防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計【2013年最新整理畢業(yè)論文】

重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 目 錄 摘 要 I Abstract II 1.緒 論 1 1.1 國內外焊接滾輪架發(fā)展現狀 1 1.2 課題的研究內容及意義 3 2.防竄焊接滾輪架系統(tǒng)的結構設計及工作原理 3 2.1 系統(tǒng)的結構設計 3 2.2 系統(tǒng)的工作原理 4 3.筒體軸向竄動的理論分析 5 3.1 焊接過程中 常 出現的一些問題 5 3.2 軸向竄動的主要原因 6 3,3 滾輪架簡體軸向竄動機理 6 3.4 焊件不發(fā)生軸向竄動的充分條件 8 4.筒體軸向竄動的檢測、調節(jié)及執(zhí)行機構設計 8 4.1 軸向竄動檢測 8 4.2 調節(jié)方式的選擇 9 4.3 調節(jié)執(zhí)行機構的調節(jié)原理 10 4.4 升降裝置的選型 10 5.系統(tǒng)控制部分 14 5.1 系統(tǒng)硬件部分設計 14 5.1.1 PLC 控制器 14 5.1.2 步進電機的計算與選型 18 5.1.3 步進電機驅動器的選用 23 5.1.4 聯(lián)軸器的選擇 24 5.1.5 位移傳感器選型 24 5.1.6 限位開關選型 25 5.1.7 控制面板的設計 25 5.2 系統(tǒng)軟件部分設計 25 5.2.1 防竄控制模式 選擇 26 5.2.2 主程序控制圖 27 5.2.3 梯形圖 程序 27 6.總 結 29 參考文獻 30 文獻綜述 31 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 I 摘 要 焊接滾輪架 是 在焊接生產中與焊接工序相配一種輔助裝置。 在大厚壁、大型化、高容量、耐磨蝕的鍋爐、石油、化工壓力容器的焊接過程中，由于筒體的幾何形狀的不規(guī)則（偏離理想回轉體）和焊接滾輪架的制造安裝誤差等原因，筒體在滾輪架上轉動時，會不可避免的發(fā)生軸向竄動，從而影響環(huán)縫的焊接質量。本課題從理論上深入分析了筒體在焊接過程中產生軸向竄動的主要原因，分析了筒體軸向位移的調節(jié)機理， 同時提出了采用螺旋升降裝置和步進電機傳動，用 PLC控制器以脈沖控制的方式使 步進電機精準的控制升降臺的上升和下降的位移。 此防竄焊接控制系統(tǒng)有效地解決了窄間隙埋弧焊、內壁堆焊的問題，智能化控制焊接過程中出現的軸向竄動，此設計實現了精密化、大型化、數字化、智能化等優(yōu)點。不僅提高了生產效率而且確保批量生產過程中焊接質量的穩(wěn)定性，節(jié)省因竄動進行人工調節(jié)的時間，減少勞動力，提高焊接的精度和質量，降低成本。 關鍵詞 :竄動理論分析 竄動檢測 調節(jié)執(zhí)行機構 硬件部分設計 軟件部分設計 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 II Abstract Welding roller bed is in the welding production and welding process to match an auxiliary device The Welding and Production in the big Thick-Cliff、 The Large-Scale、High-Content、 Endure-Ablation of the pressure vessel of the Boiler 、 Oil、chemical,because of reason of the abnormity of geometry-form of the cylinder (departure ideal gyration object)and the error of the manufacture-installation ,the cylinder wheel on the roller bed,inevitably it will occur axial drifting,so that affect the welding quality. This topic of cylinder were analyzed theoretically in the welding process to produce axial channeling move, the main reason of the regulation mechanism of cylinder axial displacement are analyzed, at the same time puts forward adopting spiral lifting gear and step motor driving, PLC controller to control by means of pulse to make precise stepper motor control displacement of the rise and fall of the lifting platform. The anti channeling welding control system can effectively solve the narrow gap submerged arc welding, the welding problem, intelligent control in the welding process of the axial channeling move, this design implements the motors, large-scale, digital and intelligent advantages. Not only improves the production efficiency and ensure the stability of welding quality in mass production process, save for channeling manually adjust time, reduce the labor force, improve the accuracy of welding and quality, reduce costs. Key words: Dynamic analysis The axial dynamic detection Adjust the actuator The hardware part of the design Software part design 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 1 1 緒 論 1.1 國內外焊接滾輪架發(fā)展現狀 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 2 近年來，隨著我國改革開放進程的深化，隨著中外合作合作生產和引進技術生產的機械產品日益增多，促進了我國焊接結構用量的迅速增加。尤其是為滿足我國石油、化工、交通、能源等工業(yè)的迅猛發(fā)展，大厚壁、大型化、高容量、耐磨蝕、耐動載的鍋爐、石油、化工壓力容器的用量更是日益增加 ，其接頭的焊接質量要求也越來越高，并且在實際生產中要求有較高的生產效率。 防竄 焊接 滾輪架 就是 在 上述 焊接生產中與焊接工序相配合，有利于實現焊接生產機械化，自動化，有利于提高裝配焊接質量，促使焊接生產 效率提高的一種輔助裝置和設備。焊接滾輪架是借助主動滾輪與焊件之間的摩接力帶動焊 件 旋轉的變位機械 。 在筒形工件內外環(huán)縫的焊接中，組合式焊接滾輪架 逐漸 取代長軸式、固定式等焊接滾輪架，獲得了廣泛的應用，但如何合理的控制其焊接時的軸向竄動及主動輪的轉速仍值得分析。組臺式焊接滾輪架主要由主動輪座、從動輪座、支架三部分組 成。支架相當于機座，輪座坐在其上對工件起支承作用，其中主動輪座還起驅動作用。這三部分自成獨立單元，人們可利用其數量的協(xié)調變化組合成能驅動各種長度、各種直徑、不同重量筒形工件的焊接滾輪架。但是，作為標準組臺，是由兩個支架和四個輪座組成的，其中至少有一個輪座是主動輪座。 我國在 1990 年頒布的焊接滾輪架的行業(yè)標準（ ZBJ/T33003-1990）中規(guī)定：主動滾輪的圓周速度應在 6 60m/h 范圍內無級可調，速度波動量按不同的焊接重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 3 工藝要求，要低于 5 10 ，滾輪轉速應穩(wěn)定、均勻，不允許有爬行現象。按 GB150 規(guī) 定制造的筒體類工件在防軸向竄動滾輪架上進行焊接時，在整個焊接過程中允許工件的軸向竄動量為 3mm 。國外于 20 世紀 80年代中期推出的防止焊件軸向竄動焊接滾輪架，能將焊件的竄動量控制在 2mm 以內。我國近年來也有個別工廠生產過防竄動滾輪架，但在實用性和可靠性方面，與國外產品相比還存在著差距。 國外在 80 年代初期研制開發(fā)了一種防止工件軸向竄動的焊接滾輪架。如瑞典伊薩（ ESAB）、意大利安莎多（ ANSALDO）和英國（ BODE）公司等都推出了這種產品。國外所研制的防軸向竄動焊接滾輪架與國內常規(guī)的焊接滾輪架相比，增加了 一套高可靠度的軸向位移自動調節(jié)系統(tǒng)。在焊接過程中能同步調節(jié)筒體的姿態(tài)，使焊接過程可靠實施，大大提高了生產效率，同時可得到高質量的焊接接頭。相比國外，我國防軸竄焊接滾輪架的研制還處于初始階段，據調查，至今國內尚無正式廠家能夠制造抽比較成熟的產品，生產中主要是依靠引進國外的設備，如蘭州石油化工機械廠、哈爾濱鍋爐廠、齊齊哈爾第一重型機械廠等，都是從國外引進的防軸向竄動的焊接滾輪架。這樣，一方面要花費大量的外匯，另一方面也遠遠不能滿足國內日益增長的焊接生產需要。 1.2 課題的研究內容及意義 本課題主要研究的 內容是： 深入分析出現竄動的原因 以及竄動機理 ； 設計防竄滾輪架控制系統(tǒng)（包括控制部分軟硬件、梯形圖、電氣原理）； 焊接滾輪架的軸向竄動問題一直是各大企業(yè)及各使用者所關心的重要問題 ，本課題能從理論上有效的解決焊接滾輪架在焊接過程中出現軸向竄動的問題，提高焊縫的精度和質量；同時也提高我自己在這方面的知識。 2 防竄焊接滾輪架系統(tǒng)的結構設計及工作原理 2.1 系統(tǒng)的結構設計 防竄滾輪架系統(tǒng)主要由驅動滾輪架，從動滾輪架，調節(jié)裝置，電氣控制系統(tǒng)，PLC，步進電機等組成。主動滾輪架的滾輪旋轉采用交流變頻電機 驅動、變頻調速，具有調速范圍寬，轉動平滑性好等特點；從動滾輪架裝置是由底座、滾輪、重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 4 滾輪座、防竄滾輪裝置等組成，其底座固定；防竄滾輪裝置由從動滾輪裝置和升降機構組成，升降機構包括蝸輪絲桿升降機構、升降限位開關等。采用步進電機驅動升降機的升降，根據位移傳感器檢測到的工件軸向竄動信號，自動糾正工件的軸向竄動。主要用于管道、容器、鍋爐、油罐等重型圓筒形工件的裝配與焊接。若對從動滾輪的高度做適當的調整后還可進行錐體、分段不等徑回轉體的裝配與焊接。 2.2 系統(tǒng)的工作原理 本設計防竄焊接滾輪架為四輪組合的可自 動調心型，驅動輪采用交流電機驅動，利用變頻器改變電動機的電壓、頻率來調整電機轉速使?jié)L輪線速度在6-60m/h之間可無級調速，以滿足不同焊件的工藝要求。系統(tǒng)運行后，先手動方式調整從動輪的高度，使工件的軸線與滾輪盡量在同一水平面上并平行，以節(jié)省自動調整時間。然后啟動驅動輪，進入自動調整狀態(tài)。電氣控制系統(tǒng)是由 PLC作為控制器，如圖 1所示，由位移傳感器檢測，通過 PLC讀取位移傳感器的輸出信號，檢測出工件的軸向竄動方向，竄動速度和竄動量的大小，為了始終保持工件達到最小平衡竄動量， PLC控制箱內的控制器經過計算、歷史 比較、邏輯判斷， D/A轉換把結果輸出給步進電機驅動器，步進電機驅動器驅動步進電機轉動，步進電機帶動蝸桿蝸輪絲杠旋轉，從而使調節(jié)裝置升、降以克服工件軸向竄動力，并使工件向相反的方向竄動，最終達到工件的動態(tài)平衡。絲杠的兩端加上限位開關，來限制升降裝置的最大升降高度，其允許的最大范圍由設計而定。位移傳感器裝在伸縮桿上，伸縮桿另一頭由裝在從動輪上的螺釘槽上螺釘的松緊控制。筒體左右兩端分別裝有位移傳感器和左右微動式限位開關，其安裝方法相同。左右微動式限位開關是為了防止筒體突然竄動量很大而導致無法焊接的問題。 控制系統(tǒng)電氣原理圖 1 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 5 3 筒體軸向竄動的理論分析 3.1 焊接過程中 常 出現的一些問題 (1)當筒體的形狀是規(guī)則的圓柱體，但滾輪架的主動輪和從動輪的安裝不在同一水平線上時，滾輪對簡體也會產生軸向外力的作用使筒體出現向安裝的滾輪較低的方向竄動。如圖 3.1所示。故其產生的軸向外力可以是簡體重力 G的軸向分量 )2/cos(/ fGF 式中： 為支承角， f 為摩擦系數。 (2)當簡體的形狀是規(guī)則的圓柱體，但滾輪架的 2個主動輪和從動輪的軸線在水平面內不平行 (呈喇叭形狀 )， 2個滾輪也會對簡體產生軸向外力使筒體出現軸向竄動。故由圖 3.2分析得水平向右的軸向力 cos1FF (3)當簡體的形狀是規(guī)則的圓柱體， 3個滾輪的安裝都在同一水平面上，而另外的一個滾輪卻不在同一平面內，滾輪架運 行時，滾輪對簡體產生軸向外力 使筒體出現軸向竄動。故由圖 3.3分析得水平向左的軸向力 cos1FF 圖 3.1 圖 3.2 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 6 圖 3.3 3.2 軸向竄動的主要原因 綜上所述， 影響焊件做軸向竄動的主要原因是滾輪各軸線與焊件軸線的平行度。焊接滾輪架的制造安裝誤差已有行業(yè)標準規(guī)定，誤差的具體內容有滾輪的跨距、支承距、對角線長度、 高度和偏角等允差，最終表現為螺旋角，因此筒體的軸向運動往往是不可避免的。由于制造、安裝等原因，滾輪和工件之間存在的螺旋角是工件產生軸向運動的內在因素。 因此，在制造和使用焊接滾輪架時，首先要盡量做到：主、從滾輪架都位于同一中心線上。各滾輪的軸線都在一個水平面內且相互平行。滾輪間距相等。 3,3 滾輪架簡體軸向竄動機理 滾輪架至少有四個滾輪支承一個筒體從理論上講，四個滾輪與筒體的接觸線都應在同一平面且為平行線但實際情況是，由于制造和安裝精度等原因，四個滾輪的高度不可能完全相等，筒體一端兩滾輪的距離與筒 體另 一 端兩滾輪間的距離 也不可能完 全 相等，每個滾輪的軸線不可能都與筒體的中心線平行， 以 上任何一個因素都會使某一滾輪的軸線與筒體的中心線不平行而成為異面直線當它們接觸時，只能是點接觸如圖 3.4所示 ： 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 7 滾輪與工件的幾何關系圖 3.4 設接觸點為 o ，過 o 點作簡體的切平面，交線 n則為簡體的母線，直線 m為滾輪 上過 o 點的母線， m， n夾角為 ， m在切平面上投影為 m ， m 與 n的夾角為 ，該角定義為螺旋角， m 與 m的夾角為 y，稱為軸偏角，這樣滾輪和簡體的相對關系可由 ， 來描述如果 角不為零，滾輪和簡體的接觸點一定在滾輪的端面 上 由于滾輪約束在滾輪座上， 只 有圍繞軸線旋轉 。 如果簡體和滾輪接觸點處產生純滾動，那么接觸點 o 處簡體和滾輪的線速度 v 應該相等，其方向為滾輪過切點的切線方向，該切線在簡體的切平面內，由于簡體沒有約束，簡體的運動速度 v 可分解為旋轉速度 rv 和軸向速度av，由于 mv ， m 是 m 在切平面內的投影，根據幾何三垂線定理知 mv ，又因 nvr ， 所以 v 與 rv 的夾角為 。 設所討論的為第 j個滾輪，則有jrja tgvv (1) 可見螺旋角 是簡體軸向竄動的內在因素很顯然 四個滾輪與簡體的關系不一定完全一致 。 設四個滾輪與簡體的螺旋角分別為4321 , ， 則簡體相對于四個滾輪的軸向速度分別為4321 , tgvtgvtgvtgv rrrr ， 但是由于簡體可 看作 是剛體，其相對四個滾輪的軸向速度應相等對于某一個滾輪，它的 tgvr 和簡體的軸 向 速度不相同，則滾輪和簡體之間一定會產生軸向摩擦力分量如果摩擦力大于最大摩擦力則產生相對滑動，如果小于最 大 摩擦力，則通過彈性滑動使兩者的運動加以協(xié)調 。 彈性滑動的原因是由于物體在受力時要產生局部形變 型 假設簡體與滾輪的中心線相互平行，不存在 螺旋角，若簡體受到軸向力 aF ，則簡體產生的軸向彈性滑動為 NfFvE / ，其中 E為彈性滑動率， N為壓力 ， f為摩擦系數， v 為簡體的旋轉速度簡體和滾輪之間的協(xié)調關系為 )4,3,2,1( jfN FvEtgvv jra （ 2） 簡體的軸向速度恒定時，四個滾輪對簡體的軸向力代數和應等于 零， 由于式 (2)重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 8 中 NfvE , 對四個滾輪皆相同，所以有 )4,3,2,1(041 jNf FvEj （ 3） 將式 (2)代入式 (3)得簡體的軸向速度； )4,3,2,1(41 41 jtgvvj jra （ 4） 式 (4)中 4141j jtg 是滾輪架的固有特性，稱簡體螺旋運動的螺旋率 ，由式 (4)得 4141j jtg )4,3,2,1( j （ 5） 3.4 焊件不發(fā)生軸向竄動的充分條件 下圖為一標準組合的焊接滾輪架示意圖，當焊件、滾輪都是一理想圓柱體且各滾輪尺寸一致，轉動軸線 AA,BB在同一水平面內并平行焊件軸線 OO時，則主動輪驅動焊件，作用在焊件上的力和從動輪作用到焊件上的力均為圓周力，焊件繞自身軸線旋轉，不會產生軸向竄動 。當這一條件受到破壞，則焊件自重以及主動輪、從動輪與焊件的接觸處便會產生軸向分力，但該力僅是焊件軸向竄動的必要條件，因個滾輪對焊件雖有軸向力ajF的作用，焊件本身也會產生自重的軸向分量gjF，但力向有正反，當其合力滿足 041 gjj ajFF （ j=1,2,3,4）焊件仍會有軸向竄動。因此，使焊件 不發(fā)生軸向竄動的充分條件是 041 gjj ajFF 焊接滾輪架和筒體圖 3.5 1-主動滾輪 2-從動滾輪 3-筒體 4 筒體軸向竄動的檢測、調節(jié)及執(zhí)行機構設計 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 9 4.1 軸向竄動檢測 我們的目的是要檢測出焊件在軸線方向上的竄動位移，從原理上說，可以采取在焊件筒壁側面檢測方式和在焊件端面檢測方式。 筒壁側面檢測方式可以不受焊件端面誤差的影響，但這種檢測方式由于要 去除筒壁的垂直旋轉分量，再加上打滑、筒體表面粗糙、污物的影響，因此要制造出可靠的傳感器來是不容易的。在焊件端面檢測方式是目前貫用的檢測方式，這種檢測方法簡單、易行，只要讓傳感器利用彈簧力頂住筒體端面，跟隨焊件的軸向竄動即可。但這種檢測方式不可避免地受到焊件端面與其軸心線垂直方向上凹凸不平的影響，因此要求對焊件的受測端面進行加工。但對大型焊件來講，這種加工要求的精度越高，其困難和費用也就越大。能否降低對端面加工的要求，就顯得重要起來。比如，工藝要求焊件的軸向竄動量不大于 2mm，可是焊件的受測端面不平度卻大 于 2mm，在這種條件下能否做到防止焊件的軸向竄動是衡量防竄滾輪架是否實用的重要指標之一。對滾輪架本身來說，在端面誤差很大的情況下，檢測裝置檢測到的數據即使能保證防竄在允許波動的范圍以內，但如果使用焊接設備機頭部分沒有自動跟蹤裝置的話，最終焊接出來的焊縫是“ S” 形的，這種結果我們只能判定為不合格，所以我們要盡最大可能消除端面誤差。 為此提出了檢測工件中心位置的方案。要解決這一問題并不困難，在檢測焊件中心位置不變的前提下，只要在檢測的過程中能避免如上所說的端面加工誤差造成的影響就可以了。 因此我們可以采用簡單 加工固定法，即使用一個小的平板。至于平板面積只需要根據焊件實際情況來定，設法固定在焊件的中心位置即可。當然條件是要使平板和焊件的軸線基本垂直?？偟膩碚f，使檢測裝置檢測的是一個基本垂直于焊件軸線的平面，而不是在加工的圓周上就基本可以了。 4.2 調節(jié)方式的選擇 實際上，焊件在滾輪架上的軸向竄動，其焊件本身是在作螺旋運動，如能采取措施，把焊件的左旋及時地改為右旋或將右旋改為左旋，直至焊件不 再作螺旋運動為止。目前， 已有三種執(zhí)行機構可完成此任務： (1)頂升式執(zhí)行機構從動滾輪架的一側滾輪可以做升 降運動，使焊件軸線發(fā)生偏移，同時也使焊件自重產生的軸向分量發(fā)生變化 ，如下圖 4.1。 這種調節(jié)方重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 10 式其優(yōu)點是調節(jié)靈敏度較高，缺點是制造成本高，體積大。 (2)偏轉式執(zhí)行機構 從動滾輪架的兩側滾輪沿其垂直中心線可做同向偏轉，以此改變滾輪與焊件的軸向摩擦分力 ，如下圖 4.2。這種調節(jié)方式其優(yōu)點是靈敏度高，但最大的缺點是對滾輪的磨損太大。 (3)平移式執(zhí)行機構從動滾輪架的兩側滾輪可以同時垂直于焊件軸心線做水平移動，從而達到調節(jié)焊件軸心線以及調節(jié)滾輪軸線夾角的目的 ，如下圖 4.3。這種調節(jié)方式其優(yōu)點是穩(wěn)定性好 ，制造成本低，結構簡單，不占用額外的安裝空間。 升降式調節(jié) 圖 4.1 平移式調節(jié) 圖 4.2 偏轉式調節(jié) 圖 4.3 綜上所述，系統(tǒng)運行后，很多時候會因為 調整反應不夠靈敏，連續(xù)工作的情況下甚至會無法阻止工件的軸向竄動趨勢，最終導致工件竄出安全區(qū)域。 所以 從調節(jié)的靈敏度來看 ,由于筒體重力可自然消除舉升機構傳動鏈上的往復運動間隙 ,因此在三種調節(jié)方式中以升降式為優(yōu) ,而平移式和偏轉式機構均需采取專門措施來消除其傳動鏈上的往復間隙 ,特別是低速級的間隙 。 因此 選擇升降式調節(jié)方式。4.3 調節(jié)執(zhí)行機構的調節(jié)原理 要改變簡體的軸向運動速度，除改變簡體的旋轉速度以外，更重要的是要調節(jié)滾輪架的螺旋率螺旋率是由四個滾輪與簡體的螺旋角所決定，通過調節(jié)四個滾輪與簡體的相對位置，可以有效地控制滾輪架的螺旋率如圖 4.4所示，將從動輪之一放置 升降裝置上， 當 升降臺上升到 C 時， ，滾輪的中心 C點運動到 C 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 11 圖 4.4 點 ， 簡體的中心由 O 點運動到 O 點，而主動輪處簡體橫截面的 中 心沒有發(fā)生變化，軸向投影仍在 O 點這樣，簡體的軸線位置發(fā)生相對改變，改變量可用軸偏位移矢量 OO 表示，由于右側 從動輪的位置沒有發(fā)生變化所以在筒體的位置發(fā)生變化時，簡體中心與右側從動輪的中心距保持恒定也就是說，簡體中心的運動軌跡是以右側從動輪為圓點，筒體和滾輪半徑之和為半徑的圓弧 。 在一般調節(jié)過程中 ， 軸偏位移矢量都很小，可近似認為 OO 與 OA 垂直筒體軸線發(fā)生變化 后 ,與兩側滾輪形成附加螺旋角 ， 其 大 小為 LOOR / (6) LOOL / (7) 其中， L 為主動滾輪與從動滾輪 間 的距離 ,一般情況下使用的滾輪架中心角都 為 60。，所以 OO 的大小為 OO 的一半 。 LOORL 21 (8) 設4321 , 分別為左邊和右邊滾輪與筒體的初始螺旋角，據式 (4)簡體軸線發(fā)生偏移后，軸向速度為： )()()()(41 4321 RRLLra tgtgtgtgvv (9) 當軸偏移變化時可以改變軸 向速度，可以看出軸偏位移可以增加也可以減小軸向速度 ,要有效控制軸向速度，必須正確選擇軸偏位移矢量 ， 由于螺旋角都很小 ，可將式 (9)近似為 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 12 )3(41)22(41 4141 Ri irRLi iravvv (10) 由圖 2推導出 升降裝置 的位移與附加螺旋角的關系，它們之 間 的函數關系較為復雜，由于實際控制中螺旋角的變化范用較小，可近似認為 升降裝置 的位移增量dh 與附加螺旋角 R 成線性關系，其比例系數與滾輪直徑 d，筒體直徑 D，滾輪架中心角 a有關為 dhDdfR , （ 11） 由式 (4)、式 (10)和式 (11)可得： dtdhDdfvdtdv ra ,43 （ 12） 令 ,431 Ddfvk r ，則有：dtdhkdtdv a 1 （ 13） 舉升機構電機轉速 )(tn 與螺旋千斤頂的位移 )(th 的關系為 dttnkth )()( 2 （ 14） 其中， 2k 與 升降裝置傳動比和絲桿 螺距等有關 。 由式 (13)和式 (14)可得： kndtdva (15)其中， 21kkk 設軸竄位移為 y， 由式 (15)可寫出舉升機構及滾輪架的傳遞函數為2)()( SKSN sy 4.4 升降裝置的選型 型號： FZAS W L 50015.2 各參數意義： 2.5：承載能力 2.5噸 。 1：結構形式絲桿不旋轉，只作軸向移動。A：絲桿（或螺母）在安裝底腳上面。 ：絲桿頭部為法蘭盤型。 500：行程。 F：防旋轉型 Z：帶防護罩型 此 螺旋升降機是由蝸輪蝸桿，箱體，軸承，絲杠等零部件組成。工作原理為：電機或者手動驅動蝸桿旋轉，蝸桿驅動蝸輪減速旋轉，蝸輪內腔加工為內螺紋，驅動絲杠上下移動，由于內部有蝸輪蝸桿，絲杠的 減速作用，達到放大推力的作用。 主要性能參數如下： 最大起升力（ KN） 25 絲桿每 100mm 的重量（ Kg） 0.45 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 13 絲桿螺紋尺寸 Tr306 提升速度（ m/mm） 0.188 最大拉力（ KN） 25 蝸桿轉速（ r/min） 750 蝸桿蝸輪傳動比 1： 6 潤滑劑 蝸輪蝸桿油320/ PCKE 蝸 桿 每 轉 行 程（ mm） 1.0 潤滑脂量（ Kg） 0.1 滿載時蝸桿扭矩（ N.m） 18 最 大 使 用 功 率（ KW） 0.55 效率（ ） 22 不加行程的重量（ Kg） 7.3 功能特點： 通過驅動蝸桿旋轉，實現絲杠的上下移動，達到推拉或者頂升的作用。 自鎖性能普通齒絲杠電動推桿和螺旋升降機，由于綜合傳動效率低，大部分有絕對動載自鎖功能，增加設備運行的安全性；滾珠絲杠電動推桿和螺旋升降機不自鎖 ； 精度定位綜合位置精度可達 0， 1mm。 驅動系統(tǒng)：直流電機 12/24V, 單項交流電機，三相交流電機，無需氣源 /液壓源 ； 過載保護可配備安全離合器防過載；也可配 備過載壓力傳感器防過載 ； 負載高推 /拉力可至 250 噸 ； 其他維護簡單，噪音低，可在高 /低溫，防腐 /防爆惡劣環(huán)境正常工作 。 外形尺寸如下圖： S1 S2 S3 A B M N H h h1 行程 +20 行程 +110 150.5 165 120 135 90 97 45 12 d 鍵GB1096 d1 L L1 L2 D D1 D2 D3 16 5532 14 42 110.5 190 48 98 70 45 D4 D5 A1 A2 A3 b1 b2 F 98 60 45 50 65 20 20 8.5 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 14 5 系統(tǒng)控制部分 5.1 系統(tǒng)硬件部分設計 系統(tǒng)硬件主要由位移傳感器， PLC控制器，步進電機驅動器，步進電機，限位微動開關，聯(lián)軸器等組成。 5.1.1 PLC控制器 （ 1） PLC的選型 根據對防竄控制系統(tǒng)的功能分析，可知其主要的輸入信號有左右兩傳感器輸入接口，啟動停止按鈕，自動手動按鈕，控制電機正反轉和停止的按鈕，左右上下限位開關，風扇按鈕。輸出信號有方向信號，脈沖信號，左竄指示燈，右竄指示燈，風扇，運行指示燈。 通過對各個輸入輸出信號進行分析后可以得知， 該防軸竄控制系統(tǒng)中有 13個數字輸入端口和 7數字個輸出端口。根據 I/O點數和容量可以選擇 EC10-1614BTA型 PLC。如下圖： 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 15 圖 5.1為 EC10-1614BTA外形接口圖 PORT0 和 PORT1 為通訊端口。 PORT0 為 RS232 電平，插座為 Mini DIN8。 PORT1 提供 RS485 和 RS232 兩種電平。母線插座用于連接擴展模塊。模式選擇開關有 ON、TM、 OFF 三個檔位 。其信號輸入輸出端口分配如下： 輸入端口： 輸出端口： 其端子 定義如下圖： 引腳標識 功能說明 L/N 220V交流電源輸入端，分別為火線、零線 接地線端子 PG +24V 提供給用戶外部設備使用的輔助直流電源，與 COM配合使用 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 16 COM 對外提供 +24V輔助電源的負極 S/S 提供給用戶進行輸入方式的選擇，與 +24V連接表示支 持漏型輸入方式，與 COM連接表示支持源型輸入方式 空端子，作 隔離用，請不要接線 X0X17 開關量信號輸入端子，將該端子與 COM端配合使用產生輸入信號 Y0、 COM0 控制輸出端子，第 0組 各輸出組的 COM x彼此電氣隔離 Y1、 COM1 控制輸出端子，第 1組 Y2Y7、 COM2 控制輸出端子，第 2組 Y10Y15、 COM3 控制輸出端子，第 3組 （ 2） I/O點數的分配及接線 在對防竄控制系統(tǒng)的各個硬件組成部分進行了詳細分析后，對 PLC主機的 I/O點數進行分配，見下表： 名稱 地址 說明 輸入信號 傳感器（右） X0 檢測工件向右邊竄動 傳感器（左） X1 檢測工件向左邊竄動 啟動按鈕 X2 啟動防竄控制系統(tǒng) 停止按鈕 X3 停止防竄控制系統(tǒng) 手動按鈕 X4 手動調節(jié) 自動按鈕 X5 自動調節(jié) 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 17 上升 X6 工件上升控制 下降 X7 工件下降控制 電機停止 X10 電機停止控制 頂起上限位 X11 上限位行程開關 頂起下限位 X12 下限位行程開關 竄動限位 1 X13 左邊竄動限位開關 竄動限位 2 X14 右邊竄動限位開關 輸出信號 脈沖輸出 Y0 輸出脈沖信號控制 方向輸出 Y1 輸出方向信 號控制 左竄 Y2 左竄運行顯示燈 右竄 Y3 右竄運行顯示燈 風扇 Y4 系統(tǒng)溫度控制 運行 Y5 系統(tǒng)運行指示燈 蜂鳴器 Y6 極限位置時報警 根據 I/O分配表，畫出 PLC主機的硬件接線圖如下： 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 18 控制系統(tǒng) PLC硬件接線圖 2 5.1.2 步進電機的計算與選型 （ 1） 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量 eqJ 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 d0=40mm，總長 l=500mm，導程 mmPh 6 ，材料密度33 /1085.7 cmkg ，移動部件總重力 G=20KN， 蝸桿蝸輪傳動比為 1:6，絲桿每 100mm 的重量為 0.45kg。 計算得各個零部件的轉動慣量如下： 82dmJ jS ，2/4RbJ Z ，ihW mpJ22 滾珠絲杠的轉動慣量 2531.2 cmkgJS ，拖板折算到絲杠上的轉動慣量226.18 cmkgJ W ，小 齒輪的轉動慣量 21 600.1 cmkgJ Z ，大齒輪的轉動慣量22 240.1 cmkgJ Z 。 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 19 初選步進電動機的型號為 110BYG2602,為 兩 相混合式， 有常州寶馬集團公司生產，兩 相 四 拍驅動時的步距角為 0.75，從表查得該型 號的電動 機轉子的 轉動慣量215 cmkgJ m 。 則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： 212( ) /e q m Z Z W SJ J J J J J i =17.211 kg cm2 （ 2） 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 eqT ： 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。 1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩 1eqT ，其中 1eqT 包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩 maxaT ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 fT ；還有一部分是滾珠絲杠預 緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩 0T 。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，其中 0T 相對于 maxaT 和 fT 很小，可以忽略不計。則有： 1eqT = maxaT + fT 考慮傳動鏈的總效率 ，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩： maxaT =2 160eq maJnt 其中：m in833005.0360 75.02000360m a x rvn m 式中： maxV 空載最快移動速度，指定為 2000mm/min； 步進電動機步距角，預選電動機為 0.75 ； 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 20 脈沖當量， 取 =0.005mm/脈沖。 設步進電機由靜止加速至 mn 所需時間 sta 3.0，傳動鏈總效率 22.0 。則由上式 得 mNT a 275.222.0 13.060 83310569.162 4m a x 移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為： mNi PGFT hZf 072.0622.02 006.02 0 0 0 00(005.02 )( ） 式中 導軌的摩擦因素，滾動導軌取 0.005 zF 垂直方向的銑削力，空載時取 0 傳動鏈效率，取 0.22 最后求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： 1eqT = maxaT + fT =2.347N m 2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩 2eqT 同樣 2eqT 包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 tT ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 fT ；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩 0T ， 0T 相對于 fT 和 tT 很小，可以忽略不計。則有： 2eqT =tT + fT 其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 tT 由公式計算。有： mNiPFT hft 617.3622.02 006.050002 再計算垂直方向承受最大工作負載（ NFZ 719 ）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 21 mNi PGFT hZf 081.0622.02 006.0)250020000(005.02 )( 最后求最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受 的負載轉矩： 2eqT =tT + fT = mN 689.3 最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為： mNTTT eqeqeq 689.3,m a x 21 3） 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據 eqT 來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取 K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： mNTT eqJ 792.144m ax 初選步進電動機的型號為 110BYG2602，查得該型號電動機的最大靜轉矩maxjT =20N m?？梢姡瑵M足要求。 (2)步進電動機的性能校核 1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核 工作臺最快工進速度maxfV =0.15mm/min，脈沖當量 /005.0 mm 脈沖 ,求出電動機對應的運行頻率 Hzf f 500)005.060/(150m ax 。從 110BYG2602 電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩 maxfT 19N m，遠遠大于最大工作負載轉矩 2eqT =3.698N m，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 給定 升降 臺最快空載移動速度maxv =2000mm/min，求出其對應運行頻率 Hzf f 6667)005.060/(2000m a x 。在此頻率下，電動機的輸出轉矩 maxT =11N m，大于快速空載起動時的負載轉矩1eqT =2.347N m，滿足要求。 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 22 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度 maxv =2000mm/min對應的電動機運行頻率為 Hzff 6667max 。查表知 110BYG2602 電動機的空載運行頻率可達 Hz20000 ，可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣 量 2211.17 cmkgJ eq ，電動機轉子的轉動慣量 215 cmkgJm ，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率Hzfq 1800 。步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： HzJJffmeqqL 1228/1 說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于Hz1228 。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100Hz。 綜上所述，本次設計中 升降臺 選用 110BYG2602 型 步進電動機，完全滿足設計要求。其具體參數如下： 型號 反應式步進電機的技術參數 110BYG2602 相數 步距角 電壓 電流 最大靜轉矩 空載起動頻率 空載運行頻率 轉動慣量 2/4 0.75/1.5 120-310V 5A 20N.m 1800Hz 20000Hz 215 cmkg 其端口接線圖如下： 外形安裝尺寸如下圖： 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 23 5.1.3 步進電機驅動器的選用 由步進電機的型號 110BYG2602，生產廠家為常州寶馬前楊電機電器有限公司。查表，選擇與之配套的驅動器為 DC280A型。輸入電壓為 220V，相電流 4A，分配方式為二相八拍。該驅動器如下圖： 實物圖 驅動器與步進電機和 PLC連線圖如下： 重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 24 驅動器與 PLC硬件連線圖 5.1.4 聯(lián)軸器的選擇 剛性聯(lián)軸器 由于結構簡單、成本低、可傳遞較大轉矩，故當轉速低、無沖擊、軸的剛性大、對中性較好時常采用 。因此本設計采用剛性聯(lián)軸器中的凸緣聯(lián)軸器 。凸緣聯(lián)軸器 (亦稱法蘭聯(lián)軸器 )是利用螺栓聯(lián)接兩凸緣 (法蘭 )盤式半聯(lián)軸 器，兩個半聯(lián)軸器分別用鍵與兩軸聯(lián)接，以實現兩軸聯(lián)接，傳遞轉矩和運動。凸緣聯(lián)軸器結構簡單，制造方便，成本較低，工作可靠，裝拆、維護均較簡便，傳遞轉矩較大，常用于載荷平穩(wěn) 、無沖擊 或傳動精度要求高的軸系傳動。 但是 凸緣聯(lián)軸器不具備徑向、軸向、角向補償性能，所以要求兩軸對中精度高。不具備減震、緩沖功能。 本設計 選擇蝸桿 與 步進 電動機相連的聯(lián)軸器采用 凸緣式剛性 聯(lián)軸器 ,由蝸桿滿載時扭矩為 18 mN. ，直徑 616kd ；步進電機最大靜轉矩為 20 mN. ，直徑01,0 022.016 d ，根據兩軸頸和最大轉矩 查機械設計手冊選用型號 型 。 名稱 型號 公稱轉矩Tn（ N.m） 軸孔直徑 d1， d2（ mm） 軸孔長度L（ mm） 轉動慣量 2.mkg 質量 kg 凸緣聯(lián)軸器 GYS1 25 16 42 0.0008 1.16 5.1.5 位移傳感器選型 選用 XW-3-1.5K 角位移型線繞式電位器型傳感器。筒體頂端通過滾動觸頭，重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 25 彈性復原機構，齒條齒輪傳動機構帶動電位器電刷動作，設計合適的齒輪直徑可使?jié)M量程位移對應電位器電刷滿行程 00 3300 。傳感器與電阻構成電橋電路檢測位移，電橋輸出 vv 55 信號線性對應軸竄位移，當位移為 0時輸出為 0v。將傳感器固定在一伸縮桿上，檢測時調整伸縮桿長度至位移傳感器滾動觸頭剛好接觸被測面位置。 5.1.6 限位開關選型 選用 LXW6-11CG型微動開關式行程開關，此行程開關由推桿，彈簧，壓縮彈簧，動斷觸點和動合觸電組成，當工件推動推桿時，推桿推動壓縮彈簧，彈簧由連接的動合觸點移向動斷觸點，由此控制開關的閉合與斷開。此微動開關適合于交流 50HZ、額定電壓至 380V及以下的控制電路中，作行程控制或限位保護用。具有一常開、一 常閉觸頭，安裝方便，密封性好。工作條件：環(huán)境溫度 -5-40攝氏度；相對濕度 40 C時不超過 50%， 25 C時不超過 90%；海拔不超過 2000m。 5.1.7 控制面板的設計 控制面板圖 各按鈕和指示燈的功能見 I/O點數分配表。 5.1.8 蜂鳴器 選用壓電式蜂鳴器， 主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。 多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成。當接通電源后（ 1.515V直流工作電壓） ,重慶理工大學畢業(yè)論文 防竄焊接滾輪架：竄動檢測及防竄控制系統(tǒng)設計 26 多諧振蕩器起振 ,輸出 1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。其型號為 BL-PBZ12095DYB,額定電壓為 24V，額定電流為 30A，頻率范圍為 2300KHZ。 5.2 系統(tǒng)軟件部分設計 5.2.1 防竄控制模式 選擇 本設計 采用了“ 模糊控制” 模式。對任何焊件來說，要想確切地知道其檢測端面相對于其軸心線的直度和不平度是比較困難的。在這種情況下，如果要做到如數控機床那樣想通過精確的公式計算來給定防竄調整脈沖量是不現實的。那么如何做到對不同的焊件都能達到防竄目的，甚至 是零竄動，就成了關鍵之所在。 針 對設備的實際應用，防竄滾輪架這類控制系統(tǒng)，在影響焊件軸向竄動的不確定因素很多的情況下，可以借助于模糊控制理念，通過 #$% 編程控制系統(tǒng)來實現防竄目的。模糊控制就是利用計算機模擬人的思維方式，按照人的操作規(guī)則進行控制，也就是利用計算機來實現人的控制經驗。計算機仿照人的思維進行模糊控制，而人的大腦中的控制經驗是由模糊條件語句構成的模糊控制規(guī)則。而計算