焊接滚轮架上工件轴向窜动防窜机理研究.pdf

2007年8月第35卷第8期机床与液压MACHINET00L&HYDRAULICSAug2007Vo135No8焊接滚轮架上工件轴向窜动防窜机理研究罗生梅，陈利(兰州X_-z-大学机电工程学院，甘肃兰州730050)摘要：探讨了简体在焊接中出现轴向窜动的问题和产生轴向窜动的主要原因，分析了对主动轮转速的控制和简体轴窜位移的调节机理，同时提出了具有位移、速度负反馈的非线性控制方案，并通过相平面法对系统稳定性进行了分析。关键词：防窜滚轮架；轴向窜动；非线性控制中圈分类号：TM151文献标识码：A文章编号：10013881(2007)80742StudyontheAnti-floatingMechanismfortheAxialDriftingoftheCylinderonaWeldingRollerBedLUOShengmei，CHENLi(CollegeofTechnologyandEngineering，LanzhouUnivofTech，Lanzhou730050，China)Abstract：Themainissuesofaxialdriftingandthemainfactorswhichaffecttheaxialdriftinginweldingacylinderwerestudied，thecontroloftherotationalspeedofdrivingrollerandtheadjustmechanismfortheaxialdriftingofthecylinderwereanalyzed，anonlinearcontrolmethodwithdisplacementandvelocitynegativefeedbackwaspresentedKeywords：Antifloatingmilerbed；Axialdrifting；Nonlinearcontrol我国在1990年颁布的焊接滚轮架的行业标准(ZBJT330031990)中规定：主动滚轮的圆周速度应在660mh范围内无级可调，速度波动量按不同的焊接工艺要求，要低于5和10，滚轮转速应稳定、均匀，不允许有爬行现象。按GB150规定制造的筒体类工件在防轴向窜动滚轮架上进行焊接时，在整个焊接过程中允许工件的轴向窜动量为3mm。虽然我国近年来也有个别工厂生产过防窜动滚轮架，但这些工厂都把滚轮架当作工装而不当作产品，所以它的制造很粗糙，结构、尺寸、规格都存在许多问题，都不标准。而且国外于20世纪80年代中期推出的防止简体轴向窜动焊接滚轮架，能将筒体的窜动量控制在2ram以内。所以我国近年生产的防窜动滚轮架在实用性和可靠性方面，与国外产品相比还存在着差距。1焊接过程中出现的一些问题(1)当筒体的形状是规则的圆柱体，但滚轮架的主动轮和从动轮的安装不在同一水平线上时，滚轮对简体也会产生轴向外力的作用使筒体出现向安装的滚轮较低的方向窜动。如图1所示。故其产生的轴向外力可以是简体重力G的轴向分量F=fCcos(a2)体G图1简体窜动示意图一式中：为支承角，-厂为摩擦系数。(2)当简体的形状是规则的圆柱体，但滚轮架的2个主动轮和从动轮的轴线在水平面内不平行(呈喇叭形状)，2个滚轮也会对简体产生轴向外力使筒体出现轴向窜动。故由图2分析得水平向右的轴向力F=FlCOSO(3)当简体的形状是规则的圆柱体，3个滚轮的安装都在同一水平面上，而另外的一个滚轮却不在同一平面内，滚轮架运行时，滚轮对简体产生轴向外力使筒体出现轴向窜动。故由图3分析得水平向左的轴向力F=F1COSO一DioI、图2简体窜动示意图二图3简体窜动示意图三2焊件产生轴向窜动的主要原因在对兰州石油机械有限公司的压力容器分厂的防窜动滚轮架系统进行实地考查实践后，证明影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线的平行度。焊接滚轮架的制造安装误差已有行业标准规定，误差的具体内容有滚轮的跨距、支承距、对角线长度、高度和偏角等允差，最终表现为螺旋角，因此简体的轴向运动往往是不可避免的。由于制造、安装等原因，滚轮和工件之间存在的螺旋角是工件产生轴向运动的内在因素。3主动轮转速控制要做到使焊件无级调速的平稳旋转，一般采用2维普资讯第8期罗生梅等：焊接滚轮架上工件轴向窜动防窜机理研究75种驱动方式：直流调速和交流变频调速。由于直流调速存在着故障率高且成本也高的缺陷，因此选择交流变频调速。随着电子技术的发展，交流变频调速已完全能够满足各种吨位焊接滚轮架的要求。为使焊接滚轮架的滚轮间距调节方便可靠，组合便利，采用主动轮单独驱动的设计方案，即每个主动轮单独利用一台电动机和减速机构驱动。要尽量选用特性一致且经过实测的电动机和减速机构，并使用一套驱动源，各个主动轮电动机采用并联的方式并要解决好各主动轮的同步问题。4轴窜位移调节机理滚轮的轴线与简体的中心线不平行形成螺旋角是轴窜位移产生的内在因素。通过调节滚轮与简体的相对位置可以有效地控制螺旋角。轴窜位移调节机理如图4所示，c、D分别为两从动轮的轴心，从动轮c放置在一杠杆上，杠杆的、to图4轴窜位移调节机理支点为B，杠杆的另一端由举升电机驱动螺旋千斤顶举升或下降。如当筒体发生轴向窜动时，根据轴窜位移及轴窜速度的大小和方向控制举升电机将杠杆A端举升Ah距离，从动滚轮的轴心由点c移至点c，简体的中心由点0移至点0，简体的轴线发生变化，与两侧滚轮形成附加螺旋角，产生相反方向的轴窜速度，从而减小轴窜位移。5控制系统分析控制系统的任务是减：ix3-件的轴窜位移Y，在规定时间内把轴窜位移控制在焊接生产所允许的范围内。首先应选择合适的轴向位移传感器测量出Y的大小和方向，有了Y的大小和方向(反馈输入量)，再依据工件的轴向窜动规律来确定合适的控制规律。控制系统主要是控制偏转电机的正反转、转动时间和暂停时间的长短。本文遵循下面一种非线性控制规律，并且引进位移、速度负反馈。图5控制系统原理方块图控制系统原理如图5所示。非线性控制规律为：当0时：【一MNe，一Ct式中：为偏转电机转速的绝对值；系数取决于主动滚轮转动方向，正转时M=1，反转时M=1；e，=R一(Y+)；口、b、是关键的3个系统参数，由系统仿真优化确定，线性系统的动态微分方程为=当R=0时，e=一(Y+k)，可将相平面分为3个区域，如图6所示。I区内，线性系统方程为=一KMN，等倾斜线方程为=一KMNa；区内，线性系统方程为=0，等倾线方程为。=0；区内，线性系统方程为=KMN，等倾线方程为=KMNa。在I、区域内，相轨迹为抛物线；在区域内，相轨迹为与水平轴平行的直线。由上述分析可见，引入位移、速度负反馈，改变了开关转换线位置，使相轨迹提前转换，并趋向一个稳定的极限环，JJ，+Y=+-6ItbJ+y=-a从而改变了系统的动态图6控制系统相图性能。极限环的大小取决于。、b及值，系统的控制精度近似为。该控制方案虽使系统保持一定的自持振荡，但可以通过外加“窗口”电路使振幅控制在较小的范围内，这样仍能获得良好的控制效果。6结束语(1)在制造和使用焊接滚轮架时，首先应尽量做到主从动轮都位于同一中心线上，各滚轮的轴线都在一个水平面内互相平行，滚轮间距应相等。(2)滚轮架上简体轴向运动的根本原因是由于螺旋角的存在，螺旋角是滚轮架制造安装过程中带来的随机误差。(3)闭环自动控制系统遵循具有位移、速度负反馈的非线性控制规律，并通过相平面法对系统稳定性进行了分析，分析结果与模型实测结果一致。系统控制精度达到015mm，完全可用于焊接滚轮架上工件的轴向窜动控制。参考文献【1】李佳慧防轴向位移焊接滚轮架控制系统的设计与研究J长春大学学报，1999【2】沈风刚工件在焊接滚轮架上轴窜机制及防止措施的对比研究D甘肃工业大学，1994【3】王永初自动调节系统工程设计M北京：机械(下转第78页)维普资讯78机床与液压第35卷弦长应根据加工精度要求来确定，等弦长后，最大误差6在最大曲率及最小曲率半径R处。L=2R2一(R)一2历(2)确定R函数X=z)任一点的曲率半径为R：型式中：X为函数X=z)的一阶导数，为函数X=z)的二阶导数。当：o，即3X”zX，一(1+X，：)”：0时，为函数X=，(z)的三阶导数)得R，所以根据X=z)求得、的值代入上式，即得值。将值代入曲率半径R公式，即得到R一。(3)确定弦长的圆方程以曲线起点A为圆心，弦长为半径的圆方程为：(。)+(zz。)=8R6允(4)解圆与曲线的联立方程rX=z)I(。)+(zz。)=8R6求得点坐标值，顺次以、c、D点为圆心，计算出c、D、E等各点的坐标值。32程序编制依据ISO一105675国际标准规定，圆弧插补指令为G02G03。其编程格式较简便，但圆弧加工常常从粗加工到精加工需多次走刀、对刀，会使加工程序冗长。为了简化编程应尽量使用数控系统固有循环指令或子程序。例如，图2所示凸模的右端圆弧面加工可建立子程序，这样可大大减少计算量，简化编程。主程序CK11N0010G90G95；N0020$500M03；N0030G158X0Z100；N0040T1D1M08；N0050G00X68Z40；N0060GO1Z35；N0070GO1X0F05：N0080G00X100Z100；N0090I2D2$600；N0100G00X68Z40；N0110GO1Z38；N0120KL60PIO；N0130M03N0140G01N0150KI0N0160G00NO170M05；N0180M02：子程序KI60N0010G91：N0020G01N0030G01N0040G03N0050G02N0060G01N0070G00N0080X68$900；Z2826；P1；X100Z100；Z一1；X一23688Z209：X一22376Z一5558CR=10：X一7228Z一229CR=4：X一14708：Z】0N0090Zl0N0100G90N0110M174结束语本文对曲面数控车削中刀具选择、刀具运动轨迹确定、加工程序编制等关键问题进行了分析，并提供系列的解决方法和思路，为数控车削操作人员提供了参考，有利于保证曲面的加工质量，提高数控车床的生产率。参考文献【1】王永章，等机床的数字控制技术M黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1995，【2】SIEMENS802D数控系统数控车床编程与操作手册【3】关颖数控车床M北京：化学工业出版社，2005作者简介：梅伶，女，高级讲师。电话：02036903131(O)Email：ML98098163como收稿日期：20070314(上接第75页)工业出版社，1983【4】马杭，王政，朱亮