摘 要

在全世界科技工业发展繁盛的今天，工业制造领域为满足当今社会的蓬勃发展不断推陈出新，焊接工程技术的运用也变得愈加广泛。不过由于焊接工业中普遍存在的不良焊接环境和技术人才匮乏，人工焊接方式也无法满足现代工业化生产要求，全世界的焊接工程师都在不断探索先进的焊接技术和工艺。本文通过大量的阅读参考相关文献，结合数控管道公司实际生产操作，设计了一款用于风筒焊接的简体直缝焊接机。

论文首先对直缝焊接机的总体设计方案进行分析选择，拟定最佳方案，在对直缝焊接机的具体机械结构进行设计，包括焊接专用夹具的方案拟定选择和焊接机龙门架的结构设计。其次利用SW三维建模软件对直缝焊接机构件虚拟样机模型，结合实际焊接生产需求以及SolidWorks Simulation插件对龙门架结构中的横梁进行有限元应力分析，从而提出优化方案。最后，了解可编程控制器（PLC）的工作原理，根据所设计的机械结构合理分析控制系统需要满足的功能要求和操作顺序，最终可以满足焊接工作稳定有效的运行，从而满足实际焊接过程中焊接需求。

最终结果表明，本文中的自动直缝焊机的设计基本达到预期的目标，适用于直径尺寸变化范围大的风筒焊接，并能在运行时保持安全稳定。

关键词：直缝焊接机 总体方案 有限元分析 专用夹具 PLC

Abstract

     With the rapid development of global economic integration, the industrial manufacturing field is constantly innovating to meet the vigorous development of today's society, and the application of welding engineering technology has become more and more extensive. However, due to the poor welding environment and the lack of technical personnel prevailing in the welding industry, manual welding methods cannot meet the requirements of modern industrial production. Welding engineers around the world are constantly exploring advanced welding techniques and processes. This article has designed a simplified straight seam welding machine for air cylinder welding through a lot of reading and referring to related literatures, combined with the actual production operations of CNC Pipeline Company.

     The thesis first analyzes and selects the overall design plan of the straight seam welding machine, draws up the best plan, and designs the specific mechanical structure of the straight seam welding machine, including the plan selection of the welding special fixture and the structural design of the welding machine gantry. Secondly, the three-dimensional modeling software of SW is used to analyze the virtual prototype model of the straight seam welding mechanism, combined with the actual welding production requirements and the SolidWorks Simulation attachment, and the finite element stress analysis is carried out on the beam of the gantry structure, so as to propose an optimized plan. Finally, understand the working principle of the programmable controller (PLC), reasonably analyze the functional requirements and operating sequence that the control system needs to meet according to the designed mechanical structure, and finally can meet the stable and effective operation of the welding work, thereby satisfying the welding in the actual welding process demand.

The final result shows that the design of the straight seam welding machine meets the functional requirements, can be used for welding of the air cylinder with the required size, and can be kept safe and stable during operation.

Keywords: Straight Seam Welding ；General Scheme Finite； Element Analysis ；Special Fixture ；PLC

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外发展现状及趋势 2

1.2.1国内自动焊接技术发展现状 2

1.2.2国外自动焊接技术发展现状 3

1.2.3自动直缝焊接机的总体发展趋势 5

1.3研究的基本目标与内容 6

1.3.1研究的基本目标 6

1.3.2研究的内容 6

1.4 本章小结 6

第2章 简体直缝焊接机的总体方案设计 7

2.1自动直缝焊机的工作原理和和基本参数确定 7

2.1.1自动直缝焊机的基本工作原理 7

2.1.2焊接筒体的技术需求和焊机的基本结构参数确定 7

2.2自动焊机整体方案设计 8

2.3驱动系统方案设计 9

2.3.1驱动方式的选择 9

2.3.2传动方式的选择 10

2.3.3直线导向机构的选择 11

2.4滚珠丝杠副和直流电机型号的计算选型 12

2.4.1丝杠螺母副的计算选型 12

2.4.2直流伺服电机的选择 13

2.5 本章小结 14

第3章 自动直缝焊接机的机械结构设计 15

3.1自动直缝焊接机结构组成及工作过程 15

3.2自动直缝焊接机的专用焊接夹具设计 15

3.2.1自动焊接机专用夹具的定位基础和主要作用 16

3.2.2夹紧装置的组成及设计要求 16

3.2.3焊接专用夹具设计的基本要求 17

3.3.焊接机专有夹具的方案拟定 17

3.4本章小结 19

第4章 自动直缝焊接机的龙门架结构设计及有限元分析 20

4.1龙门架结构的总体结构方案和工作原理 20

4.2龙门架横梁有限元分析 22

4.2.1 SolidWorks Simulation有限元分析简介 22

4.2.2龙门架有限元分析的基本原理和分析步骤 22

4.2.3龙门横梁有限元应力分析 24

4.3本章小结 25

第5章 自动直缝焊接机的控制系统设计 26

5.1可编程控制器（PLC）的应用特点 26

5.2控制过程中的功能要求分析 27

5.2.1卷圆风筒中焊缝的图像采集 27

5.2.2卷圆风筒的焊接过程 27

5.2.3控制系统总体方案概述 28

5.3 本章小结 29

第6章 结论与展望 30

6.1设计内容总结 30

6.2存在的不足与展望 30

参考文献 31

致谢 32

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着金属材料的应用的推广，焊接技术在古代就出现了。这是一种随将不同种类的合金连接成型的技术手段。古代时期，铸造焊接是当时最流行，应用最全面的一中焊接加工技术，用于制造青铜器或兵器等等方便在战场上使用。由于封建社会时期的焊接操作过程完全采用纯人工制造，所以加工生产的产品质量十分粗糙。这与所需的温度和热量在焊接过程中无法得到精准的调节有着很大关系，故而这种人工方法只适用于精度要求不高的金属板块间的连接^[1]。新中国成立七十周年以来,我国的焊接工艺技术领域的制造化水平取得了不错的成果。自动化焊接技术在焊接领域已经成为时代的发展趋势，一是因为信息时代各个领域的科学技术有了较快和深入的发展，并且已经很好的融入到了焊接领域的每一个分支，更重要的是，由于在焊接过程中焊接工人自身存在主观因素这一影响，甚至也有个人焊接的熟练程度、工作方面的责任心，操作过程中的外界环境等等，故焊接过程的平稳性和焊接效果的良好性并不能得到一定的保证。并且，在现代人工手动化焊接的环境下容易存在危险，促使当代社会很多的技术工人不愿意从事焊接方面的有关工作，因此，焊接技术人才不断流失正在对焊接行业进行着巨大的考验。

当前焊接领域中的自动化焊接技术的发展前景十分宽广，逐步应用于各工业生产领域的焊接工作。所谓的焊接自动化技术是一门综合性技术学科，它包括控制系统、焊接工装夹具、精密焊接工艺以及适宜的焊接母材等。近年来，焊接工艺装备在其系统性和操作可行性等多方面有着显著的进步和加强，这样说是因为我们可以在保证产品生质量过关的同时， 实现成本最小化的批量化生产，确保企业集团化生产的品质和工作效率^[2]。从而可以看出世界制造业中心正在向我国转移,故而中国的工业制造必须加快改良技术的步伐。在目前我国的传统工业中，正在大量采用高度自动化的加工器材和设备,促使我国焊接装配技术实现质的飞跃。同时中小自动化焊接装配技术的兴起发展也为柔性自动焊接技术的兴起创造了革命里程碑性的突破，使得焊接自动化在不久的未来成为现实，对未来的发展提供了方向。