足要求。
3.7 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度
絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度：
由《機械設(shè)計手冊》得平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為：
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為
絲杠扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率為：
顯然，絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠遠大于1500r/min，所以，能滿足要求。
3.8 傳動精度計算
絲杠的拉壓剛度：
由以上的各條件可知最小機械傳動剛度為：
最大機械傳動剛度：
因此得到由于機械傳動裝置所引起的定位誤差為
其中，F(xiàn)0為空載時導軌的靜摩擦力
3.9 電動機的計算選擇
下面的計算結(jié)果
所以選用反應式步進電動機，輸出功率0.2kw，同步轉(zhuǎn)速1500r/min，電動機的參數(shù)如下表一所示：
表3-1 電動機的各種參數(shù)：
電動機型號
步距角
最大靜轉(zhuǎn)矩（N.m）
運行頻率
最高空載啟動頻率
軸徑
長度
55BF003
0.75/1.5
0.686
1800
6mm
70mm
第4章 自動點焊機X向結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1滾珠絲杠螺母副的計算和選型
滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。
4.2 精度的選擇
滾珠絲杠副的精度直接影響電氣機床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導程誤差對機床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，考慮到本設(shè)計的定位精度要求和改造的經(jīng)濟性，選擇X軸精度等級為3級，Z軸為4級。
4.3絲杠導程的確定
選擇導程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導程（利于提高控制精度），本設(shè)計中初選縱向絲杠導程為10。
4.4 最大工作載荷的計算
最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫進給牽引力,其實驗計算公式如表4-1所示。
表4-1 實驗計算公式及參考系數(shù)
導軌類型
實驗公式
矩形導軌
1.1
0.15
燕尾導軌
1.4
0.2
綜合或三角導軌
1.15
0.15-0.18
表中為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)；為滑動導軌摩擦系數(shù)；為移動部件總重量。G=200 N
查表3-1選擇綜合導軌，取1.15,取0.18,為200；
算得=1.15×1197+0.18×（3420+200）
=1371.55
4.5 最大動載荷的計算
載荷隨時間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動載荷。比如起重機以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。
對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷計算公式如下：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機床T取5000-10000h，電氣機床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；
—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計取1.2；
—硬度系數(shù)（HRC58時取1.0；等于55時取1.11；等于52.5時取1.35；等于50時取1.56；等于45時取2.40）；
—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
本設(shè)計中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進給速度,初選絲杠基本導程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。
4.6 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲桿副時應使其額定動載荷, 當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長時間承受工作載荷時，還應使額定靜載荷。
根據(jù)計算出的最大動載荷,選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)CDM4006-2.5-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預緊，精度等級為4級，其參數(shù)如表3-2所示。
表4-2滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
則選擇絲杠,CDM4006-2.5-3為外循環(huán)插管式，雙螺母墊片預緊，導珠管埋入式的滾珠絲杠副，尺寸如下：
公稱直徑 d0=40mm 外徑d=39.5mm
導程 Ph=6mm 螺旋角
鋼球直徑 動載荷靜載荷
注釋:滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)形式
4.7 滾珠絲杠副的支承方式
滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合。考慮到縱向絲杠長度較大，本設(shè)計縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
4.8 傳動效率的計算
滾珠絲杠的傳動效率一般在0.8～0.9之間，其計算公式如下：
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==96.67%
4.9 剛度的驗算
滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。
因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產(chǎn)生的導程變化很小，所以、可以忽略不計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：
=（“+”號代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)前面的設(shè)計，為3234.36，取1665，為44.24，算得：
==±0.01597=±14.97
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
表3-3 有效行程內(nèi)的目標行程公差和行程變動量
有效行程
精度等級
1
2
3
4
5
大于
至
—
315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
400
500
8
7
10
9
15
13
20
19
27
26
1600
2000
18
13
25
18
35
25
48
36
65
51
4.10 穩(wěn)定性校核
由于滾珠絲杠本身比較細長又受軸向力的作用，若軸向負載過大，則會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應該滿足：
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取2，其他方式如表3-4所示；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設(shè)計取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計中該值為2000；
（其中工件加工長度為1400，取2000，留600的兩端余量）
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè)
中將代入算出=205514.36。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會失穩(wěn)。
表3-4 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡支
單推-單推
雙推-自由
取值
4
2
1
0.25
4.11 臨界轉(zhuǎn)速的驗證
滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取值如表3-5所示；
—臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為，本設(shè)計中該值為2300；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
表3-5 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡支
單推-單推
雙推-自由
取值
27.4
18.9
12.1
4.3
經(jīng)過計算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
4.12 步進電機的選擇
（1）工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長度。
則
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。
因此，總轉(zhuǎn)動慣量
（2）所需轉(zhuǎn)動力矩計算
快速空載啟動時所需力矩
最大切削負載時所需力矩
快速進給時所需力矩
式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；
——折算到電機軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；
——切削時折算到電機軸上的加速度力矩；
——折算到電機軸上的切削負載力矩。
當時
當時
當時， 時
當時預加載荷，則
所以，快速空載啟動所需力矩
切削時所需力矩
快速進給時所需力矩
由上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時：
（3）縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定
為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知
所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距為
步進電機最高工作頻率
綜合考慮，查表選用130SZ01型步進步進電動機，能滿足要求[7-12]。
4.13 滾動直線導軌副
滾動直線導軌副選型計算
水平安裝的HTSD-LG型滾動直線導軌副支承系統(tǒng)，一根導軌上用兩個滑塊，給定參數(shù)為：工作臺自重W=2kN，承受載荷P=16kN（作用于滑塊中心），有效行程Lm=0.8米，每分鐘往復次數(shù)n=8次，運行條件為，無明顯沖擊和振動，目標壽命為11年，試選擇該滾動直線導軌副的規(guī)格。（以每天開機8小時，每年300個工作日計。）
fH=1，fT=1，fC=0.81，fW=1.5
目標壽命為：
L=11×300×8×60×0.8×8×2×10-3=20275.2(km)
四個滑塊的載荷為:P1=P2=P3=P4=(16+2)/4=4.5kN
可以計算出：
可選用HTSD-LG45AA P1 2×1620 D 滾動直線導軌副。
其額定動載荷值為：7450kgf，額定靜載荷值為：10500kgf。
第5章 自動點焊機Z向結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 Z向精度設(shè)計
假設(shè)設(shè)計要求：進給精度
快速進給精度
5.2 滾珠絲杠疲勞強度
絲桿的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的Z向分力。主軸重量為300kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2）計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
5.3選用滾珠絲杠
由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
5.4 滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5.5 滾珠絲杠剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為：
通常要求絲杠的導程誤差小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。
5.6 滾珠絲杠效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。
5.7 Z向電機選型
最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
依據(jù)文獻《實用機床設(shè)計手冊》上，有：
（1）對于在最大工作條件下工作時所需要電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：
（2）對于空載起動時所需要的電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：
由（1）和（2）可知，以計算得：恒大于 所以就以作為選取步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進電機為110BF003 ，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：
所以初選的步進電機型號符合要求。
7. 步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性
由《數(shù)控技術(shù)》得：動矩頻特性：
=4167Hz
運行矩頻特性：
其中： -----最大工作條件下的進給速度，可取最高進給速度 的，現(xiàn)取中間值，即。
所以：=2431
由步進電機110BF004的矩頻特性和運行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進電機在起動時力矩是滿足要求的。
所以最終就確定步進電機的型號為：110BF004反應式步進電動機。
第6章 焊頭設(shè)計
6.1 焊頭設(shè)計
機械中提供驅(qū)動的裝置和方式很多，如電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動等，各種驅(qū)動方式有其自身的特點，在工業(yè)焊接機中液壓和氣壓驅(qū)動應用很廣泛，有些焊接機則同時采用多種驅(qū)動方式，這都視不同焊接機的特點和要求所定。比較這些驅(qū)動方式的特點，叢中選擇適合移動絲杠的驅(qū)動方式。
電機驅(qū)動絲杠可以避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅(qū)動要高。電機系統(tǒng)將電動機、測速機、編碼器以及制動器組裝在依次加工的課題里，使得整個電機系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，電動機根據(jù)運行距離及電機的脈沖當量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計算機，可以達到非常高的位姿準確度。而液壓和氣壓驅(qū)動系統(tǒng)組成機構(gòu)煩瑣，維護不方便，液壓源和氣壓源裝置體積大，對于移動焊接機來說也是個無法實現(xiàn)的問題，對于移動焊接機操作機械手臂所要求的位置精度，液壓和氣壓驅(qū)動也很難滿足。
綜上所述，本文選擇電機驅(qū)動絲杠傳動進給的驅(qū)動方式。
焊頭的緩沖裝置如下圖：彈簧 有緩沖等
6.2 自動點焊設(shè)計
焊接操作機中，烙鐵的上下移動由絲杠控制，平面運動由X/Y軸兩路步進電機控制，焊接速度采用單片機脈寬控制，位置顯示采用位移傳感器控制。其中，單片機控制焊接過程，鍵盤控制輸入?yún)?shù)，LCD動態(tài)顯示操作當前狀態(tài)。
平面運動控制系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：單片機、驅(qū)動器、步進電機。單片機用于將運動指令下達給驅(qū)動器，同時檢測和顯示運動狀態(tài)，運動控制器根據(jù)主機的運動命令對各軸電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出脈沖/方向命令，并對I/O口和其他信號進行管理。驅(qū)動器的作用是根據(jù)控制器發(fā)來的脈沖/方向指令控制電機線圈的電流以及相應的電磁場和電磁力矩，從而使得電機轉(zhuǎn)軸執(zhí)行與脈沖/方向指令相對應的轉(zhuǎn)動，步進電機配步進驅(qū)動器。執(zhí)行電機在驅(qū)動器的推動下，通過轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)來控制機械裝置（運動軸）的位置和速度。
結(jié)構(gòu)框圖
硬件系統(tǒng)主要由中央處理單元、反饋單元、焊接單元、按鍵控制單元、LCD顯示單元五個部分組成。如下面模擬框圖所示
第7章 成本設(shè)計
滾珠絲杠副速選的基本原則
種類的選擇：目前滾珠絲杠副的性價比已經(jīng)相當高，無特別大的載荷要求時，都選擇滾珠絲杠副，它具有價格相對便宜，效率高，精度可選范圍廣、尺寸標準化安裝方便等優(yōu)點。在精度要求不是太高時，通常選擇冷軋滾珠絲杠副，以便降低成本；在精度要求高或載荷超過冷軋絲杠最大規(guī)格額定載荷時需選擇磨制或旋銑滾珠絲杠副。不管何類滾珠絲杠副，螺母的尺寸盡量在系列規(guī)格中選擇，以降低成本縮短貨期。
精度級別的選擇：滾珠絲杠副在用于純傳動時，通常選用“T”類（即機械手冊中提到的傳動類），其精度級別一般可選“T5”級（周期偏差在1絲以下），“T7”級或“T10”級，其總長范圍內(nèi)偏差一般無要求（可不考慮加工時溫差等對行程精度的影響，便于加工）。因而，價格較低（建議選“T7”，且上述3種級別的價格差不大）；在用于精密定位傳動（有行程上的定位要求）時，則要選擇“P”類（即機械手冊中提到的定位類），精度級別要在“P1”、“P2”、“P3”、“P4”、“P5”級（精度依次降低），其中“P1”、“P2”級價格很貴，一般用于非常精密的工作母機或要求很高的場合，多數(shù)情況下開環(huán)使用（非母機），而“P3”、“P4”級在高精度機床中用得最多、最廣，需要很高精度時一般加裝光柵，需要較高精度時開環(huán)使用也很好，“P5”則使用大多數(shù)數(shù)控機床及其改造，如數(shù)控車，數(shù)控銑、鏜，數(shù)控磨以及各種配合數(shù)控裝置的傳動機構(gòu)，需要時也可加裝光柵（因“5”級的“任意300mm行程的偏差為0.023”，且曲線平滑，在很多實際案例中，配合光柵效果非常好）。
規(guī)格的選擇：首先當然是要選有足夠載荷（動載和靜載）的規(guī)格。根據(jù)使用狀態(tài)，選擇符合條件的規(guī)格。同時（重點），如果選用的是磨制或旋銑滾珠絲杠副（冷軋的不需要考慮長徑比），要估算長徑比（絲杠總長除以螺紋公稱直徑的比值），但因長度在設(shè)計時已確定，在規(guī)格的確定上需要調(diào)整，原則上使其長徑比小于50，（理論上長徑比越小越好，對“P”類絲杠而言，長徑比越小越利于加工和保證各項形位公差，故單位價格越便宜）。所以“規(guī)格越小不等于越便宜”。
預緊方式的選擇：對于純傳動的情況，一般要求傳動靈活，允許有一定返向間隙（不大，一般為幾絲），多選用單螺母，它價格相對便宜、傳動更靈活；對于不允許有返向間隙的精密傳動的情況，則需選擇雙螺母預緊，它能調(diào)整預緊力的大小，保持性好，并能夠重復調(diào)整；另外，在行程空間受限制的情況下，也可選用變位導程預緊（俗稱錯距預緊），該方式預緊力較小，且難以重復調(diào)整，一般不選。
導程的選擇：選擇導程跟所需要的運動速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導程（利于提高控制精度）；對于要求高速度的場合，導程可以超過20，對磨制絲杠而言導程一般可做到約等于公稱直徑（受磨削螺旋升角限制），如32（32*32）、40（40*40）等，當然也可以更大（非磨削，但極少考慮）。導程越大，同條件下旋轉(zhuǎn)分力越大，周期誤差被放大，速度越快。故一般速度很高的場合要求的是靈活，而放棄部分精度訴求，對間隙要求意義變小（導程精度偏差增大），因此，大導程絲杠一般都是單螺母。
完整的滾珠絲杠副設(shè)計選型，除了要考慮傳動行程（間接影響其他性能參數(shù)）、導程（結(jié)合設(shè)計速度和馬達轉(zhuǎn)速選取）、使用狀態(tài)（影響受力情況），額定載荷（尤其是動載荷將影響壽命）、部件剛度（影響定位精度和重復定位精度）、安裝形式（力系組成和力學模型）、載荷脈動情況（與靜載荷一同考慮決定安全性），形狀特性（影響工藝性和安裝）等因素外，還需要對所選的規(guī)格的重復定位精度、定位精度、壓桿穩(wěn)定性、極限轉(zhuǎn)速、峰值靜載荷以及循環(huán)系統(tǒng)極限速率（Dn值）等進行校核，進行修正選擇后才能得到完全適用的規(guī)格，進而確定馬達、軸承等關(guān)聯(lián)件的特征參數(shù)。
針對滾珠絲杠副的選型涉及多種復雜條件，用戶科學選型的難度較大，本站特推出“自動在線選型計算”模塊，通過該模塊可以根據(jù)用戶輸入的設(shè)計初始條件，自動在典型滾珠絲杠副規(guī)格庫中綜合計算、智能選型，并作重復定位精度、壓桿穩(wěn)定性、定位精度、極限轉(zhuǎn)速、最大靜載荷及循環(huán)系統(tǒng)Dn值等所有項目的校驗，給出完全合格的篩選結(jié)果。為協(xié)助作對比選擇，該模塊還包括條件調(diào)整的指導性提示，當完全合格的規(guī)格數(shù)量較少時還能自動提示“對選型結(jié)果影響最大的參數(shù)”供針對性調(diào)整，以輔助選擇最佳規(guī)格。最后還給出與之配套的約束軸承、驅(qū)動馬達以及目標行程補償量等外圍參數(shù)基準值供系統(tǒng)設(shè)計用。歡迎使用！
總結(jié)與展望
本次畢業(yè)設(shè)計主要完成如下：
(1) 對自動點焊機進行了方案設(shè)計，并對機構(gòu)進行分析，證明該方案可行，能夠滿足焊接的要求，能夠提高在直線段與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性，提高的生產(chǎn)質(zhì)量。
(2) 完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計：結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動電機功率的估計計算與選擇；。
(3) 其它方面：選用導軌的匹配設(shè)計，聯(lián)接匹配設(shè)計。這些都是直接在圖紙上設(shè)計出來了。
展望
在具體實踐方面能有機會嘗試, 進行深入的理論與實踐結(jié)合。
致 謝
本文是在老師精心指導和大力支持下完成的。老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業(yè)設(shè)計過程中我也學到了許多了關(guān)于機械設(shè)計方面的知識，實驗技能有了很大的提高。
另外，我還要特別感謝指導老師對我實驗以及論文寫作的指導，為我完成這篇論文提供了巨大的幫助。還要感謝同學對我的無私幫助，使我得以順利完成論文。最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！
參考文獻
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