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FNI -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。

    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FNI-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FNI-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、频率一、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。

   
    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。

可得能量平衡式：
劲度系数胡克定律：
压深：

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：

    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。

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