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摘 要
随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如自动点焊机、大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，自动点焊机要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将自动点焊机技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。因此自动点焊机的设计对于解决这一难题至关重要。
关键词：焊接技术 机构设计 强度校核
Abstract
With the development of industrial level, it is important to large-scale structure of the application of welding more and more, including a large number of welding operations must be at the scene, such as robot welding corrugated containers, large ship cabin, the deck of the welding, a large spherical tank (tank), such as welding. These welding occasion, the welding robot to adapt to changes in weld, welding can be done to improve the level of automation. There is no doubt that technology and robot seam tracking technology to effectively solve large-scale structure of the automation field welding problems.
Key Words: Robot technology Intensity is proofreaded
目 录
摘 要 II
Abstract III
目 录 IV
第1章 绪论 7
1.1 选题的依据及意义 7
1.1.1 选题的依据 7
1.1.2 选题的意义 7
1.2 研究现状及发展趋势 7
1.2.1 自动点焊机研究现状 8
1.2.2 自动点焊机机构设计的发展趋势 9
1.3 本课题的研究设计内容及方法 9
第2章 自动点焊机构总体设计 10
2.1 设计原理 10
2.2 导向杆机构的选用要点 11
2.3 方案讨论 12
2.4 本章小结 12
第3章 自动点焊机Y向结构设计 13
3.1丝杠螺母导程的确定 13
3.2确定丝杠的等效转速 13
3.3 丝杠的等效负载 13
3.4 确定丝杠所受的最大动载荷 13
3.5 计算轴承动载荷 14
3.6 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算 14
3.7 丝杠的扭转刚度 15
3.8 传动精度计算 15
3.9 电动机的计算选择 16
第4章 自动点焊机X向结构设计 17
4.1滚珠丝杠螺母副的计算和选型 17
4.2 精度的选择 17
4.3丝杠导程的确定 17
4.4 最大工作载荷的计算 17
4.5 最大动载荷的计算 18
4.6 滚珠丝杠螺母副的选型 18
4.7 滚珠丝杠副的支承方式 19
4.8 传动效率的计算 19
4.9 刚度的验算 19
4.10 稳定性校核 20
4.11 临界转速的验证 21
4.12 步进电机的选择 22
4.13 滚动直线导轨副 25
第5章 自动点焊机Z向结构设计 27
5.1 Z向精度设计 27
5.2 滚珠丝杠疲劳强度 27
5.3选用滚珠丝杠 28
5.4 滚珠丝杠稳定性验算 28
5.5 滚珠丝杠刚度验算 29
5.6 滚珠丝杠效率验算 30
5.7 Z向电机选型 30
第6章 焊头设计 32
6.1 焊头设计 32
6.2 自动点焊设计 33
第7章 成本设计 34
总结与展望 35
致 谢 37
参 考 文 献 38
第1章 绪论
1.1 选题的依据及意义
1.1.1 选题的依据
随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些 生产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具——点焊机。与此同时也出现了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤 害较大，有些领域不适宜人类工作长时间的工作，点焊机则正好适应这类工作。防止了一些化学物品对人类的伤害[5]。
在当今大规模制造业中，企业为 提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器的技术水平和应用 程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业焊接机主要承担着焊接、喷涂、搬运等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再 现的方式。
点焊机是按照给定程序、轨迹和要求实现自动移动、焊接的操作的自动机械装置[6]。实现了自动化的工作并减少了很多不必要的人工劳动。本文对多工位点焊机利用PLC的控制进行了详细的研究。
点焊机的工作原理是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料，来达到使它们结合的目的[7]。点焊机是由焊头、点焊枪等组成。点焊枪是四工位点焊机电气控制系统的核心。利用电磁阀控制点焊枪的伸缩及温度
1.1.2 选题的意义
通过完成该课题，即设计出自动点焊机及对其进行运动学分析，能够解决在焊接过程中焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角这个问题，使得在直线段与在波内斜边段焊接时，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度，进而能够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高的生产质量。
1.2 研究现状及发展趋势
这里的研究现状及发展趋势包括三个方面：前面也提到这里的三自由度自动点焊机（为自动点焊机）是为提高焊接自动化水平的，故这里为自动点焊机的研究现状及发展趋势；关于结构设计方面的研究现状及发展趋势；关于运动学分析的常用方法[5]。
1.2.1 自动点焊机的研究现状及发展趋势
这里所设计的自动点焊机为有轨自动点焊机，只是现有的自动点焊机技术在焊接中的应用，是该领域的焊接自动化水平低的缘故，而当前的自动点焊机技术有相当的发展。
随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，自动点焊机要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将自动点焊机技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。
当前国内外在自动点焊机方向研制的几个典型自动点焊机如下：
(1) 韩国Pukyong国立大学的Kam B O 等研制的舱体格子形构件焊接自动点焊机
这种自动点焊机能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程,能够自动寻找焊缝的起始点。在遇到格子框架的拐角焊缝时,在保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝的情况下,能够自动调整自动点焊机本体和十字滑块的位置[4]。
(2) 日本庆应大学学者 Suga 等为平面薄板焊接研制的自主性自动点焊机
该自动点焊机能够直线前进,还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯,它装焊枪的臂可以伸缩，可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状,如是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝等[5]。
(3) 日本庆应大学学者 Suga 等研制了管道焊接自主自动点焊机
该自动点焊机可以沿着管道 ,根据 CCD 摄取的图象信息,在焊前可以自动寻找并识别焊缝,然后使自动点焊机本体沿管道方向达到正确的焊接位置[5]。
(4) 清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁吸附轮式自动点焊机该自动点焊机的焊炬跟踪精度可达±0.5mm,能够满足实际工程应用[3]。
(5) 上海交通大学研制的具有自寻迹功能的焊接自动点焊机
该自动点焊机在焊前,小车能够自动寻找焊缝并经过轨迹推算后自动调整小车本体和焊炬的位姿到待焊状态；在焊接过程中能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪[8]。
当前绝大多数自动点焊机还能焊缝跟踪,焊前必须通过人为的方式,把自动点焊机放到坡口附近合适的位置,并且通过手动将自动点焊机本体、十字滑块等调整到合适的待焊状态 ,也就是说自动点焊机的自主性还很低,基本上还不具有自主的运动规划能力。
未来的发展趋势为三个方面：选择视觉传感器来进行传感跟踪，因为与图象处理方面相关的技术得到发展；采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务；由于控制技术由经典控制到向智能控制技术的发展，这也将是自动点焊机的控制所采用。
1.2.2 自动点焊机机构设计的研究现状及发展趋势
在当前，自动点焊机的机构设计绝大部分还是采用依据具体的情况来设计专用自动点焊机，称之为固定结构的传统自动点焊机，其运动特性使特定自动点焊机仅能适应一定的范围,不利于自动点焊机的发展。解决这一问题的方法就是利用关节模块和连杆模块,根据具体的要求开发可重构自动点焊机系统。下面为当前一些人所做的研究：
(1) Benhabib等人建立的自动点焊机库,将模块分成模块单元连接器、连杆模块、主关节模块和末端关节模块四类[13]；
(2) 1999年DanielaRus等提出了一种由晶体结构“分子”组成的可自重构自动点焊机系统[13]；
(3) 上海交通大学的费燕琼和沈阳航空工业学院的张艳丽等对模块化自动点焊机的构形设计进行了研究[13]。
1.3 本课题的研究设计内容及方法
川公网安备: 51019002004831号