大行程复杂构件数控焊接机床

05二月2023福州大学硕士论文答辩

大行程复杂构件数控焊接机床研究与开发

研究生：指导老师：专业：机械制造及其自动化05二月2023福州大学硕士论文答辩答辩提纲论文立题依据和研究意义1

论文的主要研究内容及创新点2论文的关键技术及实现

3总结与展望

4

5辞谢

05二月2023福州大学硕士论文答辩一、论文立题依据和研究意义

（1）课题研究背景：焊接是应用广泛的加工工艺，据统计，美国50%以上的国民生产总值与焊接具有直接或间接的关系。同时，我国目前焊接加工用钢比例已达到60%以上，达200余万吨。随着技术的进步，焊接加工越来越多地采用自动化焊接装备完成。当前，自动化焊接装备主要有两类：05二月2023福州大学硕士论文答辩一、论文立题依据和研究意义

（1）课题研究背景：特点：工作空间大，空间曲线焊缝控制灵活。在大行程复杂形体焊接中存在行程不够和容易产生干涉等不足。特点：自动化程度较低、功能单一。对大型构件的自动焊接加工。主要针对直线和圆弧焊缝，不适合复杂焊缝的加工。自动化焊接装备：简易自动焊接机焊接机器人当今，对大型复杂构件自动焊接的需求越来越多，而现有自动化焊接装备不能适应其应用要求。05二月2023福州大学硕士论文答辩一、论文立题依据和研究意义

针对以上问题，本课题以实现大行程的复杂构件高效、完整、自动焊接加工为目标，对大行程复杂构件数控焊接装备及其CAD/CAM一体化技术开展研究，克服现有大行程复杂构件自动焊接设备的不足，满足我国装备制造业对大型复杂焊接件自动化焊接的要求，力求提高国产自动焊接设备竞争力及大型装备制造企业的核心竞争力。05二月2023福州大学硕士论文答辩一、论文立题依据和研究意义

（2）国内外焊接自动化技术的发展现状：

焊接自动化装备是在传统焊接方法的基础上结合数字化、自动化等技术实现自动焊接的设备。国外先进工业国家的焊接自动化技术发展水平较高，自动控制技术在焊接中的应用较为成熟，如瑞典的ESAB公司生产的AD1、AD2系列管焊；法国的POLYSOUDE公司生产专业的AUTOTIG140焊管型的焊机国外研究进展：

Cranfield大学是基于PC为基础而通过VMF总线控制台采用串行通讯模式对焊接外部设备、焊接机械结构的各个传动轴以及气体流量的开关阀等进行在线实时监测控制，而且其焊接参数都存储在主PC的数据库当中，以实现自动焊接作业等。05二月2023福州大学硕士论文答辩一、论文立题依据和研究意义

国内研究进展：

我国焊接自动化技术的发展与应用始于上世纪80年代，在国家攻关计划和863计划的支持下开展。企业及高校也取得较大的成果如：①清华大学与北京石油大学联合成功了研制球罐焊接机器人。②清华大学与中石油管道局合作成功了开发的长输管线环缝全位置自动焊接机器人。③山东大学通过采用凸轮仿形原理而对焊接自动化设备进行了专题研究，因为纯属于机械结构的控制，故其具有柔性较低的缺陷等。05二月2023福州大学硕士论文答辩一、论文立题依据和研究意义

（3）国内焊接自动化技术存在较大的差距及发展的趋势：

虽然近年来我国在自动化焊接方面获得了快速发展，但总的来看，与国外先进技术发展相比，我国自动化焊接设备的技术水平及工程应用还存在一定的差距具体表现在：d)焊接自动化装备技术上c)网络化系统集成性能上a）全数字化焊接电源控制性能上

b)智能化控制性能上

05二月2023福州大学硕士论文答辩二、论文的主要研究内容及创新点（1）主要研究内容：本文针对传统焊接方式在大行程复杂形体焊接中存在行程不够和容易产生干涉等问题，开发了大型复杂构件的数控焊接机床，经过模拟仿真，该系统能够解决上述问题，并且具有较强的通用性和灵活的编程能力，研究成果对新型数控机床的开发具有一定的参考意义，其内容如下：a)在数控焊接机械系统方面；b)在自动编程方面；c)在系统硬、软件方面；d)在数控仿真方面。05二月2023福州大学硕士论文答辩二、论文的主要研究内容及创新点（2）创新点：

1）提出了五联动数控焊接机床完整、高效的焊接加工技术方法，克服了大行程复杂构件的传统焊接技术的不足；

2）提出了结合CREO、ABAQUS、PowerMILL编程软件以及VERICUT仿真软件进行新型数控机床的研究开发，是一种非常有效的方法。使用该方法可以大大地优化机床结构、缩短产品开发时间以及节约开发费用等。05二月2023福州大学硕士论文答辩二、论文的主要研究内容及创新点3）焊接机床数控系统采用了“PMAC卡+IPC”开放式数控结构形式，大部分的控制工作(如插补计算、脉冲分配等)由上位机来完成，简化了硬件结构，软件的通用性好，编程处理灵活，并且大大降低了机床成本；功能接近焊接机器人，成本低、维修方便。4）提出了在PowerMILL系统平台上开发廉价且专业的焊接虚拟离线自动编程系统。05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

1）数控焊接机床系统总体技术研究05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

机械、焊接设备系统1）X/Y/Z轴的工作行程分别是3000mm/2000mm/1500mm；2）A轴（摆动轴）的摆动角度为-120°～+120°；3）C轴（回转轴）的回转角度为0～400°。C轴可通过软限位在一定的角度范围，如0～400°，这样既能实现整周的连续焊接加工，又可避免线缆和焊丝产生缠绕现象；4）根据焊件加工精度及效率，制定数控焊接机床的定位精度为±0.02／1000mm；5）重复定位精度为0.02mm；6）最大直线移动速度为15m/min。05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

机床主体机械结构静、动态特性分析

焊接结构床身；材料为：Q235碳素结构钢；密度ρ=7.8kg/m2；杨氏模量E=200Gpa；泊松比μ=0.3。

在重力作用下，机床在Z轴方向上的最大变形量为0.6mm，不能满足该机床的工艺精度要求，需对影响Z轴形变的支承结构加以改进。为此，通过加大悬臂轴Y轴支座宽度，并结合“等强度思想”的设计理念重新设计修改Y轴导轨的方案。如图2-7所示，其在自重下，Z轴方向上的最大变形量为0.0062mm，并且经过计算分析得出其应力值远低于材料的强度极限，应力集中不会影响床身的刚度，所以满足其工艺精度要求。05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

机床主体机械结构静、动态特性分析

机床的固有频率都在正常工作频率范围以外，由此可以看出其机床动态性能较好。即使该机床的前几阶的固有频率比较低，会在机床的开关机时会出现共振现象，但是在正常工作状态下的激振频率远大于固有频率，因此该现象不影响该机床工艺精度，此设计满足设计需要。

05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

2）焊接CAM及后置处理器研究(1)焊接作业对象零件建模图形数字化处理阶段

(2)后置处理阶段(3)数控操作设定阶段(4)数控焊接机床焊接作业阶段数控焊接机床的工作原理流程：

05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

后置处理器的构建

本论文研究的基于PMAC的控制系统程序代码格式与PowerMILL系统自带的FANUC系统基本兼容，但由于五轴机床结构以及参数等不同，所以选用系统自带的PM-post后处理编辑模块，并结合特定的数控机床结构类型，对照说明书进行机床结构、运动形式和指令等参数的配置，构建出一个新的后处理文件。

最后将前置处理生成的刀位轨迹文件通过新配置的后置处理器进行后置处理并生成NC程序代码。05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

3）数控焊接机床开放式数控系统设计硬件构建

05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

软件构建

05二月2023福州大学硕士论文答辩三、论文的关键技术及其实现

根据对数控焊接机床的硬件系统与用户需求的双重分析，系统上位机应用程序主要包括系统初始化、参数设置与显示、手动操作、自动操作、单行命令、程序下载以及与PMAC断开的7个模块

05二月2023福州大学硕士论文答辩四、总结与展望

针对大行程复杂焊接构件的自动化焊接，本文开展了以下研究工作：1）应用CREO高端三维软件设计了一款五轴联动的数控焊接机床本体结构，并对其进行了运动仿真和有限元分析。总结2）对焊件的焊缝轨迹进行规划，应用PowerMILL软件对焊缝轨迹进行自动编程，开发了专用后置处理器，生成了数控程序代码，生成的NC程序在VERICUT中得以验证。05二月2023福州大学硕士论文答辩四、总结与展望

3）根据数控焊接工艺要求，制定了数控焊接机床数控系统软硬件方案。构建以IPC为上位机、PMAC2A-PC/104卡为下位机的开放式数控焊接机床数控平台；基于VC++开发了数控焊接机床的软件系统。总结05二月2023福州大学硕士论文答辩四、总结与展望

1）获得的研究结果只是通过软件仿真分析加以验证，未能进行实际的焊接