焊接自動化課程設(shè)計--船體厚板高效氣電立焊

1、<p><b>　　焊接自動化說明書</b></p><p>　　《船體厚板高效氣電立焊》</p><p>　　學(xué) 院 材料科學(xué)與工程</p><p>　　專 業(yè) 材料成型及控制工程</p><p>　　年 級 2010</p><p>　　2013 年6 月28

2、 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一．設(shè)計背景………………………………………………………………………3</p><p>　　二．自動化系統(tǒng)綜述……………………………………………………………..3</p><p>　　三．研究思路及分工…………………………………………………………..3-

3、4</p><p>　　四．機械設(shè)計和圖形繪制…………………………………………………….4-5</p><p>　　五．電機選擇及參數(shù)設(shè)定…………………………………………………….6-7</p><p>　　六．傳感器選擇與應(yīng)用……………………………………………………….8-10</p><p>　　七．PLC程序控制……………………………

4、…………………………………………………….10-14</p><p>　　八．焊接工藝，參數(shù)…………………………………………………………………………………….15-19</p><p>　　九．焊機選擇………………………………………………………………………………………………..19-20</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………

5、……….20</p><p><b>　　設(shè)計背景</b></p><p>　　隨著我國船舶制造領(lǐng)域步伐的加快，大型分段焊接合攏工程也隨之增加，厚板垂直焊縫采用EGW（氣電焊）技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工焊接，在質(zhì)量提高的同時，生產(chǎn)效率提高了十幾倍 。在一般條件下，氣電立焊單面焊厚度一般在25mm 以下，帶擺動時可焊接到 35mm左右，厚板立縫一次成形是焊接技術(shù)的難題。雙面焊可

6、焊接厚板55mm 以下，但是焊接效率降低。針對NV D36型50mm以上船板焊接的自動化，我們小組設(shè)計了高效氣電立焊設(shè)備，采用CO2氣保護藥芯焊絲電弧焊，，以實現(xiàn)NV D36級 50mm厚板立縫的多層多道焊接成形技術(shù)，并提出了相關(guān)厚板的焊接工藝試驗參數(shù)。</p><p><b>　　自動化系統(tǒng)綜述</b></p><p><b>　　研究思路及分工<

7、/b></p><p>　　根據(jù)我們的立題和實際情況，我們把具體工作分為一下幾方面展開：</p><p>　　1.設(shè)備整體構(gòu)造分析，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計:比如，自由度，關(guān)節(jié)數(shù)，各部位之間的協(xié)調(diào)，可行性穩(wěn)定性。繪制三維圖。（鄔棟權(quán)）</p><p>　　2.電機選擇及參數(shù)設(shè)定。（龐杰）</p><p>　　3.傳感器選擇與應(yīng)用。（滕金虎）<

8、/p><p>　　4. PLC程序控制流程圖設(shè)計，梯形圖（尹金鴿）</p><p>　　5.焊接工藝，參數(shù)（要有分析和具體參數(shù)）：焊接方法，過渡形式，坡口選擇，焊接電源，電流電壓，送絲速度，送氣流量，焊絲選擇，焊接速度。（王飛翔）</p><p>　　6.焊機選擇（張中奇）</p><p>　　四．機械設(shè)計和圖形繪制</p><

9、;p>　　實現(xiàn)立焊需要考慮的機構(gòu)一般有機架式和攀升小車式，在常見的小車式基礎(chǔ)上我又對其做了改進。主要是將焊槍操縱臂改為了更為方便的工業(yè)機械臂。</p><p>　　焊接機械臂由大臂，連接件，套筒，小臂，焊槍組成。包含4個關(guān)節(jié)，4個自由度。實現(xiàn)焊槍位置的方便調(diào)節(jié)。而且機械臂本身的剛度和承載能力足以支撐起焊槍的運動、焊接過程的進行。而且可以更方便調(diào)節(jié)焊接姿勢和焊接位置。尺寸大小見立體圖。</p>

10、<p>　　焊接機臂豎直方向運動通過鏈接機械臂的車體的運動實現(xiàn)。車體與導(dǎo)軌之間通過齒輪齒條嚙合運動。然后靠傳感器的定位完成焊接過程。軌道長2m，對于超高的焊件，可以焊完一道焊接，再將焊機整體通過磁鐵吸附到焊件上繼續(xù)焊接。</p><p>　　五．電機選擇及參數(shù)設(shè)定</p><p>　　在電機驅(qū)動方面，機器人手臂的功能和應(yīng)用決定了其驅(qū)動電路要求體積小、重量輕、控制功能復(fù)雜、精度高、

11、工作可靠耐用。關(guān)節(jié)電機通常采用中小功率的電動機，如直流電動機、無刷直流電動機、步進電動機等。</p><p>　　我們設(shè)計的焊接小車的手臂有四個關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)（即各軸）的運動，最終都?xì)w結(jié)為相應(yīng)各軸的驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)動，每個關(guān)節(jié)需要一個電動機。</p><p>　　根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及實際應(yīng)用實例，在此選擇Maxon公司的EC-MAX系列大功率直流無刷電動機作為關(guān)節(jié)驅(qū)動，并配有光電編碼器。</p

12、><p>　　maxon無刷電機型號EC-max30 40Wat/272768參數(shù)：</p><p>　　額定電壓 24V 空載轉(zhuǎn)速 9270rpm 空載電流 112mA </p><p>　　額定轉(zhuǎn)速 7210rpm 額定轉(zhuǎn)矩34.3mNm 額定電流 1.5A</p><p><b>　　焊機

13、中的送絲電機</b></p><p>　　15KG送絲機-ARR24</p><p><b>　　產(chǎn)品說明：</b></p><p>　　送絲電動機調(diào)速系統(tǒng)：</p><p>　　小車由控制電路發(fā)出信號控制直流伺服電機，直流伺服電機調(diào)速方便，反應(yīng)速度快。可實現(xiàn)無級變速，能保證小車精確位置移動。</p&g

14、t;<p>　　事實上，我們選用了林肯二氧化碳焊機POWERPLUS 650HD 而送絲電動機和驅(qū)動小車上下移動的直流伺服電機都已配套。 </p><p>　　六．傳感器選擇與應(yīng)用</p><p>　　船體厚板立焊傳感器的使用:</p><p>　　1、增量編碼器的使用 </p><p>　　2、紅外光電開關(guān)傳感器的使用 <

15、;/p><p>　　3、電弧接近傳感器的使用 </p><p><b>　　增量編碼器 </b></p><p>　　為實現(xiàn)焊接小車的速度控制以及焊接小車的自動停止， </p><p>　　采用增量編碼器進行控制。 </p><p>　　選用增量編碼器型號：上海齊屹機電設(shè)備有限公司1024PPR 小型

16、增量編碼器 ROTARY ENCODER</p><p>　　基本尺寸： 25/28/30mm外徑。采用連軸器與齒輪軸 </p><p>　　相連，與齒輪軸一起轉(zhuǎn)動。 </p><p>　　該系列編碼器每轉(zhuǎn)動一周將輸出1024個脈沖。 </p><p><b>　　2）自動停止控制 </b></p><

17、;p>　　焊接速度：v=0.4m/min,齒輪半徑r=5cm</p><p>　　由公式v=2nπr可得電機帶動的齒輪轉(zhuǎn)速1.27r/min</p><p>　　若焊接長度為4米，則多層焊時每道焊接的時間為10min,齒輪一共轉(zhuǎn)了12.7r,故編碼器共輸出脈沖19.1x1024=13004.8=13005個 ，當(dāng)電路計數(shù)到13005時，輸出停止信號，單道焊接工作完成。</p&g

18、t;<p>　　紅外光電開關(guān)傳感器 </p><p>　　另外，為了控制焊機的停止，我們準(zhǔn)備了第二套方案，就是利用紅外光電開關(guān)傳感器進行控制。當(dāng)焊槍運動到指定結(jié)束位置時，對射式光電開關(guān)將接收不到光信號，發(fā)出焊接結(jié)束信號。 </p><p>　　型號:RAD20CM</p><p>　　類型:對射式光電開關(guān) NPN常開</p><p&

19、gt;<b>　　DC  ：5V</b></p><p>　　體積：20*10*8MM</p><p>　　檢測距離：0-20CM</p><p><b>　　信號輸出：高低電平</b></p><p><b>　　電弧傳感器 </b></p><

20、p>　　為了控制焊接時的弧長，實現(xiàn)均勻的滴狀熔滴過渡，故使用電弧接近傳感器。 </p><p>　　另外，考慮到立焊時弧長的控制與平焊時有很大不同，很難使用間接式電弧傳感器如電磁感應(yīng)式傳感器、電渦流式傳感器、視覺跟蹤傳感器、激光雙向跟蹤傳感器等進行電弧長度的控制，故主要考慮用直接式電弧傳感器進行弧長控制，即利用電弧自身電參數(shù)的變化找出焊縫自動跟蹤信號。 </p><p>　　為此我們

21、選用電弧接近傳感器 ，當(dāng)弧長發(fā)生變化時，電弧傳感器將輸出電壓信號，控制焊槍運動使弧長恢復(fù)。 </p><p>　　型號：奧托尼克斯耐電弧接近傳感器（DC2線） PRAT18-5DO</p><p>　　電壓波動保護功能，電源逆連接保護功能(DC) 過電流保護功能 壽命長，可靠性高 有紅燈，可辨別動作是否發(fā)生 經(jīng)濟性，容易操作 用途廣泛，可代替 Micro 開關(guān)，Limit 開關(guān)

22、 在電源電壓直流10～30V 交流90～250V的范圍內(nèi)，可以直 接驅(qū)動200mA以下的負(fù)荷</p><p>　　另外考慮到弧長變化時除了電弧電壓發(fā)生變化，焊接電流也將隨之變化，故我們也設(shè)想通過檢測焊接電流的變化來反映弧長的變化，進而調(diào)節(jié)焊槍使弧長恢復(fù)。檢測電流使用分流器。 </p><p>　　七．PLC程序控制</p><p>　　PLC選型：FX

23、on—24M型 </p><p>　　船體立焊自動焊PLC系統(tǒng)梯形圖</p><p><b>　　I/O安排一覽表</b></p><p>　　自動控制過程：按動啟動按鈕，X0接通，驅(qū)動Y0使焊槍轉(zhuǎn)到預(yù)先設(shè)置的位置（或者用三個按鈕調(diào)節(jié)上下、左右、前后的焊槍位置，再按下啟動按鈕），通過T0延時3秒，驅(qū)動Y1和Y2接通弧焊電源和焊接指示燈，送氣、送

24、死、引弧等過程開始，延時5秒后T1常開觸點閉合，接通Y3驅(qū)動焊接小車開始行走，焊接過程開始進行，當(dāng)小車行走到行程位置，傳感器傳輸信號，X1閉合，繼電器M1接通，M1常閉觸點斷開，弧焊電源停止工作，電流衰減，T2延時2秒后，斷開常閉觸點使焊接小車停止行走，電弧熄滅；T3開始計時，延時5秒后，焊槍調(diào)整到初始位置，焊接結(jié)束。T4計時是為下一段焊接搭接軌道做時間準(zhǔn)備以保證焊接過程的自動連續(xù)進行。</p><p>　　船體

25、立焊自動控制流程圖</p><p><b>　　八．焊接工藝，參數(shù)</b></p><p><b>　　備注：</b></p><p>　　參考挪威船級社船板規(guī)范：</p><p>　?。?）NV D36高強度船用船板的合金元素含量（%）為：</p><p>　?。?）焊前預(yù)

26、熱溫度計算：</p><p>　　選?。喝鄯蠼饘俚暮瑲淞繛?-1.5cm3/100g，得到：</p><p>　　根據(jù)施工經(jīng)驗，中厚板（≥40mm）的預(yù)熱溫度一般設(shè)定為100-150℃。</p><p>　?。?）焊后后熱溫度計算：</p><p>　　=0.18 +0.2033×1.6 +0.0473×0.20 +0.1

27、228×0.08 +0.0292×0.40 +0.0359×0.35</p><p>　　-0.0792×0.50 -1.595×0.035 +1.692×0.035 +0.844×0.02=0.529964</p><p>　　2.根據(jù)AWS A5.20《碳鋼藥芯焊絲》標(biāo)準(zhǔn)，選用E71T-1型號焊絲。</p&g

28、t;<p>　　7— 強度極限497MPa 1— 全位置 1— 使用性能和操作性能</p><p>　　選用焊絲牌號為TWE-711</p><p>　　選用CO2氣體保護，經(jīng)濟性較好。</p><p>　　TWE-711注意事項：（廠家規(guī)定）</p><p>　?。?）以直流反接（DC+）焊接</p>&

29、lt;p>　?。?）采用CO2為保護氣體純度須在99.98%以上，流量為20～25 L/min。</p><p>　　（3）多道焊接時，須保持150℃以下層間溫度。</p><p>　　參數(shù)參考焊接手冊第一卷焊接方法及設(shè)備（中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編）：</p><p>　?。?）焊接電流：160～240 A </p&

30、gt;<p>　?。?）電弧電壓：22～30 V</p><p><b>　?。?）坡口尺寸</b></p><p><b>　　多層焊計算：</b></p><p>　　（1）由于熔敷率需要做實驗測量，下面用估計值計算：TWE-711 87%</p><p>　　（2）焊接電流

31、I =190A</p><p>　　電弧電壓 U=28V</p><p>　　焊接速速 v =0.67cm/s =40cm/min</p><p><b>　　線能量 </b></p><p><b>　　（3）坡口截面積 </b></p><p>　　送絲速度 u=6

32、m/min =0.1m/s =100mm/s</p><p><b>　　每秒熔敷金屬體積 </b></p><p><b>　　層數(shù) </b></p><p><b>　　九．焊機選擇</b></p><p><b>　　林肯二氧化碳焊機</b><

33、/p><p>　　主要特點: 焊接靈活性——POWERPLUS 650HD可用于較厚的碳鋼、不銹鋼和鋁的焊接，尤其是重載應(yīng)用。 具有碳弧氣刨功能。 全程范圍輸出——可對輸出進行平穩(wěn)精確的調(diào)節(jié)設(shè)置，確保形成理想的焊縫。 MAXTRAC送絲機即使在苛刻環(huán)境下應(yīng)用，也能產(chǎn)生極其可靠的送絲性。 輸出控制——當(dāng)設(shè)置在“本地(Local)”時，在電源處控制電壓輸出；當(dāng)設(shè)置在“遠(yuǎn)程(

34、Remote)”時，在送絲機處控制電壓輸出。 數(shù)字電壓表及電流表——易于精確讀數(shù)。出現(xiàn)故障時數(shù)顯表可顯示故障代碼，便于故障排除。 密封的PC板——在惡劣的環(huán)境中，確保PC板具有較長的使用壽命。 IP23防護等級——高防護等級確保POWERPLUS 650HD在惡劣、苛刻的環(huán)境條件中有較高的可靠性。 “節(jié)能”和“F.A.N.”模式——打開該功能后，使輸入能耗降到最低，減少工作噪音和灰塵的吸入。 

35、;高質(zhì)量的兩次浸漆變壓器——在惡劣焊接環(huán)境中保證較長的使用壽命。 可連續(xù)調(diào)節(jié)的收弧控制——在任何焊接條件下收弧均能獲得高質(zhì)量的焊縫。 2步/4步扳機觸發(fā)模式——帶給操作工便捷的焊接控制，使焊接操作更簡單出色。 重量尺寸 凈重：2</p><p>　　賓采爾MB501焊槍</p><p>　　Technical data (EN 50 078

36、):</p><p>　　Rating: 550A CO2</p><p>　　500A Mixed Gases M 21(DIN EN 439)</p><p>　　100% Duty Cycle</p><p>　　Wire sizes: 1.0-1.6（2.4）</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&l

37、t;/b></p><p>　　[1] 許小平. 船舶氣電立焊工藝與參數(shù)控制[J]. 電焊機, 2010, 40(1):83-85. </p><p>　　[2] 趙勇 胡繩蓀. 高效立焊技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展[N]. 焊接技術(shù)　, 1998年10月(5). </p><p>　　[3] 李景波. 船體厚板高效氣電立焊焊接 技術(shù)的研究[J]. 電焊機,