利用先进设计技术进行整机改造设计研究
宋国岩 方淑娟
摘要现代机械设计中除使用传统的设计方法外，更多的是使用现代的设计方法如CAD、CAPP、有限元、虚拟设计等一些现代的设计方法，不仅能满足现代机械设计的需求，更弥补了传统设计方法人工设计计算量大甚至无法计算的缺陷，本次对FN1-75型直缝焊接机进行改进设计中遇到两个难题，一个是复杂受力涉及到高次方程计算，另一个是制造样机困难。利用Matlab软件完成了高次方程计算、在PLC、专业仿真实验室等实验室中进行模拟设计和整机自动控制，完成了样机模拟制造，节约了样机制造费用，缩短了设计时间。
关键词设计软件CADPLC控制
Study on Rectification machine design using advanced design technology
Song Guoyan，Fang Shujuan
（Institute of engineering and technology， Hulunbeir College，Hailar Inner Mongolia， 021008）
Abstract： In addition to using the traditional design methods in modern mechanical design， more are using modern design method， such as CAD、CAPP、finite element， virtual design， which can not only meet the demand of modern mechanical design， but also make up for the defect of large amount of calculation or even can not calculate with manual design in traditional design method. Point at two problems encountered in improved design of FN1-75 straight seam welding machine， One is the complex stress involves high-order equation calculation， the other is difficulties of prototype built. Complete high-order equation calculation using Matlab ， Made Simulation design and the whole machine automatic control in PLC、professional simulation laboratory and other laboratories. Finished the prototype manufacturing simulation， saves the prototype manufacturing costs， shorten the design time.
Key words： Design software； CAD；PLC； Control
基金项目：2011年内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目，批准号：NJZY11231
作者简介：宋国岩，（1964-），男，满族，教授，主要从事机械自动化专业理论实践教学工作。
0引言
笔者的科研课题《数控铝带绕片机异种金属焊接机构研究》对FN1-75型直缝焊接机进行改进设计，因此机性能的要求，对各种焊接参数如焊接压力、电源参数、进给速度、变参数焊接须实现准确控制，所以应实现整机自动控制。为此研究改造了FN1-75型直缝焊机，在原机上增加了PLC、高功率变频器、硅整流电路、进给伺服电机、自动夹具、检测传感器，实现整机自动控制。在设计中遇到了两个难题，一是由于经费有限根本没有制造样机的能力，使研究陷入了无法进行的境地，为节约这笔费用在本院的专业仿真、PLC、电机、电器创新等实验室进行了模拟制造和自动控制模拟实验，对所有的控制系统进行控制演示，完成了自动控制和设备选型工作；第二个难题是高次方程的求解，对焊接滚轮设计时遇到了高次方程求解的问题，最终在专业仿真实验室利用设计软件，完成了复杂理论计算。
1整机设计方案的确定
1.1整体设计应具有现代设计的理念
现代设计既要使用现代的设计手段，又要继承传统的设计方法，这样才能完成较高标准的设计。本次设计是为完成在各种焊接参数改变的条件下进行焊接机的设计，需实现整机的自动控制，而目前最为理想的自动控制技术就是PLC自动编程器进行的控制，并在此基础上实现液、电联合控制，是使用最多也最成功的控制方式，本机也采用此种控制方法。设计手段主要采用计算机辅助设计，实验室PLC自动编程液、电联合模拟控制，对机械和液压部分采用传统的理论设计计算。
1.2焊接试验机组成及工作原理
焊接试验机由控制部分PLC、电器电路、驱动伺服电机、液压压力系统、焊接机构的滚轮电极及修整电极的修整刀、变频和直流电源、传感器和测速电机组成的反馈系统、自动进给机构、冷却系统、机架组成。
焊接金属材料的厚度在0.1～2.5 mm。其工作原理：向PLC自动编程器输入各种焊接参数，对焊接压力、电压、电流、频率、进给速度、电源种类进行选择后，将焊接工件装夹在进给机构并置于焊接滚轮之间，在PLC的整体控制下，控制液压机构对焊接工件进行加压、通电，同时进给机构自动夹紧进给，反馈系统将各种参数反馈给PLC进行自动控制，直到焊接完毕，传感器将信息反馈自动停机。
1.3整机控制原理
PLC为基础实现自动控制，控制电控电路系统和伺服电路系统，电源为变频电源和次级硅整直流电源，两种电源在PLC控制下改变电压、电流、频率，调速传动机构对滚轮切削时使用。冷却系统自动冷却。伺服电机驱动自动夹具夹紧机构，实现精确进给。压力检测传感器反馈液压缸产生焊接压力，在PLC的控制下实现准确控制焊接压力和空行程被压。控制原理见框图1所示。
图1焊接试验机控制系统框图
2计算机辅助设计软件对高次方程运算
焊接的滚轮通电且承受压力和所有运动部件的动能，受力原理如图2。
图2滚轮结构
可得能量平衡式：12mv2+FyX=12KX2
劲度系数胡克定律：K=EAL=EBtL
压深：X=R-R2-t2
压力在接触到压入最深的过程中接触宽度X由0到最大，整理可得：Fy（R-R2-t2）+12mv2=2∫t012×BE（R-R2-t2）2Ldt
上式中：E焊材弹性模量；R滚轮半径；L焊材厚度； X压缩量；B滚轮宽；v液压缸运动速度 ；Fy焊接压力 。
上方程运算极其复杂，课题组成员经过一个月的紧张运算也没完成运算，无奈之下请了数学系的教授帮忙，也未能得出结果。最后想到了计算机软件，用Matlab设计软件仅半天的时间就完成了手工计算很难完成的运算。
3 PLC和电器创新实验室中模拟实验确定电控设计
3.1 PLC系统模拟与CPU的选择
以PLC是自动机械的“大脑”，必须对所有被控对象进行控制，仅仅进行理论设计，从设计角度了解各部件运动顺序、动作条件、保护、连锁以及工作方式并不完全，必须对所有设计进行实践检验，尤其在实际试验中找到设计方案更可以事半功倍，模拟实际工作情况才能发现不足，提高设计效率。因此在实验室中进行了试验，选择不同型号的PLC和CPU对进给伺服电机不同的进给速度、电源改变电压和电流、液压系统快进、工进、焊接加压、焊接电源焊接、进给机构进给、焊接结束、液压系统返回等所有过程进行控制。最终选择了S7-200系列的PLC自动编程器，CPU选择了CPU226XP。对I/O接口、文本显示器、导线、感抗处理等设备进行了实验，因控制点较少采用14入/10输出可以满足控制要求，显示器采用TD200-C文本显示器。也对按钮开关、指示灯、报警器等用编程软件进行显示和控制实验。导线采用0.5～1.5 mm2成对使用效果较好，隔离电路、感抗处理设置与否影响不大，所以不必设置。这样在完成所有控制任务的前提下价格较低。
3.2变频器外围设备的实验确定
在电器创新实验室，对变频器启动方式进行了实验，因为焊接时是否有感抗和容抗暂时无法查到理论依据，所以变频器的启动应考虑启动方式，实验证明，不用任何启动方式即可完成工作，确定了无需考虑变频器的启动方式，简化了设计。并在实验中对附属设备如电源侧断路器（QF）、噪声滤波器（FIL）、交流电抗器、电磁接触器等进行了试验，验证理论设计的正确性。
4传统方法设计机械机构
图3自动夹具原理图
伺服电机为驱动的自动夹紧机构、液压控制回路及液压缸的设计，充分使用了传统的设计方法，自动夹具使用调间隙滚珠丝杠消除进给误差，螺母铰接连杆，既起到牵引作用同时又完成压力夹紧，在伺服电机牵引力的拉动下，螺母运动，拉动连杆，浮动压头将工件压紧，完成运动。电机停止后，在弹簧的压力带动下，夹紧机构自动松开。工作原理见图3自动夹具原理图。而液压缸和液压控制回路都是经典的设计。所以，除采用计
算机绘图软件外，所有受力、设计和校核均采用理论计算。因为夹具、液压回路和液压缸设计是非常经典的设计方式，不仅快捷而且准确，理论设计优于现代设计手段，所以采用传统的设计方法。
5设计经验总结
总结本次设计可以得到以下经验：其一，现代的设计必须有先进的理念，能够采用先进的设计技术，充分利用计算机辅助设计软件进行设计可以起到事半功倍的效果。其二，利用实验设备进行试验，对可以试验的部分进行验证，完成理论设计论证困难的问题的设计，模拟实际情况进行模拟设计、实践设计更具有时效性。其三，传统上经典的设计方法必须继承，只有继承才是创新的基础。其四，现代设计需要团队作战，现在的设计应用知识极为广泛，仅机械设计就需要机械、电气、电子、计算机、实验等多方面知识，任何人不可能掌握这么多种专业知识，只有协作才能在很短的时间内完成任务。
参考文献：
[1]中国机械工程学会机械设计分会编 .现代机械设计方法[M].机械工业出版社，2011.
[2]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[K].北京：机械工业出版社，2010.
[3]盛晓敏，邓朝辉编.先进制造技术[M].机械工业出版社，2008.
[4]中国农业机械化科学研究院编.实用机械设计手册[K].中国农业机械出版社出版，1986.
[5]张选正.变频器及软启动器的应用计算[M].化学工业出版社，2012.
[6]满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2011.
[7]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
1.3整机控制原理
PLC为基础实现自动控制，控制电控电路系统和伺服电路系统，电源为变频电源和次级硅整直流电源，两种电源在PLC控制下改变电压、电流、频率，调速传动机构对滚轮切削时使用。冷却系统自动冷却。伺服电机驱动自动夹具夹紧机构，实现精确进给。压力检测传感器反馈液压缸产生焊接压力，在PLC的控制下实现准确控制焊接压力和空行程被压。控制原理见框图1所示。
图1焊接试验机控制系统框图
2计算机辅助设计软件对高次方程运算
焊接的滚轮通电且承受压力和所有运动部件的动能，受力原理如图2。
图2滚轮结构
可得能量平衡式：12mv2+FyX=12KX2
劲度系数胡克定律：K=EAL=EBtL
压深：X=R-R2-t2
压力在接触到压入最深的过程中接触宽度X由0到最大，整理可得：Fy（R-R2-t2）+12mv2=2∫t012×BE（R-R2-t2）2Ldt
上式中：E焊材弹性模量；R滚轮半径；L焊材厚度； X压缩量；B滚轮宽；v液压缸运动速度 ；Fy焊接压力 。
上方程运算极其复杂，课题组成员经过一个月的紧张运算也没完成运算，无奈之下请了数学系的教授帮忙，也未能得出结果。最后想到了计算机软件，用Matlab设计软件仅半天的时间就完成了手工计算很难完成的运算。
3 PLC和电器创新实验室中模拟实验确定电控设计
3.1 PLC系统模拟与CPU的选择
以PLC是自动机械的“大脑”，必须对所有被控对象进行控制，仅仅进行理论设计，从设计角度了解各部件运动顺序、动作条件、保护、连锁以及工作方式并不完全，必须对所有设计进行实践检验，尤其在实际试验中找到设计方案更可以事半功倍，模拟实际工作情况才能发现不足，提高设计效率。因此在实验室中进行了试验，选择不同型号的PLC和CPU对进给伺服电机不同的进给速度、电源改变电压和电流、液压系统快进、工进、焊接加压、焊接电源焊接、进给机构进给、焊接结束、液压系统返回等所有过程进行控制。最终选择了S7-200系列的PLC自动编程器，CPU选择了CPU226XP。对I/O接口、文本显示器、导线、感抗处理等设备进行了实验，因控制点较少采用14入/10输出可以满足控制要求，显示器采用TD200-C文本显示器。也对按钮开关、指示灯、报警器等用编程软件进行显示和控制实验。导线采用0.5～1.5 mm2成对使用效果较好，隔离电路、感抗处理设置与否影响不大，所以不必设置。这样在完成所有控制任务的前提下价格较低。
3.2变频器外围设备的实验确定
在电器创新实验室，对变频器启动方式进行了实验，因为焊接时是否有感抗和容抗暂时无法查到理论依据，所以变频器的启动应考虑启动方式，实验证明，不用任何启动方式即可完成工作，确定了无需考虑变频器的启动方式，简化了设计。并在实验中对附属设备如电源侧断路器（QF）、噪声滤波器（FIL）、交流电抗器、电磁接触器等进行了试验，验证理论设计的正确性。
4传统方法设计机械机构
图3自动夹具原理图
伺服电机为驱动的自动夹紧机构、液压控制回路及液压缸的设计，充分使用了传统的设计方法，自动夹具使用调间隙滚珠丝杠消除进给误差，螺母铰接连杆，既起到牵引作用同时又完成压力夹紧，在伺服电机牵引力的拉动下，螺母运动，拉动连杆，浮动压头将工件压紧，完成运动。电机停止后，在弹簧的压力带动下，夹紧机构自动松开。工作原理见图3自动夹具原理图。而液压缸和液压控制回路都是经典的设计。所以，除采用计
算机绘图软件外，所有受力、设计和校核均采用理论计算。因为夹具、液压回路和液压缸设计是非常经典的设计方式，不仅快捷而且准确，理论设计优于现代设计手段，所以采用传统的设计方法。
5设计经验总结
总结本次设计可以得到以下经验：其一，现代的设计必须有先进的理念，能够采用先进的设计技术，充分利用计算机辅助设计软件进行设计可以起到事半功倍的效果。其二，利用实验设备进行试验，对可以试验的部分进行验证，完成理论设计论证困难的问题的设计，模拟实际情况进行模拟设计、实践设计更具有时效性。其三，传统上经典的设计方法必须继承，只有继承才是创新的基础。其四，现代设计需要团队作战，现在的设计应用知识极为广泛，仅机械设计就需要机械、电气、电子、计算机、实验等多方面知识，任何人不可能掌握这么多种专业知识，只有协作才能在很短的时间内完成任务。
参考文献：
[1]中国机械工程学会机械设计分会编 .现代机械设计方法[M].机械工业出版社，2011.
[2]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[K].北京：机械工业出版社，2010.
[3]盛晓敏，邓朝辉编.先进制造技术[M].机械工业出版社，2008.
[4]中国农业机械化科学研究院编.实用机械设计手册[K].中国农业机械出版社出版，1986.
[5]张选正.变频器及软启动器的应用计算[M].化学工业出版社，2012.
[6]满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2011.
[7]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
1.3整机控制原理
PLC为基础实现自动控制，控制电控电路系统和伺服电路系统，电源为变频电源和次级硅整直流电源，两种电源在PLC控制下改变电压、电流、频率，调速传动机构对滚轮切削时使用。冷却系统自动冷却。伺服电机驱动自动夹具夹紧机构，实现精确进给。压力检测传感器反馈液压缸产生焊接压力，在PLC的控制下实现准确控制焊接压力和空行程被压。控制原理见框图1所示。
图1焊接试验机控制系统框图
2计算机辅助设计软件对高次方程运算
焊接的滚轮通电且承受压力和所有运动部件的动能，受力原理如图2。
图2滚轮结构
可得能量平衡式：12mv2+FyX=12KX2
劲度系数胡克定律：K=EAL=EBtL
压深：X=R-R2-t2
压力在接触到压入最深的过程中接触宽度X由0到最大，整理可得：Fy（R-R2-t2）+12mv2=2∫t012×BE（R-R2-t2）2Ldt
上式中：E焊材弹性模量；R滚轮半径；L焊材厚度； X压缩量；B滚轮宽；v液压缸运动速度 ；Fy焊接压力 。
上方程运算极其复杂，课题组成员经过一个月的紧张运算也没完成运算，无奈之下请了数学系的教授帮忙，也未能得出结果。最后想到了计算机软件，用Matlab设计软件仅半天的时间就完成了手工计算很难完成的运算。
3 PLC和电器创新实验室中模拟实验确定电控设计
3.1 PLC系统模拟与CPU的选择
以PLC是自动机械的“大脑”，必须对所有被控对象进行控制，仅仅进行理论设计，从设计角度了解各部件运动顺序、动作条件、保护、连锁以及工作方式并不完全，必须对所有设计进行实践检验，尤其在实际试验中找到设计方案更可以事半功倍，模拟实际工作情况才能发现不足，提高设计效率。因此在实验室中进行了试验，选择不同型号的PLC和CPU对进给伺服电机不同的进给速度、电源改变电压和电流、液压系统快进、工进、焊接加压、焊接电源焊接、进给机构进给、焊接结束、液压系统返回等所有过程进行控制。最终选择了S7-200系列的PLC自动编程器，CPU选择了CPU226XP。对I/O接口、文本显示器、导线、感抗处理等设备进行了实验，因控制点较少采用14入/10输出可以满足控制要求，显示器采用TD200-C文本显示器。也对按钮开关、指示灯、报警器等用编程软件进行显示和控制实验。导线采用0.5～1.5 mm2成对使用效果较好，隔离电路、感抗处理设置与否影响不大，所以不必设置。这样在完成所有控制任务的前提下价格较低。
3.2变频器外围设备的实验确定
在电器创新实验室，对变频器启动方式进行了实验，因为焊接时是否有感抗和容抗暂时无法查到理论依据，所以变频器的启动应考虑启动方式，实验证明，不用任何启动方式即可完成工作，确定了无需考虑变频器的启动方式，简化了设计。并在实验中对附属设备如电源侧断路器（QF）、噪声滤波器（FIL）、交流电抗器、电磁接触器等进行了试验，验证理论设计的正确性。
4传统方法设计机械机构
图3自动夹具原理图
伺服电机为驱动的自动夹紧机构、液压控制回路及液压缸的设计，充分使用了传统的设计方法，自动夹具使用调间隙滚珠丝杠消除进给误差，螺母铰接连杆，既起到牵引作用同时又完成压力夹紧，在伺服电机牵引力的拉动下，螺母运动，拉动连杆，浮动压头将工件压紧，完成运动。电机停止后，在弹簧的压力带动下，夹紧机构自动松开。工作原理见图3自动夹具原理图。而液压缸和液压控制回路都是经典的设计。所以，除采用计
算机绘图软件外，所有受力、设计和校核均采用理论计算。因为夹具、液压回路和液压缸设计是非常经典的设计方式，不仅快捷而且准确，理论设计优于现代设计手段，所以采用传统的设计方法。
5设计经验总结
总结本次设计可以得到以下经验：其一，现代的设计必须有先进的理念，能够采用先进的设计技术，充分利用计算机辅助设计软件进行设计可以起到事半功倍的效果。其二，利用实验设备进行试验，对可以试验的部分进行验证，完成理论设计论证困难的问题的设计，模拟实际情况进行模拟设计、实践设计更具有时效性。其三，传统上经典的设计方法必须继承，只有继承才是创新的基础。其四，现代设计需要团队作战，现在的设计应用知识极为广泛，仅机械设计就需要机械、电气、电子、计算机、实验等多方面知识，任何人不可能掌握这么多种专业知识，只有协作才能在很短的时间内完成任务。
参考文献：
[1]中国机械工程学会机械设计分会编 .现代机械设计方法[M].机械工业出版社，2011.
[2]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[K].北京：机械工业出版社，2010.
[3]盛晓敏，邓朝辉编.先进制造技术[M].机械工业出版社，2008.
[4]中国农业机械化科学研究院编.实用机械设计手册[K].中国农业机械出版社出版，1986.
[5]张选正.变频器及软启动器的应用计算[M].化学工业出版社，2012.
[6]满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2011.
[7]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
摘要现代机械设计中除使用传统的设计方法外，更多的是使用现代的设计方法如CAD、CAPP、有限元、虚拟设计等一些现代的设计方法，不仅能满足现代机械设计的需求，更弥补了传统设计方法人工设计计算量大甚至无法计算的缺陷，本次对FN1-75型直缝焊接机进行改进设计中遇到两个难题，一个是复杂受力涉及到高次方程计算，另一个是制造样机困难。利用Matlab软件完成了高次方程计算、在PLC、专业仿真实验室等实验室中进行模拟设计和整机自动控制，完成了样机模拟制造，节约了样机制造费用，缩短了设计时间。
关键词设计软件CADPLC控制
Study on Rectification machine design using advanced design technology
Song Guoyan，Fang Shujuan
（Institute of engineering and technology， Hulunbeir College，Hailar Inner Mongolia， 021008）
Abstract： In addition to using the traditional design methods in modern mechanical design， more are using modern design method， such as CAD、CAPP、finite element， virtual design， which can not only meet the demand of modern mechanical design， but also make up for the defect of large amount of calculation or even can not calculate with manual design in traditional design method. Point at two problems encountered in improved design of FN1-75 straight seam welding machine， One is the complex stress involves high-order equation calculation， the other is difficulties of prototype built. Complete high-order equation calculation using Matlab ， Made Simulation design and the whole machine automatic control in PLC、professional simulation laboratory and other laboratories. Finished the prototype manufacturing simulation， saves the prototype manufacturing costs， shorten the design time.
Key words： Design software； CAD；PLC； Control
基金项目：2011年内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目，批准号：NJZY11231
作者简介：宋国岩，（1964-），男，满族，教授，主要从事机械自动化专业理论实践教学工作。
0引言
笔者的科研课题《数控铝带绕片机异种金属焊接机构研究》对FN1-75型直缝焊接机进行改进设计，因此机性能的要求，对各种焊接参数如焊接压力、电源参数、进给速度、变参数焊接须实现准确控制，所以应实现整机自动控制。为此研究改造了FN1-75型直缝焊机，在原机上增加了PLC、高功率变频器、硅整流电路、进给伺服电机、自动夹具、检测传感器，实现整机自动控制。在设计中遇到了两个难题，一是由于经费有限根本没有制造样机的能力，使研究陷入了无法进行的境地，为节约这笔费用在本院的专业仿真、PLC、电机、电器创新等实验室进行了模拟制造和自动控制模拟实验，对所有的控制系统进行控制演示，完成了自动控制和设备选型工作；第二个难题是高次方程的求解，对焊接滚轮设计时遇到了高次方程求解的问题，最终在专业仿真实验室利用设计软件，完成了复杂理论计算。
1整机设计方案的确定
1.1整体设计应具有现代设计的理念
现代设计既要使用现代的设计手段，又要继承传统的设计方法，这样才能完成较高标准的设计。本次设计是为完成在各种焊接参数改变的条件下进行焊接机的设计，需实现整机的自动控制，而目前最为理想的自动控制技术就是PLC自动编程器进行的控制，并在此基础上实现液、电联合控制，是使用最多也最成功的控制方式，本机也采用此种控制方法。设计手段主要采用计算机辅助设计，实验室PLC自动编程液、电联合模拟控制，对机械和液压部分采用传统的理论设计计算。
1.2焊接试验机组成及工作原理
焊接试验机由控制部分PLC、电器电路、驱动伺服电机、液压压力系统、焊接机构的滚轮电极及修整电极的修整刀、变频和直流电源、传感器和测速电机组成的反馈系统、自动进给机构、冷却系统、机架组成。
焊接金属材料的厚度在0.1～2.5 mm。其工作原理：向PLC自动编程器输入各种焊接参数，对焊接压力、电压、电流、频率、进给速度、电源种类进行选择后，将焊接工件装夹在进给机构并置于焊接滚轮之间，在PLC的整体控制下，控制液压机构对焊接工件进行加压、通电，同时进给机构自动夹紧进给，反馈系统将各种参数反馈给PLC进行自动控制，直到焊接完毕，传感器将信息反馈自动停机。
1.3整机控制原理
PLC为基础实现自动控制，控制电控电路系统和伺服电路系统，电源为变频电源和次级硅整直流电源，两种电源在PLC控制下改变电压、电流、频率，调速传动机构对滚轮切削时使用。冷却系统自动冷却。伺服电机驱动自动夹具夹紧机构，实现精确进给。压力检测传感器反馈液压缸产生焊接压力，在PLC的控制下实现准确控制焊接压力和空行程被压。控制原理见框图1所示。
图1焊接试验机控制系统框图
2计算机辅助设计软件对高次方程运算
焊接的滚轮通电且承受压力和所有运动部件的动能，受力原理如图2。
图2滚轮结构
可得能量平衡式：12mv2+FyX=12KX2
劲度系数胡克定律：K=EAL=EBtL
压深：X=R-R2-t2
压力在接触到压入最深的过程中接触宽度X由0到最大，整理可得：Fy（R-R2-t2）+12mv2=2∫t012×BE（R-R2-t2）2Ldt
上式中：E焊材弹性模量；R滚轮半径；L焊材厚度； X压缩量；B滚轮宽；v液压缸运动速度 ；Fy焊接压力 。
上方程运算极其复杂，课题组成员经过一个月的紧张运算也没完成运算，无奈之下请了数学系的教授帮忙，也未能得出结果。最后想到了计算机软件，用Matlab设计软件仅半天的时间就完成了手工计算很难完成的运算。
3 PLC和电器创新实验室中模拟实验确定电控设计
3.1 PLC系统模拟与CPU的选择
以PLC是自动机械的“大脑”，必须对所有被控对象进行控制，仅仅进行理论设计，从设计角度了解各部件运动顺序、动作条件、保护、连锁以及工作方式并不完全，必须对所有设计进行实践检验，尤其在实际试验中找到设计方案更可以事半功倍，模拟实际工作情况才能发现不足，提高设计效率。因此在实验室中进行了试验，选择不同型号的PLC和CPU对进给伺服电机不同的进给速度、电源改变电压和电流、液压系统快进、工进、焊接加压、焊接电源焊接、进给机构进给、焊接结束、液压系统返回等所有过程进行控制。最终选择了S7-200系列的PLC自动编程器，CPU选择了CPU226XP。对I/O接口、文本显示器、导线、感抗处理等设备进行了实验，因控制点较少采用14入/10输出可以满足控制要求，显示器采用TD200-C文本显示器。也对按钮开关、指示灯、报警器等用编程软件进行显示和控制实验。导线采用0.5～1.5 mm2成对使用效果较好，隔离电路、感抗处理设置与否影响不大，所以不必设置。这样在完成所有控制任务的前提下价格较低。
3.2变频器外围设备的实验确定
在电器创新实验室，对变频器启动方式进行了实验，因为焊接时是否有感抗和容抗暂时无法查到理论依据，所以变频器的启动应考虑启动方式，实验证明，不用任何启动方式即可完成工作，确定了无需考虑变频器的启动方式，简化了设计。并在实验中对附属设备如电源侧断路器（QF）、噪声滤波器（FIL）、交流电抗器、电磁接触器等进行了试验，验证理论设计的正确性。
4传统方法设计机械机构
图3自动夹具原理图
伺服电机为驱动的自动夹紧机构、液压控制回路及液压缸的设计，充分使用了传统的设计方法，自动夹具使用调间隙滚珠丝杠消除进给误差，螺母铰接连杆，既起到牵引作用同时又完成压力夹紧，在伺服电机牵引力的拉动下，螺母运动，拉动连杆，浮动压头将工件压紧，完成运动。电机停止后，在弹簧的压力带动下，夹紧机构自动松开。工作原理见图3自动夹具原理图。而液压缸和液压控制回路都是经典的设计。所以，除采用计
算机绘图软件外，所有受力、设计和校核均采用理论计算。因为夹具、液压回路和液压缸设计是非常经典的设计方式，不仅快捷而且准确，理论设计优于现代设计手段，所以采用传统的设计方法。
5设计经验总结
总结本次设计可以得到以下经验：其一，现代的设计必须有先进的理念，能够采用先进的设计技术，充分利用计算机辅助设计软件进行设计可以起到事半功倍的效果。其二，利用实验设备进行试验，对可以试验的部分进行验证，完成理论设计论证困难的问题的设计，模拟实际情况进行模拟设计、实践设计更具有时效性。其三，传统上经典的设计方法必须继承，只有继承才是创新的基础。其四，现代设计需要团队作战，现在的设计应用知识极为广泛，仅机械设计就需要机械、电气、电子、计算机、实验等多方面知识，任何人不可能掌握这么多种专业知识，只有协作才能在很短的时间内完成任务。
参考文献：
[1]中国机械工程学会机械设计分会编 .现代机械设计方法[M].机械工业出版社，2011.
[2]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[K].北京：机械工业出版社，2010.
[3]盛晓敏，邓朝辉编.先进制造技术[M].机械工业出版社，2008.
[4]中国农业机械化科学研究院编.实用机械设计手册[K].中国农业机械出版社出版，1986.
[5]张选正.变频器及软启动器的应用计算[M].化学工业出版社，2012.
[6]满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2011.
[7]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
1.3整机控制原理
PLC为基础实现自动控制，控制电控电路系统和伺服电路系统，电源为变频电源和次级硅整直流电源，两种电源在PLC控制下改变电压、电流、频率，调速传动机构对滚轮切削时使用。冷却系统自动冷却。伺服电机驱动自动夹具夹紧机构，实现精确进给。压力检测传感器反馈液压缸产生焊接压力，在PLC的控制下实现准确控制焊接压力和空行程被压。控制原理见框图1所示。
图1焊接试验机控制系统框图
2计算机辅助设计软件对高次方程运算
焊接的滚轮通电且承受压力和所有运动部件的动能，受力原理如图2。
图2滚轮结构
可得能量平衡式：12mv2+FyX=12KX2
劲度系数胡克定律：K=EAL=EBtL
压深：X=R-R2-t2
压力在接触到压入最深的过程中接触宽度X由0到最大，整理可得：Fy（R-R2-t2）+12mv2=2∫t012×BE（R-R2-t2）2Ldt
上式中：E焊材弹性模量；R滚轮半径；L焊材厚度； X压缩量；B滚轮宽；v液压缸运动速度 ；Fy焊接压力 。
上方程运算极其复杂，课题组成员经过一个月的紧张运算也没完成运算，无奈之下请了数学系的教授帮忙，也未能得出结果。最后想到了计算机软件，用Matlab设计软件仅半天的时间就完成了手工计算很难完成的运算。
3 PLC和电器创新实验室中模拟实验确定电控设计
3.1 PLC系统模拟与CPU的选择
以PLC是自动机械的“大脑”，必须对所有被控对象进行控制，仅仅进行理论设计，从设计角度了解各部件运动顺序、动作条件、保护、连锁以及工作方式并不完全，必须对所有设计进行实践检验，尤其在实际试验中找到设计方案更可以事半功倍，模拟实际工作情况才能发现不足，提高设计效率。因此在实验室中进行了试验，选择不同型号的PLC和CPU对进给伺服电机不同的进给速度、电源改变电压和电流、液压系统快进、工进、焊接加压、焊接电源焊接、进给机构进给、焊接结束、液压系统返回等所有过程进行控制。最终选择了S7-200系列的PLC自动编程器，CPU选择了CPU226XP。对I/O接口、文本显示器、导线、感抗处理等设备进行了实验，因控制点较少采用14入/10输出可以满足控制要求，显示器采用TD200-C文本显示器。也对按钮开关、指示灯、报警器等用编程软件进行显示和控制实验。导线采用0.5～1.5 mm2成对使用效果较好，隔离电路、感抗处理设置与否影响不大，所以不必设置。这样在完成所有控制任务的前提下价格较低。
3.2变频器外围设备的实验确定
在电器创新实验室，对变频器启动方式进行了实验，因为焊接时是否有感抗和容抗暂时无法查到理论依据，所以变频器的启动应考虑启动方式，实验证明，不用任何启动方式即可完成工作，确定了无需考虑变频器的启动方式，简化了设计。并在实验中对附属设备如电源侧断路器（QF）、噪声滤波器（FIL）、交流电抗器、电磁接触器等进行了试验，验证理论设计的正确性。
4传统方法设计机械机构
图3自动夹具原理图
伺服电机为驱动的自动夹紧机构、液压控制回路及液压缸的设计，充分使用了传统的设计方法，自动夹具使用调间隙滚珠丝杠消除进给误差，螺母铰接连杆，既起到牵引作用同时又完成压力夹紧，在伺服电机牵引力的拉动下，螺母运动，拉动连杆，浮动压头将工件压紧，完成运动。电机停止后，在弹簧的压力带动下，夹紧机构自动松开。工作原理见图3自动夹具原理图。而液压缸和液压控制回路都是经典的设计。所以，除采用计
算机绘图软件外，所有受力、设计和校核均采用理论计算。因为夹具、液压回路和液压缸设计是非常经典的设计方式，不仅快捷而且准确，理论设计优于现代设计手段，所以采用传统的设计方法。
5设计经验总结
总结本次设计可以得到以下经验：其一，现代的设计必须有先进的理念，能够采用先进的设计技术，充分利用计算机辅助设计软件进行设计可以起到事半功倍的效果。其二，利用实验设备进行试验，对可以试验的部分进行验证，完成理论设计论证困难的问题的设计，模拟实际情况进行模拟设计、实践设计更具有时效性。其三，传统上经典的设计方法必须继承，只有继承才是创新的基础。其四，现代设计需要团队作战，现在的设计应用知识极为广泛，仅机械设计就需要机械、电气、电子、计算机、实验等多方面知识，任何人不可能掌握这么多种专业知识，只有协作才能在很短的时间内完成任务。
参考文献：
[1]中国机械工程学会机械设计分会编 .现代机械设计方法[M].机械工业出版社，2011.
[2]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[K].北京：机械工业出版社，2010.
[3]盛晓敏，邓朝辉编.先进制造技术[M].机械工业出版社，2008.
[4]中国农业机械化科学研究院编.实用机械设计手册[K].中国农业机械出版社出版，1986.
[5]张选正.变频器及软启动器的应用计算[M].化学工业出版社，2012.
[6]满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2011.
[7]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
1.3整机控制原理
PLC为基础实现自动控制，控制电控电路系统和伺服电路系统，电源为变频电源和次级硅整直流电源，两种电源在PLC控制下改变电压、电流、频率，调速传动机构对滚轮切削时使用。冷却系统自动冷却。伺服电机驱动自动夹具夹紧机构，实现精确进给。压力检测传感器反馈液压缸产生焊接压力，在PLC的控制下实现准确控制焊接压力和空行程被压。控制原理见框图1所示。
图1焊接试验机控制系统框图
2计算机辅助设计软件对高次方程运算
焊接的滚轮通电且承受压力和所有运动部件的动能，受力原理如图2。
图2滚轮结构
可得能量平衡式：12mv2+FyX=12KX2
劲度系数胡克定律：K=EAL=EBtL
压深：X=R-R2-t2
压力在接触到压入最深的过程中接触宽度X由0到最大，整理可得：Fy（R-R2-t2）+12mv2=2∫t012×BE（R-R2-t2）2Ldt
上式中：E焊材弹性模量；R滚轮半径；L焊材厚度； X压缩量；B滚轮宽；v液压缸运动速度 ；Fy焊接压力 。
上方程运算极其复杂，课题组成员经过一个月的紧张运算也没完成运算，无奈之下请了数学系的教授帮忙，也未能得出结果。最后想到了计算机软件，用Matlab设计软件仅半天的时间就完成了手工计算很难完成的运算。
3 PLC和电器创新实验室中模拟实验确定电控设计
3.1 PLC系统模拟与CPU的选择
以PLC是自动机械的“大脑”，必须对所有被控对象进行控制，仅仅进行理论设计，从设计角度了解各部件运动顺序、动作条件、保护、连锁以及工作方式并不完全，必须对所有设计进行实践检验，尤其在实际试验中找到设计方案更可以事半功倍，模拟实际工作情况才能发现不足，提高设计效率。因此在实验室中进行了试验，选择不同型号的PLC和CPU对进给伺服电机不同的进给速度、电源改变电压和电流、液压系统快进、工进、焊接加压、焊接电源焊接、进给机构进给、焊接结束、液压系统返回等所有过程进行控制。最终选择了S7-200系列的PLC自动编程器，CPU选择了CPU226XP。对I/O接口、文本显示器、导线、感抗处理等设备进行了实验，因控制点较少采用14入/10输出可以满足控制要求，显示器采用TD200-C文本显示器。也对按钮开关、指示灯、报警器等用编程软件进行显示和控制实验。导线采用0.5～1.5 mm2成对使用效果较好，隔离电路、感抗处理设置与否影响不大，所以不必设置。这样在完成所有控制任务的前提下价格较低。
3.2变频器外围设备的实验确定
在电器创新实验室，对变频器启动方式进行了实验，因为焊接时是否有感抗和容抗暂时无法查到理论依据，所以变频器的启动应考虑启动方式，实验证明，不用任何启动方式即可完成工作，确定了无需考虑变频器的启动方式，简化了设计。并在实验中对附属设备如电源侧断路器（QF）、噪声滤波器（FIL）、交流电抗器、电磁接触器等进行了试验，验证理论设计的正确性。
4传统方法设计机械机构
图3自动夹具原理图
伺服电机为驱动的自动夹紧机构、液压控制回路及液压缸的设计，充分使用了传统的设计方法，自动夹具使用调间隙滚珠丝杠消除进给误差，螺母铰接连杆，既起到牵引作用同时又完成压力夹紧，在伺服电机牵引力的拉动下，螺母运动，拉动连杆，浮动压头将工件压紧，完成运动。电机停止后，在弹簧的压力带动下，夹紧机构自动松开。工作原理见图3自动夹具原理图。而液压缸和液压控制回路都是经典的设计。所以，除采用计
算机绘图软件外，所有受力、设计和校核均采用理论计算。因为夹具、液压回路和液压缸设计是非常经典的设计方式，不仅快捷而且准确，理论设计优于现代设计手段，所以采用传统的设计方法。
5设计经验总结
总结本次设计可以得到以下经验：其一，现代的设计必须有先进的理念，能够采用先进的设计技术，充分利用计算机辅助设计软件进行设计可以起到事半功倍的效果。其二，利用实验设备进行试验，对可以试验的部分进行验证，完成理论设计论证困难的问题的设计，模拟实际情况进行模拟设计、实践设计更具有时效性。其三，传统上经典的设计方法必须继承，只有继承才是创新的基础。其四，现代设计需要团队作战，现在的设计应用知识极为广泛，仅机械设计就需要机械、电气、电子、计算机、实验等多方面知识，任何人不可能掌握这么多种专业知识，只有协作才能在很短的时间内完成任务。
参考文献：
[1]中国机械工程学会机械设计分会编 .现代机械设计方法[M].机械工业出版社，2011.
[2]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[K].北京：机械工业出版社，2010.
[3]盛晓敏，邓朝辉编.先进制造技术[M].机械工业出版社，2008.
[4]中国农业机械化科学研究院编.实用机械设计手册[K].中国农业机械出版社出版，1986.
[5]张选正.变频器及软启动器的应用计算[M].化学工业出版社，2012.
[6]满永奎，韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2011.
[7]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
