无心外圆砂带磨床自动上下料控制系统设计【含CAD图纸】
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摘要 电弧螺柱焊是一种螺柱电弧焊接方法，到目前为止，在汽车制造、多层建筑、桥梁建设、家电行业等得到广泛应用。随着经济发展的要求，企业对电弧螺柱焊的效率，精度要求越来越高，也就对焊枪及其控制的设计有了更高的要求。本文参照传统的电弧螺柱焊枪对焊枪及其控制系统做了改进及设计，这个电弧电弧螺柱焊由一个直流电源、控制单元和一个焊枪组成。这个电弧螺柱焊枪通过步进电机为其提供动力，通过丝杆来实现螺柱焊提起及送进过程，控制系统由PLC控制焊枪及螺柱的送进过程。在这个新的焊接过程中，这个螺柱的运动可以看做由微步构成的。步进电弧焊枪的行为参数的设置和调整是独立完成的。关键词 控制单元 步进式电弧螺柱焊 PLC 丝杆 Abstract Arc stud welding is a method of stud arc welding，Up to now，it has been widely used in the manufacture of automobile,multistoried Buildings construction of bridges,appliance industries and so on .With therequirements of economic development,business to arc stud welding efficiency and precision have become increasingly demanding ,Also on the design of the torch and its control have higher requirements. This article refers to the traditional arc stud welding gun torch and its control system improvements and design. The equipment of arc stud welding consists of a dcpower source，a control unit，and a welding gun. This arc stud welding gun through the stepper motor to provide power screw stud welding institute and sent to the process, An PLC is adopted as the main control component to realize the control of the stud gun and welding procedure. the stud action can be looked as constituted by some micro steps.The settingting of the stepping arc welding gun behavior parameters are accomplished independentlyIt is indicated from the results of process tests and bending test that the stepping arc stud welding process is practicable. Keywords arc stud welding PLC control unit step-by-step screw 目 录摘 要 Abstract绪论11总体方案的制定2 绪论 螺柱焊是一种高效的全截面焊接方法。由于这种焊接技术具有快速、可靠、简化工序、降低成本等一系列优点而得到了日益广泛的应用。近年来，随着钢结构在建筑、桥梁等领域的广泛应用，大直径栓钉（焊钉）的焊接越来越多的采用螺柱焊方法。目前，国产的电弧螺柱焊机型号有RSN-630、1000、1600 RSN2-2500、3150 等，可焊mm的螺柱。 这类焊机与进口产品相比，其焊接电源都是用晶闸管控制，并可连续调节焊接电流。从调节和稳流性能以及可靠性方面考核，差别不大。在控制方面，进口产品采用单片机控制的，而国内产品基本都是用分立器件控制，与进口产品相比差距较大。因此，研制单片控制的电弧螺柱焊机对提升国产螺柱焊机的技术水平和可靠性，具有重要的现实意义。 传统电弧螺柱焊枪主体是电磁线圈和弹簧结构，在焊接过程中，螺柱运动的实现主要由线圈的通断电和弹簧的压缩、释放来完成利用线圈弹簧式焊枪进行电弧螺柱焊接的过程。采用传统电弧螺柱焊枪进行焊接时，在螺柱提起时对电磁线圈通以一定的电流，在电磁力和弹簧阻力的共同作用下，使动铁心以一定的加速度向上提起，螺柱送下则主要由弹簧压缩产生的弹力和动铁芯,自身的重力作用产生向下的运动为了调节螺柱的提起和送下速度，电弧螺柱焊枪的结构中一般都要配备阻尼机构，这就使焊枪的结构变得复杂提起和送下速度的调节受多方面因素的影响，较难把握。 本文从电弧螺柱焊的实现过程出发，对焊枪结构原理进行了全新的设计，研制出步进式电弧螺柱焊枪及其控制系统焊枪以步进电机带动螺旋传动装置完成电弧螺柱焊焊接过程各动作，焊枪及焊接过程由单片机系统控制此焊枪可以通过程序控制实现螺柱提起高度、送下深度、提起和送下速度等参数的设定。这种设计在对电弧螺柱焊螺柱的提起送进速度更容易而且有效的进行控制。 1总体方案的制定1.1设计目的和意义螺柱焊是一种将金属螺柱或类似的其他紧固件快速焊于金属工件上的焊方法，电弧螺柱焊的应用始于1939年的造船行业。随着工业的迅速发展，焊接在生产过程中的运用越来越重要，经过几十年的发展，电弧螺柱焊已经广泛应用于建筑、汽车制造、船舶制造、桥梁等行业。电弧螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱与工件间引燃电弧，当螺柱与工件被加热到合适温度时，在外力作用下，螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接头。螺柱焊焊接螺柱类紧固件代替了费时费力的铆接、钻孔和攻丝等方法。由于电弧螺柱焊的应用节省了人力物力同时是生产效率也得到了提高。在工业高速发展的今天，生产过程中效率和质量同样重要的今天，电弧螺柱焊的应用不仅越来越广泛，而且电弧螺柱焊也得到了空前的发展。这个课题的研究符合发展的趋势，本课题的研究让我学会了搞设计的思路流程以及在每个阶段需要注意的问题，在毕业前在老师的指导下亲自弄一次设计，熟悉一下设计的理念及过程，对我们今后的设计起个铺垫的作用。1.2总体方案的确定经过对当前电弧螺柱焊的了解及和电弧螺柱焊相关文献的阅读，对螺柱焊枪及控制部分的设计有了初步的方案。总体的方案分为两个部分：螺柱提起送进动力部分及对提起送进速度的控制部分。对这个方案解决的思路如下：本课题的关键问题首先是如何使电弧螺柱焊实现低速送进同时又能保证对于不同焊件都能达到所需要的挤压压力。以我个人的意见解决这个问题需要对焊枪的枪体进行全新的设计，螺柱通过丝杆的转动进行送进，挤压的压力通过弹簧的变形来监测控制，所以我们还需要传感器，使检测到的压力转化成信号传到控制系统，控制系统通过和设定的压力进行对比来控制螺柱的送进速度进而控制挤压的压力。然而在加工过程中电压的不稳定同样会造成质量问题，在这次设计中我选择步进电机来控制传动系统，步进电机由脉冲信号触发控制。它的转动角度由脉冲数量决定，转速只和脉冲频率有关，而和电压、电流等的大小及波动没有直接关，误差不会积累。 2 机械部分的设计21 焊枪的机械结构步进式电弧螺柱焊枪的机械结构原理如图1所示焊枪可以看作由动力机构、运动机构以及固定保护机构3部分组成。 (1)焊枪的动力机构为步进电机步进电机具有惯性小，不需制动装置，启动性能好，能频繁瞬间启动、倒转和停转等优点步进电机由脉冲信号触发控制。它的转动角度由脉冲数量决定，转速只和脉冲频率有关，而和电压、电流等的大小及波动没有直接关系误差不会积累。(2)运动机构的主体是螺旋传动装置，即丝杠螺母传动装置传动机构使得步进电机的角位移转化为上下方向的直线位移，最终实现电弧螺柱焊焊接过程的运动要求丝杠与电机轴通过机械方式连接在一起，接受来自步进电机的角位移；在导向装置作用下，传动螺母只作沿径向的运动，通过电机正反转的改变，传动螺母可完成上下直线运动传动螺母通过连接件与焊枪夹具连接，夹具上的螺柱随之产生纵向的运动，完成焊枪的机械结构电弧螺柱焊接过程中的提起、送下等运动。2.2 滚珠丝杆副的选型与计算 滚珠丝杆副是在丝杆和螺母的轨道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。其作用是将旋转运动变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。丝杆或螺母转动时，带动滚珠沿螺纹轨道滚动。螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。滚珠丝杆副的外形如图3-15所示。 滚珠丝杆副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命长等特性，广泛应用于各种工业设备、精密仪器和数控机床等。滚珠丝杆副由专门工厂制造，当型号计算选定后，可以外购或定制。（1） 、滚珠丝杆副的主要尺寸参数 滚珠丝杆副的主要尺寸参数如图3-16所示。a 、公称直径 用于标示的尺寸值（无公差）b 、节圆直径 滚珠与滚珠螺母体及滚珠丝杆位于理论接触点时，滚珠球心包络的圆柱直径。节圆直径通常与滚珠丝杆的公称直径相等。c 、导程 滚珠螺母相对滚珠丝杆旋转2弧度时的行程。d 、公称导程 通常用作尺寸标识的导程值（无公差）。e 、行程L 转动滚珠丝杠或滚珠螺母时，滚珠丝杆或滚珠螺母的轴向位移量。f 、有效行程 有指定精度要求的形成部分（即行程加上滚珠螺母提的长度）。 此外，还有丝杆螺纹外径、丝杆螺纹底径、螺母体外径、螺母体螺纹底径、螺母体螺纹内径、滚珠直径、丝杆螺纹全长。（2） 计算和选型a 、最大工作载荷的计算 最大工作载荷是指滚珠丝杆副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，由于在焊枪中丝杆是用来带动螺柱运动的并且运动方向与工件垂直。所以所承受的最大轴向力就是螺柱与工件间的最大挤压力。螺柱与工件间的挤压力只有50-80N。根据公式 （为进给方向的载荷、为垂直方向载荷、为横向载荷、G为移动部件的总重力、K=1.1）由于螺柱是垂直运动，所以在运动过程只承受进给方向的挤压力。所以b 、最大动载荷的计算 最大动载荷的计算公式如下： 式中 滚珠丝杆副的寿命，单位为r。（其中T为使用寿 命，普通机械取，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杆每分钟的转数）； 载荷系数，由表3-30查得； 硬度系数 （58HRC时，取1.0；等于55HRC时，取1.11；等于52.5HRC时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40） 滚珠丝杆副的最大工作载荷，单位为N。由于初选电动机为微型电机，额定转速在1000r以内。丝杆的寿命根据上式可计算得最大动载荷 N所选滚珠丝杆副其额度动载荷，初步选定的滚珠丝杆为FSW124B1其规格参数如下: 型号公称外径（mm）导程（mm）刚性（KN）最大载荷（KN）FSW124B112486382.3 电动机的选型和计算（1）、对于步进电机的计算与选型，通常按照以下及步骤：1) 根据机械系统结构，求得加载步进电机轴上的总转动惯量2) 计算不同工况下加在步进电动机转轴上的等效负载转矩3) 取其中最大的等效负载转矩，作为确定步进电动机最大转矩的依据；4) 根据运行矩频特性、启动惯频特性等，对初选的电动机进行校对。（2）、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算加在步进电机转轴上的总转动惯量是进给伺服系统的主要参数之一，他对选择电动机具有重要意义。主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杆以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。的计算方法 传动比、丝杆转动惯量。所以，总转动量 （3） 、步进电机转轴上的等效负载转矩的计算 步进电动机转轴所承受的负载转矩在不同工况下是不同的。通常考虑两种情况：一种情况是快速空载启动，另一种情况是承受最大工作负载。下面分别进行讨论：1）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 a 、式中电机转轴上的最大工作负载转矩的计算 式中为进给方向最大工作载荷，单位为N；为滚珠丝杆导程，单位为m；为传动链的总效率，这里取；传动比。所以b、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 为导轨的摩擦力由于在这个设计中运动是垂直方向，摩擦力比较小可以忽略不计所以c 、滚珠丝杆与今后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩： 式中为滚珠丝杆的预紧力，一般去滚珠丝杆工作载荷的1/3 为滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取有与滚珠丝杆传动效率很高所以摩擦转矩可以忽略不计。所以综上可得：(2) 、快速空载起动时折算到电机上的最大加速转矩： 式中 为快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，单位为Nm 为移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩 为滚珠丝杆预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩a 、快速空载启动时折算到电机转轴上的最大转矩： 式中 为步进电机转轴上的总转动惯量，为电机角加速度，为电机转速；为电机加速所用的时间，一般在0.3-1s之间取。所以所以 综合上述计算可知加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩为： =0.06Nm(3)、步进电动机的初选将上述计算所得的乘上一个系数K，用K的值来选择电动机的最大静转矩，其中系数K称为安全系数，其取值范围为2.5-4所以所选的电机最大静转矩应大于24Ncm初步选择的步进电动机型号为57BYGH803基本参数如下：型号步距角相数电压（V）电流（A）电阻静转矩Ncm重量kg额定功率（W）57BYGH0011.826.31.54.21401.110-50外形尺寸2.4 联轴器的选择 一般联轴器的选用依据是其工作条件和结构形式。选型时，主要考虑以下几点： 1）选择联轴器的类型根据传递的转矩大小和转速高低，以及对缓冲和振动的要求，参考各类型联轴器的特点，选择适用的联轴器类型。2） 计算联轴器的转矩传动轴上的公称转矩T可用下式进行计算： 式中 p为传递的功率，单位为kw； n为轴的转速，单位为r/min。根据上式和所选的电机可计算出：由于机器启动时的动载荷和运动中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩，计算公式为 式中，T为公称转矩，为工况系数，工况系数如下表：根据工况系数表可选得=1.3所以 3） 确定联轴器的型号 根据计算转矩及所选的联轴器类型，初步选择的联轴器型号SGS-C-26 联轴器的参数如下：型号轴径扭矩最高转速角向偏差螺丝SGS-C-266、6.35、8、102.8Nm10000rpmM32.5 轴承的选择 根据所选择的丝杆的直径初步选择的轴承为深沟球轴承，其型号为FAG6200其基本参数如下：内径（mm）外径（mm）厚度（mm） 10 30 92.6 弹簧的选择(1) 焊枪弹簧保护机构主要作用是焊接过程中，螺柱送进深度偏大的时候，把螺柱送进位移转化为弹簧压缩位移，以保护步进电动机不受损坏。弹簧保护机构在焊接前要预设一定的弹簧力，以避免在螺柱送进过程中弹簧过早的进入压缩状态，影响正常的螺柱送进。(2) 根据所设计的弹簧套筒的尺寸及本设计所需的弹簧预紧力的范围初步选择的弹簧为316不锈钢弹簧，其编号为C07200960880X该弹簧的基本参数如下：外径（mm）线径（mm）近似自由长度（mm）承载长度（mm）弹性系数（N/mm)18.292.4422.3517.3628.24(3) 在螺柱送进过程中，螺柱进入熔池与工件接触后，螺柱与熔池金属之间挤压力逐渐增大，当挤压力的大小超过弹簧保护机构预设压力后，弹簧保护机构将产生一定的压缩位移，位移大小与挤压力的大小成正比。弹簧保护机构预设压力P根据以下公式确定 (k为弹性系数、为弹簧变形量）弹簧的预压力根据焊接工件来确定，根据资料显示焊枪焊接过程中压力只有5080N。所以可以初步确定弹簧的预压变形量2.7 夹头的设计 夹头是在焊接过程中用来夹紧螺柱来实现螺柱的提起送进过程，在这个设计中采用了传统的电弧螺柱焊枪的夹头，由于传统的螺柱焊枪的夹头用起来也比较方便同时比较容易购买，简化了设计的过程和成本。夹头的基本结构如图： 3 控制部分的设计3.1 驱动器的选择 （1）在选择步进电动机的驱动器时，主要考虑以下几个问题：1） 驱动电动机的类型 不仅是电机分为永磁式、反应式、混合式三种，每种电动机又有 不同的相数，必须清楚所选择的驱动器是来驱动哪种类型的步进式电动机。2） 输出电流 输出电流的大小时是步进电动机驱动器的重要参数。通常，所选择的驱动器的最大电流要大于电动机的额定电流。3） 输出电压 输出电压的高低是判断驱动器升速能力的标志。4） 输入电压 有些驱动器直接使用220V交流的市电，有些驱动器需要经过变压器降压后供电，还有的驱动器需要变压后的两个独立绕组供电，甚至有些驱动器需要供给它直流电源。因此，选择驱动器电源时要考虑到驱动器本身的供电问题。5） 有无细分功能 如果需要小的转角或者要求步进电动机的转动非常平稳，所以所选择的驱动器电源最好带有细分功能。需要注意，有些细分电源对已知电动机的低频震荡有帮助，但可能会影响微步距的精度。6） 有无环分 驱动器是否带有环分电流，与之配套的控制器分配脉冲的方式就会不同。7） 控制信号的定义 带有环分的电路时，驱动器接收信号有两种形式：方向、脉冲或正转脉冲、反转脉冲：不带环分时，环形分配通常用软件来实现，这时，驱动电源的控制信号取决于电动机的相数。另外，还要清楚控制器送出的信号线、在驱动器端的接线方式是共阴还是共阳。（2） 根据前面所选择的步进电机的参数初步选择驱动器型号为YKA2304ME YKA2304ME是等角度恒力矩细分型高性能步进驱动器，驱动电压DC12-40V，采用单电源供电。适配6或8出线电流在3.0A以下，外径42-86mm的各种型号的二相混合式步进电机。 该驱动器内部采用双极恒流斩波方式，使电机噪音减小，电机运行更平稳；驱动电源电压的增加使得电机的高速性能和驱动能力大为提高；而步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半，使驱动器的发热可减少50%，也使得电机的发热减少。用户在脉冲频率不高的时候使用低速高细分，使步进电机运转精度提高，最高可达200细分，振动减小，噪声降低。 特点 高性能、低价格 设有12/8档等角度恒力矩细分，最高200细分 采用独特的控制电路，有效的降低了噪音，增加了转动平稳性 最高反应频率可达200Kpps 步进脉冲停止超过100ms时，线圈电流自动减半，减小了许多场合的电机过热 双极恒流斩波方式，使得相同的电机可以输出更大的速度和功率 光电隔离信号输入/输出 驱动电流从0.0A/相到3.0A/相连续可调 可以驱动任何3.0A相电流以下两相混合式步进电机 单电源输入，电压范围：DC12-40V 出错保护：过热保护过流、电压过低保护 体积小巧YKA2304ME是一款经济、小巧的步进驱动器，体积为25x136x92驱动器信号示意图如下：驱动器接线示意图如下：3.2 PLC的选择（1） 选择PLC时主要考虑以下几个方面：机型的选择、容量的选择、输入输出模块的选择、电源模块的选择等。根据这个设计所选电机的功率以及上面几点的综合考虑，初步选择PLC的型号为EC101614BTA（2） EC101614BTA主模块的外形结构图如下图:PORT0 和PORT1 为通讯端口。PORT0 为RS232 电平，插
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