电弧螺柱焊枪对焊枪及其控制系统设计说明书.doc

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1、 摘要 电弧螺柱焊是一种螺柱电弧焊接方法，到目前为止，在汽车制造、多层建筑、桥梁建设、家电行业等得到广泛应用。随着经济发展的要求，企业对电弧螺柱焊的效率，精度要求越来越高，也就对焊枪及其控制的设计有了更高的要求。本文参照传统的电弧螺柱焊枪对焊枪及其控制系统做了改进及设计，这个电弧电弧螺柱焊由一个直流电源、控制单元和一个焊枪组成。这个电弧螺柱焊枪通过步进电机为其提供动力，通过丝杆来实现螺柱焊提起及送进过程，控制系统由PLC控制焊枪及螺柱的送进过程。在这个新的焊接过程中，这个螺柱的运动可以看做由微步构成的。步进电弧焊枪的行为参数的设置和调整是独立完成的。关键词 控制单元 步进式电弧螺柱焊 PLC

2、丝杆 Abstract Arc stud welding is a method of stud arc welding，Up to now，it has been widely used in the manufacture of automobile,multistoried Buildings construction of bridges,appliance industries and so on .With therequirements of economic development,business to arc stud welding efficiency and prec

3、ision have become increasingly demanding ,Also on the design of the torch and its control have higher requirements. This article refers to the traditional arc stud welding gun torch and its control system improvements and design. The equipment of arc stud welding consists of a dcpower source，a contr

4、ol unit，and a welding gun. This arc stud welding gun through the stepper motor to provide power screw stud welding institute and sent to the process, An PLC is adopted as the main control component to realize the control of the stud gun and welding procedure. the stud action can be looked as constit

5、uted by some micro steps.The settingting of the stepping arc welding gun behavior parameters are accomplished independentlyIt is indicated from the results of process tests and bending test that the stepping arc stud welding process is practicable. Keywords arc stud welding PLC control unit step-by-

6、step screw 目 录摘 要 Abstract绪论11总体方案的制定2 绪论 螺柱焊是一种高效的全截面焊接方法。由于这种焊接技术具有快速、可靠、简化工序、降低成本等一系列优点而得到了日益广泛的应用。近年来，随着钢结构在建筑、桥梁等领域的广泛应用，大直径栓钉（焊钉）的焊接越来越多的采用螺柱焊方法。目前，国产的电弧螺柱焊机型号有RSN-630、1000、1600 RSN2-2500、3150 等，可焊mm的螺柱。 这类焊机与进口产品相比，其焊接电源都是用晶闸管控制，并可连续调节焊接电流。从调节和稳流性能以及可靠性方面考核，差别不大。在控制方面，进口产品采用单片机控制的，而国内产品基本都是用分

7、立器件控制，与进口产品相比差距较大。因此，研制单片控制的电弧螺柱焊机对提升国产螺柱焊机的技术水平和可靠性，具有重要的现实意义。 传统电弧螺柱焊枪主体是电磁线圈和弹簧结构，在焊接过程中，螺柱运动的实现主要由线圈的通断电和弹簧的压缩、释放来完成利用线圈弹簧式焊枪进行电弧螺柱焊接的过程。采用传统电弧螺柱焊枪进行焊接时，在螺柱提起时对电磁线圈通以一定的电流，在电磁力和弹簧阻力的共同作用下，使动铁心以一定的加速度向上提起，螺柱送下则主要由弹簧压缩产生的弹力和动铁芯,自身的重力作用产生向下的运动为了调节螺柱的提起和送下速度，电弧螺柱焊枪的结构中一般都要配备阻尼机构，这就使焊枪的结构变得复杂提起和送下速度的

8、调节受多方面因素的影响，较难把握。 本文从电弧螺柱焊的实现过程出发，对焊枪结构原理进行了全新的设计，研制出步进式电弧螺柱焊枪及其控制系统焊枪以步进电机带动螺旋传动装置完成电弧螺柱焊焊接过程各动作，焊枪及焊接过程由单片机系统控制此焊枪可以通过程序控制实现螺柱提起高度、送下深度、提起和送下速度等参数的设定。这种设计在对电弧螺柱焊螺柱的提起送进速度更容易而且有效的进行控制。 1总体方案的制定1.1设计目的和意义螺柱焊是一种将金属螺柱或类似的其他紧固件快速焊于金属工件上的焊方法，电弧螺柱焊的应用始于1939年的造船行业。随着工业的迅速发展，焊接在生产过程中的运用越来越重要，经过几十年的发展，电弧螺柱焊

9、已经广泛应用于建筑、汽车制造、船舶制造、桥梁等行业。电弧螺柱焊的基本原理是在待焊螺柱与工件间引燃电弧，当螺柱与工件被加热到合适温度时，在外力作用下，螺柱送入工件上的焊接熔池形成焊接接头。螺柱焊焊接螺柱类紧固件代替了费时费力的铆接、钻孔和攻丝等方法。由于电弧螺柱焊的应用节省了人力物力同时是生产效率也得到了提高。在工业高速发展的今天，生产过程中效率和质量同样重要的今天，电弧螺柱焊的应用不仅越来越广泛，而且电弧螺柱焊也得到了空前的发展。这个课题的研究符合发展的趋势，本课题的研究让我学会了搞设计的思路流程以及在每个阶段需要注意的问题，在毕业前在老师的指导下亲自弄一次设计，熟悉一下设计的理念及过程，对我

10、们今后的设计起个铺垫的作用。1.2总体方案的确定经过对当前电弧螺柱焊的了解及和电弧螺柱焊相关文献的阅读，对螺柱焊枪及控制部分的设计有了初步的方案。总体的方案分为两个部分：螺柱提起送进动力部分及对提起送进速度的控制部分。对这个方案解决的思路如下：本课题的关键问题首先是如何使电弧螺柱焊实现低速送进同时又能保证对于不同焊件都能达到所需要的挤压压力。以我个人的意见解决这个问题需要对焊枪的枪体进行全新的设计，螺柱通过丝杆的转动进行送进，挤压的压力通过弹簧的变形来监测控制，所以我们还需要传感器，使检测到的压力转化成信号传到控制系统，控制系统通过和设定的压力进行对比来控制螺柱的送进速度进而控制挤压的压力。然

11、而在加工过程中电压的不稳定同样会造成质量问题，在这次设计中我选择步进电机来控制传动系统，步进电机由脉冲信号触发控制。它的转动角度由脉冲数量决定，转速只和脉冲频率有关，而和电压、电流等的大小及波动没有直接关，误差不会积累。 2 机械部分的设计21 焊枪的机械结构步进式电弧螺柱焊枪的机械结构原理如图1所示焊枪可以看作由动力机构、运动机构以及固定保护机构3部分组成。 (1)焊枪的动力机构为步进电机步进电机具有惯性小，不需制动装置，启动性能好，能频繁瞬间启动、倒转和停转等优点步进电机由脉冲信号触发控制。它的转动角度由脉冲数量决定，转速只和脉冲频率有关，而和电压、电流等的大小及波动没有直接关系误差不会积

12、累。(2)运动机构的主体是螺旋传动装置，即丝杠螺母传动装置传动机构使得步进电机的角位移转化为上下方向的直线位移，最终实现电弧螺柱焊焊接过程的运动要求丝杠与电机轴通过机械方式连接在一起，接受来自步进电机的角位移；在导向装置作用下，传动螺母只作沿径向的运动，通过电机正反转的改变，传动螺母可完成上下直线运动传动螺母通过连接件与焊枪夹具连接，夹具上的螺柱随之产生纵向的运动，完成焊枪的机械结构电弧螺柱焊接过程中的提起、送下等运动。2.2 滚珠丝杆副的选型与计算 滚珠丝杆副是在丝杆和螺母的轨道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。其作用是将旋转运动变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。丝杆或螺母转动

13、时，带动滚珠沿螺纹轨道滚动。螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置，滚珠通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。滚珠丝杆副的外形如图3-15所示。 滚珠丝杆副具有传动效率高、运动平稳、使用寿命长等特性，广泛应用于各种工业设备、精密仪器和数控机床等。滚珠丝杆副由专门工厂制造，当型号计算选定后，可以外购或定制。（1） 、滚珠丝杆副的主要尺寸参数 滚珠丝杆副的主要尺寸参数如图3-16所示。a 、公称直径 用于标示的尺寸值（无公差）b 、节圆直径 滚珠与滚珠螺母体及滚珠丝杆位于理论接触点时，滚珠球心包络的圆柱直径。节圆直径通常与滚珠丝杆的公称直径相等。c 、导程 滚珠螺母相对滚珠丝杆旋转2弧度时的行程。

14、d 、公称导程 通常用作尺寸标识的导程值（无公差）。e 、行程L 转动滚珠丝杠或滚珠螺母时，滚珠丝杆或滚珠螺母的轴向位移量。f 、有效行程 有指定精度要求的形成部分（即行程加上滚珠螺母提的长度）。 此外，还有丝杆螺纹外径、丝杆螺纹底径、螺母体外径、螺母体螺纹底径、螺母体螺纹内径、滚珠直径、丝杆螺纹全长。（2） 计算和选型a 、最大工作载荷的计算 最大工作载荷是指滚珠丝杆副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，由于在焊枪中丝杆是用来带动螺柱运动的并且运动方向与工件垂直。所以所承受的最大轴向力就是螺柱与工件间的最大挤压力。螺柱与工件间的挤压力只有50-80N。根据公式 （为进给方向的载荷、为垂直方向载荷、为横向载荷、G为移动部件的总重力、K=1.1）由于螺柱是垂直运动，所以在运动过程只承受进给方向的挤压力。所以b 、最大动载荷的计算 最大动载荷的计算公式如下： 式中 滚珠丝杆副的寿命，单位为r。（其中T为使用寿 命，普通机械取，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杆每分钟的转数）；