管-板自动焊接机器人系统设计

摘要
在化工、轻工、核能等设备中，管与管板的焊接接头不仅数量多，操作难度大，而且焊接质量要求高。

目前上海某工厂管板焊接是手工操作的，生产效率低、工人劳动强度大、焊接质量不稳定。

所以本文针对上述情况，设计出管板自动焊接机器人系统。

本文所设计的管板自动焊接机器人，包括机械系统、视觉自动定位系统、PLC控制系统和基于触摸屏的人机交互界面。

根据工件及焊接工艺要求，焊接基本参数通过触摸屏设定，采用触摸屏实现初始定位精度调试,确定视觉传感识别管孔中心并将位置信息传递给以PLC为控制核心的控制系统，引导焊接初始位置自动识别、焊接。

实现了对管板焊接机器进行自动化改造，使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，视觉定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。

关键词：管板焊接，视觉定位，触摸屏，PLC
Abstract
In chemical, light industry,nuclear industry and other equipment, as for the tube-plate welding, despite the large number of welding joints and the complicated operation process, high welding quality are required. There exsits tube-plate welding based on mannual work at a factory in Shanghai, of which the production efficiency is low, the worker labor intensity is heavy, the welding quality is unstable. This paper about design of tube-plate automatic robots, includes mechanical system, visual automatic positioning system, PLC, man-machine interface system based on the touch screen.According to Requirements of the workpiece and the welding technology, welding basic parametersare is set by the touch screen, which was adopted to realize the initial positioning adjustment,determine center of the visual sensing identify pipe hole and transfer the location information to control system of PLC as the control core; guiding automatic identifications of the initial position and welding. By the implement of automation renovation for the tube-plate welding,transform the original artificial positioning, artificial control of welding process into automatic drive by step motor, visual positioning and welding equipments on the basis of a complete automatic control pocesss.
Keyword: tube-plate welding, visual positioning, touch screen, PLC
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题来源 (1)
1.2 课题目的与意义 (1)
1.3 管-板焊接应用现状与发展 (2)
1.4 主要研究内容 (6)
2 机械系统设计 (7)
2.1 引言 (7)
2.2 技术要求 (8)
2.3 X方向传动系统的设计 (8)
2.4 Y方向传动系统的设计 (16)
2.5 旋转传动系统的设计 (23)
2.6 焊机机头机械系统的设计 (32)
3 视觉传感系统设计 (36)
3.1 视觉传感系统的设计目标及功能特点 (36)
3.2 系统工作原理 (36)
3.3 视觉系统硬件组成 (37)
3.4 视觉系统软件部分 (41)
4 运动控制系统设计 (44)
4.1 运动控制系统控制要求 (44)
4.2 运动控制系统硬件设计 (44)
4.3 运动控制系统软件设计 (53)
5 人机交互界面设计 (68)
5.1 引言 (68)
5.2 控制面板设计 (68)
5.3 基于触摸屏的人机界面设计 (69)
6 管板焊接试验 (76)
6.1 样机研制及其操作流程 (76)
6.2 焊接试验过程 (78)
6.3模拟工件焊接试验效果 (79)
6.4焊接试验结论 (79)
7 结论 (80)
7.1 课题结论 (80)
7.2 课题展望 (80)
参考文献 (81)
致谢 (83)
1 绪论
1.1 课题来源
在化工、核能等设备中，管板与管的焊接接头不仅仅数量多，焊接难度大，而且焊接精度要求非常高，虽然有些场合可用胀管连接，但在要求较高的情况下，大多数仍需要焊接。

由于管子多、管径小、排列间距小等特点，给焊接带来许多困难。

国内有些厂家从国外引进管一板全自动焊机焊接管与管板的角环焊缝，由于被焊工件尺寸的精度及装配的质量问题，从而使得设备难以正常使用，还有的厂家从国外引进弧焊机器人焊接管与管板的环焊缝，由于操作人员和维修人员的素质跟不上，或者由于关键部件需要进口，使55％的焊接机器人不能很好地用于生产。

也由于进口设备昂贵，使我国管板的焊接工作长期停留在手工焊接的水平上，不但操作困难，而且质量也难保证[1]。

本课题是来自教师科研项目，是对上海某工厂内现有的相对落后、自动化程度不高的人工焊接机器进行自动化改造，使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，视觉传感定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。

1.2 课题目的与意义
作为柔性焊接设备的焊接机器人正逐浙成为焊接过程自动化的一个重要部分，是提高关键结构件的焊接质量的重要手段。

管板焊接机器人的应用，不仅提高了焊接质量和生产率，而且降低了工人的劳动强度，作业环境也得以改善。

归纳起来采用管-板焊接机器人有下列主要意义：
（1）提高焊接质量。

焊接参数如焊接电压、电流、焊接速度等对焊接结果起决定作用。

采用管-板焊接机器人焊接时对于每个管孔的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小,因此降低了对工人操作技术的要求，使焊接质量提高。

而人工焊接时，由于焊接速度、干伸长等因素都是变化的，因此很难做到焊接质量的均一性。

（2）改善了工人的劳动条件。

采用管-板机器人焊接工件时，工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、飞溅等。

对于焊接工人来说他们不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从强度非常大的体力劳动中解脱出来。

（3）提高企业生产率。

管-板焊接机器人没有疲劳，一天可以24小时连续生产，而且随着高速又高效焊接技术的应用，使用管-板焊接机器人焊接，效率提高的更加明显。

（4）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。

可实现小批量产品的焊接自动化。

（5）产品周期明确，容易控制产品产量。

管-板焊接机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

目前上海某工厂管板焊接是手工操作的，生产效率低、工人劳动强度大、焊接精度不稳定。

本项目探讨对管板焊接机器进行自动化改造，使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。

1.3 管-板焊接应用现状与发展
在管板与换热管的焊接中，焊接方法有焊条电弧焊、手工氩弧焊、脉冲全自动氩弧焊等几种方法。

而焊接方法的选择除根据图样规定外，常常是根据制造厂的制造工艺条件确定的。

1.3.1 焊条电弧焊
现在国内某厂在空冷器的制造过程中，对丝堵板与换热管的焊接还在使用焊条电弧焊,相信这在国内也具有一定的代表性。

在使用焊条电弧焊对进行焊接时，须满足以下焊接要求及其注意事项[3]：
（1）电焊工必须具有相应的焊工操作许可证。

施焊过程中，设专人进行焊接技术监督，随时掌握焊工的焊接状态，并根据焊工的焊接情况予以具体指导。

（2）电焊条必须进行烘干，并按规定使用保温筒，且在使用过程中注意防潮。

（3）采用手工电弧焊，有数名焊工间接同时焊接。

为减小焊接应力与变形，基本思路与方法是采用放射交叉式焊接或分区对称式焊接。

焊接缺陷的返修，应先清除缺陷后再补焊，并按返修工艺进行，焊缝同一部位的补焊次数不宜超过2次，否则补焊前应经单位及时总负责人批准，并采取可靠的技术措施。

（4）焊渣及突出与管子内壁的焊瘤应消除，其焊缝外观应符合相应的技术条件规定。

焊缝外形尺寸检验要用肉眼，借助有关辅助量具进行，检验时要保证良好的照明。

（5）焊工焊完后在相应部位打上焊工钢印。

同时设备档案中进行详细记录，以增强焊工与检查人员的责任心和便于了解查询跟踪设备的内在质量。

如图1-1所示，为国内某厂工人进行空冷器管与管板的焊接，以及焊后的焊缝形状。

图1-1 焊条电弧焊以及焊缝形状
1.3.2 手工氩弧焊
尽管近年来工业锅炉行业在逐渐改造过程中焊接自动化有了很大的进步，但在管子与联箱，以及一些金属结构件的焊接上，手工氩弧焊仍然是生产中的主要工艺手段，而手工氩弧焊技术对焊机的要求也不断地提高。

图1-2就是手工氩弧焊现场情况。

图1-2 手工氩弧焊现场情况
手工氩弧焊的优点是[1]：
（1）电弧和熔池可见性好。

（2）操作方便，易于控制熔池形状及焊缝成形。

（3）与焊条电弧焊相比，能量集中，热影响区小，变形小，不影响胀管的焊接工艺。

目前手工氩弧焊常见缺陷及解决办法[1]：
（1）未焊透焊接电流小，根部间隙小，焊接速度快，焊枪角度不正常等均会产生未焊透缺陷。

采用合适的焊接电流和正确焊枪角度就可避免产生未焊透，且根部间隙一定不小于2.5mm。

（2）氧化严重打底焊时，管内氩气保护装置未能起到良好的保护作用，焊缝背面被氧化；焊接过程中熔池及焊丝端头氩气保护不良，或焊丝表面有氧化杂质。

因此，在焊接过程中，氩气保护装置必须与管子对严，以防止被氧化。

对焊接操作员技术水平要求高。

（3）夹渣、夹钨在焊接过程中，高温下的焊丝若端头脱离了氩气保护区，在空气中被氧化，当再次焊接时被氧化的焊丝端头未经清理，送入熔池，就会形成夹渣；若钨
极伸出长度过大，焊枪动作不稳定，钨极与焊丝或钨极与熔池相碰后，又未终止焊接，从而造成夹钨。

焊接钢管在旋转，因此，焊接时速度一定要均匀，焊枪、送丝手法一定要稳、准，这样才能避免夹渣、夹钨的现象。

（4）内凹装配间隙小，焊接过程中焊枪摆动幅度大，致使电弧热量不能集中于根部，氩气内保护气流太大，均会产生背面焊缝低于试件表面的内凹现象，所以电弧热量尽量应集中于根部焊。

1.3.3 脉冲全自动氩弧焊
脉冲全自动氩弧焊焊机系统采用计算机控制，焊接过程稳定、可靠，操作方便，易损件更换方便，成本低, 电源能编程，存储，轻便，便于现场搬运、移动, 机头定位可靠、稳定、快捷。

不仅保证了焊接质量，而且大大降低了焊工的疲劳强度，提高了工作效率，有效的保证了换热器施工的进度。

图1-3就是脉冲全自动氩弧焊焊缝形状。

图1-3 脉冲全自动氩弧焊焊缝形状
现国内有多家公司在管板与换热器的焊接中应用脉冲全自动氩弧焊，例如国内某厂在薄壁不锈钢换热管与管板焊接时采用了脉冲TIG焊，该厂相关技术人员对此进行分析得出结论是[3]：
（1）脉冲自动全位置氩弧焊脉冲TIG焊接方法可精确的控制焊接热输入和熔池尺寸，是焊接不锈钢薄壁换热管与管板接头的最佳焊接工艺；
（2）焊接参数，钨极位置、钨极形状对管-管板接头质量有重要影响；
（3）适当的管端伸出尺寸是得到良好的焊缝成型和符合要求焊缝尺寸的重要条件；
（4）薄壁管与管板相焊时，采用适当的工装使管口贴紧管板孔也是保证焊接质量的重要环节。

目前全位置管板自动焊接设备，国外做得比较好的公司是法国的POLYSOUDE 和
美国的ARC MACHINES。

特别是法国的POLYSOUDE，在国内已有多家公司购进其产品。

如图1-4，就是法国的POL YSOUDE的产品。

图 1-4 脉冲全自动氩弧焊
美国CRC公司率先研制成功了一种高效管道自动焊接系统，即CRC多头气保护管道自动焊接系统，并在工业中使用获得成功。

它是由管端坡口机、内对口器与内焊机组合系统、外焊机3大部分组成，实现了从管内进行根部打底焊道的自动焊。

随后，英国、法国等其他国家也投研究应用了类似CRC管道内外自动焊技术。

目前，随着大口径高压输送管的出现，自动焊接技术逐渐成为人们关注的焦点。

在国内管板焊接设备做得较成熟的是上海华恒焊接技术有限公司,一些产品已经达到国际先进水平。

下图就是该公司两种管-板焊机机头。

图 1-5 TP040管板焊接机头图 1-6 TP060管板焊接机头综上所述，目前管板自动焊接设备技术已经比较成熟，在国内多家公司得到应用。

但目前还大多使用手工焊接，只有少数几家公司在应用的自动焊接，说明目前的这方面的技术还不成熟，有待于进一步研究。

1.4 主要研究内容
目前上海某工厂管板焊接是手工操作的，生产效率低、工人劳动强度大、焊接精度不稳定。

本项目探讨对管板焊接机器进行自动化改造，使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。

主要研究内容如下：
（1）设计管-板自动焊接机器人的机械系统，选用合适的电机、减速器与滚珠丝杠等传动部件；
（2）利用UG三维设计软件，根据设计数据对其建模，并对其进行干涉检查；
（3）视觉传感系统设计；
（4）基于触摸屏的人机交互界面设计，通过触摸屏设置相关参数；
（5）以PLC控制系统为核心，整套控制系统设计以及相关软件和功能模块设计。

2 机械系统设计
2.1 引言
本论文把管板自动焊接机器人看成由几个核心模块组成，如图2-1管板自动焊接机器人系统组成所示。

管板自动焊接机器人主要分为两部分，即机械系统和控制系统。

机械系统主要包括：X方向运动系统、Y方向运动系统、旋转部分、焊机机头部分。

控制系统主要包括：触摸屏人机界面、视觉传感系统、PLC控制系统。

图2-1 管-板自动焊接机器人系统组成
本章主要对其机械系统进行设计，如图2-2 管-板自动焊接机器人机械系统模型所示。

本章以下内容将对管板自动焊接机器人机械系统的X方向运动系统、Y方向运动系统、旋转部分、焊机机头部分分别进行设计。

图2-2 管-板自动焊接机器人机械系统模型
2.2 技术要求
（1）定位精度：±0.1mm ；
（2）行程范围（管系宽度）：1000mm ；
（3）最大移动速度：200mm/s ；
（4）焊枪旋转速度：9r/min ；
（5）焊接电源：管-板专用焊接电源；
（6）焊接方法：TIG 焊接；
（7）自动化焊接过程符合焊接工艺要求。

2.3 X 方向传动系统的设计
2.3.1 X 方向主要技术参数
（1）x 方向的脉冲当量0.05/x mm δ=脉冲；
（2）x 方向的定位精度均为0.1mm ±；
（3）行程范围（管系宽度）：1000mm ；
（4）工作台空载最快移动速度max 200mm /12000/min x v s mm ==；
（5）工作台进给最快移动速度max 20/1200/min x f v mm s mm ==；
（6）根据UG中的模型质量测量功能，得到移动部分的质量约为910N。

2.3.2.传动方案
由于管板自动焊接机器人X方向运行的有效长度为1000mm，而且X方向定位精度为0.1mm
，所以对于管板自动焊接机器人的X方向传动采用精度较高的滚珠丝杠螺母副传动。

由于X向传动系统需要带动焊机机头部分和Y方向传动系统，所以设计出X方向支撑滑板，将焊机机头部分和Y方向传动系统与X方向的螺母连接。

滑动导轨副采用矩形导轨，其特点是结构简单，制造，检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，高度高，可以使得Y方向传动系统与气割头部分可以平稳地在轨道上运行。

X方向传动的滚珠丝杠副支承方式设计成双推-简支式。

此种方式适用于中速、传动精度较高的长丝杠传动系统。

龙门气割机的X向传动需要较高精度的位置控制，所以驱动电机选用步进电机。

图2-3 X向传动模型
图2-4 X 向传动方案
2.3.3滚珠丝杠的计算与选型[8]
（1）工作载荷m F 的计算
已知移动部件总重910G N =；
采用矩形导轨，查表2-1，取 1.1K =,0.15μ=，代入
()m x z y F KF F F G μ=+++ （2-1）
由于此工作台在垂直平面，则其中0,0,0x z y F F F ===，得工作载荷136.5m F N =。

表2-1 m F 实验计算公式及参考系数[12]
导轨类型
实验公式 K μ 矩形导轨
()m x z y F KF F F G μ=+++ 1.1 0.15 燕尾导轨
(2)m x z y F KF F F G μ=+++ 1.4 0.2 三角形或综合导轨
()
m x z F KF F G μ=++ 1.15 0.15-0.18 （2）最大动载荷Q F 的计算 焊枪的在Z 向的最快进给速度 1.2/min v m =，初选丝杠基本导程3h P mm =，则此时丝杠转速
1000/400/min h n v P r == （2-2）
取滚珠丝杠的使用寿命15000T h =，代入
6060/10L nT = （2-3）
得丝杠寿命系数0360L =(单位为：610r )。

查表2-2，取载荷系数 1.1w f =，再取硬度系数 1.1H f =,求得最大动载荷为
1070Q W H m F f F N ≈ （2-4）
表2-2 载荷系数
运转状态
w f 平稳或轻度冲击 1.0-1.2 中等冲击
1.2-1.5 较大冲击或振动 1.5-
2.5
（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷，从《机电一体化系统设计课程设计指导书》查表3-33，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL2004型滚珠丝杠副。

其公称直径为20mm,基本导程为4mm ，双螺母滚珠总圈数为6圈，精度等级取4级，额定动载荷为4900N ，满足要求。

（4) 传动效率η的计算
将公称直径020d mm =，基本导程4h P mm =，代入
[]0arctan /()h P d λπ= （2-5）
得丝杠螺旋升角338'λ=。

将摩擦角'10,φ=代入
tan /tan()ηλλφ=+ （2-6）
得传动效率95.6%η=。

（5) 刚度的验算
滚珠丝杠副的支撑，采取一端轴向固定，一端简支的方式，左右支撑的中心距离为a=900mm;钢的弹性模量52.110E MPa =⨯；从《机电一体化系统设计课程设计指导书》查表3-32，得滚珠直径 2.381w D mm =，算得丝杠底径：
2017.6188w d d D mm =-= （2-7）
则丝杠截面积：
222/4243.8S d mm π== （2-8）
算得丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量：
31/() 6.8910m F a ES mm δ-==⨯ （2-9）
根据公式
0(/)3w Z d D π=- （2-10）
求得单圈滚珠数目23Z =;该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为6，则滚珠总数量236138Z ∑=⨯=。

滚珠丝杠预紧时，去轴向预紧力：
/3130.67YJ m F F N == （2-11）
则由式
2δ= （2-12）
求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量42 6.06710mm δ-=⨯。

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减少一半，取42 3.03410mm δ-=⨯。

120.0003723mm 0.3723m δδδμ=+==总 （2-13）
从《机电一体化系统设计课程设计指导书》查表3-27知，4级精度滚珠丝杠任意300mm 轴向行程的变动量允许16m μ，而对于跨度为900mm 的滚珠丝杠，总的变形量δ总只有0.3723m μ，可见丝杠刚度足够。

（6）压杆稳定性校核
查表2-3，取支撑系数2k f =；由丝杠底径217.6188d mm =，求得截面惯性矩：
442/644727.755I d mm π== （2-14）
压杆稳定安全系数K=3；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值900mm 。

表2-3 丝杠支承系数[12]
方式
双推-自由 双推-简支 双推-双推 单推-单推 k f
0.25 2 4 1 代入式
22
k k f EI F Ka π= （2-15） 得临界载荷8056.7k F N =，远大于工作载荷m F （392N ）,故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

2.3.4 步进电机的计算与选型
（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eq J
已知：滚珠丝杠的公称直径020d mm =，总长（带接杆）930l mm =,导程4h P mm =，材料密度337.8510/kg cm ρ-=⨯；移动部件总重量910G N =；参照《机电一体化系统设计课程设计指导书》中表4-1,滚珠丝杠的转动惯量：
425.62/32S D l
J kg cm πρ== （2-16）
初选常州市鼎兴电子有限公司生产的步进电动机型号为57BYGH502，查得该型号电动机转子的转动惯量20.36m J kg cm =⋅。

则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：
25.98eq m s J J J kg cm =+=⋅ （2-17）
（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转轴eq T
1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1eq T
考虑传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：
max 2160eq m
a a J n T t πη=⨯ （2-18）
式中 m n ——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为/min r ；
a t ——步进电动机由静止到加速至m n 转速所需的时间，单位为s 。

其中 max 12000 1.81200r /min 3603600.05
m v n αδ⨯===⨯ （2-19） 式中max v ——空载移动最快速度，任务书指定为12000mm/min ；
α——步进电动机步距角，预选电动机为1.8；
δ——脉冲当量，本文为0.05/mm δ=脉冲。

设步进电动机由静止到加速至m n 转速所需时间0.4a t s =，传动链总效率0.98η=；求得： max 0.192a T N m ≈⋅，
0.0442h f GP T N m i
μπη==⋅ （2-20） 式中μ——摩擦系数，取0.15；
η——传动链总效率，取0.98；
i ——传动比，取1。

最后由式
1max 0.236eq a f T T T N m =+=⋅ （2-21）
2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T
2eq T 包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T ；一部分是移动部件运动时折算到电动转轴上的摩擦转矩f T ；还有折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩o T ，o T 相对于f T 和t T 很小，可以忽略不计。

则有：
2eq t f T T T =+ （2-22）
已知进给方向的最大工作载荷136.5f F N =,则有：
136.50.0020.044220.981
f h
t F P T N m i πηπ⨯===⋅⨯⨯ （2-23） 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
0.0442h f GP T N m i
μπη==⋅ （2-24） 最后由式
20.088eq t f T T T N m =+=⋅ （2-25）
经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：
12max{,}0.236eq eq eq T T T N m ==⋅ （2-26）
（3）步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。

因此，根据eq T 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。

安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：
max 440.2360.944j eq T T N m N m ≥=⨯⋅=⋅ （2-27）
对于前面预选的57BYGH502型步进电动机，查得其最大静转矩max 1j T N m =⋅，可见完全满足要求。

（4）步进电动机的性能校核
1）最快工作速度时电动机输出转矩校核
已知最快工作速度max 1200/min f v mm =，脉冲当量0.05/mm δ=脉冲，由式
max max 40060f
f v f Hz δ== （2-28）
从57BYGH502的运行矩频特性图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩max 0.75f T N m =⋅，大于最大工作负载转矩20.088eq T N m =⋅，满足要求。

图2-5 57BYGH502的运行矩频特性图
2）最快空载移动式电动机输出转矩校核
最快空载移动速度max 12000/min v mm =，对应的电动机运行频率max 4000f Hz =。

由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩max 0.45T N m =⋅，大于快速空载起动时的负载
转矩10.236eq T N m =⋅，满足要求。

3）最快空载移动时电动机运行频率校核
最快空载移动速度max 12000/min v mm =，对应的电动机运行频率max 4000f Hz =。

57BYGH502的极限运行频率为20000Hz,可见没有超出上限。

4）起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量25.98eq J kg cm =⋅，电动机转子自身的转动惯量20.36m J kg cm =⋅，电动机转轴不带任何负载时的最高空载起动频率1800q f Hz =。

求出步进电动机克服惯性负载的起动频率为：
429L f f Hz == （2-29）
上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于429Hz.。

实际上，在采用软件升降频时，启动频率选的很低，通常只有100Hz 。

综上所述，竖直方向进给系统选用57BYGH502步进电动机，可以满足设计要求。

2.4 Y 方向传动系统的设计
2.4.1 Y 方向主要技术参数
（1）Y 方向的脉冲当量0.05/x mm δ=脉冲；
（2）Y 方向的定位精度均为0.1mm ±；
（3）工作台空载最快移动速度max 200mm /12000/min x v s mm ==；
（4）工作台进给最快移动速度max 20/1200/min x f v mm s mm ==。

（5）根据UG 中的模型质量测量功能，得到移动部分的质量约为392N
2.4.2.传动方案
管板自动焊接机器人的Y 方向传动的驱动由步进电机控制，采用以传动运动为主，精度要求较高的滚珠丝杆螺母副，其螺杆做旋转运动，螺母作直线运动。

由于Y 向传动系统需要带动焊机机头部分，所以设计出焊机机头滑板，将焊机机头与Y 方向的丝杠螺母连接，从而实现焊枪上下运动。

滑动导轨副采用矩形导轨，其特点是结构简单，制造，检验和修理方便，导轨面较宽，承载能力大，高度高，可以使得气割头部分可以平稳地在轨道上运行。

Y 方向传动的滚珠丝杠副支承方式设计成双推-简支式。

此种方式适用于中速、传
动精度较高的长丝杠传动系统。

图2-6 Y向传动模型
图2-7 Y 向传动方案
2.4.3滚珠丝杠的计算与选型
（1）工作载荷m F 的计算
已知移动部件总重392G N =;
工作载荷m F =392G N =。

（2）最大动载荷Q F 的计算
焊枪的在Y 向的最快进给速度 1.2/min v m =，初选丝杠基本导程3h P mm =，则此时丝杠转速：
1000/400/min h n v P r == （2-2）
取滚珠丝杠的使用寿命15000T h =，代入
6060/10L nT = （2-3）
得丝杠寿命系数0360L =(单位为：610r )。

查表2-2，取载荷系数 1.1w f =，再取硬度系数 1.1H f =，求得最大动载荷：
3067.46Q w H m F f F N == （2-4）
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL2004型滚珠丝杠副。

其公称直径为20mm,基本导程为4mm ，双螺母滚珠总圈数为6圈，精度等级取4级，额定动载荷为4900N ，满足要求。

（4）传动效率η的计算
将公称直径020d mm =，基本导程4h P mm =，代入
[]0arctan /()h P d λπ= （2-5）
得丝杠螺旋升角338'λ=。

将摩擦角'10,φ=代入
tan /tan()ηλλφ=+ （2-6）
得传动效率95.6%η=。

（5）刚度的验算
滚珠丝杠副的支撑，采取一端轴向固定，一端简支的方式，左右支撑的中心距离为a=900mm;钢的弹性模量52.110E MPa =⨯；查《机电一体化系统设计课程设计指导书》中表3-32，得滚珠直径 2.381w D mm =，算得丝杠底径：
2017.6188w d d D mm =-= （2-7）
则丝杠截面积：
222/4243.8S d mm π== （2-8）
算得丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量：
31/() 6.8910m F a ES mm δ-==⨯ （2-9）
根据公式：
0(/)3w Z d D π=- （2-10）
求得单圈滚珠数目23Z =;该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为6，则滚珠总数量236138Z ∑=⨯=。

滚珠丝杠预紧时，去轴向预紧力：
/3130.67YJ m F F N == （2-11）
则由式：
2δ= （2-12）
求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量42 6.06710mm δ-=⨯。

因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3,所以实际变形量可减少一半，取42 3.03410mm δ-=⨯。

120.0003723mm 0.3723m δδδμ=+==总 （2-13）
由《机电一体化系统设计课程设计指导书》中表3-27知，4级精度滚珠丝杠任意300mm 轴向行程的变动量允许16m μ，而对于跨度为900mm 的滚珠丝杠，总的变形量δ总只有0.3723m μ，可见丝杠刚度足够。

（6）压杆稳定性校核
查表2-3，取支撑系数2k f =；由丝杠底径217.6188d mm =，求得截面惯性矩：。