发布时间 : 星期一 文章焊枪二维位置控制系统设计-毕业设计论文更新完毕开始阅读4d4417234b35eefdc8d3339e
前言
焊枪二维位置控制系统设计
1 前言
近20年来，随着数字化、自动化、计算机、机械设计技术的发展，以及对焊接质量的高度重视，自动焊接已发展成为一种先进的制造技术，自动焊接设备在各工业的应用中所发挥的作用越来越大，应用范围正在迅速扩大。在现代工业生产中，焊接生产过程的机械化和自动化是焊接机构制造工业现代化发展的必然趋势。
未来的焊接工艺，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件[1]。
2 选题背景
2.1 题目来源
生产实际
2.2 研究的目的和意义
焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，发电厂、化工厂等建设中所涉及的焊接操作，其焊缝质量需要那些经过优质培训的焊工操作才能保证，一般人难以达到，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣[2]，导致自动化焊接的需求越来越多。自动化焊接的意义主要有以下几个方面
[3]
：
（1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速
度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用自动化焊接时对于每条焊缝的焊接
第 1 页 （共 24 页）
焊枪二维位置控制系统设计
参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长度等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。
（2）改善了工人的劳动条件。采用自动化焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等的危害。
（3）提高劳动生产率。机器没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。
（4）产品周期明确，容易控制产品产量。自动化的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。
焊枪二维位置控制系统是对焊接时焊枪的平面移动进行控制，是自动化焊接中的一部分。本次设计的目的在于了解焊枪二维位置控制系统在实际工业生产中的应用并对它改进和创新。
2.3 国内外焊接自动化现状
焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截止2005 年，全世界在役工业机器人约为91.4 万台，其中日本装备的工业机器人总量达到了50 万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几年，全球机器人的数量在迅速增加。
我国自上世纪70 年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，近些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% , 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
第 2 页 （共 24 页）
选题背景
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。
从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面[4]。
2.4 焊接自动化技术发展趋势
电子技术、计算机微电子信息和自动化技术的发展，推动了焊接自动化技术的发展。特别是数控技术、柔性制造技术和信息处理技术等单元技术的引入，促进了焊接自动化技术革命性的发展。
（1）焊接过程控制系统的智能化是焊接自动化的核心问题之一，也是未来研究的重要方向。最具代表性的是焊接过程的模糊控制、神经网络控制，以及专家系统的研究。
（2）焊接柔性化技术也是今后着力研究的内容。在未来的研究中，用微电子技术改造传统焊接工艺装备，是提高焊接自动化水平的根本途径。将数控技术配以各类焊接机械设备，以提高其柔性化水平，是当前的一个研究方向；另外，焊接机器人与专家系统的结合，实现自动路径规划、自动校正轨迹、自动控制熔深等功能，是研究的重点。
（3）焊接控制系统的集成是人与技术的集成和焊接技术与信息技术的集成。集成系统中信息流和物质流是其重要的组成部分，促进其有机地结合，可大大降低信息量和实时控制的要求。注意发挥人在控制和临机处理的响应和判断能力，建立人机对话的友好界面，使人和自动系统和谐统一，是集成系统的不可低估的因素。
（4）提高焊接电源的可靠性、质量稳定性和可控性，以及优良的动感特性，也是今后着重研究的方向。开发研制具有调节电弧运动、送丝和焊枪姿态，能探测焊缝坡口形状、温度场、熔池状态、熔透情况，适时提供焊接规范参数的高性能焊机，并
第 3 页 （共 24 页）
焊枪二维位置控制系统设计
应积极开发焊接过程的计算机模拟技术。使焊接技术由“技艺”向“科学”演变。是实现焊接自动化的一个重要方面[5]。
2.5 自动化焊接设备介绍
随着产品种类的增多及对产品质量要求的不断提高，对焊接工艺要求越来越高，所以许多原来由人工焊接的产品对焊接自动化设备的需求及要求也越来越多。
自动化设备工程应用特点：
（1）工件在工位上的定位根据产品的实际情况，轴向及圆周方向均以某一管接的孔（或管接头）作为基准。
（2）工件的上下料（上下线）采用人工模式，附件的上料为人工理料、自动上料。 （3）焊接为自动焊接，焊枪做多自由度运动，工件可作旋转运动，以达到所需位置的焊缝。
（4）采用微机或单片机控制整个自动生产过程，有人机操作界面，人工操作方便。
2.6 摆动机构的作用
丝极摆动在焊接过程中有着重要的实际意义，可以增加焊道宽度，对于焊接宽度不均匀的焊缝可以增进焊道表面美观。同时，摆动焊接可以降低焊层厚度，容易实现多层多道焊接，有利于提高焊缝金属的机械性能。摆动焊接过程的基本要求是摆动速度、摆动幅度可调。更高一些的要求是除了摆动速度、摆动幅度无级可调外，左右摆幅处停留时间也可以调节。其中摆动速度要求线性可调，甚至摆动速度在摆动过程中可以变速调节。这样的摆动系统有利于实现复杂焊接工艺对焊枪运动轨迹的要求[6-8]。
2.7 本文的主要研究内容
利用滚珠丝杠螺母副设计行走机构和摆动机构，以单片机为核心，通过程序控制电机实现焊枪移动和摆动是本次设计的核心和难点。
在控制系统方面，步进电机的选择、控制电路设计、脉冲分配等问题是设计的重点。选择合适型号的步进电机才能对焊枪在平面上的运动进行有效的控制，控制电路设计包括了步进电机驱动电路和单片机外围电路，由于有两个步进电机，要使焊枪沿一定轨迹行走，就要对两个步进电机进行正确的脉冲分配。
第 4 页 （共 24 页）