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基于伺服驱动的机械工程点焊机设计

时间:2018-12-07 20:49来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇机械工程论文,现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置,使过去的许多幻想成为现实。人类已能上游天空和宇宙,下潜大洋深层,远窥百亿光年。
本文是一篇机械工程论文,现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置,使过去的许多幻想成为现实。人类已能上游天空和宇宙,下潜大洋深层,远窥百亿光年,近察细胞和分子。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇机械工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 课题研究背景及意义
电阻点焊作为压焊技术的一个重要组成部分,通过对待焊工件施加压力并通电,利用电阻热效应将母材金属加热至融化或塑性状态,形成焊点实现金属的牢固连接。因其焊接时通电加热时间短,热量集中,焊件变形小,故电阻点焊特别适用于薄板构件的焊接,并且焊接质量稳定,环境污染小,成本较低,生产效率高,易于实现机械化和自动化,被广泛应用于汽车、航空航天、电子、家用电器等领域[1]。随着新材料、新技术的不断出现以及电阻点焊应用领域的扩大,进一步提高电阻点焊质量尤为重要。电阻点焊过程涉及压力、热量、电流等诸多因素,因此焊接电流、焊接时间和电极压力成为影响点焊接头质量的主要参数[2]。当前,国内外学者在焊接电流、焊接时间对焊接质量的影响机理和控制方法方面已进行了广泛而深入的研究,并取得了一定的进展和成果,通过焊接电源系统精确控制焊接电流和时间来提高焊接质量的技术已相当成熟并得到广泛应用,然而在电极压力控制方面的研究和应用在国内还相对较少。电极压力对点焊质量的影响主要体现在控制飞溅、电极磨损程度、熔核形成等方面,压力过大或过小都不利于点焊质量的控制。为满足不同材料的焊接工艺,电阻点焊设备的加压机构应有良好的随动性和可实现的压力曲线。当前常用的焊接压力控制方法,如气动加压、液压加压、弹簧随动加压、电磁传动加压等,由于加压结构自身固有的缺陷,存在诸如电极压力输出不稳定、压力调整麻烦、电极位移精度不高等缺点,导致点焊质量更加难以控制。为此,急需一种新的点焊加压机构来取代传统的加压机构,运用于汽车工业中的伺服焊枪为解决这一难题提供了新的方案和可能。交流伺服电机控制技术的日渐成熟促进了伺服技术在焊接中的应用,在国外,伺服焊枪已经基本实现商品化,在中频系列点焊机上也有很多采用伺服加压机构。相比于气动加压方式,伺服加压机构有如下优势:(1)对点焊加压过程可实现自动化控制,有利于提高焊接效率;(2)可根据需要实时调整焊接过程中的压力,提高焊接质量;(3)各主要焊接参数可被实时反馈给控制系统,为过程监控、故障诊断和参数补偿提供了可能[3];(4)电极对工件的冲击小,噪声低,有助于改善工作环境和工件的表面质量,延长电极的使用寿命。
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1.2 伺服系统发展现状
20 世纪 80 年代后期,随着新型电机永磁材料的出现以及现代电力电子技术、微电子技术、控制理论和算法、计算机应用技术的快速发展,以往交流伺服系统存在的诸如电机控制复杂、调速性能差等技术难题被相继解决,此外,交流伺服电机无换向器,克服了直流电机结构上的缺陷,因此交流伺服系统成为高精度、高性能伺服驱动系统的主流选择。相比于直流伺服驱动系统,交流伺服系统除能满足工作性能的要求外,还具有如下优点:(1)系统在速度极低时仍能平稳的运行,速度波动小,并且响应速度很快;(2)在电机高速运转区域具有较好的转矩特性,力矩波动小,输出稳定;(3)系统具有很高的转矩/惯量比,可快速启动和制动;(4)系统使用高精度的反馈装置,实现位置的精确控制;(5)采用全数字控制技术和大规模专用集成电路,系统结构紧凑、体积小、可靠性高;随着电机永磁材料制造技术的不断革新以及永磁同步电机性价比的逐步提高,采用永磁同步电机作为驱动电机的交流伺服系统已成为当代伺服系统的主流[4],并且永磁同步电机伺服系统随着自身核心技术的不断进步而向前发展,主要表现在:第一、电力半导体器件。电力半导体器件在伺服系统中负责电能变换与调控,其性能直接影响伺服系统的功耗和响应速度。当前伺服系统采用的电力半导体器件主要为IGBT和IPM[5]。其中IGBT的最大工作电流和最大工作电压可达1600A和3300V以上,开关频率可在50kHz以上,大大提高了伺服系统的性能。而IPM由于集成了功率管、栅极驱动电路和故障检测电路等外围电路,使用更方便,开发更简单,其功率性能与IGBT相似,且功耗更低,抗干扰能力强,具有过电压保护、过热保护等功能,使驱动器工作更可靠。第二、微处理器。伺服控制系统中的控制芯片最早采用的是单片机,随着计算机控制技术的发展以及功能强大的电机专用控制芯片的出现,具有完善电机控制接口的专用芯片如DSP和STM32系列芯片已成为现代伺服控制领域的主流芯片。我国学者在基于DSP以及STM32的交流伺服系统的研究方面也取得了一定的成果,所开发的伺服系统具有良好的响应性能。
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第 2 章 点焊机加压方案设计
 
电阻点焊设备通常由机械系统、供电装置、控制系统三大部分组成,如加压机构、机身、变压器、控制器、冷却系统、焊接回路等。其中加压机构应具有良好的随动性和可实现的压力曲线,一个结构合理、功能完善的加压机构对于实现焊接过程中压力的稳定性、可调性具有至关重要的作用。本文设计的点焊机采用交流伺服电机与伺服驱动单元精确控制电极的运动,能够克服传统气动加压的一些缺点,如对柔性和微小焊接件的冲击较大、电极定位精度较低、焊接质量不稳定、电极损耗较快等,具有良好的动态响应特性和稳定性。
 
2.1 伺服加压点焊机工作原理
由焊接控制系统将预设好的电机运动参数和电极压力参数发送至加压系统,加压系统中的控制器根据接收到的参数发送运动指令给伺服驱动器,驱动器驱动伺服电机按照指定的运动参数旋转,再经过减速机的变速以及滚珠丝杠的运动转换作用,最终实现电极的直线运动。通过改变控制器发送给驱动器的脉冲频率,可以实时调整电极的运动速度,从而实现电极先以较快的速度运动,在接近待焊接工件的表面时降低移动速度,避免压伤工件表面。当电极到达工件表面,由编码器将该位置信号反馈给控制器和驱动器,收到位置信号后由焊接电源输出焊接电流开始焊接,同时驱动器限制电机的输出扭矩以控制电极压力的变化。采用伺服加压机构的点焊机组成结构如图2-1所示。
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2.2 设计原则、设计步骤
 
2.2.1 点焊机设计原则
点焊机在设计时应遵循一定的设计原则,其综合性能应满足如下主要评价指标[23]:(1)保证基本的系统功能,可以准确的实现预定的运动规律或运动轨迹、完成指定的工艺动作。(2)具备合理的运动参数,根据焊接件的工艺要求,合理制定点焊机电极的移动速度、运动行程、定位精度等。(3)焊机应具有可调的驱动能力以满足不同材料的焊接工艺要求,同时噪声级别要低。(4)设备易于操作,方便维护,安全防护级别高,使用寿命长。(5)在保证设备性能的前提下尽可能选择合理的制造方法以达到压缩预算、降低研发成本、提高产品竞争力的目的。(6)在满足焊接工艺的基础上尽可能对焊机的各组成部分合理布局,减小整体的结构尺寸。点焊机机械系统的结构形式和运动定位精度对设备性能和产品的焊接质量起着十分重要的作用,因此在设计时要将机械设备的操作性能、各功能模块的协调设计以及接口匹配问题进行综合分析研究,在满足设备功能和运动性能要求的前提下,从诸多可能的方案中,选择出最优的设计方案。
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第 3 章 点焊机机械结构设计.......16
3.1 滚珠丝杠机构的计算与选型....16
3.2 驱动及减速装置选型......25
3.3 直线导轨的计算选型......28
3.4 加压机构动态性能分析............29
3.5 点焊机虚拟装配.....31
3.6 本章小结.......35
第 4 章 电极臂结构有限元分析.............36
4.1 电极臂刚度计算.....36
4.2 有限元法及软件介绍.......37
4.2.1 有限元法......37
4.2.2ANSYS Workbench 简介...........38
4.3 电极臂有限元模型...........39
4.4 静力分析结果.........44
4.5 本章小结.......50
第 5 章 伺服加压控制系统硬件设计.....51
5.1 伺服加压控制系统整体设计.....51
5.2 控制器及外围电路设计.............53
5.3 伺服驱动控制系统...........56
5.4 本章小结.......61
 
第 5 章 伺服加压控制系统硬件设计
 
5.1 伺服加压控制系统整体设计
采用伺服加压机构的点焊机要实现对电极位移、速度以及电极压力的精确控制,本质上是要实现对伺服电机位置、速度、转矩的精确控制,因此必须为伺服电机设计相应的运动控制系统,该系统应具有的特点和实现的功能如下:(1)系统需要一个功能强大的微处理器,一方面能够处理多种信号和数据,另一方面,可支持人机交互功能,方便系统运行状况的反馈。(2)所采用的微处理器能够支持多种常用的通信协议,并且具有相应的通信接口,便于与外围设备实现通信,实现系统功能扩展。(3)为实现伺服系统的高控制精度以及快速响应性,其控制系统必须具有较高的数据处理精度和速度。(4)系统应具有强大的多任务处理能力以应对各种工作情况,如普通程序的执行和各种中断、异常事件的响应,具备良好的实时性。当前实现伺服电机的运动控制有多种技术方案,可以采用模拟电子电路、可编程逻辑器件以及微控制器来实现,各有优缺点。其中微控制器因其经济性好,可靠性高,算法升级容易,功耗低,内部集成模块多,外围扩展电路设计简单,易于实现模块化,使用方便等优点,被广泛应用于伺服电机的控制系统中。伺服控制系统采用的微控制器主要有51单片机,数字信号处理器DSP和ARM单片机。采用 51 单片机可实现相关控制要求,但其数据处理速度慢,抗干扰能力弱。DSP 芯片虽然数据处理能力强、速度快,但通用性比较弱。为克服以上两种控制器存在的缺陷,同时考虑设计成本,本文拟采用意法半导体公司推出的采用ARM Cortex-M3 为内核的 32 位增强型微控制器 STM32F103ZET6实现对伺服电机的运动控制,该控制器是同类型产品中性价比最高的产品,内部集成丰富的外设和接口,便于搭建复杂的控制电路,适用于多种场合:电机驱动及应用控制,个人计算机外设与 GPS 平台、医疗器械及可穿戴设备、警报系统及其他工业自动化应用[46]。
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总结
 
本文从目前常用的固定式气动点焊机在点焊过程中存在的缺陷出发,将应用于伺服焊枪中的伺服加压技术引入通用点焊机的设计中,以期改善点焊质量,提高焊接效率。主要成果和结论如下:
(1)对点焊机的加压机构进行重新设计,取代原有的气动装置,大大降低了点焊机附属装置的占地面积,同时改善了工作环境。新设计的加压机构采用功率相对较小的伺服电机作为驱动源,配合减速机,可实现高达 10kN 的加压压力,满足多种材料、不同厚度工件的点焊工艺要求,具有更大的柔性。加压机构的传动系统主要由高精度并且强度足够的滚珠丝杠副和直线导轨副组成,一方面,电机的输出扭矩可高效率的转化为电极压力,另一方面,电极运动精度高且随动性好,有利于控制系统对电极位置的精确控制。
(2)对点焊机的主要支撑部件采用先进的有限元法进行分析,分析结果表明在最大电极压力作用下,电极臂及其连接螺栓具有足够的强度和刚度,点焊过程可顺利完成,此外,还有助于改善因电极臂刚度不足而引起的点焊飞溅等问题,提高点焊质量。同时,将有限元法应用于点焊机的结构设计中,可在满足使用要求的前提下克服传统计算方法存在的不足,如安全系数过大,结构设计不合理等,节约设备的制造成本。
(3)设计了以 STM32 单片机为核心的伺服电机运动控制系统的硬件部分,主要完成 STM32 单片机最小系统的设计,包括电源电路、启动电路、复位电路、程序下载调试电路,与上位机进行数据交换的串口通信电路,用于控制驱动器的位置信号产生电路和 Z 相信号采集电路。
由于时间仓促,笔者能力和知识水平有限,本课题尚有不足和待完善之处。在点焊机本体结构设计方面,可对支承结构进行优化设计,实现轻量化的目的。在控制系统方面,可以制作人性化的人机界面系统,实现与控制系统的人机交互。此外,可将嵌入式实时操作系统移植入控制器中,增强系统处理多任务的能力,提高系统运行的实时性和可靠性。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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