箱體自動(dòng)焊接機(jī)床的研制

張良

（寧波技師學(xué)院，浙江寧波315032）

0 引言

某技工學(xué)校與某機(jī)械股份有限公司簽署校企合作協(xié)議，其中一項(xiàng)主要合作內(nèi)容是學(xué)校為該公司研發(fā)一款箱體自動(dòng)焊接機(jī)床，此專(zhuān)用機(jī)床主要為實(shí)現(xiàn)箱體類(lèi)零件的自動(dòng)焊接而設(shè)計(jì)，箱體厚度為3 mm，其外形尺寸為700 mm×500 mm×400 mm。該專(zhuān)用機(jī)床按年生產(chǎn)箱體2萬(wàn)套設(shè)計(jì)，要求完成自動(dòng)焊接機(jī)床的相關(guān)設(shè)計(jì)并實(shí)施首臺(tái)試制任務(wù)。

1 機(jī)床設(shè)計(jì)要求

自動(dòng)焊接機(jī)床主要是通過(guò)控制焊槍夾頭、搖籃架、絲杠導(dǎo)軌等移動(dòng)部件，在機(jī)床上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，控制焊槍對(duì)箱體類(lèi)零件中的側(cè)邊進(jìn)行自動(dòng)焊接加工。通過(guò)整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成焊槍夾頭與箱體類(lèi)零件相應(yīng)的合成運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)部位的焊接任務(wù)，且需保證加工完成后對(duì)箱體零件的焊接質(zhì)量要求。同時(shí)，需要對(duì)設(shè)計(jì)完成的箱體自動(dòng)焊接機(jī)床其主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度校核及誤差計(jì)算，從而提高該機(jī)床整體的設(shè)計(jì)質(zhì)量，滿足使用壽命要求。

圖1 箱體自動(dòng)焊接機(jī)床總裝圖

本課題作為某技工學(xué)校產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目，并進(jìn)行了開(kāi)題及評(píng)審立項(xiàng)。專(zhuān)門(mén)組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，通過(guò)整體專(zhuān)用機(jī)床方案設(shè)計(jì)，并重點(diǎn)確定了如下內(nèi)容：電動(dòng)機(jī)的選擇（含底座電動(dòng)機(jī)、橫梁電動(dòng)機(jī)、焊槍夾頭電動(dòng)機(jī)等）、導(dǎo)軌的選擇、絲杠的選擇（含底座絲杠、橫梁絲杠、焊槍立板絲杠）等，要求設(shè)計(jì)完成的箱體自動(dòng)焊接機(jī)床動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、迅速方便，保證加工完成后箱體的質(zhì)量要求。

2 機(jī)床設(shè)計(jì)思路

2.1 自動(dòng)焊接機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到制作成本，本設(shè)計(jì)選用龍門(mén)架式結(jié)構(gòu)，分為如下主要部分：底座，搖籃架，橫梁和立柱,如圖1所示。考慮到機(jī)床尺寸較大，故底座由100 mm×100 mm的空心方管焊接而成，以減輕重量。橫梁位置較高，考慮到裝配難度，由整體加工而成，剛性良好，重量輕，位于立柱之上。搖籃架用于幫助被加工零件的旋轉(zhuǎn)，保證焊接工藝要求。

2.2 自動(dòng)焊接機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡分析

本機(jī)床選用二氧化碳保護(hù)焊，其具有熱影響區(qū)域小，修復(fù)精度高，只有極小的焊補(bǔ)沖擊等優(yōu)點(diǎn)。其焊接運(yùn)動(dòng)軌跡如下：1）首先將搖籃架旋轉(zhuǎn)90°，將被加工零件放于延伸定位板上，側(cè)面靠攏定位板，背面轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)夾緊，焊機(jī)開(kāi)始工作。2）被加工零件放入后，焊槍夾頭下移，搖籃架通電，焊槍開(kāi)始沿圖2所示軌跡工作。3）焊槍夾頭上提，搖籃架帶動(dòng)被加工零件旋轉(zhuǎn)90°，焊槍夾頭到圖3所示位置，沿軌跡繼續(xù)加工。4）焊槍夾頭上提，搖籃架帶動(dòng)被加工零件旋轉(zhuǎn)90°，焊槍夾頭到圖4所示位置，沿軌跡繼續(xù)加工。5）焊槍夾頭上提，搖籃架帶動(dòng)被加工零件旋轉(zhuǎn)90°，焊槍夾頭到圖5所示位置，沿軌跡繼續(xù)加工。之后焊槍夾頭上提復(fù)位，搖籃架旋轉(zhuǎn)復(fù)位，即可取下被加工零件。

在以上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)特別注意兩點(diǎn)：1）加工時(shí)搖籃架是帶電的，勿直接觸碰或以導(dǎo)電體觸碰；2）搖籃架上下均留有一定空間供搖籃架與被加工零件旋轉(zhuǎn)，勿放置雜物。

圖2 焊接軌跡一運(yùn)動(dòng)演示

圖3 焊接軌跡二運(yùn)動(dòng)演示

圖4 焊接軌跡三運(yùn)動(dòng)演示

圖5 焊接軌跡四運(yùn)動(dòng)演示

3 機(jī)床主要零部件的設(shè)計(jì)

3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇

結(jié)合機(jī)床成本與加工精度要求等實(shí)際情況，選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。另考慮到本機(jī)床加工時(shí)需要的轉(zhuǎn)速不高，故以所需轉(zhuǎn)矩要求為主要指標(biāo)來(lái)選擇電動(dòng)機(jī)。

底座電動(dòng)機(jī)需驅(qū)動(dòng)的工作臺(tái)與被加工零件的重量為G=V×ρ，由碳鋼密度ρ=7800 kg/m3，得G=170 kg；根據(jù)公式T=F×L×fs，查得fs=0.01。故最終底座電動(dòng)機(jī)T=12 N·m。同理計(jì)算橫梁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T=6 N·m，焊槍夾頭立板電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T=2 N·m?？紤]到誤差等因素，應(yīng)取轉(zhuǎn)矩稍大一點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)與相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 箱體自動(dòng)焊接機(jī)床電動(dòng)機(jī)的選型

3.2 導(dǎo)軌的選擇

參考同類(lèi)型機(jī)床，常用導(dǎo)軌有直線圓柱導(dǎo)軌與直線方軌，考慮到本機(jī)床的體型略大，如若用方軌，安裝難度較大，安裝面尺寸過(guò)長(zhǎng)且不易加工，而直線圓柱導(dǎo)軌能滿足加工精度要求，故選擇直線圓柱導(dǎo)軌。

3.3 絲杠的選擇

本機(jī)床選擇滾珠絲杠，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：摩擦損失小、傳動(dòng)效率高、精度高，可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給和微進(jìn)給，軸向剛度高。

1）底座絲杠的選擇。選用絲杠材料為GCr15，以保證強(qiáng)度要求。

圖6 箱體自動(dòng)焊接機(jī)床（試制機(jī)）實(shí)物圖

抗扭截面系數(shù)為Wn=πD3/16，塑性材料［τ］=(0.6～0.8)［σ］，因GCr15屈服強(qiáng)度為518.42 MPa，代入得［τ］=311 MPa，16×170×9.8×0.5D/(3.14×D3)≤311，故D≥13.6 mm。

2）橫梁絲杠同理計(jì)算得，D≥6.7 mm。

3）焊槍立板絲杠同理計(jì)算得，D≥3 mm。

3.4 驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速器的選擇

因搖籃架在加工零件過(guò)程中需旋轉(zhuǎn)90°并完成自鎖，故應(yīng)選擇具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速器NMRV050（速比為1：30）及其步進(jìn)電動(dòng)機(jī)110BYG350（12N·m）作為搖籃架處的驅(qū)動(dòng)單元。轉(zhuǎn)矩T=F×L×fs=72×9.8×0.426×0.15=45 N·m，小于360 N·m（額定轉(zhuǎn)矩），故滿足使用要求。

3.5 主要軸結(jié)構(gòu)的確定

本機(jī)床涉及2個(gè)尼龍?zhí)纵S的設(shè)計(jì)，其基本構(gòu)造原理相同，現(xiàn)舉其中1根較復(fù)雜的進(jìn)行主要說(shuō)明，另外1根同理設(shè)計(jì)，在此不再敘述。

1）結(jié)構(gòu)的確定。因搖籃架工作時(shí)為導(dǎo)電體，故2根連接軸需進(jìn)行絕緣處理（加尼龍?zhí)祝渲?根作為電流的輸入端，需在軸端打孔以便接電線。

2）軸強(qiáng)度的計(jì)算。因該自動(dòng)焊接機(jī)床傳遞功率不大，并對(duì)質(zhì)量及結(jié)構(gòu)尺寸無(wú)特殊要求，故選常用材料45鋼，由于輸入軸為轉(zhuǎn)軸，故按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算軸徑,公式為

軸的材料為45鋼，查得τ取30，T=F×L×fs，由fs=0.15，代入上列公式，

3)軸加工工藝的確定。因連接軸在本機(jī)床工作中起到了至關(guān)重要的作用，為此，需嚴(yán)格控制加工質(zhì)量，規(guī)范加工工藝，現(xiàn)就其中較復(fù)雜的軸加工工藝說(shuō)明如下，另一根軸同理：備棒料毛坯件→45鋼軸調(diào)質(zhì)處理220～240 HBS→車(chē)45鋼φ30至尺寸→車(chē)尼龍66的φ25孔至尺寸→銑45鋼花鍵槽至尺寸→加熱45鋼至尼龍66熔點(diǎn)259℃，放入尼龍66的φ25孔中→車(chē)外圓φ84至尺寸，精車(chē)左端面→粗車(chē)φ52、φ40、φ25，留2 mm加工余量→鉆2個(gè)φ5銷(xiāo)孔至尺寸→鉸φ5孔，放入2個(gè)φ5銷(xiāo)孔，封口→精車(chē)φ52、φ40、φ25至尺寸，精車(chē)右端面至尺寸→銑左側(cè)長(zhǎng)90寬8槽至尺寸→鉆4-φ7通孔至尺寸→鉆90°，倒角深2 mm→檢驗(yàn)入庫(kù)。

3.6 機(jī)床主要零（部）件使用情況

箱體自動(dòng)焊接機(jī)床（試制機(jī)）實(shí)物如圖6所示。

本箱體自動(dòng)焊接機(jī)床關(guān)鍵零（部）件包括立柱、底座、工作臺(tái)底板、底座總成、絲杠墊塊、Y軸工作臺(tái)左板、減速器支座、Y軸工作臺(tái)右板、電動(dòng)機(jī)安裝板、工作臺(tái)、搖籃架工作臺(tái)、搖籃架（左右板）、尼龍?zhí)谆ㄦI軸、尼龍墊片、尼龍?zhí)走B接軸、壓板、鎖緊桿、定位塊、鎖緊盤(pán)、定位勾、橫梁電動(dòng)機(jī)安裝支架、X軸工作臺(tái)、Z軸工作臺(tái)、X軸電動(dòng)機(jī)安裝支架、橫梁、連接桿夾頭、焊槍夾頭、連接桿等，相關(guān)主要零（部）件規(guī)格尺寸如表2所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本箱體自動(dòng)焊接機(jī)床與傳統(tǒng)的手工焊接加工箱體零件相比，生產(chǎn)效率提高了約6倍，箱體零件的焊接質(zhì)量一致性好，焊接部位美觀，沒(méi)有手工焊接的焊點(diǎn)不均勻現(xiàn)象，并可避免手工焊接中如操作者水平、個(gè)人情緒、身體狀況和熟練程度等各種因素的影響，保證了焊接的可靠性和一致性，同時(shí)降低了管理難度和生產(chǎn)成本，減少了操作人員和檢驗(yàn)人員數(shù)量，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力大大提高。

表2 箱體自動(dòng)焊接機(jī)床主要零（部）件規(guī)格尺寸

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2010：65.

[2] 張秉榮.工程力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011：45.

[3] 王宛山.機(jī)械制造手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002：15-18.

[4] 黃鶴汀.機(jī)械制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004：101-102.

[5] 楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006：93-94.

[6] 王啟平.機(jī)械制作工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004：61.

[7] 鄧昭銘,張瑩.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2006：211.

[8] 劉國(guó)平.螺旋簡(jiǎn)體對(duì)接焊縫自動(dòng)焊接技術(shù)研究 [J].鍋爐技術(shù),2017(2)：61-62.

[9] 呂銀娟.薄板H型鋼不清根焊接研究[J].酒鋼科技,2017(1)：28-29.

[10]劉旭.基于缺口應(yīng)力法的轉(zhuǎn)向架焊接接頭疲勞性能分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2017(3)：43.

[11]任勇.帶式輸送機(jī)傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) [J].化學(xué)工程與裝備,2015(1)：119-120.

[12]張良.自動(dòng)切槽專(zhuān)用機(jī)床的研制[J].機(jī)械工程師,2016(4)：217-218.

[13]吳雪薇.光伏焊帶的制備與性能研究[D].上海：上海交通大學(xué),2013.