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編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 題目： 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 0923162 學(xué)生姓名： 祝 灝 指導(dǎo)教師： 范圣耀（職稱：副教授） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 立式環(huán)縫自 動焊接機虛擬設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取 得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引 用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他 個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 94 學(xué) 號： 0923162 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 氣電立焊是 80 年代發(fā)展起來的一種熔化極氣體保護(hù)電弧垂直對 接焊方法，采用藥芯焊絲作熔化極，用能自動控制的上升系統(tǒng)帶動 焊槍進(jìn)行連續(xù)焊接，在水冷滑塊的強制成型作用下以 CO2 氣體保護(hù) 實現(xiàn)單面焊雙面一次成型。 過去我國對氣電立焊的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，并被廣泛應(yīng)用于石油 天然氣的儲油罐建設(shè)這些設(shè)備，雖然性能良好但價格昂貴，國內(nèi)一 些中小企業(yè)無力購買，受進(jìn)口設(shè)備和國內(nèi)藥芯焊絲技術(shù)不過關(guān)的制 約，其應(yīng)用范圍和發(fā)展受到限制。所以，開發(fā)擁有我國自主知識產(chǎn) 權(quán)的氣電立焊設(shè)備，以解決困擾我國眾多企業(yè)的焊接問題，成為當(dāng) 務(wù)之急。 在開發(fā)氣電立焊設(shè)備的過程中，如果在設(shè)計初告段落時采用計算 機虛擬技術(shù)進(jìn)行運動仿真，將使產(chǎn)品設(shè)計更為可靠。采用計算機虛 擬技術(shù)，將使得設(shè)計者在產(chǎn)品制造出來前即能看到產(chǎn)品的裝配信息 II 和運行狀態(tài)，并能檢測裝配干涉，預(yù)先測得重要的運動參數(shù)，以便 與設(shè)計要求進(jìn)行對比，提高了設(shè)計可靠性，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。 由此可知，采用計算機運動仿真，將對氣電立焊設(shè)備的設(shè)計開發(fā)產(chǎn) 生重要的積極影響。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：本課題要求根據(jù)任務(wù)書 完成立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計。這個課題能充分體現(xiàn)專業(yè)知識， 對虛擬設(shè)計能力有較強鍛煉。通過本課題的研究，我們需要達(dá)到的 要求有： 熟悉氣電立焊的國內(nèi)外歷史及其發(fā)展前景； 正確合理分析理解氣電立焊原理、特點及其工藝特點和設(shè)備知識； 了解立式環(huán)縫自動焊接機主要零部件的特點及作用； 充分理解，明白各個零部件的位置及作用； 對于虛擬設(shè)計，能夠掌握各個部分的設(shè)計原則以及合理分析各因 素對設(shè)計的影響； 熟練運用 Pro/ENGINEER 軟件。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 機械 94 班 姓名 祝 灝 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 III 六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所所 長簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 IV 摘 要 氣電立焊是由普通熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電 弧焊方法,焊接效率及焊接質(zhì)量均較高,主要應(yīng)用于船舶的外殼板的中厚板焊接，也可應(yīng) 用于相應(yīng)尺寸的橋梁箱式梁腹板及大型儲罐側(cè)板的中厚板的焊接。為了提高快速響應(yīng)能 力，必須實現(xiàn)快速虛擬設(shè)計。 本論文首先介紹了氣電立焊機，包括它的原理、特點、工藝特點，并介紹了其設(shè)備 和用途，詳細(xì)介紹了船體氣電自動立焊機。 其次，我們完成了絲桿的三維建模。另外，為了應(yīng)對繁多的齒輪傳動，我們專門開 發(fā)了 PRO/E 參數(shù)化齒輪建模方法，完成了參數(shù)化齒輪建模。綜合運用 PRO/ENGINEER 軟件、CAXA 軟件、AUTOCAD 軟件，我們完成了軸承三維模型的創(chuàng)建。利用 PRO/E 的 零件族表功能，我們完成了大量標(biāo)準(zhǔn)件的三維建模，諸如軸承、螺栓、墊片、螺帽等等。 然后，我們在 PRO/E 中進(jìn)行機構(gòu)運動仿真，介紹一些具有代表性的裝配過程，這些 裝配過程用到了一些實用的裝配技巧。我們介紹了基本裝配約束，多個螺栓的重復(fù)性裝 配，鏈條的陣列化裝配，裝配件中的改名操作，軸組件的裝配。 最后，我們進(jìn)行了機構(gòu)運動虛擬設(shè)計。把各個零部件通過裝配模塊組裝成一個完整 的機構(gòu)后，在 PRO/E 中直接啟動機構(gòu)運動分析模塊，定義機構(gòu)中的連接，設(shè)置伺服電機， 分析運行機構(gòu)，觀察機構(gòu)的整體運動軌跡和各零件之間的相對運動，進(jìn)行運動仿真舉例， 最終能將機構(gòu)運動錄制成 JPEG 格式的動畫。 關(guān)鍵詞：氣電立焊；三維建模；虛擬設(shè)計；仿真 V Abstract Electro-gas welding is a kind of melting by the ordinary gas metal arc welding and electro-slag welding development and the formation of polar gas shielded arc welding method, welding efficiency and welding quality is high, thick plate welding of the shell plate is mainly applied to the ship, but also can be applied to the corresponding size of bridge box girder webs and large storage tank side welding of plate. In order to improve the rapid response capability, to achieve rapid virtual design. This paper firstly introduces the electro-gas welding machine, including the principle, characteristics, its process characteristics, and introduces the equipment and use, details of the ship body electric automatic vertical welding machine. Secondly, we completed the three-dimensional modeling of wire rod. In addition, in order to deal with various kinds of gear transmission, we specializes in the development of gear parametric modeling method of PRO/E, the parametric modeling of gear. Comprehensive use of PRO/ENGINEER software, CAXA software, AUTOCAD software, we completed the creation of three-dimensional model of bearing. With the family table function parts of PRO/E, we completed the three-dimensional modeling of many standard parts, such as bearings, bolts, gaskets, nut etc.. Then, we performed the mechanism movement simulation in PRO/E, introduces some representative assembly, the assembly process to use some practical assembly skills. We introduced the basic assembly constraints, repeated assembly of a plurality of bolt, chain array assembly, assembly of renaming operation, shaft assembly. Finally, we carried out the movement of virtual design. The assembled into a complete mechanism of each parts of the assembly module, direct start mechanism motion in PRO/E analysis module, connect definition mechanism, a servo motor is arranged, analysis of the operation mechanism, the relative movement between the overall trajectory of institutions and all parts of the simulation exercise, for example, can finally mechanism motion records into JPEG format animation. Keywords：electro-gas welding; 3D modeling; virtual design; simulation VI V 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................IV ABSTRACT ...................................................................................................................................V 目 錄 ............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 ....................................................................................................1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 ................................................................................................................1 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 ............................................................................................................3 2 氣電立焊機介紹 .........................................................................................................................4 2.1 氣電立焊的原理 ....................................................................................................................4 2.2 氣電立焊的特點 ....................................................................................................................4 2.3 氣電立焊工藝特點 ................................................................................................................5 2.4 氣電立焊設(shè)備介紹 ................................................................................................................7 3 主要零部件建模 .........................................................................................................................9 3.1 絲杠的三維建模 ....................................................................................................................9 3.2 參數(shù)化齒輪建模 ..................................................................................................................11 3.3 軸承三維模型的創(chuàng)建 ..........................................................................................................16 3.4 墊片的創(chuàng)建 ..........................................................................................................................19 4 零部件虛擬裝配 .......................................................................................................................22 4.1 基本裝配約束介紹 ..............................................................................................................22 4.2 多個螺栓的重復(fù)性裝配 ......................................................................................................22 4.3 鏈條的陣列化裝配 ..............................................................................................................24 4.4 裝配件中的改名操作 ..........................................................................................................25 4.5 軸組件的裝配 .....................................................................................................................25 5 機構(gòu)運動虛擬設(shè)計 ...................................................................................................................27 5.1 機構(gòu)運動虛擬設(shè)計功能概述 ..............................................................................................27 5.1.1 機構(gòu)運動虛擬設(shè)計功能概述 .......................................................................................27 5.1.2 機構(gòu)運動虛擬設(shè)計功能的一般步驟 ...........................................................................27 5.2 連接定義 ..............................................................................................................................27 5.3 定義伺服電機 ......................................................................................................................28 5.4 創(chuàng)建運動分析 ......................................................................................................................28 5.5 運動仿真舉例 ......................................................................................................................29 VI 5.5.1 定義鏈條運動 ...............................................................................................................29 5.5.2 定義絲杠傳動 .............................................................................................................30 6 結(jié)論與展望 ...............................................................................................................................33 致 謝 ...........................................................................................................................................34 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................35 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 1 1 緒論 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義 氣電立焊是 80 年代發(fā)展起來的一種熔化極氣體保護(hù)電弧垂直對接焊方法，采用藥芯 焊絲作熔化極，用能自動控制的上升系統(tǒng)帶動焊槍進(jìn)行連續(xù)焊接，在水冷滑塊的強制成 型作用下以 氣體保護(hù)實現(xiàn)單面焊雙面一次成型。2CO 圖 1.1 氣電立焊 在焊接前，首先在焊接接頭的坡口反面安裝固定銅滑塊，坡口正面安裝一塊可隨焊 槍一起運動的水冷滑塊。焊接時，藥芯焊絲和母材被電弧熔化形成熔池，并被限制在前 后兩塊水冷滑塊及未熔化的母材之間，這樣，熔池上部受到 及熔渣的保護(hù)，藥芯焊絲2CO 熔化后產(chǎn)生的部分熔渣滲入到熔池與兩塊水冷滑塊的接觸面之間，對熔池起保護(hù)作用， 同時也避免了銅滑塊被熔池熔化產(chǎn)生的粘連，保證了焊接接頭的質(zhì)量。熔池下部被水冷 銅滑塊冷卻凝固形成焊縫。隨著焊縫的形成，送絲機構(gòu)的小車和正面的銅滑塊沿垂直導(dǎo) 軌自動向上移動，并保持距熔池的相對位置不變，以保證焊接過程的穩(wěn)定。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 氣電立焊是由普通熔化極氣體保護(hù)焊和電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電 弧焊方法。目前氣電立焊焊接材料主要采用(金屬芯)藥芯焊絲，其特點是生產(chǎn)效率高、 成本低。氣電立焊屬于窄間隙焊，與其它窄間隙焊的主要區(qū)別是焊縫一次成型，而不是 多道多層焊。所以其焊接效率及焊接質(zhì)量均較高，主要應(yīng)用于船舶的外殼板的中厚板焊 接，也可應(yīng)用于相應(yīng)尺寸的橋梁箱式梁腹板及大型儲罐側(cè)板的中厚板的焊接。目前通過 船級社認(rèn)可的 氣電立焊藥芯焊絲全部為國外廠商，而國內(nèi)研究生產(chǎn)的焊絲常常出現(xiàn)焊2CO 接力學(xué)性能不穩(wěn)定的情況，不能滿足國內(nèi)客戶的需求。所有氣電立焊藥芯焊絲的使用全 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 都依賴進(jìn)口，而國內(nèi)目前應(yīng)用最多的是日本神鋼生產(chǎn)的 DWS-43G 和 DWS-1LG 兩種氣電 立焊藥芯焊絲。 過去我國對氣電立焊的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，并被廣泛應(yīng)用于石油天然氣的儲油罐建 設(shè)這些設(shè)備，雖然性能良好但價格昂貴，國內(nèi)一些中小企業(yè)無力購買，受進(jìn)口設(shè)備和國 內(nèi)藥芯焊絲技術(shù)不過關(guān)的制約，其應(yīng)用范圍和發(fā)展受到限制。所以，開發(fā)擁有我國自主 知識產(chǎn)權(quán)的氣電立焊設(shè)備，以解決困擾我國眾多企業(yè)的焊接問題，成為當(dāng)務(wù)之急。 為了提高快速響應(yīng)能力，氣電立焊企業(yè)首先應(yīng)能迅速捕捉復(fù)雜多變的市場動態(tài)信息， 并及時作出正確的預(yù)測和決策，以決定新產(chǎn)品的功能特征和上市時間。明確了新產(chǎn)品的 開發(fā)項目以后，實現(xiàn)快速虛擬設(shè)計就成為重要的一環(huán)。工程設(shè)計的重要性是不言而喻的。 據(jù)統(tǒng)計，工程設(shè)計的費用雖然只占產(chǎn)品最終成本的一小部分(不到10)，但往往決定了 它的80以上的制造成本，而且還決定性地影響產(chǎn)品的性能和交貨期。現(xiàn)代機械產(chǎn)品由 于用戶的要求越來越高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，科技含量愈來愈高，從而使得產(chǎn)品的開發(fā) 周期同趨延長。如何解決好產(chǎn)品市場壽命縮短和新產(chǎn)品開發(fā)周期長的尖銳矛盾，已經(jīng)成 為決定企業(yè)成敗興衰的生死攸關(guān)問題。產(chǎn)品開發(fā)周期包括設(shè)計、試制、試驗和修改等一 系列環(huán)節(jié)，除了設(shè)計以外的后幾個環(huán)節(jié)可以統(tǒng)稱為試制定型階段。 由此可知，實施虛擬快速設(shè)計，至少有如下優(yōu)點：及時交貨，爭先搶占市場，因縮 短制造時間和消除各種浪費而降低制造成本，因加快產(chǎn)品更新?lián)Q代而向市場大量提供質(zhì) 量更高、價格更低的高性能產(chǎn)品。其結(jié)果就大大提高了企業(yè)的綜合競爭力和持續(xù)發(fā)展的 生命力。 本文主要采用PRO/ENGINEER軟件對氣電立焊及進(jìn)行快速虛擬設(shè)計，該軟件有如下特 點： 全相關(guān)：Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某 一處進(jìn)行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、 設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進(jìn)行修改，卻沒有任何損 失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。 基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu) 造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例 如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù) （不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計疊代， 實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了 實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的 開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進(jìn)行的各項工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 獨特的全相關(guān)功能，因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER 的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、 “插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設(shè)計意圖。高級的功能支持 大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 3 易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項， 同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。 我們最終選擇PRO/ENGINEER作為虛擬設(shè)計軟件 ,主要是由于其在機構(gòu)運動仿真功能 方面強大的功能、易操作性和直觀性。同時，在大型組件的創(chuàng)建過程中， PRO/ENGINEER的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化建模和全相關(guān)性將使零部件的創(chuàng)建和修改變得非 常容易，這對縮短建模周期將起到顯著的作用。 1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 在開發(fā)氣電立焊設(shè)備的過程中，如果在設(shè)計初告段落時采用計算機虛擬技術(shù)進(jìn)行運 動仿真，將使產(chǎn)品設(shè)計更為可靠。采用計算機虛擬技術(shù)，將使得設(shè)計者在產(chǎn)品制造出來 前即能看到產(chǎn)品的裝配信息和運行狀態(tài)，并能檢測裝配干涉，預(yù)先測得重要的運動參數(shù)， 以便與設(shè)計要求進(jìn)行對比，提高了設(shè)計可靠性，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。由此可知，采用 計算機運動仿真，將對氣電立焊設(shè)備的設(shè)計開發(fā)產(chǎn)生重要的積極影響。 本課題要求根據(jù)任務(wù)書完成立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計。這個課題能充分體現(xiàn)專 業(yè)知識，對虛擬設(shè)計能力有較強鍛煉。通過本課題的研究，我們需要達(dá)到的要求有： 熟悉氣電立焊的國內(nèi)外歷史及其發(fā)展前景； 正確合理分析理解氣電立焊原理、特點及其工藝特點和設(shè)備知識； 了解立式環(huán)縫自動焊接機主要零部件的特點及作用； 充分理解，明白各個零部件的位置及作用； 對于虛擬設(shè)計，能夠掌握各個部分的設(shè)計原則以及合理分析各因素對設(shè)計的影響； 熟練運用 Pro/ENGINEER 軟件。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 2 氣電立焊機介紹 氣電立焊EGW(Electro-gas Welding) 是20世紀(jì)80年代初由普通的熔化極氣體保護(hù)焊和 電渣焊發(fā)展而形成的一種熔化極氣體保護(hù)電弧垂直對接焊方法，其能量密度比電渣焊高， 而焊接技術(shù)基本相同，主要應(yīng)用于天然氣、石油化工、電力、造船等行業(yè)的大型儲罐安 裝、容器制造、船舶制造等的縱向立焊縫的自動焊接，單面一次成形厚度最大可達(dá)46 mill，焊接工效相對于傳統(tǒng)的焊條電弧焊可提高1020倍。 2.1 氣電立焊的原理 氣電立焊機是通過焊接電弧電壓信號反饋調(diào)節(jié)焊接電流，焊接電流信號反饋來控制 焊絲干伸長和焊接小車自動提升的一種專用焊接設(shè)備。它利用類似于電渣焊所采用的移 動式水冷銅滑塊擋住焊縫正面熔融的金屬，背面采用固定式水冷銅墊板封底，強迫焊縫 成形，以實現(xiàn)立縫向上位置的焊接，保護(hù)氣體為 。氣電立焊在焊接電弧和熔滴過渡方CO 面類似于普通熔化極氣體保護(hù)焊，而在焊縫成形和機械系統(tǒng)方面又類似于電渣焊。單絲 氣電立焊原理如圖2.1所示。 （a） （b） 圖 2.1 單絲氣電立焊原理圖 氣電立焊與電渣焊的主要區(qū)別在于熔化金屬的熱量是電弧熱而不是熔渣的電阻熱。 板的厚度在 1280 mm 最適宜。 2.2 氣電立焊的特點 工藝過程穩(wěn)定、操作簡便、焊縫質(zhì)量優(yōu)良，如圖 2.2 所示：生產(chǎn)效率比焊條電弧焊高 10 倍以上，因此這種方法在船體焊接應(yīng)用中不斷發(fā)展，現(xiàn)在已具備單絲、雙絲兩種送絲 方式，雙絲氣電立焊原理如圖 2.3 所示。主要根據(jù)所焊船體的板厚來確定采用單絲還是雙 絲，如何根據(jù)板厚范圍來確定送絲數(shù)如圖 2.4 所示；雙絲焊時，第一根焊絲需要沿焊縫的 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 5 熔深方向進(jìn)行擺動。 圖 2.2 焊縫宏觀組織 圖 2.3 雙絲氣電立焊原理 2.3 氣電立焊工藝特點 (1)焊縫背面墊板(相對焊機操作臺)。 焊縫背面墊板有三種形式：背面采用陶瓷襯墊，正面采用水冷銅滑塊強制成形；焊 縫雙面均采用水冷銅滑塊強制成形；無需外加氣體，采用自保護(hù)藥芯焊絲單面水冷銅滑 塊強制成形(注意：三種方法的焊接材料都有所區(qū)別)。 (2)氣電立焊關(guān)鍵參數(shù)的控制。 氣電立焊的焊接位置垂直或接近于垂直方向，電孤軸線方向與母材熔深方向成直角， 熔化的焊絲金屬堆積疊加，熔池不斷水平上移形成焊縫，其熔深產(chǎn)生所需熱量的傳遞方 式與其他電弧焊有所不同。氣電立焊焊接電弧產(chǎn)生的熱量主要流向三個方向：熔化焊絲、 熔化母材、滑塊吸收。 a母材坡門截面積控制。 它是影響熔深的主要參數(shù)之一，熔深反映了坡口兩側(cè)母材的熔化量，直接決定焊接 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 質(zhì)量。增加坡口截面積就增加了焊接線能量，增加熔深：熔深的大小南熔池過熱金屬的 過熱度即溫度梯度決定；影響熔池熔融金屬過熱度的因素也就是影響熔深大小的因素。 b線能量控制。 一般電弧焊焊接線能量 ；氣電立焊焊接時，采用等速送絲、大電流密度、較=IU/vwE 高的電弧電壓，其送絲速度等于熔化速度正比于向坡口填充金屬的速度，經(jīng)推導(dǎo)可得焊 接線能量 ( 為焊絲熔化系數(shù)， 為坡口截面積)。增加電弧電壓可增加焊接線=EKiSiS 能量。 c冷卻速度控制。 當(dāng)焊接規(guī)范和坡口參數(shù)確定后，焊絲和母材吸熱可以認(rèn)為是不變的，而強制成形的 銅滑塊吸熱，則隨冷卻介質(zhì)水變化較大。水溫度和流量對吸熱影響很大，低水溫和大流 速帶走的熱量遠(yuǎn)大于高水溫低流速的情況，所以在焊接厚板時應(yīng)減少水流量；焊接薄板 時可增加水流量；通過調(diào)節(jié)水流量來調(diào)節(jié)熔池的冷卻速度可有效控制熔深大小。由于氣 電立焊熔池與普通未受約束的焊接熔池狀態(tài)不同，熔深的形成方式和影響熔深的因素也 不同。 兩種厚板EGW焊接工藝如表2-1所示。 表2-1典型EGW焊接工藝參數(shù) 板厚 /m焊根間隙 /b焊絲 數(shù) 絲速 -1/minv電流 /IA電壓 /IU焊速 -1/cminv線能量 -1E/kJc 35 8 1 2 13 13 360 370 38 37 9.6 171 8 1 2 15 15 400 410 44 41 3.8 551 80 10 1 2 15 15 420 410 45 41 3.4 630 (3)幾種實用的焊接材料。 a目前國內(nèi)用量較大的是神戶制鋼公司生產(chǎn)的DWS03G和DWS一60G型藥芯焊絲， 具有電弧穩(wěn)定、飛濺小、氣渣保護(hù)好、焊縫質(zhì)量穩(wěn)定等特點。使用時，應(yīng)在焊縫背面配 用l(I御型陶瓷襯墊，在襯墊表面覆蓋一層玻璃布，可使襯墊與鋼材緊密相貼，防止跑渣。 在襯墊的背面還有一塊鋼板，便于在裝配襯墊時用鋼楔子將襯墊與鋼板壓緊，避免陶瓷 襯墊破碎。 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 7 b自保護(hù)自動立焊焊絲一般采用林肯(Lincoln) 公司 NR43l藥芯焊絲。自動立焊工藝大 都在露天或高空場合施工，在有大風(fēng)的情況下，自保護(hù)焊可以不受風(fēng)的影響而停止施工。 另外，目前自保護(hù)立焊設(shè)備的價格也比氣保護(hù)立焊設(shè)備的價格低得多。 2.4 氣電立焊設(shè)備介紹 (1)氣電立焊設(shè)備主要組成。 氣電立焊設(shè)備主要由攜焊機頭升降的機械系統(tǒng)；快速送絲系統(tǒng)；水冷強迫成型系統(tǒng)； 焊接電源及供(保護(hù))氣系統(tǒng)；焊槍及焊槍擺動控制系統(tǒng)；焊接過程自動控制系統(tǒng)等組成， 如圖2.4所示。 圖 2.4 氣電立焊設(shè)備示意 型號：SEG-1；輸入電壓：AC 38010V；行走速度O530mmmin；驅(qū)動方式i齒輪齒條；質(zhì)量22 kg；最大負(fù)載50 kg；立焊；外型尺寸：360 mmx665 minx365 mm適合板厚：932 mm；單面V型坡口； 19-80雙面x型坡口。 (2)船體氣電自動立焊機的要求。 氣電自動焊最適用于船體總段大合攏縫的焊接，如圖2.5所示，多個永磁體吸盤將鋁 合金齒條軌道固定在船體鋼板上，其軌道可以接長數(shù)十米。焊機的整體機架內(nèi)具有自動 提升機構(gòu)和自動鎖定裝置，便于船體立縫焊接時的高空作業(yè)，使操作安全可靠，使焊接 熔池始終處于最佳觀察狀態(tài)。 另外，送絲系統(tǒng)控制箱、焊接電源、循環(huán)冷卻器等都安裝在焊機整體機架內(nèi)，與被 焊物體較近，故各配套線管大為縮短，有利于焊前準(zhǔn)備和設(shè)備操作，也便于安裝運輸； 焊接控制系統(tǒng)中設(shè)置了電壓、電流傳感器，能自適應(yīng)焊接坡口變化。設(shè)置了供氣控制傳 感器和循環(huán)冷卻水壓指示調(diào)節(jié)器，能保證焊接質(zhì)量控制。 瑞典ESAB公司采用懸掛在焊縫頂部的牽引電機的動鏈條牽引機頭上升的方案，既節(jié) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 省了磁力軌道和裝卸工時費用，叉減輕了工人的勞動強度。 圖 2.5 油輪船側(cè)分段大合攏焊縫 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 9 3 主要零部件建模 立式焊機結(jié)構(gòu)設(shè)計大致完成后，即可對主要零部件進(jìn)行三維建模，為進(jìn)一步的裝配 工作打好基礎(chǔ)。在建模過程中有時不僅僅是單個零件的創(chuàng)建，而是從整個系統(tǒng)設(shè)計出發(fā)， 綜合考慮裝配、制造等問題，有時甚至要用程序來解決零件的建模問題。在三維建模過 程中，我們充分利用了 TOP-DOWN 的設(shè)計方法，以確保整機設(shè)計不出錯誤，同時也利用 一些建模技巧，盡量縮短了建模過程所占的時間。 氣電立焊設(shè)備是一個復(fù)雜的裝配體，僅零件建?？倲?shù)就超過三百個，所以，如何對 建模數(shù)據(jù)進(jìn)行妥善管理，是一個非常重要的問題。我們對每個組件或部件都創(chuàng)建了相應(yīng) 的文件夾，為保證最后總裝不出零件沖突問題，對名稱相同的零件，如螺栓、螺冒等， 后面都加上所屬組件的縮寫名。由于零部件總數(shù)眾多，對每個零件的建模過程都作相應(yīng) 介紹顯然是不現(xiàn)實的。為此，我們挑選了一些具有代表性的零件，在創(chuàng)建這些零件時運 用了相當(dāng)多的技巧，所以著重介紹它們的建模過程。 3.1 絲杠的三維建模 絲杠是此次立式焊機設(shè)計中傳動裝置的核心零件，創(chuàng)建時主要運用了螺旋掃描功能。 但考慮到仿真運動時需定義螺母沿螺旋線的槽機構(gòu)運動，所以在螺旋掃描切材料前必須 先將螺旋曲線做出，而螺旋曲線創(chuàng)建需要一定的技巧，所以絲杠的創(chuàng)建具有一定的代表 性。 （1）繪制絲杠二維截面，用旋轉(zhuǎn)加材料做出絲杠外圓柱面如圖 3.1 和圖 3.2； （2）利用螺旋掃描功能創(chuàng)建一螺旋曲面,必須與圓柱面相交如圖 3.3； （3）選擇螺旋曲面和整個絲杠外圓柱面,點擊“編輯”---“相交” ，軟件自動創(chuàng)建 螺旋曲面和外圓柱面的交線，即螺旋線； （4）利用螺旋掃描在外圓柱面上切出牙形，同時其螺距應(yīng)與螺旋曲面螺距相同； （5）倒角并隱藏螺旋面螺旋線后，絲杠零件如圖 3.4。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 圖 3.1 繪制絲杠外圓二維截面 圖 3.2 絲杠外圓柱面創(chuàng)建 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 11 圖 3.3 創(chuàng)建螺旋曲面 圖 3.4 絲杠零件 3.2 參數(shù)化齒輪建模 在立式焊機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，很多地方需要用到齒輪傳動，所以，如何創(chuàng)建具有嚴(yán)格漸 開線齒廓的齒輪三維模型，成了一大難題。在很多資料中，齒輪的創(chuàng)建是以圓弧線代替 漸開線，我們認(rèn)為這樣的建模思路是不嚴(yán)謹(jǐn)且不科學(xué)的。為此，我們專門開發(fā)了 PRO/E 參數(shù)化齒輪建模方法，只需要創(chuàng)建一個標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其余只需要輸入模數(shù)、齒數(shù)、壓力角 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 等參數(shù)，軟件即能自動生成新的齒輪三維模型。齒輪本身有很多種類，由于此次自動焊 接機的仿真過程中只用到直齒輪，同時也是受時間的約束，我們只對直齒輪做了參數(shù)化 設(shè)計。下面用較為詳細(xì)的篇幅，來說明我們是如何創(chuàng)建這些齒輪模型的。 在立式環(huán)縫自動焊接機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，很多地方需要用到齒輪傳動，所以，如何創(chuàng)建 具有嚴(yán)格漸開線齒廓的齒輪三維模型，成了一大難題。在很多資料中，齒輪的創(chuàng)建是以 圓弧線代替漸開線，我們認(rèn)為這樣的建模思路是不嚴(yán)謹(jǐn)且不科學(xué)的。為此，我們專門開 發(fā)了 PRO/E 參數(shù)化齒輪建模方法，只需要創(chuàng)建一個標(biāo)準(zhǔn)齒輪，其余只需要輸入模數(shù)、齒 數(shù)、壓力角等參數(shù)，軟件即能自動生成新的齒輪三維模型。齒輪本身有很多種類，由于 此次自動焊接機的仿真過程中只用到直齒輪，同時也是受時間的約束，我們只對直齒輪 做了參數(shù)化設(shè)計。下面用較為詳細(xì)的篇幅，來說明我們是如何創(chuàng)建這些齒輪模型的。 （1）首先，在記事本中創(chuàng)建如下三段程序并保存： 程序 1： tooth_number number=20 enter the number of teeth: module number=3 enter the module: pressure_angle number=20 enter the pressure angle: face_width number=15 enter the face width: rad_fillet number=0.4 enter the fillet: 程序 2： rad_pitch=0.5*tooth_number*module rad_base=rad_pitch*cos(pressure_angle) circular_pitch=pi*module tooth_thick_on_pitch=circular_pitch/2 rad_addendum=rad_pitch+1*module rad_dedendum=rad_pitch-1.157*module inv_phi=tan(pressure_angle)-pressure_angle*2*pi/360 tooth_thick_on_base=2*rad_base*(tooth_thick_on_pitch/(2*rad_pitch)+inv_phi) ang_tooth_thick=tooth_thick_on_base/rad_base*360/(2*pi) ang_tooth_space=360/tooth_number-ang_tooth_thick 程序 3： todeg=180/pi roll_angle=0 solve roll_angle*todeg-atan(roll_angle)=trajpar*ang_tooth_thick for roll_angle sd7=rad_base*(1+roll_angle2)0.5 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 13 （2）運行 PRO/ENGINEER 軟件，新建一個文件，命名為 “CHILUN”零件，注意 不要用缺省模板，利用 mmns_prt_solid 模板創(chuàng)建。 （3）點擊“工具”---“程序”--- “編輯設(shè)計” ，在彈出的程序編輯對話框中按照如 下方式輸入程序： VERSION REVNUM 78 零件 CHILUN 的列表 INPUT 此處插入程序 1 END INPUT RELATIONS 此處插入程序 2 END RELATIONS ADD FEATURE (initial number 1) 內(nèi)部特征標(biāo)識 1 點擊“文件”---“保存” ，系統(tǒng)會詢問是否將所做修改體現(xiàn)到當(dāng)前模型中，點擊“是”--- “當(dāng)前值” 。至此，系統(tǒng)程序已經(jīng)創(chuàng)建完畢。 （4）創(chuàng)建齒輪本體。點擊“插入”---“拉伸” ，選擇 FRONT 面為草繪面，TOP 面為 向上面。草繪一圓，直徑取任意值，拉伸長度也取默認(rèn)值。點擊“工具”---“關(guān)系” ，彈 出參數(shù)關(guān)系對話框，在“查找范圍”中選擇“特征” ，在模型樹中選擇剛才創(chuàng)建的拉伸特 征。在關(guān)系輸入框中輸入“ =2*rad_addendum”和“ =face_width”兩個關(guān)系式。點擊2d1d “確定”---“編輯”---“再生”---“當(dāng)前值” 。 如圖 3.5 和圖 3.6。 （5）經(jīng)過軸線創(chuàng)建一基準(zhǔn)平面，與 TOP 面的夾角取默認(rèn)的 45。創(chuàng)建夾角的關(guān)系， 點擊“工具”---“關(guān)系” ，選擇“特征” ，點擊剛才創(chuàng)建的基準(zhǔn)平面，將 “ =360/tooth_number”輸入關(guān)系對話框，電擊“確定”---“編輯”---“再生”---0d “當(dāng)前值” ，生成與 TOP 面成 18的一個基準(zhǔn)平面。如圖 3.7。 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 3.5 拉伸一圓柱體 圖 3.6 定義齒輪本體參數(shù) 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 15 圖 3.7 創(chuàng)建鏡像基準(zhǔn)平面 （6）在齒輪本體端面上畫一曲線，以端面為草繪面，DTM1 為向上面。點擊“工具” ---“關(guān)系 ”，在彈出的關(guān)系設(shè)置對話框中選擇“特征” ，點選剛才創(chuàng)建的曲線，在關(guān)系對 話框中輸入 =ang_tooth_space/2、 =ang_tooth_thick、 =rad_base，其中 、 、3d4d5d3d4 分別為中心線角度、圓弧弧度、及圓弧半徑的參數(shù)符號。點擊“確定”---“編輯”---5 “再生”---“當(dāng)前值” 。最后，將該曲線鏡像到齒輪本體的背面。 （7）點擊“插入”---“可變截面掃描” ，按住 CTRL 鍵選擇剛才創(chuàng)建的兩條曲線， 點擊草繪按紐，繪制截面如圖 3.8。點擊“工具”---“關(guān)系” ，在關(guān)系對話框中輸入程序 3。完成可變截面掃描齒廓曲面創(chuàng)建， （8）鏡像上一步創(chuàng)建的漸開線齒廓面，以基準(zhǔn)平面 DTM1 為鏡像面。 （9）以齒輪本體端面為草繪面，DTM1 為向下面，草繪一截面切減出第一個齒槽。 同時，以關(guān)系式來控制草繪中大圓的直徑，關(guān)系式的輸入在此不再贅述，如果屏幕上顯 示大圓直徑符號為 ，則輸入關(guān)系為 =rad_dedendum，表示將其值定義為基圓直徑。13d13d 最后齒槽如圖 3.9 對齒廓的棱線倒圓角。 （10）點擊“編輯”---“特征操作”--- “組”---“局部組” ，設(shè)置好組的名稱后， 在模型樹中選擇從 DTM1 特征開始到倒圓角特征為止，點擊確定。 （11）陣列剛才的組特征，以 DTM1 特征的 18尺寸為增量尺寸，增量 18，個 數(shù)為 2 個，點擊確定 （12）點擊“工具”---“關(guān)系”,彈出關(guān)系對話框。選擇“特征” ，選擇剛才創(chuàng)建 的陣列特征，輸入 =360/tooth_number 和 =tooth_number 兩個公式，其中 為增量15d16p15d 尺寸的符號， 為增量數(shù)目的符號。點擊“確定”---“編輯”---“再生”---“當(dāng)前值”6p 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 。 （13）設(shè)置新的圖層將多余的曲面、曲線隱藏掉。 （14）參數(shù)化齒輪模型創(chuàng)建好以后,如果需要其他參數(shù)的直齒輪模型,僅需更改相應(yīng) 參數(shù)即可。比如，需要創(chuàng)建齒數(shù)為 30，模數(shù)為 4 的直齒輪，則先打開上述過程創(chuàng)建的標(biāo) 準(zhǔn)模型，點擊“工具”---“參數(shù)” ，在彈出的參數(shù)對話框中更改相應(yīng)參數(shù), 改好后,點擊 “確定”---“編輯”---“再生”---“當(dāng)前值”,系統(tǒng)立即產(chǎn)生相應(yīng)的齒輪模型,最后, 將多出來的曲面和曲線隱藏掉,即產(chǎn)生出新的齒輪,如圖 3.10。 （15）由此可知,創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)齒輪,然后以此為模板再生新的各種齒輪,是十分精確和方 便的。同時，這種建模方法也為整個建模過程節(jié)省了大量的時間，以將更多的精力投向 其他過程。 圖 3.8 草繪齒廓截面 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 17 圖 3.9 第一個齒槽成型 圖 3.10 新的齒輪模型 3.3 軸承三維模型的創(chuàng)建 在產(chǎn)品三維建模過程中，有很多情況下并不是依靠一種軟件完成的，而是多種軟件的 綜合運用，以充分利用這些軟件的各種優(yōu)點。同樣，我們在氣電立焊設(shè)備三維建模過程 中，并不是僅僅只用 PRO/ENGINEER 一種軟件，還用到了北航海爾開發(fā)的 CAXA 軟件， 以及 AUTOCAD 軟件。面對設(shè)備中大量的標(biāo)準(zhǔn)件，我們充分利用了 CAXA 軟件自帶的標(biāo) 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 準(zhǔn)件庫，快速而又準(zhǔn)確地創(chuàng)建了諸如螺栓、軸承等零件。下面，介紹一下如何將 PRO/E 和 CAXA 相結(jié)合來創(chuàng)建圓錐滾子軸承零件。 （1）打開 CAXA2005 軟件，點擊“繪圖”---“庫操作”---“提取圖符” ，出現(xiàn)提取 標(biāo)準(zhǔn)件圖符對話框如圖 3.11； （2）點選“軸承”大類，選擇“圓錐滾子”小類，點擊“下一步” ，選擇 30202 型 圓錐滾子軸承，點擊“確定” ，則 30202 型圓錐滾子軸承的二維圖被調(diào)出如圖 3.12； （3）將軸承圖上的中心線、剖面線、尺寸線全部刪除，并將二維圖平移到原點； （4）點擊“另存” ，保存成“IGES”格式，以利于 PRO/E 直接調(diào)用； （5）打開 PRO/E 軟件，點擊“插入”---“模型基準(zhǔn)”---“曲線”--- “自文件” ，選 擇坐標(biāo)系后，調(diào)入剛才創(chuàng)建的軸承曲線； （6）利用旋轉(zhuǎn)命令，創(chuàng)建軸承外圈和軸承內(nèi)圈，注意草繪截面時需使用曲線； （7）利用上述方法創(chuàng)建第一個滾子，然后陣列如圖 3.13； （8）進(jìn)行倒角操作、隱藏曲線后，完成軸承的創(chuàng)建 3.14； 從軸承零件的創(chuàng)建過程來看，由于采用了 CAXA 的標(biāo)準(zhǔn)件庫，所以節(jié)省了大量的查 表時間，同時也使建模過程變得相當(dāng)簡單，在軸承零件種類不多的情況下，這是一種非 ?？扇〉姆椒ā?圖 3.11 CAXA 提取圖符對話框 立式環(huán)縫自動焊接機虛擬設(shè)計 19 圖 3.12 調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)件圖 圖 3.13 創(chuàng)建滾子 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 3.14 圓錐滾子軸承創(chuàng)建完畢 3.4 墊片的創(chuàng)建 立式焊機的三維建模，需要用到大量的標(biāo)準(zhǔn)件，諸如軸承、螺栓、墊片、螺帽等等。 如果數(shù)量不是很多，我們可以一一創(chuàng)建，但是如果是一臺復(fù)