大行程復(fù)雜構(gòu)件數(shù)控焊接機(jī)床

05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯

大行程復(fù)雜構(gòu)件數(shù)控焊接機(jī)床研究與開發(fā)

研究生：指導(dǎo)老師：專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化05二月2023福州大學(xué)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?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)2論文的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

3總結(jié)與展望

4

5辭謝

05二月2023福州大學(xué)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(yīng)用廣泛的加工工藝，據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)50%以上的國(guó)民生產(chǎn)總值與焊接具有直接或間接的關(guān)系。同時(shí)，我國(guó)目前焊接加工用鋼比例已達(dá)到60%以上，達(dá)200余萬噸。隨著技術(shù)的進(jìn)步，焊接加工越來越多地采用自動(dòng)化焊接裝備完成。當(dāng)前，自動(dòng)化焊接裝備主要有兩類：05二月2023福州大學(xué)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(diǎn)：工作空間大，空間曲線焊縫控制靈活。在大行程復(fù)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(diǎn)：自動(dòng)化程度較低、功能單一。對(duì)大型構(gòu)件的自動(dòng)焊接加工。主要針對(duì)直線和圓弧焊縫，不適合復(fù)雜焊縫的加工。自動(dòng)化焊接裝備：簡(jiǎn)易自動(dòng)焊接機(jī)焊接機(jī)器人當(dāng)今，對(duì)大型復(fù)雜構(gòu)件自動(dòng)焊接的需求越來越多，而現(xiàn)有自動(dòng)化焊接裝備不能適應(yīng)其應(yīng)用要求。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

針對(duì)以上問題，本課題以實(shí)現(xiàn)大行程的復(fù)雜構(gòu)件高效、完整、自動(dòng)焊接加工為目標(biāo)，對(duì)大行程復(fù)雜構(gòu)件數(shù)控焊接裝備及其CAD/CAM一體化技術(shù)開展研究，克服現(xiàn)有大行程復(fù)雜構(gòu)件自動(dòng)焊接設(shè)備的不足，滿足我國(guó)裝備制造業(yè)對(duì)大型復(fù)雜焊接件自動(dòng)化焊接的要求，力求提高國(guó)產(chǎn)自動(dòng)焊接設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)力及大型裝備制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

（2）國(guó)內(nèi)外焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀：

焊接自動(dòng)化裝備是在傳統(tǒng)焊接方法的基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)字化、自動(dòng)化等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接的設(shè)備。國(guó)外先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的焊接自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展水平較高，自動(dòng)控制技術(shù)在焊接中的應(yīng)用較為成熟，如瑞典的ESAB公司生產(chǎn)的AD1、AD2系列管焊；法國(guó)的POLYSOUDE公司生產(chǎn)專業(yè)的AUTOTIG140焊管型的焊機(jī)國(guó)外研究進(jìn)展：

Cranfield大學(xué)是基于PC為基礎(chǔ)而通過VMF總線控制臺(tái)采用串行通訊模式對(duì)焊接外部設(shè)備、焊接機(jī)械結(jié)構(gòu)的各個(gè)傳動(dòng)軸以及氣體流量的開關(guān)閥等進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，而且其焊接參數(shù)都存儲(chǔ)在主PC的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接作業(yè)等。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展：

我國(guó)焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用始于上世紀(jì)80年代，在國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)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(xué)與北京石油大學(xué)聯(lián)合成功了研制球罐焊接機(jī)器人。②清華大學(xué)與中石油管道局合作成功了開發(fā)的長(zhǎng)輸管線環(huán)縫全位置自動(dòng)焊接機(jī)器人。③山東大學(xué)通過采用凸輪仿形原理而對(duì)焊接自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行了專題研究，因?yàn)榧儗儆跈C(jī)械結(jié)構(gòu)的控制，故其具有柔性較低的缺陷等。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯一、論文立題依據(jù)和研究意義

（3）國(guó)內(nèi)焊接自動(dòng)化技術(shù)存在較大的差距及發(fā)展的趨勢(shì)：

雖然近年來我國(guó)在自動(dòng)化焊接方面獲得了快速發(fā)展，但總的來看，與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)發(fā)展相比，我國(guó)自動(dòng)化焊接設(shè)備的技術(shù)水平及工程應(yīng)用還存在一定的差距具體表現(xiàn)在：d)焊接自動(dòng)化裝備技術(shù)上c)網(wǎng)絡(luò)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(xué)碩士論文答辯二、論文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)（1）主要研究?jī)?nèi)容：本文針對(duì)傳統(tǒng)焊接方式在大行程復(fù)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(fù)雜構(gòu)件的數(shù)控焊接機(jī)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(qiáng)的通用性和靈活的編程能力，研究成果對(duì)新型數(shù)控機(jī)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(jī)械系統(tǒng)方面；b)在自動(dòng)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(xué)碩士論文答辯二、論文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)（2）創(chuàng)新點(diǎn)：

1）提出了五聯(lián)動(dòng)數(shù)控焊接機(jī)床完整、高效的焊接加工技術(shù)方法，克服了大行程復(fù)雜構(gòu)件的傳統(tǒng)焊接技術(shù)的不足；

2）提出了結(jié)合CREO、ABAQUS、PowerMILL編程軟件以及VERICUT仿真軟件進(jìn)行新型數(shù)控機(jī)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(jī)床結(jié)構(gòu)、縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間以及節(jié)約開發(fā)費(fèi)用等。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯二、論文的主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)3）焊接機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用了“PMAC卡+IPC”開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)形式，大部分的控制工作(如插補(bǔ)計(jì)算、脈沖分配等)由上位機(jī)來完成，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，軟件的通用性好，編程處理靈活，并且大大降低了機(jī)床成本；功能接近焊接機(jī)器人，成本低、維修方便。4）提出了在PowerMILL系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)廉價(jià)且專業(yè)的焊接虛擬離線自動(dòng)編程系統(tǒng)。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯三、論文的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

1）數(shù)控焊接機(jī)床系統(tǒng)總體技術(shù)研究05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯三、論文的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

機(jī)械、焊接設(shè)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(dòng)軸）的擺動(dòng)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(shí)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(jī)床的定位精度為±0.02／1000mm；5）重復(fù)定位精度為0.02mm；6）最大直線移動(dòng)速度為15m/min。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯三、論文的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

機(jī)床主體機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析

焊接結(jié)構(gòu)床身；材料為：Q235碳素結(jié)構(gòu)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(jī)床在Z軸方向上的最大變形量為0.6mm，不能滿足該機(jī)床的工藝精度要求，需對(duì)影響Z軸形變的支承結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)。為此，通過加大懸臂軸Y軸支座寬度，并結(jié)合“等強(qiáng)度思想”的設(shè)計(jì)理念重新設(shè)計(jì)修改Y軸導(dǎo)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(jì)算分析得出其應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限，應(yīng)力集中不會(huì)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(xué)碩士論文答辯三、論文的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

機(jī)床主體機(jī)械結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析

機(jī)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(jī)床動(dòng)態(tài)性能較好。即使該機(jī)床的前幾階的固有頻率比較低，會(huì)在機(jī)床的開關(guān)機(jī)時(shí)會(huì)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(yuǎn)大于固有頻率，因此該現(xiàn)象不影響該機(jī)床工藝精度，此設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)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(duì)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(shè)定階段(4)數(shù)控焊接機(jī)床焊接作業(yè)階段數(shù)控焊接機(jī)床的工作原理流程：

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后置處理器的構(gòu)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(jī)床結(jié)構(gòu)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(jié)合特定的數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)類型，對(duì)照說明書進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式和指令等參數(shù)的配置，構(gòu)建出一個(gè)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(jìn)行后置處理并生成NC程序代碼。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯三、論文的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

3）數(shù)控焊接機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件構(gòu)建

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軟件構(gòu)建

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根據(jù)對(duì)數(shù)控焊接機(jī)床的硬件系統(tǒng)與用戶需求的雙重分析，系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用程序主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置與顯示、手動(dòng)操作、自動(dòng)操作、單行命令、程序下載以及與PMAC斷開的7個(gè)模塊

05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯四、總結(jié)與展望

針對(duì)大行程復(fù)雜焊接構(gòu)件的自動(dòng)化焊接，本文開展了以下研究工作：1）應(yīng)用CREO高端三維軟件設(shè)計(jì)了一款五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控焊接機(jī)床本體結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析?？偨Y(jié)2）對(duì)焊件的焊縫軌跡進(jìn)行規(guī)劃，應(yīng)用PowerMILL軟件對(duì)焊縫軌跡進(jìn)行自動(dòng)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(yàn)證。05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯四、總結(jié)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(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟硬件方案。構(gòu)建以IPC為上位機(jī)、PMAC2A-PC/104卡為下位機(jī)的開放式數(shù)控焊接機(jī)床數(shù)控平臺(tái)；基于VC++開發(fā)了數(shù)控焊接機(jī)床的軟件系統(tǒng)。總結(jié)05二月2023福州大學(xué)碩士論文答辯四、總結(jié)與展望

1）獲得的研究結(jié)果只是通過軟件仿真分析加以驗(yàn)證，未能進(jìn)行實(shí)際的焊接