直縫自動焊機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、.1 前言1.1 選題背景及意義目前國內(nèi)的焊接技術(shù)的發(fā)展，由于自動控制系統(tǒng)、可編步伐控制器、微處理機(jī)和計算機(jī)技術(shù)等在焊接出產(chǎn)中的應(yīng)用，80年代以后，中國發(fā)展了采用焊接方法的自動控制、焊接過程的自動控制，用自動傳送裝置、專用焊接設(shè)備及電控部分等組成的焊接中心和焊接出產(chǎn)自動線，較廣泛地應(yīng)用在汽車、船舶、核能、電站、汽鍋、礦山機(jī)械等行業(yè)中，不斷提高焊接出產(chǎn)的自動化程度。其中直縫焊接技術(shù)近年來也結(jié)合自動控制系統(tǒng)、可編步伐控制器、微處理機(jī)和計算機(jī)技術(shù)逐步走向自動化，并可以得到焊接表面比較清潔，焊縫比較完美地效果。然而很多企業(yè)還是通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動化焊機(jī)、成套焊接設(shè)備、焊接出產(chǎn)線和柔性打

2、造系統(tǒng)，使焊接機(jī)械化與自動化技術(shù)相結(jié)合，可見目前國內(nèi)的直縫自動焊機(jī)的發(fā)展還不是很完善，還有許多需要改進(jìn)的地方，比如國內(nèi)生產(chǎn)的直縫焊機(jī)焊縫易出現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷，開發(fā)先進(jìn)的控制技術(shù)，以提高直縫自動焊機(jī)的穩(wěn)定性和抗干擾性以及得到高質(zhì)量的焊縫是目前直縫自動焊機(jī)急需解決的問題。因而設(shè)計一個可以滿足目前高要求，低成本的直縫自動焊機(jī)是很有必要的。1.2 設(shè)計內(nèi)容直縫（縱縫）應(yīng)用廣泛。本次設(shè)計的直縫自動焊機(jī)主要用于完成壁厚0.5mm-6mm薄壁筒體、錐形筒、平板或一端開口的方形盒體對接直縫焊接。而且對焊縫的要求很高，要求其外觀美觀，紋路均勻，焊縫寬窄、高低基本一致以及焊縫表面不得有裂紋、未熔合、夾渣、咬邊和

3、凹坑等，為此設(shè)計直縫自動焊機(jī)的主要內(nèi)容如下所示。設(shè)計內(nèi)容包括機(jī)械部分和電氣部分，主要內(nèi)容如下：(1)機(jī)械部分總裝配圖及配套零部件圖：根據(jù)個人設(shè)計方案繪制，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；(2)電氣設(shè)計部分：相關(guān)電器原理圖，以及單片機(jī)控制程序；(3)主要計算內(nèi)容：X軸，Z軸尺寸計算，滾珠絲杠的設(shè)計計算，導(dǎo)軌及軸承的選用，步進(jìn)電機(jī)的選型計算，齒輪的選擇計算等；(4)設(shè)計說明書得編寫：符合設(shè)計要求。設(shè)計完成后，需要根據(jù)具體的設(shè)計方案內(nèi)容，編寫相關(guān)程序并調(diào)試、搭接電路出來的，仿真執(zhí)行情況等。具體設(shè)計內(nèi)容：根據(jù)直縫自動焊機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，我們需要設(shè)計其結(jié)構(gòu)與運(yùn)動控制系統(tǒng)。故而設(shè)計的主要內(nèi)容是：焊接電源的選擇

4、，其輸出功率和焊接特性應(yīng)與擬用的焊接工藝方法相匹配，并裝有與主控制器相連接的接口；焊接機(jī)頭用的移動機(jī)構(gòu)，其由焊接機(jī)頭，焊接機(jī)頭支承架，懸掛式拖板等組成，其驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)；焊件移動或變位機(jī)構(gòu)，如焊接滾輪架，頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)，回轉(zhuǎn)平臺和變位機(jī)等；焊件夾緊機(jī)構(gòu)；主控制器的設(shè)計，亦稱系統(tǒng)控制器，主要用于各組成部分的聯(lián)動控制，焊接程序的控制，主要焊接參數(shù)的設(shè)定，調(diào)整和顯示，必要時可擴(kuò)展故障診斷和人機(jī)對話等控制功能；計算機(jī)軟件設(shè)計，焊接設(shè)備中常用的計算機(jī)軟件有：編程軟件。實現(xiàn)的主要功能：實現(xiàn)油箱的直縫自動焊接，采用先進(jìn)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，人性化的人機(jī)操作界面，自動化程度高，性能穩(wěn)定可靠。設(shè)計實現(xiàn)的方式主

5、要是根據(jù)查閱的相關(guān)資料（包括書籍、論文、期刊文獻(xiàn)、設(shè)計手冊等）以及設(shè)計要求（包括工作溫度，工作環(huán)境等），以及對國內(nèi)外直縫自動焊機(jī)發(fā)展的情況等相關(guān)知識的認(rèn)知，加上通過實習(xí)對直縫自動焊設(shè)備的進(jìn)一步了解，對于直縫自動焊機(jī)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計各個部分總體設(shè)計，以完成預(yù)計實現(xiàn)的的設(shè)計要求。2 設(shè)計參數(shù)及方案2.1 初始參數(shù)本次畢業(yè)設(shè)計題目的是直縫自動焊機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)設(shè)計題目以及以下的相關(guān)設(shè)計要求進(jìn)行為期三個月的設(shè)計。本次設(shè)計主要完成設(shè)計要求：（1） 用于油箱卷板縱縫的焊接，板厚0.5-6.0mm；（2） 焊接工件的直徑200-600mm；（3） 焊接工件的有效長度（焊槍垂直狀態(tài)）&l

6、t;1000mm；（4） X軸，Z軸的脈沖當(dāng)量是0.01mm/脈沖；（5） 焊接移動速度范圍：100-1600mm/脈沖；（6） 伺服驅(qū)動使用步進(jìn)電機(jī)；（7） 要有硬件限位保護(hù)；（8） 控制部分需要采取抗干擾措施；（9） 使用年限五年，每年工作三百天，每天三班制；（10） 基于單片機(jī)控制器的數(shù)控裝置應(yīng)有鍵盤和LED顯示。2.2 總體方案因為設(shè)計內(nèi)容要求有機(jī)械設(shè)計和電氣設(shè)計部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，主要采用如下結(jié)構(gòu)：機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計：（1） 采用雙立柱結(jié)構(gòu)，主要由床身、三爪卡盤夾具、橫梁導(dǎo)軌、焊槍升降機(jī)構(gòu)、 電氣控制系統(tǒng)等組成。 （2） 焊槍采用在Z軸上升降。（3） 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的焊槍直線移動及導(dǎo)

7、軌。（4） 三爪卡盤夾具保證自動調(diào)心，以及焊縫背面成形。（5） 可調(diào)節(jié)兩個三爪卡盤之間的距離。電氣部分設(shè)計：由于數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點位/直線控制，系統(tǒng)點位控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于直縫自動焊機(jī)在焊接過程中主要運(yùn)動是調(diào)節(jié)焊槍的垂直位置以及焊槍所在的Z軸沿著X軸水平移動，之中不涉及到工件運(yùn)動的同時焊槍也運(yùn)動，故而，在選擇數(shù)控系統(tǒng)時可以選擇點位控制系統(tǒng)。電氣部分包括伺服系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的設(shè)計，其中伺服系統(tǒng)采用開環(huán)系統(tǒng)，開環(huán)系統(tǒng)中，不帶檢測裝置，沒有反饋電路，指令信號是單方向傳送的。開環(huán)系統(tǒng)主要是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的。步進(jìn)電機(jī)的工作特點是一個脈沖走一步，比較適合控制精度要求不高，運(yùn)動速度低的場合，

8、由于焊機(jī)的運(yùn)動速度比較低，故選擇步進(jìn)電機(jī)比較合適，而且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，容易控制、調(diào)試和維修?？刂葡到y(tǒng)則選用采用先進(jìn)的單片機(jī)控制系統(tǒng)，人性化的人機(jī)操作界面，自動化程度高，性能穩(wěn)定可靠。通過程序控制自動焊接過程。其具有獨立調(diào)速電路，數(shù)碼顯示焊槍行走速度。也具有“調(diào)整/自動”功能：調(diào)整狀態(tài)可調(diào)整焊槍行走速度、焊槍對中焊縫及焊槍高度和焊接長度的調(diào)整。自動狀態(tài)可實現(xiàn)焊接過程的自動完成。具有速度數(shù)碼顯示、焊接長度數(shù)碼預(yù)置等功能。以下附有總的方案設(shè)計圖2.1以及單片機(jī)控制系統(tǒng)圖系統(tǒng)原理圖2.2。圖2.1 系統(tǒng)原理圖圖2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖3 焊機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計3.1 焊機(jī)基本結(jié)構(gòu)

9、設(shè)計 3.1.1 X軸結(jié)構(gòu)設(shè)計在設(shè)計X軸的結(jié)構(gòu)時，首先我們根據(jù)控制系統(tǒng)的相關(guān)要求可以知道X軸由步進(jìn)電機(jī)控制，因而我們需要其由滾珠絲杠螺母副帶動，而且X軸滾珠絲杠需帶動Z軸導(dǎo)軌通過滑塊在X軸上運(yùn)動，所以我們需要滾珠絲杠兩端由角接觸球軸承兩端支撐，并施加預(yù)緊力。采用雙推-雙推支承方式，這樣剛度好，并且可以減少由于絲杠自重產(chǎn)生的變形和補(bǔ)償熱膨脹，從而使剛度更高。從上面的分析我們可以知道，在X軸上主要安裝的有步進(jìn)電機(jī)，減速箱，滾動軸承以及滾珠絲杠，設(shè)計其結(jié)構(gòu)時主要考慮與這些部件的配合尺寸，即根據(jù)步進(jìn)電機(jī)，減速箱，滾動軸承以及滾珠絲杠的尺寸設(shè)計X軸的結(jié)構(gòu)尺寸。3.1.2 Z軸結(jié)構(gòu)設(shè)計在設(shè)計Z軸的結(jié)構(gòu)時，

10、根據(jù)上面X州的設(shè)計可以知道，Z軸同樣也是由步進(jìn)電機(jī)控制的，也需要滾珠絲杠螺母副帶動，且其其軸上安裝有用來安裝焊槍的焊槍座以及用來安裝焊槍座的安裝板，他們都有一定的質(zhì)量，故而滾珠絲杠兩端采用角接觸球軸承兩端支撐，并施加預(yù)緊力。采用雙推-雙推支承的方式，這樣即可以滿足剛度要求，也可以減少由于絲杠自重而產(chǎn)生的變形和補(bǔ)償熱膨脹。3.1.3 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計由于設(shè)計的直縫自動焊機(jī)主要是用于油箱卷板縱縫的焊接，需要定位夾緊的工件是空心卷板，借鑒環(huán)縫自動焊機(jī)的夾具結(jié)構(gòu)，同樣此處我們也可以選用三爪卡盤的結(jié)構(gòu)，不過改進(jìn)以下該結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)三爪卡盤（爪伸出型）定位，夾緊則是用普通三爪卡盤只不過采用反爪，由三爪卡盤卡著卷

11、板內(nèi)孔，同樣通過夾緊扳手上一對錐齒輪的運(yùn)動夾緊卷板的方式進(jìn)行定位夾緊。在設(shè)計中需要一頭一尾兩個卡盤，一端固定，一段浮動。 由于三爪卡盤是自動調(diào)心機(jī)構(gòu)，因而可以加工不同直徑的工件，并且其為標(biāo)準(zhǔn)件，只需要根據(jù)需要選擇相應(yīng)的尺寸安裝使用即可，不需要自己進(jìn)行設(shè)計，且其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)用方便。3.2 初定焊機(jī)部件尺寸及重量 在設(shè)計計算之前，首先我們要根據(jù)前面的要求，初步確定一下后面設(shè)計計算重要用到的一些參數(shù)，由于我們設(shè)計的直縫自動焊機(jī)主要是用來焊接卷板油箱的直縫，縫一般長度不超過800mm，板厚為6mm左右，當(dāng)然還有一些具體的使用與設(shè)計要求，我們在設(shè)計計算時，都應(yīng)一一滿足。根據(jù)設(shè)計的參數(shù)要求如下表3.1：表

12、3.1 參數(shù)設(shè)計要求控制電源單相 50Hz AC 200V焊接工件厚度0.56.0mm焊接工件直徑600mm200mm焊接工件有效長度800mm（焊槍垂直狀態(tài)）焊槍移動速度范圍1001600mm/min焊槍升降行程 200mm焊槍手動微調(diào)距離X向±30mm、Z向±30mm主機(jī)最大允許焊接電流500A根據(jù)上面的參數(shù)要求，我們初步確定關(guān)于Z軸方向的尺寸及重量，由于Z軸上有用于焊槍的焊槍座以及用于連接焊槍座與十字滑塊尺寸的安裝板，初定安裝板的尺寸為：長*寬*高為400*200*20（mm）材料為低碳鋼，焊槍座的尺寸為：長*寬*高為100*100*20，材料為低碳鋼，估計二者的總重

13、為800N。其中需要加工的工件的最大尺寸：長*寬*高為800*600*6mm，其重量主要由三爪卡盤承擔(dān)，故在這里不將其計入重量要求中。初步確定X軸上移動部件的重量，也就是整個Z軸的重量，初步估計為1600N。另外，由于Z軸只是進(jìn)行焊槍位置的移動，并不進(jìn)行該方向的焊接，故Z方向的切削力為零，同時，X方向由于進(jìn)行X方向的焊接，故X方向的焊接阻力設(shè)為1000N。4 焊機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分計算4.1直縫自動焊機(jī)Z軸機(jī)械部分的計算4.1.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算、選型（1）滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)設(shè)計在選擇滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)時，由于考慮到在滿足同樣精度要求下，外循環(huán)螺旋槽式的滾珠絲杠的工藝簡單，與其

14、配合的螺母的外徑尺寸小，所以我們選擇了外循環(huán)螺旋槽式的滾珠絲杠螺母副。而對于滾珠絲杠的預(yù)緊方式的選擇，考慮到螺紋式預(yù)緊方式的結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠性，我們選擇了螺紋式預(yù)緊。（2）滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算a) 計算進(jìn)給率引力由于作用于Z軸的進(jìn)給率引力主要是由焊槍及送絲機(jī)的重力產(chǎn)生的，故F=800N。同時由于Z軸上的運(yùn)動速度比較低，為了避免爬行現(xiàn)象我們選用滾動導(dǎo)軌。b) 計算最大動載荷C在計算選用滾珠絲杠副的直徑時，首先必須保證在一定的軸向載荷的作用下，在絲杠回轉(zhuǎn)了100萬轉(zhuǎn)以后，在它的滾道上不會產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。而這個最大的軸向載荷值就稱為最大動載荷C，可以用下面的公式進(jìn)行計算： C= (4-1)公式中

15、 L代表絲杠的壽命，它是以100萬轉(zhuǎn)為單位的，L= (4-2)n 代表絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）,用下面的這個公式計算： n= (4-3) V代表最大切削力下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最大進(jìn)給速度的1/2-1/3； L是初選的滾珠絲杠導(dǎo)程，（mm）T機(jī)器的使用壽命要求f機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般取1.0-1.5由于結(jié)合本次直縫自動焊機(jī)的設(shè)計的要求可知：最大進(jìn)給速度為0. 1m/min,故V=0.1/2=0.05m/min,初選絲杠導(dǎo)程L為5mm，工作時間為五年，每年300天，每天按三班制工作。代入公式（4-3）可以得到：n= =10r/minT=530083=36000h代入公式（4-2）可得：L

16、= = =21.6代入公式（4-1）可得：C=2673.86N最后根據(jù)最大動載荷來選擇所需要的滾珠絲杠的直徑，通過查閱機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書p158頁表3可得，選擇W1L2505,2.5圈每列，其額定動載荷為13100N，精度等級按表3-15選三級。顯然額定動載荷13100N遠(yuǎn)大于計算出的最大動載荷2673.86N，故滿足要求。c) 傳動效率的計算下面這個是用來計算絲杠傳遞效率的公式 (4-4)公式中 代表螺旋升角，WL2505的是3°39 為摩擦角，在這里取10=0.958d) 剛度驗算由于滾珠絲杠副的精度對于進(jìn)給以及焊接精度都有很大的影響，且其中其剛度的變化對加工精度影響最大，并

17、且會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度性以及運(yùn)動的平穩(wěn)性。而剛度的變化主要由于軸向變形產(chǎn)生的，因此應(yīng)該考慮引起變形的主要因素，其中絲杠的拉伸或壓縮量在總的變形中占得比重最大，故而，我們主要考慮它。先通過公式計算受工作載荷F的作用時引起的絲杠導(dǎo)程L的變化量L，再計算此時滾珠絲杠總長度上的拉伸和壓縮量。 L= (4-5)L是在工作載荷F的作用引起的絲杠導(dǎo)程L的變化量mm；F是工作負(fù)載，單位為N；L滾珠絲杠的初選導(dǎo)程，此處選擇的是5mm；E絲杠材料的彈性模數(shù)，對于鋼：E=20.6（N/mm）；F滾珠絲杠的截面積mm。接著計算絲杠長度拉伸或壓縮的變形量mm =L/LL=4.12/5=3.30mm (4-6)可知=

18、3.30mm<0.03mm/2=0.015mm,即滾珠絲杠的變形小于機(jī)床精度要求變形的一半，可見所選絲杠的直徑是合適的。e) 穩(wěn)定性檢驗對于已選定的尺寸的滾珠絲杠，在給定的支承的條件下，滾珠絲杠在承受最大軸向負(fù)載時，應(yīng)該驗算絲杠有沒有產(chǎn)生失穩(wěn)的危險。其中產(chǎn)生縱向彎曲的臨界負(fù)載F可以用下面的公式來計算：F= (4-7)公式中I截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩I=（絲杠螺紋的底徑） (4-8)E所選材料的彈性模數(shù)，對于鋼：E=20.6（N/mm）；l絲杠兩端支撐的距離（mm）f滾珠絲杠支承的長度系數(shù)。兩端簡支取1.0。其中為絲杠螺紋的底徑是24.5mm代入公式（4-8）可得：I=17677

19、.22 mm代入公式(4-7)可得：F= =2.24N= F/ F=2.24N/800N=280 =4顯然穩(wěn)定性驗證符合要求，選用是合格的。4.1.2滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)計算由上面的設(shè)計計算以及驗算可以知道我們選擇的滾珠絲杠的尺寸是可以滿足設(shè)計要求的，下面我們來計算一下W1L2505,2.5圈每列的相關(guān)幾何參數(shù)。表4.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)名稱符號計算公式WL2505螺紋滾導(dǎo)公稱直徑25螺距5接觸角3°39鋼球直徑3.175滾道法面半徑RR=0.521.651偏心距ee=(R-/2)sin0.056螺紋升角=arctan(/)3°39螺桿螺桿外徑dd =-(0.2

20、-0.25) 24.20螺桿內(nèi)徑=+2e-2R21.81螺桿接觸直徑=-21.83螺母螺母螺紋DD=-2e+2R50螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）DD=+0.2-0.25) 25.79這樣我們就完成了Z軸機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計。4.2直縫自動焊機(jī)X軸機(jī)械部分的計算4.2.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算、選型（1）滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)設(shè)計在選擇滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)時，考慮到在滿足同樣精度要求下，外循環(huán)螺旋槽式的滾珠絲杠的工藝簡單，且與其配合的螺母外徑尺寸小，我們選擇了外循環(huán)螺旋槽式的滾珠絲杠螺母副。對于滾珠絲杠的預(yù)緊方式的選擇，考慮到螺紋式預(yù)緊方式的結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠性，我們選擇了螺紋式預(yù)緊。（2）滾珠絲杠

21、螺母副的設(shè)計計算a) 計算進(jìn)給率引力由于作用X進(jìn)給率引力主要是由Z軸的重量以及X方向的焊接阻力設(shè)為1000N. F=KF+ (4-9)公式中K為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，滾動導(dǎo)軌取K=1.15；滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，一般取0.0025-0.005；G移動的重量1600N代入公式得（4-9）得F=KF+=1.15=1158NX軸上主要進(jìn)行的運(yùn)動是直縫的焊接，為了保證焊縫的焊接深度以及焊縫的干凈、整潔，焊接的速度一般要求比較低，同樣為了避免爬行現(xiàn)象我們選用滾動導(dǎo)軌。當(dāng)然滾動導(dǎo)軌還有其他優(yōu)點，后面有詳細(xì)的介紹。b) 計算最大動載荷C在設(shè)計計算選用滾珠絲杠副的直徑時，首先必須保證在一定的軸向載荷的作用

22、下，在滾珠絲杠回轉(zhuǎn)了100萬轉(zhuǎn)以后，在它的滾道上不會出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象。而這個最大的軸向載荷的值就稱為最大動載荷C，可用下面的公式計算： C= (4-10)公式中的L可以用前面介紹過的這個公式來計算，就是下面這個公式：L= (4-11)公式中的n是滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min），用下面的這個公式計算：n= (4-12)由于結(jié)合本設(shè)計的要求可知：最大進(jìn)給速度為1.6m/min,故V=1.6/2=0.8m/min,初選絲杠導(dǎo)程L為8mm，工作時間為五年，每年300天，每天按三班制工作。代入公式（4-12）可以得到：n= =100r/minT=530083=36000h代入公式（4-11）可得：L= = =

23、216代入公式（4-10）可得：C=8337.6N根據(jù)最大動載荷選擇滾珠絲杠的直徑，查閱機(jī)電專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書p158頁表3可得，選擇WL5008,2.5圈每列，其額定動載荷為23400N，精度等級按表3-15選三級。顯然額定動載荷23400N遠(yuǎn)大于計算出的最大動載荷8337.6N，滿足設(shè)計要求。c) 傳動效率的計算再次運(yùn)用前面介紹過的公式計算絲杠的傳動效率如下： (4-13)公式中螺旋升角，WL5008的是2°55；為摩擦角，此處取10=0.945d) 剛度驗算由于滾珠絲杠副的精度對于進(jìn)給以及焊接都有很大的影響，其中其剛度的變化對加工精度影響最大，會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度以及運(yùn)動的

24、平穩(wěn)性。而剛度的變化主要由于軸向變形，因此應(yīng)該考慮引起變形的因素，其中絲杠的拉伸或壓縮量在總的變形中占得比重最大，故而，我們主要考慮它。先用公式計算在承受工作載荷F的作用時，引起的絲杠導(dǎo)程L的變化量L，再設(shè)計計算滾珠絲杠總長度上的拉伸和壓縮量。 L= mm (4-14)L滾珠絲杠導(dǎo)程8mm；E所選材料的彈性模數(shù)，對鋼E=20.6（N/mm）；F滾珠絲杠的截面積mm。在設(shè)計計算滾珠絲杠長度的拉伸或壓縮的變形量mm =L/LL=/8=0.006 (4-15)可知=0.006mm<0.03mm/2=0.015mm,即滾珠絲杠的變形小于機(jī)床精度要求變形的一半，可見所選絲杠的直徑是合適的。e) 穩(wěn)

25、定性檢驗在給定的支承的條件下對于已選定的尺寸的絲杠，當(dāng)承受最大軸向負(fù)載時，應(yīng)該驗算絲杠有沒有產(chǎn)生失穩(wěn)的危險。產(chǎn)生縱向彎曲的臨界負(fù)載F可以用下式計算：F= (4-16)公式中I截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩I=（絲杠螺紋的底徑）(4-17)E所選材料的彈性模數(shù)，對于鋼：E=20.6（N/mm）；l絲杠兩端支撐的距離（mm）f絲杠支承長度系數(shù)。兩端簡支取1.0。其中為絲杠螺紋的底徑是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所以符合穩(wěn)定性的要求。4.2.2滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)計算由上面的設(shè)計計算

26、以及驗算可以知道我們選擇的滾珠絲杠的尺寸是可以滿足設(shè)計要求的，下面我們來計算一下W1L2505,2.5圈每列的相關(guān)幾何參數(shù)。表4.2 滾珠螺母副的幾何參數(shù)名稱符號計算公式WL5008螺紋滾導(dǎo)公稱直徑50螺距8接觸角2°55鋼球直徑4.763滾道法面半徑RR=0.522.478偏心距ee=(R-/2)sin0.068螺紋升角=arctan(/)2°55螺桿螺桿外徑dd =-(0.2-0.25) 48.80螺桿內(nèi)徑=+2e-2R45.18螺桿接觸直徑=-49.78螺母螺母螺紋DD=-2e+2R75螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）DD=+0.2-0.25) 51.194.3滾動導(dǎo)軌的計算和選型

27、當(dāng)前滾動導(dǎo)軌在數(shù)控型機(jī)床上的應(yīng)用非常廣泛，因為它與滑動導(dǎo)軌相比具有以下優(yōu)點：（1） 滾動導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)小，其摩擦系數(shù)一般在0.0025-0.005范圍內(nèi)，而且運(yùn)動靈活。（2） 滾動導(dǎo)軌的動、靜摩擦系數(shù)基本相同，且其啟動阻力小，還不宜產(chǎn)生爬行現(xiàn) 象，低速運(yùn)動時靈活性好。（3） 滾動導(dǎo)軌以預(yù)緊，以便提高其剛度和抗振性，時期能夠承受較大的沖擊和振動。（4） 滾動導(dǎo)軌的運(yùn)動平穩(wěn)，定位精度高，微量移動準(zhǔn)確。（5） 滾動導(dǎo)軌的保養(yǎng)方便，并可以用脂潤滑，一次填充，可長期使用。（6） 滾動導(dǎo)軌使用壽命長，其使用耐磨性材料制作而成，摩擦小，精度保持性好。本次設(shè)計選用的是滾珠式導(dǎo)軌，循環(huán)式，截面積為矩形型。4.3

28、.1 X軸導(dǎo)軌計算計算四方向等載荷窄型滾動導(dǎo)軌副的承載能力的額定動載荷負(fù)載用C表示，和額定靜載荷用C表示。其額定壽命按下式計算：L= （4-18）公式中L導(dǎo)軌需滿足的額定壽命（km） 行程長度（m）,X軸設(shè)計要求為1000mm, 每分鐘往復(fù)的次數(shù) m小時為單位額定壽命。代入公式（18）可以得到：L=720000其中額定壽命L與額定動載荷C的關(guān)系式為： L=（）K(km) (4-19)公式中為硬度系數(shù)，此處取=1.0 為溫度系數(shù)，此處取=1。0 為接觸系數(shù)，此處取=1.0 為精度系數(shù)，此處取=0.9P為實際工作載荷，此處取X軸為1158NK為額定壽命單位，滾珠K=50（km）根據(jù)公式（19）計算

29、額定動載荷C，則有： C= (4-20)這樣根據(jù)公式（20）計算X軸的滾動導(dǎo)軌的額定動載荷，如下：C= = =37.56根據(jù)計算出來的動載荷查表選用JSA-LG45四方向等載荷窄型滾動導(dǎo)軌副，其C=42.5KN，C=71KN。顯然滿足要求。4.3.2 Z軸導(dǎo)軌設(shè)計循環(huán)式直線滾動導(dǎo)軌副的承載能力的額定動載荷負(fù)載C和額定靜載荷C表示。額定壽命按下式計算：L= (4-21)公式中L為導(dǎo)軌需滿足的額定壽命（km） 行程長度（m）,Z軸設(shè)計要求為400mm, 每分鐘往的復(fù)次數(shù)，此處為5 m小時為單位額定壽命。代入公式（4-21）可以得到：L=144000其中額定動載荷C與額定壽命L的關(guān)系式為：L=（）K

30、(km) (4-22)公式中為硬度系數(shù)，此處取=1.0 為溫度系數(shù)，此處取=1。0 為接觸系數(shù)，此處取=1.0 為精度系數(shù)，此處取=0.9P為實際工作載荷，而Z軸為800NK是額定壽命的單位，滾珠K=50（km）根據(jù)公式（4-22）計算額定動載荷C，則有：C= (4-23)這樣根據(jù)公式（4-23）計算Z軸的滾動導(dǎo)軌的額定動載荷，如下：C= = =15176N=15.176KN根據(jù)上面計算出來的動載荷查表，根據(jù)計算出來的載荷選擇運(yùn)用JSA-LG25四方向等載荷窄型滾動導(dǎo)軌副，其C=17.7KN, C=22.6KN。其額定載荷顯然滿足設(shè)計的要求。4.4減速箱的設(shè)計4.4.1 X軸方向齒輪箱傳動比計

31、算在前面的要求中我們已知X軸方向的的進(jìn)給脈沖當(dāng)量，在這里我們初步選定步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.75度，因為前面選定的X軸的滾珠絲杠的導(dǎo)程為8mm,。這樣就可以計算出需要設(shè)計的齒輪箱的傳動比i：=0.6=24/404.4.2 Z軸方向齒輪傳動比計算同樣在前面的要求中我們已知Z軸方向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量，在這里我們也初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75度，因為前面選定的Z軸的滾珠絲杠導(dǎo)程為5mm?？梢杂嬎愠鰝鲃颖萯：=0.8=32/40 (4-23)因為進(jìn)給運(yùn)動的齒輪受力不大，故模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)請參照下表4.3，而且為了消除齒輪側(cè)間隙，可采用雙片齒輪，這樣齒寬可以加大（6-10）m。下面的表格是X軸的齒輪減速箱以

32、及Z軸的齒輪減速箱的大、小齒輪的相關(guān)參數(shù)的具體情況。表4.3 齒輪參數(shù)齒數(shù)32402440分度圓d=mz64804880齒頂圓d=d+2m68845284齒根圓d=d-259754375齒寬(6-10)m20202020中心距A=()/272644.5步進(jìn)電機(jī)的計算與選型4.5.1 X軸步進(jìn)電機(jī)計算（1） 對于X軸的等效轉(zhuǎn)動慣量計算 將傳動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的總的傳動慣量，用下面的公式計算：公式中：為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（ ）、為齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量（ ）為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（ ）參考其他機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)選用情況，這里我們初步選擇150BF002型號的步進(jìn)電機(jī)，查表可以知道它的轉(zhuǎn)動慣量為10（）。=

33、0.796=6.39=37.642=75.28W=1158N代入上面的公式可以得出：=10+0.796+=40.88另外考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)的慣量的相匹配問題，用下面的公式計算匹配性：/J=10/40.88=0.25得出匹配性為0.25，故基本滿足慣量匹配的要求。（2）電力矩計算由于直縫自動焊焊機(jī)在不同的工作狀況下，所需要的轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算其所需要的轉(zhuǎn)矩情況：快速空載起動力矩在快速空載啟動階段時，加速力矩占得比例比較大，具體計算公式如下：=M=將前面與X軸相關(guān)的數(shù)據(jù)代入上面的公式，公式中各個符號的意義與之前相同。=333.33r/min啟動加速時間=30msM=40.88=47

34、5.41N折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩M：M=31.85 N附加摩擦力矩MM=5.61 N將上面的的三項合計：=M+ M+ M=713.1N+31.85 N+5.61 N=512.87 N快速移動時所需要的力矩MM= M+ M=31.85 N+5.61 N=37.46 N最大焊接負(fù)載時所需的力矩MM= M+ M+M= M+ M+=31.85 N+5.61 N+=148.1 N從上面的計算可以看出，、M、M三種情況下，以快速空載起動所需力矩最大，因此以此項作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。從機(jī)電設(shè)計指導(dǎo)書的表3-24可查得，由于我們選擇的步進(jìn)電機(jī)是150BF002步進(jìn)電機(jī)，它是五相十拍的，故其傳動效率為：=0

35、.951最大靜力矩M=539.30 N按此計算得到的最大靜力矩從機(jī)電專業(yè)指導(dǎo)書的表3-23中查得，150BF002型步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72N。大于所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻率特性和運(yùn)行矩特性。（3）計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率和焊接時的工作頻率=2666.7HZ=166.7HZ從表3-23中查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動頻率為2800HZ，運(yùn)行頻率為8000HZ,，剛好可以符合要求，所以所選步進(jìn)電機(jī)合格。4.5.2 Z軸步進(jìn)電機(jī)計算 （1）Z軸等效轉(zhuǎn)動慣量計算將傳動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的總的傳動慣量，用前面介紹過的面的公式計算

36、，參考其他機(jī)床選用的步進(jìn)電機(jī)，初步選定90BF002型步進(jìn)電機(jī)，查表可以知道它的轉(zhuǎn)動慣量為1.80（）。=2.62=6.39=2.240.4=0.896W=800N代入上式：=1.8+2.62+=9.41接著考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量的相匹配問題，用下面的公式計算匹配性：/J=1.8/9.41=0.19得出匹配性為0.19，基本滿足慣量匹配性的相關(guān)的要求。（2）電力矩計算由于直縫自動焊接焊機(jī)在不同的工作狀況下，其所需要的轉(zhuǎn)矩不同轉(zhuǎn)，下面分別按各階段計算：快速空載起動力矩在快速空載啟動階段時，加速力矩占得比例比較大，具體計算公式跟前面計算X軸時的一樣，這里就不再陳述。將前面與Z軸相關(guān)的數(shù)據(jù)代入前

37、面的那個公式，公式中各個符號的意義與之前相同。=20.83r/min啟動加速時間=30msM=9.41=6.83N折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩M：M=17.91 N附加摩擦力矩MM=6.45 N將上述三項合計：=M+ M+ M=6.83N+17.91 N+6.45 N=31.19 N快速移動時所需要力矩MM= M+ M=17.91 N+6.45 N=24.36 N從上面的計算可以看出，、M兩種情況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。從機(jī)電專業(yè)指導(dǎo)書中的表3-24可以查得，我們選用的步進(jìn)電機(jī)是90BF002，它是三相六拍的，其效率用下面的公式計算。=0.866最大靜力矩M=

38、36.02N按此計算出的最大靜力矩從表3-23中查出，90BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為3.92N。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動矩頻率特性和運(yùn)行矩特性。（3）計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率=166.7HZ從表3-23中查出90BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動頻率為3800HZ，運(yùn)行頻率為8000HZ,，可以符合要求，所以所選步進(jìn)電機(jī)合格。5 直縫自動焊機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計由于近年來數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于焊接機(jī)，使得焊接自動化程度顯著提高，也使得數(shù)控制技術(shù)在機(jī)械行業(yè)得以廣泛應(yīng)用。在本次直縫自動焊機(jī)的設(shè)計中我們也運(yùn)用了數(shù)控技術(shù)，以下是詳細(xì)介紹。5.1電氣控制的總體電路設(shè)計根據(jù)

39、前面確定的總體方案以及焊機(jī)結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路總體方案，繪制如下的系統(tǒng)硬件框圖5.1。光電隔離RAM ROMI/O接口功率放大器接口步進(jìn)電機(jī)接口外設(shè)、顯示器、鍵盤及其他單片機(jī)圖5.1 焊機(jī)數(shù)控技術(shù)硬件框圖本次設(shè)計中我們主要通過單片機(jī)去控制焊機(jī)的運(yùn)動，其中主要是控制直縫自動焊機(jī)的啟動，開始焊接，焊接速度，焊接位置以及焊接停止等等，在這其中需要有控制面板各個按鍵的鍵入，這就需要用到鍵盤電路，也需要有焊機(jī)速度的顯示的功能，我們就需要用到顯示電路，當(dāng)然，由于我們設(shè)計的焊機(jī)，它焊接的工件的長度是有限的，也是變化的，這樣我們就需要控制自動焊機(jī)焊接停止的位置，這里我們設(shè)計的是通過兩個限位開關(guān)，外加越

40、界報警電路來控制直縫自動焊機(jī)的焊接長度，和焊接停止的操作。具體的情況可以分為下面將分別介紹。在本次設(shè)計中，我們在選擇微機(jī)系統(tǒng)的CPU時，考慮到單片機(jī)微機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大以及經(jīng)濟(jì)實惠，并可以滿足設(shè)計的要求，故而選擇MCS-51系列單片機(jī)。我們都知道單片機(jī)單一電源、體積小、低功耗、重量輕、功能強(qiáng)，價格低廉、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、可靠性高等。因而單片機(jī)是控制實時控制系統(tǒng)最好的選擇， 在8051系列的單片機(jī)中，我們運(yùn)用最多的是8031，此次設(shè)計我們也運(yùn)用了8031單片機(jī)作為我們的控制系統(tǒng)的CPU。當(dāng)然正是由于CPU我們選擇的是8031，而8031單片機(jī)的內(nèi)部程序存儲器的容量是有限的，我們往

41、往需要擴(kuò)展64K的程序存儲器，同樣8031內(nèi)部也只配有128位的數(shù)據(jù)存儲器，也需要擴(kuò)展64K的數(shù)據(jù)存儲器，加上我們還要設(shè)計顯示電路，鍵盤電路，以及其他掉電保護(hù)電路，以及越界報警電路等等這些電路，我們就還需要擴(kuò)展一些其他的外圍芯片，像8255這樣的并行接口芯片等等。這樣我們就面臨了一個新的問題，就是我們?nèi)绾文茏寙纹瑱C(jī)在訪問外部程序時不至于發(fā)生沖突呢？我們就需要應(yīng)用到地址的鎖存的地址鎖存器以及地址分配的譯碼器電路，把8031外部地址空間分配給那些我們擴(kuò)展的外圍芯片，并且不能讓的各個芯片之間的地址產(chǎn)生重疊，這里我們選擇片選法來譯碼。外圍芯片的選擇上，我們選擇了兩片程序存儲器2764 芯片 和一片數(shù)據(jù)

42、存儲器RAM6246芯片。接口電路選擇的是兩片8255。通過上面選擇兩片2764 芯片 和一片RAM6246芯片來實現(xiàn)程序擴(kuò)展電路的設(shè)計以及相關(guān)功能要求的實現(xiàn)，而8255主要是承擔(dān)的I/O口的作用，連接外部與8031,傳遞外界與CPU間信息的傳輸，指令的操作執(zhí)行提醒等等，主要實現(xiàn)的是輸入/輸出接口電路的設(shè)計功能，本次焊機(jī)的接口電路設(shè)計主要有X軸，Z軸的步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤電路，顯示電路以及其他像復(fù)位電路，晶振電路，掉電保護(hù)電路以及越界報警電路等等。在本次設(shè)計中，我們主要選擇了程序存儲器2764 芯片 和一片數(shù)據(jù)存儲器RAM6246芯片以及兩片8255。下面是各個芯片的引腳圖：8031單片機(jī)的

43、芯片共有四十根引腳。其引腳圖如下：圖5.2 8031引腳圖圖5.3 2764引腳圖圖5.4 6264引腳圖圖5.5 8255引腳圖與功能圖5.2具體控制系統(tǒng)電路設(shè)計由于本次設(shè)計主要控制的是步進(jìn)電機(jī)進(jìn)而控制焊機(jī)焊槍的焊接運(yùn)動，而步進(jìn)電機(jī)是一個執(zhí)行元件，它是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 它廣泛地應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。本次設(shè)計中我們主要是用步進(jìn)電機(jī)控制X軸和Z的運(yùn)動狀況，而我們都知道步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就會驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，并使其按照一定的方向轉(zhuǎn)動一個步距角，當(dāng)初我們選擇的步進(jìn)電機(jī)的布距角是0.75，所以我們在設(shè)計控制電路時就需要控制8031每隔一定的時間