焊接自动化课程设计船体厚板高效气电立焊.docx

焊接自动化说明书

《船体厚板高效气电立焊》

目 录

一．设计背景………………………………………………………………………3

二．自动化系统综述……………………………………………………………..3

三．研究思路及分工…………………………………………………………..3-4

四．机械设计和图形绘制…………………………………………………….4-5

五．电机选择及参数设定…………………………………………………….6-7

六．传感器选择与应用……………………………………………………….8-10

七．PLC程序控制 ………………………………………………………………………………….10-14

八．焊接工艺，参数…………………………………………………………………………………….15-19

九．焊机选择………………………………………………………………………………………………..19-20

参考文献………………………………………………………………………….20

一． 设计背景
随着我国船舶制造领域步伐的加快，大型分段焊接合拢工程也随之增加，厚板垂直焊缝采用EGW（气电焊）技术代替传统的人工焊接，在质量提高的同时，生产效率提高了十几倍 。在一般条件下，气电立焊单面焊厚度一般在25mm 以下，带摆动时可焊接到 35mm左右，厚板立缝一次成形是焊接技术的难题。双面焊可焊接厚板55mm 以下，但是焊接效率降低。针对NV D36型50mm以上船板焊接的自动化，我们小组设计了高效气电立焊设备，采用CO2气保护药芯焊丝电弧焊，，以实现NV D36级 50mm厚板立缝的多层多道焊接成形技术，并提出了相关厚板的焊接工艺试验参数。
二． 自动化系统综述

三． 研究思路及分工
根据我们的立题和实际情况，我们把具体工作分为一下几方面展开：
1.设备整体构造分析，机械结构设计:比如，自由度，关节数，各部位之间的协调，可行性稳定性。绘制三维图。（邬栋权）
2.电机选择及参数设定。（庞杰）
3.传感器选择与应用。（滕金虎）
4. PLC程序控制流程图设计，梯形图（尹金鸽）
5.焊接工艺，参数（要有分析和具体参数）：焊接方法，过渡形式，坡口选择，焊接电源，电流电压，送丝速度，送气流量，焊丝选择，焊接速度。（王飞翔）
6.焊机选择（张中奇）
四．机械设计和图形绘制
实现立焊需要考虑的机构一般有机架式和攀升小车式，在常见的小车式基础上我又对其做了改进。主要是将焊枪操纵臂改为了更为方便的工业机械臂。

焊接机械臂由大臂，连接件，套筒，小臂，焊枪组成。包含4个关节，4个自由度。实现焊枪位置的方便调节。而且机械臂本身的刚度和承载能力足以支撑起焊枪的运动、焊接过程的进行。而且可以更方便调节焊接姿势和焊接位置。尺寸大小见立体图。
焊接机臂竖直方向运动通过链接机械臂的车体的运动实现。车体与导轨之间通过齿轮齿条啮合运动。然后靠传感器的定位完成焊接过程。轨道长2m，对于超高的焊件，可以焊完一道焊接，再将焊机整体通过磁铁吸附到焊件上继续焊接。
五．电机选择及参数设定
在电机驱动方面，机器人手臂的功能和应用决定了其驱动电路要求体积小、重量轻、控制功能复杂、精度高、工作可靠耐用。关节电机通常采用中小功率的电动机，如直流电动机、无刷直流电动机、步进电动机等。
我们设计的焊接小车的手臂有四个关节，各关节（即各轴）的运动，最终都归结为相应各轴的驱动电动机的转动，每个关节需要一个电动机。
根据相关文献及实际应用实例，在此选择Maxon公司的EC-MAX系列大功率直流无刷电动机作为关节驱动，并配有光电编码器。

maxon无刷电机型号EC-max30 40Wat/272768参数：
额定电压 24V 空载转速 9270rpm 空载电流 112mA
额定转速 7210rpm 额定转矩34.3mNm 额定电流 1.5A
焊机中的送丝电机

15KG送丝机-ARR24
产品说明：
产品性能

额定电压

额定电流

功率

送丝速度

焊丝直径
送丝槽形

V
A
W
m/min
mm
V
24
3.5
70
2-18
0.8-1.2
送丝电动机调速系统：
小车由控制电路发出信号控制直流伺服电机，直流伺服电机调速方便，反应速度快。可实现无级变速，能保证小车精确位置移动。
事实上，我们选用了林肯二氧化碳焊机POWERPLUS 650HD 而送丝电动机和驱动小车上下移动的直流伺服电机都已配套。

六．传感器选择与应用
船体厚板立焊传感器的使用:
1、增量编码器的使用
2、红外光电开关传感器的使用
3、电弧接近传感器的使用
增量编码器
为实现焊接小车的速度控制以及焊接小车的自动停止，
采用增量编码器进行控制。
选用增量编码器型号：上海齐屹机电设备有限公司1024PPR 小型增量编码器 ROTARY ENCODER
基本尺寸： 25/28/30mm外径。采用连轴器与齿轮轴
相连，与齿轮轴一起转动。
该系列编码器每转动一周将输出1024个脉冲。

2）自动停止控制
焊接速度：v=0.4m/min,齿轮半径r=5cm
由公式v=2nπr可得电机带动的齿轮转速1.27r/min
若焊接长度为4米，则多层焊时每道焊接的时间为10min,齿轮一共转了12.7r,故编码器共输出脉冲19.1x1024=13004.8=13005个 ，当电路计数到13005时，输出停止信号，单道焊接工作完成。
红外光电开关传感器
另外，为了控制焊机的停止，我们准备了第二套方案，就是利用红外光电开关传感器进行控制。当焊枪运动到指定结束位置时，对射式光电开关将接收不到光信号，发出焊接结束信号。
型号:RAD20CM
类型:对射式光电开关 NPN常开
DC  ：5V
体积：20*10*8MM
检测距离：0-20CM
信号输出：高低电平
电弧传感器
为了控制焊接时的弧长，实现均匀的滴状熔滴过渡，故使用电弧接近传感器。
另外，考虑到立焊时弧长的控制与平焊时有很大不同，很难使用间接式电弧传感器如电磁感应式传感器、电涡流式传感器、视觉跟踪传感器、激光双向跟踪传感器等进行电弧长度的控制，故主要考虑用直接式电弧传感器进行弧长控制，即利用电弧自身电参数的变化找出焊缝自动跟踪信号。
为此我们选用电弧接近传感器 ，当弧长发生变化时，电弧传感器将输出电压信号，控制焊枪运动使弧长恢复。
型号：奥托尼克斯耐电弧接近传感器（DC2线） PRAT18-5DO
电压波动保护功能，电源逆连接保护功能(DC)
过电流保护功能
寿命长，可靠性高
有红灯，可辨别动作是否发生
经济性，容易操作
用途广泛，可代替 Micro 开关，Limit 开关
在电源电压直流10～30V 交流90～250V的范围内，可以直 接驱动200mA以下的负荷
另外考虑到弧长变化时除了电弧电压发生变化，焊接电流也将随之变化，故我们也设想通过检测焊接电流的变化来反映弧长的变化，进而调节焊枪使弧长恢复。检测电流使用分流器。

七．PLC程序控制
PLC选型：FXon—24M型

船体立焊自动焊PLC系统梯形图

I/O安排一览表
输入
输出
X0启动控制按钮SB1
Y0焊枪位置调整
X1上行控制按钮SB2
Y1弧焊电源控制

Y2焊接指示

Y3焊接小车拖动

Y4焊接小车行走指示

自动控制过程：按动启动按钮，X0接通，驱动Y0使焊枪转到预先设置的位置（或者用三个按钮调节上下、左右、前后的焊枪位置，再按下启动按钮），通过T0延时3秒，驱动Y1和Y2接通弧焊电源和焊接指示灯，送气、送死、引弧等过程开始，延时5秒后T1常开触点闭合，接通Y3驱动焊接小车开始行走，焊接过程开始进行，当小车行走到行程位置，传感器传输信号，X1闭合，继电器M1接通，M1常闭触点断开，弧焊电源停止工作，电流衰减，T2延时2秒后，断开常闭触点使焊接小车停止行走，电弧熄灭；T3开始计时，延时5秒后，焊枪调整到初始位置，焊接结束。T4计时是为下一段焊接搭接轨道做时间准备以保证焊接过程的自动连续进行。

船体立焊自动控制流程图

八．焊接工艺，参数
单位名称： 天津大学 焊接材料： TWE-711
船板材料： NV D36 焊接规范： AWS A5.20
焊接方法： 药芯焊丝电弧焊 机械化程度： 自动
焊接接头：
接头形式　　　板—板对接　　　　　　
坡口形式　　　V形坡口　
衬垫（材料及规格）　　无　　　　 　
其它　　　用机加工加工坡口　　　　　

简图：

共焊37层，单道焊，采用单面焊双面成形技术焊接；
先焊第1层（打底层），采用焊条电弧焊；
再焊第2~36层（中间层），采用药芯焊丝电弧焊；
最后焊第37层（盖面层），采用药芯焊丝电弧焊。

母材：
NV D36高强度船用船板　　
焊接材料：
焊材类别
焊丝
焊材标准
AWS A5.20
填充金属尺寸
Φ1.6
焊材型号
E71T-1
焊材牌号
TWE-711

焊接位置：
对接焊缝位置： 3G
焊接方向： 向上

保护气体：
气体种类 纯度 流量（L/min）
CO2 99.98%以上 20～25

预热：
预热（℃）（允许最低值） 150 ℃
层间温度（℃）（允许最高值） 150 ℃

焊后热处理：
温度范围（℃） 130 ℃

电特性：
电流种类： 直流 极 性： 反接
焊接电流（A）： 160～240 电弧电压（V）： 22～30
（按所焊位置和厚度分别列出电流和电压范围记入下表）
焊道/焊层
焊接方法
填充材料
焊接电流
电弧
电压
（V）
焊接
速度
（cm/s）
线能量
（KJ/cm）
牌号
直径（mm）
极性
电流（A）
第1层（打底层）
SMAW
J507
Φ3.2
反接
120
\
\
\
第2层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第3层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第4层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第5层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第6层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第7层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第8层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第9层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第10层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第11层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第12层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第13层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第14层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第15层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第16层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第17层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第18层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第19层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第20层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第21层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第22层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第23层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第24层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第25层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第26层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第27层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第28层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第29层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第30层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第31层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第32层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第33层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第34层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第35层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第36层（中间层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
第37层（盖面层）
FCAW
TWE-711
Φ1.6
反接
190
28
0.67
7.98
技术措施：
焊前清理：焊前将试件坡口内外两侧20mm范围内的油漆、污物等打磨干净，露出金属光泽。
单道焊或多道焊： 多层单道
单丝或多丝焊： 单丝焊

备注：
1. 参考挪威船级社船板规范：
（1）NV D36高强度船用船板的合金元素含量（%）为：
碳最大
锰
硅
磷最大
硫最大
铜最大
铬最大
0.18
0.9~1.6
0.10~0.50
0.035
0.035
0.35
0.20
镍最大
钼最大
铝
铌
钒
钛最大

0.40
0.08
0.020~0.085
0.02~0.05
0.05~0.10
0.02

（1）焊前预热温度计算：

选取：熔敷金属的含氢量为1-1.5cm3/100g，得到：

根据施工经验，中厚板（≥40mm）的预热温度一般设定为100-150℃。
（2）焊后后热温度计算：

=0.18 +0.2033×1.6 +0.0473×0.20 +0.1228×0.08 +0.0292×0.40 +0.0359×0.35
-0.0792×0.50 -1.595×0.035 +1.692×0.035 +0.844×0.02=0.529964

2.根据AWS A5.20《碳钢药芯焊丝》标准，选用E71T-1型号焊丝。
7— 强度极限497MPa 1— 全位置 1— 使用性能和操作性能
选用焊丝牌号为TWE-711
3. 选用CO2气体保护，经济性较好。
TWE-711注意事项：（厂家规定）
（1）以直流反接（DC+）焊接
（2）采用CO2为保护气体纯度须在99.98%以上，流量为20～25 L/min。
（3）多道焊接时，须保持150℃以下层间温度。
4. 参数参考焊接手册第一卷焊接方法及设备（中国机械工程学会焊接学会编）：
（1）焊接电流：160～240 A
（2）电弧电压：22～30 V
（3）坡口尺寸
5. 多层焊计算：
（1）由于熔敷率需要做实验测量，下面用估计值计算：TWE-711 87%
（2）焊接电流 I =190A
电弧电压 U=28V
焊接速速 v =0.67cm/s =40cm/min
线能量
（3）坡口截面积
送丝速度 u=6m/min =0.1m/s =100mm/s
每秒熔敷金属体积
层数
九．焊机选择
林肯二氧化碳焊机
主要特点: 焊接灵活性——POWERPLUS 650HD可用于较厚的碳钢、不锈钢和铝的焊接，尤其是重载应用。 
具有碳弧气刨功能。 
全程范围输出——可对输出进行平稳精确的调节设置，确保形成理想的焊缝。 
MAXTRAC送丝机即使在苛刻环境下应用，也能产生极其可靠的送丝性。 
输出控制——当设置在“本地(Local)”时，在电源处控制电压输出；当设置在“远程(Remote)”时，在送丝机处控制电压输出。 
数字电压表及电流表——易于精确读数。出现故障时数显表可显示故障代码，便于故障排除。 
密封的PC板——在恶劣的环境中，确保PC板具有较长的使用寿命。 
IP23防护等级——高防护等级确保POWERPLUS 650HD在恶劣、苛刻的环境条件中有较高的可靠性。 “节能”和“F.A.N.”模式——打开该功能后，使输入能耗降到最低，减少工作噪音和灰尘的吸入。 
高质量的两次浸漆变压器——在恶劣焊接环境中保证较长的使用寿命。 
可连续调节的收弧控制——在任何焊接条件下收弧均能获得高质量的焊缝。 
2步/4步扳机触发模式——带给操作工便捷的焊接控制，使焊接操作更简单出色。 
重量尺寸 
净重：205公斤
外形尺寸(毫米)高x宽x深：785x520x670
宾采尔MB501焊枪
Technical data (EN 50 078):
Rating: 550A CO2
500A Mixed Gases M 21(DIN EN 439)
100% Duty Cycle
Wire sizes: 1.0-1.6（2.4）

参考文献
[1] 许小平. 船舶气电立焊工艺与参数控制[J]. 电焊机, 2010, 40(1):83-85.
[2] 赵勇 胡绳荪. 高效立焊技术及设备的发展[N]. 焊接技术　, 1998年10月(5).
[3] 李景波. 船体厚板高效气电立焊焊接 技术的研究[J]. 电焊机, 2004, 34(2):14-16.