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研究与开发
机电工程木2010年第39卷第01期
低成本仿形自动焊接机的研制
万忠华,卫国强,于福鑫
(华南理エ大学机械与汽车工程学院,广东广州510640)
摘要:随着制造业的迅猛发展,焊接生产过程的机械化和自动化已成为推动焊接技术发展的巨大动力,焊接自动化不仅可以提高
焊接质量,同时提高焊接生产效率。针对不锈钢扁管椭圆型焊缝的仿形自动焊接问题,对仿形自动焊接机进行了仿形结构设计与
控制系统设计。采用主轴旋转角度细分法来控制主轴的转速,以达到调节焊接线速度的目的,同时对控制系统的理论误差进行了
分析。结果表明:所研制的仿形自动焊机,完全满足生产实际需要。
关键词:自动焊接机;仿形;转速控制;角度细分法;焊接线速度
中图分类号:TP23
文献标识码:A文章编号:1009-9492(2010)01-0046-0
1引言
为304不锈钢。现需要在扁管的两个端面焊上厚度相同的
自动焊接机分智能焊接设备和专用焊接机两类,智能
椭圆片,焊接方法为TG焊。要求焊缝光滑美观,无需打
焊接机主要用于复杂零件的焊接,其焊接轨迹多为空间复
磨、无泄漏,因此从焊接工艺要求考虑,焊接时要保证电
杂曲线;专用焊接机是对某一系列或某一种零件进行焊
弧长度恒定不变,在任一瞬时,焊枪和工件的相对速度保
接,设备的复杂程度低,加工效率高,加工成本低,特别
持相同,即焊接线速度在整个焊接过程中均匀一致并在
适用于大批量的生产。而在设计低成本专用焊接机时,根
定范围内可调。
据实际待焊零件的要求,如何将机构与控制有效结合,完2.2焊接机机构设计
成高质量、高效率的焊接,成为设计的关键。
为保证焊接过程电弧长度的恒定,同时考虑降低机械
本文运用机械仿形与角度细分的控制原理,设计了低
与控制系统的复杂程度,本设计采用了机械仿形原理,即
成本仿形自动焊接机,该机适用于焊接扁管系列零件3
通过靠模来自动调节焊枪的径向高度,而焊接线速度的保
2焊接机的硏制
证,则需要程序控制来完成。
2.1焊接工艺要求
图2所示是扁管自动焊接机的仿形机构示意图。焊接
待焊零件为截面是椭圆形的扁管零件,如图1所示,
机工作开始时,气缸2下压,使仿形轮和扁管紧密接触
其长轴长为50mm,短轴长为30mm,壁厚为0.8mm,材料
仿形轮和焊枪在同一横架上,这样使焊枪能跟随仿形轮
起沿径向方向上下运动,焊枪与工件之间的距离通过手动
调节焊枪夹持器来完成。当气缸完全下压后,氩弧焊机启
动,主轴转动,焊接过程开始。焊接过程中,主轴的转速
要不断改变,使焊枪相对于工件的焊接速度保持匀速,当
焊接过程完成后,主轴继续转动一个角度,焊接电流衰
减,然后主轴停止转动,气缸上提,最后主轴再转回一个
小角度,复位,准备下一次焊接。
2.3焊接机控制系统设计
在焊接普通圆管时,主轴转速不变的情况下,其圆周
上各点的线速度相同,而在扁管焊接过程中,由于圆周上
各点到椭圆圆心的距离不同,所以在同一主轴转速下,其
圆周上各点的线速度不同。为了保证扁管焊接线速度,主
图1扁管零件
轴要不断变速,如果采用自适应的控制方法,或者采用闭
收稿日期:2009-07-10
机电工程技本2(01()年第39卷第()期
研究与开发
焊接速度
椭圆标准方程
4为椭圆截面示意图。
1.横梁2.气缸3.焊枪夹持器4.焊枪5.夹具6.扁管
7仿形轮8.椭圆片
?4椭圆截面
图2焊接机仿形结构示意图
本设计所加工的扁管,a=25m,b=15mm
x?tane
(2)
环控制的方法来控制主轴转速,那样成本会很高,考虑到
其中0=11.25°。
工件本身的工艺要求,现用椭圆角度细分的原理,即将椭
圆每个象限按角度平均分成8份,如图3所示,我们假设
y~0.2x代人方程(1)
在每个细分角度内,圆弧上各点到椭圆心的距离是不变的
得x(+,9)=1,求得x213
实际上各点到圆心距离是不同的,但根据长轴与短轴比
y=23.73×0.2=4.75。
和角度细分数,以及工艺要求的高低,这个距离的变化会
那么=Vx2+y2=24.2,
r=(24.2+25)÷2=24.6,
V=o?r=400mm/s,求得0=16.26rad/s,
换算成角度n=360°×16-26.-931/s
转换到步进电机轴,
na=931?k=931×30=27930/s,
步进脉冲频率-27930:0.6°=46550Hz。
以上为第一个区(如图3中灰色区域所示)相对应的
步进电机频率,根据以上过程可以算出其它七个区域的步
进电机频率,这样在焊接过程中每个区域会有不同的步进
图3椭圆角度细分
电机频率。在椭圆的长轴与短轴比接近1的时候,这个细
分算法所产生的较均勺焊接线速度效果不明显,长轴与短
很小,或者可以忽略),在每个细分角度11259内,主轴的轴比值大于4的时候,适当提商细分数,那么这个控制原
转速不变,那么此角度所对应的圆孤上各点线速度就近似
理所达到的效果会更为明显
为相同,而这个转速是根据细分角度内的平均半径来计算2.4PLC程序设计
的。按照工艺要求的线速度,用每个细分角度所对应的平
PLC以其良好的抗干扰性以及稳定性,在工业控制中
均半径可以计算出所对应的主轴转速,然后根据传动比和应用广泛,在设计扁管焊接机时,采用了三菱FX1ls-30MT
步进电机的步距角,就可以计算出每个细分角度所对应步
作为控制单元,此型号的PIC为晶体管型输出,用以发送
进电机频率。在焊接过程中,程序通过调用这8个不同的
高频率的脉冲来控制步进电机。在控制步进电机时,主要
频率,控制步进电机转速,完成对焊接线速度的控制。
利用PLC的两条功能指令,FNC59PISY和FNC35SFIL。
下面根据一组参数来说明步进电机控制频率的计算过
PISY为脉冲发送指令,用于发送一定频率的脉冲给
程
步进电机,通过给PISY赋予不同的值,即可改变发送的
传动比:k=30
脉冲频率和脉冲数,从而得到不同的电机转速。
步进电机步距角:0.6
SFT.是移位指令,如图5为该指令的使用格式,移位
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