【文章內(nèi)容簡介】 體保護(hù)效果也變差。當(dāng)電弧電壓過高時(shí)，易生成氣孔 [11]。 焊機(jī)對(duì)設(shè)備要求 弧焊電源的選擇 在生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)工件的材料、尺寸、機(jī)加工手段和工件的價(jià)值來選擇弧焊電源。在本系統(tǒng)中，為了使系統(tǒng)具有較高的可靠性和良好的經(jīng)濟(jì)性 , 通常情況下系統(tǒng)所配電源為國內(nèi)非常成熟的晶閘管電源（也可根據(jù)不同的需要配置其他系列的弧焊電源）。晶閘管電源焊接電流的上升速度與以往的機(jī)型相比提高了 ，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)的高品質(zhì)焊接；焊接電流由晶閘管式電源直接控制，不需要焊接變壓器；在正式通電流之前可 以用檢測(cè)電流對(duì)工件的有無、以及工件的狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。 CO2焊接電源的主要焊接參數(shù)有焊接電流與電弧電壓。在等速送絲系統(tǒng)中，焊接電流主要由送絲速度決定，大體上成正比關(guān)系。最小送絲速度 Vfmin對(duì)應(yīng)著最小電流 Imin，而最大送絲速度 Vfmax對(duì)應(yīng)著最大電流 Imax。而電弧電壓主要由電源外持性決定。在電弧自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電源外特性應(yīng)采用緩降或平的外特性。因此本設(shè)計(jì)選取緩降電源外特性且外特性可調(diào)的焊接電源，本設(shè)計(jì)選擇的電源是型號(hào)為 MDB2021B晶體管式精密焊接電源 [11]。 對(duì)堆焊機(jī)床的要求 堆焊機(jī)床 的任務(wù)是提供主軸的升降、焊槍的移動(dòng)和焊絲的送進(jìn)等三個(gè)運(yùn)動(dòng)。這三個(gè)運(yùn)動(dòng)分別由小車的電機(jī)和送絲電機(jī)拖動(dòng)。對(duì)不同的焊按方法和幾何尺寸相差較大的工件，堆焊機(jī)床可作相應(yīng)的調(diào)整，以滿足不同的需要。 對(duì)小車、送絲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的要求 對(duì)小車、送絲電機(jī)，采用相同結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電路。為了保證上述電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，其驅(qū)動(dòng)電路均采用晶閘管整流 ,并引入電樞電壓負(fù)反饋和電樞電流正反饋。晶間管導(dǎo)通角的控制采用集成觸發(fā)器，從而保證了控制的可靠性和精度。 對(duì)送絲機(jī)的要求 在氣體保護(hù)焊時(shí)，送絲機(jī)應(yīng)保證所需的送絲速度范圍及規(guī) 定的送絲力，以保證送絲均勻、可靠和無打滑現(xiàn)象。 1） 在規(guī)定的送絲速度范圍內(nèi)，電網(wǎng)電壓在額定值 ? 10%波動(dòng)時(shí)，送絲速度的變化率不超過 ? 5%[11]。 2） 裝置從冷狀態(tài)工作到熱狀態(tài)時(shí)，送絲速度變化率不超過 ? 5%[11]。 xx：耐磨鋼板堆焊機(jī)單片機(jī)控制器設(shè)計(jì) 8 3） 在規(guī)定的送絲速度范圍內(nèi) ， 當(dāng)送絲牽引力由額定值 的 50%變化到 100%時(shí)、送絲速度的變化率不超過 5%[11]。 此外，在 ZBJ64004— 1988 還規(guī)定，在推絲式或推拉絲式 CO2焊在供電網(wǎng)絡(luò)電壓為額定值時(shí) ， 送絲軟管平直狀態(tài)和軟管中部彎繞直徑 400mm 一 圈情況下，送絲速度變化率不大于 10%[11]。 對(duì) 氣體流量 的要求 CO2焊是利用 CO2氣體的屏蔽作用實(shí)現(xiàn)保護(hù)的。影響保護(hù)的主要因素有 ： 氣體流量、噴嘴高度及風(fēng)的大小。氣體流量與電流有關(guān)，在大電流時(shí)為 2025L/min， 在短路過渡焊接時(shí)為 815L/min。在工作地環(huán)境有風(fēng)時(shí) ， 應(yīng)適當(dāng)增大氣體流量。 當(dāng)流量較大時(shí)，可能造成保護(hù)氣體紊亂。為此應(yīng)適當(dāng)增大噴嘴直徑，以便在大流量時(shí)仍可獲得穩(wěn)定的層流。通常實(shí)芯焊絲 CO2焊時(shí)，為得到可靠的保護(hù)效果，風(fēng)速的上限定為 2m/s。如果風(fēng)速超過這一上限值，則應(yīng)當(dāng)采取必要的防風(fēng)措施 [11]。 表 11 CO2 氣體流量和風(fēng)速上限的關(guān)系 Relationship between the gas flow of CO2 and the superior limit of wind speed 噴嘴直徑 /r/mm 16 22 CO2 流量 /L/min 25 30 35 25 30 35 風(fēng)速上限 /m/s xx 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 3 焊機(jī)設(shè)備的選擇 焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu) 為實(shí)現(xiàn)滿焊和定位焊兩種焊車行走方式，焊機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)需包括送絲系統(tǒng)和一個(gè)焊接工作臺(tái)。焊接工作臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)焊車的運(yùn)動(dòng)以及擺放、夾持工件，焊車能夠在 X 和 Y 方向上自動(dòng)往返行走，為此需選用合適的機(jī)械傳動(dòng)方式和合適的電機(jī)。綜合焊接工藝對(duì)送絲機(jī)的要求以及他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性，本設(shè)計(jì)選用他勵(lì)直流電機(jī) ； 又根據(jù)機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的要求和滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)，機(jī)械傳動(dòng)方式選用滑動(dòng)螺 旋傳動(dòng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。 工作臺(tái)的選擇 工作臺(tái)的組成 焊接工作臺(tái)主要由左右拖板、前后拖板、焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，如圖 31。根據(jù)直流電機(jī)和螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)，前后拖板和左右拖板采用他勵(lì)直流電機(jī)和滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)焊車在 X 和 Y 方向的往返運(yùn)動(dòng)并保證有足夠的傳動(dòng)力。焊槍調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在 Z 方向上的調(diào)整。同時(shí)，焊槍上設(shè)置擺動(dòng)電機(jī)，是焊道寬度加寬，挺高焊接效率。 X 方向： 由他勵(lì)直流電機(jī)通過左右拖板內(nèi)的滑動(dòng)螺旋絲杠副的傳動(dòng)使焊車沿 X 方向作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這是堆焊的主要?jiǎng)幼鳌?X 方向的行程決定于左右拖 板內(nèi)絲杠的有效行程。 Y 方向： 由他勵(lì)直流電機(jī)通過前后拖板內(nèi)的滑動(dòng)螺旋絲杠副的傳動(dòng)使焊車沿 Y 方向作間隙運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)焊車焊完一道焊縫開始反向時(shí)，前后拖板起動(dòng)，載著焊車沿預(yù)定的方向移動(dòng)指定的距離，使焊車指向新焊道，并使相鄰焊道重疊焊縫寬度的 1/31/2。 Y 方向的行程決定于前后拖板內(nèi)絲杠的有效行程。 Z 方向： 由送絲電機(jī)電機(jī)、獨(dú)立焊槍升降機(jī)構(gòu)、焊槍間距調(diào)整機(jī)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)焊槍 Z 軸上的調(diào)整。 在焊接時(shí)，焊接速度即為焊車的行走速度，因此要求焊車在實(shí)現(xiàn)焊車在 X 和 Y 方向的自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)的同時(shí)必須保證有足夠的傳動(dòng)力，使焊車行走十分 平穩(wěn)。另外，機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的要求為：精密化、高速化、小型化、輕量化。所以設(shè)計(jì)焊接工作臺(tái)時(shí)，在滿足使用要求的前提下，盡量滿足上述基本要求。 xx：耐磨鋼板堆焊機(jī)單片機(jī)控制器設(shè)計(jì) 10 工作臺(tái)的構(gòu)造 堆 焊 控 制 器焊 接 電 源工 件焊 槍送 絲 電 機(jī)前 后 拖 板前 后 電 機(jī)左 右 拖 板左 右 電 機(jī)焊 接 工 作 臺(tái) 圖 31 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 Structure of the workbench 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng) 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)原理 螺旋 傳動(dòng)是通過螺桿和螺母的旋合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。它主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，以較小的轉(zhuǎn)矩得到很大的推力，或者用以調(diào)整零件的相互位置。當(dāng)螺旋不自鎖時(shí)，也可以將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)螺紋副摩 擦性質(zhì)不同 。 螺旋傳動(dòng)可分為滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)、滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)和靜壓螺旋傳動(dòng) [13]。 軸 承 2電 機(jī)軸 承 1螺 母螺 桿螺 母 移 動(dòng) 方 向 圖 32 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)簡圖 Sliding screw transmission diagram 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的方式為螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母移動(dòng)，螺旋副采用單線螺紋，螺距 P定為 4mm，左右拖板螺桿的有效行程為 500mm，前后拖板螺桿的有效行程為 3O0mm。因?yàn)樽笥彝习寤瑇x 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 動(dòng)螺旋絲桿副的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度都能滿足上拖板的傳動(dòng)要求，為加工制造方便，拖板螺旋絲桿副的螺紋牙型、公稱直徑 d、牙型角 a、螺距 P、螺母高度 H、旋合圈數(shù) z、螺紋的 工作高度 h、螺紋的牙底寬度 b和下拖板的螺旋絲桿副相同。 滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn) 滑動(dòng)螺旋絲桿副接觸面間是滑動(dòng)摩擦，與齒輪齒條傳動(dòng)相比具有如下特 點(diǎn)： 1） 降速傳動(dòng)比大。對(duì)單線螺旋而言，螺桿 （ 或螺母 ） 轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，螺母 （ 或螺桿 ） 移動(dòng)一個(gè)螺距，螺距一般很小，所以每轉(zhuǎn)一圈的移動(dòng)量比齒輪齒條傳動(dòng)要小得多，對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成低速直線運(yùn)動(dòng)可以簡化傳動(dòng)系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)緊湊，并提高傳動(dòng)精度 [13]。 2） 可獲得大的軸向力 。 對(duì)于螺旋傳動(dòng)施加一個(gè)不大的轉(zhuǎn)矩，即可得到一個(gè)大的軸向力 [13]。 3） 能實(shí)現(xiàn)自鎖 。 當(dāng)螺旋的螺紋升角小于齒面 間當(dāng)量摩擦角時(shí)螺旋具有反行程自鎖作用，即只能將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成軸向移動(dòng)，不能將移動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)。這對(duì)于某些調(diào)整到一定位置后，不允許因軸向載荷而造成逆轉(zhuǎn)的機(jī)械是十分重要的，例如銑床的升降工作臺(tái)、螺旋千斤頂、螺旋壓力機(jī)等 [13]。 4） 工作平穩(wěn)無噪聲。 5） 效率低、磨損快 。 螺旋副接觸面之間滑動(dòng)摩擦大，磨損快，傳動(dòng)效率低 （ 一般在 之間 ） ，在自鎖的情況下效率小于 50%。因而不適于高速和大功率傳動(dòng) [13]。 機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的基本要求 常用的機(jī)械傳動(dòng)部件有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶、高速帶傳動(dòng)以 及各種非線形傳動(dòng)部件等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向得到匹配。機(jī)械傳動(dòng)部件對(duì)伺服系統(tǒng)特性有很大影響，特別是傳動(dòng)類型、傳動(dòng)方式、傳動(dòng)剛性以及傳動(dòng)的可靠性對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響 。 因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇傳動(dòng)間隙小、精度高、體積小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大的傳動(dòng)部件 [12]。 對(duì)工作機(jī)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既要求能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的變換，又要求能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的變換。也就是說既能實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)、往復(fù)擺動(dòng)的轉(zhuǎn)換，又能實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)或 轉(zhuǎn)矩與直線驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。對(duì)于信息集中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要要求具有運(yùn)動(dòng)的變換功能，只需要去克服慣性力和各種摩擦阻力及較小的負(fù)載即可。常見的傳動(dòng)機(jī)械有 ： 絲桿螺母、齒輪、齒輪齒條、鏈輪鏈條、帶傳動(dòng)、滑輪、杠桿機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、摩擦輪、方同節(jié)、輪軸、蝸xx：耐磨鋼板堆焊機(jī)單片機(jī)控制器設(shè)計(jì) 12 輪蝸桿、間歇機(jī)構(gòu)等 [12]。 近年來，不通過機(jī)械結(jié)構(gòu)而直接由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的 ―‖技術(shù)日益應(yīng)用廣泛，應(yīng)用這種技術(shù)需要低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)，并要考慮負(fù)載的非線形和 耦 合性等因素對(duì)執(zhí)行電機(jī)的影響。但總的來說，機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求有以下幾個(gè)方面 ： 1） 精密性 ： 對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品而言，應(yīng)根據(jù)性能的需要提出適當(dāng)?shù)木芏纫?，?duì)機(jī)械傳動(dòng)的精密性要求也越來越高。 2） 高速化 ： 產(chǎn)品工作效率的高低，直接與機(jī)械傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，因而機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密度應(yīng)能適應(yīng)告訴運(yùn)動(dòng)的要求。 3） 小型化，輕量化 ： 隨著機(jī)電一體化精密化、高速化的發(fā)展，必須要求其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)小型化、輕量化，以提高運(yùn)動(dòng)靈敏度，減小沖擊，降低能耗。 他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性 因?yàn)?本設(shè)計(jì)選擇他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)作為系統(tǒng)的運(yùn)行電機(jī)，所以在此介紹他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的特性。 直流他勵(lì)式電動(dòng)機(jī) 即 直流電機(jī) ， 轉(zhuǎn)速 n與轉(zhuǎn)矩 M的關(guān)系 n=f(M)稱為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。如圖 33 所示，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都是轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)速都降低。轉(zhuǎn)矩改變時(shí)，轉(zhuǎn)速變化較小的，稱為硬特性 ， 如曲線 1； 而轉(zhuǎn)速變化較大的稱為軟特性如曲線 2[15]。 圖 33 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線 Mechanical characteristic curve of the directcurrent motor 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的 電路如圖 34 所示， 勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè) 獨(dú)立 電源供電。 在勵(lì)磁電壓 Uf的作用下，勵(lì)磁繞組中通過 勵(lì)磁電流 If，產(chǎn)生主磁極 Ф。在電樞電壓 Ua的作用下，電樞繞組中通過電樞電流 Ia。電樞電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 T，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械以某一轉(zhuǎn)速 n 運(yùn)轉(zhuǎn)。電樞旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生反電勢(shì) E。 12Mnxx 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 + + UfUaEIaIfM 圖 34 他勵(lì)電動(dòng)機(jī) Otherexcited motor 電樞回路中的電壓平衡方程 電壓平衡方程： Ua =E+IaRa （ 31） 將 式 E=CeФn 和?? Ta CTI 代入，得到直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式 ： TβnnnTCC RCUn 002Te ae a ????????? （ 32） 式中， n0是電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速， ?n 是轉(zhuǎn)速差： ?n=n0－ n=βT （ 33） 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性 圖 35 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的 固有特性 Inherent characteristics of the otherexcited DC motor M T n0 n nN nM TN TM N xx：耐磨鋼板堆焊機(jī)單片機(jī)控制器設(shè)計(jì) 14 直流電 動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式 ： nnTCC RCUn 02Te ae a ??????? （ 34） 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有特性如圖 35 所示， N 點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)。額定狀態(tài)說明電動(dòng)機(jī)的長期運(yùn)行能力。 M 點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的臨界狀態(tài)，這時(shí)電樞電流 Ia等于換向允許的最大電樞電流 Iamax=（ ~） IaN。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩 TM 是電動(dòng)機(jī)所允許的最大轉(zhuǎn)矩。臨界狀態(tài)說明了電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力 [15]。 1） 機(jī)械特性斜率： 2Te aΦCC RdTdnβ ?? （ 35） 2） 機(jī)械特性硬度： β1dndTα ?? （ 36） 3） 額定轉(zhuǎn)矩： NNNNN nPnPT