大行程復雜構件數(shù)控焊接機床

05二月2023福州大學碩士論文答辯

大行程復雜構件數(shù)控焊接機床研究與開發(fā)

研究生：指導老師：專業(yè)：機械制造及其自動化05二月2023福州大學碩士論文答辯答辯提綱論文立題依據(jù)和研究意義1

論文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點2論文的關鍵技術及實現(xiàn)

3總結與展望

4

5辭謝

05二月2023福州大學碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

（1）課題研究背景：焊接是應用廣泛的加工工藝，據(jù)統(tǒng)計，美國50%以上的國民生產(chǎn)總值與焊接具有直接或間接的關系。同時，我國目前焊接加工用鋼比例已達到60%以上，達200余萬噸。隨著技術的進步，焊接加工越來越多地采用自動化焊接裝備完成。當前，自動化焊接裝備主要有兩類：05二月2023福州大學碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

（1）課題研究背景：特點：工作空間大，空間曲線焊縫控制靈活。在大行程復雜形體焊接中存在行程不夠和容易產(chǎn)生干涉等不足。特點：自動化程度較低、功能單一。對大型構件的自動焊接加工。主要針對直線和圓弧焊縫，不適合復雜焊縫的加工。自動化焊接裝備：簡易自動焊接機焊接機器人當今，對大型復雜構件自動焊接的需求越來越多，而現(xiàn)有自動化焊接裝備不能適應其應用要求。05二月2023福州大學碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

針對以上問題，本課題以實現(xiàn)大行程的復雜構件高效、完整、自動焊接加工為目標，對大行程復雜構件數(shù)控焊接裝備及其CAD/CAM一體化技術開展研究，克服現(xiàn)有大行程復雜構件自動焊接設備的不足，滿足我國裝備制造業(yè)對大型復雜焊接件自動化焊接的要求，力求提高國產(chǎn)自動焊接設備競爭力及大型裝備制造企業(yè)的核心競爭力。05二月2023福州大學碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

（2）國內(nèi)外焊接自動化技術的發(fā)展現(xiàn)狀：

焊接自動化裝備是在傳統(tǒng)焊接方法的基礎上結合數(shù)字化、自動化等技術實現(xiàn)自動焊接的設備。國外先進工業(yè)國家的焊接自動化技術發(fā)展水平較高，自動控制技術在焊接中的應用較為成熟，如瑞典的ESAB公司生產(chǎn)的AD1、AD2系列管焊；法國的POLYSOUDE公司生產(chǎn)專業(yè)的AUTOTIG140焊管型的焊機國外研究進展：

Cranfield大學是基于PC為基礎而通過VMF總線控制臺采用串行通訊模式對焊接外部設備、焊接機械結構的各個傳動軸以及氣體流量的開關閥等進行在線實時監(jiān)測控制，而且其焊接參數(shù)都存儲在主PC的數(shù)據(jù)庫當中，以實現(xiàn)自動焊接作業(yè)等。05二月2023福州大學碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

國內(nèi)研究進展：

我國焊接自動化技術的發(fā)展與應用始于上世紀80年代，在國家攻關計劃和863計劃的支持下開展。企業(yè)及高校也取得較大的成果如：①清華大學與北京石油大學聯(lián)合成功了研制球罐焊接機器人。②清華大學與中石油管道局合作成功了開發(fā)的長輸管線環(huán)縫全位置自動焊接機器人。③山東大學通過采用凸輪仿形原理而對焊接自動化設備進行了專題研究，因為純屬于機械結構的控制，故其具有柔性較低的缺陷等。05二月2023福州大學碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

（3）國內(nèi)焊接自動化技術存在較大的差距及發(fā)展的趨勢：

雖然近年來我國在自動化焊接方面獲得了快速發(fā)展，但總的來看，與國外先進技術發(fā)展相比，我國自動化焊接設備的技術水平及工程應用還存在一定的差距具體表現(xiàn)在：d)焊接自動化裝備技術上c)網(wǎng)絡化系統(tǒng)集成性能上a）全數(shù)字化焊接電源控制性能上

b)智能化控制性能上

05二月2023福州大學碩士論文答辯二、論文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點（1）主要研究內(nèi)容：本文針對傳統(tǒng)焊接方式在大行程復雜形體焊接中存在行程不夠和容易產(chǎn)生干涉等問題，開發(fā)了大型復雜構件的數(shù)控焊接機床，經(jīng)過模擬仿真，該系統(tǒng)能夠解決上述問題，并且具有較強的通用性和靈活的編程能力，研究成果對新型數(shù)控機床的開發(fā)具有一定的參考意義，其內(nèi)容如下：a)在數(shù)控焊接機械系統(tǒng)方面；b)在自動編程方面；c)在系統(tǒng)硬、軟件方面；d)在數(shù)控仿真方面。05二月2023福州大學碩士論文答辯二、論文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點（2）創(chuàng)新點：

1）提出了五聯(lián)動數(shù)控焊接機床完整、高效的焊接加工技術方法，克服了大行程復雜構件的傳統(tǒng)焊接技術的不足；

2）提出了結合CREO、ABAQUS、PowerMILL編程軟件以及VERICUT仿真軟件進行新型數(shù)控機床的研究開發(fā)，是一種非常有效的方法。使用該方法可以大大地優(yōu)化機床結構、縮短產(chǎn)品開發(fā)時間以及節(jié)約開發(fā)費用等。05二月2023福州大學碩士論文答辯二、論文的主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點3）焊接機床數(shù)控系統(tǒng)采用了“PMAC卡+IPC”開放式數(shù)控結構形式，大部分的控制工作(如插補計算、脈沖分配等)由上位機來完成，簡化了硬件結構，軟件的通用性好，編程處理靈活，并且大大降低了機床成本；功能接近焊接機器人，成本低、維修方便。4）提出了在PowerMILL系統(tǒng)平臺上開發(fā)廉價且專業(yè)的焊接虛擬離線自動編程系統(tǒng)。05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

1）數(shù)控焊接機床系統(tǒng)總體技術研究05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

機械、焊接設備系統(tǒng)1）X/Y/Z軸的工作行程分別是3000mm/2000mm/1500mm；2）A軸（擺動軸）的擺動角度為-120°～+120°；3）C軸（回轉(zhuǎn)軸）的回轉(zhuǎn)角度為0～400°。C軸可通過軟限位在一定的角度范圍，如0～400°，這樣既能實現(xiàn)整周的連續(xù)焊接加工，又可避免線纜和焊絲產(chǎn)生纏繞現(xiàn)象；4）根據(jù)焊件加工精度及效率，制定數(shù)控焊接機床的定位精度為±0.02／1000mm；5）重復定位精度為0.02mm；6）最大直線移動速度為15m/min。05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

機床主體機械結構靜、動態(tài)特性分析

焊接結構床身；材料為：Q235碳素結構鋼；密度ρ=7.8kg/m2；楊氏模量E=200Gpa；泊松比μ=0.3。

在重力作用下，機床在Z軸方向上的最大變形量為0.6mm，不能滿足該機床的工藝精度要求，需對影響Z軸形變的支承結構加以改進。為此，通過加大懸臂軸Y軸支座寬度，并結合“等強度思想”的設計理念重新設計修改Y軸導軌的方案。如圖2-7所示，其在自重下，Z軸方向上的最大變形量為0.0062mm，并且經(jīng)過計算分析得出其應力值遠低于材料的強度極限，應力集中不會影響床身的剛度，所以滿足其工藝精度要求。05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

機床主體機械結構靜、動態(tài)特性分析

機床的固有頻率都在正常工作頻率范圍以外，由此可以看出其機床動態(tài)性能較好。即使該機床的前幾階的固有頻率比較低，會在機床的開關機時會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，但是在正常工作狀態(tài)下的激振頻率遠大于固有頻率，因此該現(xiàn)象不影響該機床工藝精度，此設計滿足設計需要。

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2）焊接CAM及后置處理器研究(1)焊接作業(yè)對象零件建模圖形數(shù)字化處理階段

(2)后置處理階段(3)數(shù)控操作設定階段(4)數(shù)控焊接機床焊接作業(yè)階段數(shù)控焊接機床的工作原理流程：

05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

后置處理器的構建

本論文研究的基于PMAC的控制系統(tǒng)程序代碼格式與PowerMILL系統(tǒng)自帶的FANUC系統(tǒng)基本兼容，但由于五軸機床結構以及參數(shù)等不同，所以選用系統(tǒng)自帶的PM-post后處理編輯模塊，并結合特定的數(shù)控機床結構類型，對照說明書進行機床結構、運動形式和指令等參數(shù)的配置，構建出一個新的后處理文件。

最后將前置處理生成的刀位軌跡文件通過新配置的后置處理器進行后置處理并生成NC程序代碼。05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

3）數(shù)控焊接機床開放式數(shù)控系統(tǒng)設計硬件構建

05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

軟件構建

05二月2023福州大學碩士論文答辯三、論文的關鍵技術及其實現(xiàn)

根據(jù)對數(shù)控焊接機床的硬件系統(tǒng)與用戶需求的雙重分析，系統(tǒng)上位機應用程序主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設置與顯示、手動操作、自動操作、單行命令、程序下載以及與PMAC斷開的7個模塊

05二月2023福州大學碩士論文答辯四、總結與展望

針對大行程復雜焊接構件的自動化焊接，本文開展了以下研究工作：1）應用CREO高端三維軟件設計了一款五軸聯(lián)動的數(shù)控焊接機床本體結構，并對其進行了運動仿真和有限元分析?？偨Y2）對焊件的焊縫軌跡進行規(guī)劃，應用PowerMILL軟件對焊縫軌跡進行自動編程，開發(fā)了專用后置處理器，生成了數(shù)控程序代碼，生成的NC程序在VERICUT中得以驗證。05二月2023福州大學碩士論文答辯四、總結與展望

3）根據(jù)數(shù)控焊接工藝要求，制定了數(shù)控焊接機床數(shù)控系統(tǒng)軟硬件方案。構建以IPC為上位機、PMAC2A-PC/104卡為下位機的開放式數(shù)控焊接機床數(shù)控平臺；基于VC++開發(fā)了數(shù)控焊接機床的軟件系統(tǒng)?？偨Y05二月2023福州大學碩士論文答辯四、總結與展望

1）獲得的研究結果只是通過軟件仿真分析加以驗證，未能進行實際的焊接