自动焊接机毕业设计方案.doc

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毕业设计方案

毕业设计方案

题目异型管自动焊接机

学院机械工程学院

专业机械工程及自动化

班级机自1000班

学生

学号

指导教师曹树坤

二〇一四年四月十三日

-9-

济南大学

学院机械工程学院专业机械工程及自动化专业

学生学号

设计题目异型管自动焊接机

一、选题背景与意义

1、国内外自动焊接发展背景

我国在焊接领域起步较晚，五六十年代随着重工业的发展，焊接设备也主要从前苏联引进。

发展到同苏联断交的七十年代，我国才陆续加强了在焊接领域的重视，建设了主要的焊接设备制造厂。

在发展初期，我国生产的焊接设备大多是比较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机等，多数都是人工或少数的半自动性质，在自动化程度上比较低。

进入80年代后，在我国大量引进成套焊接设备下，促使我国在焊接方面的成套性、自动化、设备精度等有了很大的提高。

1996年我国焊接机器人的数量到2001年达到1040台，其中弧焊机器人占49%，点焊机器人占47%，在自动化焊接技术方面如机械控制技术、PLC控制技术以及数控系统，焊接的自动化程度有了很大进步。

在焊接领域，我国同国外先进国家还是有很大差距。

在20实际80年代初期，工业机器人的应用在先进工业国家开始普及，1996年年底全世界服役的各类工业机器人超过68万台。

其中，焊机机器人大约为一半以上。

尤其说随着信息技术、计算机技术、自动控制技术的发展和应用，近10年来，在发达的工业国家，焊接设备的发展更是飞速。

如英、美、德和日本等过均有相当规模、先进的焊接设备生产企业。

在2001年的第十五届实际焊接与切割博览会上参展的焊接设备厂商多达百家。

当下，多数焊接设备采用最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。

广泛采用焊机机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、集成制造系统。

2、选题的意义与目的

在绿色观念的倡导下，由于焊接本身对环境和人体带来的伤害，加之我国当下焊接的手工化依然广泛存在，因此自动化焊接尤其是plc控制的自动焊接将会是大中型企业流水线焊接的确实需要，焊接作为机械制造业中仅次与装备加工和切削加工的第三大加工作业,对其进行机器人柔性加工技术及其相关的控制器PC化,网络化和智能化的应用研究已成为焊接自动化发展的必然趋势。

二、设计内容

1、设计内容研究

本次设计是异型管自动焊接机设计，在设计过程中，要求我们运用机电的知识完成，其设计的内容主要包括，机械手的设计、焊接机床的设计、异型管夹具的设计、电气系统设计等内容。

此次设计的焊接机械手实际是5-6自由度的关节机器人。

采用步进电机驱动、微机控制，结构紧凑，工作范围大，动作灵活，底座支撑部分采用机床结构设计，异型液压油管（水平面内在不同位置有弯度的油管）通用夹具设计。

在本次设计中主要遵循一下设计原则：

（1）高精度、高速度、高质量、高可靠性。

由于焊接加工越来越向着“精细化”加工方向发展，因此，焊接自动化系统也向着高精度、高速度、高质量、高可靠性方向发展。

这要求系统的控制器及软件系统有很高的信息处理速度，电气机械装置有很好的控制精度。

如，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度可达0.1mm，移位速度的控制精度可达0.1%。

（2）集成化。

焊接自动化系统的集成化技术包括硬件系统的结构集成、功能集成和控制技术集成。

现代焊接自动化系统的结构都采用模块化的设计，根据不同用户对系统功能的要求，进行模块的组合。

而且其控制功能也采用模块化设计，根据用户需要，可以提供不同的控制软件模块，提供不同的控制功能。

（3）智能化。

将现今的传感技术、计算机技术和智能控制技术应用于焊接自动化系统中，使其能够在各种复杂环境、变化的焊接工况下实现高质量、高效率的自动焊接。

智能化的焊接自动化系统，不仅可以根据指令完成自动焊接过程，而且可以根据连续实测焊接工件坡口宽度，确定每层焊缝的焊道数及相关参数、覆盖层位置等，而且从坡口底部到盖面层的所有焊道均由焊机自动提升、变道、完成焊接。

（4）柔性化。

大型自动化焊接装备或生产线的一次投资相对较高，在设计这种焊接装备时必须考虑柔性化，形成柔性制造系统，以充分发挥装备的效能，满足同类产品不同规格工件的生产需要。

（5）网络化。

由于现代网络技术的发展，也促进那里焊接自动化系统管控一体化技术的发展。

通过网络，利用计算机技术、远程通信技术等，将生产管理和焊接过程自动控制一体化，实现脱机编程，远程监控、诊断和检修。

（6）标准化、通用化。

系统结构、硬件电路芯片、接口的标准化、通用化不仅有利于系统的扩展、外设的兼容，而且有利于系统的维修。

本次设计内容为异型管的自动焊接机设计，包括机器人总体设计、机床总体设计、液压油管的夹具的设计、装配图和零件图的设计，并进行相关的计算和零件的校核。

在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的旋转运动，并不断填充金属形成焊缝。

因此运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。

一般情况下，焊接速度约取5-50mm/s，轨迹精度约为±（0.2-0.5）mm。

电气系统的设计就是运用机电传动的知识，即PLC系统进行控制，PLC控制系统有西门子系统，欧姆龙系统等。

2、预期研究结果

通过这次毕业设计和导师的教导，运用所学的知识，独立的完成异型液压油管自动焊接机的设计课程，使其能够满足异型液压油管焊接的技术要求，能实现自动化程度高、运行过程平稳、运行精度高的特点，通过毕业设计环节希望达到一下环节：

（1）焊接机器手臂部分能满足5自由度以上工作要求，实现定位精准。

（2）底座机床部分能根据强度校核实现稳固支撑,并能带动待焊接工件进行旋转。

（3）异型管夹具部分能夹持不同直径以及在不同位置有凹凸的圆管，夹具部分能带动圆管旋转以进行焊接。

（4）完成关键的设计和主要零部件的校核计算

（5）完成满足要求的plc异型管自动焊接机的装配图以及零件图的设计方案

三、设计方案

本次毕业设计设计的是异型管自动焊接机得设计，机器人系统包括：

由移动式或固定式的操作机、电源、控制系统以及操作并监控机器人的装置、外部设备或传感器的通讯接口所组成的机器人控制装置（硬件和软件）；末端执行器；机器人完成作业所需的外部设备、装置或传感器。

所用的外部设备均由机器人的控制系统管理。

机床底座的设计采用机床主轴旋转的设计方式以带动待焊接工件的匀速旋转进行焊接。

另外带焊接工件夹具则采用夹爪可延导轨左右调节的方式以满足异型管的通用夹具要求。

1、驱动方式的选择

目前所采用的方式是气压驱动、液压驱动、电动机驱动。

此次设计选用的是步进、伺服电动机。

步进电动机输出力较小，伺服电动机可大一些，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人。

控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响。

体积小，需减速装置。

维修使用较复杂，成本较高，效率为0.5左右。

2、焊接部分自由度的选取

根据工厂现有的自动焊接手臂的实例，本次设计将机器人机体分为5部分组成

（1）机器人底座：

机器人的底座是由两部分组成的，分为上下两部分，下部分的作用是固定和支撑，属于不动体，用螺丝固于与地上；上部分是一个转台作用是支撑和旋转，带动大臂以上部分做旋转运动，是圆弧形的。

（2）焊接机器人大臂设计：

大臂上的谐波减速器采用的是柔轮不动，刚轮动的方式；谐波减速器的刚轮与机器人的大臂用螺栓相连，柔轮通过支撑法兰固定在臂座上，驱动电机的输出轴用键与驱动轴相连，轴与套筒用键连接，并一同转动。

波发生器与套筒用法兰刚性连接，套筒通过键与固定在支撑法兰盘上的电磁制动器相联。

带内圈的从动刚轮与大臂壳体相固联。

因此大臂壳体与刚轮一起在轴承上转动。

这种伺服电机经谐波减速器减速后驱动的手臂关节结构紧凑，手臂的转角范围大。

（3）焊接机器人小臂设计：

小臂上的谐波减速器也采用的是柔轮不动，刚轮动的方式；谐波减速器的刚轮与机器人的大臂用螺栓相连，柔轮通过支撑法兰固定在臂座上，驱动电机的输出轴用键与驱动轴相连，轴与套筒用键连接，并一同转动。

波发生器与套筒用法兰刚性连接，套筒通过键与固定在支撑法兰盘上的电磁制动器相联。

带内圈的从动刚轮与小臂壳体相固联。

因此小臂壳体与刚轮一起在轴承上转动。

这种伺服电机经谐波减速器减速后驱动的手臂关节结构紧凑，手臂的转角范围大。

（4）机器人焊接手腕的设计：

本次设计选用手腕具有两个自由度的设计，即手腕可以作选装运动和上下摆动。

手腕的驱动电动机安装在大臂关节上，经谐波减速器用两级链传动将运动通过小臂关节传递到手腕轴10上的链轮4、5。

带传动6将运动经带轮4、轴10和圆锥齿轮9、11带动轴14（其上装有机械接口法兰盘15）作回转运动，带传动7将运动经带轮5直接带动手腕壳体8实现上下俯仰摆动。

当带传动6和带轮4不动，使带传动7和带轮5单独转动时，由于轴10不动，转动的壳体8将迫使圆锥齿轮11作行星运动，即齿轮11随壳体8作公转（上下俯仰夕），同时还绕轴14作附加的自转运动。

（5）焊接燃料导管：

综上所述此次设计的产品是五自由度的焊接机器人，因此它的未端执行元件是焊枪，随着气保焊的广泛运用，气体保护焊更容量实现自动化，因此我选用的是气体保护焊，用末端法兰盘将其固定于手腕末端。

下图为机器人示意图

3、机床结构设计

1、机床部分要求能够稳定的支撑起焊接手臂部分和异型管通用夹具部分，并且能够带动夹具及带焊接圆管旋转和上下调节。

2、另外为了满足机械手臂焊接不同位置的需要需要把焊接手臂安装在机床滚轴丝杠上使手臂可以左右滑动。

3、机床可以带动夹具上下小范围移动，以满足不同直径圆管焊接的需要。

机床与机械手臂安装部分设计：

机床部分如下图所示：

4、待焊接圆管说明

就是在不同位置有凹凸的长圆管，夹爪要能左右调节避开凹凸部分。

5、夹具部分设计

夹具同样是本次设计的重点，要满足这次设计的要求针对异型圆管（在水平面上在不同位置有弯度的圆管）进行焊接，因此这次自动焊接机夹具部分将采用两个夹爪可延导轨调节位置的设计方案。

6、电气设备概述

本焊接机械人可实现异型管的自动焊接的运动，即PLC和光电编码器相协调控制，程序的选择可在电气操作的转换由要安装在机器的传感器进行控制。

四、参考文献

[1]吴威，吴娟，蔡贺博.从式焊接机器人力觉临场感技术[J].焊接学报，1996，17

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