本文選題：空心螺柱 + 旋弧焊　； 參考：《南京理工大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：針對大直徑空心螺柱自動焊接需求,在機器人自動焊系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上,提出了空心螺柱旋弧焊接方案,設(shè)計全新的旋弧自動焊槍,該焊槍包括步進(jìn)電機單元、電磁式電弧螺柱焊槍主體、氣爪單元、徑向?qū)ΨQ磁場單元和連桿機構(gòu),并根據(jù)焊槍特點設(shè)計了相應(yīng)的機器人工作站,工作站包括空心螺柱焊槍、六軸工業(yè)機器人、柔性焊接平臺、拉弧螺柱焊接用電源和旋弧磁場電源,以及相應(yīng)的控制模塊。該工作站可以實現(xiàn)空心螺柱的自動焊接,并提升定位精度、焊接效率和自動化程度。焊槍設(shè)計主要包括施加磁場使電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn)、利用步進(jìn)電機自動控制螺柱焊拉弧高度、設(shè)計氣爪夾頭、并重新設(shè)計焊槍框架結(jié)構(gòu)。焊槍穩(wěn)定可靠,可以夾持12mm～60mm任意高度,外徑在Φ12mm～Φ32mm任意直徑的空心螺柱,可以控制拉弧高度在以0.5mm為單位,從0mm～5mm任意調(diào)節(jié),徑向?qū)ΨQ磁場單元可以產(chǎn)生貫穿于螺柱端面的徑向?qū)ΨQ磁場,使焊接電弧發(fā)生旋轉(zhuǎn),進(jìn)行旋弧焊接工藝試驗。對焊接電弧施加磁場后,電弧形態(tài)變化復(fù)雜,利用COMSOL Multiphysics構(gòu)建1:1比例模型,定義材料,模擬磁場在螺柱端面到母材之間的分布情況,并進(jìn)行粒子、磁場耦合分析,得到不同焊接電流與磁場電流下粒子的運動軌跡,分析得到當(dāng)旋弧半徑大于螺柱半徑2mm時可以獲得較為優(yōu)質(zhì)的焊接接頭,并設(shè)計了適應(yīng)該模型的APP,方便進(jìn)行其他型號螺柱的工藝模擬。通過對各個模塊的控制需求分析,設(shè)計了利用機器人控制柜直接操控焊槍和焊接工藝的控制方案。其中利用西門子PLC,和EM253模塊控制步進(jìn)電機,NX100控制柜輸出信號給PLC,以4位二進(jìn)制數(shù)的形式,0.5mm為單位控制絲杠螺母移動距離,最終控制拉弧高度,同時NX100的輸出端子排直接控制電磁閥、焊接電源和旋弧電源的開啟與關(guān)閉,最終直接通過編寫機器人程序完成整個焊接流程。對外徑16mm,內(nèi)徑8mm的空心螺柱工藝實驗研究,得到最優(yōu)焊接參數(shù)為拉弧高度3mm、預(yù)壓深度3mm、焊接電流800A、焊接時間為800ms和旋弧磁場電流0.7A,其接頭抗剪強度可達(dá)到362Mpa,通過工藝對比發(fā)現(xiàn),旋弧磁場應(yīng)用基本解決了偏弧問題,旋弧磁場電流增加有助于電弧向外擴散的趨勢。本研究的主要成果和創(chuàng)新點:在原有焊槍設(shè)計的基礎(chǔ)上,應(yīng)用旋弧原理設(shè)計了新型自動空心螺柱旋弧焊槍及其控制系統(tǒng),通過工藝試驗,基本解決了空心螺柱偏弧問題,得到焊縫成型美觀和抗剪強度高的焊接接頭,并根據(jù)焊槍結(jié)構(gòu)對旋弧焊接原理進(jìn)行有限元模擬分析,理清磁場對電弧的作用機理,為其他型號的螺柱工藝試驗打下基礎(chǔ)。
[Abstract]:In order to meet the requirement of automatic welding of large diameter hollow studs, based on the research of robot automatic welding system, this paper puts forward a scheme of spiral arc welding of hollow studs, and designs a new automatic arc welding torch, which includes step motor unit. The main body of electromagnetic arc stud welding gun, air claw unit, radial symmetrical magnetic field unit and connecting rod mechanism are designed. According to the characteristics of welding torch, the corresponding robot workstation is designed. The workstation includes hollow stud welding gun, six-axis industrial robot. Flexible welding platform, arc stud welding power supply and arc magnetic power supply, and the corresponding control module. The workstation can realize automatic welding of hollow studs and improve positioning accuracy, welding efficiency and automation. The design of welding torch mainly includes applying magnetic field to make the arc rotate, using step motor to automatically control the arc height of stud welding, designing air claw chuck, and redesigning the frame structure of welding torch. The welding torch is stable and reliable. It can hold the hollow studs with arbitrary height of 12mm~60mm and diameter of 桅 12mm ~ 桅 32mm. The arc height can be controlled in units of 0.5mm and adjusted arbitrarily from 0mm~5mm. Radial symmetric magnetic field unit can produce radial symmetric magnetic field through the end of stud, make welding arc rotate, and carry out spiral arc welding process test. After applying magnetic field to welding arc, the variation of arc shape is complicated. The 1:1 proportional model is constructed by COMSOL Multiphysics, the material is defined, the distribution of magnetic field between the end face of stud and base metal is simulated, and the coupling analysis of particle and magnetic field is carried out. The motion trajectories of particles under different welding current and magnetic field current are obtained. When the radius of spiral arc is larger than the radius of stud 2mm, a better welding joint can be obtained. The APP suitable for the model is designed to simulate the process of other types of studs conveniently. By analyzing the control requirements of each module, the control scheme of welding torch and welding process is designed by using robot control cabinet. Among them, Siemens PLC and EM253 module are used to control the output signal of step motor NX100 control cabinet to PLC. In the form of 4-digit binary number, 0.5 mm is used to control the moving distance of the screw nut, and finally the arc height is controlled. At the same time, the output terminal row of NX100 directly controls the solenoid valve, welding power supply and arc power source to open and close. Finally, the whole welding process is completed directly by writing the robot program. The experimental study on hollow studs with outer diameter of 16mm and inner diameter of 8mm shows that the optimum welding parameters are 3mm arc height, 3mm preloading depth, 800A welding current, 800ms welding time and 0.7A current of rotating arc magnetic field. The shear strength of the joint can reach 362Mpa. The application of rotating arc magnetic field solves the problem of arc bias, and the increase of arc magnetic field current is helpful to the trend of arc diffusion. The main achievements and innovations of this study are as follows: on the basis of the original welding torch design, a new type of automatic hollow stud rotary arc welding gun and its control system are designed based on the principle of rotary arc, and the problem of hollow stud arc deviation is basically solved through technological tests. The welding joints with beautiful weld formation and high shear strength were obtained, and the principle of spiral arc welding was simulated by finite element method according to the welding torch structure. The mechanism of magnetic field acting on arc was clarified, which laid the foundation for other types of stud technological test.
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG409

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本文編號：1798102