EVIfitting焊接設備的優(yōu)化畢業(yè)設計

1、 . 成教畢業(yè)論文（設計）題 目 EVI fitting 焊接設備的優(yōu)化設計 院 系 機電工程學院 專 業(yè) 機械設計與其自動化 班 級考生號指導老師大學成教畢業(yè)設計（論文）任務書學院：機電工程學院設計（論文）題目：EVI fitting 焊接設備的優(yōu)化設計指導教師倪俊芳 職 稱教授類 別學 生 姓 名學 號設計（論文）類型畢業(yè)論文專 業(yè) 名 稱機械設計與其自動化班 級11（1）班是否隸屬科研項目否1、設計（論文）的主要任務與目標本課題對EVI fitting 焊接設備進行優(yōu)化設計，使其達到縮短加工周期，提高焊接質量，易維護保養(yǎng)的目的。2、設計（論文）的主要容 1 熟悉焊接的基礎知識，尤其是熔化

2、極氣體保護焊的工藝。查閱國外最新的研究成果，結合實際工件的尺寸和焊接要求，整合出最優(yōu)的焊接參數。2 將原有設備改造成回轉工位(二工位)，回轉臺由伺服電機驅動保證精確定位。3 運用所學的控制方面的知識，對控制系統進行規(guī)劃設計，保證系統安全，準確，可靠的運行。根據生產流程，分配I/O點數，選擇合適的PLC型號。3、設計（論文）的基本要求綜合運用所學知識，獨立完成設計任務，具體地說，應培養(yǎng)以下幾個方面的業(yè)務能力： 1 改進方向在于引弧過程的改善，逆變焊接電源與多絲焊接的運用。 2 設計出能滿足工序要求的夾具，做到上下料簡便，且定位精確，換型方便。 3 熟悉梯形圖的編程。4、主要參考文獻 1 龔仲華，

3、史建成，毅.三菱FX/Q系列PLC應用技術M.：人民郵電，20062 王華坤，元勛.機械設計基礎M.：機械工業(yè)，2001 3 成大先.機械設計圖冊M.：化學工業(yè)，20004 春林，曲繼方，美麟. 機械創(chuàng)新設計M. ：機械工業(yè)， 20015 王元良，屈金山，胡久富. 高效節(jié)能的細絲自動焊接研究J.焊接技術，20006 馬躍洲.微機控制的IGBT逆變CO2電源J. ：工業(yè)大學學報，19997 鶴岐，田坤，王睿. 波形控制二氧化碳弧焊電源設計D. ：理工大學，20048 裕川.現代自動化專用設備設計概論J. ：現代焊接，20079 建民. 機電一體化系統設計M. ：理工大學，200110 魯遠棟.

4、PLC機電控制系統應用設計技術M.：電子工業(yè)，200611 朱熹林. 機電一體化設計基礎M. ：科學，200412 袁建國，愚，吳憲平.CO2氣體保護焊短路過渡電弧點焊薄板技術J.電焊機，200013 杜君文，鄧廣敏.數控技術M.：大學，2002.14 王潤孝,現生.機床數控原理與系統M.：西北工業(yè)大學,19975、進度安排設計（論文）各階段任務起 止 日 期1動員，熟悉課題參觀2013.10/08-10/122查閱焊接工藝和方案設計2013.10/13-10/303機械零件，電氣部分設計2013.10/31-11/154期中檢查11/16星期六一點鐘5整理主要數據，圖紙，PLC程序2013.

5、11/16-11/306完善和答辯12初畢業(yè)設計說明書(論文)中文摘要焊接在生產中的應用已日趨廣泛，如何進一步提高焊接質量與焊接效率、改善勞動條件已成為生產面臨的主要問題。根據加工工件的形狀、尺寸、精度等實際使用要求，對EVI fitting焊接設備進行總體規(guī)劃和分析，結合國外焊接工藝的研究成果對引弧過程進行優(yōu)化，主要設計出雙工位回轉工作臺與定位夾緊機構。設計方案縮短了EVI fitting焊接設備的生產周期并提高了焊接質量，也為其他焊接設備的改造提供了參考。The application of the welding in production is increasing widely. F

6、urther improvingof the welding quality, welding efficiencyand the working conditions has become a main course of manufacture.In this thesis, gives a blue prints and general analysis of EVI fitting welding equipment according to the real condition requirment such as the shape, the measurement and the

7、 precision. It also optimizes the procedure of striking arc based on the latest domestic and international research of the welding technics, and mainly discusses the design of double-operating position of the turn table including the clamps. The project abridges the cycletime, improving the welding

8、quality also gives a reference of other welding equipment optimization.目錄1 緒論71.1 課題研究背景71.2 國外研究狀況與分析71.3 本課題主要研究的容82 EVI fitting 焊接設備需求分析與總體設計92.1 工作流程與各個動作的周期時間92.2 設備結構與布局分析102.3 設備優(yōu)化設計方案113 焊接工藝改進設計133.1 逆變焊接電源應用與引弧優(yōu)化143.2 雙絲焊工藝以與保護氣164 機械結構設計184.1 回轉工作臺設計184.2 定位方式184.3 上下料夾具225 設備電氣控制245.1 系統

9、規(guī)劃245.2 電氣控制原理圖265.3 焊接過程程序設計27結論28致29參考文獻3036 / 36專業(yè)：機械設計制造與自動化 指導老師： 倪俊芳1.緒論1.1 課題研究背景近一百年來，焊接已成為應用最廣的工藝之一。在本世紀，很難找出另一種發(fā)展如此之快，并在應用規(guī)模和多樣化方面能與焊接相比的工藝。當代許多最重要的技術問題必須采用焊接才能解決，而且接頭要在各種條件，甚至極限條件下工作。本課題來源于艾默生環(huán)境優(yōu)化技術()的實際生產。在壓縮機的生產中，焊接作為最重要的一道工序對整個產品的質量有重要的影響，焊接接頭在密封的同時必須能夠承受一定的壓力。隨著EVI型號壓縮機的逐步暢銷，原有的EVI fi

10、tting 弧焊設備無論是在生產效率還是在焊接質量上都已經不能滿足要求，而且，此道工序處在整個流水線的中間，由于其時間過長導致生產線堵塞，已經成為整個生產線的瓶頸，對生產率造成很大影響。因此，急需對EVI fitting 焊接設備進行改造，將其加工周期時間從原來的46縮短到20以，并提高焊接質量。據初步估計，每年能為公司帶來千萬元的獲益。1.2 國外研究狀況與分析焊接已經從一種傳統的熱加工技藝發(fā)展到了集材料、冶金、結構、力學、電子等多門類科學為一體的工程工藝學科。而且，隨著相關學科技術的發(fā)展和進步，不斷有新的知識融合在焊接之中。焊接在生產建設中的應用已日趨廣泛，進一步提高焊接質量、改善勞動條件

11、、提高勞動生產率已成為所有焊接工作者的強烈愿望，而采用自動控制技術則是達到上述目的的正確途徑。尤其是低成本自動化設備，非常受歡迎。目前，世界各國都著重于提高焊接生產的機械化和自動化水平，盡量采用各種高效率的機械化、自動化的焊接方法、焊接設備與控制系統。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，各種焊接設備的智能化成果與產品已大量涌現出來，這是焊接設備的一個發(fā)展方向，也是焊接生產現代化的必然趨勢。而在焊接設備中所采用的微機控制系統，已由早期低檔的Z80、6502等單板機發(fā)展為目前常用的Mcs-51、96、PIC等系列的工業(yè)用單片機、PC工控機以與可編程控制器(PLC)1。我國焊接設備總的趨勢是向高效、節(jié)能、機電

12、一體化和成套方面發(fā)展。逆變式焊接電源所占比重越來越大。逆變式焊接電源由于具有焊接性能好、動態(tài)反應速度快、動特性好、效率高、焊接速度高、多功能、有利于實現焊接機械化、自動化和智能化的優(yōu)點，已成為弧焊電源的發(fā)展方向。據不完全統計，近年來，我國逆變焊機在品種、規(guī)格不斷增加的同時，其產量和銷售量每年以近30%的速度增長。 自動、半自動焊接設備，尤其是高效節(jié)能的CO2焊機將得到快速發(fā)展。近年來，通過焊接設備行業(yè)的自行開發(fā)、設計、引進技術和合資生產，我國的自動、半自動焊機的技術水平有了很大的提高。成套、專用焊接設備的研發(fā)水平得到加強，但是與國際水平相比，無論在經濟實力、技術水平還是管理水平方面都存在一定的

13、差距，因此我國的成套焊接設備制造企業(yè)不但要在提高技術、設計水平上做出努力，還要在企業(yè)質量管理、各種基礎件、配套件的選用方面下功夫，爭取在專用、成套焊接設備方面取得新的突破。1.3 本課題主要研究的容本課題對EVI fitting 焊接設備進行優(yōu)化設計，使其達到縮短加工周期，提高焊接質量，易維護保養(yǎng)的目的。包括以下幾個方面：a) 焊接工藝方面 熟悉焊接的基礎知識，尤其是熔化極氣體保護焊的工藝。查閱國外最新的研究成果，結合實際工件的尺寸和焊接要求，整合出最優(yōu)的焊接參數。主要的改進方向在于引弧過程的改善，逆變焊接電源與多絲焊接的運用。b) 機械結構部分的重新設計將原有設備改造成回轉工位(二工位)，回

14、轉臺由伺服電機驅動保證精確定位。設計出能滿足工序要求的夾具，做到上下料簡便，且定位精確，換型方便。c) 電氣控制運用所學的控制方面的知識，對控制系統進行規(guī)劃設計，保證系統安全，準確，可靠的運行。根據生產流程，分配I/O點數，選擇合適的PLC型號。并且畫出電氣原理圖，同時熟悉梯形圖的編程。2. EVI fitting 焊接設備需求分析與總體設計本焊機適用于1種高度的VR53型號(D=140mm)和1種高度的VR63型號(D=175mm)壓縮機，外形如圖 0.1所示，其中吸氣管和fitting成，fitting已經通過螺紋連接裝配到壓縮機上。為了防止漏氣需對連接處焊接密封，本設備要完成的就是這道工

15、序，要求保證焊接質量同時使焊縫外形美觀，接頭能通過靜態(tài)液壓測試，耐壓為1000psi，設備生產速度達到20s/臺(包括上下料時間)。圖 0.1壓縮機外形2.1工作流程與各個動作的周期時間2.1.1設備的工作流程：(1)在裝料工位操作員用氣動夾鉗夾緊壓縮機主體，旋轉90°裝夾到定位支承座上，并啟動吸氣管定位夾具自動動作進行粗定位。啟動裝料完成按鈕，大轉臺轉動將工件轉入焊接工位（雙工位工作臺，包括上料工位和焊接工位）。(2)機器自動焊接上夾具動作，fitting 孔定位銷下降進行精定位，焊槍到位開始焊接，同時下夾具轉盤旋轉(轉盤以fitting為中心由伺服電機驅動旋轉)。焊接完成后，轉盤

16、復位，同時上夾具，焊槍回位。如果啟動裝料完成按鈕則大轉臺旋轉180°將工件轉入卸料區(qū)，用氣動夾鉗夾緊壓縮機主體旋轉90°將工件放入輸送盤，重復以上過程實現連續(xù)焊接。 (機器所有動作皆具自動和手動功能)2.1.2各個動作的周期時間表 0.1分解動作時間分析工序時間分析上料14s可以看出，焊接過程的總時間是16s大于上料時間和下料時間。在焊接的同時進行上下料是可行的，但是必須需要兩個作業(yè)員，分別負責上料和下料。焊接的總時間小于20s，符合生產的要求。大轉臺旋入2s進槍(上夾具精定位)2s焊接(小轉盤回轉)12s退槍2s大轉臺旋出2s下料15s2.2設備結構與布局分析 機架形式主

17、要取決于所焊工件的形狀和大小，最常用的有：側梁式、立柱式、懸臂式、龍門式和立柱橫梁式等，機架的作用主要是安裝焊接機頭與其移動機構、焊件變位機械和夾緊支撐機構等。在設計機架時應進行機架強度和剛度的計算和校核，特別是懸臂式和立柱橫梁式機架，應保證焊接接頭在極限位置，并在最大的額定負載下，其橈度不超過1/1000。機架可以采用型鋼、板材等組焊而成，焊后經消除應力處理后再進行機械加工2。在設計焊頭移動驅動機構或焊件變位傳動機構時，首先應確定所選用的焊接工藝然后按照工藝要求的焊接速度控制精度和變速圍3。焊槍夾持器和調節(jié)機構是專用焊接設備的重要組成部分之一，其作用是使操作者能方便地將焊槍對準所焊接縫，并調

18、整至所要求的最佳位置。焊槍夾持器的結構取決于焊接工藝方法和焊槍的外形尺寸。焊件的夾緊機構對保證焊件的焊接質量和提高焊接效率起著十分重要的作用。例如薄板的拼接和薄壁筒體縱縫的焊接，為達到焊后無變形的效果，必須采用琴鍵式壓緊機構，對于薄壁筒體環(huán)縫的焊接通常采用氣動卡盤和氣動對中機構。同時，在機械設計中經常要考慮的環(huán)境因素很多，如溫度、濕度、照明、噪聲、振動、粉塵、風力與有毒物質等。隨著人類生產活動領域的擴大，影響因素還有失重、超重、異常氣壓、加速度與電離輻射等，還應考慮到人的心理和生理條件，如人體尺度、人體力學、人對各種信息的反應敏感程度、對環(huán)境條件的承受能力、對形狀和色彩要求等。設計時必須全面考

19、慮各種條件和要求，進行綜合分析和決策，求得正確的解決方案4。本設備由工作臺與機身，大工作轉臺、焊接旋轉工裝、焊槍自動移動機構、焊接電源、電氣控制系統構成。設備的行程空間在設計時有一定的靈活性，考慮到為長度比現有型號還長25% 的壓縮機留有一定的空間。所有測量儀和壓力表都安裝在利于操作員觀察的位置，控制閥必須帶有壓力表。(1) 工作臺與機身：鋼結構焊接件，焊接后整體采用人工回火處理，并經精加工而成保證機架長時間工作后精度不因應力變形而受到影響。工作臺為整體加工件，保證其工作面的平面度。(2) 轉臺：由日本三菱PLC控制安川伺服電機驅動主軸旋轉，由定位夾具、定位氣缸與定位銷等組成。設備的工裝夾具嚴

20、格按要求熱處理并保證其加工精度；所有定位夾具都需經表面熱處理，保證零件的尺寸公差。(3) 焊槍自動移動機構：由焊槍單獨(X、Y、Z)方向可調節(jié)機構，焊槍移動機構等幾部分組成。(4) 焊接部分:由松下MAG焊接電源 ，賓采爾水冷式焊槍組成。2.3設備優(yōu)化設計方案 2.3.1焊接工藝改造方案焊接工藝是指焊接過程中的一整套工藝程序與其技術規(guī)定。容包括：焊接方法、焊前準備、裝配、焊接材料、焊接設備、焊接順序、焊接操作、焊接工藝參數以與焊后處理等。對焊接工藝的改進主要是為了提高焊接質量與焊接速度5。用混合氣體75-95% Ar + 25-5 % CO2，(標準配比：80%Ar + 20%CO2)做保護氣

21、體的熔化極氣體保護焊，稱為MAG焊。本設備采用這種焊接工藝，焊接時當焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸(短路過渡)時，由于強烈過熱和磁收縮的作用使熔滴爆斷，產生飛濺，對焊縫質量與外觀都有影響。對焊接工藝的改進主要集中在減少焊接過程的飛濺，在等速送絲系統下，當弧長變化時會引起電流和熔化速度變化，電源電弧系統的自身調節(jié)就是為了使弧長保持穩(wěn)定。使用的焊絲直徑越細，電弧的自身調節(jié)作用越強，電弧越穩(wěn)定，飛濺越少，這就是MAG焊接用細焊絲的原理。同時焊機的輸出電抗器和波形控制也可以將飛濺降低至最小程度。MIG/MAG焊接中，當焊接電流低于臨界電流值時，如果采用帶脈沖的電源，其脈沖電流仍然大于臨界電流值，電弧便能

22、呈射流過渡狀態(tài)，實現無飛濺焊接6。綜上所述，對焊接工藝的改進主要是針對焊接電源，雙絲焊參數調整與引弧過程的優(yōu)化。 2.3.2機械結構改造方案與比較EVI fitting 焊接設備是生產線的瓶頸工作站，從各個動作的周期時間可以看出，時間大部分都浪費在上下料的操作上。由于焊接時間12秒是固定的，為提高生產效率只能降低上下料的時間。從前文所述的設備工作流程中可以看出，對設備的改造主要是回轉工作臺的設計，在焊接的同時，也可以進行上下料的操作，這樣，整個的周期時間就縮短為焊接時間加上工作臺回轉的時間。上下料機械手的設計也是重要的部分，必須要做到使用方便，符合人機工程，使上下料的總時間壓縮至焊接時間之。三

23、工位回轉臺的方案如圖 0.2所示。在設計初期，對回轉工作臺的二工位還是三工位設計進行了比較，同時對于是否采用全自動上下料機械手進行了探討。 圖 0.2 三工位回轉臺與自動上下料機械手示意圖相對于二工位方案，三工位方案在操作空間與焊接速度上具有優(yōu)勢，兩個機械手分別負責上料和下料也可以保證互不干涉，但機械手抓取時工件的定位可能會容易出現偏差，因為工件在流水線上傳輸過來的時候難免會有晃動，導致每個工件的位置都不一樣。另外，三工位的回轉臺只能順一個方向旋轉，不像二工位的一樣可以正轉一次反轉一次交替。焊接設備包含大量的電氣管道，冷卻水管路等，工作臺不可能順著一個方向轉。不過三工位的方案，理論上可以采用電

24、刷機構保證回轉運動，但是考慮價格以與可維護性，最終方案定為二工位回轉工作臺和手動氣控夾鉗平衡吊。3.焊接工藝改進設計常規(guī)的MAG焊接方法的效率與傳統的焊條電弧焊相比提高了34倍，因此，通常將其視作高效焊接法。但近期通過對MAG焊電弧和熔滴過渡的深入研究，MAG焊電源和設備的改進，優(yōu)質焊絲的開發(fā)和保護氣體配比的優(yōu)化，使MAG焊的熔化率超越了原有的極限，對高效MAG焊賦予了全新的概念。3.1逆變焊接電源應用與引弧優(yōu)化為了保證焊接電弧穩(wěn)定燃燒和適應各種焊接工藝要求，弧焊電源具有下列特殊要求7：(1)弧焊電源的靜特性(或稱外特性)即穩(wěn)態(tài)輸出電流和輸出電壓之間的關系，有下降特性(恒流特性)和平特性(恒壓

25、特性)。(2)弧焊電源的動特性即當負載狀態(tài)發(fā)生瞬時變化時(如：熔滴的短路過渡、顆粒過渡、射流過渡等)，弧焊電源輸出電流和輸出電壓與時間的關系，用來表征對負載瞬變的反應能力。逆變電源被稱為明天的電源，其在焊接設備中的應用為焊接設備的發(fā)展帶來了革命性的變化。逆變焊接電源有著動態(tài)反應速度快的優(yōu)勢，其動態(tài)反應速度比傳統工頻整流焊接電源提高了23個數量級，有利于實現焊接過程的自動化和智能控制。波形控制工藝(PMW)的獨特概念反映了逆變換流器變壓電源的特色。如圖 0.1所示，焊接的能源輸出被一個高速的放大器放大?？刂颇茉摧敵龅能浖ㄟ^優(yōu)化輸出，為焊接提供了各種熔滴過渡形式所需的最佳電流波形。圖 0.1 逆

26、變電源的波形控制電流波形中九種重要的組成部分如圖 0.2所示可以準確的控制波形的輸出特征量。而各部分之間的交互作用決定了波形具體的輸出特征。圖 0.2 脈沖波形其中，上行斜率決定了從基值電流到峰值電流的增長速度，其在焊絲末端形成熔滴過程中起重要作要，以A/ms為單位，最大可以達到1000A/ms。當斜率增加時，電弧的硬度也會增加。斜率越大硬度越大，電弧的噪聲也會越大，減小這個增長率就會使得噪音減小。峰值電流時間表示的是電流處在峰值時的時間，它和熔滴的大小有關，以ms為單位。峰值電流時間增加，熔滴變小。峰值電流減少，熔滴變大。傳統的期望值是每次脈沖峰值來臨時將會有一個熔滴轉移，電流處在峰值的實際

27、時間在不到1ms到超過3ms的圍變動。峰值電流增加，平均電流值也會增加，熔深也會增加。在實際的焊接中焊絲伸出長度(即干伸長度)越長，焊絲的電阻量越大，由電阻熱消耗的電流越大，焊接電流顯示值越小，實際焊接電流也變小。對于MAG焊接，焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸(短路過渡)，由于強烈過熱和磁收縮的作用使熔滴爆斷，產生飛濺，影響焊接質量和焊縫外形。試驗結果表明，焊接飛濺主要來自焊接引弧過程。 因為從焊接引弧到穩(wěn)定的射流過渡需要一定的時間，在未達到穩(wěn)定射流過渡之前的熔滴過渡形式為不規(guī)則的短路過渡與大顆粒過渡的混合，所以會產生大量的焊接飛濺，即引弧過程是不穩(wěn)定的過程。 焊絲末端固態(tài)金屬熔球直徑越大，熔球

28、與工件相接觸面積越大，電阻值越小，接觸電阻熱也就越小。另外，固態(tài)金屬熔球直徑越大，焊絲伸出長度部分的熱容量也就越大，如圖 0.3示。圖 0.3 焊絲與工件接觸工況圖中A點附近焊絲的溫度也就低，而焊槍導電咀與焊絲的接觸點B處電阻熱較多，則易在B點附近過熱爆斷。這時爆斷的焊絲長度大于維持電弧燃燒的長度，所以電弧無法建立。于是焊絲再短路，再爆斷，如此反復幾次直至被爆斷的焊絲長度等于或小于維持電弧燃燒長度，電弧建立。焊絲末端固態(tài)金屬熔球直徑小，A點接觸面積小，通過接觸面的電流密度增加，電阻熱增加。另一方面，熔球尺寸小，熱容量減少，這使得焊絲易在A點附近過熱爆斷，爆斷長度短，電弧易引燃。因此，調節(jié)電源外

29、特性可以方便的提高焊接質量。提高短路電流增長速度，主要是改善電源的工作狀態(tài)。在整流焊機中往往利用電流電感調節(jié)焊機的動態(tài)特性，以便減小飛濺和改善成形，但是卻降低了，而降低了引弧功率。為此，在引弧時常常利用旁路電路將直流電感短接，而引弧成功后再將該電感接入。但是當逆變焊機出現后，充分利用電子電抗器調節(jié)電源動特性，選用很小的直流電感，所以勿需采用上述方法，都可以得到很可靠的引弧過程。3.2雙絲焊工藝以與保護氣焊接時保護氣用于保護金屬熔滴以與熔池免受外界有害氣體(氫、氧、氮)侵入，防止氣孔的形成，小電流焊接時，氣體流量不能太小，氣體流量太小，焊縫周圍被氧化發(fā)黑的程度越高。本設備焊接過程中氣體流量定為1

30、0-15L/min。雙絲焊是在同一個熔池和保護氣體下，同時使用兩個電極進行焊接的技術，它可以極大限度地提高效率，減小焊接變形，提高焊縫表面質量。在單絲MAG焊接中,提高焊接速度是很有限的，因為增加焊接速度必須伴隨著電弧電壓的升高，熔池變得難以控制。雙絲焊接中每一個電極必須有單獨的電源，兩根焊絲的熔滴形成與短路時間要精確控制，如圖 0.4所示，前一個電弧電流稍大些讓冷的母材金屬加熱熔化，熔池由緊隨而來的第二個電極電弧填上。注意的是保護氣應該延后斷氣，且兩電極相互絕緣，焊槍也要配備強大的雙冷卻系統。圖 0.4 熔滴過渡時間配合對于本設備，由于接頭處較小，采用直徑0.8mm的焊絲，主電極電壓為22V

31、 ，電流為110A，焊絲熔化速度為0.5m/min。從電極電壓為23V，電流為100A，焊絲熔化速度為0.4m/min。因為沒有試驗證實，故對參數的設計大多是理論和經驗上的估計，參數的配合還需要在實際生產中不斷調整，但是雙絲焊接的前景以與優(yōu)勢還是不容置疑的。4機械結構設計 4.1回轉工作臺設計 回轉工作臺是本文創(chuàng)新之處，為了滿足焊接工藝要求重新設計，焊接過程中工作臺承載工件作回轉運動。從工件的外形如圖 0.1可以看出，fitting的直徑與壓縮機直徑比例懸殊，達到了1：20，從理論上看，讓壓縮機的殼體繞著這么小的fitting的中心旋轉似乎有點得不償失，畢竟如果換成是焊槍旋轉而工件不動的話可以

32、更加迅速的完成焊接(已有設備的方案)，但是從焊接實際的情況來看，焊接質量經常達不到要求，電弧在回轉過程中不可避免的會產生晃動。因此，本課題重新設計焊接工藝，讓工件做回轉運動而焊槍保持不動，這必然導致生產效率降低。為保證生產效率，將工作臺設計成二工位，即在大回轉工作臺的上面安置兩個工位小回轉工作臺，在焊接的同時進行上下料。小回轉工作臺承載工件，fitting的中心與小工作臺的中心重合。殼體繞fitting的轉動可以轉化成工作臺的自轉。4.1.1小工作臺組件圖 0.1 小工作臺組件小工作臺組件是本設備設計的重點，主要包括伺服電機，渦輪蝸桿減速器，轉臺，轉軸與軸承套等部件。三菱PLC配合安川伺服系統

33、進行自動控制，系統工作穩(wěn)定可靠。傳動部分部件采用高精度機器加工，保證加工質量，使焊接過程平穩(wěn)，減小轉軸徑向跳動，同時伺服控制可以做到無級調速8。裝配圖如圖 0.1所示。工作臺右側所示調節(jié)螺栓用來調節(jié)下定位模具同軸度。伺服電機水平安放，首先是考慮到伺服電機轉速較大，整個系統的減速比在600：1左右，必須采用渦輪蝸桿減速器，其次是因為水平安放能更好的防止雜質對電機部的危害，更好的保證電機的運轉精度。電機軸與渦桿的連接采用剛性套筒聯軸器，因為轉矩很小，用圓錐銷固定。對于高速伺服電機，電機軸的扭矩較小，而由于fitting處于轉盤中心，轉盤的直徑必然要做成那么大，為680mm。為了換算到電機轉軸上的轉

34、動慣量減小，小于電機的額定轉動慣量，轉盤的重量盡量輕，預計為50kg。轉軸由軸瓦和圓錐滾子軸承支撐，可以平衡渦輪徑向力對軸徑向的沖擊，使用兩個圓錐滾子軸承是為了更好支撐，采用背對背安裝可以相互平衡軸向力。軸承的型號是30212，徑為60mm.外徑為110mm。鎖緊螺母加套筒不但可以對軸承軸向定位還能施加一定的預緊力防止在運轉過程中轉軸軸線的漂移。4.1.2伺服電機選擇與驅動方式本題中的三個電機選擇方法一樣，本文以小工作臺的電機選擇為例說明。數控機床的伺服系統目前采用的電機一般有步進電機，直流伺服電機，交流伺服電機。對于本設備，對于位置的控制精度要求較高，位置的定位直接關系到焊接質量?？紤]到步進

35、電機在高速時，輸出力矩會急劇下降，運行不穩(wěn)定。因此此處采用交流伺服電機，一方面為了以后閉環(huán)控制系統的改進留有余地，另一方面也能充分保證運行的可靠性9。a)伺服電機容量的初始選擇選擇條件：負載轉矩<電機的額定轉矩 滿負載轉動慣量<3伺服電機轉動慣量對工作臺轉速的要求 渦輪蝸桿減速器的傳動比選為 ，伺服電機自帶減速器傳動比為5：1，故系統傳動比. 1)計算負載轉矩轉換到電機軸上的等效值和負載慣量轉換到電機軸上的等效值將負載轉矩轉換到電機轉軸上，(4.1)工作臺驅動方式如圖 0.2所示，電機轉軸經過減速器、聯軸器、軸承，有效率損失，假設。工件的高度為320mm，小工作臺的直徑為680mm

36、，負載的重量為50kg。圖 0.2 驅動方式式中，(4.2) 工件在工作臺的一側繞工作臺中心回轉，如圖 0.3圖 0.3 轉動慣量計算示意圖 (4.3) 其中R=130mm,= 140mm，= 20kg式中， ， ， 表示渦輪的直徑，對于減速比達到120：1的減速器來說，最小的渦輪齒數為120(當頭數為1時)，一般取模數 ，將負載的轉動慣量轉換到電機轉軸上， ，滿足考慮到安全系數，初步選擇電機的額定功率為400w，具體參數如表 0.1所示。表 0.1 安川伺服電機型號伺服電機型號伺服電機轉動慣量減速比輸出(w)額定轉速(r/min)額定扭矩(N*m)SGMAH-04AAJ140030

37、001.271：52)加速和減速轉矩(4.4)(4.5)其中，選擇伺服電機時，加速轉矩等于空載時最大轉矩減去摩擦轉矩，應該考慮負載慣量與電機慣量匹配，一般交流伺服電機。根據電機位置控制精度要求，電機加速時間定為50ms，定位時間為，運行模式如圖 0.4所示。圖 0.4 伺服電機運行模式與加減速轉矩圖中，上行斜率表示電機從啟動到穩(wěn)定轉動的加速度。當使用指令脈沖串運行伺服電機時，在加速過程中指令脈沖和反饋脈沖的差被稱為滯留脈沖，需要調整時間直到電機停止10。3)負載轉矩(轉換為電機軸上的等效值)0.344) 加速與減速所必須的伺服電機轉矩，(4.6)(4.7)代入公式計算，綜上，SGMAH-04A

38、AJ1滿足系統要求，且電機是恒轉矩工作，即負載功率或者轉矩低于電機的額定功率額定轉矩就可以保證系統運轉安全。b)伺服放大器根據選定的伺服電機的型號，選擇安川SGDM10ADA伺服放大器。本設備主要對位置精度進行控制，采用17位絕對位置編碼器，只需要進行一次原點設置，在電源開啟和報警發(fā)生時就不需要再進行原點回歸11。4.1.3轉軸軸的結構設計就是確定軸的結構、各部分的直徑和長度尺寸。設計時應滿足下列基本要求：保證軸與軸上零件有準確的工作位置，固定可靠；軸上零件的裝拆和調整方便，軸具有良好的制造工藝性；軸的結構有利于提高軸的強度、減輕應力集中等。由于傳動比較大采用渦輪渦桿減速器，具有結構緊湊，傳動

39、平穩(wěn)，易自鎖等優(yōu)點，傳動比i=120。由電機參數可知，在恒轉矩的情況下，電機軸的輸入功率由負載而定，轉速，負載連續(xù)運轉扭矩轉換到電機軸上為，則。查機械設計手冊得聯軸器的效率為，渦輪蝸桿減速器的效率為，軸承的效率，則轉軸的功率，轉矩。a)初估軸的直徑選取軸的材料為45鋼，調質處理，查表取，得b)選擇輸出軸連接方式兩端使用鍵槽分別與回轉工作臺與渦輪連接。 圖 0.5 軸的結構c)軸的結構設計1)擬定軸上零件的裝配方案：如圖 0.5所示，段與轉盤用過鍵槽連接，段支撐轉盤，用螺釘鎖緊，段安裝軸承座與圓錐滾子軸承，軸承座通過螺栓與機架連接，同時螺栓應方便同心度與同軸度的調節(jié)，軸承座對軸承周向定位。-段裝

40、軸承端蓋，并用鎖緊螺母鎖緊，段安裝軸瓦，起支承作用。段通過鍵槽與渦輪連接輸入轉矩。 2)由圖 0.1可以看出，此處軸主要受扭矩作用，且各處均等于額定轉矩,在輸入處由于是渦輪蝸桿減速器必然還受渦輪徑向力的影響，但此減速器是標準件，可以明確的是，在輸入出受到的彎扭合力最大，故對此處進行校核。由于不能確定減速器處蝸桿對渦輪徑向力的大小，只能近似的按照扭轉條件估算，用降低許用扭轉剪應力的辦法來補償彎矩對軸強度的影響。軸受扭轉時強度條件是：(4.8)式中：取40，由上式可以推出軸的直徑因此，各段軸的直徑如圖 0.5所示，能滿足強度要求。段與轉盤配合，。3)軸上零件的周向定位段查手冊選用平鍵，鍵槽長33m

41、m，轉盤與軸的配合為H7/n6；段渦輪與軸的聯接，用平鍵，鍵槽長80mm, 配合為H7/n6。圓錐滾子軸承通過軸肩和鎖緊螺母進行軸向定位。4.2定位方式工件外形如圖 0.1，焊接時以吸氣管作為粗定位，上夾具對fitting的定位作為精定位，工件在工作臺上由V型架固定壓縮機殼體，限制四個自由度，再另由一端面限制軸向的移動，當上定位組件壓緊時可實現對壓縮機的完全定位。在定位夾具的設計上，上夾具的精定位是難點，下文將會詳細說明。 4.2.1上定位組件如圖 0.6所示 ，上定位組件主要由左右移動氣缸，導軌，上下移動氣缸，上下移動導向軸等組成，上定位組件是保證工件正常焊接的關鍵部位，上定位頭下行到位使f

42、itting定位但卻不壓壞fitting是設計中必須注意的環(huán)節(jié)。圖 0.6 上定位組件設計初期，考慮的比較簡單，氣缸直接通過氣缸連接軸定位fitting。按照質量控制要求，要保證fitting的同心度，定位銷深入的長度越長越長精度就越高，同時不能壓壞fitting ，定位銷的尺寸如圖 0.7所示，必須保證銷伸入段的長度和銷的直徑，從而使回轉順暢。但是，從氣缸連接軸的結構來看，fitting定位銷的安裝就比較困難，在我看來很難保證銷子能很精確的對到中心。而且，氣缸行程的調節(jié)精度也達不到要求，每次調節(jié)氣缸的行程都會很麻煩。當換型的時候，我們不大可能去調節(jié)氣缸，我想到了加導向軸，如圖 0.6所示，換

43、型的時候，將氣缸下行到位，然后松開導向軸邊上的鎖緊螺釘，微調導向軸即可。圖 0.7 定位銷定位銷的安裝正好可以轉到導向軸上，最重要的就是保證fitting對中不斜不偏。目前的設計比較繁雜，但是還算合理。設計時，我用由下到頂的設計方法，首先銷子不能直接和導向軸通過過盈配合連接，因為要換型。但同時銷子要能在氣缸來回的上下移動后不至于掉落。銷子與銷孔的配合只可以是過渡配合，同時必須在外側加保護套。如圖 0.8示意圖所示為銷子保護套的外形。圖 0.8 保護套外形同時，對于定位頭，原則上應該能夠自由轉動，微調的時候尤其有用處，而直接將銷裝配到氣缸連接軸上顯然達不到要求。導向軸末端應該裝有軸承，并且用軸承

44、套周向定位，考慮到以上眾多因素，設計已經基本成型，如圖 0.9所示。用兩個圓錐滾子軸承一方面考慮相互的預緊力，另外兩個軸承支撐使轉動更加穩(wěn)定，軸向力也能相互抵消。圖 0.9 定位頭組件對于左右移動和上下移動氣缸的選擇，曾經考慮過使用機械接觸式無桿氣缸，此氣缸的優(yōu)點是結構較緊湊，氣缸表面直接可以作為滑臺，但是考慮到上下移動氣缸和左右移動氣缸同時使用此系列的話不便于氣缸的安裝，且維護不便，價格昂貴。因此，為統一備件，從設計角度和經濟角度考慮，采用普通拉桿式氣缸。為使運動少受干擾，對滑動導軌和氣缸加裝保護罩。為簡化設備移動機構中沒有設計前后移動氣缸，因此，在制造設備時必須保證上定位夾具正對fitti

45、ng的中心，且固定不變。對于左右移動氣缸和上下移動氣缸行程螺母調整到位后必須鎖緊。4.2.2下定位組件下定位模具是采用典型的V型塊加面定位原理，如圖 0.10所示。圖 0.10 下定位組件當壓縮機殼體被夾具放置到工作臺上以后，吸氣管擱置在定位槽，定位槽設計由電木材鑲成，主要是保證吸氣管不被磨損，槽裝有小氣缸，氣缸伸縮端配合有含油軸承，保證伸縮自如，氣缸伸縮端伸入吸氣管作為粗定位。整個下定位模具通過六角螺釘鎖緊在工作臺上，為保證平面度以與保證fitting處在工作臺正中央，需要圓柱定位銷進行粗調整，同時在工作臺面四個方向上分別安裝微調螺母調節(jié)。整個模具的長度不可變，因為工作臺表面不是傳統的開有眾

46、多T型槽的設計，螺釘鎖緊以后調整較麻煩。對于長度不同的工件，左端面設計時以較大的工件尺寸為依據，對于換小型號時可以調整左定位端面的墊塊。吸氣管與fitting始終是處于同一圓周上，吸氣管定位完成后，fitting必然也始終處在工作臺的中心。 需要值得注意的是，吸氣管定位氣缸的輸入輸出問題，本來的想法是在工作臺轉軸上開孔，那樣在回轉的時候氣管不會繞亂。在軸上開較長的通氣孔，制造難度比較大，雖然對于主要受扭轉力的轉軸來說，開孔后強度會更大?，F在的方案還是在外部通氣管，因為回轉工作臺可以間隔正反轉，只要將氣管稍微加長即可。從定位角度看，V型塊加吸氣管已經可以限制六個自由度，加上上定位夾具，屬于過定位

47、，因此，吸氣管定位氣缸粗定位過后應該縮回，最終靠V型塊限制四個自由度，上定位限制兩個自由度。4.3上下料夾具上下料夾具采用手控氣動夾鉗平衡吊系統。外形如圖 0.11，工件在流水線上是豎立狀態(tài)，吸氣管正對設備，在進入焊接工序前旋轉，為夾取做準備。本機械手的功能就是將壓縮機殼體翻轉，且吸氣管與fitting的角度是，夾取時必須正對fitting?？紤]到整個設備應該只能算是半自動化設備，需要人力操作，因此將夾具設計成手動操作，成本較低，便于維護又不會增加額外的勞動力。整個夾具的設計考慮到人機工程原理，便于操作，使用者只要操作平衡吊機械手正對fitting夾取，按氣動開關使夾具夾緊，拔出裝在體柄上的銷

48、(處于安全角度考慮加裝的)，握住圓形手柄，順角接觸軸承順勢旋轉，旋轉后碰限位擋塊停止旋轉。主體結構設計成細長，防止了操作員視線被擋，因為夾取時必須正對fittin。采用雙頭氣缸，控制夾子夾緊松開，對于不同外徑的壓縮機在夾具側加墊塊，方便換型。圖 0.11 上下料機械手旋轉部分如圖4.12所示將主體分成兩部分，通過角接觸軸承聯接，承載軸向力，并用自鎖螺母鎖緊。上下部分接觸處裝滾柱軸承降低轉動時的摩擦，并用銷防止轉動失控，銷的伸入拔出通過壓簧連接到手柄處，可以使操作時更加方便。機械手上的定位銷的機構設計還處在原理階段，設計意圖為：把銷的控制裝置安裝在手柄上，這樣，當提取壓縮機旋轉以后，順手就能將銷

49、插入銷孔。而當需要拔出銷的時候也能很方便的動作。鎖緊螺母與角接觸軸承之間不可避免的存在摩擦，而且就整個機構來說，整個壓縮機的重量全部通過螺母和軸承壓在機械手的上部，螺母的鎖緊是關鍵。圖 0.12 機械手旋轉部分設計圖5設備電氣控制電氣控制是實現生產自動化的保證，也是機電一體化系統安全，準確，可靠運行的前提條件?？刂葡到y設計必須以滿足生產工藝要求，保證系統安全，準確，可靠運行為準則，并通過科學的方法與現代化的手段進行合理的規(guī)劃與認真的設計。PLC控制系統的工程設計一般可以分為系統規(guī)劃(總體設計)，硬件設計，軟件設計等。在設計中應遵循如下基本設計原則：1) 實現設備生產工藝的全部動作2) 滿足設備

50、對產品加工質量與生產效率的要求3) 盡可能簡化控制系統的結構5.1系統規(guī)劃系統規(guī)劃應根據控制要求與功能，確定系統的實現措施，由此確定系統的總體結構與組成。包括：選擇PLC的型號，規(guī)格；確定I/O模塊的數量與規(guī)格。根據本設備的焊接工藝和流程，在整個生產過程中，需檢測的開關輸入量有18個，開關量輸出12個，考慮到選用的PLC點數應有10%的冗余16，所以在本系統中選用三菱公司生產的FX1N-40MT的PLC，其部分性能指標如表 0.1所示 。表 0.1 FX1N PLC 部分性能參數項目性能指令處理速度0.550.7輸入輸出點數最大輸入/輸出點數：128點編程語言指令表，梯形圖，步進梯形圖輔助繼電

51、器一般用M0-M383，共384點保持型M384-M1535，共1152點特殊型M8000-M8255，共256點數據寄存器16位通用D0-D127，共128點16位保持D128-D7999，共7872點文件寄存器D1000-D7999區(qū)域參數設定，最大7000點FX1N系列PLC在FX系列中屬于性能中等，可以適用于大多數簡單機械控制的小型PLC系列產品。用戶程序的最大存儲容量為2000步，可以在輸出端Y0/Y1上輸出100KHz的定位脈沖信號與方向信號，通過帶位置控制功能的伺服驅動器進行定位控制。通過選用FX1N-5DM或FX1N-10DM顯示擴展模塊，可增加PLC顯示和外部顯示，同時FX1

52、N還可以使用FX2N系列的I/O擴展單元與擴展模塊。綜上所述，FX1N系列PLC從輸入輸出點數，程序的容量，數據的后備能力等都很實用，以其緊湊的結構與其適用生產現場的安裝使用，完全能滿足焊接流程的要求。I./O點數分配如表 0.2所示。表 0.2 I/O點數分配24+FX1N-40MTLCOMNCOM系統啟動X0COM手動正傳X1Y0脈沖信號緊急停止X2Y3氣源開啟壓緊原位X21Y7脈沖清除壓緊到位X22Y11伺服開啟焊槍到位X23Y12異常復位焊接起點X6Y13正/反轉旋轉到位X7Y14引弧指示焊槍進/退X10Y15系統報警自動/手動X11Y16原點指示手動起弧X12Y17旋入定位上下X13

53、Y04壓緊工件原點回歸X14Y05左右移動旋轉啟動X15Y06焊槍進退壓緊/松開X16手動反轉X17氣動開關X20伺服報警X24X255.2電氣控制原理圖圖 0.1 電氣原理圖從圖 0.1可以看出，焊機焊接電源以與送絲機構采用三相380V交流電，通過交流變壓器將三相380V電壓變?yōu)槿?00V，供給電機，PLC電源則是24V直流電。控制系統采用三菱FX1N-40MT系列PLC配合安川伺服系統進行自動控制，整體的電氣布局如圖 0.1，PLC輸出端信號輸入伺服放大器CN1端，伺服放大器CN2端連接伺服電機編碼器，控制電機運動。光電編碼器，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。這是目前應用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成17。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉時，光柵盤與電動機同速旋轉，經發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數就能反映當前電動機的轉速。此外，為判斷旋轉方向，碼盤還可提供相位相差90º的兩路脈沖信號，脈沖信號與反饋信號比較就可以反映當前的位置。本設備伺服放大器參數設定如表 0.3所示。表 0.3 伺服驅動器參數設