时间：2023-01-11 21:09:53
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论文关键词：自动焊接,数学模型,控制
为保证焊接产品质量的稳定性、提高生产效率、适应先进制造技术的发展要求，实现焊接自动化生产已经成为必然的趋势。本研究课题针对目前在实际生产中复杂空间取消焊缝焊接任务所占比重较大、而且难以人工焊接实现，以及国内相关技术研究较少的现状，对多功能自动焊接伺服控制技术进行了研究。
1自动焊接开放式数控系统
基于开放式数控系统的焊接数控系统是一个结构开放，功能模块化、标准化性能强大的焊接数字化系统，将改变传统的焊接数控系统结构封闭的局面，解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强系统的柔性。同时，自动焊接开放式数控系统具备以下有点：成本低，软件开发环境完备，软件资源丰富，可移植性可扩展性互补性均较好等。
本文所设计的自动焊接机床，可焊接多种类型的工件，实时控制系统各模块之间保留了统一的接口，根据用户的需要可随时添加所需的模块，既满足了用户的需要，又提高了该机床的实用性。
2 设计
2.1机床本体的设计
自动焊接机床主要包括机床本体和焊接设备两部分。机床本体由机械部分和控制柜(硬件及软件)组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源(包括其控制系统)、送丝机(弧焊)、焊枪(钳)等部分组成。本研究以复杂空间曲线接缝(如管与管之间以任何角度连接接缝)自动焊接实现为目标，研制开发一台可实现五轴联动的多功能自动焊接床的机械及伺服执行机构。
2.2构建伺服控制硬件系统
该机床利用计算机和普通的I/O卡加步进电机和驱动器构成伺服控制系统。采用“通用I/O卡+专用计算机软件”来实现对步进电机的控制，不仅经济实惠，而且具有非常好的灵活性和友好的软件用户界面，必要的时候可以实现一台电脑同时对几十个步进电机的直接控制，或发挥它的网络功能应用于复杂的工程系统控制。采用通用“I/O卡+专用计算机软件”控制的步进电机的数量取决于I/O卡的位数和驱动器所需的控制信号数。通常情况下，步进电机驱动器的细分设置由硬件来完成，所以一般的驱动器只需要两个信号：脉冲信号和正反转信号，当需要实现软件方式控制驱动器的细分数时，还需要细分控制信号。系统各部件原理如图1所示。输入设备包括键盘、控制杆等，通用数字输入输出卡采用AC4161型，有16路的输入输出通道，因此最多可以同时控制五个步进电机，其中三个采用75BF001型号，分别控制X、Y、Z三个方向的位移，保持转矩为0.39N*m，最大相电流3A，步距角1.5度，空载启动频率为1.75Hz。
3 关键技术及实现
3.1建立三维空间中的数学模型及插补算法
在机床的硬件平台搭建后之后，如何控制焊枪及工作台的精确运动从而实现相贯线焊缝的焊接就成为需重点解决的问题。本文采取了首先建立数学模型，并在保证插补误差和焊接精度的基础上，将工件相交而成的连续焊缝采用等时间间隔的插补方法离散成一系列的微小直线段，然后将所获得的位移量通过精插补算法转换成可以通过开关量卡发送的脉冲数据，最终控制步进电机驱动执行机构完成对相贯线焊缝的焊接。
以相交圆柱管相贯线接缝焊接为例，数学模型的建立：
设相交两圆柱管(主管和支管)的半径分别为R和r，且R>r，如图2所示，坐标原点O是两圆柱管轴线的交点，两圆柱管轴线OV和OW的交角为α。焊接时，工件固定在工作台上，工作台沿x、y轴移动，焊枪沿z轴上下移动，同时还可以O′为定点绕X轴和Y轴转动，通过这五个轴向的运动控制，就可实现相贯线焊缝的自动焊接。由此可得半径分别为R和r的两个圆柱管相交所形成的相贯线接缝φ(θ)在O′XYZ坐标系中的方程：
其中，θ是支管上的旋转角。
完成实时焊接的伺服控制的首要任务就是对焊接轨迹进行插补运算。插补就是按给定曲线生成相应逼近轨迹的方法，其实质是对给定曲线进行数据点的密化。本文采用等长直线段逼近相贯线焊缝，即在保证给定逼近误差的前提下，用等长直线段代替圆弧段，这种插补方法的计算简单，虽然加工精度不如采用圆弧段逼近的方式，但却完全能够满足焊接加工的精度要求。
3.2 自动焊接软件系统平台的开发
该系统的精插补过程由软件和硬件共同实现，由软件计算出控制信号的输出时间间隔和应该向步进电机发送的高低电平数据，由硬件接口板实现数据的输出。编制运动控制软件实现精插补的过程有两个关键环节：一是如何得到比较精确的延时时间间隔；二是如何将单个电机的控制脉冲序列进行合并，最终实现自动焊接机床五个轴的联动。本研究利用Delphi软件构建操作软件系统平台，以界面友好为设计目标，按照功能进行模块化设计，实现自动焊接数据处理、制等需要的各种操作。
4 系统精度的分析与改善
本文所设计自动焊接数控机床是采用步进电机作为驱动源，与相应的驱动电路结合组成的开环控制系统。在步进电机驱动系统中，影响伺服精度的主要因素有以下几个方面： 步进电机误差、齿隙误差、导轨误差及热变形影响等。
对于步进电机误差可采取减小步距角的方法来改善。当传动比一定时，随着步距角的减小，脉冲当量也随之减小，从而提高机床的精度。当电机选定之后，驱动器细分电路可进一步降低机床的脉冲当量，当步进电机运行在细分模式下时，步距角显著减小，转子达到新的稳定点之后所具有的动量变小，振动变小，提高了步进电机低速段运行的平滑性；在软件方面，通过对插补周期和插补步长的控制，使步进电机的运行频率尽量避开其低频振荡区间，保证步进电机的运行平稳性。
对于齿隙误差，主要采取以下两种改善措施：将中心距设计为可调机构，调节中心距消除齿隙；双片齿轮加载扭簧消除齿轮本身误差引起的间隙。可通过提高导轨精度来改善导轨误差。
参考文献
[1] 邹增人，焊接材料、工艺及设备手册[M]，北京：化学工业出版社，2001。
[2] 佟欣，焊接自动化技术的开发[J]，焊接技术，2000。
[3] 周骥平，林岗，机械制造自动化技术[M]，北京：机械工业出版社，2001。
【关键词】高层钢框架结构；施工工艺；焊接变形
1引言
高层结构的行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》虽然已经颁布，但在我国，真正意义上的纯钢结构高层建筑采用的仍较少，普遍采用的是钢框架-混凝土核心筒结构，虽然其具有造价低、用钢省等优点，但其应用范围和技术上还有待进一步研究和完善。而且我国的建筑钢材存在很大不足，在品种、规格和质量水平上和发达国家还有较大差距。在高层钢框架结构施工领域，技术水平高、管理能力强的建筑企业很少，钢框架结构施工成套技术尚处于完善阶段。为此，有必要加强对高层框架结构的施工工艺及其焊接变形方面的探讨，这也是本论文的研究出发点。
2高层钢框架结构施工工艺及其变形分析
2.1 钢框架结构施工特点分析
钢框架结构施工技术，主要包括钢柱、钢梁、楼梯的吊装、测量校正、连接、压型钢板的铺设等工序，但在钢结构施工的同时往往要穿插土建、机电等部分的施工。钢框架结构的施工必须要与土建等其它单位进行密切配合，做到统筹兼顾，才能高效、高质地完成施工任务。其主要特点有：
2.1.1 测量、定位、放线精度要求高。测量、定位、放线是贯穿制作和安装阶段的控制重点。在高层钢框架结构安装中，由于体型大，误差积累将非常显著，柱子或其它构件微小的偏移会造成上部很大的变位，极大地改变结构的受力，影响设计效果，甚至产生工程事故。
2.1.2 钢框架结构安装中，由于钢材热胀冷缩现象突出，天气、温度等条件影响大，温度变化会对安装精度产生较大影响。特别是在钢构件连接中，焊接和螺栓连接受天气、温度影响更大。在焊接技术规程中规定，自然条件不能满足焊接环境要求时，要采取人工措施给焊接创造条件，比如焊条的预热、钢板的预热加温等。
2.1.3 钢结构安装对起重、运输等机械的性能要求高。由于钢构件重量大、体型大，高层钢框架结构安装中高空作业多，对吊装过程中的技术要求高，吊装中不同工况条件下的施工荷载必须同其自身设计承载力相吻合，钢构件在运输、堆放、起吊、就位及安装过程中，要按事先模拟设计的条件进行。
2.1.4 由于钢材的特点，决定了钢框架结构要求防腐、防火严格。
2.1.5 高层钢框架结构安装工程量大，构件多，现场往往必须设置临时堆放场地及相应的中转堆场才能满足安装需要。
2.2 钢框架焊接变形分析
2.2.1 钢结构变形类型
钢结构变形类型，可分为总体变形和局部变形两类。总体变形是指整个结构的外形和尺寸发生变化，局部变形是指结构构件在局部区域出现变形。二者可能单独出现，但更多地是组合出现。它们都会影响结构的诸多方面，如外观、刚度和稳定性等，降低承载力，危及结构安全。
2.2.2 钢结构变形原因
钢材的初始变形；加工制作中的变形；运输及安装过程中产生的变形；使用过程中产生的变形等。
2.2.3 变形控制方法
传统的经验方法是制定合理的吊装、焊接方案等，如采用先内而外的吊装顺序、对称焊接等，在测量控制上预留变形等，这种笼统地控制方法在一定条件下可以取得较好的效果，但遇到复杂、多变的条件，效果有限。
焊接变形是高层钢结构框架变形的主要构成因素，但相关的论文分析也多以静态、局部的分析为主，如针对于某个焊接面或焊接构件的分析，针对建筑钢框架结构焊接变形的整体分析方法尚未出现。
3 高层钢框架结构焊接施工工艺及其变形矫正探讨
3.1 焊接变形原因分析
钢结构具有结构性能良好、建设工期短、绿色、环保等优点，所以在工业与民用建筑中广泛应用。焊接对钢结构来说是一把双刃剑，它成就了钢结构建设的高速度，但是钢结构在焊接时产生的变形问题，也会极大地影响钢结构的施工质量。钢结构在焊接过程中出现变形是不可避免的，但可以通过合理的施工措施来予以控制。
焊接变形产生的主要原因是由于焊接过程中对焊件进行了局部的不均匀加热，以及随后的不均匀冷却作用和结构本身或外加的刚性拘束作用，通过力、温度和组织等因素的变化，从而在焊接接头区产生不均匀的收缩变形，焊缝的纵向和横向缩短是引起各种复杂变形的根本原因。
3.1.1 结构刚度
刚度就是结构抵抗拉伸和弯曲变形的能力，它主要取决于结构的截面形状及其尺寸大小。如桁架的纵向变形，主要取决于横截面面积和弦杆截面的尺寸；再如工字型、丁字型或其它形状截面的弯曲变形，主要取决于截面的抗弯刚度。
3.1.2 焊缝位置和数量
在钢结构刚性不大时，焊缝在结构中对称布置，施焊程序合理，则只产生线性缩短；当焊缝布置不对称时，则还会产生弯曲变形；焊缝截面重心与接头截面重心在同一位置上时，只要施焊程序合理，则只产生线性缩短；当焊缝截面重心偏离接头截面重心时，则还会产生角变形。
3.1.3 焊接工艺
焊接电流大，焊条直径粗，焊接速度慢，都会造成焊接变形大；自动焊接的变形较小，但焊接厚钢板时，自动焊比手工焊的焊接变形稍大；多层焊时，第一层焊缝收缩量最大，第二、三层焊缝的收缩量则分别为第一层的20%和5%～10%，层数越多焊接变形也越大；断续焊缝比连续焊缝的收缩量小；对接焊缝的横向收缩比纵向收缩大2倍～4倍；焊接次序不当或未先焊好分部构件，然后总拼装焊接，都易产生较大的焊接变形。所以在施工时要制定合理的焊接工艺措施。
3.2 焊接变形矫正措施探讨
3.2.1 焊接工艺措施
焊接施工时，应选择合适的焊接电流、速度、方向、顺序，以减少变形。焊接金属构件时，应先焊短，后焊长；先焊立，后焊平；先焊对接缝，再焊搭接缝，应从中间到两边，从里到外焊接。集中的焊缝应采用跳焊法，长焊缝采用分段退步焊和对称焊接法。
3.3.2 机械矫正法
机械矫正法是利用机械力的作用，以矫正焊接变形，常采用撑直机、压力机、千斤顶及各种小型机具顶压矫正构件变形。矫正时，将构件变形部位放在两支撑之间，对准构件凸出部位缓慢施力，即可矫正变形。
3.3.3 火焰矫正法
采用火焰矫正的原理与焊接变形的原理相同，只是反其道而用之，通过给金属输入热量，使金属达到塑性状态，从而产生变形，构件被局部加热后，依靠加热区的膨胀与收缩差，使构件按照预定的方向发生变形，从而达到矫正的目的。
3.3.4 刚性固定法
焊接时在平台上或在重叠的构件上设置夹具固定构件，增加刚性后，再进行焊接，这样焊接中的加热和冷却的收缩变形，被固定夹具等外力所限制，但这种方法只适应塑性较好的低碳结构钢和低合金结构钢，不适应中碳钢和可焊性更差的钢材，因为焊接应力常使焊件产生裂纹。
4 结语
高层钢框架结构施工工艺与焊接变形分析的影响因素多而且具有较强的模糊性和不确定性，本论文重点对高层钢框架结构的焊接施工工艺进行了分析研究，详细探讨了焊接变形的原因及其矫正措施，对于进一步提高钢材钢框架结构的施工工艺水平具有较好的理论指导时间。
参考文献：
[1]日本.渡边帮夫等著.钢结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
