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马鞍形焊缝数控焊机的研究与设计（硕士学位论文），共116页。
摘要
压力容器壳体制造过程中，实现马鞍形焊缝的全自动高质量焊接一直是个难题，也一直是个研究热点，随着高质量压力容器产品生产量大，焊接质量与生产率要求不断增高，对此类复杂空间曲线焊缝自动化焊机的需求日益迫切。
本文研究和设计了一种能够集焊接各种马鞍形焊缝的数控焊机，焊机系统有五个独立轴能实现机身位姿的需求，用定位卡盘实现接管定位，由五个联动轴实现马鞍形曲线运动和焊枪姿态调整。研究设计了导电滑环和管道旋转接头结构解决焊机工作中绕线、绕管道等棘手问题，并设计了一种可携带光纤传感器的焊枪。对焊机主要结构进行了有限元优化分析和改进。
大量的资料与工程实践证明，实际焊缝轨迹与理论焊缝轨迹不重合是影响焊枪跟踪焊缝精度的主要因素之一。为了获取实际焊缝轨迹，提高焊枪跟踪焊缝精度，应用结构光检测原理研究开发出了马鞍形焊缝轨迹检测系统，并对系统的构成和硬件进行了设计和选型，依据检测原理建立了此系统检测马鞍形焊缝轨迹的数学模型。
应用红外辐射理论和光纤温度计设计了焊接质量在线检测系统，并建立了检测系统的测温数学模型。根据各种马鞍形焊缝的焊接特点，分别采用 B 样条曲线恒速插补算法和新提出的焊点参数曲线拟合法实现了焊接参数的合理匹配，提高了焊缝成形质量。
设计了基于 PC 机的马鞍形焊缝自动焊接控制系统。主要完成了控制系统的功能和整体硬件结构设计，焊接执行装置控制系统硬件、焊接质量检测系统数据采集硬件、焊接参数匹配控制系统硬件设计，实现控制系统主要功能的流程设计。
关键词：数控焊机；马鞍形焊缝；轨迹与质量检测；参数匹配；数控系统

目 录
摘 要I
ABSTRACT II
第 1 章 绪 论1
11 管壳式换热器概述 1
12 管壳式换热器接管焊接 2
121 接管焊接要求 2
122 马鞍形焊缝焊接工艺 4
13 马鞍形焊缝数控焊机的发展概况 7
14 课题研究意义及主要内容 9
141 课题研究意义 9
142 课题主要内容 9
第 2 章 马鞍形焊缝数控焊机结构设计 11
21 马鞍形焊缝数控焊机设计依据 11
211 马鞍形焊缝数控焊机的功能要求 11
212 马鞍形焊缝数控焊机的主要技术指标 11
22 马鞍形焊缝数控焊机总体方案设计 12
221 马鞍形焊缝数控焊机运动原理 12
222 马鞍形焊缝数控焊机系统构成 14
23 主要部件设计 15
231 调整焊机位姿的各部件结构设计 15
232 焊接执行装置设计 27
233 滚轮架结构设计 35
234 筒体摆正装置结构设计 36
235 防止绕线、绕管道的结构 37
236 焊枪结构设计 40
24 本章小结 42
第 3 章 马鞍形焊缝轨迹及焊接质量检测系统设计43
31 焊枪与焊缝相对位置误差分析 43
32 焊缝检测系统设计 44
321 焊缝轨迹检测系统的基本要求 44
322 结构光检测原理及焊缝轨迹检测系统 45
323 检测系统硬件选择 46
33 焊缝检测模型的建立 48
331 光学三角法基本原理及方法选取 48
332 马鞍形焊缝检测数学模型的建立 48
34 焊接质量检测系统工作原理 53
341 系统设计方案 53
342 红外测温技术 53
35 焊接质量检测系统设计 54
351 检测系统测温数学模型 54
352 光纤温度计设计 55
353 焊接质量检测系统 56
36 焊接操作视觉监控系统 57
361 焊接操作视觉监控系统工作原理 57
362 焊接操作视觉监控系统硬件选型及功能实现 58
37 本章小结 59
第 4 章 焊接参数的合理匹配60
41 焊接参数对焊缝成形的影响 60
42 B 样条曲线表达形式及插补原理 61
43 正交马鞍形焊缝焊接参数匹配方法 61
431 正交马鞍形焊缝的焊接特点及焊接参数匹配理念 61
432 B 样条曲线的恒速进给插补算法 62
433 正交马鞍形焊缝曲线的插补算法 62
44 斜交和偏心相交马鞍形焊缝焊接参数匹配方法 65
441 斜交和偏心相交马鞍形焊缝焊接特点 65
442 斜交和偏心相交马鞍形焊缝焊接参数匹配方案 65
443 马鞍形焊缝的空间分段方法 65
444 斜交和偏心相交马鞍形焊缝焊接参数匹配算法 67
45 本章小结 70
第 5 章 马鞍形焊缝数控焊机结构有限元分析71
51 焊机支架静力分析 71
511 焊机支架有限元模型建立 71
512 计算结果与分析 72
52 焊机支架动态优化设计 73
521 焊机支架动态优化目的 73
522 焊机支架模态分析 73
523 焊机支架谐响应分析 75
524 焊机支架动态优化的数学模型及结果分析 76
53 焊机机身的有限元分析 79
531 机身有限元模型建立 79
532 机身静力分析 79 V
533 机身模态分析 80
54 本章小结 82
第 6 章 马鞍形焊缝数控焊机控制系统设计83
61 焊机控制系统总体设计 83
611 基于 PC 机数控系统形式的选择 83
612 焊机控制系统的主要功能 83
613 焊机控制系统整体设计 84
62 焊机控制系统硬件选择与设计 86
621 硬件总体结构设计 86
622 焊接执行装置控制系统硬件 88
623 焊接质量检测系统的数据采集硬件 89
624 焊接参数匹配的控制系统硬件 90
63 马鞍形焊缝数控焊机控制系统软件设计 92
631 软件编程思想 92
632 软件程序设计 93
64 本章小结 99
结 论100
参考文献101
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果104
致 谢105
作者简介106