双焊枪相贯线自动焊接机机械系统设计

论文摘要

目前,我国的散热器生产多是人工焊接。焊接质量不稳定,焊接效率低,工人劳动强度大,且工作环境恶劣,对身体辐射大。为了改善这种状况,亟需研制相应的自动化数控焊接机,以使企业增强竞争力。依据市场需要,设计了一种适应钢铝复合结构散热器的自动化数控焊接专机。钢铝复合散热器带有铝翼,焊接空间小,连续立管,实现自动化焊接困难。通过焊接工艺分析与焊接方法的比较,确定采用熔化极活性混合气体保护焊(MAG)进行焊接。焊枪的运动轨迹、运动方式与焊枪在焊接时的姿态是搭建机械结构的主要依据。焊缝为管件相贯空间曲线,需用X、Y、Z三轴插补联动才能完成。为提高焊接效率,减少焊接变形,完成连续立管焊接,用双焊枪同步焊接,两焊枪各完成半个曲线的对称焊接。双焊枪的初始相对位置精度,由专用检测装置及检测方法完成。经焊枪架构与运动分析,采用三角形焊枪构型。为保证焊接最佳角度,用第四轴R轴保证焊枪构型姿态应随焊接实时调整。各轴均采用伺服驱动,同步带和齿形链准确传动,实现Y、Z双焊枪同步联动,用同步信号实现R轴同步转动。为实现连续自动化焊接,采用多V型轮摩擦驱动,工件浮动夹紧,使散热器预装框架沿X轴连续运动。Z轴同时承担安装在横梁上的Y轴装置,经同轴驱动与双阻尼配重实现Z轴横梁的平衡同步。设计了避开铝翼障碍的装置。焊枪在垂直于运动方向面内与立管夹角可调,通过调整三角形焊枪构型的旋转角度,实现铝翼避障。经相贯空间曲线及焊枪姿态数学模型,根据焊接速度,可求解X、Y、Z各轴的运动方程与运动曲线。通过X、Y、Z各轴的负载转矩与惯性转矩的归算,可求得伺服电机的负载,为伺服电机的选型提供了可靠的依据。由于R轴为实时调整焊枪的姿态需频繁起停,需要进行R轴步进电机负载惯量、启动负载转矩、启动频率与运行频率的计算。各伺服轴的刚度、阻尼和惯量以及伺服驱动装置的增益设定等参数对整个伺服进给系统的稳定性、精度和快速响应特性有较大影响。经简化假设,建立了各轴的交流伺服驱动单元模型及交流伺服电动机模型,再通过机械传动机构的动力学模型,建立了伺服进给系统模型。用Matlab进行动态性能仿真,由阶跃响应特性曲线知各轴均具有良好的动态性能。样机制造完成后,对焊机实地调试,并进行了多次焊接试验,得出了理想的焊接参数。并按照设计要求进行了耐压质量检验,达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 焊接技术发展现状
• 1.1.1 机器人焊接技术
• 1.1.2 智能化焊接技术
• 1.2 相贯线自动焊接机发展现状
• 1.3 选题的目的和意义
• 1.4 论文研究的主要内容和技术路线
• 2 T 型管散热器焊接工艺的研究
• 2.1 课题研究的要求
• 2.2 焊接工艺方法选择
• 2.3 混合气体保护焊工艺研究
• 2.4 数字焊接电源的选择
• 2.5 焊接工艺的确定
• 3 机械系统总体设计
• 3.1 机械系统设计的步骤
• 3.2 焊接机设计的原则
• 3.3 焊接机机械系统总体设计
• 3.3.1 焊接机运动规律的设计
• 3.3.2 焊接机机械结构分析
• 3.4 机械部件设计
• 3.4.1 焊接执行部件结构设计
• 3.4.2 Y 轴双焊枪同步反向联动装置结构设计
• 3.4.3 X 轴进给驱动装置结构设计
• 3.4.4 R 轴焊枪旋转步进同步驱动结构设计
• 3.4.5 Z 轴进给驱动装置结构设计
• 3.4.6 同步机构检测装置结构设计
• 4 执行元件的设计与选用
• 4.1 相贯线焊缝空间曲线方程的建立
• 4.2 Z 轴伺服电机的选型计算
• 4.2.1 Z 轴电机的运动方程和运动曲线
• 4.2.2 Z 轴负载转矩的计算
• 4.2.3 Z 轴惯性转矩的归算
• 4.2.4 伺服电机负载的计算
• 4.3 X 轴电机的选型计算
• 4.3.1 X 轴电机的运动方程和运动曲线
• 4.3.2 X 轴负载转矩的计算
• 4.3.3 X 轴惯性转矩的归算
• 4.3.4 伺服电机负载的计算
• 4.4 Y 轴电机的选型计算
• 4.4.1 Y 轴电机的运动方程和运动曲线
• 4.4.2 Y 轴负载转矩的计算
• 4.4.3 Y 轴惯性转矩的归算
• 4.5 相贯线自动焊接机执行元件的选择
• 4.6 R 轴电机的选型计算
• 5 焊接机进给伺服系统建模与仿真
• 5.1 影响系统动态性能的主要参数
• 5.2 简化假设
• 5.3 交流伺服系统模型的建立
• 5.3.1 交流伺服驱动单元模型的建立
• 5.3.2 交流伺服电动机模型的建立
• 5.4 Z 轴伺服进给系统模型的建立
• 5.5 X 轴伺服进给系统模型的建立
• 5.6 Y 轴伺服进给系统模型的建立
• 5.7 焊接机各轴动态性能仿真
• 5.7.1 Z 轴动态性能仿真
• 5.7.2 X 轴动态性能仿真
• 5.7.3 Y 轴动态性能仿真
• 6 焊接试验与分析
• 6.1 焊接机的调整
• 6.2 试验设备材料及焊接准备
• 6.2.1 焊接设备
• 6.2.2 焊接规范
• 6.2.3 焊接试验
• 6.3 焊接结果与分析
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文
• 作者简介
• 致谢