1、哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- - 摘 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、独立焊枪升降机构、龙门架、龙门
2、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： 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 - 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
3、、完整版论文、程序、答辩 PPT）可加QQ695939903，如果需要代做也请加上述 QQ,代做免费讲解。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- II - AbstractIn modern large-scale industrial production, the failures of mechanical parts caused by wear is increasingly serious. As the development of surface engineering technology, a large area of composite wear plate weldin
4、g 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 equipment and less intelligent device, this paper according to the specific technical paramete
5、rs 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 welding mechanism. Plus rational control program, it lays a solid foundation for the development of
6、 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 lifting mechanism, gantry, gantry drive and its track and other auxiliary components. Among the
7、m, 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 torch drive back and forth by a specific rule. Meanwhile, a two-dimensional table of gantry in accor
8、dance 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 two-dimensional table equipped with three sets of unattached welding equipment improve the efficie
9、ncy 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哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- III - 目 录摘要 .IABSTRACT .II第 1 章 绪论1.1 课题来源及研究的目的和意义 .11.2 堆焊工艺方法和原理 .11.2.1 堆焊工艺简
10、介 .11.2.2 堆焊原理和特点 .21.2.3 摆动式堆焊的优点 .31.3 国内外在相关方向的发展和应用现状 .41.4 本文主要研究内容 .6第 2 章 摆动式自动堆焊机的初步设计2.1 引言 .72.2 总体结构分析 .72.3 传动方案的确定 .82.3.1 X 轴运动的传动方案 .82.3.2 Y1 轴运动的传动方案 .102.3.3 Y2 轴运动的传动方案 .112.3.4 Z 轴运动的传动方案 .122.4 送丝机构的设计 .122.4.1 送丝方式的选择 .122.4.2 送丝轮的设计 .132.4.3 送丝机的传动设计 .142.4.4 齿轮传动部分的设计 .152.4.
11、5 电机的选择 .172.4.6 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 3 章 机构主体部分的设计3.1 引言 .213.2 焊接摆动器的选型与校核 .213.3 焊枪升降机构的选型与校核 .223.4 龙门横梁方向的传动设计 .233.5 电缆拖链的选型设计 .243.6 龙门架的设计 .253.6.1 龙门横梁的设计 .253.6.2 龙门横梁的校核 .273.6.3 龙门立柱的设计与校核 .293.7 龙门行走方向的传动设计 .293.7.1 直线电机的选型 .293.7.2 直线电机使用的注意事项 .313.7.3
12、LM 滚动导轨的设计与校核 .323.8 其它 .353.9 本章小结 .35第 4 章 控制系统的设计4.1 引言 .364.2 HS-LXM 控制器简介 .364.3 硬件连接 .374.4 伺服机构部分的控制 .384.5 直线电机的控制设备 .434.6 本章小结 .45结 论 .46参考文献 .47致 谢 .48哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）- 0 -第 1 章 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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、，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
19、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
20、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
21、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
22、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。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，
23、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
24、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
25、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。
26、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
27、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%，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
