【導(dǎo)讀】在我國(guó)，焊接變位機(jī)也已悄然成為制造業(yè)的一種不可缺少的設(shè)備。產(chǎn)品在我國(guó)工程機(jī)械行業(yè)，有了較大的發(fā)展，并獲得了廣泛的應(yīng)用。使用焊接變位機(jī)可。充分發(fā)揮各種焊接方法的效能。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷向智能化發(fā)展，自動(dòng)控制和信息技。精度、高可靠度方向發(fā)展。本文主要論述了焊接變位機(jī)的組成，結(jié)構(gòu)及工作原理。臺(tái)翻轉(zhuǎn)，主要涉及到齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)及軸的設(shè)計(jì)與校核等。

　　

【正文】 1997. [4] 周壽森 . 焊接機(jī)構(gòu)生產(chǎn)及裝備 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1999. [5] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì) ,焊接學(xué)會(huì) . 焊接手 冊(cè) [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1992. [6] 焦馥杰 . 焊接結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ) [M].上海 :上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社 ,1991. [7] 曾樂(lè) . 焊接工程學(xué) [M].北京 :新時(shí)代出版社 ,1986. [8] 沈世瑤 . 焊接方法及設(shè)備 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1982. [9] 上海船舶工業(yè)設(shè)計(jì)研究院 ,機(jī)械工業(yè)部第五設(shè)計(jì)研究院 ,北京船舶工程第五設(shè)計(jì)研究所 . 焊接設(shè)備選用手冊(cè) [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1984. [10] 美國(guó)焊接學(xué)會(huì) ,韓鴻碩 ,張桂清 . 焊接新技術(shù) [M].北京 :宇航出版社 ,1981. [11] 薛迪目 . 焊接概論 [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,1987. [12] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) (第二版 )[M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,2020. [13] 劉鴻文 . 材料力學(xué) [M].北京 :高等教育出版社 ,2020. [14] 張海根 . 機(jī)電傳動(dòng)控制 [M].北京 :高等教育出版社 ,2020. [15] 陳于萍 ,周兆元 . 互換性與測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,2020. [16] 李慶芬 ,朱世范 ,陳其廉 . 機(jī)電工程專業(yè)英語(yǔ) [M].哈爾濱 :哈爾濱工程大學(xué)出版社 ,2020. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 36 致謝 本次論文是在終結(jié)大學(xué) 四年學(xué)習(xí)的情況下進(jìn)行的，力求對(duì)大學(xué)之所學(xué)能夠來(lái)一次集中鞏固及其創(chuàng)新利用。它涵蓋面很廣，涉及了機(jī)械的所有內(nèi)容，是培養(yǎng)高級(jí)工程技術(shù)人才的一次綜合訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)論文的選材，開題，構(gòu)思，設(shè)計(jì)等一系列的訓(xùn)練，相信自己對(duì)設(shè)計(jì)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，在計(jì)算能力，英文文獻(xiàn)閱讀翻譯，查找相關(guān)信息等多種能力得到了一次深刻的鍛煉，在整個(gè)過(guò)程中，可以說(shuō)完成了工程師基本訓(xùn)練和逐步具有從事科學(xué)研究的工作能力，受益匪淺，相信對(duì)以后的學(xué)習(xí)工作會(huì)有很大幫助。 本論文是在劉琨明老師及其院里老師的悉心幫助，指導(dǎo)下完成的， 在此表示真誠(chéng)的謝意！ 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 37 附件 1 外文資料翻譯 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 38 外文資料翻譯 1 高精度數(shù)控焊接變位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 石 圩 ，樊 丁 ，陳 劍 虹 摘 要 ： 研制弧焊機(jī)器人用數(shù)控焊接變位機(jī)對(duì)弧焊機(jī)器人柔性加工單元 ( WE MC)的設(shè)計(jì)具有重要的意義。作者以基于數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的研華多軸運(yùn)動(dòng)控制卡 P C L8 3 2卡為設(shè)計(jì)核心 ， 采用基于模糊規(guī)則的智能雙模協(xié)調(diào)控制器，即采用比例積分微分控制器 (PID)和模糊控制器的加權(quán)合成算法，控制過(guò)程 中模糊控制器和 PID控 制器同時(shí)輸出控制量，當(dāng)控制誤差較大時(shí)模糊控制器的輸出權(quán)重較大，而當(dāng)控制誤差較小時(shí) PID控制器的輸出權(quán)重較大，有效避免了變結(jié)構(gòu)控制器切換過(guò)程中的震蕩，實(shí)現(xiàn)了焊接變位機(jī)的高精度位置控制。作者對(duì)實(shí)時(shí)控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，提出了基于 DOS(Disk operation system)系統(tǒng)下的高精度數(shù)控焊接變位機(jī)多任務(wù)實(shí)時(shí)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。進(jìn)行了多種工件的焊接試驗(yàn)， 試驗(yàn)表明該控制系統(tǒng)工作可靠，效果良好。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)控焊接變位機(jī)；智能雙?？刂破鳎粚?shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng) ；弧焊機(jī) 器人 0 序言 近年來(lái)，為了適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求，生產(chǎn)商頻繁地更換產(chǎn)品的品種和批量，這就對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化程度和柔性化程度提出了很高要求?；『笝C(jī)器人柔性加工單元正是一種具有柔性化特點(diǎn)的高度自動(dòng)化焊接設(shè)備。它不僅能提高焊接生產(chǎn)率、產(chǎn)品的焊接質(zhì)量和可靠性、加工柔性和制造精度，而且還能改善工人的勞動(dòng)環(huán)境， 降低勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高經(jīng)濟(jì)效益。 目前，我國(guó)研制的焊接機(jī)器人尚未產(chǎn)業(yè)化，焊接柔性加工單元技術(shù)尚處于探索階段，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)、應(yīng)用主要靠全套引進(jìn)?；『笝C(jī)器人在國(guó)外已經(jīng)批量化，價(jià)格相對(duì)較低，而與機(jī)器人相配套的數(shù)控變 位系統(tǒng) 卻因加工對(duì)象而異，多屬單件生產(chǎn)，因此價(jià)格往往是機(jī)器人本身價(jià)格的 3～ 7倍。作者的研究目的是在進(jìn)口弧焊機(jī)器人的基礎(chǔ)上，再根據(jù)特定產(chǎn)品，自行研制焊接變位機(jī)等機(jī)器人 的外 圍設(shè) 備及控制系統(tǒng)，可以節(jié)約大量外匯，實(shí)現(xiàn)低成本焊接自動(dòng)化。高精度數(shù)控焊接變位機(jī)控制系統(tǒng)必須具有合理的體系結(jié)構(gòu)、較強(qiáng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力、良好的信息融合控制功能，以及開放的軟硬件接口。 1 系統(tǒng)的硬件組成 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 39 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，變位機(jī)載重 500kg，能在兩旋轉(zhuǎn)軸所確定的空間旋轉(zhuǎn)并可在任意位置定位，且要保持速度均勻，這就要求對(duì)電機(jī)實(shí)行速度和位 置控制。作者選用了交流伺服控制系統(tǒng)，并采用工業(yè)控制計(jì) 算機(jī)作為核心，應(yīng)用全閉環(huán)控制方案，保證在惡劣條件下系統(tǒng)的控制精度與工作可靠性。圖 1為控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。 2 控制結(jié)構(gòu)及算法 控制結(jié)構(gòu) 按伺服系統(tǒng) 的反饋控制方式來(lái)分，可分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制三種方式。由于全閉環(huán)結(jié)構(gòu)的位置檢測(cè)元件安裝于主軸上，理論上可以消除機(jī)械傳動(dòng)誤差如齒輪間隙等引起的控制誤 差，可以獲得很高的到位精度，因此數(shù)控焊接變位機(jī)控制系統(tǒng)采用全閉環(huán)控制方案。 智能雙模控制算法 在數(shù)控 焊接變位機(jī)的位置控制中 ,由于系統(tǒng)傳動(dòng)鏈中有的運(yùn)動(dòng)副如齒輪等存在間隙或失動(dòng)量 ,使得變位機(jī)的位移與指令之間出現(xiàn)非線性關(guān)系。同時(shí)當(dāng)變位機(jī)工作臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于工件及工作臺(tái)的重心高及偏心矩不斷變化，造成電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不斷改變，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 40 而且焊接工件的形狀及重量多變，使得變位機(jī)的控制存在嚴(yán)重的非線性 。再加上交流電機(jī)是一個(gè)高階次、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變的非線性控制對(duì)象，尤其是調(diào)速方式更增加了其動(dòng)態(tài)過(guò)程的復(fù)雜性。因此，被控的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有很復(fù)雜的多重非線性關(guān)系 ,難以建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。 傳統(tǒng)的比例積分微分控制器 (PID)智能化 程度不高，其參數(shù)整定后就不再改變，自適應(yīng)能力差，對(duì)于高度非線性、時(shí)變的系統(tǒng)不能滿足控制要求，但 PID控制器在小偏差范圍內(nèi)有較高的控制精度。模糊控制是一種模仿人類思維方式的智能控制算法，它不需要被控對(duì)象的精確模型，對(duì)非線性系統(tǒng)有很好的適應(yīng)能力，但是由于缺少積分環(huán)節(jié)， 穩(wěn)態(tài)靜差難以消除。結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)，作者采用了加權(quán)合成算法的智能雙模模糊 PID控制器。 控制過(guò)程中，采用 Fuzzy— PID型的變結(jié)構(gòu)控制，或者采用其它類型的多控制器變結(jié)構(gòu)控制時(shí)，對(duì)確定的系統(tǒng)，適當(dāng)選取切換點(diǎn)可以解決變結(jié)構(gòu)控制問(wèn)題，但切換 點(diǎn)的選取有時(shí)并不準(zhǔn)確，而且不同控制器之間的切換，容易導(dǎo)致控制量的突變。常規(guī)的變結(jié)構(gòu)控制是一個(gè)非 0即 1的精確選擇，但實(shí)際上，不同控制器在不同誤差域都是有 定效果的，差別僅在于控制性能的好壞而已，因此絕對(duì)地選擇控制器將會(huì)丟失有用的控制信息。針對(duì)上述缺點(diǎn)，采用基于模糊規(guī)則的多控制器協(xié)調(diào)控制，控制器結(jié)構(gòu)如圖 2所示。 把 PID控制器稱為 A，模糊控制器稱為 B，把誤差大小依次分成七個(gè)等級(jí) E={6，5,4,3,2,1,0}。采用如下控制規(guī)則，當(dāng)誤差很大時(shí)，完全由 B控制；當(dāng)誤差很小時(shí)，完全由 A控制；誤差較大時(shí) ， B控制作用強(qiáng)， A作用弱；誤差較小時(shí)， A控制作用強(qiáng)， B作用弱。把總的控制作用最后通過(guò)對(duì)兩個(gè)控制器的加權(quán)合成來(lái)得到。 用正態(tài)型模糊變量來(lái)描述模糊概念， 因純正態(tài)函數(shù)是凸型函數(shù)，不滿足單調(diào)遞升或單調(diào)遞減的需要，采取由正態(tài)函數(shù)變化而來(lái)的 S型函數(shù)。其表達(dá)式如下 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 41 將所確定的隸屬函數(shù)在誤差論域點(diǎn)離散化，取 =，則不同誤差域控制器的作用強(qiáng)度如表 1所示。 這樣，系統(tǒng)控制作用就由 PID控制器 UA (k)和模糊控制器 UB (k)共同決定。即 速度控制 在每一個(gè)控制循環(huán)中，電腦輸出脈沖給每一根軸，對(duì)于每一個(gè)脈沖輸出， 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 比伺服電動(dòng)機(jī)快一步，一個(gè)脈沖代表一個(gè)位置命令，脈沖頻率代表軸的移動(dòng)速度，脈沖數(shù)量代表位移量。在控制過(guò)程中，有兩個(gè)主要的影響位移速度的因素，第一個(gè)是控制循環(huán)的時(shí)間間隔，第二個(gè)是每一個(gè)控制循環(huán)中的脈沖數(shù)量。根據(jù)控制精度的要求，控制循環(huán)的時(shí)間間隔定為 5ms，所以，在系統(tǒng)中，影響位移速度的因素是在每一個(gè)控制循環(huán)中的脈沖數(shù)量，脈沖循環(huán)的周期是非常短的（毫秒級(jí)），甚至在每一個(gè)控制循環(huán)中，移動(dòng)速度隨偏 差不同，但是在顯微鏡中的執(zhí)行結(jié)果是平穩(wěn)的移動(dòng)速度。 3 控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)控變位機(jī)的軟件是在面向?qū)ο蟓h(huán)境中編程的，整個(gè)系統(tǒng)有初始化模塊，通信模塊，誤差處理模塊， I/O 控制模塊，顯示模塊，技術(shù)模塊，編輯和文本處理模塊，插補(bǔ)計(jì)算和伺服電動(dòng)機(jī)械控制模塊等等，這些不同的模塊有不同的任務(wù)，他們能劃分成兩類，實(shí)時(shí)任務(wù)模塊和非實(shí)時(shí)任務(wù)模塊，實(shí)時(shí)任務(wù)模塊根據(jù)重要程度被劃分成不同的優(yōu)先程度，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 42 圖 3 定義了模塊類型。 在傳統(tǒng)的單任務(wù)控制系統(tǒng)機(jī)制中，單循環(huán)是主要的結(jié)構(gòu)，所有的模塊整體運(yùn)作，但實(shí)際上每一個(gè)模塊有不同的執(zhí)行頻率，在 這樣的結(jié)構(gòu)中去滿足復(fù)雜的時(shí)間協(xié)調(diào)要求是非常困難的。 考慮到數(shù)控變位機(jī)的控制系統(tǒng)必須劃分成多個(gè)模塊，他可以定義為子任務(wù)，多任務(wù)機(jī)制應(yīng)該用來(lái)執(zhí)行這些任務(wù)，在多任務(wù)控制系統(tǒng)中，每一個(gè)模塊在執(zhí)行完成后反饋給系統(tǒng)安排，任務(wù)的執(zhí)行結(jié)果是可變的，他可以在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)的改變，每一個(gè)子任務(wù)的優(yōu)先權(quán)決定他的執(zhí)行頻率，有高優(yōu)先權(quán)的的任務(wù)有高的執(zhí)行頻率，每一個(gè)任務(wù)在他各自的時(shí)間中運(yùn)行，控制系統(tǒng)中復(fù)雜的實(shí)時(shí)要求應(yīng)該通過(guò)設(shè)定合理的時(shí)間和每一個(gè)任務(wù)的優(yōu)先權(quán)實(shí)現(xiàn)。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 雙?？刂破鞣抡婵刂平Y(jié)果 為了檢驗(yàn)雙?？?制器的控制效 ,對(duì)其進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，作為對(duì)照，把經(jīng)典 PID 控制、模糊控制和雙模協(xié)調(diào)控制都集中在一起，便于比較 .圖 4 是系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的仿真結(jié)果。 從圖 4 中可以看出， P I D 控制有幾次超調(diào)，隨著輸入頻率的增大，超調(diào)量也增大，且過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致指令在稍有變化后，響應(yīng)不能及時(shí)跟蹤指令的變化，控制精度低。模糊控制響應(yīng)快，但穩(wěn)態(tài)精度低。只有雙模協(xié)調(diào)控制既超調(diào)很小，又達(dá)到很高的穩(wěn)態(tài)精度，控制效果好。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 43 從計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)論來(lái)看，文中提出的方法能有效地協(xié)調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài) 特性 之間的矛盾，滿足了系統(tǒng)對(duì) 位置控制的要求。 位置控制的試驗(yàn)結(jié)果 圖 5為位置誤差測(cè)試曲線。誤差通過(guò)檢測(cè)光電編碼器位置反饋與給定量的差值得到。光電編碼器選用 2500 個(gè)脈沖／轉(zhuǎn)，經(jīng) 4 倍頻后達(dá) 100 000 個(gè)脈沖／ 轉(zhuǎn)。從三條誤差曲線可看出，其共同趨勢(shì)是，在指令突變時(shí)， 誤差曲線也變化劇烈， 容易產(chǎn)生振蕩。不同的是，模糊控制誤差曲線突變大，但能很快進(jìn)入穩(wěn)定； P I D 控制突變不如模糊控制明顯，但需要多次反復(fù)才可穩(wěn)定下來(lái)； 而雙模協(xié)調(diào)控制誤差曲線則規(guī)則得多，突變不明顯，最后實(shí)際靜差在 4 5 個(gè)脈沖范圍內(nèi)變化。由此可知其 理論位置控制。 相對(duì)誤差為 5／ 100000= 0 5％ (變位機(jī)運(yùn)行在 360? 以內(nèi) )。 絕對(duì)誤差為 5 4 1000／ 100000= turn （工作臺(tái)邊緣，工作臺(tái)直徑為 1000 mm）。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 44 同時(shí)為了驗(yàn)證整個(gè)控制系統(tǒng)的控制精度和可靠性，對(duì)典型焊件進(jìn)行了多次焊接試驗(yàn)，結(jié)果證明該系統(tǒng)滿足與機(jī)器人配合工作的位置控制和速度控制精度要求。 5 結(jié)論 (1)作者所設(shè)計(jì)的雙模智能控制器，既利用了模糊控制在誤差較 大時(shí)調(diào)節(jié)快 的優(yōu)點(diǎn)，又利用了傳統(tǒng) PID 控制在誤差小時(shí)的調(diào)節(jié)精度高的優(yōu)勢(shì)，提高了高精度數(shù)控焊接變位機(jī)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和定位精度。 (2)控制系統(tǒng)引入多任務(wù)機(jī)制，可以有效地改善程序結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，滿足復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 45 (3)所設(shè)計(jì)的高精度數(shù)控焊接變位機(jī)控制系統(tǒng)，軟硬件結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行可靠，精度高，在應(yīng)用中獲得了良好的效果。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書 46 外文資料翻譯 2 第 28 卷 第 7 期 焊 接 學(xué) 報(bào) N 鎳基高溫合金小 截面方管焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬 王俊恒，張廣軍，高洪明，吳 林 摘 要 ： 利用無(wú)接觸簡(jiǎn)化模型進(jìn)行小截面方管并行排列焊溫度場(chǎng)的計(jì)算，結(jié)果與 測(cè)量結(jié)果的對(duì)比表明，此模型應(yīng)用到小截面方管溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬中存在很大誤差。 從熱和力的角度對(duì)小截面方管與胎具問(wèn)的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，解釋了誤差產(chǎn)生的原因。并以此為基礎(chǔ)，建立了小截面方管并行排列焊的接觸模型，采用直接約束法處理焊接過(guò)程中小截面方管與胎具的接觸傳熱與受力問(wèn)題，得到了焊接溫度場(chǎng)的變化規(guī)律和分布情