基于PLC的双工位自动焊接系统设计嵌入式毕业设计论文

基于PLC双工位自动焊机系统设计

摘 要

汽车后桥是汽车传动系的重要部件，其轴端法兰的焊接质量关系到汽车行车

安全及整车性能。文中在对汽车后桥法兰的焊接加工工艺分析的基础上，结合现

代焊接机床的功能特点，设计出了双工位数控焊接机床，加工环境要求在一定压

力的CO2保护下进行，主要应用于汽车后桥两端法兰的焊接，也可用于其他两端

对称圆弧面焊缝的焊接。该机床采用双工位布置，生产节拍高；变位机结构紧凑；

气体增压系统使用方便、维护简单；采用伺服控制反馈系统，其控制精确高，焊

接稳定和焊接质量好；系统设计时应用PLC数字化控制，从而降低了对工人操作

技术的要求，改善了工人劳动强度及在有害气体作用下的工作环境。文中重点分

析了国内外焊接自动化的发展现状及趋势，汽车后桥的焊接加工工艺，详细介绍

双工位数控焊接机床方案的制定、工作原理、机床结构设计、控制系统的研究设

计、程序的编写及机床的安装与调试。该机床同时完成双工位的焊接加工，且加

工零件类型多样，满足汽车后桥焊接生产工艺要求，大大提高了生产效率和焊缝

质量。

关键词：汽车后桥；双工位焊接机床；气压传动；控制系统；机床安装与调

试

第1章 绪论

1.1课题研究背景

焊接是制造业中一种重要的传统加工工艺，利用其工艺，通过加压或加热将

两个部分在一起，使得它可以实现原子结合一个整体，与其它连接技术相比，具

有节约材料，减少结构重量和关节性能好等特点，并在工业生产中起到非常重要

的作用，被机械制造、能源、交通、建筑和航空航天等领域广泛应用。随着科学

技术的飞速发展，传统的手工焊接技术已经不能满足现代高科技产品所要求的制

造质量及数量，促使现代焊接工艺正在向着的机械化、自动化的方向不断发展。

随着自动控制技术、计算机技术及信息技术的迅猛发展，都为工业自动化的进步

打下了坚实的基础，并彻底改变了传统工艺的面貌。自动化焊接技术已经成为一

个广阔的发展方向，它不但可以极大地提高生产效率，而且还可以保证焊接质量

及改善作业环境。自动化焊接技术已成为工程应用中不可阻挡的技术发展。

1.1.1焊接自动化的国内外发展现状

在20世纪80年代，随着科学与技术，计算机技术，信息技术和自动控制技

术的迅速发展，各种自动化设备已经开始被现代工业生产逐步应用，如工业机器

人如雨后春笋般被应用到工业产业化的生产制造中，并在发达国家的工业生产中

普及应用。在1997年初，在全球各类工业机器人的应用已高达近70万。其中，

焊接机机器人的数量约占53％。在近十年的时间，在工业发达国家，如美国，

英国，日本和德国，焊接设备更是迅速发展。

相比之下，在焊接及其设备制造领域，我国起步较晚，早在20世纪50年代，

随着我国重工业的发展需要，才逐渐加强关注焊接领域，起初我国的焊接设备主

要源于前苏联。在20世纪50年代，随着经济的发展，我国对焊接设备的迫切需

求，先后出现一定数量的焊接设备生产厂商。

在国内焊接发展的初期，焊接接设备更多的是性能结构简的焊接操作机、位

移机，焊接滑轮架以及一些相应的翻转机械等，其中大部分都是手工操作，少数

有半自动化操作，自动化含量较低。在进入20世纪80年代，随着大量引进成套

的焊接设备，我国的焊接设备具有较为明显的提高。但与国外先进国家相比，我

国在自动焊接领域还相差大一段距离。据统计，到2000年左右，我国的焊接机

器人应用总数才在1000套左右。

1.1. 2焊接接自动化的发展趋势

自动化焊接设备制造技术含量高，通常包括焊接、自动控制、精密机械设计

等多种技术，随着工业自动化、智能化、数字化技术的发展以及焊接自动化的广

泛应用，焊接设备正在向着自动化、智能化、数字化的焊接车间发展，为中国制

造业实现工业转型升级和新型产业的发展。

自动化焊接设备的技术水平体现国家科技水平的程度，直接决定着国家核心

装备的技术水平。我国自动化焊接设备的技术发展具有以下趋势：

1、精密、高效化

自动化焊接设备正朝着高精度，高品质，高效率，高可靠性方向发展。该系

统所需的控制器和软件具有高速信息处理，系统中的所有运动部件和驱动设备具

有精确的控制及长期、稳定、可靠工作的快速响应特性。

2、模块化

自动化焊接设备的集成技术，包括硬件系统集成，功能集成和控制集成技术

的结构。无论是焊接设备的结构还是控制功能模块都采用模块化设计，可根据不

同用户的需求，直接组装就可以，快捷地提供不同的控制软件模块，使得系统功

能扩展非常方便。

3、智能化

自动化焊接设备包含视觉、传感器、激光检测、图像处理、智能控制及计算

机应用等多门技术，使其可以在各种复杂的环境下，根据实际情况自动调节优化

辉轨迹和工艺参数，实现高品质、高效率的焊接智能控制。

4、柔性化

根据现代化的生产需求，要求用一台设备可以满足各种规格工件的加工，即

使是不同种类的工件也可以自动加工处理，所以在焊接设备的设计中要考虑其柔

性化，尽可能满足柔性制造，充分发挥设备的效率。

5、网络化

由于智能界面、远程通讯等现代网络技术的发展，促进了自动化焊接设备管

控一体化技术的发展。通过网络整合实现生产过程自动化控制，利用计算机技术、

远程通信技术等技术实现数字一体化管理焊接过程中的各类信息数据，从而实现

实现远程监控、诊断、保养及脱机编程。

6、人性化

自动化焊接设备广泛应用了人机交互界面操作，设备具有实时显示控制参数

及人机交互等功能，使设备操作更容易，更方便。

[1]

1.2 PLC 在焊接自动化中的应用

可编程逻辑控制器（PLC）是以微处理器为核心，结合自动控制理论、计算

机和通信等技术发展，并适用于工业机械自动化控制所研制的设备，它具有自动

排序、逻辑运算、定时、计数等功能，通过模拟或数字量的输入/输出模块来完

成不同类型的机械关节的动作控制。此前，PLC只具有一个逻辑顺序控制功能，

但随着不断深入研究，用户水平的需求不断提高，PLC则作为信号传输的中介，

即接收各种类型的数字或模拟信号，输出的模拟信号用于PID控制器使用。

[2]

目前，由于PLC的抗干扰能力强、实时性好，则被广泛应用于自动焊接设备的控

制系统中，为满足复杂的焊接技术、人机信息交流及较好的控制机械关节的运动，

特将PLC作为下位机，工业PC作为上位机，且适用于不同环境的基于PLC的自

动化焊接系统。

1.2.1 PLC 工作基本原理

PLC采用的是可以在其内部存储执行指令的编程存储器，例如定时计数、算

术、逻辑、顺序等，并通过数字量（或模拟量）输入和输出，从而实现各种机械

部件及加工过程的运动控制。 PLC将信号的采集和信号的运算结果分别存储到

[8]

输入输出映像区对应位上。一个循环运行需要经过内部处理、通信服务、输入、

处理、输出五个阶段。在内部处理阶段，PLC检查监测CPU内部硬件及定时器是

否正常；在通讯服务阶段，PLC扫描外部设备各接口的功能命令，刷新输入命令；

在输入处理阶段，PLC序列读取数据信息并将其存储到输入映像区;在程序处理

阶段，PLC在按照梯形图程序的原则逐步进行扫描、逻辑运算及算术运算来执行

程序;在输出处理阶段，CPU将输出图像区域中的每个状态传送到输出锁存器。

具体流程如图1.1。

[9]

图 1. 1 用户程序循环扫描原理

1.2.2 PLC在焊接自动化中的应用

由于可编辑器PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、设计周期短、维护方便等

优点，因此被广泛得到应用。而且把PLC作为控制单元，系统链接结构简单，节

省大量触点控制环节，故障率极大降低；设置及修改软件编程非常方便，控制精

度高，满足焊接需要。

[10][11]

无论哪一种电气控制系统都是威力满足控制要求控对象，以提高生产效率和

产品质量，因此在PLC控制系统应遵循以下原则设计：

1.极大限度满足受控对象的控制要求;

2.在满足控制要求的前提下，尽可能使控制系统结构简单、经济且维护方便;

3.确保控制系统安全可靠;

4.考虑生产工艺的改进，PLC的 I/O 点数应留有备用端子。

[2]

PLC作为自动化焊接的核心技术，不但提高了焊接控制系统的可靠性，此外，

还使整条生产线分布合理化，操作规范化，可靠性好。在本文中，所研究的基于

PLC的双工位自动焊接系统采用PLC作为系统的控制核心，对汽车后桥法兰两端

面进行加工。

[12]

1.3 课题的来源及研究意义

本课题来源：哈额尔滨大学与公司合作项目。

研究意义：汽车后桥轴端法兰是汽车传动系的重要部件之一，其焊接质量直

接关系到汽车的安全性及整体性能。早在上世纪50年代汽车后桥制造业的自动

化生产线是福特汽车的生产流水线，其主要经历了手工和半自动生产线等发展阶

段。前期阶段是以手动焊接为主，由于人为因素使得焊缝存在较多的缺陷，如

[13]

焊缝不均匀、咬边、气孔等现象，从而导致其不能承受较大载荷，焊件容易断裂

等现象，这在生产汽车的车轴和汽车使用都存在极大的隐患。车桥的自动焊接生

产线已经了较长时间的发展，整体水平也有了相当大的提高，但仍需要进一步加

强和提高其自动化水平。随着计算机科学技术和工业自动化技术的结合和现代人

们快节奏的生活，致使人们对汽车的质量要求不断提升，焊接机器人被越来越多

的应用到汽车车桥的生产当中，进而将功能强大，可靠性好的PLC作为实现控制

功能的控制器，该控制器还适用于各种工业加工环境和布线简单的控制功能，灵

活的编程方便等特点，因此在各类生产线控制系统中已被广泛使用。因此基于

PLC的双工位自动焊接系统的设计和研究，在汽车后桥生产及焊接线上具有十分

重要的意义。本文研究的基于PLC的双工位自动焊接系统需要在具有一定压力的

CO2保护下进行焊接，其具有生产节拍高、实时性好、控制精度高、焊接稳定质

量高以及安全等特点。这使汽车后桥生产及焊接技术离现代化控制更近一步。

1.4 课题研究内容

本文研究的装置主要是针对汽车后桥的法兰进行研究设计，其主要研究一下

几个内容：

1.首先对了解双工位数控焊接机床工作原理，并根据所加工零件的额机械结

构特点及工艺需求进行分析，来确定焊接机床的结构及控制方案。

2. 双工位数控焊接机床结构设计．该部分详细叙述了焊接机床床身设计依

据，焊机运动机械结构的实现，气压传动系统中的元器件设计、计算及选择，电

气控制柜结构尺寸设计原则等。

3. 通过对焊接机床的电路控制系统，伺服驱动系统，主轴工作原理、旋转

速度调节等参数的分析，从而确定基于PLC双工位自动焊接系统的硬件设计及软

件设计方案。

4. 自动焊接系统的搭建与调试．并分设备安装时应注意的细节，以及调试

当中出现的问题，并对焊接器件进行分析和鉴定。

第二章 双工位数控焊接机床工作原理及设计方案

2.1 汽车后桥机械结构特点

按结构类型将汽车后桥一般分为可分式、整体式和组合式三种结构。本课题

所研究的焊机装置所要焊接的是模拟汽车公司生产的公交车整体式桥壳法兰。其

后轴桥壳结构如在图2.1、2.2所示，其特征在于整个后轴桥壳制成空心管状结

构，使得强度和刚性比较好。主减速器和桥壳成两个部分，主减速器包括壳和外

壳。桥壳和汽车总轴、半轴、气室等其他部件构成整个汽车后桥，例如如图2.3

所示，其优点是减速桥和后桥都是相对独立的，所以容易拆装备的组装，调试，

维修，保养等。

图 2. 1 铸造整体式桥壳

图 2. 2 整体式汽车后桥桥壳

1—半轴套管；2—法兰；3—钢板弹簧座；4—油包；5—支架；6—加强圈；

7—放油螺栓孔

图 2. 3 客车后桥装配图

2.2 汽车后桥法兰焊接工艺分析

2.2.1 焊接工艺分析

所述MAG（金属活性气体焊接）焊接，制定了正确的焊接参数用于保持焊接

过程的稳定性和保证焊接质量中起着重要的作用。主焊接参数被焊接电流，电弧

电压，焊丝直径，焊接速度，摆动的轨道，保护气体等。

1.焊接电流的选择是在焊接过程的主要参数之一。当其他焊接参数不变，焊

接电流与送丝速度、焊丝熔化速度的变化呈现分线性关系，主要的原因是由热电

阻丝引起的，使得焊缝质量较低。

2.焊接电压—实际焊接生产电弧电压值，根据焊丝的化学成分、直径及保护

气体等参数设置。这种焊接机的类型是使用pana-auto自动焊接机组指节输出电

压。通过实验，利用控制变量法确定电弧电压值。

3.焊接速度是指焊接电弧沿加工元件切线方向的线速度，它直接影响到焊接

的最终质量。当其它条件不变的情况下，在测试焊接过程中发现：焊接速度小，

导致焊接应力增加，热影响区变宽，焊缝及焊接预告加大；电弧焊接速度适中，

相对稳定，焊缝宽度及焊接余高比例合理，焊缝均匀美观；在焊接速度较高时，

缺乏穿透力，焊接变形，机械性能较差。

4．摆动参数依据焊缝宽度、类型来实现摆动功能。在焊接加工过程中，摆

动幅度及频率会直接关系到焊缝质量。在实际生产中，增加摆动时间可相对降低

焊缝余高，提高焊缝的熔敷率及质量。同时摆动焊接可实现多层焊，使机械结构

的强度增强，提高其机械性能。所以为了使焊缝质量更好，必须通过试验来选择

最优的参数。

[14]

2.2.2 焊接焊缝的要求

汽车后桥法兰焊接工艺应符合下列要求：

1.焊接后的法兰与桥壳牢固，焊缝平整、均匀，不得有虚焊、漏焊、气孔等

缺陷。

2.焊接完毕后校正清除内应力。

3.焊缝质量符合《熔融焊技术规范》GED/84319/SPN.012的标准。

4.按照 GED/84319/SPN.013进行无损检测。

2.2.3 性能要求

1．法兰焊缝刚度和强度

汽车 2.5 倍满负荷时，不允许出现断裂和塑性变形。

2．法兰焊缝疲劳寿命

汽车满载负荷下，进行次疲劳试验，卸载后利用超声波探伤仪对焊缝

210

8

进行探伤，所有实验焊缝不允许出现裂纹，然后再加载进行次疲劳试验，

210

7

卸载后依旧进行焊缝探伤，重要部位焊缝不得有裂纹等缺陷。

2.3 焊接机床总体方案的确定

根据加工对象的结构特点、生产节拍及加工工艺分析的要求，设计出了几套

总体焊接机床方案，经过一系列对比，最终确定两种设计方案。

2.3.1 龙门式双工位数控焊接机床

按照结构部件的不同形式运动，龙门式结构分为动龙门式和动梁式。动龙门

式结构机床如图2.4所示，虽然龙门式结构可以很好地实现汽车后桥桥壳焊接加

工，但是存在运动机床的部件质量较大，机床动态性能较差，制造成本较高，设

备占地面积较大，并且焊枪不能达到预期的摆动控制，焊接不能满足使用要求;

和焊接设备占地面积大的面积，最终放弃了这种设计方案。

图 2. 4 龙门式双工位数控焊接机床

2.4.2 卧式双工位数控焊接机床

根据汽车后桥结构、加工位置、焊缝形式等特点，将焊接机床设计成卧式双

工位数控焊接机床，如图 2.5 所示。该机床主要由机械系统、电力拖动系统、

运动控制系统等组成如图 2.6 所示。机械系统主要包括床身、主轴、滚珠丝杠、

气缸、减速机构等组成；电力拖动系统则是由滚珠丝杠移动，焊枪摆动，主轴转

动等拖动系统组成；运动控制系统主要是用 PCM-3350 嵌入式工控主板作为上位

机，s7-200 西门子 PLC 及其扩展模块作为下位机来控制伺服系统、变频器系统、

气压传动系统等，通过传感器的输入与输出信号确定机床及焊接位置，机床的操

作控制可通过手动或者脚踏开关。机床在加工调试时可显示自动运行画面、手动

运行画面、焊接参数设置界面、机床系统参数设定界面。综上所述，卧式双工位

数控焊接机床可良好实现汽车后桥法兰的焊接任务，并且该机床的结构能够用于

电气控制线的布置，以保护其免受余热的损害;此外，机器可两个工位同时处理，

生产节拍为2.1分钟/台，满足生产节奏要求。以上两种方案的对比如表2-1。

图 2. 5 双工位数控焊接机床设计方案

实现机床焊接加工的具体步骤如下：1.操作者对焊接机床进行示教，将焊接

轨迹、姿态及参数输入到工控机中；2.工控机根据内部程序，负责焊接机系统管

理、信息数据处理、控制策略制定、焊枪的轨迹规划及焊接工艺参数等；3.命令

信号由上位机传递给下位机，再通过PLC转换成驱动信号来实现伺服电机和开关

电磁阀的控制；4.为了保证机器人焊接任务的准确完成，通过传感器将焊接信息

反馈回到控制器中，以保证对整个系统工作状态的实时监控。如果使用或必须更

改焊接任务首次，如图2.7中，如果询问完成后的简单在图2.8可以完成焊接操

作的任务的具体操作控制处理。若初次使用或者须变更焊接任务时，其具体操作

控制流程如图 2.7 所示，若求教完成保存后则只需按照图 2.8 操作即可完成焊

接任务。

表 2- 1 焊接机床设计方案对比

图 2. 6 机床系统组成结构

图 2. 7 机床操作流程图(A)

图 2. 8 机床操作流程图(B)

第三章 双工位数控焊接机床结构设计

本章主要讲述焊机机械零部件设计，焊接机床如图3.1、3.2所示。机械结构

直接决定了焊接机的精度，其中动态特性和静态特性取决于机床的运动方案和结

构设计。机床的重要部件材料的选择也是至关重要，他直接影响其设备加工精度

和使用性能，还有加工过程中焊缝的质量也取决于机床的各种运动参数和动态参

数。为了尽可能减少使用非标准部件和机床的造价，为了是设备具有较高的性价

比，我们在设计过程中查阅了相关的机械设计手册，并尽可能的参照数字控制机

床的设计原理。焊接机床的主要结构包括焊枪运动机构、床身基座、气力输送系

统和电气控制柜等。

图 3. 1 双工位数控焊接机床三维装配图

3.1 焊接机床床身设计

由于汽车后桥体积较大，而且加工时还要跟随主轴转动，考虑到机床的整体

刚性、组装程序生产效率及效益等多种因素，最终决定使用整体式结构机床。该

机床按照设计图纸由不同型号的钣金和槽钢焊接而成，为了消除焊接应力防止机

床变形，因此焊接后多次进行人工时效处理。

图 3. 2 双工位数据焊接机床装配图

1．机床机身 2．主轴固定底座 3.工件夹紧机构 4.Z 向滚珠丝杠机构 5.挡渣板 6.机械

手臂 7.气动三联件 8. 机床主轴机构 9.夹紧调节机构 10.送丝机构

3.1.1 机床床身结构设计

在对机床床身设计时不仅要考虑实现产品的设计功能，还要尽可能降低生产

加工成本，因该机床现在只生产一件，故采用焊接方法进行加工。

焊接工艺属于一种较为柔性的加工工艺，因此设计要考虑机床的自由度和灵

活性。针对焊接结构件，要求高强度的部位采取较厚的钢板材质，强度较低的部

分及其他部分采取较薄的钢板材质，不必遵循统一厚度材质的原则。确定机床

[15]

设计方案主要注意以下几点：

1.加工对象的总体设计要求；

2.载荷及应力的准确计算；

3.应用材料的力学及物理性能；

4.采用焊接方法的适用性和熔敷金属性能；

5.接头和坡口类型；

6.现有加工方法及生产设备；

7.焊接成本；

3.1.2 机床主轴的设计选择

机床回转主轴部件的设计如图3.3所示，通过数学计算，我们选择 P=0.55kw,

转速 N=1390r/min，制动力矩 M=7.5 N.m 的变频调速制动三相异步电机。

图 3. 3 机床主轴设计结构

1．变频调整制动三相异步电机 2．减速机 3．主轴固定座 4．主轴顶尖

选择这种类型的电机原因如下，一是电机在给定的速度下带动汽车后桥旋转,

确保焊接速度的实时控制,焊接的质量满足指标,二是当旋转的角度达到预期设置

值时，电机停转，并且处于制动状态,以防止其他因素继续旋转,从而避免重复的

焊接,减少不必要的加工时间。在该组件中采用了的减速器,使得主轴的转

i437

速很大程度降低，转动扭矩增加，从而使得可以加工不同类型的汽车机床。为了

确保车桥在加工时不受机床干扰，则应该保持电机与减速机固定，因此设计了主

轴固定底座，具体设计如图3.4所示。

图 3. 4 主轴固定底座

主轴顶尖是一个重要的组成结构，一方面是用来与车桥的半轴套管直接接触

的，与汽缸伸出夹紧头组成一套夹具；另一方面，为形成焊接回路作为焊接电源

的阴极，其具体设计结构如图 3.5 所示。

图 3. 5 主轴顶尖

3.2 焊枪运动机构

焊枪是本课题研究的自动焊接机床的执行元件，是整个装置的核心部分，其

结构的选择及运动规律直接关系到焊接的质量。焊枪在加工过程中主要是在 X、

Y、Z 轴方向运动，其运动是通过伺服电机或者气缸的收缩驱动实现的。

3.2.1 焊枪的选择

自动焊接机床所用的焊枪与传统的手工焊枪基本相同。为了实现角焊缝的焊

接加工，我们设计出摆动头夹持固定焊枪，又根据所需的电源容量，我们使用了

福尼斯公司FroniusRohrbogent RA350 的焊枪，其的外形结构如图3.6所示。

图 3. 6 焊接机床焊枪

3.2.2 自动送丝机构

本课题研究的焊接设备是采用型号为 SB-10-A-1的CO自动送丝装置，其主

2

要组成部分包括电源电缆、送丝机、控制电缆、气管等，如图3.7所示。

图 3. 7 SB-10-A-1 送丝装置

3.2.3 滚珠丝杠的确定[16]

1.参数计算

双工位数控机床系统中，Y、Z 二个方向的移动都通过滚珠丝杠来带动，滚

珠丝杠精度的高低，直接影响到焊接机床焊枪的焊接位置精度以及焊缝的焊接质

量。

l)计算滚珠丝杠副导程

(3-1)

P

U

max

h

in

max

式中

P

h

—滚珠丝杠副导程(mm)；

U

max

—工作台最高移动速度(m/min)；

i

—传动比，Z 向 ,Y 向；

i1/4i1/6

12

n

max

—电机最高转速(r/min)。

2)计算当量转速与当量载荷

(3-2)

n

V

t

t

P

h

式中—丝杠转速(r/min)；

n

t

V

t

—进给速度(m/min)。

3-3） （

FP(WWP)

ixi12zi



式中—丝杠轴向载荷 N；

F

i

P

xi

—纵向切削力 N；

P

zi

—垂向切削力 N；

w

1

—工作台重量 N；

W

2

—工件及夹具最大重量 N。

（3-4）

nn

mi



i1

n

t

i

100

式中—当量转速 r/min;

n

m

t

i

—工作时间百分比。

（3-5）

FF

mi

3

式中 —当量载荷 N。

F

m

3)计算预期额定动载荷



3

i1

n

nt

ii

n100

m

C60nL

ammh

3

（3-6）

式中预期额定动载荷 N；

C

am

Ff

mw

100ff

ac

fff

wac

、、—冲击系数与可靠性系数，分别取 1.3，1，0.44；

L

h

—额定工作寿命取 20000 小时。

CfF

amcmax

（3-7）

式中—中期预载取 4.5;

f

e

F

max

—最大负载。

根据公式(3—6)和公式(3—7)分别进行计算，取其最大值作为预期额定动载

荷值。

4)计算滚珠丝杠最小螺纹底径

d100.039

2m

（3-8）

式中—最小螺纹底径 mm, ，为行程；

dL

2m0

L(1.1～1.2)L(10～14)

0

F

0

—静摩擦力取 0.2；

W

1

10FLFL

00



mm

E

E

—丝杠材料弹性模量，钢材

E2.0710MPa

5



m

—允许的最大轴向变形量，取。

3m



5)确定滚珠丝杠副的型号

电机选用松下 MHMD 功率 P=0.75kw,转速 n=3000r/min，工作台最大行

程：Y 向为 180mm，Z 向为 500mm，工作台重量为 1000N，因工件及夹具

W

1

重量不

在滚珠丝杠的驱动下运动故为0 N，Y 向的最大进给速度 U 为

W

2

25m/min，工

作台导轨摩擦系数：动摩擦系数、静摩擦系，定位精度为



0.1



0

0.2

0.05mm，要求寿命 20000 小时(两班制，工作十年)，焊接加工状态下丝杠 Y 向

载荷为 1000N、Z 向载荷为 0 N。代入上述公式，计算结果如下：

Y 向：导程，额定动载荷，最小螺纹底径

P5mmC1.18KN

h0

d14.2mm

2

选择滚珠丝杠型号，相应轴端轴承为深沟球轴承，型号 6303-2Z：山东济宁

博特精密丝杠制造有限公司固定反抽器 GD 型滚珠丝杠 2505-4

Z 向:导程，额定动载荷，最小螺纹底径

P10mmC1.18KN

h0

d14.2mm

2

选择滚珠丝杠型号,相应轴端轴承为深沟球轴承，型号 6304-2Z：山东济宁博

特精密丝杠制造有限公司固定反抽器 G 型滚珠丝杠 3210-4。

6)滚珠丝杠的安装

Y 向滚珠丝杠安装方式为一端固定一端自由的方式，其特点丝杠的静态稳定

性和动态稳定性都很低、结构简单、轴向刚度较小。

Z 向滚珠丝杠安装方式为两端固定，其特点是丝杠的静态稳定性和动态稳定

性都最高，结构复杂，两端轴承均调整预紧，轴向刚度最大，其安装形式如图 3.8。

图 3. 8 滚珠丝杠安装形式

1. 滚珠丝杠安装低座 2．滚珠丝杠机构 3．燕尾槽导向机构 4．机械手臂固定座

5．丝杠螺母座

3.2.4 减速机构及摆动头设计

减速机是一种动力传达机构，利用啮合齿轮的齿数不同，将电机回转数减少

或者增加到所要的转速，并得到理想扭矩的机构。其主要作用有以下两个方面：

一是降速时提高输出扭矩；二是减速时降低了负载的惯量。在双工位数控焊接机

床系统中，减速机结构如图 3.9、3.10 所示，Y 向的传动比为1:6，Z向的传动

比为 1：4。

在焊接加工过程中，焊枪应该以一定的速度和姿势沿垂直于焊缝方向做往复

运动，其主要是通过松下伺服电机带动减速比为 1：64 的减速机正反转来实现

的。但由于所焊接的法兰与半轴套管之间的焊接方式为角焊，且因法兰障碍使得

焊枪只能沿法兰与半轴套管之间夹角的一半即 450角进行加工，在焊接时被焊

工件转动而焊枪沿焊缝轨迹运动的位置摆动。为保证焊接质量，设计了独特焊枪

摆动头来固定焊枪，如图 3.11 所示。

图 3. 9Y 向减速机

1.输出轴 2.减速机前侧 3.齿轮轴向顶肩 1 4.m=1 z=84 的齿轮 5.键 6.轴

套 7.传动轴 1 8.轴承 6002 9.轴承端盖 1 10.减速机后侧 11.传动轴 2 12.

齿轮轴向顶肩 2 13.伺服电机 14.电机轴套 15. m=1 z=42 的齿轮 16.M8 螺钉 17.

键 18.轴套 19. m=1 z=42 的齿轮 20.轴承端盖

图 3. 10Z 向减速机

1.输出轴 2.减速机前侧 3.齿轮轴向顶肩 1 4.m=1 z=110 的齿轮 5.键 6.轴

套 7.传动轴 1 8.轴承 6002 9.轴承端盖 1 10.减速机后侧 11.传动轴 2 12.

齿轮轴向顶肩 2 13.伺服电机 14.电机轴套 15. m=1 z=45 的齿轮 16.M8 螺钉 17.

键 18.轴套 19. m=1 z=45 的齿轮 20.轴承端盖 2

图 3. 11 焊枪固定摆动头

1．方向调节块 2．夹紧块 3．内六角螺钉 M5x25 4．夹紧块 1 5．夹紧块 2

3.2.5 焊接电源

要确定焊接电源的类型，首先要求对焊接件工艺进行分析，得到材料厚度、

材料属性及应该采用的焊接方法等。在选择焊接电源时应考虑以下几点： 1．焊

接方法的选择 焊接方法是根据具体焊接件工艺要求来选择的。

2．焊接电流 焊接工件决定焊接电流的类型，包括直流、交流、稳态电流、

脉冲电流等。

3．弧焊电压值 这取决于电源的大小，主要是指弧焊电源在额定电流下的

电压值。

4．使用电源类型 使用电力供电时应该指明交流电的类型、相数和电压，

如果是发动机供电也应该明确电源参数。

5．负载持续率 负载持续率是人们用来对电源做功多少的量度，通常定

义为电弧燃烧时间与整个工作周期的比值，负载持续率高的工作设备是为半

自

动或全自动焊设计的。

焊接设备的安装、维护和调节通常是由不同的工作人员来完成的，所以在安

装时必须按照各种法规和制造商的说明书进行操作，应避免暴露在高温、高湿度、

腐蚀液及灰尘烟尘的工作环境中。为了使电源能正常工作，弧焊电源应该在一定

时间内由工作人员进行检查和清洁一次。

[17]

双工位数控焊接机床的焊接电源选用 TKR-350,最大输出电流 350A,具备进

行 C02 保护焊、MAG 等焊接功能，焊接电源焊接过程稳定、焊缝质量好，高可

靠性、低飞溅率，收弧电流、收弧电压无级可调，能与机床送丝机构进行良好的

配合，具备过载保护功能。

输入电源：3 相 AC380V±10% 50Hz

额定输入容量：<28KVA

输出电流：60—350A

输出电压：16—36V

额定负载持续率：90%

使用焊丝直径：φ1.0

3.3 气压传动系统

从机床的运动形式和发展趋势来看，其主要分为气压、电气、液压三种类型

的方拖动方式。气压式拖动具有可靠性能高、远距离传送、操作方便安全等特点；

电气式拖动一般采用交流、直流、步进电机作为驱动元件，保证了系统的高精度、

高效率、控制方便的等特点；液压式拖动则结构构成自由，速度变化率较小且运

动平稳可靠。为满足系统和加工对象的生产需求和考虑到成本问题，本可以研究

的装置采用了气压和电气式传动。

[18][19][20]

3.3.1 气压传动系统组成

气压传动的结构组成并不是唯一的，但其中总的包括原件还是大致相同的，

如控制元件、执行元件、气源及辅助元件。控制元件的功能是控制其气体的压力

及流量进而控制执行元件运动；执行元件主要是进行机械运动；气源则是为系统

提供动力。通过各部分结构的组合及配合实现系统的运动控制，其传动系

[21][22]

统如图3.12所示，其主要任务是完成检测手臂伸曲度、驱动焊枪运动及工件的

钳制，图3.13为工件的钳制图。

图 3. 12 气动系统原理图

图 3. 13 夹紧双作用缸

3.3.2 气压元件的选择

气缸和气动马达作为气压传动执行部件，其输出力的形式不同，当运动部件

需要做直线运动时，我们选择气缸输出。气缸按动作方式可划分为双作用气缸和

单作用气缸，双作用气缸是指气缸活塞的往复运动动力均是由压缩的空气来提

供；单作用气缸是指气缸的单侧进气推动活塞前进或者后退，而活塞的返回则是

借助于外力如弹簧力、重力等。设计者选择气缸时，主要考虑气缸缸径的大小，

[23]

从而确定输出力值，气缸行程所需要的长度，安装形式及活塞的运动速度。气动

马达是利用压缩空气的能量来实现机构旋转运动的设备，常见的有叶片气动马达

和活塞式气马达。本课题所使用气动元件的目的主要是夹紧汽车后桥及带动焊

枪、检测手臂运动，均属于做直线运动，所以选用气缸作为执行元件。

1．气缸的选择

1)气缸的速度

活塞在气缸的整个运动过程中速度是不断变化的，在进入缓冲前达到最大速

度。假设气缸没有外负载力，气缸的平均运动速度可按照进气量的大小得出，即

(3-9)

V

式中 V—平均速度，单位 ；

mm/s

Q —压缩空气的体积流量，单位

m/s

3

A—排气侧活塞的有效截面积，单位。

m

2

如果在运动过程中，活塞的速度过大，会产生密封圈摩擦过热，造成漏气，

而且同样也加大了活塞对缸体的冲击力，降低气缸寿命；若速度过低，系统本身

存在摩擦力，执行部件会出现低速爬行现象。正常情况下气缸速度控制在

0.5m

2

左右。

2)气缸的耗气量

气缸的耗气量通常以平均耗气量来计算，与速度成正比，这里以单杆双作用

缸为例，求出其平均耗气量 V。

(3-10)

V1.5NL(2Dd)

p0.1013



22

0.10134

Q

A

式中 V—空气的平均耗气量（）；

m

3

P

—气体工作压力（）；

MPa

N

—活塞每分钟往返次数；

L

—活塞的行程（）；

cm

D

—气缸活塞直径()；

cm

d

—活塞杆直径().

cm

3)气缸的输出力

双杆双作用气缸的理论输出推力：

(3-11)

F(Dd)p



4

22

式中 —理论输出推力；

F

(N)

D

—气缸活塞直径；

(cm)

d

—活塞杆直径；

(cm)

P

—气体工作压力；

(MPa)

以上公式同样适用于单杆双作用气缸，只不过取即可。

d0

4)气缸直径

D

气缸的直径也就是我们通常说的气缸的内径，根据气缸的负载受力状态，确

定气缸的轴向负载，然后根据公式 3-12 即可求出气缸内径。

F

0

D

(3-12)

式中 —气缸直径；

D

(cm)

F

0

—气缸的轴向负载；

(N)

4F

0



p

p

—气源供气压力(N)；



—气缸负载率



100%

(3-13)

现在以夹紧气缸的选择为例，夹紧端的轴向力是对待加工焊接件（汽车后桥）

F

0

F

进行夹紧固定，经实验测量取平均值为；从负载的运动状态及安全性

F3000N

0

考虑，预选取气缸负载率为70%。根据汽车工厂提供的气源供气条件，确定使用

压力为 。由式（3-12）得气缸的缸径为：,然后对缸径尺寸

0.6MPa

D95.4mm

1

标准化，选取气缸的缸径为。同理可以对其它气缸的缸径进行计算，

D100mm

标准化后选择气缸类型。双工位数控焊接机床所使用的气缸是由东莞市卓源液压

气动设备有限公司生产的 SDA 系列和日本 SMC 公司的 MB 系列，所选用类型

见表 3-1。

表 3- 1 气缸及控制阀的类型

2．控制阀的选择

在气压传动系统的气动控制元件是用来控制和调节压缩空气、流量和方向并

发出信号的，利用它们可以组成各种气动控制回路，完成执行机构获得必要的力、

速度和方向，并按给定的程序工作。控制阀按照其功能和用途分为压力控制阀、

方向控制阀和流量控制阀。

1)压力控制阀 压力控制阀顾名思义是用来调节和控制系统压力大小的气

动控制元件。主要包括减压阀、组合减压阀、溢流阀、顺序阀、压力比例阀及多

功能组合阀等。以上形式的压力阀，通过气体的输出压力只能在其调节范围内，

如果不满足使用要求，则只能更换压力更大的阀。

2)方向控制阀 方向控制阀是用来控制流动气体的流动方向，在机械结构

中来看可以改变执行元件动作方向。方向控制阀按控制方式不同可分为：气动换

向阀、电磁换向阀、机械换向阀和手动换向阀。方向控制阀的切换状态成为位，

用几种切换状态的方向控制阀叫几位式，如两种切换状态的方向控制阀叫两位

式。进出口的个数称为通，如一个进气口和一个出气口的阀叫做二通阀，综合上

面的，如有两种切换状态和一个进出气口就叫做两位二通阀。

3)流量控制阀 流量控制阀用来气缸中进气或排气的流量，以调节执行元

件的工作速度。由于空气的可压缩性，气动系统中的流量只能采用节流的方式进

行控制，且流量调节要均匀、压力损失小及无泄漏等。本系统中所使用的控制阀

是由台湾亚德客（Airtac）公司生产的，其具体型号见表 3-1。

3.4 电气控制柜设计

电气控制柜（如图 3.14）设计包括电气控制柜的结构设计、电气元件总体

配置图、电气元件接线图设计及各部分的电器装配图与接线图设计。电气元件布

置图是某些电器元件按一定原则的组合，设计依据是部件原理图；电气控制柜的

结构设计是以电气控制设备的位置安装和接线布线的使用要求为依据的，其主要

是根据电气元件布置图来确定结构尺寸；电气部件接线图是根据部件电气原理及

电器元件布置图绘制的，它表示电气元件的连接关系，是电气安装、维修、查线

的依据。本系统中，电气柜底部安装 4 台三相隔离变压器、一台主轴 IG5 系列

变频器、6 部松下伺服电机驱动器、一个 TCL 液晶显示屏、s7-200PLC及其扩展

模块、交流接触器及继电器、风扇和接线端子等。

图 3. 14 电气控制柜

第四章 双工位数控焊接机床控制系统及其软、硬件

设计

4.1 机床控制系统所实现的功能要求

1．设计的控制系统应该具有自动加工、手动调试、参数设定、状态实时监

控、故障报警等功能。

2．机床应该具有示教功能 通过示教，可以得到各种类型的汽车后桥焊接

加工工艺过程参数。

3．在自动焊接加工过程中，如果某些工艺或者机床参数需要修改，可以按

下手持操作盒（图 4.1）上的暂停按钮，切换工作模式进行参数调整，并将调整

好的参数保存到上位机，再切换工作模式到自动，接下来的焊接加工就是以调整

后的焊接参数进行焊接。

图 4. 1 手持操作盒

4．点焊功能 根据加工工艺需要，有些加工件是须先手动点焊固定，然后

再进行自动焊接加工。

5．摆宽摆速调节功能 在车桥的焊接加工中，如果焊缝的宽度及摆动速度

不满足焊接要求，则需要通过该功能来进行现场加工调整。

6．状态实时监控功能 控制系统通过人机界面对焊接过程中各个限位开

关、主轴转速及旋转角度、Y 向及 Z 向坐标进行状态实时监控和显示，以便于

工作人员对焊接状态有个直观的了解。

7．机床内部控制程序具有可选择性和可调性，以便适应不同汽车后桥的焊

接生产，而不是将工艺参数逐一调整，简单方便。

4.2 电路设计

该焊接机床的电路（图 4.2）主要由主电路和控制电路组成。主电路是由熔

断器、4个交流接触器、4个变压器、伺服驱动系统、主轴冷却电机及变频调速

制动三相异步电机组成。当打开旋钮开关S，KM闭合，经TC变压器将380v的

电压转变成线电压为200v为伺服系统供电；控制电路由一些线圈、继电器、开

关、电源及二极管等组成，主要是负责控制机床强电和为CNC系统提供电源。

4.2.1 主电路设计

主电路设计时主要考虑伺服电机、主轴电机、冷却风机、气缸运动等，除此

之外，还要考虑到电路的短路、欠电压、强弱电干涉等各种保护环节及照明、检

修线路。在主电路中，利用旋钮开关做作机床系统总供电开关，使用施耐德交流

接触器来控制电路的通断，为了保护电源线路，设置了与电源容量相匹配的断路

器用来作为过电流保护装置。

4.2.2 控制电路设计

控制电路主要是考虑如何使电机或其他执行件按照指定的速度、位置来运

动，设计步骤是根据生产机械对电气控制电路的要求，首先是设计出各个独立环

节的控制电路，然后根据各个控制环节之间的相互制约关系，进一步拟定连锁控

制电路，最后根据电路的简单、经济和安全性来连接线路[24]。本课题主要是使

用PCM-3350 工控机做作为上位机，s7-200 PLC 作为下位机按照给定的信号输

入，从而来控制逻辑电路、继电器、限位开关等。

4.2.3 线路抗干扰设计

控制系统并不像我们看到的外表一样平静，只要借助于示波器来生成图像就

可以清楚的看到干扰的存在。在机床系统中存在的干扰源有哪些呢？

1．供电电源 控制系统供电电源均由国家电网供电，由于电网覆盖范围

广，使用用户多，将会受到空间电磁干扰从而在线路上产生感应电压，刀开关通

断、大功率电力设备起停、电网短路暂态冲击等，这些状况都会影响到电源，均

有可能造成 PLC 发出误动作信号；

2．变频器 安装在控制柜内的变频器，它的频繁启动产生的谐波信号会对

电网传导产生干扰，引发电网电压畸变，电源质量降低；同时变频器会产生较强

电磁辐射干扰，影响周边其他设备如伺服驱动器、PLC 的正常工作；

3．信号线引入干扰 S7-200 PLC 传输线在传递各种信号时，会出现外部

干扰信号进入，一是通过变压器或者传感器的供电电源串入的电网干扰；另外空

间电磁辐射感应也会引起系统故障。

抗干扰措施的途径：1．对于因供电电源引入的干扰需安装带屏蔽层的变比

为 1:1 的隔离变压器，同时在电源输入端串接电抗器；2．为了防止变频器产生

干扰，将变频器与驱动器、控制器分开安装，将变频器安装固定在控制柜的底部，

控制器安装在顶部靠近风扇处；3．将动力线（强电部分）和信号线分开布线，

开关量与模拟量也要分开布线，采用带屏蔽层的线缆，交流、直流避免采用同一

根电缆走线；4．保护接地是抑制噪声和抗干扰的有效方法，良好的接地方式可

有效抑制内部噪声传递，防止外部干扰的传入，提高整个机床系统的抗干扰能力。

控制柜与地面之间的连接是采用铜线接地，接地点与控制器之间的距离应

42mm

小于 ，接地线避开强电回路和主回路的电线。

50m

[25][26][27]

4.3 伺服驱动系统

伺服系统是机械运动的驱动控制设备，是以伺服电动机输出轴为控制对象，

控制器作为核心，电力电子功率变换装置作为执行机构。按控制理论划分伺服

[28]

系统主要有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。开环伺服系统即

[29]

无位置反馈的系统，其驱动元件主要是功率步进电机或液压脉冲马达，结构简单，

易于控制，但精度差，低速不平稳；闭环伺服系统是借助于位置检测装置（如编

码器、光栅尺等）测出实际位移量或者所处的位置，并将测量值与指令进行比较

得出补偿，从而大大提高了跟随精度和定位精度。半闭环系统检测元件不直接安

装在最终运动部件上，有一部分传动链在位置闭环以外，继而传动误差没有得到

系统应有的误差补偿。在本课题中，双工位数控焊接机床的Y向、Z向及焊枪的

摆动坐标是采用半闭环伺服系统，主轴旋转角度是采用闭环伺服系统。

4.3.1 焊枪摆动

工件焊接时，需要根据法兰的不同端面焊接位置来确定不同的焊枪姿态。

[30]

焊枪的位置起始角是影响焊缝质量的关键因素，汽车后桥焊缝转速和转角描述了

焊接点的位置信息，位置起始角描述了焊枪工作时的姿态信息，根据法兰不同的

焊接位置从而确定不同的焊枪姿态，它的参数是根据焊缝位置参数而确定的。焊

枪的摆动弧度和摆动速度从宏观上来说是由机床的操作盒来调整得到，从系统内

部控制来说是由 s7-200PLC 的模拟量的输入输出来决定的，而其摆动是利用控

制伺服电机的正反转和减速比为 1：64 的减速器来实现的。

4.3.2 伺服驱动系统

在伺服驱动系统中，主要有位置环、速度环及力矩环三种控制模式。本系统

中应用到的位置控制模块是根据 PLC 程序输出的指令脉冲信号给伺服控制器，

经功率放大后来控制交流伺服电动机的启停、转速和转动方向的改变等。

[31]

设计中的执行驱动系统采用 Panasonic 公司生产的 MHMD、MSMD 系列的

全数字交流伺服电机及其相配套的伺服驱动器，将电信号转换为电机输出轴上的

转角或转速，且因伺服电机上安装有增量式编码器，从而能够准确定位。电路可

分为主电路、控制电路及显示界面设定等几部分，三相 380V 电源经 1200VA、

2000VA 变压器转变成 200V 的交流电源，从 L1、L2、L3 输入给驱动器，经过

驱动器内部电路的控制转换，然后从 U、V、W 输出端子输出，且输出时电机需

保护接地，从而来完成对松下伺服电机的控制，同时，电源从伺服驱动器的L1c、

L2c 端子输入，经 AC/DC 转换后用来作为伺服驱动器内部电路的控制电源。伺

服驱动器的内部控制电路主要由 CPU 处理器和 ASIC 集成电路两个部分组成，

它可以实现对电动机的速度/位置控制、电压/电流参数采集、编码器输入/输出

信号处理、控制信号输入输出、保护接地功能实现以及与其他外围设备接口连接

等功能。驱动器的人机信息交流接口是通过操作人员设定数字显示部分参数，

[32]

从而来选定驱动器驱动形式、功能设定等。

1．驱动器上与电源相连端子板分别为：

L1、L2、L3—电源输入端

L1c、L2c—控制电源

U、V、W—伺服电机电源

2．信号连接器接口：上位控制器连接主要用于在对电机进行速度、转矩和

位置控制，特别是在位置控制时能够从此处获得反馈脉冲信号。

3．旋转编码器连接器：该接口是用来连接电机增量式编码器的，速度控制

时可以通过编码器获得当前速度，位置控制时也可以获得相对位置，伺服电机和

驱动器连线示意图如图 4.3所示。

图 4. 3 伺服电机和驱动器连线

4.4 主轴控制

双工位数控焊接机床的主轴和我们平时说的数控机床主轴不同，这里的主轴

不是用来切削加工而是用于夹紧及带动汽车后桥转动。这里我们选用P=0.55kw，

转速 N=1390r/min，制动力矩 M=7.5 N.m 的变频调速制动三相异步电机，为了

能大幅度降低了主轴输出轴的旋转速度使用了速比 i=473 的减速机，通过变频

器来对主轴速度的调节。

4.4.1 主轴变频器选择

变频器是一种电能变换设备，主要功能是将工频电源转换成频率和电压可调

的电源，驱动电机运转并实现调速控制。变频器选择时首先要确定的是变频器

[33]

的功率要和电动机的额定电流要匹配，原因是由于电机功率因数不同，同功率同

电压等级电机额定电流有较大差异，而变频器的输出电流不允许超过其最大值；

其次是负载性质与变频器类型要匹配，通常有水泵风机类和通用型。其额定值

[34]

主要有输入端额定值和输出端额定值两种，输入端额定值包括输入电源的相数、

电压和频率，如本系统中使用的单相/220V/50Hz；输出端额定值主要有额定输出

电压 Ucn 即最大输出电压值，也就是变频器输出频率等于电机额定频率时的输

出电压值、额定输出电流 Icn（变频器长时间工作时允许输出的最大电流），额

定输出容量 Scn。

本课题中所使用的变频器是由韩国 LG 产电公司生产的 SV008iG5-2，功率

为 P=0.75KW, 具有很好的低速特性，IP 防护和应用功能，且性能可靠。输入电

源为单相交流电，经单相整流后转换成直流电源，再通过逆变电路转换成三相交

流电源来驱动变频调速三相异步电机，同时应用制动电阻来消耗因电机惯性运转

产生的电能，帮助电机迅速减速停止。

4.4.2 主轴反馈编码器设计

编码器是将转动信号进行编辑、转换为可用以通讯、传输和存储的信号的设

备，按照工作原理编码器可分为增量式编码器和绝对式编码器两种。增量式编

[35]

码器是将执行元件的位移量转换成三组方波信号 A、B、Z 相，其中 A/B两组是

用于方向判断，相位差为，Z 相为每转一圈为一个计数脉冲，从而可以得出

90

0

位移。绝对式编码器是根据二进制的原理来进行光电转换的，不同的位移对应不

同的数字码。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，

当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。本机床中所使用

的旋转编码器是由日本光洋公司生产的 TRD-J 系列，主要是用来检测主轴运动

的具体速度和角度进行控制，此外还用到编码器来形成一个全反馈系统。编码器

的安装固定如图 4.4所示。

图 4. 4 编码器的安装

1．气缸卡环 2．内六角螺钉 M5x15 3．顶尖外壁 4．顶尖移动轴 5．圆锥滚子轴

承 32010 6．垫圈 7．轴承盖 8．顶尖 9．内六角螺钉 M8x20 10．轴连接块 11．圆

锥滚子轴32010 12．弹性联轴器 13．紧定螺钉 M8x10 14．编码器固定环 15．衬套

16．编码器

4.5 焊接机硬件设计

随着 PC 机功能的逐渐增加和完善，机械工业设计者已经将 PC 机应用于自

动化领域，为了让它能够适用于低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶劣

工作环境，生产厂家通过增加密封保护、过滤器和风扇等措施，从而形成了工业

PC。在双工位数控焊接机床系统中，采用 PCM-3350 主板作为 CNC 平台，它的

主要作用是实现人机界面，完成加工程序的输入、预编译、轨迹计算、速度计算

和加工零件图形的模拟仿真等任务，同时 s7-200 PLC 作为下位机来用于处理一

些实时性强的机床信号。

[36]

双工位数控焊接机床设计的目的是用来焊接汽车后桥法兰，这是通过控制两

个工作焊枪的平移、升降、伸缩、摆动及焊接工件的旋转、夹紧、松开等来实现

的。工作臂的平移、升降由伺服电机带动滚珠丝杠来控制，焊枪的摆动是通过伺

服电机带动减速机正反转来实现，工件旋转的角度和速度由变频器控制变频调速

制动三相异步电机完成的，焊枪伸缩及工件夹紧、松开均由气缸控制，其硬件组

成结构如图 4.5 所示。

图 4. 5 机床硬件组成结构

4.5.1 S7-200 PLC 及其扩展模块

双工位数控焊接机床中所使用的 PLC 是由西门子公司生产的 S7-200 系

列，具体型号为 CPU 224XP CN DC/DC/DC，其主要技术指标如表 4-1 所示。

它的输入、输出、CPU 及电源模块均安装在同一个机壳内，I 端子是用于输入量

的接线端子和为传感器提供的 24V 直流电源端子，Q 端子是输出端子和外部给

PLC 的供电电源接线端子，基本单元上有工作模式开关、网络协议和扩展 I/O连

接器端口，通过电缆可以将多个扩展模块连接起来使用。

表 4- 1CPU224XP 模块的主要技术指标

PLC 的扩展单元与基本单元的不同点在于没有独立的 CPU，只能作为基本

单元输入/输出点数的扩充，且与基本单元相连接时使用，s7-200 的扩展模块有

很多种类型，主要包括数字量扩展模块、模拟量扩展模块、热电偶及热电阻扩展

模块、总线通信模块等。在本课题中用到的主要是数字量扩展模块，类型有 1

[37]

台输入扩展模块 EM221，2 台输入/输出扩展模块 EM223，其特点见表 4-2，其

I/O 分配表如表 4-3 所示。

表 4- 2 数字量扩展模块

表 4- 3 项目 I/O 分配

4.5.2 PCM-3350 嵌入主板

PCM-3350 是研华新一代高速低耗 PC/104 系列的代表产品，板载低功耗

CPU，可无风扇工作，能够解决因空间限制问题的控制设备，他具有工业控制计

算机的所有功能，它包括有以太网接口，CF 卡插槽，增强型电子集成驱动器，2

个 RS-232 通信口，键盘和鼠标接口，VGA/LCD 的分辩率可达到 1024x768,CRT

则可达到更高为 1280 x1024,其实物接口功能如图 4.6，整体分布图如 4.7 所示。

特点：

1．尺寸小 外轮廓只有 96mm x 90mm，比普通的工控计算机小的多

2．通过 PC/104 模块可以升级

3．具备休眠模式，低成本消耗

4．CPU 只需+5V 电源供电，+12V 做为 PC/104 和背光电源

5．主板的以太网速可以达到 10-100Mb/s

6．支持图像和音频等[38]。

本 课 题 中 所 使 用 的 接 口 有 power、VGA connector、COM1

RS-232 、CompactFlash 及 Keyboard/mou PS2 connector。Power 的作用是为系

统提供工作电源，保证系统能正常工作；VGA connector 的用途是作为 TCL 液晶

显示器的接口，从而显示出加工工艺参数；COM1 RS-232 是用来使上位机

PCM-3350与下位机 s7-200 PLC 形成并行通信；CompactFlash 插槽的作用是用

来安装 CF卡，从而进行操作界面的数据存储设备；Keyboard/mou PS2

connector 就是用来连接鼠标和键盘从而进行界面操作。

图 4. 6 PCM-3350 实物图

图 4. 7 硬件框架图

4.6 焊接机软件设计

双工位数控焊接机床采用 TCL 显示屏作为显示界面，在运行加工调试操作

时可显示以下画面：1．自动运行画面，可以对自动焊接加工过程进行监视,包括

焊枪具体焊接位置、移动摆动速度、主轴旋转角度及速度、气压是否正常、有无

程序报警；2．手动运行画面，用于手动运行状态监视；3．焊接参数设置界面，

用于焊接不同工件型号程序编制，可输入的参数包括工件型号、焊丝直径、加工

过程中焊枪位置、移动摆动速度、主轴转速、气压大小等； 4．机床系统参数

设定，用于设定手动速度、复位速度等，其人机界面如图 4.8所示。

图 4. 8 焊接机床人机界面

4.6.1 软件设计要求

在现在的工业控制模式中，高硬度、强度的机械结构是十分重要的，这是硬

件指标必须满足要求，其次是机械系统的运动及其加工精度是通过控制系统来实

现的，因此应用软件及使用方法在很大程度上决定了整台机床的运动效率和各项

性能指标高低。软件设计的具体要求大致有以下几个方面：

1．可靠性要高 可靠性是软件设计的基础，一般用系统的平均无故障时间

长短来表示。可靠性高的系统即使系统在加工过程中出现故障，也不会造成控制

系统的混乱。

2．实时性要强 这项是要求软件系统对于加工状态进行实时监测，对变化

的环境变量进行显示和输出。

3．扩展性和操作性要好 对于普通的使用者来说，软件系统应该简单明了，

易于操作，同时为了满足用户新功能需求，软件系统同时也应该具有开放性以便

进一步扩展升级。

4.6.2 操作平台与编程语言

考虑到上位机 PCM-3350 运行速度快、相关性和实时性强，以及程序的可

读性，最终使用了 C++语言作为开发语言，windows XP 作为操作系统，VC++为

编程软件。

1．操作平台

Windows XP 是由微软公司在 2001 年 10 发行并得到了普遍认可及应的

操作系统，本课题是在该操作系统的平台上进行控制系统的研究。Windows XP

是多任务的图形化操作系统，主要是用来作为事务管理平台，因此如果想要在该

平台上继续开发实时控制系统就得研究操作系统内部与工业控制系统相关的程

序。作为多任务同时进行和管理的操作系统，我们可以看出该系统可同时运行多

个进程，且每个进程由多个线程组成。进程表示应用程序的运行，存在自己的地

址空间，每个进程不仅拥有一个主线程，同时还可以与其他的线程建立并列关系。

线程是操作系统根据需要来分配 CPU 时间的基本单元，系统运行时不停地在线

程之间切换来访问进程资源，且处于并行执行状态。

[39][40][41]

2．编程语言

本课题之所以选择 C++语言作为开发编程语言，是因为它面向用户，面向对

象的语言，使用者不必熟悉计算机内部具体结构和指令；同时它和汇编语言一样，

可以对控制器进行操作，如 I/O 端口操作、位操作、地址操作，并可内嵌汇编

指令来对计算机硬件操作。C++中的类是实现面向对象程度设计的基础，它把数

据和函数封装成新型数据格式来作为封装的基本单元，对象就使用这种基本单元

来构造特定数据结构，当类的成员声明当前状态为保护时，外部则不能进行访问，

声明为公共时，则外部均可访问。为了使操作系统程序设计过程更有效

[42][43][44]

率，更符合面向对象的程序设计，这里使用了MFC (Microsoft Foundation Class)，

它是建立在 Windows API 之上的 C++类库， 能够共享和延伸现有函数的继

承，又支持相同接口。MFC 具有 CObject、CWinAPP、CWndCDialog、

CMDIFrameWnd、CToolBar 和 CDC 七个类，通过利用这些类的函数和其派生出

来的类来建立应用程序和友好的人机界面。

[45][46]

4.6.3 各加工模块操作界面设计

双工位数控焊接机控制系统的软件设计基本功能可分为两部分：管理软件和

系统控制软件。其中管理软件的功能主要包括系统初始化、焊接参数设定、工作

状态显示、程序调试、故障诊断及通讯模块等，控制软件的功能主要有自动加工

模块和手动调整模块组成，具体分配管理方式如图 4.9所示。

图 4. 9 软件系统功能模块

1．自动加工模块设计

自动加工模块的任务是通过焊接程序自动完成整个焊接加工的过程，包括系

统回零、工件夹紧、工位 1、2 焊接准备、工位 1、2 焊接加工、工位 3、4焊

接准备、工位 3、4 焊接加工、焊枪回零及工件松开等，具体要完成的动作如图

4.10所示。

图 4. 10 焊接机床自动加工模块

图 4.11 为双工位数控焊接机的加工程序流程。

图 4. 11 自动加工程序流程

图 4.12双工位数控焊接机自动加工人机界面，当汽车后桥进行自动焊接加

工时，系统根据设定的焊接加工参数来控制各轴电机的运动，从而自动完成焊接

任务。在此加工过程中，系统实时显示和监控左侧、右侧及主轴电机的当前位置、

目标位置、速度等，且若在加工过程中出现超程现象，系统会自动停止加工并输

出报警信号。

图 4. 12自动加工人机界面

2．手动调整模块设计

手动调整模块主要是用来对机床进行示教，从而获得不同类型汽车后桥的焊

接加工参数，为自动加工模块做准备。另外，通过此模块对焊接机床上各运动部

件进行独立的操作，来完成对机床的调试，具体调试范围如图 4.13 所示。

图 4. 13 手动调整模块

通过手持操作盒上的工作模式调整旋钮可以将机床从自动加工模式切换到

手动调整模式，并实时显示如图 4.14 所示人机界面。在手动调整模式下，通过

示教将机床各个运动参数保存起来，在切块到自动加工模块后，机床则按照示教

后的参数进行自动焊接加工。对于不同系列的汽车后桥，因其基本尺寸的不同，

若每加工不同系列的加工件时都要修改参数时，相对于操作人员来说要求比较

高，而且降低了加工效率，这里通过命名新文件来进行不同加工参数设置，自动

加工时只需调用这个文件名即可。

3．焊接参数模块设计

从图 4.14 可以看出，按下输入操作面板上的 F1，则可直接进入系统参数

设置界面，如图 4.15 所示。操作人员可以直接手动输入焊接工艺参数，以满足

不同工件的焊接要求，如焊枪的摆动速度及角度、主轴旋转速度等。双工位数控

焊接机床可同时焊接两个工位，即汽车后桥法兰的两侧，根据公司焊接技术要求，

两个法兰的外侧焊缝需满焊，内侧焊缝根据工艺需要来设计焊缝的个数，但最多

可以完成 5 段焊缝焊接任务，如图 4.16 所示。

图 4. 14手动调整人机界面

图 4. 15 手动输入参数设置人机界面

图 4. 16双工位焊缝角度设定界面

第五章 焊接机床安装与调试

5.1 焊接机床的安装

系统采用三相 380V-50HZ 电源作为供电电源输入，根据具体需要将其变换

为交流 220V-50HZ 和直流 24V 电源。系统的电源线缆主要负责给变频器、伺服

电机和控制系统供电，通信线缆 RS232 主要是用来完成上位机 PCM-3350 与下

位机 s7-200 的实时信息交换，PE 线与设计好的地线相连，机床通过螺栓固定

以防止其晃动。 机床在焊接加工过程中会产生氧化锰、氧化铁、氟化物、二氧

化硅、二氧化钛、丙烯醛、甲醛等有害物质，以及因焊接电弧的紫外线辐射和高

温产生的臭氧和一氧化碳等气体，都对人有极大的伤害，考虑到这方面的原因，

在机床上设计安装安全门、排气风扇等，在焊接加工时安全门关闭，排气装置打

开，减少因污染的空气和强紫外线光对操作人员的危害，如图 5.1 所示。

图 5. 1 焊接机床的组装

5.2 焊接机床的调试

焊接机床的调试工作主要是通过手持操作盒（如图 5.2）和计算机来完成的，

操作盒是用来实现机床动作功能，计算机则是编程设计人员对机床内部程序进行

合理的修改。电源上电以后，具体调试过程如下：

1．按下夹紧按钮，观察夹紧气缸能否按照给定的速度伸缩，人机界面是否

正常显示气缸的状态。当气缸伸出后，可以借助于外力给气缸施加压力，观察气

缸的中位机能是否起作用。

2．按下主轴转按钮，通过变频器来调节主轴旋转方向及转动速度。经过焊

接对比实验，最终确定主轴的旋转方向为顺时针方向，即采用拉焊方式进行焊接，

速度为 V=3r/min.

3．按下急停按钮，观察机床是否掉电，焊接工件能否保持停电前的状态。

4．将工作模式选择到平移，左右选择开关上的白色圆点指向左侧，按下正

向起动按钮，左侧手臂能否向右向移动，同样按下反向按钮进行观察；左右选择

开关调节到右侧，采用同样的方法来进行右侧 Z 向调节，运动速度通过脉冲周

期来确定。当机械手臂运动到两端的限位接近开关时，注意观察其能否继续运动，

报警信号是否打开。

5．将工作模式选择到升降，左右选择开关上的白色圆点指向左侧，按下正

向起动按钮，观察左侧手臂的上升与下降情况，也采用同样的方法进行右侧手臂

的调试。当机械手臂运动到上下限位开关时观察手臂能否继续升降，报警信号是

否输出。

6．将工作模式选择到伸缩、测头，分别来调试机械手臂气缸、检测手臂伸

缩。

7．将工作模式选择到摆动模式下，左右选择开关上的白色圆点指向左侧,

按下正向按钮，焊枪摆动，通过调节操作面板上的摆宽调整和摆速调整来对焊枪

的摆速和摆动弧度进行调节。

8．将以上的程序作为子程序，在自动焊接加工中，通过调用子程序来完成

自动焊接。经过反复焊接实验，最终确定焊接效果最好的参数来进行大批量产品

的焊接加工。

图 5. 2 手持操作盒实物图

5.3 焊接结果分析

5.3.1 焊缝强度计算

角焊缝的强度计算是金属焊接件设计的重要内容，汽车后桥的焊缝形状如图

5.3 所示，其破坏常发生在方向的最小截面上。角焊缝的焊脚尺寸为 hf，焊

45



缝的计算高度为 he。

图 5. 3 角焊缝截面形状尺寸

由上图可得等腰直角三角形焊缝的计算高度为

he

（5-1）

我国《钢结构设计规范》采用的角焊缝应力折算公式为

（5-2）

式中

2w



112f

22

3()3f

hf

2



1

：垂直于焊缝有效截面的正应力



1

：垂直于焊缝长度方向的剪应力



2

：平行于焊缝方向的剪应力

f

f

w

：《钢结构设计规范》规定角焊缝强度设计值

这里相当于角焊缝的抗拉强度设计值，将代入（5-2）

3f

f

w



11f

/2

得

（5-3）



fff

f

w

式中

（5-4）



f



N

2hL

ew



f

1.22

3

2

查机械设计手册得



ff

f1.22600MPa732MPa

w

N10109.8

3



f

6.94MPa

33

2hL2151015010

ew



从以上数据得出，所以焊缝强度满足设计要求。



fff

f

w

5.3.2 焊缝疲劳强度分析

焊接接头的疲劳裂纹取决于焊趾或焊根应力集中区的局部缺口应力大小，即

疲劳缺口效应，缺口效应越大，焊接接头的疲劳强度越小，疲劳质量低，故要求

焊接结构中因疲劳载荷引起的应力范围不得超过疲劳许用应力范围[S]。目





前，国际上有关焊接接头的疲劳强度设计大多采用质量等级 S-N（图 5.4）曲线

确定焊接接头的疲劳质量。结构钢焊接接头标准 S-N 曲线的应力幅和循环次数

的关系为

（5-5）

SNC

m

式中质量等级 FAT160 线的 ,其余,为常数。汽车后桥焊缝疲劳

m5m3

C

质量等级为 FAT112，汽车后桥的循环次数为根据图 5.4 得，疲劳许用

[47]

210