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立式环缝自动焊接机虚拟设计论文

摘要

气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧焊方法,焊接效率及焊接质量均较高,主要应用于船舶的外壳板的中厚板焊接，也可应用于相应尺寸的桥梁箱式梁腹板及大型储罐侧板的中厚板的焊接。

为了提高快速响应能力，必须实现快速虚拟设计。

本论文首先介绍了气电立焊机，包括它的原理、特点、工艺特点，并介绍了其设备和用途，详细介绍了船体气电自动立焊机。

其次，我们完成了丝杆的三维建模。

另外，为了应对繁多的齿轮传动，我们专门开发了PRO/E参数化齿轮建模方法，完成了参数化齿轮建模。

综合运用PRO/ENGINEER软件、CAXA软件、AUTOCAD软件，我们完成了轴承三维模型的创建。

利用PRO/E的零件族表功能，我们完成了大量标准件的三维建模，诸如轴承、螺栓、垫片、螺帽等等。

然后，我们在PRO/E中进行机构运动仿真，介绍一些具有代表性的装配过程，这些装配过程用到了一些实用的装配技巧。

我们介绍了基本装配约束，多个螺栓的重复性装配，链条的阵列化装配，装配件中的改名操作，轴组件的装配。

最后，我们进行了机构运动虚拟设计。

把各个零部件通过装配模块组装成一个完整的机构后，在PRO/E中直接启动机构运动分析模块，定义机构中的连接，设置伺服电机，分析运行机构，观察机构的整体运动轨迹和各零件之间的相对运动，进行运动仿真举例，最终能将机构运动录制成JPEG格式的动画。

关键词：

气电立焊；三维建模；虚拟设计；仿真

Abstract

Electro-gasweldingisakindofmeltingbytheordinarygasmetalarcweldingandelectro-slagweldingdevelopmentandtheformationofpolargasshieldedarcweldingmethod,weldingefficiencyandweldingqualityishigh,thickplateweldingoftheshellplateismainlyappliedtotheship,butalsocanbeappliedtothecorrespondingsizeofbridgeboxgirderwebsandlargestoragetanksideweldingofplate.Inordertoimprovetherapidresponsecapability,toachieverapidvirtualdesign.

Thispaperfirstlyintroducestheelectro-gasweldingmachine,includingtheprinciple,characteristics,itsprocesscharacteristics,andintroducestheequipmentanduse,detailsoftheshipbodyelectricautomaticverticalweldingmachine.

Secondly,wecompletedthethree-dimensionalmodelingofwirerod.Inaddition,inordertodealwithvariouskindsofgeartransmission,wespecializesinthedevelopmentofgearparametricmodelingmethodofPRO\/E,theparametricmodelingofgear.ComprehensiveuseofPRO\/ENGINEERsoftware,CAXAsoftware,AUTOCADsoftware,wecompletedthecreationofthree-dimensionalmodelofbearing.WiththefamilytablefunctionpartsofPRO\/E,wecompletedthethree-dimensionalmodelingofmanystandardparts,suchasbearings,bolts,gaskets,nutetc..

Then,weperformedthemechanismmovementsimulationinPRO\/E,introducessomerepresentativeassembly,theassemblyprocesstousesomepracticalassemblyskills.Weintroducedthebasicassemblyconstraints,repeatedassemblyofapluralityofbolt,chainarrayassembly,assemblyofrenamingoperation,shaftassembly.

Finally,wecarriedoutthemovementofvirtualdesign.Theassembledintoacompletemechanismofeachpartsoftheassemblymodule,directstartmechanismmotioninPRO\/Eanalysismodule,connectdefinitionmechanism,aservomotorisarranged,analysisoftheoperationmechanism,therelativemovementbetweentheoveralltrajectoryofinstitutionsandallpartsofthesimulationexercise,forexample,canfinallymechanismmotionrecordsintoJPEGformatanimation.

Keywords：

electro-gaswelding;3Dmodeling;virtualdesign;simulation

1绪论

1.1本课题的研究内容和意义

气电立焊是80年代发展起来的一种熔化极气体保护电弧垂直对接焊方法，采用药芯焊丝作熔化极，用能自动控制的上升系统带动焊枪进行连续焊接，在水冷滑块的强制成型作用下以

气体保护实现单面焊双面一次成型。

图1.1气电立焊

在焊接前，首先在焊接接头的坡口反面安装固定铜滑块，坡口正面安装一块可随焊枪一起运动的水冷滑块。

焊接时，药芯焊丝和母材被电弧熔化形成熔池，并被限制在前后两块水冷滑块及未熔化的母材之间，这样，熔池上部受到

及熔渣的保护，药芯焊丝熔化后产生的部分熔渣渗入到熔池与两块水冷滑块的接触面之间，对熔池起保护作用，同时也避免了铜滑块被熔池熔化产生的粘连，保证了焊接接头的质量。

熔池下部被水冷铜滑块冷却凝固形成焊缝。

随着焊缝的形成，送丝机构的小车和正面的铜滑块沿垂直导轨自动向上移动，并保持距熔池的相对位置不变，以保证焊接过程的稳定。

1.2国内外的发展概况

气电立焊是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧焊方法。

目前气电立焊焊接材料主要采用（金属芯）药芯焊丝，其特点是生产效率高、成本低。

气电立焊属于窄间隙焊，与其它窄间隙焊的主要区别是焊缝一次成型，而不是多道多层焊。

所以其焊接效率及焊接质量均较高，主要应用于船舶的外壳板的中厚板焊接，也可应用于相应尺寸的桥梁箱式梁腹板及大型储罐侧板的中厚板的焊接。

目前通过船级社认可的

气电立焊药芯焊丝全部为国外厂商，而国内研究生产的焊丝常常出现焊接力学性能不稳定的情况，不能满足国内客户的需求。

所有气电立焊药芯焊丝的使用全都依赖进口，而国内目前应用最多的是日本神钢生产的DWS-43G和DWS-1LG两种气电立焊药芯焊丝。

过去我国对气电立焊的设备主要依赖进口，并被广泛应用于石油天然气的储油罐建设这些设备，虽然性能良好但价格昂贵，国内一些中小企业无力购买，受进口设备和国内药芯焊丝技术不过关的制约，其应用范围和发展受到限制。

所以，开发拥有我国自主知识产权的气电立焊设备，以解决困扰我国众多企业的焊接问题，成为当务之急。

为了提高快速响应能力，气电立焊企业首先应能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，并及时作出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特征和上市时间。

明确了新产品的开发项目以后，实现快速虚拟设计就成为重要的一环。

工程设计的重要性是不言而喻的。

据统计，工程设计的费用虽然只占产品最终成本的一小部分（不到10％），但往往决定了它的80％以上的制造成本，而且还决定性地影响产品的性能和交货期。

现代机械产品由于用户的要求越来越高，产品结构日益复杂，科技含量愈来愈高，从而使得产品的开发周期同趋延长。

如何解决好产品市场寿命缩短和新产品开发周期长的尖锐矛盾，已经成为决定企业成败兴衰的生死攸关问题。

产品开发周期包括设计、试制、试验和修改等一系列环节，除了设计以外的后几个环节可以统称为试制定型阶段。

由此可知，实施虚拟快速设计，至少有如下优点：

及时交货，争先抢占市场，因缩短制造时间和消除各种浪费而降低制造成本，因加快产品更新换代而向市场大量提供质量更高、价格更低的高性能产品。

其结果就大大提高了企业的综合竞争力和持续发展的生命力。

本文主要采用PRO/ENGINEER软件对气电立焊及进行快速虚拟设计，该软件有如下特点：

全相关：

Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。

这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。

全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

基于特征的参数化造型：

Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。

这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。

例如：

设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。

装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。

通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

数据管理：

加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。

为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。

数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关功能，因而使之成为可能。

装配管理：

Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。

高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

易于使用：

菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。

我们最终选择PRO/ENGINEER作为虚拟设计软件,主要是由于其在机构运动仿真功能方面强大的功能、易操作性和直观性。

同时，在大型组件的创建过程中，PRO/ENGINEER的单一数据库、参数化建模和全相关性将使零部件的创建和修改变得非常容易，这对缩短建模周期将起到显著的作用。

1.3本课题应达到的要求

在开发气电立焊设备的过程中，如果在设计初告段落时采用计算机虚拟技术进行运动仿真，将使产品设计更为可靠。

采用计算机虚拟技术，将使得设计者在产品制造出来前即能看到产品的装配信息和运行状态，并能检测装配干涉，预先测得重要的运动参数，以便与设计要求进行对比，提高了设计可靠性，缩短产品的设计周期。

由此可知，采用计算机运动仿真，将对气电立焊设备的设计开发产生重要的积极影响。

本课题要求根据任务书完成立式环缝自动焊接机虚拟设计。

这个课题能充分体现专业知识，对虚拟设计能力有较强锻炼。

通过本课题的研究，我们需要达到的要求有：

①熟悉气电立焊的国内外历史及其发展前景；

②正确合理分析理解气电立焊原理、特点及其工艺特点和设备知识；

③了解立式环缝自动焊接机主要零部件的特点及作用；

④充分理解，明白各个零部件的位置及作用；

⑤对于虚拟设计，能够掌握各个部分的设计原则以及合理分析各因素对设计的影响；

⑥熟练运用Pro/ENGINEER软件。

2气电立焊机介绍

气电立焊EGW（Electro-gasWelding）是20世纪80年代初由普通的熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧垂直对接焊方法，其能量密度比电渣焊高，而焊接技术基本相同，主要应用于天然气、石油化工、电力、造船等行业的大型储罐安装、容器制造、船舶制造等的纵向立焊缝的自动焊接，单面一次成形厚度最大可达46mill，焊接工效相对于传统的焊条电弧焊可提高10～20倍。

2.1气电立焊的原理

气电立焊机是通过焊接电弧电压信号反馈调节焊接电流，焊接电流信号反馈来控制焊丝干伸长和焊接小车自动提升的一种专用焊接设备。

它利用类似于电渣焊所采用的移动式水冷铜滑块挡住焊缝正面熔融的金属，背面采用固定式水冷铜垫板封底，强迫焊缝成形，以实现立缝向上位置的焊接，保护气体为

。

气电立焊在焊接电弧和熔滴过渡方面类似于普通熔化极气体保护焊，而在焊缝成形和机械系统方面又类似于电渣焊。

单丝气电立焊原理如图2.1所示。

（a）（b）

图2.1单丝气电立焊原理图

气电立焊与电渣焊的主要区别在于熔化金属的热量是电弧热而不是熔渣的电阻热。

板的厚度在12～80mm最适宜。

2.2气电立焊的特点

工艺过程稳定、操作简便、焊缝质量优良，如图2.2所示：

生产效率比焊条电弧焊高10倍以上，因此这种方法在船体焊接应用中不断发展，现在已具备单丝、双丝两种送丝方式，双丝气电立焊原理如图2.3所示。

主要根据所焊船体的板厚来确定采用单丝还是双丝，如何根据板厚范围来确定送丝数如图2.4所示；双丝焊时，第一根焊丝需要沿焊缝的熔深方向进行摆动。

图2.2焊缝宏观组织

图2.3双丝气电立焊原理

2.3气电立焊工艺特点

（1）焊缝背面垫板（相对焊机操作台）。

焊缝背面垫板有三种形式：

背面采用陶瓷衬垫，正面采用水冷铜滑块强制成形；焊缝双面均采用水冷铜滑块强制成形；无需外加气体，采用自保护药芯焊丝单面水冷铜滑块强制成形（注意：

三种方法的焊接材料都有所区别）。

（2）气电立焊关键参数的控制。

气电立焊的焊接位置垂直或接近于垂直方向，电孤轴线方向与母材熔深方向成直角，熔化的焊丝金属堆积叠加，熔池不断水平上移形成焊缝，其熔深产生所需热量的传递方式与其他电弧焊有所不同。

气电立焊焊接电弧产生的热量主要流向三个方向：

熔化焊丝、熔化母材、滑块吸收。

a．母材坡门截面积控制。

它是影响熔深的主要参数之一，熔深反映了坡口两侧母材的熔化量，直接决定焊接质量。

增加坡口截面积就增加了焊接线能量，增加熔深：

熔深的大小南熔池过热金属的过热度即温度梯度决定；影响熔池熔融金属过热度的因素也就是影响熔深大小的因素。

b．线能量控制。

一般电弧焊焊接线能量

；气电立焊焊接时，采用等速送丝、大电流密度、较高的电弧电压，其送丝速度等于熔化速度正比于向坡口填充金属的速度，经推导可得焊接线能量

（

为焊丝熔化系数，

为坡口截面积）。

增加电弧电压可增加焊接线能量。

c．冷却速度控制。

当焊接规范和坡口参数确定后，焊丝和母材吸热可以认为是不变的，而强制成形的铜滑块吸热，则随冷却介质水变化较大。

水温度和流量对吸热影响很大，低水温和大流速带走的热量远大于高水温低流速的情况，所以在焊接厚板时应减少水流量；焊接薄板时可增加水流量；通过调节水流量来调节熔池的冷却速度可有效控制熔深大小。

由于气电立焊熔池与普通未受约束的焊接熔池状态不同，熔深的形成方式和影响熔深的因素也不同。

两种厚板EGW焊接工艺如表2-1所示。

表2-1典型EGW焊接工艺参数

板厚

焊根间隙

焊丝

数

丝速

电流

电压

焊速

线能量

360

370

9.6

171

400

410

3.8

551

420

410

3.4

630

（3）几种实用的焊接材料。

a．目前国内用量较大的是神户制钢公司生产的DWS03G和DWS一60G型药芯焊丝，具有电弧稳定、飞溅小、气渣保护好、焊缝质量稳定等特点。

使用时，应在焊缝背面配用l（I御型陶瓷衬垫，在衬垫表面覆盖一层玻璃布，可使衬垫与钢材紧密相贴，防止跑渣。

在衬垫的背面还有一块钢板，便于在装配衬垫时用钢楔子将衬垫与钢板压紧，避免陶瓷衬垫破碎。

b．自保护自动立焊焊丝一般采用林肯（Lincoln）公司NR43l药芯焊丝。

自动立焊工艺大都在露天或高空场合施工，在有大风的情况下，自保护焊可以不受风的影响而停止施工。

另外，目前自保护立焊设备的价格也比气保护立焊设备的价格低得多。

2.4气电立焊设备介绍

（1）气电立焊设备主要组成。

气电立焊设备主要由携焊机头升降的机械系统；快速送丝系统；水冷强迫成型系统；焊接电源及供（保护）气系统；焊枪及焊枪摆动控制系统；焊接过程自动控制系统等组成，如图2.4所示。

图2.4气电立焊设备示意

型号：

SEG-1；输入电压：

AC380±10％V；行走速度O～530mm／min；驱动方式i齿轮／齿条；质量22kg；最大负载50kg；立焊；外型尺寸：

360mmx665minx365mm适合板厚：

9～32mm；单面V型坡口；19-80双面x型坡口。

（2）船体气电自动立焊机的要求。

气电自动焊最适用于船体总段大合拢缝的焊接，如图2.5所示，多个永磁体吸盘将铝合金齿条轨道固定在船体钢板上，其轨道可以接长数十米。

焊机的整体机架内具有自动提升机构和自动锁定装置，便于船体立缝焊接时的高空作业，使操作安全可靠，使焊接熔池始终处于最佳观察状态。

另外，送丝系统控制箱、焊接电源、循环冷却器等都安装在焊机整体机架内，与被焊物体较近，故各配套线管大为缩短，有利于焊前准备和设备操作，也便于安装运输；焊接控制系统中设置了电压、电流传感器，能自适应焊接坡口变化。

设置了供气控制传感器和循环冷却水压指示调节器，能保证焊接质量控制。

瑞典ESAB公司采用悬挂在焊缝顶部的牵引电机的动链条牵引机头上升的方案，既节省了磁力轨道和装卸工时费用，叉减轻了工人的劳动强度。

图2.5油轮船侧分段大合拢焊缝

3主要零部件建模

立式焊机结构设计大致完成后，即可对主要零部件进行三维建模，为进一步的装配工作打好基础。

在建模过程中有时不仅仅是单个零件的创建，而是从整个系统设计出发，综合考虑装配、制造等问题，有时甚至要用程序来解决零件的建模问题。

在三维建模过程中，我们充分利用了TOP-DOWN的设计方法，以确保整机设计不出错误，同时也利用一些建模技巧，尽量缩短了建模过程所占的时间。

气电立焊设备是一个复杂的装配体，仅零件建模总数就超过三百个，所以，如何对建模数据进行妥善管理，是一个非常重要的问题。

我们对每个组件或部件都创建了相应的文件夹，为保证最后总装不出零件冲突问题，对名称相同的零件，如螺栓、螺冒等，后面都加上所属组件的缩写名。

由于零部件总数众多，对每个零件的建模过程都作相应介绍显然是不现实的。

为此，我们挑选了一些具有代表性的零件，在创建这些零件时运用了相当多的技巧，所以着重介绍它们的建模过程。

3.1丝杠的三维建模

丝杠是此次立式焊机设计中传动装置的核心零件，创建时主要运用了螺旋扫描功能。

但考虑到仿真运动时需定义螺母沿螺旋线的槽机构运动，所以在螺旋扫描切材料前必须先将螺旋曲线做出，而螺旋曲线创建需要一定的技巧，所以丝杠的创建具有一定的代表性。

（1）绘制丝杠二维截面，用旋转加材料做出丝杠外圆柱面如图3.1和图3.2；

（2）利用螺旋扫描功能创建一螺旋曲面,必须与圆柱面相交如图3.3；

（3）选择螺旋曲面和整个丝杠外圆柱面,点击“编辑”---“相交”，软件自动创建螺旋曲面和外圆柱面的交线，即螺旋线；

（4）利用螺旋扫描在外圆柱面上切出牙形，同时其螺距应与螺旋曲面螺距相同；

（5）倒角并隐藏螺旋面螺旋线后，丝杠零件如图3.4。

图3.1绘制丝杠外圆二维截面

图3.2丝杠外圆柱面创建

图3.3创建螺旋曲面

图3.4丝杠零件

3.2参数化齿轮建模

在立式焊机的结构设计中，很多地方需要用到齿轮传动，所以，如何创建具有严格渐开线齿廓的齿轮三维模型，成了一大难题。

在很多资料中，齿轮的创建是以圆弧线代替渐开线，我们认为这样的建模思路是不严谨且不科学的。

为此，我们专门开发了PRO/E参数化齿轮建模方法，只需要创建一个标准齿轮，其余只需要输入模数、齿数、压力角等参数，软件即能自动生成新的齿轮三维模型。

齿轮本身有很多种类，由于此次自动焊接机的仿真过程中只用到直齿轮，同时也是受时间的约束，我们只对直齿轮做了参数化设计。

下面用较为详细的篇幅，来说明我们是如何创建这些齿轮模型的。

在立式环缝自动焊接机的结构设计中，很多地方需要用到齿轮传动，所以，如何创建具有严格渐开线齿廓的齿轮三维模型，成了一大难题。

在很多资料中，齿轮的创建是以圆弧线代替渐开线，我们认为这样的建模思路是不严谨且不科学的。

齿轮本身有很多种类，由于此次自动焊接机的仿真过程中只用到直齿轮，同时也是受时间的约束，我们只对直齿轮做了参数化设计。

下面用较为详细的篇幅，来说明我们是如何创建这些齿轮模型的。

（1）首先，在记事本中创建如下三段程序并保存：

程序1：

tooth_numbernumber=20

"enterthenumberofteeth:

modulenumber=3

"enterthemodule:

pressure_anglenumber=20

"enterthepressureangle:

face_widthnumber=15

"enterthefacewidth:

rad_filletnumber=0.4

"enterthefillet:

程序2：

rad_pitch=0.5*tooth_number*module

rad_base=rad_pitch*cos（pressure_angle）

circular_pitch=pi*module

tooth_thick_on_pitch=circular_pitch/2

rad_addendum=rad_pitch+1*module

rad_dedendum=rad_pitch-1.157*module

inv_phi=tan（pressure_angle）-pressure_angl

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