摆动式自动堆焊机.doc

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1、哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - - 摘摘 要要 在现代化大规模的工业生产中，磨损导致机械部件的失效问题是非常 严重的。随着表面工程技术的发展，大面积复合耐磨板堆焊技术得到推广 和使用。基于我国堆焊技术设备发展目前改装设备多，专用设备少，机械 化设备多，智能化设备少的现状，本文根据具体的工业现场的技术参数要 求，以固定尺寸的耐磨板为堆焊对象，设计出合理的传动方案和机构，并 利用三维软件 SOLIDWORKS 对摆动式自动堆焊机构进行建模和仿真，配 以合理的控制方案，为自动堆焊设备的开发和自动堆焊技术的推广打下坚 实的基础。 该摆动式自动堆焊机系统主要由四主动轮送丝机构、焊接摆动器、独 立

2、焊枪升降机构、龙门架、龙门行走传动及轨道及拖链等其余辅助部件等 部分组成。其中，底座、龙门架、直线电机、滚动导轨等构成二维 XY 工 作台，用于把三套独立焊接装备移送到特定工作区域。实际施焊中，三套 焊接摆动器带动焊枪按照特定规律来回摆动；同时，由龙门架式二维工作 台按照一定程序将三套焊接装备移送到耐磨板表面各个区域以完成整个焊 接工作。 本文采用明弧堆焊的焊接工艺，龙门架式二维工作台搭载三套焊接装 备大大提高了堆焊效率，满足实际生产需求，使堆焊技术更加广泛地应用 于矿山、水泥、钢铁、电力等行业。 关键词：关键词： 明弧堆焊；送丝机构；二维工作台 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - I -

3、 各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英各位如果需要此设计的全套内容（包括二维图纸、中英 文翻译、完整版论文、程序、答辩文翻译、完整版论文、程序、答辩 PPT）可加）可加 QQ695939903，如果需要代做也请加上述，如果需要代做也请加上述 QQ,代做免费讲代做免费讲 解。解。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - II - Abstract In modern large-scale industrial production, the failures of mechanical parts caused by wear is increasingly serious. As

4、 the development of surface engineering technology, a large area of composite wear plate welding technology has been promoted and widely used. Based on the current development of Chinas welding technology and equipment, namely equipment modification, while less specialized equipment, less mechanical

5、 equipment and less intelligent device, this paper according to the specific technical parameters in industrial site, design a reasonable drive programs and mechanism for a fixed size for the wear plate welding object, and use 3D software SOLIDWORKS to model and simulate for the swing automatic weld

6、ing mechanism. Plus rational control program, it lays a solid foundation for the development of automatic welding equipment and the promotion of automatic welding technology. The swing automatic welding machine system consists of four driving wheels wire feeder, welding swing component, separate gun

7、 lifting mechanism, gantry, gantry drive and its track and other auxiliary components. Among them, the two-dimensional XY table composed of the base, gantry, linear motors, rolling guide carry the three separate welding equipment to a specific work area. In the actual welding, the three welding torc

8、h drive back and forth by a specific rule. Meanwhile, a two-dimensional table of gantry in accordance with certain procedures carry the three sets of welding equipment to all regions of the wear plate surface until complete the whole welding work. In this paper, open arc welding process is used. A t

9、wo-dimensional table equipped with three sets of unattached welding equipment improve the efficiency of the actual production. By that surfacing technology can be more widely used in mining, cement, steel, electricity other industries. Keywords： open arc welding, wire feeder, two-dimensional table 哈

10、尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - III - 目目 录录 摘要摘要I ABSTRACT II 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义.1 1.2 堆焊工艺方法和原理.1 1.2.1 堆焊工艺简介1 1.2.2 堆焊原理和特点2 1.2.3 摆动式堆焊的优点3 1.3 国内外在相关方向的发展和应用现状.4 1.4 本文主要研究内容.6 第第 2 章章 摆动式自动堆焊机的初步设计摆动式自动堆焊机的初步设计 2.1 引言7 2.2 总体结构分析7 2.3 传动方案的确定8 2.3.1 X 轴运动的传动方案8 2.3.2 Y1 轴运动的传动方案10 2.3.3 Y2 轴运动的

11、传动方案11 2.3.4 Z 轴运动的传动方案 12 2.4 送丝机构的设计12 2.4.1 送丝方式的选择12 2.4.2 送丝轮的设计13 2.4.3 送丝机的传动设计14 2.4.4 齿轮传动部分的设计15 2.4.5 电机的选择17 2.4.6 轴的受力分析和轴承的校核18 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - IV - 2.5 本章小结20 第第 3 章章 机构主体部分的设计机构主体部分的设计 3.1 引言21 3.2 焊接摆动器的选型与校核21 3.3 焊枪升降机构的选型与校核22 3.4 龙门横梁方向的传动设计23 3.5 电缆拖链的选型设计24 3.6 龙门架的设计25 3.

12、6.1 龙门横梁的设计25 3.6.2 龙门横梁的校核27 3.6.3 龙门立柱的设计与校核29 3.7 龙门行走方向的传动设计29 3.7.1 直线电机的选型29 3.7.2 直线电机使用的注意事项31 3.7.3 LM 滚动导轨的设计与校核.32 3.8 其它35 3.9 本章小结35 第第 4 章章 控制系统的设计控制系统的设计 4.1 引言36 4.2 HS-LXM 控制器简介.36 4.3 硬件连接37 4.4 伺服机构部分的控制38 4.5 直线电机的控制设备43 4.6 本章小结45 结结 论论46 参考文献参考文献.47 致致 谢谢48 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） -

13、0 - 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 随着工业的飞速发展，对焊接技术不断提出更新更高的要求。早期缝 焊需要高劳动强度的手工焊，这对操作者来说需要有严格的技能要求和集 中力。同时高温高辐射的工作环境，以及大量单调重复的工作，工作环境 相当严酷。现代工业和科学技术的新成就为焊接方法和焊接专用设备的发 展提供了宽广和雄厚的技术基础。焊接工艺和焊接设备就是在现代工业和 科学技术的推动下相辅相成地蓬勃发展起来的。由于人们对焊接柔性和焊 接产量的高需求和高要求，自动焊接设备为很多工业领域提高焊接速度尤 其是提高焊接质量提供极大的可能1。 堆焊是表面工程和再制造工程的重要技术

14、手段，在国民经济建设中发 挥着重要作用。随着科学技术的进步，堆焊技术也在不断创新。随着制造 业从高投入、高消耗、高污染的传统模式向提高生产效率最大限度地利用 资源和最低限度产出废物的可持续发展模式转变，近年来表面工程和再制 造工程得到迅猛发展2。 我国在 20 世纪 70 年代末开始研究自动焊接设备，起步比较晚，制造 业的自动化程度有待进一步提高。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发 展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不 断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈 进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着 自动化设备应用及

15、发展前景空间巨大。 基于我国堆焊技术设备发展目前改装设备多，专用设备少，机械化设 备多，智能化设备少的现状，本课题将根据具体的工业现场的技术参数要 求，以固定尺寸的耐磨板为堆焊对象，设计出合理的传动方案和机构，并 利用三维软件 SOLIDWORKS 对摆动式自动堆焊机构进行建模和仿真，配 以合理的控制方案，为自动堆焊设备的开发和自动堆焊技术的推广打下坚 实的基础。 1.2 堆焊工艺方法和原理 1.2.1 堆焊工艺简介 堆焊是指在普通钢材表面堆焊一层或多层具有耐磨、耐热、耐腐等性 能的工作表面。利用堆焊方法可改变焊件尺寸，焊后其表面性能基本上不 发生变化；或使表面获得耐磨，耐热，耐腐蚀或耐冲击等

16、特殊性能的熔敷 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 1 - 金属层，使其表面发生本质变化3。 堆焊方法主要手工堆焊和自动堆焊。手工堆焊有手弧焊堆焊和氧-乙炔 堆焊；自动堆焊有埋弧堆焊、振动电弧堆焊、气体保护堆焊、等离子堆焊。 手工堆焊具有设备简单、机动灵活、成本低等优点。不足的是生产效率低、 稀释率较高，不易获得均匀的堆焊层。劳动条件较差。主要适用于工件数 量少、没有其他堆焊设备的条件下或工件外形不规则、不利于机械、自动 化加工的场合。自动堆焊方法中的埋弧堆焊，其焊剂对电弧空间有可靠的 保护作用，可减少空气对焊层的不良影响，熔渣的保温作用使熔池内的冶 金作用比较完全，因而焊层的化学成分和性

17、能比较均匀。焊层表面也比较 光洁平整。此技术生产效率高、劳动条件好、堆焊金属成分稳定。因此得 到大量的应用。适用于堆焊修补大面积大、形状不复杂的工件。 而明弧堆焊就是用自保护焊直接对焊材进行多层焊接的焊接方式，也 称自保护焊、管状焊丝焊，属于熔化极气体保护焊的一种，但不需要辅助 保护气体和焊剂只需要药芯焊丝就可以直接焊接。这种方式主要用于对耐 磨损要求质量高的器械等，如磨煤辊，水泥磨，铲斗齿等。采用明弧焊药 芯焊丝堆焊生产复合耐磨钢板，与其他工艺方法相比，其工艺过程操作简 单方便，堆焊层稀释率低，熔敷效率高，板材整体变形小，堆焊面硬度高， 耐磨性强，再加工性能良好。利用该工艺技术生产的耐磨板产

18、品，因其具 有性能指标先进、产品质量稳定、生产成本较低、适应性强等特点，在不 同的行业得到广泛应用，具有很强的市场竞争力，已经被越来越多的耐磨 板生产企业采用，具有很好的社会经济效益。本文设计的摆动式自动堆焊 机是以明弧焊药芯焊丝堆焊为工艺方法设计的。 1.2.2 堆焊原理和特点 在堆焊前先将明弧堆焊焊丝穿过送丝轮和导电嘴，焊枪接电源正极， 基材接电源负极，通电后焊丝先与基材之间形成电弧，随焊枪摆动向前焊 接，电弧开始在焊丝与基材之间产生，进入稳定焊接过程（如图 1-1） 。 图 1-1 堆焊原理示意图 在堆焊过程中，焊枪的摆动宽度应大于焊丝直径 4 倍以上，以避免摆 哈尔滨工业大学本科毕业设

19、计（论文） - 2 - 动过宽造成焊道两侧熔深过大，摆宽过窄造成成形不良。堆焊过程中的易 损件，如导电嘴、送丝轮应及时更换，否则会导致送丝不畅，而产生断弧。 焊丝的干伸长度要适中，不能过长或过短（一般 25mm） 。过长会导致焊道 不直，影响焊缝成形；过短会导致断弧，影响连续焊接和耐磨板的质量4。 堆焊技术有如下特点：堆焊层与母材能实现冶金结合、堆焊获得的表 面层厚度最大、所用的设备相对比较简单、易于实现工地现场施工、在技 术上也较成熟。因此，目前堆焊技术已广泛应用于矿山，冶金、农机、建 筑、电站、铁路、车辆、石油化工设备、核动力及工具、模具等的制造、 修复中，并已成为近年来得到最广泛应用的表

20、面技术之一。比如我国冶金 行业轧钢设备中的轧辊，据不完全统计，全国年消耗轧辊量约折合人民币 30 亿元，采用堆焊方法修复旧轧辊和制造新辊已成为我国轧钢企业降低成 本提高效益的重要举措。又如在石化和锅炉行业中，量大面广的阀门，由 于密封面质量不过关，在上世纪 70 年代曾成为影响企业生产正常运行的瓶 颈。历经 40 多年的发展历程，目前从阀门密封面堆焊方法到堆焊材料均已 取得长足发展，并已在企业中普遍应用，还建立了相应的阀门密封面堆焊 标准。 1.2.3 摆动式堆焊的优点 摆动焊接在实际焊接生产中具有广泛的应用，例如由于在堆焊过程中 焊缝的宽度可能不满足要求，焊缝的形状可能不够均匀（可能会出现两

21、头 的焊道薄而中间偏厚的情况） 。而利用焊接摆动器的的摆动及定时特性可以 很好的解决。故相比非摆动焊接具有以下优势5： 1由于电弧摆动增加了电弧加热面积，使得熔池宽度增加，因此能够 显著增加熔宽，这对于堆焊来说能够有效的降低稀释率，增加堆焊效率； 2熔宽的增加在坡口宽度一定的情况下能够减少焊道数量，甚至实现 单道多层焊，减少焊缝道数可以降低焊缝宏观缺陷的发生几率（例如焊缝 夹渣，层间未熔合等） ； 3摆动焊接能够降低焊接线能量，焊接热输入其实是不变的，原因是 摆动焊接的轨迹是一条曲线，摆动速度肯定要大于常规焊接速度，而焊接 线能量在这里可以认为是单位焊接轨迹长度上的焊接热输入，所以摆动焊 接的

22、线能量比非摆动焊接线能量要低。焊接线能量降低对于焊接来说很重 要，之后就会产生一系列的优势，比如热影响区宽度变窄，焊接变形变小， 焊缝金属不易粗化等等。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 3 - 4摆动焊接的另外一个重要优势就在于其在非平焊位置的应用，由于 摆动焊接一方面可以有效的降低焊接线能量，降低熔池温度，使熔池在非 平焊位置时不易流淌，另外摆动焊接的摆动轨迹如果设置合理是可以抵消 一部分重力的不利影响，从而实现非平焊位置的焊接。摆动焊接的摆动参 数例如停留时间等的设置可以更好的预防横焊、立焊等过程中的焊缝下塌 等缺陷。 5摆动焊接更容易解决厚度不同工件之间的焊接，通过调整摆动参数。

23、 1.3 国内外在相关方向的发展和应用现状 最近 20 年来，现代焊接科学技术的发展十分显著。在世界范围内焊接 是一种能产生数万亿美元效益的制造工业，广泛用于建筑、桥梁、汽车、 航空航天、能源、造船和电子工业。而越来越多的商业性工业机器人广泛 应用于制造业和装配任务，比如材料工艺、点弧焊、零件装配、油漆喷涂、 机械装卸以及太空和海底，从而促进了焊接业的飞速发展。 到目前为止，焊接机器人大致可分为三代：第一代是基于示教再现工 作方式的焊接机器人，由于操作简便，不需要环境模型，示教时可修正机 械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代是基于一 定传感器信息的离线编程焊接机器人；第三代

24、是指装有多种传感器，接受 作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应智能机器人。 图 1-2 日本松下焊接机器人 图 1-3 耐磨板堆焊工业现场 焊接机器人主要从事弧焊和点焊工作。弧焊机器人大多采用二氧化碳 或二氧化碳与氩、氮混合气体保护。焊接机器人的结构型式，主要有多关 节型、直角坐标型、极坐标型和圆柱坐标型四种。点焊机器人以直角坐标 型较多，本设计即采用直角坐标型。弧焊机器人以多关节型居多。弧焊机 器人工作机构一般较点焊的复杂，通常具有五个以上的自由度。目前功能 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 4 - 较完善的焊接机器人已具有七个自由度。我国目前研制的焊接机器人，一 般均为五个自由

25、度。国外为了提高工件（特别是大型工件）的焊接生产率， 十分重视辅助设备的自动化水平，如配备自动更换喷嘴，供应焊丝，监视 电弧和过程异常等功能的机构。早期的焊接机器人缺乏“柔性” ，焊接路径 和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着 计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也 由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工 单元（系统）方向发展。 近十年来，日、美、俄、英、法等国都投入了大量的人力、物力从事 焊接机器人的开发工作，其中日本焊接机器人的进展速度尤为惊人。日本 从 1978 年开始研制点焊机器人，1980 年研制成功第一

26、个弧焊机器人。 1981 年日本生产了 1500 个焊接机器人，产值达到了 145 亿日元，由日本 工业机器人的第六位跃居为第二位。目前有 10 家工厂具有年产 1000 多个 焊接机器人的能力。日本为发展和普及焊接机器人，于 1982 年成立了全国 机器人焊接研究委员会。此外，许多日本大公司，如大阪变压器公司先后 在大阪、东京、名古屋等地设立了焊接机器人培训学校。1984 年丰田汽车 公司已在其作业线上安排了 1300 个机器人。2000 年庆应义塾大学研制了 管内微型焊接机器人，可在的弯管内行走完成焊接操作。日本原子能90 研究中心和东芝公司联合研制出了内管道激光焊接与切割机。台湾国立大

27、学研制了一种用于维修防护金属弧焊视觉传导移动焊接机器人。它装有 CCD 摄像头，能够检测出焊缝的位置，根据所测数据来指导焊接操作。目 前世界上已有七十多种数万个焊接机器人在各种生产线上从事焊接操作。 从数量和智能化的程度来看，日本的焊接机器人在世界上占明显优势，并 已向美国和英国等国大量出口。预计在未来几年中，日本焊接机器人的产 值将迅速增长。 我国在 20 世纪 70 年代末开始研究自动焊接设备，起步比较晚。经过 20 多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长足的进步，对国民经济的 发展起到了积极的推动作用。据不完全统计，近几年我国工业机器人呈现 出快速增长势头，平均年增长率都超过 40%，

28、焊接机器人的增长率超过了 60%。2004 年国产工业机器人数量突破 1400 台，进口机器人数量超过 9000 台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005 年我国新增机器人数量超过 了 5000 台，但是仅占亚洲新增数量的 6%，远小于韩国所占的 15%，更远 小于日本所占的 69%。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然 是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面 也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用 程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一 方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另 一方

29、面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 5 - 升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用 及发展前景空间巨大。 要使堆焊技术在国民经济中发挥更大作用，结合我国堆焊技术的现状， 今后主要有三个发展方向6： 在堆焊材料方面，一是堆焊材料系列化：即使是同一类工件，工况条 件也千差万别，要根据其不同的服役条件，研制相应的堆焊材料，做到既 优质又价廉，并形成系列，供用户选用。比如，开坯辊、热轧工作辊、冷 轧辊、支撑辊、连铸辊等，对不同辊子配以不同的材料。二是材料品种多 样化：改变目前焊条多、焊丝少，熔炼焊剂多，烧结焊剂

30、少，实心焊丝多， 药芯焊丝少的现状。三是进口材料国产化：尽快改变目前不少重要的关键 零部件所用的堆焊材料仍依靠进口的现状，从而最大限度地降低产品的制 造成本和缩短产品的生产周期。 在堆焊方法方面，积极开发和推广既优质高效，又低稀释率的堆焊技 术。比如撒放合金剂的丝板埋弧堆焊、多丝振动堆焊、宽带极高速堆焊、 宽带极电渣堆焊、药芯带极电渣堆焊、大功率粉末等离子弧堆焊、高能光 束粉末堆焊、摩擦堆焊等。 在堆焊设备方面，应努力提高设备的自动化智能化水平，积极开发堆 焊工艺专家系统。通过堆焊专家系统，可根据零件磨损程度、失效形式及 母材成份来确定母材是否适宜堆焊，是否需用过渡层，并选择填充材料和 确定堆

31、焊工艺，包括焊前预热、焊后处理、如何限制热输入，控制稀释率、 增加熔覆速度，还可包括工件应用的极限尺寸，多层堆焊的可靠性、表面 质量、机械化程度、堆焊成本和质量影响等等。利用专家系统可制定出零 件的最佳堆焊工艺，使堆焊向优质、高效、低稀释率的目标迈进。 1.4 本文主要研究内容 本课题将以以下两个方面着手进行研究： （1）机械系统设计：包括送丝机构的设计，堆焊机的支撑、传动系统 设计以及焊接摆动器的结构设计，借助 SOLIDWORKS 软件完成对摆动式 自动堆焊机三维建模，并利用 CAD 完成装配图和部件图； （2）控制系统设计：根据摆动式堆焊专机的动作特点实现其运动控制。 其相关技术参数要求

32、如表 1-1 所示。 表 1-1 主要技术参数 焊枪数3 摆动量0100mm 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 6 - 摆动速度300mm/min 行走速度0300mm/min 焊接板幅 15003000 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 7 - 第第 2 章章 摆动式自动堆焊机的初步设计摆动式自动堆焊机的初步设计 2.1 引言 随着化工、能源、交通等行业的迅速发展，在现代化工、水泥、冶炼 领域中，磨损导致机械部件的失效问题非常严重。表面工程技术的发展使 大面积复合耐磨板堆焊技术得到推广和使用，美国、加拿大、澳大利亚、 英国等已将这一技术广泛应用于工业生产中。 采用明弧堆焊药芯焊丝

33、和新型堆焊工艺制备而成的耐磨板，其合金耐 磨层主要是体积分数达到 50%以上的碳化物，其堆焊过程中不用添加焊剂， 熔敷效率高，焊接工艺性能稳定、良好，具有优良的耐磨性能和良好的韧 性，其性能优于丝极或带极埋弧焊复合耐磨板。因此本文采用明弧堆焊为 焊接工艺，所设计摆动式自动堆焊机以龙门架式二维工作台搭载三套焊接 装备，大大提高堆焊效率，满足实际生产需求，使堆焊技术更加广泛地应 用于矿山、水泥、钢铁、电力等行业。 2.2 总体结构分析 摆动式自动堆焊机系统由送丝机构（3 套/台） 、焊接摆动器（3 套/台） 、 独立焊枪升降机构（3 套/台） 、龙门架、龙门行走传动及轨道及其余辅助部 件等部分组成

34、（如图 2-1 所示） 。 其中，底座、龙门架等构成二维 XY 工作台，用于把 3 套焊接装备移 送到特定工作区域。实际施焊中，焊枪升降机构将焊枪调整至一定高度， 焊接摆动器带动焊枪按照特定规律来回摆动；同时，由龙门架式二维工作 台按照一定程序将 3 套焊接装备移送到耐磨板表面各个区域，直到完成整 个工件的堆焊。 图 2-1 摆动式自动堆焊机系统构成 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 8 - 2.3 传动方案的确定 该机构主要涉及的传动方向有焊接摆动器的水平方向传动（Y1 轴方向） ，焊枪升降机构的竖直方向传动（Z 轴方向） ，龙门横梁方向水平间歇传动 （Y2 轴方向） ，龙门行走方向的

35、水平方向传动（X 轴方向） ，以及送丝机构 的传动。本节将重点讨论 X/Y/Z 三轴的的传动方案。 2.3.1 X 轴运动的传动方案 X 轴方向的龙门架行走运动相当于数控机床的进给运动。长期以来， 数控机床的进给系统主要是旋转伺服电动机搭配滚珠丝杠，这种进给系统 所能达到的最高进给速度为 90120 m/min，最大加速度只有 1.5g。同时， 由于从电动机主轴到工作台之间存在联轴节、丝杠、螺母、轴承、支架等 一系列中间环节，当进给部件要完成启动、加减速、反转、停车等动作时， 这些机械元件产生的弹性变形、摩擦、反向间隙等，会造成进给运动的滞 后和其他许多非线性误差，这些中间环节也加大了系统的惯

36、量，影响了对 运动指令的快速响应。另外，丝杠是细长杆，在力和热的作用下，会产生 变形，影响加工精度。为了克服传统进给系统缺点，简化机床结构，满足 高速精密加工的要求，人们开始研究新型的进给系统，直线电机就是最有 前途的快速进给系统。它取消了源动力和工作台部件之间的一切中间传动 环节，使得机床进给传动链的长度为零，这就是所谓的“直接驱动” 。直线 电机进给系统与滚珠丝杠进给系统的性能对比见表 2-1。 表 2-1 直线电动机与“旋转电动机+滚珠丝杠”传动性能比较表 性能旋转电动机+滚珠丝杠直线电机 定位精度/ -1 um300mm 100.5 重复精度/um20.1 最高速度/ -1 m min

37、 90 12060200 最大加速度/g1.5210 静态刚度/ -1 N um 90 18070270 动态刚度/ -1 N um 90 180160210 平稳性（速度 变化率）/% 101 调制时间/ ms1001020 寿命/ h6000100005000 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 9 - 普通定位机构常采用伺服电机、减速器、滚珠丝杠的组合驱动机构， 由于反向间隙等的影响及机械机构本身的限制，加速度小（一般 0.3g） ，定 位精度不高，要达到微米级的位置精度难度大，成本高。近年来，采用直 线电机驱动超精密加工机床的直线运动方案成为国内外数控机床产品新的 技术发展方向。由

38、直线电机驱动的位移机构在快速响应能力和精度等方面， 都具有普通伺服驱动机构难以匹敌的优势，合理设计其结构及控制系统是 获得最高性价比的关键6。 近几年，越来越多企业在数控机床上采用直线电机，其根本原因是： 为提高生产效率和改善零件的加工质量而发展的高速和超高速加工现已成 为机床发展的一个重大趋势，一个反应灵敏、高速、轻便的驱动系统是解 决这个问题的关键所在。直线电机，其速度最高是传统传动方式“旋转电 机+滚珠丝杠” 的 1030 倍，加速度最高是传统传动方式的 l0 倍，刚度提 高了 7 倍；直线电机直接驱动的进给轴无反向间隙；由于电机惯量小，所 以由其构成的直线电机驱动系统可以达到较高的频率

39、响应；现在已经出现 了大推力直线电机，所以在重型龙门机床上采用直线电机驱动数吨重的运 动部件也已不成问题，同时随着数控系统的发展进步，同步双驱动控制技 术也已成熟应用。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能的传 动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成，如图 2-2 所示。 图 2-2 直线电机的转变过程 由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧称为次级。 在实际应用时，将初级和次级制造成不同的长度，以保证在所需行程范围 内初级与次级之间的耦合保持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可 以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级 长次级7

40、。 直线电动机的工作原理与旋转电动机相似。以直线感应电动机为例： 当初级绕组通人交流电源时，便在气隙中产生行波磁场，次级在行波磁场 切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 10 - 生电磁推力。如果初级固定，则次级在推力作用下做直线运动；反之，则 初级做直线运动。 直线电机具有结构简单、无接触运行、噪声低、速度和精确度高、控 制容易、维护方便、可靠性高等优点。随着超高速切削、超精密加工等先 进制造技术的发展，对机床各项性能提出了越来越高的要求。尽管当前世 界先进的交直流旋转电机伺服系统性能已大有改进，但由于受到传统机械 结构（即

41、旋转电机加上滚珠丝杠）进给传动方式的限制，有关伺服性能指 标难以得到突破性提高。随着电机技术的飞速发展，近年来直线电机及驱 动控制系统在技术上日趋成熟，已具有传统传动装置无法比拟的优点。在 数控机床中，用直线电机替代传统的高速滚珠丝杠与原旋转电动机传动 方式的最大区别是：取消了从电动机到工作台之间的机械中间传动环节。 即把机床进给传动链的长度缩短为零，故这种传动方式称为“直接驱动” ， 也称“零传动” 。直接驱动避免了丝杠传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和 刚性不足等缺点，带来了原旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优 点。 表 2-2 直线电动机优势 特点利益 整体重量轻，惯量小，摩擦小 高

42、的动态性能，短的空 行程时间，高的生产效率 紧凑的设计，弹性环节少 更高的刚性，对干扰有 更快的响应，更高的精度 没有反向间隙改善了重复精度和轮廓精度 没有耦合，没有齿轮等传动 机构，无接触驱动 需要的空间小，易于安装， 无磨损，维护工作量小 综上，对于龙门行走方向选择直线电机的传动方案为宜。鉴于正常工 作模式下该运动为超低速运动，仅 3mm/s，故采用单边驱动的方案即可， 另一侧仅安装滑动导轨。 2.3.2 Y1 轴运动的传动方案 市场上出现的焊接摆动器大致分为两类，一类是钟摆式，通过调节摆 动角度，摆动速度及中心角度的移动。停摆时，由于重力作用焊枪可自动 回复至中心位置。一般基于蜗轮蜗杆传

43、动实现11。如图 2-3 所示为两类焊 接摆动器的工作轨迹，左图的摆动轨迹呈现月牙形状，右的摆动轨迹呈现 锯齿形状。 另一类为直线式。这一类传动机构的研究呈现多样化，较为常见。其 传动机构可选用平面连杆机构原理，齿轮齿条传动原理等，设计简单，控 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 11 - 制精确，因此本文主要以直线式摆动器为设计方向。 图 2-3 两种焊接摆动器及其各自运动轨迹 其对应的现场操作为在焊缝的起点处引燃电弧，焊条的末端在焊缝两 侧做锯齿状摆动，摆动时在锯齿的尖端位置要停留大约 0.110s 钟左右 （程序中取停留时间为 0.1s） ，中间过渡稍快，并逐渐随着焊条末端的熔化 将

44、焊条压低，让焊条末端的始终距离焊条保持 35 毫米的距离（似接触而 不接触） ，注意不要使焊条末端与焊件接触，那样会缩短电弧燃烧的空间致 使电弧熄灭，也不要将焊条提得太高，导致加热不良并影响焊缝成型。其 运动轨迹如图 2-4 所示。最终选取滚珠丝杆为传动方案。 图 2-4 焊接摆动器运动轨迹 2.3.3 Y2 轴运动的传动方案 龙门横梁方向作直线间歇运动，行程长达 2 米。若使用滚珠丝杆传动 方案，传动精确，但造价高。相比之下，皮带传动具有结构简单、传动平 稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、 不需润滑、维护容易等特点，且自重轻，柔性大，能过载打滑、运转噪声 低，在

45、近代机械传动中应用十分广泛。不足之处在于传动比不准确（滑动 率在 2%以下） 。 在实际工程操作中，龙门横梁方向的直线间歇运动精度要求并不高， 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 12 - 使用皮带传动比滚珠丝杆传动方案的性价比来得高。因此，本文选取皮带 传动作为龙门横梁方向的传动方案。 2.3.4 Z 轴运动的传动方案 由于焊枪升降机构活动行程较短，运动精度要求高（以免运动过程中 与工作台碰撞） ，故选择滚珠丝杆为最佳传动方案。 送丝机构的传动方式为齿轮传动，该部分内容将在 2.4.3-2.4.4 集中论 述。 2.4 送丝机构的设计 2.4.1 送丝方式的选择 熔化极气体保护焊主要有三

46、种送丝方式：推丝式（图 a） ，拉丝式（图 b） ，推拉丝式（图 c） 。 图 2-5 熔化极气体保护焊送丝方式示意图 根据现场情况选择拉丝式较为便捷。其工作示意图如下： 图 2-6 本设计所采用送丝方式 （a） （b） （c） 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 13 - 2.4.2 送丝轮的设计 由于送丝力是依靠送丝滚轮和焊丝间的摩擦力得到的, 而摩擦力又取 决于送丝轮对焊丝的正压力和送丝轮与焊丝间的摩擦系数的大小。由于焊 丝与送丝轮的材料已定。故摩擦系数可视为常数。这样, 摩擦力的大小就 取决于送丝轮对焊丝的正压力。而正压力的大小除了与外加的压力有关外, 还与送丝轮的形状有关。 送丝

47、轮有四种基本形状可供选择： 图 2-7 送丝轮基本形状 图2-7（a）在送丝轮上滚花，以增加对焊丝的压强来提高送丝力。但 这种办法易使焊丝表面压出压痕，反而增加了焊丝在管道中的阻力，并且 还会增快管道和导电嘴的磨损。尤其是对于管状焊丝更为严重，故不能采 用。图2-7（b）为V形槽送丝轮。它的优点是随着夹角的减小，送丝轮对焊 丝的压力将明显地增加。因此，目前国内外送实心焊丝的送丝机中多采取 这种形式。但对管状焊丝还不宜采用。这是由于管状焊丝壁薄，稳定性差 的缘故。图2-7（c）为U形槽送丝轮。槽底的半径与焊丝的半径一致。优点 是当上下二齿轮啮合时，焊丝正好居于槽中，因此焊丝与槽子的接触面积 大为

48、增加，从而对焊丝的压强大为降低，避免了焊丝被过渡轧变形的缺点。 但这种形式需随不同直径的焊丝配用相应规格的送丝轮。 在实际应用中，轮槽形式实芯焊丝采用V型槽，药芯焊丝采用60 U型槽。实芯焊丝本身强度、硬度高，不易变形，可使用较大的压紧力得 到相应的送丝力；药芯焊丝相对于实芯焊丝，强度、硬度较差，用U型槽 不会把焊丝压变形，同时能承受较大的压紧力而获得较大的送丝力。 因此，据根上述分析，对于管状药芯焊丝，以采用U形槽的送丝轮为 宜，并将U形槽两侧改为。斜面槽底圆角仍维持原状，使实际理论接触30 圆弧为，见图2-7（d） 。60 此外，为保证两对送丝轮的送进线速度基本一致，四只送丝轮上U形 槽的

49、底径应尽可能相同。至于齿轮的节圆直径的允差则要求不高，对渐开 线齿形的齿轮来说，即使节圆有较大的误差，其转数不受影响。故取槽底 直径的允差为+0.1毫米，U形槽子的半径允差为0.05毫米9。送丝轮的槽子 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） - 14 - 经车床车削后，必须去除毛刺，进行倒角，否则在送丝时会将焊丝轧出毛 刺，增大焊丝在管道中的阻力，并加速管道和导电嘴的磨损。 送丝机送丝时，既要保证齿轮的啮合中心距，又要保证压紧焊丝的同 时，给送丝轮留一定的备磨量。本设计中送丝机构将送丝轮和送丝齿轮做 成一体，满足了送丝机送丝时的要求，同时保证了送丝轮和送丝齿轮的同 轴度，减小了径向跳动，提高了送丝的稳定性。虽然一体结构加工时难度 较大，但是性能却能得到可靠保证，如图2-8所示。 图2-8 送丝轮和送丝齿轮一体化 另外，根据焊丝直径将送丝轮分组，不同规格的焊丝配备相应的送丝 轮。这样既保证了焊丝从进入导电嘴到出丝嘴的直线性，不影响送丝力， 又能保证送丝轮、齿轮的啮合中心距；避免因其增大或缩小而产生噪声或 卡死。堆焊用管状焊丝的直径一般在2.8mm4.8mm间，本设计使用的送丝 轮是以直径为2.8mm的焊丝为例进行的设计。