梁梓廷，劉海雄，葉軍

（青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海西寧810016）

林肯自動(dòng)化送絲機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁梓廷，劉海雄，葉軍

（青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海西寧810016）

為了配合送絲機(jī)構(gòu)的部分結(jié)構(gòu)調(diào)整，使得KUKA焊接機(jī)器人（KR 16 arc HW）與林肯多工藝焊機(jī)（Power Wave 455M）進(jìn)行搭接。重新調(diào)整和設(shè)計(jì)林肯自動(dòng)化送絲機(jī)（Power Wave 455M）底盤(pán)法蘭的結(jié)構(gòu)，調(diào)整后的送絲機(jī)結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)KUKA焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)造成干涉。并且為了體現(xiàn)送絲機(jī)外觀的美觀性和科學(xué)性，通過(guò)工業(yè)設(shè)計(jì)的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)解決了送絲機(jī)配合搭接彎板的使用問(wèn)題，展現(xiàn)了工業(yè)美學(xué)。

林肯自動(dòng)化送絲機(jī)；結(jié)構(gòu)；底盤(pán)法蘭；優(yōu)化設(shè)計(jì)；工業(yè)美學(xué)

庫(kù)卡機(jī)器人在全球被廣泛的使用，在各行各業(yè)都有所體現(xiàn)[1]。林肯焊機(jī)操作簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、性?xún)r(jià)比高，支持絕大部分的焊接工藝，主要應(yīng)用在管道、造船工業(yè)、不銹鋼以及雙相鋼和Cr-Mo耐熱鋼焊接中，均勻的輸出控制，一致的焊縫外觀，優(yōu)秀的電弧表現(xiàn)和熔池的控制，卓越的電弧性能，使其成為電焊機(jī)行業(yè)的先驅(qū)和巨頭。其分別生產(chǎn)的KUKA（KR 16 arc HW）與（Power Wave 455M）在焊接行業(yè)都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。為了兩者能搭接使用設(shè)計(jì)了一種搭接彎板。但是如果按照現(xiàn)有的林肯送絲機(jī)結(jié)構(gòu)安裝，將會(huì)對(duì)KUKA焊接機(jī)器人（KR 16 arc HW）造成干涉，因此調(diào)整林肯送絲機(jī)法蘭盤(pán)的結(jié)構(gòu)是必須的，通過(guò)檢索沒(méi)有發(fā)現(xiàn)具有直接指導(dǎo)性意義的資料，因此本文在參考林肯自動(dòng)化送絲機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[2]的前提下，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的需要，對(duì)林肯自動(dòng)化送絲機(jī)進(jìn)行了改裝。

對(duì)于設(shè)計(jì)而言使其最大限度不影響原產(chǎn)品的美觀是符合設(shè)計(jì)美學(xué)要求的，因此使送絲機(jī)送絲機(jī)構(gòu)更好的融入設(shè)備，配合KUKA焊接機(jī)器人的造型風(fēng)格，這也是十分必要的。設(shè)計(jì)出符合工業(yè)美學(xué)的專(zhuān)屬送絲裝置，在外觀造型上達(dá)到與KUKA焊接機(jī)器人渾然一體的效果才算一次成功的設(shè)計(jì)。

1 底盤(pán)法蘭的設(shè)計(jì)

搭接彎板的形式?jīng)Q定了送絲機(jī)構(gòu)的安裝形式，這使得要將送絲機(jī)構(gòu)的一些地方完全改動(dòng)才能不干涉KUKA（KR 16 arc HW）焊接機(jī)器人的正常運(yùn)動(dòng)，故本次設(shè)計(jì)將送絲機(jī)構(gòu)調(diào)整的結(jié)果是：進(jìn)絲口變?yōu)槌鼋z口，出絲口變?yōu)檫M(jìn)絲口，通信口向后對(duì)調(diào)，進(jìn)氣口變成出氣口，出氣口變成進(jìn)氣口，通信電路板相對(duì)移位后固定，其中通信口、進(jìn)氣口、出氣口的改動(dòng)與底板法蘭密切相關(guān)，所以進(jìn)行底板法蘭的再設(shè)計(jì)是需求所致。而三個(gè)口的改動(dòng)影響到了通信電路板的固定位置，為了保障通信電路板不受損，也需相應(yīng)改變它在通信罩上的固定位置，這在原有通信罩上就可鉆眼實(shí)現(xiàn)，無(wú)需重新設(shè)計(jì)，如圖1（a）所示為改裝前的送絲機(jī)的結(jié)構(gòu)位置圖，而圖1（b）為改裝后的送絲機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。從兩圖的對(duì)比中可以看出原送絲機(jī)左側(cè)較高部分會(huì)對(duì)KUKA機(jī)器人的機(jī)械臂造成干涉而對(duì)調(diào)之后，干涉消失。

圖1 送絲機(jī)再設(shè)計(jì)前后對(duì)比圖

材料選擇與制作過(guò)程：

原底板法蘭是一塊Q235鋼，它的鈑金造型是在模具上冷沖壓出來(lái)的，雖然造型比較簡(jiǎn)單，但是折彎面平整無(wú)變形，折彎半徑均勻標(biāo)準(zhǔn)，因此在折彎面的一些邊角地方還進(jìn)行了倒角處理。為了和原底板法蘭基本保持一致物理性能和力學(xué)性能，底板法蘭的再設(shè)計(jì)依舊選擇用Q235鋼。按加工思路，板材在液壓聯(lián)合沖剪機(jī)上下料后，先定形再鉆孔最后將其折彎。

（1）輪廓加工方式。一塊無(wú)損3 mm Q235鋼板在液壓聯(lián)合沖剪機(jī)上下料，再用電火花線切割切除一塊長(zhǎng)297 mm、寬258 mm的板材，并在這塊板材上把鈑金的整個(gè)外輪廓按實(shí)際尺寸切出來(lái)（包括倒角部分）。

（2）孔加工方式。因?yàn)閾u臂鉆床只能鉆圓形的小孔，無(wú)法加工五角邊形的孔和兩角邊的孔，也無(wú)法加工大的圓孔，因?yàn)殂@頭的外徑不夠。所以孔的加工分成了兩組，第一組是比較特殊的孔位，先用樣沖打眼，然后在搖臂鉆上對(duì)準(zhǔn)樣沖點(diǎn)鉆小孔（一般為與特殊孔位同心或正中的3 mm小孔）以作定位，待電火花線切割完整個(gè)外輪廓后，先斷絲再?gòu)亩ㄎ恍】状┙z形成回路，絲從同心圓中心位置開(kāi)始計(jì)算走絲，然后切割運(yùn)行，完成后用同樣的斷絲穿絲方法重復(fù)切孔。第二組是將螺釘連接孔等規(guī)范孔位用搖臂鉆床完成，也經(jīng)樣沖打眼定位，用適合孔位大小的鉆頭完成，在鉆孔時(shí)，底板法蘭底下墊了一塊矩形柱狀木塊，防止鉆孔時(shí)鉆頭產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致的變形，還為防止發(fā)熱燒灼在鉆頭上涂刷冷卻液，有效保證了法蘭的平整性和孔的美觀性。

（3）法蘭折彎方式。采用加熱軟化后鉗工鈑金的方法加工法蘭彎板，先將底板法蘭夾持在臺(tái)鉗上，夾持時(shí)靠一個(gè)同樣寬的矩形木塊，在木塊上放一個(gè)半徑為5 mm的鐵棒料，一起被臺(tái)鉗夾緊，然后沿著畫(huà)線用噴焊烤紅，用扳手掰彎，并用錘子敲打使其沿圓棒料貼合折彎，保證了折彎半徑的均勻標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了圓滑過(guò)渡，折彎后拆除夾持使其緩冷，冷卻后用金剛銼將邊緣圓角化，到此底板法蘭的加工完成。

2 送絲裝置外觀3D模型設(shè)計(jì)分析

2.1 造型應(yīng)用分析

給一個(gè)運(yùn)動(dòng)體上的機(jī)構(gòu)造型，要從工業(yè)美學(xué)角度設(shè)計(jì)體現(xiàn)它的機(jī)械美觀，將它設(shè)計(jì)成和KUKA機(jī)器人風(fēng)格統(tǒng)一的造型，它不能對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)造成干涉，這種干涉可能會(huì)來(lái)自自身尺寸的大小、自身的不穩(wěn)定性、自身重量的壓力、自身造型的浮夸和不實(shí)際、自身造成送絲機(jī)構(gòu)打開(kāi)不便等方面。

基于此，通過(guò)采集林肯焊機(jī)通用的自動(dòng)化送絲機(jī)（Power FeedR 10R）關(guān)鍵位置的實(shí)際尺寸，從與底板法蘭的連接處做起，主要運(yùn)用鈑金特征和曲面特征造型，加入KUKA機(jī)器人的造型風(fēng)格，基本貼合送絲機(jī)構(gòu)外露零部件的形體，不強(qiáng)取KUKA機(jī)器人與送絲機(jī)構(gòu)之間的活動(dòng)間隙，不占據(jù)其他多余位置，自下而上、自后向前，在實(shí)際尺寸的驅(qū)動(dòng)下，結(jié)合裝配關(guān)系最終完成了1 mm厚的送絲裝置3D外觀造型，輕巧緊湊。

蓋子與殼身用合頁(yè)鉸接，采用二級(jí)蓋形式，在合蓋時(shí)有定位銷(xiāo)定位，合上后有卡子緊扣，既保證了送絲裝置造型對(duì)送絲機(jī)構(gòu)絕無(wú)干涉，又保證了KUKA機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中絕不會(huì)引起蓋子的晃動(dòng)和掉下；在與接到送絲機(jī)構(gòu)上的主要線孔之間采用了豁口安裝的造型設(shè)計(jì)。

2.2 功能應(yīng)用分析

（1）從整體來(lái)講，它是一個(gè)負(fù)責(zé)包裹送絲機(jī)構(gòu)的外殼，由于在外觀造型上反映了一定的機(jī)構(gòu)屬性，所以在視覺(jué)上有很好的信息反饋，且能與KUKA焊接機(jī)器人在造型上流暢過(guò)渡。

（2）從接線口的預(yù)留孔位來(lái)講，它是一個(gè)負(fù)責(zé)將這些接線口裸露在殼體外面實(shí)施插接裝配的通道，既能有效插接，又能互不干涉，體現(xiàn)了殼體設(shè)計(jì)的適應(yīng)性和合理性。

（3）從二級(jí)蓋來(lái)講，它是一個(gè)可以響應(yīng)機(jī)構(gòu)需求隨時(shí)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)送絲機(jī)核心機(jī)構(gòu)的包裹和打開(kāi)，兩個(gè)合頁(yè)鉸接實(shí)現(xiàn)了送絲機(jī)構(gòu)在不拆卸的情況下完全滿(mǎn)足對(duì)焊絲及嚙合齒輪情況的檢查要求，在操作上這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表達(dá)了合理地順序原則如圖2所示。

圖2 送絲機(jī)構(gòu)開(kāi)蓋需求

（4）從二級(jí)蓋的卡扣、勾子和定位銷(xiāo)來(lái)講，它是一個(gè)負(fù)責(zé)將蓋子對(duì)齊后進(jìn)行固的機(jī)構(gòu)，能使蓋子在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中保持穩(wěn)定不晃動(dòng)，體現(xiàn)了密斯凡德羅“少就是多”的原則；從二級(jí)蓋的標(biāo)識(shí)來(lái)講，它是一個(gè)可以反映殼內(nèi)機(jī)構(gòu)歸屬的窗口，負(fù)責(zé)傳達(dá)送絲機(jī)構(gòu)及其相關(guān)設(shè)備的廠商信息，很容易就能讓人實(shí)現(xiàn)從局部到整體的聯(lián)想，應(yīng)用了視覺(jué)傳達(dá)的設(shè)計(jì)理念。2.3材料選擇與制作工藝分析

在送絲機(jī)構(gòu)和接線端部磨合上會(huì)比較流暢堅(jiān)韌，在合頁(yè)、銷(xiāo)釘?shù)鹊募庸ど舷鄬?duì)比較輕松，但是在整個(gè)殼體和蓋子的選材和加工制作上會(huì)面臨困難，諸如：材料既要有可塑性、抗拉性、抗沖擊性、強(qiáng)度高，又要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)適合此款造型的相應(yīng)制作模具，牽扯到的加工工藝比較復(fù)雜。

選用塑料制作會(huì)易于實(shí)現(xiàn)。塑料（Plastics）作為一種具有多種特性的使用材料，其原料廣泛，性能優(yōu)良，加工成型方便。其性能適用范圍廣，成本低；質(zhì)輕，耐振動(dòng)與沖擊，比強(qiáng)度高；電、熱絕緣性好；成型加工方便[3]。

其中有兩種塑料的綜合性能比較符合送絲裝置外觀的加工制作：

（1）PVC，聚氯乙烯，熱塑性材料，具有良好的電絕緣性和耐化學(xué)腐蝕性[4]，但熱穩(wěn)定性差，其中，硬質(zhì)聚氯乙烯塑料機(jī)械強(qiáng)度高，柔韌性好，有較好的抗拉、抗彎、抗壓和抗沖擊能力[5]，不吸水、可鉆、可鋸、可刨、易于熱成型、熱彎曲加工等特性，經(jīng)久耐用，而且價(jià)格便宜，可用于生產(chǎn)制作結(jié)構(gòu)件、玩具、管材、殼體、板材等[6]。

（2）ABS，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物，抗沖擊強(qiáng)度高、熱變形溫度高、輕便、表面硬度大、易清潔處理、尺寸穩(wěn)定、抗蠕變性好，可進(jìn)行鋸、鉆、挫、磨等機(jī)械加工，可用三氯甲烷等有機(jī)溶劑粘接，可進(jìn)行涂飾、電鍍等表面處理。主要用于制作電器殼體、箱體、零部件、低發(fā)泡品（合成材料）等[6，7]。

綜上所述，送絲裝置外觀造型按實(shí)際操作來(lái)講，最佳材料選擇為：主體用ABS塑料；卡扣、勾子、合頁(yè)、銷(xiāo)釘、定位銷(xiāo)用輕質(zhì)不銹鋼金屬；所有的接觸邊線上電鍍一層耐磨耐腐蝕金屬鐵；標(biāo)識(shí)用精雕在金屬上刻出來(lái)，再用粘接劑粘接到ABS塑料蓋子上。這樣的材料選擇既滿(mǎn)足了材質(zhì)的需求又符合了工藝的需求，還能保證它的使用年限，方便日常維護(hù)，又可以憑借圖紙和說(shuō)明進(jìn)行再生產(chǎn)。

3 部件的3D建模圖

改動(dòng)后的林肯自動(dòng)化送絲機(jī)的法蘭底盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其底部重新設(shè)計(jì)的四個(gè)孔可以與搭接彎板的托板上面的開(kāi)孔進(jìn)行連接。兩側(cè)的設(shè)計(jì)是配合通信口、進(jìn)氣口、出氣口等改進(jìn)后所得到的結(jié)果。為了整體的完整性，所設(shè)計(jì)的送絲機(jī)裝置外形如圖4所示，它能夠?qū)⒅匦略O(shè)計(jì)后的送絲機(jī)完整的保護(hù)起來(lái)，并且使得與KUKA機(jī)器人更加的渾然一體。

圖3 底板法蘭——建模圖

圖4 送絲裝置造型——建模圖

其二級(jí)蓋的開(kāi)合方式如圖5所示，可以方便地對(duì)送絲機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的操作。

圖5 送絲裝置造型——一級(jí)蓋和二級(jí)蓋的打開(kāi)方式

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）底板法蘭的設(shè)計(jì)實(shí)際上是對(duì)原底板法蘭的改造，因?yàn)樗徒z機(jī)構(gòu)的改動(dòng)引起了底板法蘭孔位的改動(dòng)，所以再設(shè)計(jì)體現(xiàn)的是孔位的調(diào)整設(shè)計(jì)，為的是迎合送絲機(jī)構(gòu)的變化。

（2）送絲裝置外觀造型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)際上是對(duì)外觀造型的準(zhǔn)確把握和功能屬性的準(zhǔn)確體現(xiàn)，通過(guò)造型分析、色彩分析、功能分析、材料分析等有效分析，將其運(yùn)用于實(shí)際需求環(huán)境中，完成它的產(chǎn)品使命，這種設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思路其實(shí)是對(duì)產(chǎn)品全生命周期管理的一個(gè)簡(jiǎn)單體現(xiàn)。

[1]李勁松.基于PUMA560工業(yè)機(jī)器人慣量前饋技術(shù)仿真研究[D].天津：天津理工大學(xué)，2015.

[2]AutoDrive 4R100&4R220.The Lincoln Electric Company. [DB/OL]http：//www.lincolnelectric.com.cn/uploadfile/201508/ 150813021648.pdf

[3]鄧小姝.現(xiàn)代家具設(shè)計(jì)中的材料應(yīng)用研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2007.

[4]侯云芬.建筑裝飾材料[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

[5]黃曉燕.塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)技術(shù)問(wèn)答[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[6]江湘蕓.設(shè)計(jì)材料及加工工藝（修訂版）[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[7]張錫.設(shè)計(jì)材料與加工工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Optimum Design of Lincoln Automation Feeder

LIANG Zi-ting，LIU Hai－xiong，YE Jun
（Qinghai University College of Mechanical Engineering，Xining Qinghai 810016，China）

In order to cope with the structural adjustment of the wire feed mechanism，so that the KUKA Welding Robot（KR 16 arc HW）and Lincoln Multi-Process Welder（Power Wave 455M）（Power Wave 455M）can connect.The chassis flange structure of Lincoln automation feeder is re-adjusted and designed.The adjusted wire feeder construction does not interfere with the movement of the KUKA Welding Robot.And in order to reflect the aesthetic and scientific of the feeder’s appearance.The optimized design solves the problem of connection bending plate that is used on automation feeder by industrial design method，in which shows industrial aesthetics.

lincoln automation feeder；structure；chassis flange；optimum design；industrial aesthetics

TH122

A

1672-545X（2017）06-0013-03

2017-03-16

青海省科技廳高新技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（編號(hào)：2014-GX-212）；青海大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：JY161735）

梁梓廷（1996－），男，山東臨沂人，本科，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造；劉海雄（1962－），男，陜西華陰人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造、信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。