异形工件自动焊接机的设计.doc

浙江科技学院本科毕业设计(论文)
异形工件自动焊接机的设计
施国凯
（机械与汽车工程学院 指导教师：段福斌）
摘要：根据企业需求设计自动焊接机。通过对手工焊接和智能机器人焊接技术的对比分析，提出了对异形工件自动焊接机的总体设计方案。根据给定的异形工件（不锈钢酒壶）图样，采用三个自由度：两个移动、一个转动，完成自动焊接机机械系统设计，使自动焊接机在程序控制下可实现对任意形状的平面焊缝的焊接；并且焊接过程中，始终能满足焊炬和工件焊缝间的角度要求。焊接平面高度可调。通过压紧机构设计，将两被焊接件夹在一起，且夹紧力可调。完成设计后的自动焊接机整机刚度、尤其是焊矩支撑机构的刚度高。整机制造工艺性好，拆装、维修方便，满足中小型企业异形焊缝的焊接需求。
关键词： 焊接机； 异形工件； 三自由度； 随动压紧机构
Abstract：We design automatic welding machine according to business needs, after the comparing and analysis of the manual welding and intelligent robot welding technology, we have carried out to design an automatic welding machine which can joint the profiled work-pieces together. According to the special-shaped work-pieces (steel flagon) graphic, we decide to use 3-DOF (2 mobile, a rotation) to complete the mechanical system design of automatic welding.In the control of processes, it can achieve the welding of arbitrary shapes; What’s more ,it can meet the requirements of welding torch and the angle of welding lines during the process; The plane height can be adjusted; We also plan to contrive a framework which can make two welded pieces together ,in addition ,the clamping force is adjustable. After the completion of the design of automatic welding machine, it owns a great number of merits such as good stiffness ,excellent manufacturing convenience of dismounting and maintenance which is suitable for the majority of small and medium-sized enterprises .
Keywords：welding machine； special-shaped work-piece；three freedom；framework of pressing

第一章 绪论

自加人国际贸易组织后，市场对产品质量的要求越来越高，包装产品尤突出。目前国内纸、塑料、木材及玻璃类包装业都异常红火，只有金属容器包装业萎缩不前，尤为突出的是国有金属容器包装企业。其主要原因是因为目前国内在异形工件焊接技术方面还不成熟，因此各大企业迫切需要一种操作方便，焊接效率高，质量好，成本合理，整体制造工艺好，拆装、维修方便的异形工件自动焊接机，而本课题就是根据企业需求，对异形工件的自动焊接机进行系统研究和设计开发。
1.1 课题的研究背景
1.1.1 国内外异形焊接的现状
目前国内企业异形罐的焊接主要采用以下两种方式:
1.手工焊接，手工焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，对于手工焊接工人来说，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。
2.采用电阻焊缝焊机。它的特点:一是密封性能好，并且焊缝强度高，抗拉强度试验时破裂处往往不在焊缝上；二是缝搭接宽度小，节约了原材料，焊缝窄小，彩印面积大，外形显得美观；焊缝厚度薄，便于翻边、缩颈、胀筋和封口等后续工序的操作。三是由于自动化程度高，所以生产效率高。

电阻焊焊接的基本原理
电阻焊是将待焊接的两层金属薄板置于连续转动的两个滚轮电极之间，通电并加压，靠电阻生热，使滚轮之间的被焊薄板前进，无数焊点形成焊缝。

电流热效应产生的热量为
式中 I--电流； t-- 通电时间；R-- 焊接区的电阻，它是滚轮与工件间的接触电阻，两层金属薄板的内部电阻及两片工件间的接触电阻之和。从上式中可知，欲在短时间内产生大的热量，最有效的方法是加大电流，为此电阻焊机都配置有一台特殊的变压器，其次级线圈只有两圈左右，以便在次级得到低电压和大电流。缝焊时，作为电极的滚轮持续旋转，使形成焊点的金属离开滚轮之间的焊接区，同时又把未焊接金属带人焊接区。然而缝焊过程要求间歇通电，这是因为如果通电不间断，那么已形成接焊点处的电阻将变为内部电阻。由于内部电阻较小，电流大部分将从焊点流过两片待焊金属，而滚轮间电流不经或只有小部分流经待焊接的接触处，形成分流现象。分流现象会影响焊接区温度的上升．从而影响新接点的形成。此外该焊接方法由于在焊接过程当中要大量放热，很容易引起工件的变形。
另外，焊接时焊接压力、电流和焊接速度等参数都会影响罐身的焊接质量。
工业机器人的出现使人们首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。目前工业机器人广泛用于在焊接、装配、铸造、密封涂胶、材料处理、包装、喷漆、水切割等领域，发展十分迅速。国外有许多著名的机器人公司，如瑞典ABB Robotics公司、日本安川电机、日本FANUC公司等，ABB公司是世界上最大的机器人制造公司。1974年。ABB公司研发了全球第一台全电控制式工业机器人IRB6，主要应用于工件的取放和物料的搬运。1975年，公司生产第一台焊接机器人。到1980年兼并喷漆机器人公司后，机器人产品趋于完备。至2002年，ABB公司销售的工业机器人已经突破1O万台，是世界上第一个突破1O万台的厂家。而国内相关企业象首钢莫托曼机器人、沈阳新松机器人自动化股份有限公司等也发展地十分迅速，焊接机器人功能强、焊接质量好、效率高，广泛用于焊接领域，极大地促进了工业的发展。

1.1.2 课题来源
虽然国外一些先进的焊接机器人焊接质量好、操作灵活、精度高，但成本高，对操作人员的技术要求较高，不适合中小型企业，同时我国已经是一个焊接的大国，但从先进技术应用的深度与广度、焊接自动化率、焊接机器人拥有量、大型复杂焊接系统的自主开发能力、原创性科研成果数量、劳动生产率和生产管理水平等方面看，我国还不是一个焊接的强国。国内以焊接为主要生产工艺的企业，焊接自动化水平相对较低。多数仍然是手工生产或者半自动化生产，因此中小型企业迫切需要一种操作方便，焊接效率高，质量好，成本合理，整体制造工艺好，拆装、维修方便的异形工件自动焊接机。
1.2 课题的研究意义和国内外研究概况
1.2.1 课题的研究意义
本课题的完成填补了国内在自动焊接领域的空白，解决了国内中小型企业焊接方面的一大难题，有十分广阔的市场潜力和经济效益
根据给定的异形工件（不锈钢酒壶）图样，采用采用三个自由度：两个移动、一个转动，完成自动焊接机机械系统设计，使自动焊接机有显著的特点和优势。
1. 自动焊接机在程序控制下有三个自由度，两个移动，一个转动，可实现对任意形状的平面焊缝的焊接，很好地解决了异形焊接过程中的难题。
2. 在焊接过程中，始终能满足焊炬和工件焊缝间的角度要求；使得操作灵活，机动性较强。而且整条焊缝平滑、美观， 接均匀一致，焊点均匀连接，没有焊接不良和击穿现象。
3. 焊接平面高度可调，能满足不同工件尺寸的焊接，通用性强。通过压紧机构设计，将两被焊接件夹在一起，并且在焊接过程中夹紧力可调，能很好消除焊接压力对工 件的影响，提高焊接质量。
4. 完成设计后的自动焊接机整机刚度、尤其是焊炬支撑机构的刚度高；整机制造工艺好，拆装、维修方便，适合广大中小型企业的需求。

1.2.2 国内外焊接自动化技术的发展现状
随着数字化技术日益成熟，代表自动化焊接技术的数字焊机、数字化控制技术业已面世并已稳步地进入市场。三峡工程、西气工程、航天工程、船舶工程等国家大型基础工程有力地促进了先进焊接工艺特别是焊接自动化技术的发展与进步。我国焊接产业逐步走向“高效、自动化、智能化”。
客观地分析，由于我国制造业企业经济运行状况、企业领导者经营意识等因素的制约相对于国外发达国家，我国的焊接自动化整体水平还很低，而且发展极不平衡。目前我国焊接自动化率还不足30%，同发达工业国家的近80%相比差距甚远。仅以焊接材料的消耗为例，目前在日本以实芯焊丝和药芯焊丝为代表的焊接材料的消耗量已占总消耗量的60%以上，特别是小直径药芯焊丝的消耗达到20%以上，而反观我国，各种电焊条在焊接材料总消耗量中仍占据着绝对的优势，这就要求我们尽快使这一局面有一个明显的改观。
从1992年株洲电力机车厂引进焊接机器人工作站后，长春、四方等客车厂，齐齐哈尔、武昌、二七等货车车辆厂等也先后从德国、日本、法国、美国等发达国家引进了焊接机器人工作站、焊接机械手等先进设备，并在消化吸收的基础上，自行开发了机器人焊接程序及适应我国铁路机车车辆技术需要的机械手、工作站等设备。但焊接机械手、工作站的应用是一个复杂的综合系统，国内的这些设备均未形成产品的商业化。
1.2.1.1 国内外焊接机器人的发展

工业机器人技术是当今世界最引人瞩目的高新产业之一，许多国家都把发展工业机器人作为高技术领域的战略目标列人国家发展计划，但各国的发展模式有所不同。美国是最早出现工业机器人的国家，1954年美国的G．C戴沃尔发表了“通用重复型机器人”的专利论文，第一次提出“工业机器人”和“示教再现”的概念 。1959年美国Unimation公司推出第一台工业机器人。1967年日本从美国引进Unimate和Versatran等类型的工业机器人以后，结合国情，面向中小企业，采取一系列鼓励使用工业机器人的措施，率先在汽车制造业的喷涂、焊接、装配等重要工序中得到应用，并此为契机，向其它产业渗透。日本仅用了l0年左右的时间，便形成了自己的机器人产业，成为世界上应用和生产机器人最多的国家，其工业机器人的安装数量约占全世界的60％。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委员会统计及预测，1996年到2000年期间，工业机器人的需求量以每年13％ 的速度增长，到2002年，全世界将有近140万台机器人投人使用。从世界上工业机器人应用的统计结果来看，主要应用领域是焊接，尤其是在汽车生产国，焊接机器人已占总数的4O％ 以上。

我国开发工业机器人晚于美国和日本，但也已有20多年的发展历史，并在“七五”期间对工业机器人进行了攻关，由于部门分割等缘故，所研制的220台机器人中竟然有80多个类型，所以工业机器人一直没有形成规模，很多停留在样机水平上，距产品还有相当的差距。随着国家经济形势的发展，对高技术的要求也发生了变化，我国于1986年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。以后又列入国家“八五”和“九五”中。在国家的组织和支持下，经过十几年的持续努力，在机器人的基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并形成了适合我国国情的工业机器人应用领域。
1.3 本文研究的主要内容
本文共分五章：
第一章 介绍课题的背景、来源，研究内容及意义，提出本课题研究的任务为异形工件（金属酒壶）自动焊接机的机械系统设计，介绍焊接工件和国内外焊接自动化技术的发展现状。
第二章 从总体上对系统进行功能、数据、性能、资源的需求分析，确定总体设计目标、设计原则，介绍焊接方法和焊接专用设备，提出总体设计方案。
第三章 对异形工件自动焊接机的机械系统进行设计，主要是焊枪进给系统的设计，工件定位系统的设计和异形工件随动压紧机构的设计三方面。
第四章 进行异形工件自动焊接机的气路系统研究，选择合理的气动元件，设计系统气路图。
第五章 总结与展望，对本文所作的工作进行了归纳总结，提出了研究中存在的不足和下一步的研究打算。

第二章 异形工件(金属酒壶)自动焊接机需求分析和总体设计

要完成一个系统的开发，首先必须明确系统的总体要求，即系统在功能需求、数据需求、性能要求、资源方面的需求等。只有这样，才能使工作有的放矢。

2.1 需求分析
系统的需求分析包括对系统的功能需求、工艺参数需求、性能要需求、资源需求和焊接工艺的分析。
2.1.1 功能需求的分析
异形工件(金属酒壶)自动焊接机系统需要达到以下功能：
(1).由于焊接的工件是异形如图2-1，所以所设计的自动焊接机系统必须可实现对任意形状的平面焊缝的焊接，具有较强的灵活性和机动性。这是该课题所研究的最主要任务。

图2-1 金属酒壶
(2).异形工件的材料是厚度为0.8mm的不锈钢薄板，而1 mm以下不锈钢薄板的焊接由于其自身拘束度小、导热系数小(约为普低钢的1／3)、线膨胀系数较大，当焊接温度变化较快时，则产生的热应力大，很容易出现烧穿和焊接变形(大多为波浪变形)等缺陷，因此必须选择合理的焊接方法和有效的变形控制措施。
(3).在焊接过程中，所设计的自动焊接机必须始终能满足焊炬和工件焊缝间的角度要求；使得操作灵活方面，机动性较强。而且整条焊缝平滑、美观，搭接均匀一致，焊点均匀连接，没有焊接不良和击穿现象。
(4).在焊接过程中，由于是两薄不绣钢板的焊接，因此必须设计合理的夹紧机构，并且夹紧力要可调，以减少焊接压力对焊接质量的影响。
(5).工件几何尺寸应会有一定的误差，故夹具的定位和悍枪的位置均须带有适量微调。

2.1.2 性能需求的分析
为提高异形工件(金属酒壶)自动焊接机的自动化程度，可考虑在该焊接系统上配备工件自动装夹装置和焊枪自动进给系统。为了提高焊接系统的安全性，应在专机的比较显眼的位置装指示灯和声音报警装置。

2.1.3 资源需求的分析
为了提高焊接系统的整体协调性，本焊接系统需要有一个核心控制单元。为了保证核心控制单元的可靠性和可操作性一般选用PLC。焊枪控制系统采用数控系统控制，其程序应用较普遍相对简单，修改方便。在实际应用时，便于操作人员可根据工艺要求和实际情况操作和修改。此外本课题还将引入液压系统，设计合理的气路图，以实现对夹紧机构的控制，并实现对工件夹具的自由度的控制。

2.2 系统的总体设计
在系统需求分析的基础上，必须进一步研究系统的功能、结构组成及控制，根据系统总体开发目标进行系统的设计研究。

2.2.1 系统的设计目标
系统总体开发目标是金属酒壶主体和瓶口，底板焊接起来的自动焊接机，具体分述如下:
(1).研究设计异形工件(金属酒壶)的焊接工艺：
根据根据不锈钢薄板焊接的性能，研究焊接方法和焊接设备，设计合理的焊接工艺，针对这些焊接工艺和焊接方法选择焊丝。
(2).设计异形工件自动焊接机的机械部分：
因为要完成对不规则形状焊缝的焊接，本焊接机采用三个自由度，一个转动和两个移动来控制整个焊接过程，并完成焊枪进给系统，夹具定位系统和随动压紧机构的机械设计,并完成对主要标准件的选型以及强度，刚度校核和寿命校核。
(3).设计异形工件自动焊接机的气路系统：
该套焊接随动夹紧机构采用气动系统来实现，必须合理选择气动元件，研究设计出合理的气路控制图，随动压紧机构的设计是本课题研究的一大特色，十分具有创新意义。
2.2.2 焊接方法和专用设备的介绍
1)焊接方法
常用的焊接方法有弧焊、电阻焊、电渣焊、电子束焊、激光焊、摩擦焊、扩散焊、冷压焊、爆炸焊、超声波焊、气焊、钎焊、高频焊、热切割等。
电弧焊接是焊接方法中最主要的一类。按其工艺特点的不同，电弧焊大致又可分为手弧焊、气体保护焊(又分为:MAG焊—混合气保护的熔化极自动送丝的电弧焊、MIG焊—惰性气体保护的熔化极自动送丝电弧焊、TIG焊—惰性气体保护的钨极电弧焊(又细分为自熔式、手动填丝、自动填丝))埋弧焊和等离子弧焊。
(2)焊接专用设备介绍
在焊接生产中，工作环境差，有些焊缝位置采用手工焊接根本无法焊接，而且纯焊接时间仅占焊接结构生产总时间的20%-30%，其余均为焊前准备装备、焊件运输、变位等辅助时间。为了提高生产效率、保证焊接质量及改善劳动条件，一方面在生产管理上须采用合理的生产组织形式，另一方面在技术上须提高焊接生产全过程的机械化和自动化水平。
为了适应不同生产类型的需要，实现焊接过程的机械化和自动化也有各种形式，如焊接自动机、焊接中心、焊接生产线和焊接机器人等。
焊接自动机是一台专门用于自动焊接某一种或某一类(规格不同)焊件的机器。它比通用自动焊机的功能更完善，机械化和自动化程度更高。一般都把定位、夹紧、变位等机构和焊机融为一体。
焊接中心一般认为是以相似的焊接构件中某一关键焊接工艺为核心，把完成该焊接工艺所需用的焊接设备(包括电源，焊机或机头、送丝机等)、焊接机械装备(如焊接变位器、焊机变位机等)、焊接辅助机械、焊件传输装置、焊缝自动跟踪和焊丝伸长自动调节装置及其综合电气控制系统等，按该焊接工艺的典型工艺程序进行集中排列及组合，构成了完成该焊接工艺的工作场所。
焊接生产线是把焊接生产所需的各种加工设备(包括备料、装置、焊接、校形、质量检测和热处理等)和辅助机械以及上料、卸料、焊件传输装置等，按产品加工工艺程序进行有机地排列组合而形成一条作业线。
焊接机器人是工业机器人中的一种，是能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的焊接操作机。
随着焊接应用面的不断扩大，市场竞争的日趋激烈，普通手工焊接已不再能满足要求，市场对焊接效率高、成型美观的焊接专用设备的需求不断扩大。
2.2.3 焊接工艺的研究设计
本课题所研究的焊接机的工件为厚为0.8mm的不锈钢薄钢板， 1 mm以下不锈钢薄板的焊接由于其自身拘束度小、导热系数小(约为普低钢的1／3)、线膨胀系数较大，当焊接温度变化较快时，则产生的热应力太，很容易出现烧穿和焊接变形(大多为波浪变形)等缺陷，不锈钢薄板拘束度较小，在焊接过程中受到局部加热、冷却作用．形成了不均匀地加热、冷却，焊件会产生不均匀的应力和应变。焊缝的纵向缩短对薄板边缘的压力超过一定值时，即会产生较严重的波浪式变形，影响工件的外形质量。因此焊接工艺的研究设计至观重要。
2.2.3.1 0.8mm薄板不绣钢焊接方法分析
钨极氩弧焊采用的保护气体为纯，焊接时它既不与金属起化学反应，也不溶解于液态金属中，故可以避免焊缝中金属元素的烧损和由此带来的其他焊接缺陷，同时因其密度较大，在保护时不易漂浮散失，保护效果好。该焊接方法由于热源和填充焊丝是分别控制的，热量调节方便，使输入焊缝的焊接线能量更容易控制，故适合于各种位置的焊接，也容易实现单面焊、双面成型。钨极氩弧焊的最大缺点是熔深浅、熔敷速度慢、生产效率低，因而其焊接变形也就较大。焊条电弧焊由于操作灵活、方便，焊接设备简单、易于移动，设备费用比其他电弧焊方法低，因而得到了广泛的应用。该焊接方法与熔化极气体保护焊(GMAW)、埋弧自动焊(SAW)等焊接方法相比，其熔敷速度慢及熔敷系数低，并且每焊接完一条焊道均需要清理熔渣，而坡口内的清渣是比较繁琐的。熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)，由于采用或在中添加了少量的惰性气体作为保护气体，因而其电弧稳定，熔滴细小且过渡稳定，飞溅很小。该焊接方法的电流密度高、母材熔化深，因而其焊丝的熔化速度和焊缝的熔敷速度高，焊接生产效率高，尤其适于中等厚度和大厚度结构的焊接。该焊接设备比较复杂，设备成本较高。

对于薄板不锈钢压力容器，由于其特殊性及相关标准的要求，因而对打底焊的焊缝背面的质量要求比较高。对于打底焊而言，钨极氩弧焊(GTAW)均优于焊条电弧焊(SMAW)、熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)等焊接方法，这主要是由于热源和填充焊丝是分别控制的，热量调节方便；同时，该种焊接方法对焊工的操作技能、接头的组对质量要求不高。因此，对于单面焊、双面成型的焊接接头，其打底焊均采用钨极氩弧焊(GTAW)。对于不锈钢的焊接，焊接时必须充背面保护气(通常为纯)，以防止焊缝背面的氧化。
总结
根据上面焊接方法的分析，并考虑到本课题所研究的金属酒壶实际焊接要求和条件，我们选用钨极氩弧焊为该课题的焊接方法。
2.2.3.2 焊丝选用
随着我国经济的迅速发展，在建筑装璜业、广告业、生活用品制造业等行业大量采用了超薄型不锈钢材料(壁厚)。超薄奥氏体不锈钢板在微生物及制药工程中用作粉料的输送带，在炼油及化工中用于压力管道或压力容器波形膨胀节等均具有十分显著的优点。自动钨极氩弧焊具有高效、优质、成形美观等优点，在航空、航天、化工设备等机械制造业中得到广泛的应用。不填丝钨极氩弧焊可以焊接几乎所有的金属和合金，特别适合于薄板的单道焊。而本课题的异形工件是的不锈纲薄板，我们也考虑采用不填丝钨极氩焊。
金属酒壶的材料为厚SUS 304不锈钢板，其化学成分及力学性能见表2-2

将厚的304不锈钢板，在自制的夹具上施焊，钨极直径为2．38 mm，干伸长为2 mm，氩气流量为15 L／min。焊接电流分别采用脉冲电流和直流正接两种，脉冲基值电流为25A。在不加焊丝的前提下，焊接质量主要由焊接电流和焊接速度确定。选定脉冲电流时，除了凋整焊接速度外，对焊接电流的脉冲频率也进行了测试．分别在10、2O、4O、60、100、l50、200、500 Hz 施焊前，空载行走一次，以检查焊嘴与纵缝全长的吻合程度。焊接过程一次完成，避免中间停顿或再起弧。整个焊接操作过程中，必须保证全焊透，同时还要防止产生气孔、裂纹等表面缺陷。
无论直流焊还是脉冲焊，对应着的焊接速度，都有适当的电流与之匹配，获得全熔透焊缝 从表2-3可见，脉冲焊时，随着焊接速度的变大，获得满意的焊缝成形的脉冲频率范围减小了 在焊接速度为时，在60，100，150，200，500 Hz都可以得到满意的焊缝；而时，只能在100，200，500 Hz时才能得到满意的焊缝；在时，脉冲频率仅为200和500 Hz才能得到满意的焊缝。在表2的焊接参数下，焊缝外观成形均匀平直，用5倍放大镜进行表面外观检查，不存在开裂或凹坑。
一般直流脉冲焊主要用于焊接钢、软钢、耐热钢等；交流脉冲焊主要用于焊接铝、镁、铜及其合金等轻金属。本课题所研究的自动焊接机的金属酒壶材料为厚的304 不锈钢板，故我们选用直流正接法。
表2-3 高速焊工艺参数表

对不锈钢薄板进行的不填丝高速焊，一次性焊透的焊接速度最高可达，其焊接接头的抗拉强度优于母材，伸长率和深冲性能均与母材相当。

2.2.4 系统的方案设计
为满足对任意形状工件包括金属酒壶的焊接，本课题所研究的自动焊接机拟采用三个自由度即两个移动和一个转动来实现。
第一个自由度为水平方向自由度，通过焊枪进给系统的设计来实现，主要驱动方式是通过电机带动滚珠丝杠螺旋副，通过丝杠的旋转带到焊枪工作台在直线可移式导轨上移动，通过程序控制来实现焊枪进给即第一个自由度的设计实现。如图2-2
第二个自由度为垂直方向自由度,该移动自由度的实现与第一个有较大的不同,通过采用步进电机控制一个直线模块,以直线模块来带动工件座移动,实现垂直方向的移动自由度。如图2-2
在汽车修理和保养中，经常会遇到气管件、圆形机件以及一些异形机件的修补焊接工作。通常，焊工都是边焊补、边用手转动机件，使机件的四周都能焊补上。这样操作既不符合安全操作规程，又无法保证焊接质量，还影响工作效率。为此，我们利用废旧车床上的卡盘，将其连接在支座上。焊前，将机件装在夹具中。焊接中，边转动夹具，边焊接，效果很好。该夹具操作简单，焊接质量与工件效率都有很大的提高。
受此启发，本自动焊接的系统设计中对与如何在焊接过程实现工件的旋转作了深刻研究，即第三个自由度---旋转自由度的实现。通过步进电机带动轴旋转，主轴通过联接件带动直线模块转动，从而带动工件的旋转。如图2-2

图2-2 金属酒壶自动焊接机示意图
此外为了将酒壶主体和壶盖很好地定位加紧，本课题还设计了一个随动夹紧机构，通过压机构设计，将两被焊接件夹在一起，并且在焊接过程中夹紧力可调，能很消除焊接压力对工件的影响，提高焊接质量。

第三章 异形工件（金属酒壶）自动焊接机 械系统的设计实现

对于异形工件(金属酒壶)自动焊接机的机械系统进行，主要是焊枪进给系统的设计，工件定位系统的设计和异形工件随动夹紧机构的设计三方面：

3.1 焊枪进给系统的设计
该系统设计的主要目标是完成水平方向移动的驱动机构即焊枪的进给，驱动主要通过滚珠丝杠传动来实现，因此必须合理的选择滚珠丝杠和螺杆支撑座，焊接的移动必须借助于导轨，故直线导轨的选型也是一个关键。焊枪进给系统的结构简图如图3-1

图3-1 焊枪进给系统示意图
1-焊枪固定结构；2-.焊枪支撑板；3-焊枪底座；4-步进电机
3.1.1 滚珠丝杠的选型
1.使用条件
工作台和焊枪的重量 W=10（kg）
最大行程 =250mm
快速进给时间 =1000(mm/s)
加减数时间常数 t=0.15(s)
定位精度 0.11720（mm）
重复精度 0.01（mm）
希望寿命 =6000小时
直线导承摩擦系数 =0.02
步进电机 =3000(r/min)
2.设定螺距（L）
根据电机的最大转速与快速进给速度
L≥=20（mm）
3.计算基本动态额定负载
计算在研讨时所需基本动态额定负载与容许转速（DN值）的各运作模式下的轴向负载
A 加速时
加速度()=
轴向负载()=(106.7+0.02109.8) =(67+1.96) =6.9
B 恒速时
轴向负载()=
C 减速时
轴向负载荷()==(6.710)
=6.5

表3-1 各运作模式1次循环所需时间(s)
运作模式
A 加速
B 恒速
C 减速
总共所需时间
所需时间
0.60
0.84
0.60
2.04

表3-2 螺距为20mm时负载条件
运作模式
A 加速
B 恒速
C 减速
轴向负载
6.9
0.2
6.5
转速
1500r/min
3000r/min
1500r/min
所需时间比率
29.4%
41.2%
29.4%
平均负载()=5.8
平均转速=2118(r/min)
计算所需基本动态额定负载:
根据希望寿命，扣除停止时间后的净运行寿命时间():

将运行系数=1.2带入下面的公式得

根据相应手册选择满足条件的滚珠丝杠型号SFU2505-4如图3-2

图3-2 滚珠丝杠实物
3.1.2 螺杆支撑座
螺杆支撑座是滚珠丝杠传动不可或缺的标准件，螺杆支撑座有设计容易，高刚度，高精度，并且采用最佳轴承匹配，广泛用于支撑螺杆轴。
螺杆支撑座由轴承座，轴承，C型扣环三部分组成，一般轴承只受径向力，不受轴力，故轴承选用深沟球轴承。在本设计中选用方型螺杆支撑座BF-20，如图3-3

螺杆支撑座

图3-3 螺杆支撑座结构图
3.1.21 安装顺序
固定端螺杆支撑座与螺杆组合；固定端螺杆支撑座与间隔环放入螺杆后，用所附螺帽锁紧，再将六角止付螺丝固定，在固定前，先将内附的铜片置入螺帽固定；支撑端螺杆支撑座，将轴承放入螺杆内，并以C型扣环固定。

3.1.2.2 与定位滑台的固定
滚珠螺杆与定位滑块的台面稍微固定；将固定端与螺杆尾端轴承组合；确认滑台导引面（滑轨）与滚珠螺杆间有平行度，将固定端及支撑端锁紧固定；将滑台推移至行程两端，以确保滚珠螺杆的顺畅性，再将螺杆与滑台锁紧固定。
3.1.2.3 电机的连结
电机座的确实连结；电机座及滚珠螺杆与连轴的安装（注意安装时的精度）；安装后电机运转测试。

3.1.3 步进电机的选择
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
选择步进电机需要进行以下计算：
（1）计算齿轮的减速比
根据所要求脉冲当量，齿轮减速比计算如下:
=/(360.Δ) (1-1) 式中φ ---步进电机的步距角（o/脉冲）
S ---丝杆螺距（mm) Δ---(mm/脉冲）
（2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量。
=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] （1-2）
式中 ---折算至电机轴上的惯量()
J1、J2 ---齿轮惯量()
Js ----丝杆惯量) W---工作台重量（N）
S ---丝杆螺距（cm）
（3）计算电机输出的总力矩M
（1-3）
Ma=（).n/T×1.02×10ˉ2 （1-4）
式中Ma ---电机启动加速力矩（)
,---电机自身惯量与负载惯量()
n---电机所需达到的转速（r/min）
T---电机升速时间（s）
Mf=()/(2πηi)×10ˉ2 （1-5）
Mf---导轨摩擦折算至电机的转矩（)
u---摩擦系数
η---传递效率
Mt=()/(2πηi)×10ˉ2 （1-6）
Mt---切削力折算至电机力矩（)
Pt---最大切削力（N）
（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为
=[(1-())/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 （1-7）
式中---带载起动频率（Hz
--空载起动频率
Ml---起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（)
若负载参数无法精确确定，则可按=1/2进行估算.
（5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。
（6）负载力矩和最大静力矩。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于Mf与Mt之和，并留有余量。一般来说，Mf与Mt之和应小于（0.2 ～0.4) 。
根据上述方法，经计算我们采用五相混合式步进电机90系列中的90BYG500B为驱动电机，其结构图如图3-4

图3-4 步进电机结构图

图3-5 矩频特征曲线图

由于工件旋转比较慢，一般要求每分钟旋转2-3转，故对电机的控制要求较高，一般要求用上减速器，但是该类型减速器的价格比较贵，故我们考虑采用控制电脉冲的频率来控制电机转速。

3.1.4 焊枪定位
本焊接机完成的是对异形工件(金属酒壶)的焊接，并且两焊接件的焊接口为角坡口，故焊枪的位置必须与工件成一定的角度以提高焊接的质量，使焊缝均匀美观。同时由于工件几何尺寸应会有一定的误差，焊枪的位置均须带有适量微调。
焊枪定位机构设计思路如下:
用四个钢管套，两个按90度垂直焊接，另外两个按工件和焊枪所需的最佳角度焊接，再用三个钢管来组合，其中一个钢管焊接一个钢管用于放焊枪，用内角头螺钉夹紧，钢管和钢管套之间用内六角头螺钉夹紧.其实物见图3-6:

图3-6 焊枪定位机构
3.2 异形工件定位系统的设计
异形工件定位系统的设计是本课题所研究的系统三大机械设计的其中一部分，该系统主要完成金属酒壶的定位，并且完成垂直方向自由度和旋转自由度的控制。系统基本思路如下:
步进电机联接系统主轴，主轴与连接件1用键联接，连接件1通过内六角头螺钉连接HIWIN直线模块，直线模块上固定工件座，用工件座固定金属酒壶，旋转自由度通过系统主轴的旋转实现，而垂直方向自由度通过直线模块实现。系统主轴的结构设计以及计算校核是本设计部分的关键，也是本课题的计算重点。其系统示意图见图3-7

图3-7 焊枪进给系统结构示意图
3.2.1 主轴的结构设计
轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸，轴的结构设计时应注意:轴和装在轴上的零件要有准确的工件位置，轴上的零件应便于装拆和调整,轴应具有良好的制造工艺性等。
3.2.1.1初步确定轴的最小直径
选取轴的材料为45钢，调质处理，根据设计手册=112,系统主轴转速n=3r/min，P=3W，于是得
输出轴得最小直径是安装联轴器处的轴径，由于此处轴径较小，如果选用常规联轴器则尺寸太大，影响整体布局，此处我们选用的是自制的联轴器,其示意图如3-8:

图3-8 联轴器示意图
其联轴器长度为37mm，外径为22，孔径为120.0009，=12mm，长度为14mm。
(见图3-9)
3.2.1.2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
为了满足联轴器的轴向定位要求，轴段右段需制出轴肩，故取段直径=20mm，长度为3mm。
初步选择滚动轴承:因轴承承受轴向力，在一定程度上也可能承受径向力,故选用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据，选择单列圆锥滚子轴承32005，段轴承左段用轴肩定位，故取=31mm，右端用底座轴向定位，段轴承左端用轴肩定位，右端用端盖轴向定位