（机械设计及理论专业论文）智能防轴向窜动滚轮架系统的研究与开发.pdf

硕士学位论文 摘要 在大厚壁、大型化、高容量、耐磨蚀的锅炉、石油、化工压力容器 的焊接生产中，由于焊接滚轮架的制造安装误差以及筒体几何形状的不 规则( 偏离理想回转体) 等原因，筒体在滚轮架上转动时，会不可避免地沿 其轴向发生窜动，从而影响环缝的焊接质量。若不进行防窜动处理，出现 的窜动量大便无法进行焊接。本课题深入分析了筒体在焊接中产生轴向 窜动的主要原因；理论与实际结合深入研究工件窜动规律；开发了一套 智能防窜动滚轮架系统( 包括实现智能防窜滚轮架系统的结构及工作原 理，控制系统软、硬件设计，p o d 界面等) ；分析了对主动轮转速的控制和 筒体轴窜位移的调节机理，同时提出了具有位移、速度负反馈的非线性 控制方案，并通过相平面法对系统稳定性进行了分析；从理论上为防工件 轴向窜动焊接滚轮架的设计研究，特别是对于滚轮架的受力分析设计，合 理地规定焊接滚轮架的制造安装允差，防止工件轴向窜动的机械调节方 式和变频电机的选用等提供理论和设计依据。 该系统有效地解决窄间隙埋弧焊、内壁堆焊的问题：同时还能解决 化工、炼油等各行业的简体容器制造过程中的内环焊、外环焊、封头搭 接焊，重型圆筒型工件的装配与焊接问题，能实现精密化，大型化，数字化， 智能化，不仅能提高效率而且确保批量生产过程中稳定的焊接质量，节省 因出现窜动进行人工调整的时间，减少劳动力，提高焊接的精度和质量， 降低成本。 关键词。焊接滚轮架轴向窜动智能控制螺旋角非线性控制 智能防轴向窜动滚轮架系统的研究开发 a b s t r a c t t h ew e l d i n ga n dp r o d u c t i o ni nt h eb i gt h i c k - c l i f f 、t h el a r g e - s c a l e 、 h i g h - c o n t e n t 、e n d u r e - a b l a t i o no ft h ep r e s s u r ev e s s e lo ft h eb o i l e r 、o i l 、 c h e m i c a l ，b e c a u s eo fr e a s o no ft h ee r r o ro ft h em a n u f a c t u r e i n s t a l l a t i o na n d t h ea b n o r m i t yo fg e o m e t r y - f o r mo ft h ec y l i n d e r ( d e p a r t u r ei d e a lg y r a t i o n o b j e c t ) ，t h ec y l i n d e rw h e e lo nt h er o l l e rb e d ，i n e v i t a b l yi t w i l lo c c u ra x i a l d r i f t i n g ，s o t h a t a f f e c tt h ew e l d i n gq u a l i t y i fn o tt a k et h ea n t i - f l o a t i n g m e a s u r e ，t h ew e l d i n gc a n n o tg o i n gb e c a u s eo ft h el a r g ed r i f t i n g t h ea r t i c l e f u r t h e rp r o b ei n t ot h ee m e r g i n gm a i ni s s u eo fa x i a ld r i f t i n gi nw e l d i n g ； f u r t h e rs t u d i d eo nt h er u l eo ft h ea x i a ld r i f t i n gb yt h e o r yc o m b i n ew i t h p r a c t i c e ；e x p l o t i t a t i o nf o rt h ea n t i - a x i a ld r i f t i n go ft h ei n t e l l i g e n tr o l l e rb e d s y s t e m ( i n c l u d ei t ss t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m i n t e r f a c eo fp o da n ds oo n ) ；a n a l y s et h e c o n t r o l l i n g o ft h er o t a t i o n a l s p e e do ft h ed r i v i n g r o l l e ra n d a d j u s t m e c h a n i s mf o rt h ea x i a l d r i f t i n go ft h ec y l i n d e r m e a n w h i l e ，an o n l i n e a r c o n t r o lm e t h o dw i t hd i s p l a c e m e n ta n dv e l o c i t y n e g a t i v e f e e d b a c ki s p r e s e n t e d f r o mt h et h e o r e t i c a l l y ，s t u d yo nt h et h ea n t i - a x i a ld r i f t i n go ft h e i n t e l l i g e n tr o l l e rb e ds y s t e m ，a f f o r dt h e o r ya n dd e s i g na c c o r d i n ge s p e c i a l l y a n a l y s ea n dd e s i g nt h ep o w e ro ft h er o l l e rb e d ，p r e s c r i b et h em a n u f a c t u r e a n di n s t a l l p e r m i t - e r r o r o ft h er o l l e rb e di n r a t i o n a l ，a n t i - f l o a t i n g m e c h a n i s mo fac y l i n d e ri nw e l d i n g ，c h o o s et r a n s d u c e re l e c t r o m e t e ra n ds o o n t h es y s t e mc a ns o l v et h ew e l d i n gq u e s t i o nl i k et h en a r r o w - d i a s t e m a 、 i n s i d e w a l l p i l e ；a tt h es a m et i m e ，i tc a ns o l v et h ev a r i o u so fw e l d i n gq u e s t i o n w h i c hu s ei nt h ec o u r s eo fm a n u f a c t u r et h e c y l i n d e r c o n t e n to ft h e c h e m i c a l 、o i l - r e f i n i n g 、s h i p b u i l d i n ga n ds oo n ，i t a l s oc a ns o l v e t h e a s s e m b l ea n dw e l d i n go ft h eh e a v yc y l i n d e r ，t h es y s t e mc a nr e a l i z a t i o nt h e p r e c i s i o n ，t h el a r g e ，t h em u l t i f u n c t i o n a l ，t h en u m e r i c ，t h ei n t e l l i g e n t i z ea n d t h ei n t e g r a t i o n ，i tn o to n l yc a ni m p r o v ee f f i c i e n c yb u ta l s oi n s u r et h es t e a d y q u a l i t yo ft h ew e l d i n gi nc o u r s eo ft h eb a t c hm a n u f a c t u r e ，s a v et h em a n u a l w o r ka d j u s tt i m ew h i c ho w i n gt ot h ed r i f t i n g ，d e c r e a s el a b o u rf o r c e ，i n c r e a s e t h ep r e c i s i o na n dq u a l i t yo ft h ew e l d i n g ，r e d u c et h ec o s t k e yw o r d s ：w e l d i n gt u r n i n gr o l l ，a x i a ld r i f t i n g ，s p i r a la n g l e ，n o n l i n e a r n 硕七学位论文 c o n t r o l ，c o n t r o l l e db yp l c m 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：。7 年妇j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 7 矧 写艺尹玄 1 ) 日期：d 年6 月1 日期： ；7 年g 月厂日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 大连宝原机床厂2 0 0 t 智能防轴向窜动滚轮架系统研究开发 1 2 国内外焊接技术的发展 为提高生产效率，降低工人劳动强度，国外焊接生产机械化、自动化已达到 很高的程度。工业发达国家焊接机械化、自动化程度已达到熔敷金属量的6 5 以 上。气体保护焊作为高效优质节能节材的焊接方法在国外已得到广泛应用，日本 在1 9 9 8 年已达到熔敷金属量的7 7 6 。国外大型造船厂开始应用的门架式钢板 纵缝拼焊机技术，采用多丝高速埋弧焊工艺，配真空吸盘平台或电磁平台，其最 大焊接行程达1 2 m ，一次行程可焊板厚最大为4 0 m 。一些高效优质的焊接方法如 电子束焊、激光焊、等离子焊、焊接机器人工作站、焊接柔性生产系统、窄间隙 焊接技术、双丝高效气体保护焊技术等在国内已经得到运用，但我国焊接自动化 率为熔敷金属量的约3 0 0 5 - 5 0 5 ，应用的广度和水平与工业发达国家相比尚有一定 的差距。 目前，国际上技术先进的重型焊接滚轮架最大的承载重量达1 6 0 0 t ，自动防 窜滚轮架的最大承载重量达8 0 0 t ，采用p l c 和高精度位移传感器控制，防窜精 度为0 5 m 嘲。批量生产h 型钢和箱形梁焊接生产线以及各种类型的按用户需 要定制的专用成套焊接设备，并大量采用交流电机变频调整技术，p l c 控制技术 和伺服驱动及数控系统，焊接装备的自动化程度有了很大的提高，某些操作机还 配备了焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。近年来，在厚壁管道生产中，窄 间隙m a g 焊、窄间隙热丝t i g 焊等工艺的应用范围日趋扩大，因此为窄间隙设备 发展提供了有利的条件。从6 0 0 m w 锅炉开始采用了8 0 0 0 吨油压机压制汽包简体 瓦瓣片和窄间隙埋弧自动焊工艺焊接筒体纵缝，实现了厚壁长筒节( 单节最大长 度7 0 0 0 m m ，最大厚度2 5 0 m ) “压制工艺自动化和焊接工艺高效率化。新型燃气 加热器和电加热设备得到广泛的应用，例如，红外燃气加热器，引射式液化气加 热器等比传统的燃气加热器提高热效率3 0 5 以上，而且更加安全和方便。 自动控制技术在制造业中的广泛应用正在彻底改变传统制造业的面貌，其中 焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求，它不仅可大大提高焊接生产 率，更重要的是可确保焊接质量，改善操作环境。随着整个制造业水平的提高， 企业的经营理念发生了很大的变化，高产量已让位于高质量、劳动密集型已逐步 被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机，生产线和柔性制造系统已成为 一种不可阻挡的趋势，这同样也是水电金属结构专业发展的大方向。 在机械制造业中不少过去一直用整铸整锻方法生产的大型毛坯改成了焊接 结构，这大大简化了生产工艺，降低了成本。许多尖端技术如宇航、核动力等如 果不采用焊接结构，实际上是不可能实现的。焊接在整个工业中的地位还可以从 这样一个事实来判断，即世界主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的 4 5 左右，焊接结构之所以有如此迅速的发展是因为它具有一系列优点下面举 智能防轴向窜动滚轮架系统的研究与开发 例说明一下，1 与铆接相比它可以节省大量金属材料，大约可减轻1 5 - 2 0 的金 属材料，因为它不需要辅助材料，比如角钢、平板，更不需要铆钉，而且柳接件 经过很长时间以后有可以会松动，影响质量，但焊接绝是不可能的，虽然只有一 道焊缝，但它属于原子结核，所以能够充分的解决一切问题。其次焊接结构生产 不需打孔，划线的工作量也比较少，因此比较省工、省时间，工作效率当然就要 高多了。2 与铸件相比焊接结构生产不需要制作木模和砂型，也不需要专门熔炼， 浇铸，工序简单，生产周期短。这一点对于单件和小批量生产特别明显，换句话 说，和铸件相比就是特别的节省时间也就是工作效率高，其次，焊接结构比铸件 节省材料，一般情况下，它比铸钢轻2 0 3 0 以上，比铸铁件轻5 0 6 0 9 6 ，这主要 是因为焊接结构的截面可以按设计的需要来选取，不必像铸件那样因工艺的限制 而加大尺寸。因为液体要想让它流动的好，充分到位，就必须要有较大的空间， 这势必会用到更多的金属材料“】。 比如1 2 0 0 0 吨水压机的下横梁采用焊接结构净重2 6 0 吨，而如果采用铸钢件 则重量将达4 7 0 吨，重量减轻将近4 5 ，这是因为铸造毛坯不易保证尺寸精度， 顾加工裕量就会非常大，这样所用的液体金属当然就会多许多，而且占用的时间 也非常长，这是因为熔化与冷却金属都是要用很长时间的原故，再有焊接车间所 需要的设备和厂房投资一般都比生产同样重量毛坏的铸造车间低，它只需要一定 的场地和所必要的电源，不需要特别复杂的工艺就可以进行加工，一条焊缝就已 经完全解决问题了，所以焊接和铸造比较之下即省工又省料同时又非常经济便 宜。以上对比说明了焊接的质量和工作效率的优越性。 有些构件在某些特定的部位它的材质有特殊的强度要求，比如大型齿轮的轮 缘部分必须要用高强度的耐磨优质合金钢，这样才能常时间的使用，保证它的质 量，但这种钢材很贵，这就会大大的提高成本，所以其它部分为了节省材料可用 一般钢材来制造，这样即提高了齿轮的使用性能，使它很结实耐磨，又节省了优 质钢材降低了成本，这就用到了拼焊的方法，比如堆焊和摩擦焊，把工件分别加 工后再拼接在一起，形成一个很完美的整体，可见这一点也是很有优势的。因为 以上所介绍的这些焊接的优点，所以我们只要正确的认识和切实的掌握它，并能 够合理的运用就能够获得高质量的构件，所以焊接是绝对不可替代的并值得努力 发展的。 现代焊接技术自诞生以来一直受到诸学科最新发展的直接影响与引导，众所 周知受材料，信息学科新技术的影响，不仅导致了数十种焊接新工艺的问世，而 且也使得焊接工艺操作正经历着手工焊到自动焊，自动化，智能化的过渡，这已 成为公认的发展趋势。 在今天焊接作为一种传统技术又面临着2 l 世纪的挑战。一方面，材料作为 2 1 世纪的支柱已显示出几个方面的变化趋势，即从黑色金属向有色金属变化； 从金属材料向非金属材料变化，从结构材料向功能材料变化，从多维材料向低维 材料变化；从单一材料向复合材料变化，新材料连接必然要对焊接技术提出更高 的要求。另一方面，先进制造技术的蓬勃发展，正从住处化，集成化，等几个方 面对焊接技术的发展提出了越来越高的要求。突出“高”“新”以此来迎接2 l 世纪新技术的挑战。 2 0 世纪中期焊接方法也有了突飞猛进的发展，随着科技的进一步发展，出 现了新的高精密度热源电子束，等离子束、激光束等，使其精密度，温度都大大 的高出了电弧焊。真空电子束焊可以一次焊接透2 0 0 m 的金属，激光焊具有可以 在大气中进行焊接的优点，由于聚焦后的光斑只有0 2 2 衄，由于焊缝小，当然 2 硕士学位论文 变形也就小多了，接头质量高。比如在航空发动机、汽车车身等重要领域立刻创 造出了明显经济和社会效益，完全等合段转高效，低耗、清洁、灵活生产的技术 发展方向。 新材料的出现对焊接技术得出了新的课题，成为焊接技术发展的重要推动 力，许多新材料，如耐热合金，钛合金，陶瓷等的连接都提出了新的课题。特别 是异种材料之间的连接，采用通常的焊接方法，已经无法完成，固态连接的优越 性日益显现，扩散焊与磨擦焊己成为焊接界的热点，比如金属与陶瓷已经能够进 行扩散连接这在以前是不可想象的，所以固态连接是2 l 世纪将有重大发展的连 接技术。 通过前面的介绍我们已经知道焊接现在已从简单的构件连接方法和毛坏制 造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段。 因此，保证焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产率已成为焊接生产发展亟待解 决的问题。使得实现对焊接过程的自动控制、焊接工艺制造的自动化的需求越来 越迫切。另外，计算机技术、控制理论、人工智能、电子技术及机器人技术的发 展为焊接过程自动化提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中，取 得了很多成果，焊接过程自动化已成为焊接技术的生长点之一从焊接技术发展 来看，焊接自动化、机器人化以及智能化已成为趋势。 经过总结焊工的智能经验并把它们运用到现在很先进的高科技中，能够快 速、灵活、安全的实现自动化焊接，现在在发达国家焊接自动化控制已经获得了 满意的效果，对于宏观焊接质量( 如熔透控制，接头尺寸等) 的控制已取得了较 大的进展，对于微观焊接质量( 焊缝的金相组织及机械性能) 的控制也已经起步。 焊接过程正由宏观向微观、由简单控制向系统的智能控制发展。 焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长， 但它的发展却是非常迅速的。在短短的几十年中焊接已在许多工业部门中为工业 经济焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长， 但它的发展却是的发展作出了重要贡献，在各个重要的领域如航空航天、造船、 汽车、桥梁、电子信息、海洋钻探、高层建筑金属结构中都广泛应用，使焊接成 为一种重要制造技术和材料科学的一个重要专业学科，开创了连接技术的新篇章 嗍 1 3 国内外焊接滚轮架的研究现状 近年来，随着我国改革开放进程的深化，随着中外合作生产或引进技术生产 的机械产品的日益增多，促进了我国焊接结构用量的迅速增加。尤其是为满足我 国石油、化工、交通、能源等工业的迅猛发展，大厚壁、大型化、高容量、耐磨 蚀、耐动载的锅炉、石油、化工压力容器的用量更是日益增加，其接头的焊接质 量要求也愈来愈高，并且在实际生产中要求有较高的生产效率。 在上述压力容器的焊接生产中，焊接滚轮架是必不可少的辅助装备之一，它 是借助工件与滚轮之间的摩擦力来带动筒形工件旋转的焊件变位机械。主要用于 回转体工件的装配与环、纵缝的焊接。由于焊接滚轮架的制造安装误差以及工件 几何形状的不规则( 偏离理想回转体) 等原因，工件在滚轮架上转动时，会不可避 免地沿其轴向发生窜动，从而影响环缝的焊接质量。严重时会使焊接过程中断， 这样，不但影响焊接过程的正常进行，而且降低了生产效率。目前，国内工厂普遍 采用的仍是普通焊接滚轮架，防止和校正工件轴向窜动，通常是在工件的轴向端 3 智能防轴向窜动滚轮架系统的研究与开发 进行人工加阻挡装置来强行制止，但这种方法仅仅局限于小吨位的工件焊接，而 对于大吨位的工件焊接，尤其是厚壁型简体环缝窄间隙焊接以及对工件上焊道位 置精度要求更高的简体带极堆焊，由于工件质量大，形成的轴向窜动力很大，采用 硬挡的办法，不仅使工件运行阻力增加，造成转速的不稳定，易产生焊接缺陷，而 且往往使工件端头已加工好的坡口因挤压而损坏因此需要研制一种新的焊接装 备来解决大型工件焊接时的轴向窜动问题。 为此，国外在8 0 年代初期研制开发了一种防止工件轴向窜动的焊接滚轮架。 如瑞典伊萨( e s a b ) 、意大利安莎多( a n s a l d o ) 和英国( b o d e ) 嘲口3 公司等都推出了这 种产品。国外所研制的防轴向窜动焊接滚轮架与常规的焊接滚轮架相比，增加了 一套高可靠度的轴向位移自动调节系统。在焊接过程中能同步调节简体的姿态， 使焊接过程可靠实施，大大提高了生产效率，同时可得到高质量的焊接接头。随着 科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行 业中一项生产尺寸精确的产品的生产手段。因此，保证焊接产品质量的稳定性和 提高劳动生产率已成为焊接生产发展的急待解决的问题。 相比较国外，我国防轴窜焊接滚轮架的研制还处在初始阶段，据调查，至今国 内尚无正式厂家能够制造出比较成熟的产品，生产中主要是依靠引进国外的设备， 如兰州石油化工机械厂、哈尔滨锅炉厂、齐齐哈尔第一重型机械厂等，都从国外 引进了防轴向窜动的焊接滚轮架。这样，一方面要花费大量的外汇，另一方面也远 远不能满足国内日益增长的焊接生产需要m 。 因此，为实现防轴窜焊接滚轮架的国产化，以替代进口，为国家节省大批外汇； 同时为了提高焊接生产效率，推动我国焊接装备机电一体化和向低成本自动化的 方向发展，有必要对其进行研制并普及推广。 1 4 课题的研究内容及研究意义 目前在机械焊接行业中，由于要加工复杂不规则的工件，工件在旋转的过程 中会出现不同程度的窜动，特别是窄间焊接，工件旋转圈数多，若不进行防窜动 处理，出现的窜动量大便无法进行焊接。该课题就上述问题开发智能防窜动滚轮 架系统，防止工件在旋转过程中出现轴向窜动。 本课题主要研究内容是： 1 深入分析出现窜动的原因： 2 理论与实际结合深入研究工件窜动规律； 3 开发一套智能防窜动滚轮架系统( 包括梯形图的设计，电气操作设计，系统控 制程序流程图的设计和p o d 界面) ； 4 系统控制程序设计； 本课题解决的关键性问题是防止工件在焊接转动过程中出现的轴向窜动问 题，使得焊接的精度和质量更高。为解决在实际工作中出现的问题，该系统采用 理论研究和系统开发同步进行的方法，从力控制论角度出发，把握工件窜动的规 律，设计了完整可行的防窜动滚轮架系统。 由以上工作，从理论上为国产防工件轴向窜动焊接滚轮架的设计研究，特别 是对于滚轮架的受力分析设计，合理地规定焊接滚轮架的制造安装允差，防止工 件轴向窜动的机械调节方式，电路控制中闭环电路调节方式以及调节量的选则和 变频电机的选用等提供理论和设计依据。 防工件轴向窜动焊接滚轮架的研制涉及了模拟、数字电路技术，传感器技术， 4 硕士学位论文 自动控制技术以及机械设计制造技术等有关内容，它属于机电一体化产品。其主 要性能指标是：如何依据工件的轴向窜动机制，采用一种自动控制系统并借助某 种机械执行机构，将工件的轴向窜动限制在工程允许的范围内，从而始终保证焊 接过程能稳定、连续、可靠地实施。 我国在1 9 9 0 年颁布的焊接滚轮架的行业标准( z b j t 3 3 0 0 3 1 9 9 0 ) 中规定： 主动滚轮的圆周速度应在6 - 6 0 m h 范围内无级无调，速度波动量按不同的焊接工 艺要求，要低于5 和l o ，滚轮转速应稳定、均匀，不允许有爬行现象。按 g b l 5 0 规定制造的简体类工件在防轴向窜动滚轮架上进行焊接时，在整个焊接过 程中允许工件的轴向窜动量为4 - 3 m m 。 虽然我国近年来也有个别工厂生产过防窜动滚轮架，但这些工厂都把滚轮架 当作工装而不当作产品，所以它的制造很粗糙，结构、尺寸、规格都存在许多问 题，都不标准。而且国外于2 0 世纪8 0 年代中期推出的防止简体轴向窜动焊接滚 轮架，能将简体的窜动量控制在4 - 2 姗以内。所以我国近年生产的防窜动滚轮架 在实用性和可靠性方面，与国外产品相比还存在着差距。本论文工作所研制的实 验模型要求工件轴向窜动范围为土i m m ，以期达到更高的指标m 在结合上述要求和出现的问题后，经过深入研究得出了一些影响工件窜动的 因素。包括： 1 轴承的选用：许多工厂的系统只能承受较小重量的工件，当工件的重量增加， 由于其太重对从动轮的摩擦推力太大使得轴承不能运动。 2 底座的固定，主动轮和从动轮的两者的安装不平行或它们不在一中心线上。 3 工件的形状不规则，工件窜动的规律的不稳定性。 4 由于安装角度不同引起对工件的推力的大小不同。 为了解决上述问题，使得防窜动滚轮架在生产技术上和综合指标上都进一步 发展，本文从滚轮架的安装因素、力的因素、理论因素、控制因素中考虑，设计 一套能解决上述问题的完整的防窜动滚轮架系统。 该系统很好地解决窄间隙埋弧焊、内壁堆焊的问题。同时还能解决化工、炼 油、造船、锅炉、电力制造等各行各业的简体容器制造过程中的内环焊、外环焊、 封头搭接焊，重型圆筒型工件的装配与焊接，是满足该类焊接工艺或组装所必备 的工艺设备。该系统能实现精密化，大型化，多功能化，数字化，智能化和集成 化，不仅能提高效率而且确保批量生产过程中稳定的焊接质，节省因出现窜动进 行人工调整的时间，减少劳动力，增加了焊接的精度和质量，降低成本。 5 智能防轴向窜动滚轮架系统的研究与开发 第二章智能防窜动滚轮架系统的结构及工作原理 2 1 系统的结构 智能防窜动滚轮架系统的结构如图2 1 所示，该系统主要由驱动滚轮架，从 动滚轮架，调节装置，电气控制系统，p l c 等组成。主动滚轮架的滚轮旋转采用 交流变频电机驱动、变频调速，具有调速范围宽，转动平滑性好，低速特性硬等 特点；从动滚轮架采用电机驱动升降机，根据检测架检测到的工件轴向窜动信号， 使滚轮自动升降，自动纠正工件的轴向窜动。窜动检测架将工件的轴向窜动量转 换成模拟电信号用于调整升降机的升降。主要用于管道、容器、锅炉、油罐等重 型圆筒形工件的装配与焊接。若对主、从动滚轮的高度作适当的调整后也可进行 锥体、分段不等径回转体的装配与焊接。对于一些非圆长焊件，若将其装卡在特 制的环行卡箍内，也可在该滚轮架上进行装焊作业。 2 1 1 驱动滚轮架 驱动滚轮架具有无级调速功能，驱动轮的转速是由变频电机提供的，经过电 位器对p l c 控制器输入适当的电压，其对电压进行d a 转换后输出电压模拟信号 给变频电机得到驱动主驱动轮的转速，主驱动轮便以预定的速度匀速转动，从而 带动工件以与主驱动轮相反的方向匀速转动。当工件的直径大小不同时，驱动滚 轮架和底座之间由螺钉相连可以在底座上来回移动以调节滚轮中心距，使得不同 直径的工件的安装合适。 2 1 2 从动滚轮架、调节装置 从动滚轮架与驱动滚轮架配套使用，它具有支撑工件和调节工件的双重功 能。调节装置接受电气控制的指令，不断升降，调节工件支撑角度，克服工件轴 向窜动力，使工件处于动平衡状态，起到防止和克服工件轴向窜动的作用。由校 零开关设置自动调节的基准。 从动滚轮架装置是由底座、滚轮、滚轮座、导电装置、防窜滚轮装置等组成， 其底座固定；防窜滚轮装置由从动滚轮装置和升降机构组成；升降机构包括蜗轮 丝杆升降机构、升降检测开关等。当工件以一定的速度转动时，其会由摩擦带动 从动轮旋转，由于工件在旋转的过程中会出现不同程度的窜动，为了防止焊件有 太大的窜动量，故由p l c 控制箱通过软件编程控制使工件最终达到动态平衡 利用一检测轮轴承直接靠近工件，工件的窜动量由检测轮通过伸缩杆传入检 测箱内部的光电转换器，生成电信号通过编码器传入p l c 控制箱。 6 硕士学位论文 2 1 3 电气控制系统 图2 1 系统结构图 电气控制系统是由p l c 作为控制器。如图2 2 所示，通过p l c 读取由检测箱 内部传入的电信号模拟量，经由a d 转换变成工件窜动的数字信号，监测出工件 的轴向窜动方向和窜动量大小，为了始终保持工件达到最小平衡窜动量，p l c 控 制箱内的控制器经过计算、历史比较、逻辑判断，d 转换指挥防窜动滚轮装 置的升降。其中控制箱是和蜗轮丝杆升降机构相连，通过控制箱输出的模拟量经 过电机减速器来驱动蜗轮旋转，使得从动滚轮架装置沿丝杆在有效长度上升、降， 从而使调节装置升、降以克服工件轴向窜动力，并使工件向相反的方向窜动，最 终达到工件的动态平衡。从动滚轮架的上下两端加上限位开关，来限制它的升、 降的最大高度，它们允许的最大范围是由p l c 控制器控制。 同时控制器还可以通过编程控制主驱动轮的转向和转速的大小从而改变工 件的转向和转速的大小。 2 1 4p 1 c 简介 图2 2 系统控制结构图 1 p l c 的发展历程 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ，在美国通用汽车自动 装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作方便， 可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美国其他工 业领域推广应用。到1 9 7 1 年，己经成功地应用于食品，饮料，冶金，造纸等工业。 虽然p l c 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路 7 智能防轴向窜动滚轮架系统的研究与开发 技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，p l c 也迅速发展，其发展过程大致 可分四代。 第一代在1 9 6 9 - 1 9 7 2 年。这个时期的产品，c p u 由中小规模集成电路组成，存 储器为磁芯存储器。其功能也比较单一，仅能实现逻辑运算、定时、计数等功能， 其中p l c 特有的编程语言梯形图一直沿用至今，成为可编程控制器的第一用户语 言。典型产品有：美国d e c 公司的p d p - 1 4 ，日本富士公司的u s c - 4 0 0 0 ，日本o m r o n 公司的s c y - 0 2 2 。 第二代在1 9 7 3 - 1 9 7 5 年。这个时期的产品已开始使用微处理器作为c p u i p l c ( 可变成逻辑控制器) 成为真正意义上的p c ( 可编程控制器) ( 尚未正式命名) ， 而存储器采用半导体存储器。其功能上有所增加，能够实现数字运算、传送、比 较等功能，并初步具各自诊断功能，可靠性有了一定提高。典型产品有：美国哥 德公司的m o d i c o n l 8 4 2 8 4 3 8 4 系列，原西德西门子的s y m a t i cs 3 s 4 系列，日本 富士的s c 系列等，我国在1 9 7 4 年也开始研制自己的p l c 。 第三代在1 9 7 6 - 1 9 8 3 年。这个时期，p l c 进入了大发展阶段，美国、日本、原 西德各有几十个厂家生产p l c 。这个时期的产品己采用8 位和1 6 位微处理器作为 c p u ，部分产品还采用了多微处理器结构。其功能显著增强，速度大大提高，并 能进行多种复杂的数学运算，具备完善的通讯功能和较强的远程1 o 能力，具有 较强的自诊断功能并采用了容错技术。1 9 8 0 年，美国电气制造协会( n e 姒) 将p l c 正式命名为可变成控制器( p c ) 。典型产品有：美国哥德公司的5 8 4 ，6 8 4 ，8 8 4 系列， 原西德西门子的s y m a t i c s 5 系列，日本三菱公司的m e l p l a c5 0 ，5 5 0 系列，日本 o m r o n 公司的c 系列等。 第四代为1 9 8 3 年到现在。这个时期的产品除采用1 6 位以上的微处理器作为 c p u 外，内存容量更大，有的已达数兆字节；可以将多台p l c 链接起来，实现资源 共享；可以直接用于一些规模较大的复杂控制系统：编程语言除了可使用传统的 梯形图、流程图等，还可使用高级语言；外设多样化，可以配置c r t 和打印机等。 典型产品有美国德州仪器公司的t 1 5 6 0 。t 1 5 6 5 等。第一代p l c 功能太弱，已基本 淘汰；第四代p l c 面向复杂大型系统，应用还不广泛。目前，在各行业应用最多 的是第二、三代产品。另外，在p l c 的发展过程中，产生了三类按1 o 点分类的 p l c ：小型、中型、大型。一般小于2 5 6 点为小型( 小于6 4 为超小型或微型p l c ) 。 控制点不大于2 0 4 8 点为中型p l c 2 0 4 8 点以上为大型p l c ( 超过8 1 9 2 点为超大型 p l c ) 。我国开始使用单片机是在1 9 8 2 年，短短五年时间里发展极为迅速。 1 9 8 6 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，有的地区还成立了单 片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。截止今日。单片机应用技 术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单 片机的网站，这还不包括国外的。与它相应的专业杂志现在也有很多，比如由 单片机界的权威何立民主编的单片机与嵌入式系统应用杂志现以风靡电子界， 在2 0 0 3 年7 月，9 1 s t u d e n t c ( 9 1 猎头网) 在上海、广州、北京等大城市所做 的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。我们首先从它的 构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器 ( c p u ) 、随机存取存储器( r 删) 、只读存储器( r o m ) 、输入输出端口( i o ) 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。计算机的 产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积大。微计算机( 单片机) 在这 种情况下诞生了，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上 各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控 3 硕士学位论文 制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能i c 卡、电子宠物等，这些都 离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟 电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元 器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控 制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核 心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了， 长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会 有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达1 3 亿片， 且每年以大约1 6 的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1 。特别 是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地辐射向内地。所以， 学习单片机在我国是有着广阔前景的n ”。 在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作， 并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上， 这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1 9 6 8 年美国g m ( 通用汽车) 公 司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电 路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一 代可编程序控制器，称p r o g r a m n b l ec o n t r o l l e r ( p c ) “”。 个人计算机( 简称p c ) 发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器 的功能特点，可编程序控制器定名为p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) ， 现在，仍常常将f l c 简称p c 。 p l c 的定义有许多种。国际电工委员会( i e c ) 对p l c 的定义是：可编程控 制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可 编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算 术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械 或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一 个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪8 0 年代至9 0 年代中期，是p l c 发展最快的时期，年增长率一直保持 为3 0 4 0 。在这时期，p l c 在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和 网络能力得到大幅度提高，p l c 逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在 过程控制领域处于统治地位的d c s 系统。 p l c 具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程 简单等特点。p l c 在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来， 是无法取代的。 2 可编程控制器的发展趋势 自6 0 年代末引入p l c 技术以来，p l c 由最初的只能处理开关量而发展到可以处 理模拟量和数据，以后又与d c s 、工业p c 机和p i d 调节器等技术相结合，利用其不 同的性能和特点，相互渗透和融合、集成以及网络化，构成各种新型的自动控制 系统，以满足各种自动控制的要求。总体来讲，p l c 的发展趋势主要表现在：微 型、小型p l c 功能明显增强；向开放性转变，编程语言多样化；向集成化、通讯 化、网络化发展；p l c 的新进展一软p l c 。 3 p l c 的构成 从结构上分，p l c 分为固定式和组合式( 模块式) 两种。固定式p l c 包括c p u 板、t 0 板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。 模块式p l c 包括c p u 模块、1 o 模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可 9 智能防轴向窜动滚轮架系统的研究与开发 以按照一定规则组合配置。 4 c p u 的构成 c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用，每套p l c 至少有一个c p u ，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输 入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和p l c 内部 电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中 逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关 的控制电路。 c p o 主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状 态总线构成，c p u 单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存 储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。 在使用者看来，不必要详细分析c p i j 的内部电路，但对各部分的工作机制还 是应有足够的理解。c p l j 的控制器控制c p u 工作，由它读取指令、解释指令及执 行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制 器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥 下工作。 c p u 速度和内存容量是p l c 的重要参数，它们决定着p l c 的工作速度，1 0 数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 5 i o 模块 p l c 与电气回路的接口，是通过输入输出部分( i o ) 完成的。i o 模块集成 了p l c 的i 0 电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状 态。输入模块将电信号变换成数字信号进入p l c 系统，输出模块相反。i o 分为 开关量输入( d i ) ，开关量输出( d o ) ，模拟量输入( a i ) ，模拟量输出( a o ) 等 模块。 开关量是指只有开和关( 或1 和o ) 两种状态的信号，模拟量是指连续变化 的量。常用的i o 分类如下： 开关量：按电压水平分，有2 2 0 v a c 、i i o v a c 、2 4 v d c ，按隔离方式分，有继 电器隔离和晶体管隔离。 模拟量：按信号类型分，有电流型( 4 - 2 0 m a ，o - 2 0 m a ) 、电压型( o - i o v ，o - 5 v ) 等，按精度分，有1 2 b i t ，1 4 b i t ，1 6 b i t 等。除了上述通用1 0 外，还有特殊i o 模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。 按t o 点数确定模块规格及数量，i o 模块可多可少，但其最大数受c p u 所 能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 6 电源模块 p l c 电源用于为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入 电路提供2 4 v 的工作电源。电源输入类型有：交流电源( 2 2 0 v a c 或1 1 0 v a c ) ，直 流电源( 常用的为2 4 v c ) 。 7 底板或机架 大多数模块式p l c 使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联 系，使c p u 能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块 构成一个整体。 8 p l