焊接小车开题报告

毕业设计（论文）开题报告题目：长直导轨式焊接小车系统设计

院（系）信息与电气工程学院

专业测控技术与仪器

学生赵希庆

学号100220128

班号1002201

指导教师任秀云

开题报告日期2014-3-8

哈尔滨工业大学教务处制

一、课题来源及研究的目的和意义

目前, 国内多为手工电弧焊,其焊接时间长、劳动强度大、生产效率低。采用自动焊接技术是提高焊接效率、降低焊工劳动强度和生产成本的有效途径,也是我国焊接技术的一个发展方向。为此，需要开发自动焊接技术。焊接小车是自动焊接技术的主要部分，其控制性能直接影响焊接质量。薄板长直焊缝的焊接，出于成本考虑，部分企业仍采用手工焊接。手工焊接存在焊接效率低、焊缝质量差、变形大等问题，易出现裂纹、未熔合等焊接缺陷，而常规的自动焊接机，设计较为简单，适用性不强，虽然焊接效率较高，焊缝质量也比较好，但在整个焊接过程中不易控制，焊接质量和效率得不到很好的提高。

在自动焊接过程中，常常用到焊接小车来带动焊矩，从而实现长、直焊道的自动焊接。焊接小车的机动性、灵活性和可控制性直接影响焊接质量。

二、国内外在该方向的研究现状及分析

从20世纪60年代诞生和发展到现在，焊接机器人可大致分为三代：

第一代是指基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于其具有操作简便、不需要环境模型、示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用。

第二代是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人，得益于焊接传感器技术和离线编程技术的不断改进，这类机器人现已进入应用研究的阶段。

第三代是指装有多种传感器，接收作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人，由于人工智能技术的发展相对滞后，这一代机器人正处于试验研究阶段。

随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成为科研人员追求的目标[2]。

我国已发展了各种类型的传感器技术，控制坐标已从单坐标和双坐标发展到了多坐标。20世纪50～60年代多采用接触跟踪，西安交通大学和三桥机车车辆厂是中国从事接触跟踪和电磁跟踪研究较早的单位。60～70年代后期发展了电磁跟踪、光电跟踪、电弧跟踪、激光跟踪等非接触跟踪技术。华中科技大学与湖北造船厂合作研制成功全位置电磁跟踪气体保护焊机，跟踪精度达±1mm。华南理工大学与广州造船厂共同研制的电磁立焊缝自动跟踪焊机，用在万吨轮的焊接上。天水电气传动研究所和上海造船工艺研究所合作，研制的光电跟踪装置用于螺旋管焊接和船舶的焊接生产中。哈尔滨焊接研究所与辽阳钢厂合作研制的激光跟踪装置用于螺旋管焊接自动生产线等。20世纪80年代后期，微机跟踪和电视跟踪技术得到迅速发展，从而为传统焊接自动化向现代焊接自动化发展奠定了基础[3]。

从20世纪70年代末开始，清华大学潘际銮院士对电弧传感焊缝跟踪做了大量研究。80年代末，潘院士在电弧传感器结构及控制方面又进行了新的研究，研制出一种空心马达式高速旋转扫描电弧传感器，并成功地对一种无道轨的自动小车进行跟踪控

制，获得了专利[4]。

此外，哈尔滨工业大学研制成功了单片机控制高精度激光跟踪系统，西北工业大学研制成功微处理机控制熔化极脉冲窄间隙焊缝自动跟踪系统等，都获得了较好的自动控制效果[5]。计算机图像法控制技术也在80年代研究成功，如水电部电力建设研究所研制成功DL-64固态图像传感器进行焊缝跟踪的装置。

总的说来，我国的焊接研究人员对各种焊缝跟踪方法进行了研究，并在某些特定的应用中获得了成功。但是，由于种种原因，我国的焊缝跟踪技术大都还停留在实验室中，在生产中应用的绝大部分还是针对特定焊接对象、工艺和焊接状况的焊缝跟踪系统，能够形成商业化的产品非常少见，而这正是我国在焊缝跟踪领域与发达国家的最大差距所在[6]。

三、主要研究内容及研究方案

1.总体设计方案

本课题设计的长直导轨式焊接小车在结构上与其他小车有所不同，整体传动结构采用直流伺服电机输出，经过减速器进行减速后再输出至蜗杆，最后通过涡轮输出带动齿轮沿导轨运动。小车通过控制XY轴电机转速最终控制十字滑块在XY方向运动实现两个维度的操控。同时小车前臂采用一个减速轮，用电机控制焊枪夹转动，因此小车具有XY轴和左右转动三个维度的自由运动功能。小车整体结构紧凑，体积小，重量轻，运动灵活，安全可靠等特点。

2.机械设计方案

3-1.焊接小车系统组成

1.十字滑块Y轴电机

2.十字滑块

3.焊枪夹摇摆电机

4.焊枪

5.小车导轨轮

6.长直导轨

7.小车运动齿轮

8.直流伺服电机9.十字滑块X轴电机10.焊接小车车体

3.电机驱动方案

方案一：步进电机。基于步进电动机性能优越、控制精度高等性能，以及结合本课题选用单片机作为控制核心的特点；又由于本控制属于开环控制系统，而

步进电动机有适合应用于开环控制系统，所以方案一的电动机类型选择为步进

电动机。

方案二：直流电机。电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，电机功率有局限做不大。容易实现智能化，其电子换相

方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护不存在碳刷损耗的情况，

效率很高，运行温度低噪音小，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

总体来说，两款点击各有优缺，但是本课题设计的焊接小车运行在高电压高电流的环境下，步进电机在此环境下容易出错，所以选择方案二。

4.主控芯片选择

方案1：采用51系列单片机，该系列单片机结构简单，但是能实现很多功能。

与其它单片机相比较价格便宜。端口电流较大，可以达到20mA，驱动能力强。

方案2：采用msp430系列单片机，该系列单片机片上资源丰富，功能强大，但是端口灌电流和拉电流较小，驱动能力不强。它主要运用在需要低功耗的地

方。

本系统主要是进行电机控制，经过对比分析，我们选用STC89C52单片机作为主控芯片来驱动电机，进而控制电机转速。

5.单片机控制系统

3-3.导轨式焊接小车控制系统结构

在焊接过程中，可根据焊接实际的要求，完成以下三个维度的功能： 控制小车在导轨上的行走速度和行走方向。

控制小车在十字滑块的XY轴自由移动。

控制小车机械手的左右摆动。

四、进度安排及预期达到的目标

1．研究的总体安排与进度