毕业设计（论文）-汽车排气管环形缝焊接专机的设计（全套图纸）.docx

毕 业 设 计（论 文）题目汽车排气管环形缝焊接专机的设计全套CAD图纸加153893706汽车排气管环形缝焊接专机的设计摘要随着社会的发展，汽车在各大城市都有大量的市场，故汽车的各个零件的生产务必要更加的现代化，本文主要针对排气管自动生产线末端工序中的焊接问题，由于密封性和焊接的均匀性要求比较高，一般的焊接或手工焊接不能满足排气管的制造要求，故设计一台汽车排气管环形焊缝专机。该设计主要完成汽车排气管环形缝焊接专机的结构设计及其电气控制系统设计。本文介绍的结构设计主要是环焊机的台架的尺寸、传动机构和排管焊接工装夹具等参数设置以及用途，介绍的电气控制系统包括PLC控制，工作原理和软硬件设计，以保证所有控制及运动部件具有精度高、可靠性好、响应速度快、自动化程度高，操作简单、维修方便等特点。可编程控制器是该专机控制系统的核心，能够对焊接专机的各种外围设备能够实现精确地控制，这些设备包括：焊接电源，气缸，直流电机和电磁阀。经理论分析，本文的机构设计以及电气控制系统能够精确地到达焊接处实现环缝焊接，满足排气管的制造要求。关键词：排气管，环缝焊接，传动机构，PLC电气控制The DesignofSpecial Welding Machines Using in the Girth Weld of Exhaust PipeAbstractWith the developmentofsociety, cars have a large number of markets in many big cities, so theproduction of cars parts must be moremodern. The paper explained these problems which some factories product the exhaust pipes would make. As for the sealing and weldability of exhaust weld have a rigorousstandard, general welding and hand welding can not meet the requirement, we design a special welding machines using in the girth weld of exhaust pipe.The design is mainly solved special welding machines using in the girth weld of exhaust pipe of structural design and electrical control system design. This paper describes the structural design is mainly welding frames size, transmission and exhaust pipe welding fixture, parameter setting and uses the electrical control system introduced includePLC control, the principle and hardware and software design to ensure that all control sections and moving parts with high accuracy, good reliability, fast response, high degree of automation, simple operation, and easy maintenance. The heart of the system is the PLC module, which is capable of welding machine of various peripheral devices can achieve precise control, these devices include: welding power, cylinders, DC and solenoid valve.With theoretical analysis, we got a conclusion that the mechanical design and electrical control systems described herein can precisely reach welds achieve girth welding, and conform the manufacturing requirements of the exhaust pipe.Key words: Exhaust pipe, Girth weld, transmission, PLC control.目录摘要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1 选题背景11.2 研究目的和意义11.3 研究内容21.4 消声器简介31.5 焊缝位置及要求52 方案的确定72.1 采用开合齿轮旋转夹紧机构的焊接专机的环缝焊机72.3 方案的确定113 消音器焊接工艺以及生产线工艺流程的制定133.1 消声器焊接的工艺流程分析133.3 焊接方法154 消音器双缝焊接专机的机械设计194.1 焊枪固定机构的设计194.2 滑动机构的机械设计204.3 电动机与减速机的确定215 双环焊缝专机的电器控制系统的设计255.1 环缝焊接专机的气缸动作的设计思路与方案255.2 PLC控制系统的设计276 结束语397 致谢词408 参考文献41III1绪论近年来，我国汽车工业发展很快，汽车零部件的排气管的生产企业正向规模化，产业化前进。作为汽车的主要外部零部件之一，消音器的焊接一直是研究的对象。1.1 选题背景汽车噪音大致分为发动机噪音，传动噪音和外部噪音，其中动机噪音又是主要噪音源，他对整车噪音起着决定性的作用。但在发动机噪音中，最主要的来源是排气噪音1。为了降低其影响，汽车都安装有排气消音器。但如今大部分排气管采用手工焊接，劳动生产率低。焊接质量难保证。尤其是对与消音器两端呈直线结构的消音器，由于消音器和排气管都呈柱状，在焊接式要不断地转动排气管和消音器，难以保证焊接质量，而且不能实现消音器两端的同步焊接。基于以上出现的问题，设计了一种用于排气管环缝焊接的专机。1.2 研究目的和意义本设计主要解决排气管自动生产线末端工序中的焊接问题，由于密封性和焊接的均匀性要求比较高，一般的焊接或手工焊接不能满足排气管的制造要求。对于排气管，有三处环形缝，弯管与歧管交界处，歧管、净化器与波纹管焊接处，后消声器末端处2，本次课题要解决后两处环缝的焊接，故设计汽车排气管环形缝焊接专机。它是焊接作业过程中使用的专门设备，包括焊接变位设备，焊接操作设备等，它为焊接工艺的机械化和自动化发展提供了必要的装备，可实现结构件焊接质量及效率的全面提高。本设计主要完成汽车排气管环形缝焊接专机的结构设计及其电气控制系统设计。结构设计主要是环焊机的台架、传动机构和焊接工装夹具等的设计。该控制成系统运用PLC，以保证所有控制及运动部件具有精度高、可靠性好、响应速度快、自动化程度高，操作简单、维修方便等特点。因此极大的提高了原有生产的焊接效率，节省了制作时间，可实现大批量生产，减少工位，提高了安全系数，同时为企业创造更多价值。1.3 研究内容汽车排气管环形缝焊接专机包括台架、焊接工装夹具、焊枪移动支架、气动下枪机构、夹具体、电气控制系统等部分。主机位卧式结构，即旋转轴水平，由直流减速电机驱动。电气控制系统采用台达公司的PLC作为中心控制单元，配合文本对话框、外围接口电路实现对专机各部分的程序动作的控制；焊接系统推荐选用WSE5系列交直流多用氩弧直流焊焊机。本课题研究的具体内容有:1.3.1专机支架的结构设计本专机机架结构要求要满足强度要求以及刚度要求，保证专机在工作时的稳定性。专机机架的设计要求哥哥零件能容易合理的安放其上，并且机架的大小要适当，太小则零件安装不合适，太大又浪费材料、占据空间。1.3.2专机的焊机工装夹具、焊接夹具采用气动夹紧的方式，定位采用外圆定位，由人工装卸工件，操作完毕，之后自动夹紧、松开工件进入下一道工序。、采用标准接口，电、气均采用快换接头，满足柔性化生产的要求。、由于焊接时有大量的热输入，若夹具设计不合理，会导致排气管产生很大的焊接变形，影像尺寸精度。为了更好的拆卸工件，将夹具体安装在滑动导轨上，通过气缸带动，工件安装完成后，夹紧工件，进入下一道工序。1.3.3焊枪移动支架根据焊接的工艺要求，焊接支架保证在焊接过程中使焊枪对轴没有相对的滑动，实现精准的焊接动作，并在焊接完成时给工人足够的操作空间。1.3.4 电动机以及减速机构的设计整个过程中涉及到焊枪的缓慢转动，这需要用到电动机以及减速机构的设计，使工件以及焊枪能按照焊接工艺的要求的焊接速度进行移动。1.3.5 PLC梯形图设计为了提高工作效率，改专机采用气动硬件，整个元件的工作都在PLC的控制下工作。在控制过程中，PLC根据外围所给信号按设定的时间控制电磁阀、焊枪的转动、焊接工件夹具的开合以及焊接工件的移动。PLC硬件控制部分由PLC输入信号和输出信号组成。输入信号由各种按钮、行程开关、霍尔接近开关等组成；输出信号由电磁阀、辅助继电器以及各种状态指示灯组成。系统程序设计是根据逻辑流程图要求设计的。1.4 消声器简介1.4.1消声器的基本原理和构造排气消声器是汽车上一个重要的功能部件，它是发动机系统的一个重要组成部分。它的质量好坏直接影响到发动机的动力性能以及整车噪声和废气排放指标。同时，排气消声器也是外观件，是汽车制造水平的直观反映3。一般来说，排气管消声器的基本构造如图1.1所示。筒体两端焊有前、后盖，简体中间焊有隔扳，导管固定在隔板上，排气管与前盖焊接而成，整个消声器表面镀铬或喷涂黑色耐热漆。图1.1 排气管消音器基本构造1.4.2消音器性能的评价指标消声器的性能评价指标主要有四个，即插入损失气流流动阻力损失，噪声和排放指标。1.4.2.1插入损失消声器插入损失是指在安装与不安装消声器时排气管管口同一测点处声压级之差。该数值越大，表明消声器的消声效果越好。1.4.2.2气流流动阻力损失消声器的空气动力性能，即消声器的气流流动阻力损失是评价消声器性能的一项重要指标。消声器的气流流动阻力损失大，则发动机的功率损失也大。因而气流流动阻力直接影响发动机动力性和经济性。1.4.2.3噪声按照国家标准规定，所检测的噪声为整车排气噪声。1.4.3消音器性能的外观质量要求分两种情况，即表面镀铬或喷黑色耐高温漆。1.4.3.1镀铬处理根据Q/QD663-93规定，有以下要求：(1)、镀层体系：即“四层镍微孔铬”，包含半光亮镍+高硫镍+光亮镍+镍封+微孔(2)、外观质量：外观呈略带蓝色色调的银白色，接近镜面光亮，不允许有划痕、毛刺、发花、条纹、麻点、针孔、桔皮、龟裂、起泡、起皮、烧焦、铬酐痕迹、挂具印痕、露基露镍(在规定部位处可除外)等电镀缺陷。(3)、镀层结合力：镀层之间、镀层与基体金属之间应结合牢固，不得起皮、开裂。1.4.3.2喷漆处理根据Q/QD664-96规定，有以下要求：(1)、漆种的使用应符合Q/QD785规定之要求。(2)、漆膜厚度大于30m。(3)、漆膜外观不允许有流挂、堆漆、划伤、脱落、起泡、色不均等缺陷。(4)、漆膜附着力小于等于2级，采用划格法测定抽验。1.4.4消音器的气密性要求根据QC/T291 17.22-93规定，消声器在气密性试验中，外壳、焊接管的焊接和卷边处不得有漏气现象，要求消声器内承受气压0.196MPA，置于检测液体中持续时间，应无气泡产生4。1.5 焊缝位置及要求此项设计是专机的设计但是在保证使用的条件下仍然采用了很多通用部件，这样可以降低成本。1.5.1 焊接部位说明本专机焊接件的结构如图1.2所示，消音器分为盒式消音器和筒式消音器，图中消音器为盒式消音器，即本双环缝焊接专机的焊接件。分为前段排气管借口，消音器以及后段排气管借口，设计专机的目的就是为了将三者焊接成一个气密性与焊缝均良好的合格品，两边的焊缝均为两个半圆弧和两端直线段焊缝。图1.2 焊接件结构图对于一个盒式消音器，该专机焊接过程分为两个部分，如图1.3所示，专机一次工装只能完成一半的焊接。由于消音器的对称性，需要将消音器翻转180，再次工装才算完成一个成品的焊接。图1.3 一次工装的焊接部位对于一次工装，该环缝焊接专机首先焊接直线部分，然后电机带动焊枪转动半周焊接消音器的半圆弧段，完成一次焊接工序。2 方案的确定2.1采用开合齿轮旋转夹紧机构的焊接专机的环缝焊机该焊接设备用于消音器与两端的排气管焊接，所述的消音器横向固定在消音器连接机构上，所述排气管横向固定在两端的排气管连接机构，在焊枪连接机构上设有两个分别对准消音器与排气管连接位置的焊枪。采用该方案可实现中间的消音器与两端的排气管同步转动，实现同步焊接，操作简单，焊接效率高。2.1.1工作原理图2.1 方案一的结构示意图1 底座；2 固定框；3 安装支架；4 连接块；5 气缸；6 开合齿轮；7 固定支脚；8 转盘；9 固定框a；10 驱动电机；11 滑块；12传动轴；13 操控面板如图所示，本焊接设备的工作流程：本焊接设备的消音器连接机构包含一个夹持消音器的开合齿轮6和设在底座上1上的9固定框a。开合齿轮6的下半部支撑在9上，PLC控制气缸5的动作实现齿轮的开合，从而实现消音器的夹紧与松开。工作时，工人将消音器和排气管分别放在消音器连接机构和排气管连接机构。按下齿轮闭合按钮，齿轮闭合，工件被气缸压紧。按下齿轮松开按钮，齿轮锁紧松开，齿轮自由转动。齿轮松开后，气缸驱动焊机到合适位置，信号灯亮。此时按下正转按钮，专机开始正方向旋转，工件正常焊接，达到环峰焊接的目的。焊接完成后，按下松开按钮，开合齿轮打开，夹紧机构松开，取出焊接完成后的工件。重复上述过程。如图2.2所示，本焊接设备的焊枪连接机构包含设在底座1上的安装支架3和设在支架3上的焊枪夹头15，焊枪夹头设有两个，各焊枪夹头15上夹有一个焊枪。该焊枪安装支架3上还设有与焊枪夹头15连接的调节机构。设置调节机构，主要用于调节焊枪夹头15的位置，以使用于不同尺寸的消音器的焊接，提高适用范围。如图所示，各个调节机构摆阔一个与安装支架3相连的连接块4，与此连接块4连接并沿消音器长度方向滑动的滑块14，与滑块14连接且水平朝向消音器的的位置的滑动滑块，以及与滑块连接并沿竖直方向的滑块16，通过设置可移动的滑块，可实现焊枪三个方向的移动。焊枪夹头15与滑块16固定连接，滑块14通过设在连接块4上的丝杠驱动，在连接块4上设有导向滑槽。滑块11通过设在滑块14上的1气缸17驱动。PLC通过控制气缸的运动从而实现对焊枪的控制。图2.2方案一的焊枪支架结构示意图14 滑块；15 焊枪夹头；16 滑块；17 气缸2.2 焊枪转动式双环缝焊接专机该设计采用新型的设计理念，由于焊缝为一直线段和一半圆弧段，因此焊枪相对于焊接工件有相对水平的运动还有一段圆弧运动。由于焊接位置比较特殊，需要焊枪相对于工件的运动有一定的规律。该设计通过PLC控制，精确的计算出焊枪的运动轨迹，控制其逻辑关系，可以实现双焊缝的精确焊接。在该系统中，核心是控制系统。且PLC是该控制系统的核心，各种开关量以及各个传感器的输出都与PLC的输入端相连， PLC的输出端主要与要控制的电磁阀、接触器、报警信号等相连。各种逻辑控制全部在PLC内部实现。图2.2 方案二的结构简图1 焊机支架；2 伺服电机；3 机械开关接触器；4 工件；5夹具夹紧体；6 机械开关；7 霍尔感应开关；8 焊枪支架；9 行程开关；10 气动推杆1；11 电机支架；12 气动推杆2；13 气动推杆4；14 防护罩支架 15气动推杆5；如图所示，本方案的工作原理：工作时，工人将待焊接的消音器5放在夹具上。启动开关，夹具体受到气动推杆5的推动下压紧消音器5，焊枪在气动推杆的作用下靠近焊接工件，到达指定地方后保持焊枪位置，同时气动推杆4打开防护罩支架，保证焊接处无外界干扰。气动推杆以一定速度使排气管沿着导轨运动，焊接焊缝的直线部分。当霍尔感应开关触发时，该气动推杆停止动作，PLC驱动伺服电机使焊枪一合适的速度顺时针旋转180度。转过180度后，机械开关接触器3碰到行程开关9，PLC控制伺服电机停止转动同时，在气动推杆10和15的作用下，焊枪远离工件，气动推杆4和5收缩使防护罩打开以及松开消音器。人工将排气管翻转180度。重复以上操作。2.3 方案的确定对于方案一，该设计用于消音器与其两端的的排气管的焊接连接，焊接呈直线状的消音器结构。如图2.2所示，本焊接设备包括底座1，设在底座1上的用于固定消音器的消音连接机构，在底座1上还设有驱动电机10，该驱动电机10通过传动机构驱动消音器连接机构以及排气管连接机构，实现同步转动，实现环缝的精确焊接。相对于现有技术的人工焊接，该设备更加智能化，更能保证同步焊接。但是由于缺少一个保证消音器与排气管连接处接触的机构，因此使用该设备不能很好地保证焊接质量，导致焊接效率低下，增加了废品的产生。对于方案二，我们采用该设计采用新型的设计理念，由于焊缝为一直线段和一半圆弧段，因此焊枪相对于焊接工件有相对水平的运动还有一段圆弧运动。由于焊接位置比较特殊，需要焊枪相对于工件的运动有一定的规律。该设计通过PLC控制，精确的计算出焊枪的运动轨迹，控制其逻辑关系，可以实现双焊缝的精确焊接。在该系统中，核心是控制系统。且PLC是该控制系统的核心，各种开关量以及各个传感器的输出都与PLC的输入端相连， PLC的输出端主要与要控制的电磁阀、接触器、报警信号等相连。各种逻辑控制全部在PLC内部实现。该环焊缝焊接专机满足工艺要求，能够较好地完成消音器与排气管类零件的焊接，降低工人的劳动强度，提高了生产效率。采用伺服电机控制焊枪焊接速度，系统准确稳定；利用可编程控制器对焊接过程进行自动控制，简化硬件结构，增加系统的柔性，同时提高工作的稳定性和可靠性。综合以上分析，我们采用方案二。3 消音器焊接工艺以及生产线工艺流程的制定3.1消声器焊接的工艺流程分析我们通过分析消声器的两种典型代表进行分析，筒式消声器和盒式消声器。3.1.1 消声器的结构特点筒式消声器和盒式消声器从结构上来说，主要区别与外观形状，筒式呈圆筒状和锥筒状，盒式由左右两个半体相接而成。其他方面均相似。一般来说，消声器结构有以下一些内容：由排气管和消声器两部分组成，排气管为圆管，成各种弯曲形状，大多采用内、外管组合而成，内管和外管有一定的间隙，以确保外部的温度不会过高，以免影响外部的表面处理质量。消声组件外观通常成筒式和盒式，内部均由许多隔板把消声器内部分成许多消声室，并通过导轨时气流按一定的方向流动，部分消声室还配备有吸音才陆奥，如玻璃纤维5。3.1.2 消声器焊接工艺用考虑的问题整个排气消声器焊接专机的设计过程中，应考虑焊接过程中如何减少焊接变形，如采用合适的焊接速度，合理的工艺流程，选用合适的焊接工艺和焊接夹具，以确保装配尺寸的符合性和一致性。3.2 消声器材质的焊接性分析通常消声器是采用拉延性较好的材料制成的，通常的板材材料牌号为08AL的冷冲压薄板钢或ST14深拉伸级冷轧钢，除悬挂板外，板材厚度大多在0.8-1.2mm之间，悬挂板一般为3mm左右。其他的就是一些管件，管件材料通常采用10钢，排气管壁厚在2mm左右。其化学成分和机械性能如下表所示：表3.1 08Al、ST14、10的化学成分和机械性能牌号化学成分机械性能CSiMn酸溶AlPS0.020.020.03270-35038210100.130.370.650.040.045295-41030三种材料均属于低碳钢，其碳当量值分别为:08Al ：Ceq1=C+Si/24+Mn6=0.08+0.4060.147%ST14: Ceq1=C+Si/24+Mn/6=0.08+(0.00/6)0.08%10钢：Ceq1=C+Si/24+Mn/6=0.13+(0.65/6)+（0.37/24）0.25%可见，三种材料的碳当量值均小于0.4%。因此，可见三种钢的焊接性能优良。一般情况下，焊接不会导致很严重的晶相组织破坏，塑性和冲击韧性也比较好，焊接时不必预热。但是，钢中的杂质，如硫、磷、氧、氮对焊接接头的裂纹敏感性以及力学性能又都有重大影响。如果钢中的硫、磷过多，则可能在晶界上形成熔点较低的硫、磷化合物，引起的焊缝融合线附近的液化裂纹，甚至焊缝处断裂。此外，含硫量过多可能会导致气孔。氧元素在钢中的危害更大，会降低材料的力学性能的各种指标，如强度、塑性和韧性，对于这种材料，氧的含量过多，往往与冶炼方法有关6。3.3 焊接方法在消音器与排气管的焊接专机中，结合实际生产工作条件，主要的焊接方式有氩弧焊、气保护焊、点焊、气焊等焊接方法，下面将对这些焊接方法具体应用作分析：3.3.1 氩弧焊氩弧焊用于外体合缝工序。因消声器的外体属于薄板，故焊接时一般不需要开坡口和加填充焊丝，靠母材自熔即可，若外体合缝前在1mm以下，采用氩弧焊，可获得良好焊缝，能很好地保证消音器的密封性。因此本焊接专机可以采用氩弧焊，焊接但在实际的应用中，还有几个方面需要注意： 钨极的形状钨极极端在使用前必须先磨光，因为钨极的端部形状对电弧的稳定性能有影响，端面凹凸不平时，产生的电弧既不集中又不稳定。且消声器的外体属于薄板，因此采用小直径钨极将其末端磨成尖锥角（约20度），这样电弧容易引燃且更加稳定。但这样做也有个缺点。焊接电流较大，会因为电弧密度过高而使末端过热熔化并增加烧损，电弧斑点也会扩散到五级末端的锥面上，如图3.1所示，使电弧柱明显地扩散飘荡不稳而影响零件的焊接质量。实践表明，大电流焊接时要求钨极末端磨成钝锥角（大于90度），或者带有平顶的锥角（如图3.1所示），这样可使焊接更加稳定，弧柱的扩散减少。末端呈尖锥角 末端成平顶角L=24ddp=13一16dj图3.1 大电流焊接时钨极末端形状对弧态的影响 电流种类和极性的选择钨极氩弧焊可以使用交流、直流和脉冲电源等三种，采用哪种电源是根据被焊材料来选择的。对于直流电源还有极性选择的问题，参考表3.1：表3.2 材料与电源类别和极性选择材料直流交流材料直流交流正极性反极性正极性反极性铝（厚2.4mm）镁铸件铸铝钛黄铜银铸铁合金钢堆焊异种金属无氧铜铝青铜高合金注：最佳；良好；最差从表3.1看出，对于消声器的外体焊接，因是低碳钢焊接，故选用直流正极性。焊接工艺参数优化为了获得优良的焊缝成形及焊接质量，很重要的是应根据焊件的技术要求，合理地选定焊接规范参数。在消声器外体焊接工序中，我们采用的以下焊接规范7：电流I=110125A； 气体流量：812 L/min；电弧电压：78 V； 电弧长度：33.6mm；焊接速度：420mm/min； 钨极直径：2mm。3.3.2 气体保护焊原先，我们大多采用纯C02气保护焊工艺但由于排气消声器在汽车中属外观件，因而对焊缝外观质量要求很高，同时，排气消声器的材料大多在l2mm之间，采用纯C02焊接工艺，易出现烧穿缺陷，因而，选取哪一种焊接工艺，以克服以上缺点，就显得十分重要。3.3.3 点焊在消声器的焊接生产中，点焊主要用于消声器外体点衬圈工序，因被焊材料都为低碳钢，其焊接性良好，采用普通的点焊机、简单焊接循环，除注意零件防锈外，无需特别的工艺措旖，即可获得满意的焊接质量m1。3.3.4气焊气焊用于消声器的补焊，工艺比较简单，使用较少。4 消音器双缝焊接专机的机械设计4.1 焊枪固定机构的设计考虑到焊枪在固定在支架上后，焊枪对于待焊接工件有明确的相对运动，因此焊枪的固定必须稳定可靠。为了使装卸消音器、排气管的工人师傅更加的方便以及焊接情况的需要，这就需要设计一个能沿着主轴方向运动，并且能随着主轴转动一定角度的焊枪固定支架。如图4.1所示，支架通过两个紧定螺钉固定在轴上，焊枪与该固定机构通过两顶丝，可以调整焊枪与消音器工件的距离，从而达到灵活操作的目的，增加了系统的柔性。其具体活动过程如下：当对固定机构上的两螺丝拧松或者拧紧时，可以用来装卸焊枪，调节焊枪在水平上的位置，相当于调节了焊枪与工件的距离，用于满足不同位置焊缝的需求，有利于氩弧焊形成更好的焊缝，能够很好地保证消音器的气密性8。图4.1 焊枪固定支架如图所示，该固定支架为焊接件，通过紧定螺钉与轴定位，焊枪通过该支架上两个手拧螺丝拧紧。4.2 滑动机构的机械设计该专机有三处需要用到滑杆辅助机构的直线运动，分别是控制待焊接消音器前后方向的运动，以及专机两边控制焊枪和传动部分左右方向的直线运动。由于控制消音器前后方向的滑杆时直接安装在面板上，不存在抗弯强度不足的问题。故本焊接专机需要校核光杆抗弯强度的是控制焊枪和传动部分左右方向的直线运动的光杆，直线部分的长度为330mm，应根据此去确定滑杆的长度，此外，滑杆的长度还和滑块的长度有关，再考虑到滑杆承受的向下的压力，得验证滑杆的弯曲应力，是否会出现较大幅度的弯曲变形。图4.2 光轴受到均布载荷q=G1+G22m=1.79 kN/mL=330 mmm=140 mm如图4.2所示，光轴受到两边的支撑力以及均布载荷，光轴为圆截面，经分析知道，弯曲正应力最大处在光轴的正中间。光轴受到的弯矩为：M=12qmx；0xL2-m2-q2x2+ql2x-q8L-m2；(L2-m2xL2+m2)12qmL-x； (L2+m2xL)由上式可知，最大弯矩出现在光轴的中间处，即x=l2L，光轴的最大弯矩为：Mmax=q82Lm-m2=1.7982330140-1402=0.163 KN.m光轴为圆截面，圆截面的抗弯截面系数为：WZ=32d3=321.63cm3=0.4cm3最大正应力为max=MmaxWZ=0.1630.41000=407Mpa查资料得，45#钢许用弯曲正应力=138 Mpa最大正应力超过了许用弯曲应力，所以该光轴直径过小，需要加大直径，我们将直径d选取为22mm，有WZ=32d3=322.2cm3=1.26cm3最大正应力为 max=MmaxWZ=0.1631.261000=129 Mpa所以此光轴安全。光轴在危险截面的最大正应力小于45#钢的许用弯曲应力，故直径为22mm的光轴满足使用要求8。4.3 电动机与减速机的确定4.3.1 电动机与减速机的选取本双环焊缝焊接专机对一个消音器和排气管零件的焊接分两步，每一部的焊接要求均为一条直焊缝和一个半圆弧焊缝。盒式消音器的加工工件轴颈为100mm，则圆弧段长为：L=d2=3.142100=157mm为了保证工件的焊接质量，焊接速度需要在300650 mm/min，所以焊枪的转速为1.22r/min，令焊枪的转速为2 r/min,则焊枪的线速度为：v=628 mm/min=0.063m/s电机转动过程中，只需带动焊枪转动，负载较小，但需要对焊枪动作的控制可靠，则选用直流减速电机。电机需要带动的质量为10kg，包括焊枪以及焊枪支架，限位开关接触器等。Ft=mv所以焊枪转动的的圆周切向力为；F=mvt=100.0630.1=6.3 N所需扭矩为：T=Fr=6.360.20=12.72 N.m所需功率为：P=Tn9.55106=12.7229.55106=0.2710-3 Kw单伺服电机在传递到轴上时会有损耗，效率=0.74，因此电动机的功率为：P=P1=36wJ-SZ（ZYT）-Px系列微型直流减速电动机，分别由SZ（ZYT）系列直流电动机与Px型普通精度行星减速器构成，且配带电源，可实现无级调速。调整范围宽、体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、输出转矩大，广泛使用于引进设备及国产机械。如：四色印刷机、塑料平封机、食品及工业包装机械、输送管道保暖检测装置、焊接设备以及其它需要低速高转矩、无级调速的驱动装置所配电源采用脉宽调制技术，具有先进的短路保护功能（其功能详见电源使用说明书），输出0-220V连续可调的直流稳压电源，使电动机转速实现无级变速等优点.因此电动机选取J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流减速电动机，型号定为70SZ07，额定功率为68w，如图4.3所示：图4.3 电机实物图 电机原转速为:1500r/min,加上减速头以后转速为150r/min. 其主要参数如下： 1）额定电压：U=220V 2）功率：P=68W 3）转速可调:0-150r/min 4）轴径：D=20mm 5) 最大力矩：11kg.m 6）重量：8kg其各项参数均能满足焊枪移动的要求。4.3.2电动机与减速机的定位根据工作要求，电动机主要用于带动焊枪圆周转动工作，所以电动机与减速机放在专机的左右两侧，要一个水平挡板将它们固定在支架上。为了保证挡板的强度，可选择加上筋板来提高其安性。4.3.3输出轴的确定 初步确定轴的最小直径轴所要传递的功率： P=68w d39.551060.2 3Pn=C3Pn取轴的材料为45号钢，调质处理。取C=103 d39.551060.2 3Pn=C3Pn=10336810-36=22.3 mm输出轴的最小直径显然是安装在减速机处的值轴的结构设计如图4.4所示，为了满足减速齿轮的轴向定位要求，-轴段右端需制造出轴尖，故取轴端的直径为18mm，段的直径d=19mm；左端用圆螺母轴向定位，为了保证弹簧挡圈能准确地轴向定位，故段轴应该做成M16的螺纹，且带有退刀槽。轴上零件的轴向定位齿轮的轴向定位均采用平键连接。如图4.4所示，手册得平键截面bh=6mm6mm(GB/T109672)，键槽用键槽铣刀加工，长为15mm。两端的两个深沟球轴承采用轴尖和弹性挡圈轴向。定位同时为了保证轴承与轴配合有良好的对中性，故选择轴承与轴的配合为过盈配合，配合为H7/p610。图4.4 减速轴结构5 双环焊缝专机的电器控制系统的设计5.1 环缝焊接专机的气缸动作的设计思路与方案在论文前面我们已经介绍了环缝焊机的基本工作原理，以及该设的基本结构，根据工作要求，焊接专机一共12个动作,分8组，分别是焊接防护罩的开合、夹具体的夹紧/放松、左焊枪的进退、右焊枪的进退、左焊枪的引弧/熄弧、右焊枪的引弧/熄弧，电机正转的启动/停止、电机反转的启动/停止。5.1.1 动作控制分析工作时，工人将待焊接的消音器5放在夹具上。启动开关，夹具体受到气动推杆5的推动下压紧消音器5，焊枪在气动推杆的作用下靠近焊接工件，到达指定地方后保持焊枪位置，同时气动推杆4打开防护罩支架，保证焊接处无外界干扰。气动推杆以一定速度使排气管沿着导轨运动，焊接焊缝的直线部分。当霍尔感应开关触发时，该气动推杆停止动作，PLC驱动伺服电机使焊枪一合适的速度顺时针旋转180度。转过180度后，机械开关接触器3碰到行程开关9，PLC控制伺服电机停止转动同时，在气动推杆10和15的作用下，焊枪远离工件，气动推杆4和5收缩使防护罩打开以及松开消音器。人工将排气管翻转180度。重复以上操作。焊接专机的初始状态：工件没被夹紧，消音器焊件防护罩处于开的状态，电机停止不动，两个焊枪均在远离工件位，焊枪处于熄弧状态。在第一工作点（工件被气缸压紧/放松）的过程中，用继电器控制相应的气缸单线圈两位电磁阀，通过电磁阀实现对气缸活塞的左移和右移的控制，从而实现工件的的压紧和放松。当继电器接通，该气缸的电磁阀的线圈通电，压紧焊接件，当接触器碰到行程开关1时，继电器断开，该气缸电磁阀线圈断电，焊接件放松。在第二工作点（被焊接工件的前进/后退）的过程中，使用继电器控制相应的气缸单线圈两位电磁阀，通过电磁阀实现对控制焊接件移动的气缸活塞的控制，从而实现对焊接工件的前进/后退的控制。当继电器接通，该气缸的电磁阀的线圈通电，气缸控制焊接件前进，前进到相应地方，接近开关得电，气缸保持现在的状态，当接收到行程开关的信号之后，继电器断开，气缸的电磁阀线圈断电，焊接件后退到原来位置。在第三工作点（焊接件防护罩的开/合）的过程中，使用继电器控制相应的气缸单线圈的两位电磁阀。通过电磁阀实现对防护罩的开合的控制。当继电器接通，该气缸的电磁阀的线圈通电，气缸通过推杆推动控制防护罩闭合，当接触器碰到行程开关时，继电器断开，气缸的电磁阀线圈断电，防护罩打开，方便工人取出工件。在第四工作点（左右两边焊枪的进/退）的过程中，使用继电器控制气缸相应的单线圈两位电磁阀。通过电磁阀实现对焊枪进枪和退枪的控制。当继电器接通，该气缸的电磁阀的线圈通电，气缸通过推杆推动电机和焊枪同步前进，达到一定距离实现氩弧焊。当接触器碰到行程开关2时，继电器断开，气缸的电磁阀断电，在气缸的作用下，焊枪后退。在第五工作点(两个焊枪的引弧/熄弧)的控制中，直接用继电器控制起弧/熄弧。当继电器接通时，焊枪起弧。当继电器断开时，焊枪熄弧。在第六工作点（电机正/反转）的控制中，分别用继电器直接控制电机的动作。当继电器接通时，电机转动。当继电器断开时，电机停止转动。为了调试或出现故障时的方便。焊机动作过程示意如图5.1所示：恢复初始状态电机停止焊枪退枪防护罩收缩夹具松开电机转动焊接件停止移动焊件水平移动焊枪引弧焊枪前进焊接件防护罩打开夹具夹紧初始状态焊枪停止图 5.1 焊缝专机动作示意图5.1.2 该专机机械动作的两种方式该焊接专机的机械动作有两种操作方式，即手动操作方式和自动操作方式。 手动控制过程的设计要求：焊接专机的六个工作点，互不影响，互不干涉。自动控制过程设计目标：设置一个启动按钮，就能够完成整个自动控制过程。在工人检测好焊接件的加紧情况后，按下启动按钮，焊接专机依次完成夹具夹紧，焊接防护罩开启，焊枪前进，焊枪引弧，焊枪停止，焊件水平移动，焊件停止移动，电机转动，电机停止转动，焊枪退枪，防护罩收缩，夹具松开等动作，从而实现一个工作周期。5.2 PLC控制系统的设计5.2.1 系统硬件设计在进行PLC系统设计时，首先需要确定控制方案，下一步就是PLC工程设计选型。在工程设计选型和估算时，我们应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围以确定所需的操作和动作， 然后根据控制要求， 估算输入/输出点数、所需存储器容量、确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统11。 确定系统输入元件（按钮、指令开关、限位开关、接近开关、传感器等）和输出原件（如继电器、接触器、电磁阀、指示灯等）的型号。 确定可编程序控制器的型号和硬件配置。由于本专机的I/O点数较多，控制功能有点复杂，因此选用三菱FX2N_48MR可编程控制器，对消音器环缝焊接专机的动作进行控制。5.2.2 分配输入/输出点的元件号并画出PLC的I/O的接线图为了控制焊接防护罩的开合、夹具体的夹紧/放松、左焊枪的进退、右焊枪的进退、左焊枪的引弧/熄弧、右焊枪的引弧/熄弧，电机正转的启动/停止、电机反转的启动/停止。将输入/输出信号列表，I/O地址分配表：表5.1 I/O地址分配表输入部分输出部分地址说明地址说明X000手动开关Y000控制缸1伸出X001气缸1退回位置限位开关Y001控制缸1缩回X002气缸1伸出位置限位开关Y002焊件前进X003进枪按钮Y003焊件后退X004退枪按钮Y004控制缸3伸出X005焊件伸出位置限位开关Y005控制缸3缩回X006焊件退回位置限位开关Y006左电机正转X007左焊枪反转行程开关Y007左电机反转X010焊件前进按钮Y010左焊枪到位指示灯X011焊件后退按钮Y011右焊枪到位指示灯X012左焊枪正转行程开关Y012直线段焊接完成指示灯亮X013回原点开关Y013焊接完成指示灯X014压具伸出行程开关Y014压紧X015压具缩回行程开关Y015松开X020启动按钮Y020引弧 X021停止开关Y021熄弧X022自动开关X023压紧按钮X024松开按钮X025电机反转如表5.1所示，I/O地址分配表为绘制硬件接线图做好了准备，也为梯形图设计走好了准备。根据分配的地址，做出了I/O口的接线图，如图5.3所示。图5.3 PLC的I/O端子接线图5.2.3 PLC的软件设计PLC控制程序是该焊接专机的核心部分，是消音器能否成为合格件的关键。程序的好坏直接关系到专机使用的方便性和准确性，同时还要考虑到专机的效率。因此PLC程序应包括自动和手动操作两个环节。5.2.3.1 将手动/自动按钮调到手动状态：装配好工件，按下夹具压紧按钮，压具下降，工件被气缸压紧；与此同时，防护罩打开，保护氩弧焊的工作条件；按下进枪按钮，左右两边焊枪均向焊接件靠近，焊枪进到位信号灯1点亮，到达指定位置停下。焊枪进到位信号点亮1之后，此时可以按下焊件移动按钮，焊接件和夹具一起向前移动。到达指定位置，信号灯2亮，同时焊接件停止运动。 信号灯2亮之后，按下电机正转，电机带动焊枪转动指定的角度，碰到行程开关2后，电机停止转动。且电机在任意位置按下红色停止按钮，专机停止转动。此时，焊接工作行程已经完成。当专机停止转动后后，在手动状态下，需要按退枪按钮，将焊枪退