（机械电子工程专业论文）多功能自动焊接机床伺服控制技术研究与设备开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 自动焊接伺服控制技术是制约我国焊接设备自动化水平提高的瓶颈性因素。 本研究课题针对目前国内焊接设备存在的自动化程度相对较低，焊接质量差，以 及相关技术研究较少的现状，对复杂相贯线接缝的自动焊接伺服控制技术进行了 研究。 论文首先以实现复杂相贯线接缝焊接为目的，研制开发了一台五轴联动的自 动焊接机床，重点设计制造了焊枪姿态控制机构和机床的自动装夹系统，并确立 了。p c 机+ 通用数字的卡+ 步进电机”的经济型数控体系结构，实现了由上位机 对五自由度焊接运动机构的开环控制。此外，本文还基于焊接现场的强干扰特性， 就可能存在的干扰源从硬件和软件两方面着手，采取了相应的抗干扰措施。 基于上述硬件平台，文中以相交双管为例，建立了相贯线焊缝以及焊枪姿态 的数学模型，并在此基础上以焊接精度为约束条件，推导出了相应的可控步长实 时插补控制算法，完成对相贯线焊缝的粗插补运算。此后将粗插补所获得的五轴 位移量分别转换成单轴步进电机的脉冲控制序列并对其进行合并，将综合时间控 制数组中的数据以表格形式通过的卡发送至驱动器中驱动执行部件运转，从而完 成对相贯线焊缝的精插补最后利用m 枷a b 工具软件对经过粗、精两级插补后 的焊枪运动轨迹进行仿真，验证了本文所设计的插补算法的正确性。 此后，以w i n d o 孵x p 为开发平台，在d e l p i l i7 o 环境下设计开发了一套较为 友好的自动焊接加工系统人机界面，该系统可对焊接数据进行自动处理，并采用 o p g l 技术对焊接过程进行了全程的动态仿真，有效避免了错误焊接的发生。 最后，对所设计开环数控系统可能存在的误差以及系统精度进行了分析、改 善，并对自动焊接机床设备进行整体调试，完成了初步的试验分析。 本文所设计的自动焊接机床结构简单，数控系统经济、可靠，成本低，维修 方便，且系统界面友好、操作简单，基本了完成预定功能，为进一步的自动焊接 技术试验以及高水平自动焊接设备的开发提供了一定的理论基础。 关键词自动焊接；相贯线接缝；实时插补；步进电机；系统精度 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t ko 哪c o m l 仃xl h ed e v c l o p m e n to fs e r v o c o m r o l t e c i l r l o l o g y m s t r i c t sm e d e v e l o p m e n to f 卸t o m a l i cw e l d i n gc q i u i p m e m l o w 卸1 0 m a l i ，p o 盯w e l d i i l gq u a h t y 锄dl i m er 龉e a r c hi sm em a i nc h a 均c t e r ma l l u s i t ot l i e t i l a u t yo ft l l a 土t h e ma a m a j 耐t yo fi m e 塔e c 矗o n - l i 锄st ob ew e l d c d 锄di t i sd i 伍c u h 协i m p l 锄饥t c d m 锄u a l l yi n t i l a lp r o d u c t i ，瑚e 眦h 铝i nt l l ef i e l do f 卸衄n a t i cw e l d i n gm a c h i l l e 趾d s e r v o c n d l 搬加o h 啊h a v e b c d 0 鹏i n t h i s p 印既 f 妇，a 丘v e - a x i s 卸：t o m 出cw e l d i n gm h i n em a tc a n a l i m e 越l 土c 吐n a 虹cw e l d i i l g o f i n t e 培e c t i - l i l l es 锄i sd 鼯i g n e d ，i t s n 仃o l l i i l gm c c h a i l i s mo f t o r c _ h s 誉塔t i i r c 孤d 肌t o m a t i c 鲥p p i i l gd e 、，i c ei sd e s i g n e dj n 曲叩h a s i s h lt h i ss e r v oc o m r o ls y 武锄，吼印 m o t o 墙a r ea d o p t e dt o 嚣t a b n s h 锄o i i l i c 如m c r i c a lc o n 仃d ls y s t 锄m a t 啪r e a l i z e t h c 叩e n 1 0 叩c o n 虹d it ot h ew e l d i n gc q l l i p m c n t b c c a u o ft l l e 砷n gj 卸血gi n w e l d i i 培俩n m t ，“a l t a k e sc 咄s p o n d i l l gr c s o l 啪ti na s p c c t so f b o t h f t w 撇 觚dh a r d w a m f 0 rt h e 卸t o m a t i cw e l d i i l gs y s t 锄，i ti 8i n l p o r t a n tt oe s t a b l i s ham a t h 锄a 矗c a l m o d e lw t l i c hc a nd m 功c 蜘z et h e 托a ls ”把ma c c i 嘲e l y 觚df b l i c i t o u s l y b a o nt 1 幛 h 嗣帕w a r cp l a t f o 皿m a ti 1 1 衄m c 。da ：b d v e ，i tt a k e st l l ei 1 1 t e 猖t i o nc y l i n d e 培f o re x 锄p i e 柚ds e t su pt h em a m 锄a t i c a lm o d e lo f6 v e - 越sl i i l k a g cs y s t 锄i l l1 l l ep 印e r - o n 也e b a s i so ft h i s ，i td e r i v 髓t h ep r e a m n g e ds t e p 佗a l 如e 帅l a t i 伽m e f h o d 吼d c ft h e c o i l s 扛a i mo fw e l d i n g c u r a c 弘w t l i c hc mm a l i z et l l er o l l 曲咖l 撕o nt h i ts c t s 印t h es i l l 羽ec 仃o l ”l s es c q l 啪c eo fs t 印m o t o r 粒c o f d i n gt od i s p l a c 锄e n t 捌v e d i n 姒l 咖缸e r p o l a t i 呱孤dm e r g 鹪t h ec o 咖lp u l s es e q 岣1 c 鹤o f 曲en l o t 0 幅t o 彻e c o 删) 砒s i v es c q u 眦c e ，雒dt h 蝴l 凼i tt o 越v w l l i c hc 觚鲥v e 删i i l g m c c h 锄i 锄t o 咖p l e t et l l ep r o 伊髓so f 麟a c ti n t c f p o l a t i o n t h e 心a f i e r ，i t 瑚鼯m a r i a b t os i m l l l a t em e t i l r a l 廿面e c t o r ) ro ft c ht ov e r i 母1 h ec o r f 缸l e 鹃o f 证t e 】硼a t i a l g o r i t l l md e s i g n e di nt l l i st 1 1 c s i s 山东大学硕士学位论文 t h c n a 衔胁d l yh 蝴m 粒l l i n e 劬；嘞c c i sd e s i 掣埘1 i m d e l p h ia n d o p g l 1 1 1 m es y s t 吗i tc 如删m e w c l d i n gd a t a 缸幻n 谢c a l l y 锄d 咖u l 蹴m e 啪i d i n g p r o 胂sw i l i c hc 觚p r e v e n tt h eo c 伽r r 吼c eo f f a u nw e l d i n ge 腧d v e l y i t 锄a l y 晒血cs y 鼍；t e i n a t i ce 啊柚d c t l 饿yo f t h i s 叩锄一l ps y 咖m ，柚dm 饥 t a l 【e sc o 眦s p d i l l gr 鹤o l v 饥t a tl a s t ，m e 姐t o m a t i c w e l d i i l gm h i i sd e b i 喈c da n d t h ep 他l i l i l i i 墙巧t e s ti s 觚s h e d t h e 卸t o l n 砸cw e l d i n gi n h i t h a ti sd e s i 弘e di nn l i sp 印盯h 髂也ec l l a 瑚曲e 埽o f s i m p l eg t r 眦t l l 】嗡鲫n o m i c 觚d 聪l i a b l en cs 删锄，l o wc o 鸭丘i d l y 蛔廊ea i l d 茹n p l eo p 啪吐。也np r 州d e st h 硎c a l 白啪d a l i f o rf i l ：n l l 贫、l d i n gt e 吼姐dr 豁e a r c h j nt h ed 叭i 唧锄to f 肌t 眦a t i cw e l d i n gc q i i i p m e n t 1 哂啊o r d 墨 棚t o m 蚰c w d d i n g ；h t e 礴e c 廿伽胁e 。m ；”m - n m ei n t e 叩o j a d 伽；。t e p m o t o b | y s 把m u n c y l h 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：支缘让牛日期：趋学旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：料导师签名 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 焊接在金属结构制造中是一种很重要的加工工艺，几乎所有的产品，从几十 万吨巨轮到不足l 克的微电子元件，在生产中都不同程度地依赖焊接技术，焊接 已经渗透到制造业的各个领域现代工业的飞速发展，不断对焊接技术提出更新 更高的要求，而现代工业和科学技术的新成就又为焊接方法和焊接专用设备的发 展提供了宽广而又深厚的技术平台目前，工业发达国家的焊接机械化和自动化 程度高到6 5 以上，焊接机器人制造技术日趋成熟，而我国仅有1 0 ，专用成套焊 接设备和自动化焊接设备大部分依赖进口。近几十年，我国焊接生产的机械化自 动化水平有较明显的提高，但从总体上看手工焊接仍然占据相当大的比重，约7 0 9 6 的焊接结构产品都是采用手工焊接完成的比如锅炉封头焊接通管、管与管之间 以任何角度焊接等复杂空间曲线接缝的焊接任务，由于没有国产自动焊接设备能 够完成这项焊接作业，有实力的企业一般购买价格昂贵的焊接机器人，而一般企 业则采用手工焊接，致使生产效率低、焊接质量差。较之发达国家，我国的焊接 设备无论是品种、数量、技术水平，自动化程度还是高新技术应用等都与其存在 较大的差距。 2 0 世纪9 0 年代，计算机技术在工业界的应用得到了飞速发展，一些先进的设 计思想开始融入到焊接领域中，现代焊接自动化技术就主要是依靠计算机控制技 术来实现的。焊接过程是一个复杂的机电、化学、物理过程，但是它可以依赖计 算机高精度的计算和大容量的存储特性，自动准确的建立焊接过程的数学模型， 调节焊接工艺参数，从而实现焊接生产的数控化、自动化与智能化自动焊接设 备的计算机伺服控制技术是目前焊接生产自动化的一个发展方向，是目前焊接生 产自动化技术研究的主体内容之一，同时也是制约我国焊接设备自动化水平提高 的瓶颈性因素。因此，加速研究伺服控制技术，研制开发高水平的焊接自动化设 备，增强其功能和通用性，将成为今后几年我国提高自动焊接技术的主要任务 山东大学硕士学位论文 1 2 焊接自动化技术的发展现状及发展趋势 1 2 1 国内、外焊接自动化技术的发展现状 国外的焊接自动化技术发展水平较高，自动控制技术在焊接中的应用较为成 熟。典型的如瑞典e s a b 公司的a d l 系列管焊机【i 】与a d 2 系列管焊机，法国的 p o l y s o u d e 焊管机专业公司生产的a l 聊i g l 4 0 型焊机【2 l ，其焊接程序直接由面 板上的键盘编写，可记忆2 4 套焊接程序。美国的w e l dl a g i c ，k 公司的管道全位置 焊接设备，采用全微机控制，能存储多段，多参数的焊接程序，在友好的人际界 面提示下，用户可以方便的进行操作。这类设备功能强大，可以实现自动引弧、 自动焊接，有的甚至还能够自动检测设备的故障和分析焊接质量【3 】。美国的w e l d l a 百c ，k 公司的a w s - 2 0 0 0 采用m m 的p c 机作为控制核心，包括的功能有：精密焊 接电源，机械式焊枪摆动，伺服控制的行走机构，保护气体控制，伺服控制的送 丝机，自动采集数据等所有的这些设备被安装在一个坚固的模块式机箱内，其 特点是焊接程序存储量大，闭环控制所有的焊接工艺参数【4 】，c 啪f i e l d 大学以计算 机为基础采用f 总线控制台对焊接电源和全部传动轴如轨道头、气体流量控制阀 等进行实时监测控制，在计算机与v m f 控制台、控制台与焊接电源c p u 之间采用串 行通讯模式，所有的焊接参数都存储在主计算机的数据库中，借以实现管道的自 动焊接【5 】。 我国焊接自动化技术的发展与应用首先从研制自动焊接装备开始，并且也己 经取得了较大的成就。南昌航空工业学院设计了自动焊可编程控制系统，该系统 采用日本立石公司的c 4 0 p 型可编程控制器作为控制单元，采用霍尔传感器检测机 头旋转位置，检测精度达到0 7 0 。北京石油大学与清华大学联合研制了球罐焊接机 器人，该系统采用两点式视觉伺服反馈系统，选用工业控制级可编程控制器作为 核心控制器件，外加自制的电机驱动等辅助电路，实现了对五自由度球罐焊接机 器人的柔性磁轮的控制、跟踪机构的控制和焊枪摆动机构的控制，并使之协调联 动，满足焊接过程的要求【6 】。山东大学以凸轮仿形原理对焊接机械自动化进行了专 题研究，由于它属于机械控制，其主要缺陷是柔性较低n 天津市焊接研究所研制 了一种四轴联动弧焊机床，只能完成处于同一面上焊缝的自动焊接【蚋。合肥工业大 2 第l 章绪论 学研究开发了一种四坐标c n c 自动焊机，主要用于焊接角缝【9 】。 焊接自动化技术的研究应该是建立在机、电、焊等各单项技术研究的基础之 上的【1 0 1 。基于我国技术发展的现状，研制开发高水平自动焊接设备尤其需要“电” 和“焊”两个单项技术加速研究、优先发展。国内对于“焊”单项技术的研究非 常重视，取得了大量的研究成果。有关“电”单项技术的研究主要包括焊接电源、 检测和控制三个技术层面，目前对于焊接电源与检测方法两个技术层面的研究得 到了重视，取得了一定的研究成果，控制技术层面是实现焊接自动化的关键环节， 主要对焊枪、焊接件的运动进行自动控制，然而，以自动焊接伺服控制作为专题 进行研究的人员非常少，取得的研究成果较少而且不理想。例如，复杂空间曲线 接缝的焊接( 如锅炉封头与接管的焊接、管与管之间以任何角度的焊接等) 在实 际生产中占有较大的比重，但是我们对其自动焊接伺服控制技术的研究及其高水 平自动焊接机床设备开发还是一项空白。 1 2 2 计算机技术在焊接自动化中的应用 计算机在焊接领域中的应用起步较早，并且正逐步向焊接科研、生产、管理 等各个领域深入发展【1 1 】。其应用也是多方面的，概括地说来，主要包括计算机辅 助焊接过程控制、焊接结构的计算机辅助设计与制造、焊接专家系统、焊接工程 数据库、焊接机器人和模式识别、数值分析模拟和计算机仿真等六个方面【l “。 作为现代工业的一个重要加工环节，焊接过程的自动化和智能化是保证焊接 质量、提高生产效率、改变劳动条件的重要手段，也是未来焊接技术的发展方向， 而计算机在这一过程中发挥着不可缺少的作用。计算机技术在上个世界8 0 年代以 来在焊接工程中逐步得到应用，国际焊接学会、英国焊接研究所、美国焊接学会 做了很大的努力从1 9 8 6 年开始就先后多次召开关于计算机在焊接方面应用的专 门会议，推动了计算机在焊接工程中的广泛应用我国在1 9 8 9 年就曾召开过“焊 接专家系统研讨会”，此后焊接学会和焊接协会又在1 9 9 2 年和1 9 9 6 年联合召开了 两次“全国计算机在焊接中的应用交流会”，对我国计算机在焊接工程中的应用 起到了很大的促进作用【1 3 】 将焊接过程的自动化与智能化有机的结合起来，即可构成智能焊接操作机一 3 山东大学硕士学位论文 焊接机器人，目前在工业发达国家已较为广泛的应用于工业生产其中更具有 普遍意义的是，许多专用成套焊接设备和自动化焊接设备的控制系统将p c 机优越 的数据处理能力和良好的界面用于焊接工艺参数的输入和管理，随着计算机技术 的发展和计算机在焊接过程控制中的应用研究，使得上述的控制系统不断改进、 完善，从而减小了焊接施工劳动强度、降低了成本、提高了焊接质量【1 4 】【”l 。 1 2 3 焊接自动化技术的发展趋势 焊接生产自动化是焊接结构生产技术发展的方向。现代焊接自动化技术将在 高性能的微机波控焊接电源基础上发展智能化焊接设备，在现有的焊接机器人基 础上发展柔性焊接工作站和焊接生产线，最终实现焊接计算机集成制造系统c i 吣。 其发展趋势集中体现在一下三个方面： ( 1 ) 成套焊接设备微机自动化控制技术的发展微机控制系统在各种自动焊 接与切割设备中的作用不仅是控制各项焊接参数，而且必须能够自动协调成套焊 接设备各组成部分的动作，实现无人操作，即实现焊接生产数控化、自动化与智 能化 ( 2 焊接设备智能控制技术的发展把人工智能技术引入焊接设备形成了焊 接设备的智能控制系统，这一领域具有代表性的是焊接过程的模糊控制系统、神 径网络控制系统和焊接专家系统。其显著特点是：控制过程涉及领域专家的知识、 经验，建立知识库及推理实现相应的决策，进行控制。在高性能波控焊接电源基 础上发展智能化的焊接设备，是今后焊接设备的发展方向 ( 3 焊接计算机集成制造系统c i m s 技术的发展在焊接结构生产中的c i 惦是 集下料、装配、焊接等为一体的机器人生产中心，实现焊接生产真正的高精度、 全自动化的现代化革命，是未来焊接生产的发展方向 ( 4 ) 焊缝跟踪焊接自动化技术是先进制造技术的重要组成部分之一，而现 代焊接自动化技术又是一个高新技术群，将电子技术、计算机技术、自动控制技 术、信息和软件技术迅速地引入焊接领域，不断提高焊接生产的自动化程度，实 现焊接过程控制的智能化、焊接生产系统的柔性化以及焊接生产系统的集成化， 保证焊接产品质量的稳定性，提高生产效率和改善劳动条件，已成为焊接自动化 4 第1 章绪论 技术发展的趋势所在。 1 3 自动焊接开放式数控系统简介 1 3 1 开放式数控系统的基本特征 i e e e 定义开放式数控系统为符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不 同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。 开放式数控系统结构普遍采用模块化、层次化的结构，并向外提供统一的应用程 序接口，其基本特征为： ( 1 ) 可移植性系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互 模型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一 致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 ( 2 ) 可扩展性系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，可根据使用的 要求不同，增加或减少功能模块，以满足不同场合对数控系统的要求。 ( 3 ) 可互补性指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商 的控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调 运行。 1 3 2 基于p c 的自动焊接开放式数控系统 计算机技术的迅速发展，p c 的性能，特别是其运算速度、存储容量、献) 接口 能力、可靠性等方面的显著提高，使得用它作为数控装置的控制系统成为可能 近几年基于p c 的数控系统成为c n c 发展的主要方向。与以前的数控系统相比，基 于p c 的数控系统( 简称p c n c ) 具有如下优点： ( 1 ) 成本低采用p c 作为控制系统的核心，可以节省开发专用硬件的费用， 从而大大降低系统的成本。 ( 2 ) 具有开放性p c 总线是一种开放性总线，这使得p c n c 系统体系结构具有 开放性、模块化、可嵌入的特点机床厂和用户一方面可以根据需要选择合适的 软硬件模块，以最低的成本组成性能最佳系统，另一方面也可方便地进行二次开 山东大学硕士学位论文 发，追加系统功能，实现功能的个性化。 ( 3 ) 软件开发环境完备市场上大量的p c 软件开发工具使系统开发工作量大 大减少。 ( 4 ) 软件资源丰富各种c 觥a m 软件、工厂管理软件、通信软件、多媒体 软件可以大大提高c n c 图形显示、动态仿真、编程和诊断功能。 基于开放式数控系统的焊接数控系统是一个结构开放，功能模块化、标准化， 性能强大的焊接数字化系统，将改变传统的焊接数控系统结构封闭的局面，解决 变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统 平台，增强系统的柔性 本文所设计的自动焊接机床，可焊接多种类型的工件，实时控制系统各模块 之间保留了统一的接口，根据用户的需要可随时添加所需的模块，既满足了用户 的需要，又提高了该机床的实用性。 1 4 课题的来源、意义与主要研究内容 1 4 1 课题的来源、意义 本研究课题为山东省自然科学基金项目：复杂空间曲线接缝自动焊接智能伺 服控制技术研究。该基金项目主要是针对目前在实际生产中复杂相贯线接缝焊接 任务所占比重较大、手工焊接难以实现，而且国内对复杂相贯线接缝自动焊接的 伺服运动控制技术研究较少的现状提出的。项目的研究目的是研制开发一台能够 实现复杂空间曲线接缝焊接的多功能自动焊接机床，并对自动焊接伺服控制技术 进行研究。所设计的自动焊接机床成本较低，主要用于企业进行工件的大批量焊 接，可实现管与管、椭球与管等多种复杂相贯线焊缝的自动焊接任务，通过改变 工装还可进行直缝、环缝等规则焊缝的焊接，填补了国内连续空间轨迹自动焊接 通用设备以及伺服控制技术研究开发的空白。 1 4 2 主要研究内容 本课题的主要研究内容包括： 第1 章绪论 ( 1 ) 机床本体的设计以复杂空间曲线接缝( 如管与管之间以任何角度连接 的接缝) 自动焊接实现为目标，研制开发一台可实现五轴联动的多功能自动焊接 机床的机械及伺服执行机构，重点设计并制造焊枪姿态的控制机构和机床的自动 夹具机构。 ( 2 ) 伺服控制硬件系统的构建采用p c 机、通用数字卡、步进电机及伺 服驱动器组成五轴联动伺服控制硬件系统，通过数字的卡控制五个伺服电机的运 行以及各种处理。 ( 3 ) 复杂相贯线焊缝数学模型的构建以相交双管为例，建立能正确、恰当 的表征实际系统特征的数学模型，即建立复杂空间曲线焊缝以及焊枪姿态在三维 空间中的数学模型。 ( 4 ) 插补控制算法形成以焊接精度为约束条件，以等步长细分的插补方法 完成对该相贯线接缝的租插补运算，将租插补获得的五轴向位移量转换成相应的 步进电机控制信号，并通过开关量卡发送到步进电机电机驱动器上，驱动执行机 构完成动作，实现对相贯线焊缝的精插补 ( 5 ) 自动焊接软件系统平台的开发利用d e l l 舡软件构建操作软件系统平 台，以界面友好为设计目标，按照功能进行模块化设计，实现自动焊接数据处理、 控制等需要的各种操作。 ( 6 ) 系统精度的分析、改善与初步试验研究针对本文所设计的自动焊接机 床开环控制系统，讨论了可能导致系统精度降低的因素，并提出相应的改善措施。 通过对典型曲线的绘制，进一步验证算法的正确性。 1 5 本章小结 本章概述了焊接自动化技术的发展状况和发展趋势以及计算机技术在焊接领 域中的应用，并重点介绍了课题来源、研究意义以及主要研究内容，方案的具体 实现将会在下面的各章中作详细论述。 7 7 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章自动焊接机床结构设计及数控系统组成 在生产实际中，管与管之间的连通焊接是较为广泛的管连接形式之一，常常 需要在主管上开孔后焊接支管，而二者之间的焊缝是相对复杂的空间相贯线，这 样的焊接任务，除了要求焊枪具备平动功能，即焊枪端瞄位置在允许的误差范围 内准确的跟踪焊缝外，还要求焊枪具有摆动的功能，以保证焊枪轴线在焊接过程 中时刻平分相贯线焊缝上各插补点所在位置的二面角【1 6 1 。焊枪姿态是影响焊缝成 形和焊接质量的一个重要因素，特别是在全位置焊接条件下，对仰焊和立焊等特 别位置进行焊接时，焊枪姿态的影响显得尤为重要。在焊枪长度固定的情况下， 要实现以上要求，焊接机床至少需要具有五个自由剧1 7 。1 们。 根据焊接工艺的特点，焊接过程对焊枪移动速度的要求也比较高，在整个焊 接过程中，焊枪应以恒定的焊接速度运行，如果焊接速度过快，会造成焊缝变窄， 严重凹凸不平，容易产生咬边及焊缝波形变尖。焊接速度过慢会使焊缝变宽，余 高增加，功率降低【2 0 】，因此过快或过慢的焊接速度都不能保证良好的焊接质量， 但总体上来说，与其它机械加工的速度相比，焊接速度还是相对较低的，一般应 小于5 0 衄n s ，而且精度要求也低于数控机床。 本课题研究的目的就是设计一台五轴联动自动焊接机床的机械结构及其控制 平台，其结构除了应当满足上述能够进行焊枪位置和姿态五个自由度联合控制的 要求外，伺服机构还要在满足正常焊接的速度、精度和稳定性要求的前提下，结 构尽可能简单，从而降低开发成本。 2 2 自动焊接机床的结构设计 2 2 1 自动焊接机床本体的设计 本课题中设计的五轴联动自动焊接机床的主体结构是一台标准的三自由度立 式机床，由十字工作台( x ，y 方向) 和垂直运动机构( z 方向) 组成。本文根据 暑 第2 章自动焊接机床结构设计及数控系统组成 课题要求对其进行了改造，其原理图如下图2 一l 所示： 图2 l 五轴联动自动焊接机床结构示意图 其中，十字工作台由沿x 、y 两个方向移动的两个滑动导轨副叠加而成，通 过三相反应式步进电机驱动，步进电机的输出轴通过两级直齿圆柱齿轮减速后， 由丝杠螺母机构将步进电机输出的旋转运动转化为十字工作台的水平直线运动。 z 方向由两相混合式步进电机驱动，步进电机安装在立柱上方的法兰盘上，其 输出轴通过弹性联轴器与滚珠丝杠固联，丝杠上的螺母固定在竖直方向的滑板上， 该滑板通过机床立柱上的滑动导轨在竖直方向做上下运动。由于该滑板质量较大， 工作时机床容易产生爬行和造成步进电机的失步现象，为此，在机床立柱的后方 搭载了一个与该滑板质量相近的搭铁( 机床立柱为u 形槽结构) ，通过钢丝经由立 柱上方的滑轮将滑板与搭铁系连在一起该配重机构的设计有效地避免了上述现 象的发生。工作时步进电机旋转，通过联轴器一丝杠螺母副带动z 轴作竖直方 向的直线运动。 a 方向旋转机构安装在z 向的滑板上，旋转轴为一阶梯轴，在滑板内部的上、 下方安装有滚珠球轴承，该旋转轴经联轴器与固定在法兰盘上的两相混合式步进 9 山东大学硕士学位论文 电机相连。从而实现焊枪姿态控制机构在a 方向上的旋转。 图2 - 2 焊枪控制机械手实体图图2 3 焊枪夹具结构实体图 b 方向焊枪姿态控制机构如图2 - 2 所示，该机构通过螺栓l 与a 向旋转轴固连 在一起。3 为焊枪夹具，其结构图如图2 - 3 所示，该夹具一端通过轴承2 支撑在机 械手的侧臂上，另一端通过联轴器与步进电机4 相连。该机构与机床本体相对独 立，能够实现绕x 轴和z 轴的旋转运动，相当于机械手腕关节的俯仰和转动。 焊接时，工件固定在十字工作台上，工作台可沿x 、y 两个方向作水平直线 运动，焊枪可沿z 轴作竖直方向直线运动，同时焊枪又由焊枪夹持机构固联在垂 直运动机构的转轴上，通过a 向和b 向上的步进电机控制焊枪绕x 轴、z 轴做旋 转运动。通过这五个轴向的联合运动，就可实现焊枪与焊接件之间的相对位置控 制以及对焊枪的姿态控制。 图2 3 为焊枪夹具的结构示意图，该夹具结构简单，与相应的垫圈搭配能够适 用于不同直径的焊枪，可夹持的焊枪的最大直径为4 0 册。该夹具采用了分体式 的结构设计，能够方便地对焊枪进行安装与拆卸操作。当改变焊接方式需要更换 焊枪时，只需松开螺母1 ，取下夹具的活动部分2 ，然后将需要更换的焊枪与相应 的垫圈尺寸调整好，置于夹具的相应位置，再用螺栓夹紧固定即可。安装时应注 意垫圈的厚度要均匀，以确保焊枪在机器人手腕中的相对位置精度 2 2 2 机床的主要技术指标 该自动焊接机床的伺服控制系统是以步进电机为核心的经济型数控系统，能 够在低成本的基础上满足焊接的正常速度和精度要求，其主要技术参数指标如下： 第2 章自动焊接机床结构设计及数控系统组成 工作台面尺寸：2 5 0 3 0 0 l l 吼 工作行程：x 方向1 5 0 i l l m ，y 方向1 0 0 m m ，z 方向1 5 0 i i l m ，a 方向旋转角度 范围3 6 0 0 ，b 方向旋转角度范围9 0 。枷。 脉冲当量：x 轴方向o 0 0 5 姗，y 轴方向o 0 0 3 3 m m ，z 轴方向o 0 0 2 衄，a 、 b 轴方向o 0 0 0 2 4 5 r a d 最大直线移动速度：x 、y 、z 方向1 0 0 0 i l 埘m i n 最大焊接速度：1 7 r 斌以 2 3 机床专用夹具的设计 机床夹具是在金属加工中用以准确的确定工件位置，并将其牢固的固定，以 接受加工的工艺设备。它的主要作用是：可靠的保证工件的加工质量，提高加工 效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能因此，机床夹具在机械 制造中占有很重要的地位眵1 1 一般在夹具结构中都必须设置一定的夹紧装置，以将工件可靠的夹紧。在设 计夹紧装置时，必须符合以下几点要求； ( 1 ) 在夹紧过程中，工件应能保持在既定位置，即在夹紧力的作用下，工件不 应离开定位支撑。 ( 2 ) 夹紧力的大小要适当、可靠，既要使工件在加工过程中不产生移动和振动， 又不能使工件产生不允许的变形和损伤。 ( 3 ) 夹紧装置应操作安全、方便、省力。 在该自动焊接机床的焊接过程中，由于焊枪的运动轨迹为闭合的空间曲线， 如果采用一般的方法进行装卡，则焊枪在移动的过程中必将与夹具发生碰撞。因 此，必须设计一种符合该自动焊接机床要求的专用夹具，使其既能保证工件的可 靠定位，又不会与焊枪之间发生相互干涉，保障焊接工件的质量和焊接过程的顺 利进行。这就要求夹具在焊接开始一段时间后，即当工件之间具有了一定的固联 关系之后，必须将夹具撤出，又由于焊接机床的特殊性，采用人工撤除的方法显 然是不安全的。所以，基于上述要求，本文设计了以下机床夹具。 图2 - 4 为主管夹具，l 为一长螺栓，2 为中间滑板，3 为圆形垫片，底板右侧 山东大学硕士学位论文 伸出部分上开有螺纹孔。其工作原理为：将主管放入该夹具中，转动螺栓l ，中间 滑板2 在螺栓的推动下沿底板上的凹槽滑动，直到将主管夹紧，如图2 5 所示。其 中在滑板的侧面设有一圆形垫片，该垫片与螺栓固连在一起，其作用是将来自螺 栓的推力分散到滑板上，尽量避免由于螺栓推力而产生的弯矩造成滑板卡死。 图2 4 主管夹具图2 - 5 主管夹持状态图 图2 - 6 为支管夹具，该机构采用步进电机l 作为驱动源，其工作原理为：待主 管夹持好后，点动控制步进电机正转，通过联轴器2 ，轴承3 带动机械转臂4 慢慢 升起至合适的位置，手动扶正电磁夹具5 ，将支管夹持在半圆槽内，同时给电磁铁 8 上电，吸合夹臂7 将支管夹紧。其中电磁夹具头的机构如图2 7 所示，在其内部 嵌有一根弹簧6 ，目的是在电磁断电后将夹臂7 弹回到原始位置。夹臂7 通过两个 滑销9 在电磁夹具套上滑动，从而有效地避免了在电磁铁上电吸合或断电复位时， 因电磁铁的吸合力或弹簧的弹力产生的转矩而造成夹臂的卡死。 图2 6 支管夹具图2 - 7 夹具头 该夹具系统的总体夹持状态如图2 8 所示，其中，主管夹具和支管夹具的底座 底部都有一凸缘，该凸缘与一块带有凹槽结构的滑板相配合，如图2 9 所示，由于 第2 章自动焊接机床结构设计及数控系统组成 机床工作台面上开有相同类型的凹槽，因此该滑板又可通过同样的结构与工作台 相配合，所以，主管夹具、支管夹具二者都可沿十字滑板在工作台面上进行前后、 左右距离的调整。且滑板上有一通孔，该通孔与其底部凸缘之间的距离等于工作 台上两相邻凹槽之问的距离。当机床主管和支管夹具调整好之后，将过该通孔， 且螺栓头卡在工作台凹槽之中的螺栓拧紧，从而将该滑板固定。 图2 8 总体夹持状态图 图2 9 十字滑板 同样，主管、支管夹具的底座上也开有螺纹孔，待二者位置确定后，通过螺 栓顶紧在滑板上机床回零之后，当需要焊接不同直径的主管时，通过前后移动 主管夹具，可使得所夹持的主管中心线始终与z 轴在同一竖直平面内，而通过十 字移动支管夹具，可使得支管夹具转臂的中心线与主管、支管的中心线也位于同 一竖直平面内。同时调节支管夹具与主管夹具之间的距离，使得电磁夹具夹紧支 管后，转臂的两部分在同一直线上，如图2 1 0 所示。由于步进电机的保持转矩有 限，这样便可有效的避免因支管的倾斜而产生的转矩造成转臂的滑脱，如图2 1 1 所示 图厶l o 夹具示意图( 1 ) 当进行大批量相同规格管子的焊接时， 转臂2 0 图2 一l l 夹具示意图( 2 ) 按上述操作调节完毕，当焊完一件后， 山东大学硕士学位论文 无需再进行调节便可进行下一工件的夹紧及焊接，提高了该自动焊接机床的工作 效率，符合本课题设计的初衷。 待焊接开始一段时间之后，此时主管与支管已有一定的固联关系，此时将电 磁铁断电，夹臂7 在弹簧6 的作用下松开，电磁夹具在重力的作用下沿支管滑落， 点动控制步进电机反转，将转臂收回，返回至起始位时触发行程开关，步进电机 停转，从而避免了焊枪与夹具之间的干涉。 由于焊接机床毕竟不同于普通数控机床，工件在焊接过程中不会受到象普通 机床那样承受来自刀具的巨大扭矩和弯矩，在焊接机床中，夹具只是起到一个支 撑的作用，且焊接开始一段时间后，两焊接件之间就已经具有了固联关系，因此 完全可以将夹具撤出。因此该夹具系统材料的选择如下：由于主管夹具在整个焊 接过程中需要始终夹紧主管，因此其材料选择铬锆铜，这样既能保证良好的定位 精度，又能迅速散发焊接过程所产生的热量。支管夹具由于在焊接开始一段时间 后会撤离，同时由于步进电机的保持转矩有限，因此支管夹具选择铝合金材料， 以充分减轻转臂机构的重量。夹具头内柱选用方形铁管，以保证电磁铁具有良好 的吸合效果，充分夹紧支管，保证焊接过程的顺利进行。 主 。r “t 一一 # 盘 j 鞘兰丰辩竿一# 一 l # l l 。 | 一 ；l：l i i “ i _ 妾檀艇艇 汁一n 件 一 f 一h l 气 ， ，件一 _ 一 十j 耀 j 喜 #交 r 一 一 j l i ；l ，l ”+ 一：f i ： 一 一 一 “ 盐盘 li 一 ； ：m 车j 砰羊，1 i i 王 7 产捧二； _ 一： l + l i ； ； = 轴衅；：1 r蠢。辽一 卜i 采 、t 西t # ； j 扣* ” 旃牛嚣 。j 4 一 带荜 m 卜+ 斗擀。一 o ”。1 o 珥二i 一：i 一暮 l 基m 。了_ 一； + 一卜一 1 棱郅i 葭日瞩 一- l m ； # 一tr 1 l i n # 啭 l ， 墒甾 千”h 抖 。一o 曩睫i r h 一 f 卜 ；一弼 一午豁巧芹瑟j r “ 芎 ，jl ，一田翌牛_ t 、lk ok ，玉一i 王蒋、u ， h 。 甾。一 一 h - o 一_ - + 一” n ph 图2 1 2 机床夹具控制原理图 第2 章自动焊接机床结构设计及数控系统组成 电磁夹具系统的控制原理图如上图2 1 2 所示，该控制系统采用 t 8 9 c 2 0 5 l f l a s h 单片机作为主控单元，a t 8 9 c 2 0 5 l 是一种低功耗、宽工作电压范围、高性能 的8 位c m o s 微控制器芯片，片内带有2 k b 快闪可编程、擦除只读存储器 ( f p l e r o m ) ，它使用的指令与m c s 5 l 单片机指令系统兼犁2 2 1 。其主要工作原理 为：当按下s l 时，单片机检测到p 1 o 脚电平由高变低，此时p 1 6 脚将驱动器的 方向信号置为高电平，同时p 1 7 脚向驱动器发送脉冲，驱动步进电机正转；当按 下s 2 时，单片机检测到p 1 1 脚电平发生改变，此时p 1 6 脚将驱动器的方向信号 置为低电平，同时p 1 7 脚向驱动器发送脉冲，驱动步进电机反转，当返回至起始 位时，行程开关s 3 信号送入p 1 3 ，单片机检测到该引脚电平改变后停止发送脉冲， 步进电机停转 2 4 开放式数控系统的设计 2 4 1 总体设计思想 步进电机的控制主要通过单片机来实现，因为它的价格相对来说比较便宜， 技术也比较成熟。但是单片机硬件系统的专用性较强，灵活性较差，且软件编制 的难度也较大，不易实现复杂的控制系统，且普通单片机系统一般只能控制少量 的几个步进电机，对于本文设计的五轴联动焊接机床来说难以满足要求。 随着计算机技术的不断普及，采用p c 机直接控制步进电机的技术越来越受到 欢迎，因而也产生出了许多专用于步进电机的p c 插卡。目前在开环数控机床上， 通常都采用“软件+ 专用步进电机运动控制卡+ 步进电机”的控制方式，但是专用 步进电机控制卡( 如研华公司生产的p c l 8 3 9 卡) 一般价位都比较高，并且同时控 制的步进电机个数也相对较少，比如p c l 8 3 9 卡只能同时控制三个步进电机幽l 。 新型步进电机控制卡p m a c 可同时控制五个步进电机，但其价格昂贵，如采用该 类型的控制卡，必将大大增加系统的成本。目前，市场上有很多的通用数字的卡， 价位很低，而且输出的通道数或位数很多，所以，如果采用“通用的卡+ 专用计 算机软件”来实现对步进电机的控制，则不仅经济实惠，而且具有非常好的灵活 性和友好的软件用户界面，必要的时候可以实现一台电脑同时对几十个步进电机 山东大学硕士学位论文 的直接控制，这种控制方式可充分利用计算机的资源，适用于运动过程、机械轨 迹都比较复杂，而且柔性比较强的机器设备。 图2 1 3 自动焊接机床数控系统原理图 图2 - 1 3 给出了系统的结构原理图，用户通过键盘向人机界面输入加工参数， 计算机按照事先编制好的程序对数据进行处理后，通过插在i s a 总线上的数字 卡向步进电机驱动器发送控制信号，步进电机驱动器再根据接收到的控制信号控 制步进电机实现正、反转，从而完成对工作台或焊枪的运动控制。当驱动器具有 细分功能时，输出电平的高低可以告知驱动器是否进行细分。在本课题中，所选 用的步进电机驱动器的细分功能通过硬件拨码器来实现，一旦机床的脉冲当量确 定后，在伺服控制的过程中各轴步进电机的细分数目固定不变。 2 4 2 数控系统的硬件组成 2 4 2 1 步进电机及驱动器的选型 对于该焊枪姿态控制的“机器人手腕”来说，由于其位置精度和负载力矩较 小，且自动焊接机床不像数控机床那样精度要求如此之高，同时该课题的设计目 标就是设计一台由经济型数控系统构成的焊接机床，因此综合考虑，我们选择步 进电机来作为驱动元件。 步进电机又称为脉冲电机，是一种将脉冲信号转换成角位移或转速的控制电 机，其机械角位移或转和分别与输入脉冲个数和脉冲频率成正比，在电机的负载 能力范围内，此关系不因电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化，是数字 1 6 第2 章自动焊接机床结构设计及数控系统组成 控制中常用的一种执行元件。它能够在电脉冲控制下以很小的步距增量运动，因 此步进电机可以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，而基本不用考虑响应 时间的问题，能够实现快速启动、反转与制动。步进电机的另外一个优点是动作 准确可靠，没有累积误差，因此可以采用开环控制，使得控制系统结构简单，位 置与速度容易控制，响应速度快，力矩比较大，而且可以直接用数字信号控制， 从而在数控机床、自动化生产线、工业仪器仪表、计算机设备、医疗仪器、家电 产品、舞台灯光等许多领域得到了广泛应用，成为目前不可或缺的重要电机组件。 众所周知，步迸电机系统的主要性能，是由步进电机自身的性能以及与之配套 的驱动器的性能两部分决定。驱动器性能的优劣，会直接影响到步进