（机械工程专业论文）辊压机挤压辊堆焊专机设计.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 辊压机是上世纪8 0 年代中后期发展起来的一种高效节能、用途广泛的新型水泥节 能粉磨设备。挤压辊是辊压机粉磨生产中的主要部件，在生产工艺中，磨料与挤压辊 表面不断摩擦、磨损到一定程度后，挤压辊就会产生斑马纹缺陷。当缺陷尺寸超限 时，需对挤压辊进行修复和更换。在新挤压辊制造或对旧挤压辊修复时，一般在辊面 上堆焊上耐磨、耐冲击、抗塑性变形的多层堆焊层和花纹。因此，研究辊压机挤压辊 自动堆焊技术有着非常重要的现实意义。 本文根据目前国内现状和辊压机挤压辊的堆焊要求，设计完成了辊压机挤压辊自 动堆焊专机。设计机械系统能够实现挤压辊堆焊的自动化，可进行不同焊接方法和堆 焊类型的堆焊。机械系统主要包括滚轮架、主轴浮动卡盘和侧挂滑车立柱与悬臂升降 机构，其中滚轮架用于承接焊件重量，防止工件窜动；主轴浮动卡盘是用于连接电机 和工件的重要部件，主要作用是夹紧工件和找正工件；侧挂滑车立柱与悬臂升降机构 主要作用是协调焊件变位机运动和进行堆焊。设计完成基于p l c 控制的自动堆焊系 统，包括系统硬件选型和加工程序的软件设计，可处理来自人机界面的各种控制信 号，系统运行可靠性高，维修方便。 经过现场调试、试验等阶段，最后确定各项功能都基本达到了预先设定目标，全 部机械部分和逻辑步骤均可正确完成，系统可正常工作。质量和使用性能均能满足工 程要求，为企业节省大量资金。现已通过了系统验收。 关键词：挤压辊辊压机自动堆焊机械设计 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o l l e rp r e s si san e w - m o d e lp u l v e r i z i n ge q u i p m e n tf o rc e m e n t i th a sb e e nd e v e l o p e d s i n c et h el a s ts e v e r a ly e a r so f1 9 8 0 s ，a n di th a st h ec h a r a c t e r so fh i 【g he f f i c i e n c y , e n e r g y s a v i n g ，a n de x t e n s i v ea v a i l a b i l i t y s q u e e z er o l li sac h i e f p a r tf o rt h ep r o d u c t i o no f p u l v e r i z i n g i n p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , f r i c t i o na n da b r a s i o nc o n t i n u o u s l y o c c u rb e t w e e ng r i n d i n g m a t e r i a l sa n ds q u e e z er o l l ；a n dw h e ni tr e a c h e sac e r t a i nd e g r e e , z e b r a sd e f e c t sw i l lb e g e n e r a t e di nt h es q u e e z er o l l w h e nt h ed e f e c ti so v e r s i z e d ，t h es q u e e z er o l ln e e d st ob e r e p a i r e do rr e p l a c e d w h e nt h en e ws q u e e z er o l l sa r em a d eo rt h eo l do n e sa r er e p a i r e d ，m a n y l a y e r so f o v e r l a y i n gw e l d i n ga n df i g u r e sa r eu s u a l l yo v e r l a y i n gw e l d e d o nr o l ls u r f a c e s oi ti s v e r ys i g n i f i c a n tt os t u d yt h ea u t o m a t i co v e r l a y i n gw e l d i n go f r o l l e rp r e s s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , a c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i ce x i s t i n gs t a t ea n dt h er e q u i r e m e n t sf o r o v e r l a y i n gw e l d i n gf o rr o l l e rp r e s s ，t h es p e c i a la u t o m a t i co v e r l a y i n gw e l d i n gm a c h i n ef o r s q u e e z er o l lo fr o l l e rp r e s si sd e s i g n e da n de x e c u t e dt h em a c h i n es y s t e mc a nc a r r yo u tt h e a u t o m a t i o nw e l d i n go f t h er o l l e r , w h i c hc a nc a r r yo nt h ed i f f e r e n tw e l d i n gm e t h o da n dt y p e t h em a c h i n es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st u r n i n gr o l l s ，f l o a th o l d i n gc h u c ko fm a i na r b o ra n d s i d e st oe l e v a t eo fc a n t i l e v e r a m o n gt h e m ，t u r n i n gr o l l si su s e df o ra c c e p t i n gt h ew e i g h to f w e l d m e n t ，k e e pt h ep l a c eo ft h ew e l d m e n t t h ef l o a th o l d i n gc h u c ko fm a i na r b o ri s a n i m p o r t a n tp a r tt h a tc o n n e c t e dt h ee l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n dt h ew o r kp i e c e s ，w h i c hi su s e df o r f a s t e n i n g a n dc e n t e r i n gt h ew e l d m e n t t h es i d e st oe l e v a t eo fc a n t i l e v e ra r eu s e df o r c o o r d i n a t i o nt h em o v e m e n to fw e l d m e n tp o s i t i o n e ra n ds u r f a c ew e l d i n g t h ec o n t r o ls y s t e m i sb a s e di nt h ep l c ，w h i c hi si n c l u d i n gc h o o s i n gt h et y p eo f t h es y s t e mh a r d w a r ea n dd e s i g n t h es o f t w a r eo f t h ep r o c e d u r ep r o c e s s , c a l lh a n d l ev a r i o u sc o n t r o ls i g n a lo ft h ei n t e r f a c e t h e s y s t e mh a st h ea d v a n t a g eo f h i g hc r e d i b i l i t ya n dc o n v e n i e n t l ym a i n t a i n b yf i e l di n s p e c t i o na n ds i t ew e l d i n g , v a r i o u sf u n c t i o n sa r ea l ls a t i s f yt h et a r g e ti n a d v a n c e ，a l lm a c h i n ep a r t sa n dt h el o g i cs t e pc a ne x a c t i t u d ec o m p l e t e d ，t h es y s t e mc a nw o r k n o r m a l l y t h eq u a n t i t ya n du s ec h a r a c t e r i s t i cc a ns a t i s f yt h ee n g i n e e r i n gr e q u e s t e d t h e s y s t e mc a ns a v eag r e a td e a lo ff u n d sf o rt h eb u s i n e s se n t e r p r i s e , a n dh a v ea l r e a d yc h e c k e d a n da c c e p t e d k e yw o r d s ：t h es q u e e z er o l l r o l l e rp r e s sa u t o m a t i cs u r f a c ew e l d i n gm e c h a n i s md e s i g n 独创性声明 y ；1 0 1 7 毒4 9 率人声缓掰至交静学往论文怼虢个入在导掰的指导下邀稃静研究工干擎及取 得的研究成果。尽我所知，除文中媳标明引用的婀密外，本论定不包含任何熊他 天或集掺基经菱袭鬟撰写遂戆醣究躐荣。嚣李交熬蘸究餐受嚣辍蘩争a 纛爨俸， 均已在文巾戳璃硗方溅标鞠。本人宠全意识到本声明的法律缩祭由本人漱襁。 学位论文侔磷签名：斯赡 瓣糍：乒妒善年夕秀鲈嚣 学位论文版权使熊授投书 零学位论文律者张金了解学校谢关保留、搜阁学位论文瀚舰定，即：攀梭有 权保留弗向匡家有关部门或机构送燮论文的复印糌和电子版，允许论文被懋腻寐 藩爨。零入授薮孥孛褥援文学霹赣褥零学整论文魏衾嫠或帮分凌餐蔡天煮关鼗攥 库进行橇索，可以浆用影印、缩印娥扫描等复制簪段保存和激编本学位论义。 保密盛，瓷年勰密后适燃本授权书。 零逶交嚣予 不保密溺 ( 请在以上方糯内打。4 ”) 擎篷逶交器者签名：声譬式 网期：o 力雄j p 月加目 螽霉教簿签名： 蟹携 目期：棚举p 月“麟 华中科技大学硕士学住论文 1 1 辊压机概况 1 1 1 辊压机发展概况 1绪论 水泥工业每天需要粉磨大量的矿物质原料及水泥熟料，如何提高粉磨效率、降低 粉磨能耗，是许多水泥工作者孜孜以求的目标。辊压机是上世纪8 0 年代中后期发展起来 的一种高效节能、用途广泛的新型水泥节能粉磨设备，能够全部或部分替代效率低、 能耗高的球磨机系统，并有低钢材消耗及低噪音的功能，适用于新厂建设，也可用于 老厂技术改造【1 】。辊压机可用于水泥生料、熟料的粉磨，而且对石灰石、高炉矿渣、石 灰砂岩、原煤、石膏、石英砂等的粉磨也有效。 在水泥工业中，以传统的球磨机为主的粉磨作业耗电量约为总耗电量的6 5 7 0 。水泥厂传统的粉磨设备多为管磨机，而其能量利用率不足1 0 ，而球磨机的粉 磨有效功仅占提供给磨机运转总能量的2 5 ，其能量利用率非常低。据有关资料 对球磨机能量消耗的分析，螺栓磨擦损失占4 3 。齿轮磨擦损失占8 1 ，简体热损失 占6 4 0 0 ，空气热吸收占3 1 4 ，产品热吸收占4 7 6 。由此可见大部分能量没有真正 用于粉碎物料上，有8 5 以上转变成了热能损耗掉 2 1 。热能损耗主要归因于球磨机内 钢球间以及钢球与衬板间的无用撞击和摩擦，其一物料的粉碎力为压和剪的联合作 用，其二为管磨机内的冲击力和研磨力只作用在个别颗粒上使其粉碎，而大量的冲击 力和研磨力并未真正作用在物料颗粒上。 科研工作者经过大量地实验研究发现，当颗粒物料承受纯压力时产生的应变是相 同剪力的5 倍，1 9 5 8 年德国k a r l s i v h e 的机械工艺技术设计院开始的对单颗粒物料粉 碎机理和管磨机低效率原因的深入研究，提出了压力粉碎的概念。1 9 7 7 年德国的克逊 纳特( s c h l n e r ) 教授发明了一项用于料床粉碎硬质物料的方法并获得了专利权。德国的伯 力鸠斯公司首先与克逊纳特教授合作，用0 1 0 0 0 x 1 5 0 m m 的小型辊压机进行试验，结 果证明辊压机与冲压机的料床粉碎效果相差极小，可以认为它是一种纯压力粉碎设 备，并证实了其显著的节能效果。1 9 8 4 年1 2 月在l e i m e 水泥厂第一次安装了一台辊 压机，经过实际工业试验，获得与实验相同的节能效果。在伯力鸠斯研制辊压机的同 华中科技大学硕士学住论文 时，德国的k h d 公司也利用该专利并根据制造矿石等物料造粒机( 又称压球机) 的经验 研制辊压机，自1 9 8 5 年起己成功地用于各种脆性和硬质物料的的粉碎，k h d 公司成 为国际上研究辊压机粉磨技术最具影响的公司之一。随后，美国的富勒公司，丹麦的 史密斯公司也研制出各具特点的辊压机产品 3 - 6 1 。 辊压机自问世以来，使传统球磨机的低利用率问题得到有效缓解【7 l 。球磨机系统产 量提高3 0 5 0 ，经过挤压后的物料料饼中o 0 8 m m 细料占2 0 3 5 ，小于2 0 m m 的 占6 5 8 5 ，小颗粒的内部结构因受挤压而充满许多微小裂纹，易磨性大为改善。辊 压机的主要特点就是，物料通过5 0 - - - 3 0 0 m p a 的高压对辊后呈粉状或碎裂状态，显著 提高后续磨机的生产效率，应用辊压机分级打散的水泥生产流程可节电3 0 5 0 。 基于我国粉磨设备的状况，在国家建材局的总体规划与指导下，在进口辊压机设 备的同时，从德国k h d 公司引进了设计制造技术，并在此基础上，许多相关设计单位 进行了科研开发工作，为在我国推广该项先进技术发挥了良好作用 7 1 。辊压机在粉磨系 统中有以下优点：降低电耗，提高磨机产量；提高水泥产晶质量；噪声小。但也有其 缺点，辊压机最大的缺点是辊面的磨损严重。辊压机安装使用后，一般情况下连续运 转半年以后，辊面的耐磨花纹磨损就所剩无几。辊面磨损问题始终困扰着辊压机优越 性的发挥。辊面采用热堆焊，耐磨层维修较方便。 在我国，中南大学研制了0 3 0 0 x 9 0 m m 和由5 0 0 x 1 2 0 m m 两种规格的辊压机，中国 国家技术进口公司和国家建材局联合与洪堡韦达克公司签署了在国内制造该公司辊压 机的许可证协议，中信重型机械公司与德国洪堡公司签署协议联合制造高压辊磨机【蜘。 南京水泥工业设计研究院、合肥水泥研究院、天津水泥工业设计院也都独立进行了这 方面的研究工作。 1 1 2 辊压机工作原理 辊压机工作原理如图卜1 所示例，主要依靠两个水平安装且同步相向旋转的挤压辊 进行高压料层粉碎( 又称粒子间粉碎) 。被封闭的物料层在被迫向下移动的过程中所受挤 压力逐渐增至足够大，直至被粉碎且被挤压成密实料片( 又称料饼) 从机下排出。 2 华中科技大学顾士学位论文 图卜l 辊压机工作原理 辊压机的外形结构与传统的辊式破碎机极为相似，但二者依据的工作机理相差甚 远【1 0 1 。破碎机的外力主要作用于单体物料颗粒上，使其单颗粒破碎，而辊压机外力是 作用在密实的料层上，使其发生高压料层粉碎。破碎机利用的是压力、冲击、剪切的 综合作用效果，而辊压机利用的是纯压力；破碎机的破碎压力一般都小于5 0 m p a ，而 辊压机的粉碎压力必须大于5 0 m p a ，有时最高可达3 0 0 m p a ；破碎机主要作用是把大于 辊缝的颗粒破碎成小于辊缝的颗粒，而辊压机是把小于辊缝值的小颗粒组成的料层变 成料饼，料饼中既含有一定比例细粉，而且细小的颗粒内部产生大量裂纹等缺陷，极 大地改善易磨性。辊压机排出的料饼强度非常低，一般用手即可捏碎。众所周知，物 料颗粒( 指脆性物料) 在不断增加的外力作用下内部产生大量裂纹，在裂纹附近发生应力 集中，聚集势能，并在作用力超过极限时发生粉碎。物料颗粒粉碎的瞬间肯定伴随有 大量应变能的释放。辊压机是在封闭状态下挤压物料层，释放的这部分能量除小部分 转化为热能外，大部分又作用在周围的颗粒上，这是辊压机比其他粉磨设备节能的原 因之一。辊压机产生过粉磨现象极少，因为比表面积减少l o o c m l g ，则能耗约可减少 5 左右。而管磨机经常发生的过粉磨增加了许多能量消耗，这也是辊压机相比其节能 的一个原因。另外，辊压机直接作用于料层上，无用功较少等，也显示了辊压机节能 高效的优越性。 综上所述，则可发现辊压机有如下显著优点： 1 ) 、在粉磨系统中装备辊压机，依据流程形式等条件的不同，可比传统粉磨方式 节能2 5 5 0 。 劲、辊压机可以提高系统效率，传统粉磨系统用辊压机改造后，一般可提高系统 产量2 0 5 0 ，甚至于一倍以上。 3 ) 、设备结构紧凑、体积小、重量轻，易于进行系统改造。 4 ) 、辊压机与其他粉磨设备相比，嗓音低，有利于工作环境的改善。 华中科技大学硕士学住论文 5 ) 、辊压机的金属消耗比较小。 1 1 3 辊压机结构分析 辊压机的结构组成如图1 - 2 所示( 以三角皮带传动方式为例) 。 酞j - - 一 第 砬，。 l | 【 雨船l 厶。能n 时群 一i - - 一i if ；1j lr 土0 l 1i 剀 j 巡乡心乡博l 峙 l f ，l 一 。 。l 惟剖一吁 ， 1 液压系统2 润滑系统3 可调式喂料装置4 挤压辊 5 机架装配6 传动系统7 扭力支承8 辊罩 图1 - 2 辊压机结构组成 辊压机装置中最重要的部分是挤压辊装配部分，它主要由挤压辊、轴承、轴承 座、密封圈等件组成。挤压辊是辊压机制造周期最长，工艺难度最大的零件，主要由 辊轴、辊套和堆焊耐磨层等组成，有些辊压机，特别是大型辊压机常把辊轴与辊套两 部分设计成一个整体。辊轴和辊套均选用优质锻件，要求进行复杂的热处理和严格的 探伤检查，确保各项质量指标达到很高的要求。对于大型辊压机，考虑到轴承的拆 卸，多选用锥孔轴承，因此，轴颈处也应加工成锥形。由于定位精度要求严格，锥轴 颈的锥度公差、直径尺寸和表面光洁度均有特别严格的要求。挤压辊的表面堆焊有一 层高硬耐磨的硬质合金，对于许多产品因考虑物料咬入条件而设计有堆焊的人字形花 纹，两挤压辊的花纹方向相反，由于辊面与辊套的硬度差别很大，所以中间堆焊有硬 度适中的过渡层，借以保证辊面质量。辊压机因工作负荷很大，且辊子两端料层波动 频繁，所以主轴承均选择具有一定调心作用的双列球面滚子轴承，且多选用加强型， 并且对轴承的密封、润滑和冷却均有较高的要求。挤压辊轴承应根据受力特点设计为 中心偏置的形式，且为冷却主轴承在内部设计有冷却水循环槽，为控制轴承温度提供 了可靠保证。因轴承座要在机架频繁滑动，故上、下平面均有摩擦系数极小的经活化 处理的聚四氟乙烯板。装于轴承座上的端面热电阻用以检测主轴承温度，它紧贴在轴 承外环上，与电控系统配合，保证连续检测，并根据设定条件进行报警和控制轴承温 4 华中科技大学硕士学位论文 度。挤压辊装配是辊压机的最关键工作部件，工作中辊面是最易磨损的，故应定期检 查，以便及时修复。 1 2 挤压辊堆焊 挤压辊堆焊概况 我国自1 9 8 7 年引进德国辊压机设计制造技术以后，就积极进行消化吸收和开发研 究，限于开发技术水平的原因，提供的技术仅能相当于2 0 世纪8 0 年代中期水平，大 量的改进和完善工作有待后人去做，辊面堆焊技术改进就是其中之一。引进技术的制 造企业有的除对辊压机结构进行了大量改进外，对挤压辊辊面堆焊也进行了很多工 作，取得了一定成果，初步己掌握高硬度合金材料焊接技术，多数采用埋弧焊下车或 用悬臂式焊接操作机堆焊。无论采用何种堆焊方法，首先必须制造出好的辊子母体。 1 2 1 辊子母体的制造 若要得到高强耐磨辊面，必须首先选择辊子母体材料和铸造、锻造方法。辊子材 质一般选用高级合金钢3 4 c r n i m o a ，为了提高辊子母体性能，钢水需采用精炼炉炼 制，对钢水中的杂质、气体含量限制较严；s 、p 含量控制在o 0 1 5 0 0 0 7 之间，氢 含量小于4 p p m 。氧含量小于3 0 p p m ，钢件质地要均匀，残余夹杂物要分散。其总含量 要小于y b 3 2 1 0 标准第二评级图3 级，确保辊子母体质量。有了较好的辊子母体才能 使覆盖母体表面的焊堆层结合牢固。 1 2 2 辊子母体表面的堆焊 辊子母体表面的堆焊，多采用硬质合金埋弧自动焊，硬质合金堆焊质量是辊面使 用寿命的关键：为了使辊子表面硬层与母体结合牢固，一般对辊面预热到一定温度范 围依次堆焊各层。各层材质性能不同，由内向外硬度一层比一层高，使自外向内母体 硬度缓慢变低，形成近于平滑的斜向硬度曲线。这是国内外普遍采用的方法。主要是 为了缩短由于温度变化产生的伸缩和硬度差，从而减小由于伸缩率不均产生更大的内 应力，避免焊接和承载工作中焊堆裂纹和剥落。同时可充分发挥各层间的亲合力和增 加缓冲的抵抗力。特别是可以加强辊子抵御大负载或热负荷的能力，有利于延长辊子 华中科技大学硕士学位论文 的使用寿命。主要堆焊程序是：辊子母体表面第一层堆焊锰硅合金作为底层，硬度较 低，塑性韧性较好，有较强的抗裂性，但比母体硬度稍高；第二层在底层的基础上堆 焊过渡层，其硬度比第一层稍高，为h r c 3 8 4 2 ：在过渡层的基础上堆焊耐磨层，硬 度较高，一般为r c 5 5 左右；在硬层的基础上堆焊花纹层，花纹层的硬度最高，一般 为r c 5 8 6 0 。最内层与最外层硬度差为h r c 3 0 3 5 左右，为了结合牢固每层焊接采 用多层堆焊的方法。自内向外约5 7 层焊完，每层均采用倾斜交叉纹理或螺旋交叉线 纹理进行敷盖。使辊面具有硬韧双兼特性，以便辊面长时间使用。 1 2 3 辊面预热工艺 辊子表面焊前预热是保证焊接质量的重要措施和工艺，特别是对硬质合金材料焊 接，辊体的“碳当量一c e ，大于0 4 时，非常容易产生淬硬组织，冷裂纹和热裂纹倾向 较大。如果焊接前进行预热，由于母体有一定温度，钢的内部分子活跃，施焊时可降 低热影响区的淬硬倾向，防止冷热裂纹，减少焊后残余应力。焊前预热是国内外辊压 机制造厂辊体焊接工艺必须采用的一种措施，只是各企业预热温度高低不同而已。我 国自行开发辊压机的制造厂辊面堆焊有的使用自己的技术堆焊，有的购买专利技术堆 焊，也有的采用协作解决堆焊，但总的与国外先进水平比较尚有一定差距。这种差距 不仅仅是在施焊技术水平上，更主要的是在工艺装备和焊丝( 带) 、焊料的材质性能上， 因此应该在技术装备和检测手段方面加强力量，争取在不远的将来赶上或超过国际先 进水平。 1 3 焊接自动化技术发展现状 随着自动化技术的飞速发展，大力地推动了焊接自动化技术的快速前进。在焊接 中，系统涉及的变量越来越多，如复杂的焊接冶金物理化学过程、合理的工艺流程制 定与实现、焊接的稳定性、应用的灵活性、操作的安全性及设计的优化及经济性等方 面，单凭人工完成的可能性及成功率相对较低，有时甚至无法实现。而利用自动化焊 接技术可以方便地达到高质量的焊接【1 2 】。 1 3 1 焊接自动化技术 所谓焊接自动化，广义上讲就是要通过电( 自动化控制系统) 、焊( 先进的焊接工 6 华中科技大学硕士学位论文 艺、材料、设备) 、机( 焊接胎夹具、装卡定位及其运动系统) 三者的有机集成，实现对 待焊工件的高效率、高品质、低成本的批量化规模生产，以保证高品质产品的稳定、 一致化、大批量的产出【l ”。 焊接技术是机械制造工业中的关键技术之一，在现代制造工业中发挥了举足轻重 的作用。美国和德国都在新世纪到来时组织专家讨论得出，焊接技术到2 0 2 0 年仍将是 制造业的重要加工方法。展望2 l 世纪，全世界钢含量的5 0 将要通过焊接制成产品， 焊接技术仍将在制造业中起着及其重要的作用【1 4 1 。焊接技术在生产建设中的应用已日 趋广泛，进一步提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率己成为所有焊接工作 者的强烈愿望，而采用焊接自动化技术则是达到上述目的的正确途径。 焊接自动化技术的发展不断吸收现代先进科学技术的发展成果，如材料、信息、 计算机微电子技术、现代电力、电子技术和自动化技术的发展，适应和推动了焊接自 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。目前，世界各国都着重于提高焊接生产的 机械化和自动化水平，尽量采用各种高效率的机械化、自动化的焊接方法、焊接设备 及控制系统。 1 3 2 国内外焊接自动化技术的发展现状 ( 1 ) 、国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比较成熟。 日本早在上世纪7 0 年代就已将点焊机器人引进生产线，到了8 0 年代，日本弧焊机器 人的使用开始有了显著增加。1 9 9 7 年日本弧焊机器人产量已达9 3 3 3 台，点焊机器入产 量为8 2 2 8 台。特别是弧焊机器人的应用已遍及汽车、船舶、铁路车辆、锅炉容器、金 属制品、建筑机械、家用电器等行业，对降低成本、提高质量起到了重大的促进作用 【嘲。 焊接自动化技术的许多研究是用于实现自动焊机实时控制的，这些自动控制具有许 多特点，如焊接参数数字化控制，焊接过程中设备运动自动控制，内部存储器存储多套 可选的程序，微机系统设有专用的编写焊接程序的软件系统，操作简单，保养方便等 等。如瑞典e s a b 公司的a d l 系列管焊机与a d 2 系列管焊机和法国的p o l y s o u d e 焊 管机专业公司生产的a u t o t i g l 4 0 型焊机，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。以p l c 为控制核心的控制系统，除了可以存储多套焊接程序、现场 7 华中科技大学硕士学位论文 编写控制程序之外，还可进行二次扩展开发控制。如a e b e n t l e y 和 s j m a r b e r g e r 采用反馈原理进行的电弧焊熔深的控制，可以达到几乎完满的焊缝成 形；e o s t e r 所进行的在线控制，可以自动监视焊接质量情、况【海1 9 1 。 这些科研成果的出现，无论是在生产率提高方面，还是在人员健康、环保方面都 有重大的现实意义。 ( 2 ) 、国内焊接自动化技术的发展现状 2 0 世纪9 0 年代，我国焊接界把实现焊接过程的机械化、自动化作为战略目标，己 经在各行业的科技发展中付诸实施，在发展焊接生产自动化和过程控制智能化，研究 和开发焊接生产线及柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等方面，取 得了长足的进步。随着数字化技术日益成熟，代表自动化焊接技术的数字焊机、数字 化控制技术业已面世并已稳步地进入市场。随着汽车零部件制造对焊接自动化程度要 求的不断提高，以及三峡工程、西气东输工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工 程的实施，都有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展与进步。 近年来，我国也先后自行研制、开发和引进了一些先进的焊接设备、技术和材 料。许多制造企业已经在采用诸如电子束焊接、激光焊接、激光钎焊和激光切割、激 光与电弧复合热源焊接、水射流切割、单丝或双丝窄间隙埋弧焊，四丝高速埋弧焊、 双丝脉冲气体保护焊、等离子焊接、精细等离子切割、数控切割系统、机器人焊接系 统、焊接柔性生产线，s t t 焊接电源，变极性焊接电源和全数字化焊接电源等焊接技 术。甚至目前在国际上比较热门的搅拌摩擦焊技术，也准备应用到生产上，并已有所 创新。这充分说明我国焊接产业正在逐步走向高效化、自动化和智能化。 ( 3 ) 、焊接专机 焊接专机是一种刚性或半刚性的自动化焊接设备，不同于焊接机器人的柔性加 工，主要应用于大批量生产且产品形状比较固定的场合，我国的焊接专机大多应用在 在冰箱与空调压缩机的焊接生产线、汽车装焊生产线、管子生产线、汽车零部件生产 线、摩托车零部件生产线等场合。成都焊研科技有限责任公司和天津焊接研究所先后 为一汽、东风、天津夏利、上海大众、徐工、美的、格兰仕等多家著名的汽车生产厂 和家电生产企业研制了几十台( 套) 自动化焊接专机或生产线。其中，成都焊研公司 为三菱i 帕杰罗越野车设计制造的后桥壳焊接生产线，整个生产过程由p l c 可编程控制 器作为中心控制环节，大量采用非接触式传感器件和光电编码控制环节。该生产线通 过焊接工位机械手实现了自动化操控，运行规范、可靠，在保证产品质量的基础上， 8 华中科技大学硕士学位论文 极大地提高了生产效率，减少生产人员达8 0 以上。该生产线被日本专家评价为后桥 壳生产亚洲自动化程度最高生产线之一【2 0 1 。但总体看来，我国企业采用焊接专机的数 量还不多，说明焊接生产的自动化水平还比较低。 1 4 选题意义和研究内容 1 4 1 选题意义 辊压机挤压辊是粉磨生产的主要部件，磨损后的表现不同。在生产工艺中，随着 产量的增加，磨料与挤压辊表面不断摩擦，不断磨损，变得越来越粗糙，到一定程 度，挤压辊就会产生斑马纹缺陷。当缺陷尺寸超出允许范围时，从而需频繁对挤压辊 进行修复和更换。 在新挤压辊制造或对旧挤压辊修复时，一般在辊面上堆焊耐磨、耐冲击、抗塑性 变形的多层堆焊层和花纹。就目前国内现状来看，在挤压辊堆焊工艺上做了许多研 究，但能实现自动堆焊的设备很少，这与焊接生产自动化的发展潮流也不相符合。 因此，研制开发一种适合我国国情的高效、高质、低劳动强度的辊压机挤压辊自 动堆焊专机势在必行，对于推动焊接自动化技术的发展具有一定的现实意义。 1 4 2 研究内容 通过对辊压机工作原理、辊压机挤压辊堆焊要求和国内外自动化焊接发展现状的 分析，针对目前辊压机挤压辊堆焊实际存在的问题和特点，以及国内焊接设备的发展 趋势，本文做了如下的工作： ( 1 ) 、针对辊压机挤压辊的堆焊要求，设计研制辊压机挤压辊自动堆焊专机，要求 机械系统应能够实现挤压辊堆焊的自动化，可进行不同焊接方法的堆焊。设计机械系 统主要包括升降焊接悬臂，承重转胎，焊剂自动回收系统和工件转动系统。 ( 2 ) 、基于p l c 控制设计自动堆焊系统。包括系统硬件设计和加工程序的软件设 计，要求处理来自人机界面的各种控制信号，可进行不同控制方式的转换，实现不同 焊接方式的堆焊，要求运行可靠性高，维修方便，抗干扰能力强。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 辊压机挤压辊自动堆焊专机的系统介绍 2 1 总体设计思想 根据辊压机挤压辊堆焊的工艺要求进行设计，要求堆焊过程连续进行，工作效率 能得到显著提高。 设计堆焊专机的机械系统应能够实现挤压辊的夹紧和旋转，并且能够实现焊枪的 往复运动和定位运动。主要由主机、焊接悬臂、承重转胎、焊剂自动送进及回收系统 等部分组成。 设计微机控制系统，能够实现焊接速度的调节、焊道间距的调节、焊接时序的控 制以及满足对不同焊接方式的适应性。 2 1 1 挤压辊辊面护层形状要求 辊压机辊面寿命与辊面材质、施焊技术、护层种类和摩擦压力等因素有直接关 系。为了使辊面使用寿命更长，国内外辊压机设计制造和使用单位千方百计对辊面施 以各种保护措施，辊面堆焊有多样突棱条纹和其它护层，都起到了良好作用，国内最 常用的三种条纹护层，分别为“一”字型和“人”字形和“菱”形【“j 。 ( 1 ) 、辊面轴向“一字”平行纹棱护层 辊面轴向“一字”平行纹棱护层是最常用的。在辊面轴向堆焊多条平行线形成，长 度与辊面宽度接近。当辊径在1 6 0 0 m m 左右时，堆焊的纹棱高于辊面6 l o m m ，宽约 l o 2 0 m m 左右，间距3 0 6 0 m m 左右。纹棱增加了物料的嵌合角( 咬合角) 和辊面的摩 擦力，便于迸料和挤压。见图2 - 1 所示。嵌合角的增大可以提高辊压机的单位处理 量，在同等能力情况下，辊面堆焊有纹棱的辊压机较光面辊压机规格小、重量轻。堆 焊的纹棱必先与物料接触受力，承受物料反力较大。同时，在辊压作用下纹棱之间所 形成的料饼对辊面起到保护作用，延长辊面使用寿命。因而对堆焊纹棱强度有较高的 要求。这种“一字”型堆焊纹棱焊道平直，工艺简单，堆焊操作容易；纹棱各部位与物 料接触时差较小，受力均匀，防滑能力强。辊压机受力是连续的，而辊面的局部受力 复杂而且是周期性的，垂直于纹棱方向的力，使纹棱抗弯应力集中，纹梭抗拉强度原 本就比抗压强度低，容易产生裂纹或剥落，因此纹棱不能过窄过高或太薄，确保辊面 1 0 华中科技大学硕士学位论文 的使用寿命。 强2 - 1 籀囱“字”绞棱示意强 ( 2 ) 、辊面“人字”堆焊纹棱护层 “人字”纹棱与“人字”传动齿轮的齿形类似具有轴向和环向两种纹棱的托点，凝水平 夹角一般为1 5 3 5 。左蠢，见图2 - 2 所零。 物髓接簸瓣受秀较复杂，在籍瑟蠢一定黪分力，辩麓绞棱减弱了弯整受耱，骞充 分发挥纹棱硬度和抗压强度的优势，对破碎物料有利。在辊面积相同的情况下“入字” 型纹棱较轴向纹棱接触物料更长，优点较多。既减弱了纹棱垂直受力可能引起的剥 落，又具有容易嵌料的优点；既有滑幼缓和压力的作用，又减少了由于环向滑动而引 起的蕊抉瘩援嗣麓，辊医物辩豹使髑寿命较长，西诧毯疼辨采用托秘纹棱的厂家较 多。餐是“久字”黧纹棱堆焊工艺复杂蘩浓技术较毒。鸯予“入字”鍪绞棱在委鬻黧产辩， 纹棱有向内或外侧滑动( 由运转方向弓l 趋) 作用，使物料有向中部或两侧施压趋势，将弓i 起辊的中部或侧板磨损较快。为缓解此问题发生，两辊纹梭采取同向安装逆向运转办 法，减少两坝! l 挡板的压力。 图2 - 2 辊耐“人字”纹棱护层示意图 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 、辊面“菱形”堆焊纹棱护层 近年来随着研究的不断深入，辊压机在用户使用过程中发现由于“人字”型纹棱单 个纹棱较长，在长期工作时也容易发生裂纹或剥落，提出采用菱形花纹中问加园点作 为辊面的护层，解决“人字”型纹棱单个纹棱较长的缺陷，并且已在用户中逐步推广。 水平夹角一般为1 5 3 5 。左右，网格6 0 6 0 、园点3 0 ，见图2 3 所示。 2 1 2 设备主要参数要求 a 图2 - 3 辊面“菱形”纹棱护层示意图 设计设备的主要参数要求有： ( 1 ) 、适用工件规格： 堆焊工件直径： 堆焊工件长度： ( 2 ) 、堆焊床体参数： 工件回转速度： 卡盘夹持最大外径： 床体外形尺寸： 床体自重： ( 3 ) 、悬挂式埋弧焊机头： 横向进给速度： 机头提升高度： 机头上下调节范围： 机头前后调节范围： 焊枪前后回转范围： 2 0 0 1 8 0 0 m m _ 5 0 0 0 m m 0 0 0 5 1 4 5 r p m 6 3 0 m m 7 5 0 0 2 3 0 0 4 0 0 0 ( 长宽高) 2 0 t 0 4 4 0 0 0 m m m i n 1 0 0 0 m m l o o m m 2 0 0 r a m + 4 5 0 华中科技大学硕士学位论文 送丝速度：0 2 2 m m i n 适用焊丝： 3 2 4 o m m 2 1 3 堆焊专机运动关系图 图2 - 4 堆焊专机运动关系图 图2 4 为堆焊专机运动关系图，从图可以看出，主电机通过主轴箱带动辊体转动， 伺服电机带动操作架沿机座导轨运动，送丝电机驱动送丝轮带动焊丝实现堆焊。通过 主轴箱的升降运动满足不同直径工件堆焊需要；通过焊枪倾斜运动，实现人字华纹和 菱形华纹的焊接。 2 2 机械系统设计 2 2 1 设计思想 机械系统是控制系统的控制对象，它的结构和功能基本上决定了整个加工系统的 功能f 2 1 1 。 华中科技大学硕士学位论文 机械系统设计总体布局合理的基本要求是： ( 1 ) 、保证工艺方法所要求的工件和焊枪的相对位置和相对运动； ( 2 ) 、保证机械系统具有与所要求精度相适应的刚度和抗振性； ( 3 ) 、便于操作、调整、修理，便于装卸工件、排除焊渣； ( 4 ) 、经济效益好，如节省材料，减少机床占地面积； ( 5 ) 、造型美观。 另外，焊接自动化对机械传动设计的要求为：精密化、高速化、小型化、轻量 化，所以在进行机械系统设计时，在满足机械系统设计基本要求的前提下，尽量满足 上述要求。 2 2 2 设计目的 辊压机挤压辊自动堆焊专机的机械结构设计需要完成挤压辊表面的自动堆焊。 为实现焊枪的往复运动和工件的旋转，整个机械系统设计主要包括主机、焊接悬 臂、承重转胎等部分： ( 1 ) 、主机：主机由床身( 机座) 、主轴箱等组成。主轴箱又分为箱体、升降式主 轴浮动卡盘、主轴传动系统、导电机构等组成。安装在主轴里的气动中心顶尖前后可 调，用于主轴中心与工件中心的找正。 ( 2 ) 、焊接悬臂：焊接悬臂带动焊枪自动行走，以实现焊枪位置的升降、左右运 动。焊接悬臂安装在侧挂滑车上，滑车驱动选用交流伺服电机、精密减速器，采用齿 轮齿条传动，与主轴电机配合完成辊表面螺旋堆焊及花纹。电动升降采用丝杠传动、 滚动直线导轨及交流伺服驱动系统。要求焊枪在往返运动的同时必须保证机构有足够 的传动力，以保证焊接过程的平稳性。 ( 3 ) 、承重转胎：为可调滚轮架机构，用于对挤压辊进行支撑，支撑范围1 5 0 8 0 0 m m ，支撑重量大于等于4 0 吨。 2 3 控制系统设计 2 3 1 硬件设计 在进行硬件组件的选择时，应考虑以下几个因素 7 - 2 1 ： 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 、能否满足使用要求； ( 2 ) 、运行的可靠性； ( 3 ) 、通用性； 、经济性。 在进行控制系统的设计时，有继电器、单片机、工业计算机和p l c 等可供选择。 继电器控制是采用硬接线逻辑，利用继电器触点的串、并联及时间继电器的延迟 动作来组成控制逻辑，其缺点是一个系统一旦确定就很难轻易再改动，而且其控制逻 辑是依靠触点的机械动作来实现的，工作频率很低。 单片机的配置较微机系统简单，成本也较易接受，但它仍然不是为工业控制而设 计的，同时存在着编程难、可靠性较差、需要做大量的接口工作等缺点。尽管其具有 较强的数据处理能力，但工业控制大多为开关量控制，所以其长处得不到发挥。 工业计算机是为工业环境下科学计算、数据采集与处理等设计的，其适应工程现 场环境能力强，外设配备较多，可实现的功能也比较丰富，提供i o 扩展，而且运算 速度、信号采集和处理能力及显示功能都是其它几种控制系统无法比拟的【2 3 1 。它适合 在车间内控制功能较复杂的场合上使用。 可编程控制器是为工业控制所生产的，通用性很强，适合于大批量生产的装置， 所以成本迅速下降；其功能是专为工业控制所设计，所以具有极好的抗干扰性能；它 的使用和维护都极为方便，实现了低水平的操作、高性能的控制，所以在机械制造业 深受欢迎。小型p l c 开始步入诸如塑料注塑机、包装机械、橡胶机械、纺织机械等轻 工机械的控制领域，其成本的低廉和性能的优良对直接使用微机作为控制单元的做法 构成了强有力的挑战，更有全面取代传统继电器控制屏的趋势剀。 综合比较可知，专为工业控制而设计的p l c 具有继电器控制系统和单片机控制系 统不具备的优点，其综合技术性能最好，更适用于机械设备控制领域。 2 3 2 控制系统设计 自动控制系统是辊压机自动堆焊专机的核心单元，工件回转、焊接悬臂的行走、 送丝机构的自动送丝、焊枪位置的位置调整都由控制系统控制。自动控制系统的主控 单元为p l c ，它提供了丰富的i o 接口方式，方便开发利用。为实现对焊接小车的远 程控制，给操作者带来方便，还配备了触摸屏。自动控制系统的主要功能为： ( 1 ) 、工件回转：可调焊接滚轮架支撑挤压辊，主轴传动系统带动挤压辊按一定转 华中科技大学硕士学位论文 速转动。 ( 2 ) 、焊接悬臂：焊接悬臂带动焊枪自动行走，可实现焊枪位置的上下、左右调整 以及焊枪角度调整。 ( 3 ) 、运动控制：完成对焊接悬臂和工件回转的运动配合控制，包括5 台电机的运 动控制和相关的运动轨迹计算。 ( 4 ) 、焊接控制：实现对焊接电源的启停控制。 ( 5 ) 、数据编程：完成焊接工艺参数的存贮、上载、下载和参数的插值运算。 2 4 小结 本章通过分析辊压机挤压辊辊面护层形状，结合生产实际需要，确定堆焊专机机 械系统的结构和功能，为整机结构设计打下基础。确定自动控制系统的主控制单元为 p l c ，配备触摸屏实现人机对话。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 堆焊专机机械系统设计 辊压机挤压辊是粉磨生产中的主要部件，其磨损后的表现不同。在粉磨工艺中， 随着产量的增加，矿物质原料及水泥熟料在两个挤压辊之间不断流动，磨料与挤压辊 表面不断摩擦，不断磨损，变得越来越粗糙，到一定程度，挤压辊表面就会产生斑马 纹缺陷。当缺陷尺寸超出允许范围时，需频繁对挤压辊进行修复和更换，不仅影响产 品质量，而且降低了劳动生产率，增加了加工成本。因此对辊压机挤压辊的堆焊生产 或修复提供良好的生产设备有着重要的现实意义。 3 1 概述 为实现工件和焊枪在焊接过程中的运动，整个机械系统设计主要包括焊件变位机 和焊机变位机。 焊接变位机械按功能不同，分为焊机变位机械和焊件变位机械。焊接变位机械可 分为焊接变位机、焊接滚轮架、焊接回转台和焊接翻转机【2 5 】。本台堆焊机焊机变位主 要是由能够在机床底座上平稳滑动的侧挂滑车及其上的升降焊接悬臂组成( 悬臂上装 有焊枪) ；焊件变位机中焊接滚轮架为被动，需要有外