自动焊接小车的设计.doc

1 前言
1.1 课题研究的目的和意义
作为现代制造业最重要的工艺技术之一，焊接技术在机械制造、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。随着科学技术的发展，焊接已经发展成为制造业中的一项基础工艺技术。 随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求也越来越高。而传统的人工焊接方式，由于受到个人技术水平、疲劳程度、责任心等各种因素的影响，难以长时间保持焊接工作的质量和速率。而且，由于焊接恶劣的工作条件，从事手工焊接的工人在减少，熟练的技术工人更出现了严重的不足。传统的手工焊接已经不能满足现代高科技制造产业对于焊接质量和速率的要求。因此，现代焊接工艺的发展需要解决保证焊接产品质量的稳定性、提高生产率和改善劳动条件等多个手工焊接工艺无法解决的问题[1]。现代电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展已经进入到了焊接工艺的各个方面，为焊接过程自动化为焊接的自动化提供了有力的技术基础。过去的20年间，自动化焊接技术已经取得了众多的科研和实用的研究成果。从今后先进制造业的生产技术发展要求来看，焊接的自动化是大势所趋，是制造业发展的必要条件。焊接机器人的出现是自动焊接技术的一项重要的突破，它创造了一种新的柔性自动化的生产方式，比起传统方式更适用于中小批量的产品的自动化生产[2]。
工业机器人自上世纪60年代在美国诞生，发展十分迅速，其中大半是焊接机器人，随着计算机控制技术的不断进步，焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展[3]。焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人几乎全部采用交流伺服电机驱动，控制器中大部分采用32位的计算机，除可以控制机器人本体外，还可以控制外围设备和机器人一起协调联动。配套焊接系统也有很多新的进展，各种焊接方式和技术都被应用于焊接机器人之上[4]。
相对于传统的手工焊接方式，自动化焊接技术的发展可以解决生产中以下三个方面的问题：
第一是焊接质量的提升，由于待焊工件在下料，加工和装配时会产生一定的误差，在焊接过程中也会产生无法预测的热变形。传统的焊接技术无法根据焊缝的细微变化改变焊接参数以适应实时的焊接条件，而自动化焊接技术的引入则可以通过高灵敏度的传感器和快速反应的控制系统对焊接轨迹进行实时调节，可以更好地保证焊接质量。
第二是生产人员生产环境的改善，在传统的焊接工艺条件下，生产人员需要在焊接现场进行焊接生产，加剧了生产人员的疲劳程度，而焊接过程中会产生大量的烟尘和强烈弧光与辐射，对生产人员的健康也会产生不利的影响。焊接过程的自动化则可以让生产人员远离焊接工艺的生产现场，远离恶劣的手工焊接环境，降低工人的工作强度。
第三是可以提高生产效率。传统的手工焊接效率很低，工人无法保持长时间的焊接生产，而焊接的质量也是由焊接工人的劳动熟练度所决定的，从而导致焊缝质量差异很大，产品质量的稳定性无法保证。自动化焊接不但焊接速度和效率高于传统方式，焊缝的质量也好于传统焊接产生的焊缝，从而保证了效率的同时，使产品质量得到稳定的保证[5]。
1.2 国内外研究现状
工业机器人自上世纪60年代在美国诞生，发展十分迅速，其中大半是焊接机器人，随着计算机控制技术的不断进步，焊接机器人由单一的示教再现型正在向多传感、智能化的方向不断发展。焊接机器人的技术水平在不断的进步，目前，焊接机器人大部分采用交流伺服电机驱动，控制器中大部分采用32位的计算机，功能上除可以控制机器人本体外，还可以控制外围设备和机器人一起协调联动。相应的配套焊接系统也有很多新的发展和革新，各种焊接方式和技术都被应用于焊接机器人之上[6]。
我国的自动化焊接起步较晚，2000年时我国焊接生产的机械化和自动化程度只有30%，而欧美发达国家焊接的自动化比率已经达到了65%以上，焊接工艺的自动化和焊接机器人的开发已经成为我国制造业发展的重要课题。。最近几年，我国的焊接工艺自动化程度也在不断快速发展，目前，自动化焊接技术在国内大型船厂已得到广泛应用，在工程机械行业，我国已经开发出多种成熟的焊接机器人的技术。如焊丝接触传感功能，它包括具有位置纠正功能的三方向传感，即开始点传感、焊接长度传感、圆弧传感。在铁路车辆行业，自2002年起，采用焊接机器人焊接铝合金车体的技术开始迅速发展，由于其拥有标准化程度高，持枪牢固等特点，近几年被铁路车辆行业大量使用，新投设备的80%以上都应用于这个方面[7]。

1.3 自动焊接小车的应用范围及技术性能指标
1.3.1 自动焊接小车的用途
用于焊接开坡口或不开坡口的对接直线焊缝，可以焊接位于水平面和铅垂面上的直线焊缝。
1.3.2 自动焊接小车的技术参数
（1）电源电压 直流 +40V 交流100V 三相380V
（2）控制线路电压 直流+5V
（3）焊接电流 50-250A
（4）送丝速度 1.5-15m/min
（5）焊接速度 0.2—2m/min
（6）焊缝跟踪精度 0.01mm
（7）使用寿命 10年，每年工作300天，每天单班工作
（8）焊缝调节行程要有限位保护

2 系统的总体设计方案
2.1 系统总体结构
本课题所设计的自动焊接小车由检测系统，控制系统和执行机构三大部分组成，并构成一个闭环反馈控制系统，执行机构包括运动机构和焊接系统，主要用来调整焊枪的位置，进行焊接的进给运动；检测系统用来检测焊枪是否偏离了预定的焊接路径，控制系统的作用则是接收检测系统传输的焊枪位置的信号，分析焊枪应走的路径，并向执行机构发出信号，通过执行机构，控制整个焊接路径[8]。如图2.1所示。

图2.1 自动焊接小车总体系统框图

由系统框图和自动焊接小车小车所需要实现的功能，可以得出所设计的自动焊接小车的基本机构和功能框架，如图2.2所示。

图2.2 自动焊接小车总体结构图

2.2 检测系统的功能设计
检测系统的作用是通过一个位置传感器来检测焊枪是否偏离了预定的焊接路径。检测系统应选用合适的传感器以快速准确地检测出坡口信息。检测系统的系统框图如图2.3所示。

图2.3 检测系统基本系统框图
2.3 控制系统的功能设计
控制系统是整个自动焊接小车的核心部分，它决定了焊接小车的运行速度，焊枪位置的调整，以及人机之间的交互，从而控制整个焊接小车和焊头的运行轨迹[9]。本课题所设计的控制系统是基于MCS-51单片机的系统，根据控制系统所需实现的功能，控制系统所选用的MCS-51单片机的基本系统框图如图2.4所示。

图2.4 单片机基本系统框图

2.4 执行机构的的功能设计
自动焊接小车的执行机构的任务是携带焊接装置，沿直线焊缝进行精确的焊接运动。该焊接小车应具备3个自由度，包括焊炬的X、Z两个方向平动的调整和车体的前后运动。执行机构应包括小车的运动机构，焊枪调整机构两个部分。运动机构负责驱动小车前进，完成基本的直线焊接轨迹。焊枪调整机构负责根据焊缝的实时变化，携带焊枪运动，对焊接路径进行微调。

3 硬件电路的设计
本课题所设计的自动焊接小车由MCS-51单片机机型控制，根据单片机的性能和价格，结合实际情况，选用的是8051单片机。单片机需要完成如下的功能和任务：
1.接收焊缝位置传感器传过来的信号并判断出焊接轨迹的变化，计算出焊缝的实际轨迹。
2.输出相应的指令和脉冲驱动焊枪调整机构和行走机构步进电机的转动，使焊枪在焊接过程中能准确捕捉焊缝位置。
3根据输出的脉冲数和输出频率，计算出小车的行进和焊接速度以及焊头的实际位置与调整速度，并与焊缝位置进行比较，实现对焊缝跟踪的闭环控制。
3.1 单片机CPU的设计
本课题设计的单片机以8051芯片为核心,8051单片机的外形结构是40条引脚的双列直插式封装，为8位CPU[10]，引脚接线图如下图3.1所示
：

图3.1 8051的引脚接线图

图3-1中，电源引脚为Vss和Vcc，Vss接电路的低电平，Vcc接+5V电源。X1和X2为外接晶振引脚，接电路的时钟部分。RESET为复位引脚，接10ms以上的高电平之后进行复位。PSEN为外部程序存储器访问选通信号访问引脚，为低电平有效。ALE/P为地址锁存器的信号输出引脚，需要访问外接的存储芯片时，将P0引脚的低8位地址传送到地址锁存器。EA/Vpp为外部和内部程序存储器访问选择信号引脚。EA高电平时，访问内部程序存储器，当EA为低电平时，访问外部程序存储器。P0，P1，P2，P3为多功能I/O口引脚，其中P00-P07为8位的楼极开路双向并行I/O端口，地址总线和数据总线复用。P0，P1和P2为8位准双向并行I/O，其中P0作为低8位地址总线，P1作为高八位地址总线，接地址锁存器。P2带有内部上拉电路，它的每一个引脚都可以提供特殊的第二功能[14]。
3.2 信号采集及A/D转换
3.2.1 传感器的选择
现在在弧焊焊接的生产中，使用的传感器分为接触式传感器，非接触式传感器和电弧式传感器三大类，大部分的传感器都是用于焊缝跟踪。接触式传感器是在焊枪前方采用探针与焊缝的坡口相接触，通过探针的位置和受力变化将焊缝的信息转化为电信号，以为控制系统提供焊缝数据。接触式传感器不受电弧干扰，成本低，经济性好，结构简单，便于维修和更换，但检测精度相对于其他两种类型较低[15]。综合成本和性能考虑，决定采用美德龙MT接触式高精度位置传感器，传感器的技术参数如下所示
动作形态 A : 常时开 / B : 常时闭
重复定位精度 0.0005mm
预行程 0.2mm (A:NO) / 0mm (B:NC) / 0.3mm (适合 L10B)
中心偏差 0
保护构造 IP67
接触力 1N (1.5N 适合 P11)
接触点寿命 300万次寿命
使用温度范围 0~800度（冰点）
温度变化 0
容许操作速度 5m/min
触点额定值 DC5V~DC24V 20mA (MAX) 抵抗负载
3.2.2 A/D转换器的设计
现在市面上的A/D转换器按照组成结构可分为计数比较型，逐次逼近型，双积分型和并行转换型。计数比较型A/D转换器价格最便宜，但是运行速度慢。双积分型分辨率高，价格便宜，但是速度也比较慢。逐次逼近型分辨率，速度和价格都适中。考虑到控制系统需要快速反应的能力以及良好的价格和经济性。选用ADC0809作为本课题所设计系统的A/D转换器。
ADC0809是最常见的8位逐次逼近型A/D转换器，可对8路0到+5V的模拟电压信号输入分别进行转换，转换时间约为100υs，分辨率为8位。+5V供电，三态输出，功耗大约为15mW[16]。ADC0809的引脚接线图如下图3.2所示

图3.2 ADC0809的引脚接线图

图3-2中，电源引脚为Vcc接+5V，GND接地。Ref（-）和ref（+）接参考电压，分别接地和+5V。IN-0到IN-7为8路模拟量的输入端口，接传感器的信号输入。2-1到2-8为8位2进制的数字信号输出端口。CLK为时钟脉冲信号输入端口。START为转换启动信号的输入，当8051CPU输入高电平时开始转换，EOC为转换结束信号的输入端口，转换时处于低电平，转换结束时改为向CPU输出高电平[16]。
3.3 外部数据存储器扩展
3.3.1 外部程序存储器（ROM）的扩展
51系列单片机的程序存储器存储空间为64KB，8051芯片中集成了4KB的ROM。当片内ROM无法满足需要的时候，便需要用EPROM扩展存储器。
由于8051芯片中的P0管脚需要分时传输低8位的地址和数据总线，所以在8051的扩展功能中一定要有地址锁存器，以区分他的工作状态。74LS373为最常见的地址锁存器，其引脚接线图如下图3.3所示

图3.3 74LS373的引脚接线图

图3-3中，D0到D7为数据输入端口。Q0到Q7为数据的输出端口。OE为三态输出控制端口，在低电平时有效。LE为锁存允许端口[16]。
本课题设计的单片机使用2764作为外部EPROM，2764的存储容量为8KB，有28根管脚，双列直插式封装。其引脚接线图如图3.4所示。

：
图3.4 2764的引脚接线图

图3-4中，Vcc和GND为电源端口，Vcc接+5V，GND接地。A0到A12为13位的地址线，Q0到Q7是8位的数据线。PGM为编程控制端，CE是片选端口，连接到译码器74LS138的CS端口上。
3.3.2 外部数据存储器（RAM）的扩展
MCS-51单片机内集成了少量的RAM，在数据量较小的应用系统中够用，但是在数据量较大的系统中，就需要外扩内存。本课题设计的单片机选用Intel 6264芯片作为外扩的数据存储器。6264由CMOS工艺制造，拥有8KB的容量 [16]。其引脚接线图如下图3.5所示：

图3.5 6264的引脚接线图

图3-5中，Vcc和GND为电源端口，Vcc接+5V，GND接地。A0到A12为13位的地址线，D0到D7是8位的数据线。OE为读出数据控制端口，与8051的RD端口相连，控制数据的读取，低电平有效。WE为写入数据控制端口，与8051的WR端口相连，控制数据的写入，低电平有效。
3.4 人机交互功能的设计
本课题设计的自动焊接小车应具有良好的人机交互效果，自动焊接小车的行进速度，焊枪的位置和调整速度都可以被显示，同时通过按键可以对小车的启动停止，焊接速度，焊枪的位置以及焊枪的调整速度等参数进行调整。
3.4.1 并行I/O接口的扩展
用户可以使用的8051芯片本身的I/O线并不多，本课题设计的人机交互功能需要多个显示元件和按键的支持，而要连接所有功能部件，仅靠8051自身的I/O不够使用，需要对单片机进行I/O接口扩展。
8155H是MCS-51单片机应用系统中最常见的外围接口芯片，它自带地址锁存器不需要加入任何硬件逻辑电路便可直接与MCS-51单片机连接。8155H的引脚接线图如下图3.6所示：

图3.6 8155H的引脚接线图

图3-6中，Vcc和GND为电源端口，Vcc接+5V，GND接地。AD0到AD7为三态地址和数据线，可以是I/O口地址，也可以是RAM单元地址。这是由操作选择端口IO/M端口的电平情况决定了是I/O地址还是RAM地址，当IO/M为低电平时，为RAM单元地址。当IO/M为高电平时，为I/O地址。CE是片选信号端口，在低电平时有效。RD是读取信号选通端口，低电平是有效，读取功能选通。WR是写入信号选通端口，低电平有效，写入功能选通。TMRIN是定时器和计数器的输入端口，TMROUT是定时器和计数器的输出端口，根据计数器或计时器的工作方式可输出矩形波和脉冲波。
3.4.2 数码显示管及按键的接口电路
在单片机系统的应用中，经常使用LED，LCD和CRT显示器作为显示元件。本课题所设计的自动焊接小车使用的是LED数码显示管。按键是单片机系统中重要的输入设备，用来输入数据以及控制系统。当特定的功能键按下时，单片机便可以进行预先设定好的与该按键相应的功能和行动。
在按键和显示器同时需要使用的时候，可以将键盘和显示电路放在一起，以便于节省I/O口。在这里，选用74LS244芯片作为显示器的驱动芯片。按键与数码管显示的电路接线如下图3.7所示

图3.7 按键与数码管接线电路图

3.5 步进电机驱动器的选用
本课题设计的自动焊接小车用需要3个步进电机，其中焊枪调节机构上的十字滑台需要45BF005Ⅱ型步进电机和70BF003步进电机各一个，焊接小车的行走机构需要90BF001步进电机一台。
45BF005Ⅱ步进电机和70BF003步进电机可以选用SJ-3F075M 驱动器，该驱动器控制信号与内部信号实现光电隔离因此具有较强的抗干扰性，高频性能好起，动频率高、运行平稳，可靠性好。供电电源为直流24V到40V。最大相电流为4.0A。重量为0.3kg。斩波频率为40KHZ。其他技术规格如下表3.1所示。

表3.1 SJ-3F075M 驱动器技术规格

SJ-3F075M 驱动器的接线图如下图3.9所示。

图3.9 SJ-3F075M 驱动器的接线图

图3-9中，Vcc和GND为电源端口，Vcc接+40V，GND接地。CP为脉冲信号输入端，接CPU的P11引脚，由CPU提供驱动器的运行频率。DIR为方向控制信号输入端，接CPU的P12口，控制步进电机的转向。FREE为脱机信号输入端，接CPU的P10引脚，输入低电平后电机处于自由状态，没有相电流，从而控制步进电机的启动与停止。OPTO为输入控制信号的公共阳端接与控制电路相同的+5V。
行走机构上的90BF001步进电机采用DL-04F08M步进电机驱动器，该驱动器的电流设定值为6A，根据使用需要最高可提升至8A。工作电源为交流100V。DL-04F08M步进电机驱动器的接线电路图如图3.10所示。

图3.10 DL-04F08M步进电机驱动器接线图

图中，Vcc和GND为电源端口，Vcc接100V交流电，GND接地CP+为脉冲正输入端，接CPU的P15引脚，控制步进电机的运行频率。CP-为脉冲负输入端，U/D+为方向电平的正输入端，接CPU的P16引脚，控制步进电机的旋转方向。U/D-为方向电平的负输入端。
3.6 辅助电路的设计
3.6.1 8051的时钟电路

图3.11.8051的时钟电路
3.6.2 复位电路
在8051的时钟电路工作之后，在RESET引脚上加上10ms以上的高电平，单片机便复位。本课题设计的复位电路可以实现两种复位模式：即手动复位和上电复位。

图3.12 复位电路

在接通电的瞬间，RC电路充电，RESET引脚出现正脉冲，保持10ms的高电平便可以让单片机复位。

3.6.3 限位报警电路
为了防止焊枪调整机构的工作台越界，可以再工作台的极限位置上安装接触式的限位开关，本课题设计的自动焊接小车的焊枪调整十字滑动工作台，在4个方向上需要安装限位开关。同时，为了保护车体在自动焊接小车的车头和车尾处各安装一个限位开关，使焊接小车在遇到障碍物的时候可以及时停止。

图3.13 限位报警电路1

图3.13 限位报警电路2

为了显示工作状态并及时反映报警信息，设置小灯进行指示：正常工作时L2亮，越界报警时L1发亮。限位采用中断方式，连接到8051的外部中断引脚INT0。当工作台在某个方向越界或者小车遇到障碍物，行程开关便闭合，产生中断信号。L1报警指示灯被点亮。

4 执行机构的设计
本课题设计的自动焊接小车的执行机构包括两大部分，即焊枪调整机构以及小车行走机构。其中焊枪调整机构负责焊枪在X和Z轴方向的调整，行走机构负责小车的前后运动。
4.1 焊枪位置调整机构的设计
本课题设计的自动焊接小车的焊枪位置调整机构采用由步进电机带动的十字滑台机构。步进电机通过滚珠丝杠副带动滑台移动。步进电机每接受一个脉冲，便转过一定的角度，传动到工作台使它按照预定方向移动一个脉冲当量。
4.1.1 Z向滑台的设计
滑台主要由机架、丝杠、滑台、连接板、电机、工作台等组成。
（1）Z向滑台丝杠螺母副的设计：
Z向的焊缝跟踪精度为0.01mm。焊枪与夹具的重量约为10kg，滑块的重量约为100kg。导轨采用圆导轨。确定Z向丝杠的牵引力为：
（4.1）
式中，M为主轴上的扭矩（N*cm），d为主轴直径（cm），f为主轴键上以及轴架和轴套上的摩擦系数，取0.15。
计算最大动载荷：
（4.2）
（4.3）
（4.4）
式中，为丝杠的导程，根据所需的性能，初选5mm。为进给速度，T为小车的使用寿命。是运转系数，工作台一般运转时取1.2到1.5。L是寿命，单位是转。

查阅各类丝杠螺母副的技术参数资料之后，选用W2005型外循环单螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动载荷为8800N，精度等级按照自动焊接小车的性能要求选择为3级。
传动效率的计算：
（4.5）
式中，是丝杆螺母副的螺旋升角，所使用的W2005型外循环单螺母滚珠丝杠副为4°33′。为摩擦角，定为10′。

丝杠刚度的校核
(4.6)
(4.7)
E为材料弹性模数，对于钢材料，取（N/mm）。F为滚珠丝杠的截面积。

Z向工作台采用步进电机的传动经过一级齿轮减速箱之后，传动到丝杠，带动丝杠转动的传动方式。传动结构简图如图4.1所示。

图4.1 Z向工作台传动结构简图

现在已知Z向进给的脉冲当量为0.01mm，初步选取步进电机的歩距角为1.5°。计算齿轮变速箱的传动比：
(4.8)
选定齿轮的齿数

按齿面接触强度计算齿轮的参数
齿轮的材料选用45钢，小齿轮的齿数为24，大齿轮的齿数为50，这个传动结构速度不是很高，对强度没有太高的要求，故选用7级精度（GB10095-88）[18]。
制齿圆柱齿轮的计算公式为：
（4.9）
式中，为区域系数，取2.5。α取20°K为载荷系数，取值1.3。T1为小齿轮的转矩。为齿宽系数，取值为0.2。是材料弹性影响系数，查资料得为189.8MPa。为接触疲劳许用应力[19]。
（4.10）
根据齿轮的齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限

计算圆周速度
＝ （4.11）
计算齿轮的宽度
（4.12）
计算齿宽与齿高之比
模数
齿高

按照实际的载荷系数校正分度圆直径
（4.13）
载荷系数
（4.14）
查找资料可得动载荷系 使用系数 =1.423
＝1×1.15×1×1.423＝1.636

计算模数
(4.15)
将模数值圆整，m取1。
此齿轮传动齿轮组的齿轮几何参数如下表4.1所示：

表4.1 传动齿轮的几何参数
齿数
24
50
分度圆
12
25
齿顶圆
14
27
齿根圆
10
23
齿宽
10
10
中心距
37
37

（2）Z向步进电机的计算
等效转动惯量的计算：
Z向工作台的传动方案采用传动比为0.48的齿轮减速后，带动丝杠螺母副进行滑动，总的系统的转动惯量可由下面公式得出：
(4.16)
式中，为步进电机的转子的转动惯量（），和为两个齿轮，的转动惯量，是丝杠的转动惯量[19]。
步进电机初步选为45BF005Ⅱ型反应式步进电机，其转子转动惯量为0.137。

W=200N
带入公式4.16

计算步进电机的转动惯量与整个系统的匹配与否

由上式的计算可得知步进电机与系统的转动惯量可以匹配。
电机力矩的计算：
快速空载启动力矩
(4.17)
上面的公式中为加速力矩，为折算到电机轴上的摩擦力矩，为附加摩擦力矩。其中：
(4.18)
(4.19)
启动加速时间取30ms

(4.20)
(4.21)

移动时所需力矩
(4.22)
最大静力矩
(4.23)
45BF005Ⅱ型步进电机的最大静转矩为30，可以满足所需要的最大静转矩。可以初选为使用电机，但还需进一步考察电机的启动和运行频矩特性。
计算电机的启动频率和工作频率：
(4.24)
(4.25)
根据45BF005Ⅱ的启动频矩特性特性和运行频矩特性曲线，当步进电机启动时，无法满足工作台所要求的启动力矩。如果不采取适当措施，就会造成失步。对于这种情况，可以采用升降速控制，减低地洞频率。或者采用高压低驱动电路，也可以调高电动机的输出力矩。

4.1.2 X向滑台的设计
滑台主要由机架、丝杠、滑台、连接板、电机、工作台等组成。
（1）X向滑台丝杠螺母副的设计：
Z向的焊缝跟踪精度为0.01mm。导轨采用燕尾形导轨。确定X向丝杠的牵引力为：
(4.26)
式中， f为导轨上的摩擦系数，取0.05。
计算最大动载荷：

式中，为丝杠的导程，根据所需的性能，初选6mm。为进给速度，T为小车的使用寿命。是运转系数，工作台一般运转时取1.2到1.5。L是寿命，单位是转。

240

查阅各类丝杠螺母副的技术参数资料之后，选用W2506型外循环单螺母滚珠丝杠副，2.5圈1列，其额定动载荷为13100N，精度等级按照自动焊接小车的性能要求选择为3级。
传动效率的计算：

式中，是丝杆螺母副的螺旋升角，所使用的W2506型外循环单螺母滚珠丝杠副为4°22′。为摩擦角，定为10′。

丝杠刚度的校核

E为材料弹性模数，对于钢材料，取（N/mm）。F为滚珠丝杠的截面积。

X向工作台采用步进电机的传动经过一级齿轮减速箱之后，传动到丝杠，带动丝杠转动的传动方式。传动结构简图如下图4.2所示。

图4.2 X向工作台传动结构简图

现在已知X向进给的脉冲当量为0.01mm，初步选取步进电机的歩距角为1.5°。计算齿轮变速箱的传动比：

选定齿轮的齿数

按齿面接触强度计算齿轮的参数
齿轮的材料选用45钢，小齿轮的齿数为20，大齿轮的齿数为50，这个传动结构速度不是很高，对强度没有太高的要求，故选用7级精度（GB10095-88）。
制齿圆柱齿轮的计算公式为：

式中，为区域系数，取2.5。α取20°K为载荷系数，取值1.3。T1为小齿轮的转矩。为齿宽系数，取值为0.2。是材料弹性影响系数，查资料得为189.8MPa。为接触疲劳许用应力。

根据齿轮的齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限

计算圆周速度
＝
计算齿轮的宽度

计算齿宽与齿高之比
模数
齿高

按照实际的载荷系数校正分度圆直径

载荷系数

查找资料可得动载荷系 使用系数 =1.423
＝1×1.15×1×1.423＝1.636

计算模数

将模数值圆整，m取1。
此齿轮传动齿轮组的齿轮几何参数如下表4.2所示：

表4.2 传动齿轮的几何参数
齿数
20
50
分度圆
10
25
齿顶圆
12
27
齿根圆
8
23
齿宽
10
10
中心距
35
35

（2）X向步进电机的计算
等效转动惯量的计算：
X向工作台的传动方案采用传动比为0.4的齿轮减速后，带动丝杠螺母副进行滑动，总的系统的转动惯量可由下面公式得出：

式中，为步进电机的转子的转动惯量（），和为两个齿轮，的转动惯量，是丝杠的转动惯量。
步进电机初步选为70BF003型反应式步进电机，其转子转动惯量为2.57。

W=800N
带入上面的公式

计算步进电机的转动惯量与整个系统的匹配与否

由上式的计算可得知步进电机与系统的转动惯量可以匹配。
电机力矩的计算：
快速空载启动力矩

上面的公式中为加速力矩，为折算到电机轴上的摩擦力矩，为附加摩擦力矩。其中：

启动加速时间取30ms

移动时所需力矩

最大静力矩

45BF005Ⅱ型步进电机的最大静转矩为8，可以满足所需要的最大静转矩。可以初选为使用电机，但还需进一步考察电机的启动和运行频矩特性。
计算电机的启动频率和工作频率：

根据70BF003的启动频矩特性特性和运行频矩特性曲线，当步进电机启动时，无法满足工作台所要求的启动力矩。如果不采取适当措施，就会造成失步。对于这种情况，可以采用升降速控制，减低地洞频率。或者采用高压低驱动电路，也可以调高电动机的输出力矩。
4.1.3 焊接系统的选用
根据设计要求，由于自动化焊接的焊缝成形相对而言比较困难，一般使用焊接能量输入较小的以及熔滴以短路方式过渡的焊接方法。而二氧化碳气体保护焊热影响区较小，焊缝变形小，经济性较好，故选用二氧化碳气体保护焊[13]。本课题设计的自动焊接小车撞在的焊接机型号选为NBC-250型二氧化碳气体保护焊机，其技术参数为：
输入电源：三相380V 50Hz。输入容量：6-9KVA。工作电压：16-25V。输出电流：50-250A。适用焊丝直径：φ0.8 φ1.0。
焊丝选择目前生产中应用最广的焊丝为H08Mn2SiA焊丝，这种焊丝有较好的工艺性能、抗热裂纹能力以及机械性能。广泛应用于低碳钢的焊接生产中。
送丝机构选用TNR-WFA-P500A松下型送丝机构，其送丝速度为1.5-15m/min，可适用的焊丝直径为φ0.8 φ1.0 φ1.2。
焊枪夹具的设计：

图4.3 焊枪夹具与工作台的连接装配图

如上图4.3所示，本课题所设计的焊接小车的焊枪夹具通过4个螺栓与工作台连接，前端的螺栓螺母用来控制夹具的松紧性，以方便焊枪的夹紧和取出。当焊枪的焊接方向需要改变时，将4个螺栓取下，并将夹具旋转90°，再将螺栓插入，此时，夹具中的焊枪也旋转了90°。这种焊枪夹具的结构可以使焊枪不但能完成水平面上焊缝的焊接，也能进行铅垂面上焊缝的焊接，丰富了焊接小车的可使用范围。
4.2 焊接小车行走机构的设计
目前焊接设备的移动机构类型主要有三种，即步行式，履带式和轮式传动。步行式能够在凹凸不平的场地行走，可以跨越台阶，有较好的机动性，但是步行式传动稳定性差，速度和精度较低，运动间歇大，运动分辨率低的缺点，不适合精密的焊接工艺。履带式能够在凹凸不平的地面上行走，稳定性好，且能够爬越较大斜坡，但是履带式传动结构复杂，效率低，成本较高，维护不够方便。轮式移动平稳，精确度和灵敏度高，操作和维护简便，但是对路面的适应性不好。综合以上考虑，决定使用轮式移动结构，由步进电动机带动小车整体进行运动。
本课题所设计的自动焊接小车所要求达到的焊机速度为0.2-2m/min。这就要求行走机构的速度应当满足焊接速度的速度要求，可以在焊接速度的范围内自由调节。
总体传动图如图4.3所示。

图4.4 行走机构的传动方案

焊接小车的轮子直径暂定为110mm。要满足小车的焊接速度要求，轮子的旋转速度要带到：
(4.26)
焊接小车整体的重量约为100kg，车轮外表选用橡胶材质，与小车的行走面的摩擦系数约为0.1-0.2。小车行走过程中收受到的摩擦力约为
两个主动运动车轮所连接的轴传动的功率为
(4.27)
转矩 (4.28)
驱动行走机构的步进电机初选为90BF001型步进电机，歩距角为0.9°。运行频率为8000Hz，正常工作时的转速为：
(4.29)
所以，从电机轴到带动主动轮的轴，整个系统的总传动比约为150.
由于整个系统的传动比数值较大，单靠齿轮加速系统无法满足系统的降速要求，因而选择传动比较大的涡轮蜗杆减速器和齿轮减速器一起使用，以达到系统所要求的传动比。
传动比的分配：
选定涡轮蜗杆减速器的减速比为50，齿轮减速器的传动比为3。查阅资料，了解普通圆柱螺杆的基本尺寸和参数及涡轮响应的参数的匹配后，选用的涡轮蜗杆减速器参数如下：
中心距：40mm。模数：1.25。蜗杆分度圆直径：20mm。蜗杆头数：1。直径系数：16。涡轮分度圆导程角：3°34′35″。涡轮齿数：49[19]。
带动主动轮的轴的设计：
主动轴的设计尺寸如图4.4所示。

图4.5 主动轴的设计尺寸

带动主动轮的轴材料选择45钢，调制处理。
轴的扭转强度校核
（4.30）
式中为扭转切应力，单位为。为轴上扭矩，单位。是抗扭截面系数。是轴的转速。为轴传递的功率，单位为。是轴的直径，单位为。为许用扭转切应力，单位为[19]
由公式4.30可以推出轴的最小直径
(4.31)
查表可得，45钢的许用扭转切应力为25到45MPa。为103到126。

所设计的轴的最小直径为12mm，满足最小直径的要求。

5 结 论
本课题设计了一种自动焊接小车，可以在单片机系统的控制下，按照操作人员所输入的信息，以所需的速度和方式对直线焊缝进行精确地跟踪焊接。比起传统的焊接方式，工作效率更高，焊接的质量更好，焊缝的外观和强度都能得到有效的保证。焊接小车功能的实现基于以下2个模块：
（1）基于8051单片机的控制系统硬件电路，包括焊缝信息的采集与转化，调整参数的按键，显示信息和状态的LED显示和步进电机的驱动模块。
（2）焊接小车机械机构，使用了一组2轴联动的十字滑台，保证了对焊缝位置的精确追踪，可转动的夹具设计使焊头可以再多个平面上进行焊接工作，可调速的行走机构则保证了可以实现不同焊接速度下的焊接生产
本课题设计的自动焊接小车将8051单片机的性能与机械结构充分配合，充分发挥了8051单片机在工程应用中的作用。焊接小车的适用范围较为广泛，比较适合造船，铁路车辆等大型焊接场合。由于设计时间有限，本课题的研究还不够深入与透彻，小车的整体结构还有一些有待改善的地方，在小车的功能实现的基础上在焊接小车在运动路径调节和焊枪可调节的自由度等方面还有提高的空间。

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