直缝自动焊机结构及运动控制系统设计.doc

济南大学毕业设计
1 前言
1.1 选题背景及意义
目前国内的焊接技术的发展，由于自动控制系统、可编步伐控制器、微处理机和计算机技术等在焊接出产中的应用，80年代以后，中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动控制，用自动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接出产自动线，较广泛地应用在汽车、船舶、核能、电站、汽锅、矿山机械等行业中，不断提高焊接出产的自动化程度。其中直缝焊接技术近年来也结合自动控制系统、可编步伐控制器、微处理机和计算机技术逐步走向自动化，并可以得到焊接表面比较清洁，焊缝比较完美地效果。然而很多企业还是通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接出产线和柔性打造系统，使焊接机械化与自动化技术相结合，可见目前国内的直缝自动焊机的发展还不是很完善，还有许多需要改进的地方，比如国内生产的直缝焊机焊缝易出现夹渣、气孔等缺陷，开发先进的控制技术，以提高直缝自动焊机的稳定性和抗干扰性以及得到高质量的焊缝是目前直缝自动焊机急需解决的问题。因而设计一个可以满足目前高要求，低成本的直缝自动焊机是很有必要的。
1.2 设计内容
直缝（纵缝）应用广泛。本次设计的直缝自动焊机主要用于完成壁厚0.5mm-6mm薄壁筒体、锥形筒、平板或一端开口的方形盒体对接直缝焊接。而且对焊缝的要求很高，要求其外观美观，纹路均匀，焊缝宽窄、高低基本一致以及焊缝表面不得有裂纹、未熔合、夹渣、咬边和凹坑等，为此设计直缝自动焊机的主要内容如下所示。
设计内容包括机械部分和电气部分，主要内容如下：
(1)机械部分总装配图及配套零部件图：根据个人设计方案绘制，符合国家标准；
(2)电气设计部分：相关电器原理图，以及单片机控制程序；
(3)主要计算内容：X轴，Z轴尺寸计算，滚珠丝杠的设计计算，导轨及轴承的选用，步进电机的选型计算，齿轮的选择计算等；
(4)设计说明书得编写：符合设计要求。
设计完成后，需要根据具体的设计方案内容，编写相关程序并调试、搭接电路出来的，仿真执行情况等。
具体设计内容：根据直缝自动焊机结构与运动控制系统的设计要求，我们需要设计其结构与运动控制系统。故而设计的主要内容是：焊接电源的选择，其输出功率和焊接特性应与拟用的焊接工艺方法相匹配，并装有与主控制器相连接的接口；焊接机头用的移动机构，其由焊接机头，焊接机头支承架，悬挂式拖板等组成，其驱动系统应采用步进电机；焊件移动或变位机构，如焊接滚轮架，头尾架翻转机，回转平台和变位机等；焊件夹紧机构；主控制器的设计，亦称系统控制器，主要用于各组成部分的联动控制，焊接程序的控制，主要焊接参数的设定，调整和显示，必要时可扩展故障诊断和人机对话等控制功能；计算机软件设计，焊接设备中常用的计算机软件有：编程软件。
实现的主要功能：实现油箱的直缝自动焊接，采用先进的单片机控制系统，人性化的人机操作界面，自动化程度高，性能稳定可靠。
设计实现的方式主要是根据查阅的相关资料（包括书籍、论文、期刊文献、设计手册等）以及设计要求（包括工作温度，工作环境等），以及对国内外直缝自动焊机发展的情况等相关知识的认知，加上通过实习对直缝自动焊设备的进一步了解，对于直缝自动焊机结构与运动控制系统的设计各个部分总体设计，以完成预计实现的的设计要求。

2 设计参数及方案
2.1 初始参数
本次毕业设计题目的是直缝自动焊机结构及运动控制系统设计，根据设计题目以及以下的相关设计要求进行为期三个月的设计。
本次设计主要完成设计要求：
（1） 用于油箱卷板纵缝的焊接，板厚0.5-6.0mm；
（2） 焊接工件的直径200-600mm；
（3） 焊接工件的有效长度（焊枪垂直状态）<1000mm；
（4） X轴，Z轴的脉冲当量是0.01mm/脉冲；
（5） 焊接移动速度范围：100-1600mm/脉冲；
（6） 伺服驱动使用步进电机；
（7） 要有硬件限位保护；
（8） 控制部分需要采取抗干扰措施；
（9） 使用年限五年，每年工作三百天，每天三班制；
（10） 基于单片机控制器的数控装置应有键盘和LED显示。
2.2 总体方案
因为设计内容要求有机械设计和电气设计部分，机械结构设计部分，主要采用如下结构：
机械结构部分设计：
（1） 采用双立柱结构，主要由床身、三爪卡盘夹具、横梁导轨、焊枪升降机构、 电气控制系统等组成。
（2） 焊枪采用在Z轴上升降。
（3） 步进电机驱动的焊枪直线移动及导轨。
（4） 三爪卡盘夹具保证自动调心，以及焊缝背面成形。
（5） 可调节两个三爪卡盘之间的距离。
电气部分设计：
由于数控系统按运动方式可分为点位/直线控制，系统点位控制系统和连续控制系统。由于直缝自动焊机在焊接过程中主要运动是调节焊枪的垂直位置以及焊枪所在的Z轴沿着X轴水平移动，之中不涉及到工件运动的同时焊枪也运动，故而，在选择数控系统时可以选择点位控制系统。电气部分包括伺服系统以及控制系统的设计，其中伺服系统采用开环系统，开环系统中，不带检测装置，没有反馈电路，指令信号是单方向传送的。开环系统主要是由步进电机驱动的。步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，比较适合控制精度要求不高，运动速度低的场合，由于焊机的运动速度比较低，故选择步进电机比较合适，而且其系统结构简单，成本低廉，容易控制、调试和维修。控制系统则选用采用先进的单片机控制系统，人性化的人机操作界面，自动化程度高，性能稳定可靠。通过程序控制自动焊接过程。其具有独立调速电路，数码显示焊枪行走速度。也具有“调整/自动”功能：调整状态可调整焊枪行走速度、焊枪对中焊缝及焊枪高度和焊接长度的调整。自动状态可实现焊接过程的自动完成。具有速度数码显示、焊接长度数码预置等功能。以下附有总的方案设计图2.1以及单片机控制系统图系统原理图2.2。

图2.1 系统原理图

图2.2 单片机控制系统结构简图

3 焊机进给伺服系统机械部分设计
3.1 焊机基本结构设计
3.1.1 X轴结构设计
在设计X轴的结构时，首先我们根据控制系统的相关要求可以知道X轴由步进电机控制，因而我们需要其由滚珠丝杠螺母副带动，而且X轴滚珠丝杠需带动Z轴导轨通过滑块在X轴上运动，所以我们需要滚珠丝杠两端由角接触球轴承两端支撑，并施加预紧力。采用双推-双推支承方式，这样刚度好，并且可以减少由于丝杠自重产生的变形和补偿热膨胀，从而使刚度更高。从上面的分析我们可以知道，在X轴上主要安装的有步进电机，减速箱，滚动轴承以及滚珠丝杠，设计其结构时主要考虑与这些部件的配合尺寸，即根据步进电机，减速箱，滚动轴承以及滚珠丝杠的尺寸设计X轴的结构尺寸。
3.1.2 Z轴结构设计
在设计Z轴的结构时，根据上面X州的设计可以知道，Z轴同样也是由步进电机控制的，也需要滚珠丝杠螺母副带动，且其其轴上安装有用来安装焊枪的焊枪座以及用来安装焊枪座的安装板，他们都有一定的质量，故而滚珠丝杠两端采用角接触球轴承两端支撑，并施加预紧力。采用双推-双推支承的方式，这样即可以满足刚度要求，也可以减少由于丝杠自重而产生的变形和补偿热膨胀。
3.1.3 夹具结构设计
由于设计的直缝自动焊机主要是用于油箱卷板纵缝的焊接，需要定位夹紧的工件是空心卷板，借鉴环缝自动焊机的夹具结构，同样此处我们也可以选用三爪卡盘的结构，不过改进以下该结构，采用内三爪卡盘（爪伸出型）定位，夹紧则是用普通三爪卡盘只不过采用反爪，由三爪卡盘卡着卷板内孔，同样通过夹紧扳手上一对锥齿轮的运动夹紧卷板的方式进行定位夹紧。在设计中需要一头一尾两个卡盘，一端固定，一段浮动。 由于三爪卡盘是自动调心机构，因而可以加工不同直径的工件，并且其为标准件，只需要根据需要选择相应的尺寸安装使用即可，不需要自己进行设计，且其结构简单，运用方便。
3.2 初定焊机部件尺寸及重量
在设计计算之前，首先我们要根据前面的要求，初步确定一下后面设计计算重要用到的一些参数，由于我们设计的直缝自动焊机主要是用来焊接卷板油箱的直缝，缝一般长度不超过800mm，板厚为6mm左右，当然还有一些具体的使用与设计要求，我们在设计计算时，都应一一满足。
根据设计的参数要求如下表3.1：

表3.1 参数设计要求
控制电源
单相 50Hz AC 200V
焊接工件厚度
0.5～6.0mm
焊接工件直径
600mm≥φ≥200mm
焊接工件有效长度
≤800mm（焊枪垂直状态）
焊枪移动速度范围
100～1600mm/min
焊枪升降行程
200mm
焊枪手动微调距离
X向±30mm、Z向±30mm
主机最大允许焊接电流
500A

根据上面的参数要求，我们初步确定关于Z轴方向的尺寸及重量，由于Z轴上有用于焊枪的焊枪座以及用于连接焊枪座与十字滑块尺寸的安装板，初定安装板的尺寸为：长*宽*高为400*200*20（mm）材料为低碳钢，焊枪座的尺寸为：长*宽*高为100*100*20，材料为低碳钢，估计二者的总重为800N。其中需要加工的工件的最大尺寸：长*宽*高为800*600*6mm，其重量主要由三爪卡盘承担，故在这里不将其计入重量要求中。
初步确定X轴上移动部件的重量，也就是整个Z轴的重量，初步估计为1600N。
另外，由于Z轴只是进行焊枪位置的移动，并不进行该方向的焊接，故Z方向的切削力为零，同时，X方向由于进行X方向的焊接，故X方向的焊接阻力设为1000N。

4 焊机进给伺服系统机械部分计算
4.1直缝自动焊机Z轴机械部分的计算
4.1.1滚珠丝杠螺母副的设计、计算、选型
（1）滚珠丝杠螺母副的结构设计
在选择滚珠丝杠螺母副的结构时，由于考虑到在满足同样精度要求下，外循环螺旋槽式的滚珠丝杠的工艺简单，与其配合的螺母的外径尺寸小，所以我们选择了外循环螺旋槽式的滚珠丝杠螺母副。而对于滚珠丝杠的预紧方式的选择，考虑到螺纹式预紧方式的结构紧凑，工作可靠性，我们选择了螺纹式预紧。
（2）滚珠丝杠螺母副的设计计算
a) 计算进给率引力
由于作用于Z轴的进给率引力主要是由焊枪及送丝机的重力产生的，故F=800N。同时由于Z轴上的运动速度比较低，为了避免爬行现象我们选用滚动导轨。
b) 计算最大动载荷C
在计算选用滚珠丝杠副的直径时，首先必须保证在一定的轴向载荷的作用下，在丝杠回转了100万转以后，在它的滚道上不会产生点蚀现象。而这个最大的轴向载荷值就称为最大动载荷C，可以用下面的公式进行计算：
C= (4-1)
公式中 L—代表丝杠的寿命，它是以100万转为单位的，
L= (4-2)
n— 代表丝杠转速，（r/min）,用下面的这个公式计算：
n= (4-3)
V—代表最大切削力下的进给速度（m/min）,可取最大进给速度的1/2-1/3；
L—是初选的滚珠丝杠导程，（mm）
T—机器的使用寿命要求
f—机器的运转系数，一般取1.0-1.5
由于结合本次直缝自动焊机的设计的要求可知：最大进给速度为0. 1m/min,故V=0.1/2=0.05m/min,初选丝杠导程L为5mm，工作时间为五年，每年300天，每天按三班制工作。
代入公式（4-3）可以得到：
n== =10r/min
T=530083=36000h
代入公式（4-2）可得：
L= = =21.6
代入公式（4-1）可得：
C===2673.86N
最后根据最大动载荷来选择所需要的滚珠丝杠的直径，通过查阅《机电专业课程设计指导书》p158页表3可得，选择W1L2505,2.5圈每列，，其额定动载荷为13100N，精度等级按表3-15选三级。显然额定动载荷13100N远大于计算出的最大动载荷2673.86N，故满足要求。
c) 传动效率的计算
下面这个是用来计算丝杠传递效率的公式
(4-4)
公式中 —代表螺旋升角，WL2505的是3°39′
—为摩擦角，在这里取10′
==0.958
d) 刚度验算
由于滚珠丝杠副的精度对于进给以及焊接精度都有很大的影响，且其中其刚度的变化对加工精度影响最大，并且会影响进给系统的定位精度性以及运动的平稳性。而刚度的变化主要由于轴向变形产生的，因此应该考虑引起变形的主要因素，其中丝杠的拉伸或压缩量在总的变形中占得比重最大，故而，我们主要考虑它。
先通过公式计算受工作载荷F的作用时引起的丝杠导程L的变化量△L，再计算此时滚珠丝杠总长度上的拉伸和压缩量。
△L=== (4-5)
△L—是在工作载荷F的作用引起的丝杠导程L的变化量mm；
F—是工作负载，单位为N；
L—滚珠丝杠的初选导程，此处选择的是5mm；
E—丝杠材料的弹性模数，对于钢：E=20.6（N/mm）；
F—滚珠丝杠的截面积mm。
接着计算丝杠长度拉伸或压缩的变形量mm
=△L/LL=4.12/5=3.30mm (4-6)
可知=3.30mm<0.03mm/2=0.015mm,即滚珠丝杠的变形小于机床精度要求变形的一半，可见所选丝杠的直径是合适的。
e) 稳定性检验
对于已选定的尺寸的滚珠丝杠，在给定的支承的条件下，滚珠丝杠在承受最大轴向负载时，应该验算丝杠有没有产生失稳的危险。
其中产生纵向弯曲的临界负载F可以用下面的公式来计算：
F= (4-7)
公式中I—截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩I=（丝杠螺纹的底径） (4-8)
E—所选材料的弹性模数，对于钢：E=20.6（N/mm）；
l—丝杠两端支撑的距离（mm）
f—滚珠丝杠支承的长度系数。两端简支取1.0。
其中为丝杠螺纹的底径是24.5mm代入公式（4-8）可得：
I===17677.22 mm
代入公式(4-7)可得：
F== =2.24N
= F/ F=2.24N/800N=280 []=4
显然稳定性验证符合要求，选用是合格的。
4.1.2滚珠丝杠螺母副的几何参数计算
由上面的设计计算以及验算可以知道我们选择的滚珠丝杠的尺寸是可以满足设计要求的，下面我们来计算一下W1L2505,2.5圈每列的相关几何参数。
表4.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数

名称
符号
计算公式
WL2505
螺纹滚导
公称直径

25
螺距

5
接触角

3°39′
钢球直径

3.175
滚道法面半径
R
R=0.52
1.651
偏心距
e
e=(R-/2)sin
0.056
螺纹升角

=arctan(/)
3°39′
螺杆
螺杆外径
d
d =-(0.2-0.25)
24.20
螺杆内径

=+2e-2R
21.81
螺杆接触直径

=-
21.83
螺母
螺母螺纹
D
D=-2e+2R
50
螺母内径（外循环）
D
D=+0.2-0.25)
25.79
这样我们就完成了Z轴机械部分的结构与尺寸设计。
4.2直缝自动焊机X轴机械部分的计算
4.2.1滚珠丝杠螺母副的设计、计算、选型
（1）滚珠丝杠螺母副的结构设计
在选择滚珠丝杠螺母副的结构时，考虑到在满足同样精度要求下，外循环螺旋槽式的滚珠丝杠的工艺简单，且与其配合的螺母外径尺寸小，我们选择了外循环螺旋槽式的滚珠丝杠螺母副。对于滚珠丝杠的预紧方式的选择，考虑到螺纹式预紧方式的结构紧凑，工作可靠性，我们选择了螺纹式预紧。
（2）滚珠丝杠螺母副的设计计算
a) 计算进给率引力
由于作用X进给率引力主要是由Z轴的重量以及X方向的焊接阻力设为1000N.
F=KF+ (4-9)
公式中K—为考虑颠覆力矩影响的实验系数，滚动导轨取K=1.15；
—滚动导轨的摩擦系数，一般取0.0025-0.005；
G—移动的重量1600N
代入公式得（4-9）得
F=KF+=1.15=1158N
X轴上主要进行的运动是直缝的焊接，为了保证焊缝的焊接深度以及焊缝的干净、整洁，焊接的速度一般要求比较低，同样为了避免爬行现象我们选用滚动导轨。
当然滚动导轨还有其他优点，后面有详细的介绍。
b) 计算最大动载荷C
在设计计算选用滚珠丝杠副的直径时，首先必须保证在一定的轴向载荷的作用下，在滚珠丝杠回转了100万转以后，在它的滚道上不会出现点蚀现象。而这个最大的轴向载荷的值就称为最大动载荷C，可用下面的公式计算：

C= (4-10)
公式中的L可以用前面介绍过的这个公式来计算，就是下面这个公式：
L= (4-11)
公式中的n是滚珠丝杠的转速（r/min），用下面的这个公式计算：
n= (4-12)
由于结合本设计的要求可知：最大进给速度为1.6m/min,故V=1.6/2=0.8m/min,初选丝杠导程L为8mm，工作时间为五年，每年300天，每天按三班制工作。
代入公式（4-12）可以得到：
n== =100r/min
T=530083=36000h
代入公式（4-11）可得：
L= = =216
代入公式（4-10）可得：
C===8337.6N
根据最大动载荷选择滚珠丝杠的直径，查阅《机电专业课程设计指导书》p158页表3可得，选择WL5008,2.5圈每列，，其额定动载荷为23400N，精度等级按表3-15选三级。显然额定动载荷23400N远大于计算出的最大动载荷8337.6N，满足设计要求。
c) 传动效率的计算
再次运用前面介绍过的公式计算丝杠的传动效率如下：
(4-13)
公式中—螺旋升角，WL5008的是2°55′；
—为摩擦角，此处取10′
==0.945
d) 刚度验算
由于滚珠丝杠副的精度对于进给以及焊接都有很大的影响，其中其刚度的变化对加工精度影响最大，会影响进给系统的定位精度以及运动的平稳性。而刚度的变化主要由于轴向变形，因此应该考虑引起变形的因素，其中丝杠的拉伸或压缩量在总的变形中占得比重最大，故而，我们主要考虑它。
先用公式计算在承受工作载荷F的作用时，引起的丝杠导程L的变化量△L，再设计计算滚珠丝杠总长度上的拉伸和压缩量。
△L=== mm (4-14)
L—滚珠丝杠导程─8mm；
E—所选材料的弹性模数，对钢E=20.6（N/mm）；
F—滚珠丝杠的截面积mm。
在设计计算滚珠丝杠长度的拉伸或压缩的变形量mm
=△L/LL=/8=0.006 (4-15)
可知=0.006mm<0.03mm/2=0.015mm,即滚珠丝杠的变形小于机床精度要求变形的一半，可见所选丝杠的直径是合适的。
e) 稳定性检验
在给定的支承的条件下对于已选定的尺寸的丝杠，当承受最大轴向负载时，应该验算丝杠有没有产生失稳的危险。
产生纵向弯曲的临界负载F可以用下式计算：
F= (4-16)
公式中I—截面惯性矩（mm）,丝杠截面惯性矩I=（丝杠螺纹的底径）(4-17)
E—所选材料的弹性模数，对于钢：E=20.6（N/mm）；
l—丝杠两端支撑的距离（mm）
f—丝杠支承长度系数。两端简支取1.0。
其中为丝杠螺纹的底径是48.5mm代入公式（4-17）可得：
I===2.7mm
代入公式(16)可得：
F== =1.37N
= F/ F=1.37/1158=118 []=4
所以符合稳定性的要求。
4.2.2滚珠丝杠螺母副的几何参数计算
由上面的设计计算以及验算可以知道我们选择的滚珠丝杠的尺寸是可以满足设计要求的，下面我们来计算一下W1L2505,2.5圈每列的相关几何参数。
表4.2 滚珠螺母副的几何参数

名称
符号
计算公式
WL5008
螺纹滚导
公称直径

50
螺距

8
接触角

2°55′
钢球直径

4.763
滚道法面半径
R
R=0.52
2.478
偏心距
e
e=(R-/2)sin
0.068
螺纹升角

=arctan(/)
2°55′
螺杆
螺杆外径
d
d =-(0.2-0.25)
48.80
螺杆内径

=+2e-2R
45.18
螺杆接触直径

=-
49.78
螺母
螺母螺纹
D
D=-2e+2R
75
螺母内径（外循环）
D
D=+0.2-0.25)
51.19
4.3滚动导轨的计算和选型
当前滚动导轨在数控型机床上的应用非常广泛，因为它与滑动导轨相比具有以下优点：
（1） 滚动导轨的摩擦系数小，其摩擦系数一般在0.0025-0.005范围内，而且运动灵活。
（2） 滚动导轨的动、静摩擦系数基本相同，且其启动阻力小，还不宜产生爬行现 象，低速运动时灵活性好。
（3） 滚动导轨以预紧，以便提高其刚度和抗振性，时期能够承受较大的冲击和振动。
（4） 滚动导轨的运动平稳，定位精度高，微量移动准确。
（5） 滚动导轨的保养方便，并可以用脂润滑，一次填充，可长期使用。
（6） 滚动导轨使用寿命长，其使用耐磨性材料制作而成，摩擦小，精度保持性好。
本次设计选用的是滚珠式导轨，循环式，截面积为矩形型。
4.3.1 X轴导轨计算
计算四方向等载荷窄型滚动导轨副的承载能力的额定动载荷负载用C表示，和额定静载荷用C表示。
其额定寿命按下式计算：
L= （4-18）
公式中L—导轨需满足的额定寿命（km）
—行程长度（m）,X轴设计要求为1000mm,
—每分钟往复的次数
—m小时为单位额定寿命。
代入公式（18）可以得到：
L===720000
其中额定寿命L与额定动载荷C的关系式为：
L=（）K(km) (4-19)
公式中—为硬度系数，此处取=1.0
—为温度系数，此处取=1。0
—为接触系数，此处取=1.0
—为精度系数，此处取=0.9
P—为实际工作载荷，此处取X轴为1158N
K—为额定寿命单位，滚珠K=50（km）
根据公式（19）计算额定动载荷C，则有：
C= (4-20)
这样根据公式（20）计算X轴的滚动导轨的额定动载荷，如下：
C= = =37.56
根据计算出来的动载荷查表选用JSA-LG45四方向等载荷窄型滚动导轨副，其C=42.5KN，C=71KN。显然满足要求。
4.3.2 Z轴导轨设计
循环式直线滚动导轨副的承载能力的额定动载荷负载C和额定静载荷C表示。
额定寿命按下式计算：
L= (4-21)
公式中L—为导轨需满足的额定寿命（km）
—行程长度（m）,Z轴设计要求为400mm,
—每分钟往的复次数，此处为5
—m小时为单位额定寿命。
代入公式（4-21）可以得到：
L===144000
其中额定动载荷C与额定寿命L的关系式为：
L=（）K(km) (4-22)
公式中—为硬度系数，此处取=1.0
—为温度系数，此处取=1。0
—为接触系数，此处取=1.0
—为精度系数，此处取=0.9
P—为实际工作载荷，而Z轴为800N
K—是额定寿命的单位，滚珠K=50（km）
根据公式（4-22）计算额定动载荷C，则有：
C= (4-23)
这样根据公式（4-23）计算Z轴的滚动导轨的额定动载荷，如下：
C= = =15176N=15.176KN
根据上面计算出来的动载荷查表，根据计算出来的载荷选择运用JSA-LG25四方向等载荷窄型滚动导轨副，其C=17.7KN, C=22.6KN。其额定载荷显然满足设计的要求。

4.4减速箱的设计
4.4.1 X轴方向齿轮箱传动比计算
在前面的要求中我们已知X轴方向的的进给脉冲当量，在这里我们初步选定步进电机的步距角为0.75度，因为前面选定的X轴的滚珠丝杠的导程为8mm,。这样就可以计算出需要设计的齿轮箱的传动比i：
==0.6=24/40
4.4.2 Z轴方向齿轮传动比计算
同样在前面的要求中我们已知Z轴方向的进给脉冲当量，在这里我们也初选步进电机步距角0.75度，因为前面选定的Z轴的滚珠丝杠导程为5mm。可以计算出传动比i：
==0.8=32/40 (4-23)
因为进给运动的齿轮受力不大，故模数m取2，有关参数请参照下表4.3，而且为了消除齿轮侧间隙，可采用双片齿轮，这样齿宽可以加大（6-10）m。
下面的表格是X轴的齿轮减速箱以及Z轴的齿轮减速箱的大、小齿轮的相关参数的具体情况。
表4.3 齿轮参数
齿数

32
40
24
40
分度圆
d=mz
64
80
48
80
齿顶圆
d=d+2m
68
84
52
84
齿根圆
d=d-2
59
75
43
75
齿宽
(6-10)m
20
20
20
20
中心距
A=()/2
72
64
4.5步进电机的计算与选型
4.5.1 X轴步进电机计算
（1） 对于X轴的等效转动惯量计算
将传动系统折算到电动机轴上的总的传动惯量，用下面的公式计算：
]
公式中：—为步进电机转子转动惯量（ ）
、—为齿轮、的转动惯量（ ）
—为滚珠丝杠转动惯量（ ）
参考其他机床的步进电机选用情况，这里我们初步选择150BF002型号的步进电机，查表可以知道它的转动惯量为10（）。
===0.796
===6.39
=37.642=75.28
W=1158N
代入上面的公式可以得出：
]
=10+0.796+
=40.88
另外考虑步进电机与传动系统的惯量的相匹配问题，用下面的公式计算匹配性：
/J=10/40.88=0.25
得出匹配性为0.25，故基本满足惯量匹配的要求。
（2）电力矩计算
由于直缝自动焊焊机在不同的工作状况下，所需要的转矩不同，下面分别按各阶段计算其所需要的转矩情况：
快速空载起动力矩
在快速空载启动阶段时，加速力矩占得比例比较大，具体计算公式如下：
=
M=

将前面与X轴相关的数据代入上面的公式，公式中各个符号的意义与之前相同。
==333.33r/min
启动加速时间=30ms
M==40.88=475.41N
折算到电机轴上的摩擦力矩M：
M====31.85 N
附加摩擦力矩M
M====5.61 N
将上面的的三项合计：
=M+ M+ M=713.1N+31.85 N+5.61 N=512.87 N
快速移动时所需要的力矩M
M= M+ M=31.85 N+5.61 N=37.46 N
最大焊接负载时所需的力矩M
M= M+ M+M= M+ M+
=31.85 N+5.61 N+=148.1 N
从上面的计算可以看出，、M、M三种情况下，以快速空载起动所需力矩最大，因此以此项作为选择步进电机的依据。
从机电设计指导书的表3-24可查得，由于我们选择的步进电机是150BF002步进电机，它是五相十拍的，故其传动效率为：
=0.951
最大静力矩
M===539.30 N
按此计算得到的最大静力矩从机电专业指导书的表3-23中查得，150BF002型步进电机的最大静转矩为13.72N。大于所需要的最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频率特性和运行矩特性。
（3）计算步进电机空载起动频率和焊接时的工作频率
==2666.7HZ
==166.7HZ
从表3-23中查出150BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为2800HZ，运行频率为8000HZ,，刚好可以符合要求，所以所选步进电机合格。
4.5.2 Z轴步进电机计算
（1）Z轴等效转动惯量计算
将传动系统折算到电动机轴上的总的传动惯量，用前面介绍过的面的公式计算，参考其他机床选用的步进电机，初步选定90BF002型步进电机，查表可以知道它的转动惯量为1.80（）。
===2.62
===6.39
=2.240.4=0.896
W=800N
代入上式：
]
=1.8+2.62+
=9.41
接着考虑步进电机与传动系统惯量的相匹配问题，用下面的公式计算匹配性：
/J=1.8/9.41=0.19
得出匹配性为0.19，基本满足惯量匹配性的相关的要求。
（2）电力矩计算
由于直缝自动焊接焊机在不同的工作状况下，其所需要的转矩不同转，下面分别按各阶段计算：
快速空载起动力矩
在快速空载启动阶段时，加速力矩占得比例比较大，具体计算公式跟前面计算X轴时的一样，这里就不再陈述。
将前面与Z轴相关的数据代入前面的那个公式，公式中各个符号的意义与之前相同。
==20.83r/min
启动加速时间=30ms
M==9.41=6.83N
折算到电机轴上的摩擦力矩M：
M====17.91 N
附加摩擦力矩M
M====6.45 N
将上述三项合计：
=M+ M+ M=6.83N+17.91 N+6.45 N=31.19 N
快速移动时所需要力矩M
M= M+ M=17.91 N+6.45 N=24.36 N
从上面的计算可以看出，、M两种情况下，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为选择步进电机的依据。
从机电专业指导书中的表3-24可以查得，我们选用的步进电机是90BF002，它是三相六拍的，其效率用下面的公式计算。
=0.866
最大静力矩
M===36.02N
按此计算出的最大静力矩从表3-23中查出，90BF002型最大静转矩为3.92N。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频率特性和运行矩特性。
（3）计算步进电机空载起动频率
==166.7HZ
从表3-23中查出90BF002型步进电机允许的最高空载起动频率为3800HZ，运行频率为8000HZ,，可以符合要求，所以所选步进电机合格。

5 直缝自动焊机控制系统设计
由于近年来数控技术广泛应用于焊接机，使得焊接自动化程度显著提高，也使得数控制技术在机械行业得以广泛应用。在本次直缝自动焊机的设计中我们也运用了数控技术，以下是详细介绍。
5.1电气控制的总体电路设计
根据前面确定的总体方案以及焊机结构的控制要求，确定硬件电路总体方案，绘制如下的系统硬件框图5.1。
光电
隔离
RAM ROM
I/O
接口
功率放大器
接口
步进
电机
接口
外设、显示器、键盘及其他
单片机

图5.1 焊机数控技术硬件框图
本次设计中我们主要通过单片机去控制焊机的运动，其中主要是控制直缝自动焊机的启动，开始焊接，焊接速度，焊接位置以及焊接停止等等，在这其中需要有控制面板各个按键的键入，这就需要用到键盘电路，也需要有焊机速度的显示的功能，我们就需要用到显示电路，当然，由于我们设计的焊机，它焊接的工件的长度是有限的，也是变化的，这样我们就需要控制自动焊机焊接停止的位置，这里我们设计的是通过两个限位开关，外加越界报警电路来控制直缝自动焊机的焊接长度，和焊接停止的操作。具体的情况可以分为下面将分别介绍。
在本次设计中，我们在选择微机系统的CPU时，考虑到单片机微机系统的结构简单，功能强大以及经济实惠，并可以满足设计的要求，故而选择MCS-51系列单片机。我们都知道单片机单一电源、体积小、低功耗、重量轻、功能强，价格低廉、抗干扰能力强、运算速度快、可靠性高等。因而单片机是控制实时控制系统最好的选择， 在8051系列的单片机中，我们运用最多的是8031，此次设计我们也运用了8031单片机作为我们的控制系统的CPU。
当然正是由于CPU我们选择的是8031，而8031单片机的内部程序存储器的容量是有限的，我们往往需要扩展64K的程序存储器，同样8031内部也只配有128位的数据存储器，也需要扩展64K的数据存储器，加上我们还要设计显示电路，键盘电路，以及其他掉电保护电路，以及越界报警电路等等这些电路，我们就还需要扩展一些其他的外围芯片，像8255这样的并行接口芯片等等。这样我们就面临了一个新的问题，就是我们如何能让单片机在访问外部程序时不至于发生冲突呢？我们就需要应用到地址的锁存的地址锁存器以及地址分配的译码器电路，把8031外部地址空间分配给那些我们扩展的外围芯片，并且不能让的各个芯片之间的地址产生重叠，这里我们选择片选法来译码。
外围芯片的选择上，我们选择了两片程序存储器2764 芯片 和一片数据存储器RAM6246芯片。接口电路选择的是两片8255。通过上面选择两片2764 芯片 和一片RAM6246芯片来实现程序扩展电路的设计以及相关功能要求的实现，而8255主要是承担的I/O口的作用，连接外部与8031,传递外界与CPU间信息的传输，指令的操作执行提醒等等，主要实现的是输入/输出接口电路的设计功能，本次焊机的接口电路设计主要有X轴，Z轴的步进电机控制电路，键盘电路，显示电路以及其他像复位电路，晶振电路，掉电保护电路以及越界报警电路等等。
在本次设计中，我们主要选择了程序存储器2764 芯片 和一片数据存储器RAM6246芯片以及两片8255。下面是各个芯片的引脚图：
8031单片机的芯片共有四十根引脚。其引脚图如下：

图5.2 8031引脚图

图5.3 2764引脚图

图5.4 6264引脚图

图5.5 8255引脚图与功能图
5.2具体控制系统电路设计
由于本次设计主要控制的是步进电机进而控制焊机焊枪的焊接运动，而步进电机是一个执行元件，它是机电一体化的关键产品之一, 它广泛地应用在各种自动化控制系统中。本次设计中我们主要是用步进电机控制X轴和Z的运动状况，而我们都知道步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。每当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就会驱动步进电机的运动，并使其按照一定的方向转动一个步距角，当初我们选择的步进电机的布距角是0.75，所以我们在设计控制电路时就需要控制8031每隔一定的时间给步进电机的驱动器发送脉冲，从而控制X轴Z轴的丝杠