手工焊机自动化改造研究毕业论.doc

青岛科技大学本科毕业设计（论文）前 言螺柱焊接技术自从20世纪上半叶产生以来，因其具有经济、可靠、焊接效率高等一系列优点，得到了广泛的推广和应用。我国对螺柱焊接技术的研究相对较晚，近十年才开始商业化生产，螺柱焊接技术的水平与发达国家相比，还有较大的差距。目前国内的螺柱焊接多为手工焊接，焊接效率低，焊接质量不高，严重制约企业的发展。针对这种现状，本课题主要研究对手工焊机进行自动化改造，内容包括机械结构部分的设计及运动仿真。第一章主要介绍了焊接技术的发展历史、分类、广泛的应用区域以及发展趋势。第二章主要对螺柱焊接技术进行了简单的介绍，包括螺柱焊接的基本概念、分类以及应用领域等，同时阐述了本课题的主要研究内容和现实意义。第三章介绍了螺柱焊机的分类、机械结构以及螺柱焊机的焊接参数等，并对电弧式螺柱焊接的特点、应用领域、焊接材料进行了详细的介绍。第四章电弧螺柱焊机的设计。第五章送料装置的选择。第六章总结与展望。由于作者水平有限，论文中的不足之处甚至错误在所难免，恳请批评指正深表谢意!1. 绪 论1.1 引言焊接技术是现代一项重要的制造技术，是目前应用最广、最重要的金属材料的永久连接方法。其基本原理是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。在焊接技术里，常采用的施加外部能量的方法有加热和加压两种：加热就是把材料加热到熔化状态，或者材料加热到塑性状态；加压则是使这个材料产生塑性流动。焊接的优点非常突出，它连接的部件和材料能具有很高的性能。用焊接方法连接起来的部件或材料，能和材料原来的性能完全一样，特别是它的动载性能好，在一些运动载体上运用焊接特别普遍。焊接还具有高可靠性，由于焊接使部件或材料永久地连接在一起，所以能够在很长的寿命期间内，安全地工作。另外，焊接又具有非常高的适应性，无论在何种环境下都能进行焊接，焊接的适应性在所有连接方法里边是最广的。同时焊接又有很高的效率，焊接能完全适应大规模的批量生产。焊接已经应用到机器制造业的所有部门，现在正在往其它领域扩张，例如医疗领域等。在现实生活中应用较多的焊接方法是埋弧自动焊、气体保护焊和激光焊。埋弧自动焊是在1940年发明的一种新的焊接方法，采用专门炼出来的焊药进行渣保护。采用焊丝作为焊接材料，通过送焊丝的装置和焊丝盘，可以在焊接过程中连续地送进焊丝。连续送进的焊丝，在可熔化的颗粒状的焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材和焊剂的一部分熔化、蒸发构成一个空腔，电弧是在空腔内稳定燃烧。电弧焊的优点有：完全实现了自动化；在埋弧底下进行焊接，因而热交换和保护性能比较强，焊接出来的质量比较高；埋弧自动焊中电弧埋在焊药底下，因而可以采用大电流，焊接效率比较高。 电弧焊的另外一种类型是气体保护焊，它的特点是采用气体进行保护。一般的情况下采用惰性气体，也就是采用氩气。因为氩气和几乎所有元素都不发生化学反应，而且氩气比较重，能够比较干净地排除掉空气。也可采用活性气体，就是在氩气中间加3%到5%的二氧化碳。加了这部分的二氧化碳以后，气体就不完全是惰性气体，还带有一定的活性。采用这种气体进行保护，能够使黑色金属的焊缝很规则。 激光焊是最近几年发展起来的一种高能量的焊接方法，用激光来加热。激光焊可以穿透透明介质，能够焊到透明介质容器的里边去，这是其它焊接方法难以做到的。这种方法在医学里应用广泛，比如有些患者视网膜脱落，现在就可以用激光的办法，透过眼球将视网膜焊到眼球后面。激光焊的另外一个优点是不需要真空保护。现代，激光焊在各个领域都有非常广泛的应用1。由于电弧焊在现代生产领域的重要性，作为电弧焊的一种，螺柱焊接技术也受到了各国焊接工作者的重视。螺柱焊是指在螺柱金属件的端面与另一金属工件表面之间产生电弧，待接合面熔化时迅速施加压力，完成焊接的一种方法。螺柱焊接方法起源于1918年，由于这种焊接新技术具有快速、可靠、简化工序、降低成本等优点，引起了世界各国的普遍重视。经过不断地改进和完善，特别是二次世界大战后得到了迅速发展，现已广泛应用到桥梁、高速公路、房屋建筑、造船、汽车、电站等行业。可焊接低碳钢、不锈钢、低合金钢、铜、铝及其合金材质的螺柱、焊钉、销钉、栓钉等。近年来我国经济建设发展迅速，使用螺柱焊接的领域也越来越广泛，因此有必要对螺柱焊接技术和焊接工艺进行深入研究，以便提高焊接质量，推广普及这种焊接技术。螺柱焊接技术发展到今天，已经成为西方发达国家的一种基本的热加工方法，螺柱（焊钉）的焊接大约有80%以上是通过螺柱焊机完成的。而我国1986年在成都试制成功第一台螺柱焊机，90年代开始推广应用。目前，螺柱焊在我国还是一种刚刚兴起的行业，不论焊接设备，还是焊接工艺都与国外有不少差距2 。1.2 螺柱焊接技术的现状分析1.2.1 我国螺柱焊接技术的现状据不完全统计，我国目前虽然有一些厂家能生产螺柱焊机，但有能力生产系列产品的仅有一家，其主要产品包括RSR1-630、1250、1600、2500、3150等型号的电容放电螺柱焊机(可焊3mm12mm的螺柱)，RSN1-630、1000、1600、RSN2-2500、3150等型号的电弧螺柱焊机(可焊3mm30mm的螺柱）等等。这些焊接设备基本上能满足手工螺柱焊的市场需求。我国生产的电容放电螺柱焊机的技术性能和可靠性已与进口产品不相上下，有些指标甚至优于进口产品，例如电容充电时间已达到2s，而进口产品大多为4s。所以有些用户已由购置进口产品转而使用国产焊机。但从总体上看，我国螺柱焊接技术与国外相比，仍有不少差距： 1.国产焊机在控制、焊机、体积重量、外观质量等方面与进口焊机相比有不小的差距； 2.由于国内自动螺柱焊接设备还处于开发阶段，所以国内市场上的自动螺柱焊接设备基本上靠进口；3.由于我国“栓钉穿透焊、栓钉横焊和仰焊”等焊接工艺的不成熟，所以国内的螺钉的焊接结合率不高；4.我国还没有制定“螺柱焊接工艺”标准，也没有统一的质量检验和工程验收标准，这是我国在螺柱焊接技术上与国外的差距之一。1.2.2 国外螺柱焊接技术的现状国外的螺柱焊接技术的发展经历了相当长的历史，20世纪40年代是螺柱焊接技术产生和发展的阶段，和国内现阶段颇有相似之处。70年代中期到80年代是国际上螺柱焊接技术长足发展与水平发生跳跃的10年，在这段时间内成功的解决了自动送料与多机单元的螺柱焊接系统，并实现了产品的商品化。而当前螺柱焊接系统的发展主要体现在计算机技术、机器人技术与逆变技术在中的成功应用。 国外焊接设备生产商出现了IGBT全桥逆变式主电路结构，控制系统都是以模拟时序电路加驱动电路的控制模式。如：德国TUCKER公司的TSG2000PES型IGBT单端正激逆变式微机控制螺柱焊机已经进入中国市场很多年了。IGBT逆变式螺柱焊机无论从控制方式的实现上，还是从控制精度，焊机性能上都要好于可控硅逆变式螺柱焊机。它们综合采用计算机技术、机器人技术和PROFIBUS技术为焊接设备的数字控制系统实现提供了技术支持，这种控制系统与传统的模拟控制电源设备的控制系统相比精度更高、过程监控更容易实现，良好的人机交互界面和动态交互的控制程序使一机多用和多机协调工作成为可能。1.3 螺柱焊接技术的发展趋势螺柱焊接技术的今后发展趋势主要是扩大应用范围、提高螺柱焊接自动化水平和焊接设备的更新换代。其中硬件的发展是关键，即将晶闸管控制的焊接电源升级为逆变式焊接电源。目前逆变使用的开关元件有快速晶闸管和IGBT两种。前者的逆变频率较低，只有几KHZ，但输出功率较大；后者频率较高，有十几KHZ，但输出功率较低。从电源的动特性、体积重量等方面考虑，IGBT应该是发展方向。目前已投入使用的逆变式螺柱焊接电源的输出电流约1000A，可焊12mm的螺柱，主要应用在汽车行业3。1.4螺柱焊接技术的应用领域现代，螺柱焊接技术主要应用在以下领域：1.重型机械制造领域。由于一些重型机械机体不易穿透钻孔实现螺栓连接，可将较粗直径螺柱利用电弧螺柱焊机焊接在大型母体上，用来连接其它金属或非金属零件。更重要的是，可将合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金、钛合金等材料的螺栓，焊接在相同材料或不同材料的母体上4。 2.车体、船体的箱体结构制造领域。在车体、船体的箱体结构上，往往需要加内墙板(金属或非金属)和其他零部件进行连接，采用电弧螺柱焊可具有省工、省事和不伤及外墙母体的一系列的优点5。 3.锅炉和石化领域。电弧螺柱焊广泛应用在保温层和夹壁水冷槽的制造领域。 4.桥梁建设领域。现在很多公路桥大多采用钢梁与钢筋混凝土桥面组合为一体的组合结构，在正常受力情况下主要是受剪应力6。 5.高层建筑及其他工业及水工建筑工程领域。在高层建筑及其他工业建筑工程中，几乎都有钢柱与钢筋混凝土基础或钢柱与横向钢筋混凝土现浇构件的连接，这就需要在钢制构件上用电弧螺柱焊机焊接栓钉7。 1.5 本课题研究的内容及现实意义1.5.1 本课题研究的内容针对国内螺柱焊机焊接效率低、焊接质量不高的现状8，本课题对原有螺柱焊机进行改造，把手工焊机改造为自动供料的电弧螺柱焊机。主要研究内容为： 1.焊机整体结构的设计，主要包括上下导轨、电磁铁与焊接电缆。焊机中主要构成部分为夹持机构，电磁力提升机构和弹簧压下机构。2.夹具的设计，在设计过程中对各种夹具进行了比较和研究，考虑到焊机自动控制的方便性和在市场上购买时的价格等方面的因素，最后决定采用对弹簧夹头。3.焊机的四个动作主要包括：预压，提起引弧，保持，送下。工作过程主要是：首先是步进电机正转，上导轨带动焊机头前进，直到焊机头与工件以之间有一小段距离，步进电机停止工作。螺柱通过振动盘进入软管，用空气压缩机将螺柱压入弹簧夹头，将其夹紧。然后电磁铁通电，由于电磁力将弹簧夹头和螺柱提起。保持一段时间后，电磁铁断电，由于弹簧力的作用螺柱被高速送下。4.焊机整体机构的三维图，用Solidworks 软件画出焊机整体机构的三维图5.同时为了提高精度，在焊机的头部安装了一个自制的保护瓷圈。1.5.2 本课题的现实意义我国焊接设备总的趋势是向高效、节能、机电一体化和成套方面发展。数控焊接机床是焊接设备发展的一个趋势，也是焊接发展的一个阶段。数控焊接机床具有生产率高、加工精度高和加工质量稳定等一系列优点, 迎合了当今焊接业的发展方向。本课题研究的自动供料电弧式螺柱焊机，是由手动焊机向数控焊接机床转变的一个中间产物，为将来数控焊接机床的产生奠定了一定的基础。5青岛科技大学本科毕业设计（论文）2. 螺柱焊机的简介2.1 螺柱焊机的基本概念螺柱焊机是快速焊接螺柱及其类似形状工件的专用设备，焊接速度快，可替代铆接、钻孔、手工电弧焊、电阻焊和钎焊。完全克服了传统焊接易烧穿、烧焦、变形、焊后表面需抛光处理等缺点，同时也可焊接表面已喷塑、喷漆的产品，并且能保证表面不会有焊痕。具有快速、经济、方便、质量可靠等优点，最适合表面要求较高的产品的焊接9，主要的参数有：1.焊接极性：1）焊接黑色金属时，应采用“直流正接”，即螺柱（焊机）接焊接电源的负极，工件接正极，这样可以增加熔深。因为焊接时，阳极的温度高于阴极的温度。2）焊接铜、铝及其合金时，应采用“直流反接”，即螺柱接正极，工件接负极。这样可以利用正离子的轰击雾化作用，清除工件表面的氧化层，提高焊接质量。2.焊接材料：螺柱焊可焊接低碳铡、低合金钢、钢、铝及其合金材质制作的螺柱、焊钉、销钉以及各种异型钉，广泛适用于钢结构的高层建筑、体育场馆、高速公路、造船、汽车、电站、电控柜等行业。螺柱焊技术之所以能够快速发展,就是因为在很大程度上能适应于不同材料之间的焊接。例如：成都斯达特焊接研究所采用螺柱焊技术为用户成功解决了M16不锈钢螺柱与厚20mm铬锆铜之间的焊接难题，避免了昂贵的设备进口。在镀锌钢板上进行焊接历来也是个困难的问翘，原因是锌的熔点低，易在焊缝中出现气孔和产生热裂纹。但是通过编制合理的焊接工艺，就能够得到满意的效果。对于铝镁合金的焊接则是螺柱焊接技术面临的另一课题，因为汽车行业面临能源和环保的双重压力，不得不用铝镁合金代替钢材，以减轻汽车本身的重量。2.2螺柱焊机的分类螺柱焊机分为电弧螺柱焊机和电容放电螺柱焊机两大类，前者以弧焊整流器作为电源进行焊接，后者则以电容贮存的能量瞬间放电而进行焊接。2.2.1 电弧螺柱焊机电弧螺柱焊机是由焊接电源、控制器、焊机、地线钳、焊接电缆等部分组成。但大多数焊接设备的焊接电源都与控制器合并为一体，称为主机。比较先进的控制方式是使用微处理器，以便精确设置和适时控制焊接过程中的焊接电流、焊接时间等参数。焊接电源一般为晶闸管控制的或逆变式的弧焊整流器。逆变式的弧焊整流器体积小、重量轻、动特性好、虽然是焊机的首选，但受大功率器件的限制，所以目前大容量的焊机还是以晶闸管控制的弧焊整流器为主。但不论哪种结构的焊接电源，其安全要求都应符合GB15579的规定。用于螺柱焊的直流焊接电源应具有以下特点：1.焊接电源应具有下降的静外特性。只有具有下降的静特性，才能维持电弧的稳定性，保证焊接质量。2.焊接电源应有较高的空载电压（70100V）。焊接电源只有具备了较高的空载电压才可以确保100的引弧成功率。对于大直径的螺柱焊接，其空载电压甚至超过100V。3.要有较高的负载电压。由电弧焊电源下降特性的定义可知：当焊接电流600A时，其负载电压应保持44V不变。施工现场使用的焊机，焊接电缆较长，电压降很大。如果不增加负载电压加以补偿，就会降低其焊接能力，甚至无法焊接。4.焊接电流要有陡升的前沿。螺柱焊接的最大特点是瞬间产生大电流，要求焊接电源在接通后的32ms之内，焊接电流应达到其峰值。对于短周期螺柱焊，其焊接电流的上升时间应该更短，否则就有可能出现焊接时间已到，但焊接电流还没有达到其峰值的现象。如果设定的焊接电流与螺柱焊接所得到的能量不成比例，就很难保证焊接质量。5.供电的电源箱应有足够的容量。电弧螺柱焊机消耗的平均功率虽然很低，但瞬间功率却很大。大直径螺柱焊接时，瞬间功率甚至超过300kw，这就要求供电的电源箱应有足够的容量，以满足螺柱焊接的要求。如果供电电源的容量较小，在焊接时，电源电压的降低达到其额定值的15以下，超过了晶闸管的调压稳流的范围时，就很难保证焊接质量，有些焊机甚至会强制停机。图2-1是成都化远电器设备有限公司生产的电弧螺柱焊机，它的主要特点是焊接电流可以无级调节，数显预置，保证焊接质量和合格率。电网波动自动补偿功能，施焊电流不受电网电压波动影响。可控硅整流，高承载率设计，主电路无触点控制，可靠性极高。焊机的下降阻尼可调，减少飞溅，提高焊接可靠性。自动、手动选择功能，特别适合多层穿透焊等特殊场合。 同时还具有自动检测功能，能检测起弧可靠性和焊机提升量10。图2-1 电弧螺柱焊机Fig.2-1 Arc stud welder表2-1 电弧螺柱焊机【 参 数 表 】Tab 3-1 arc stud welder型号RSN-120RSZ-1600RSN-2500电源三相380V/50Hz三相380V/50Hz三相380V/50Hz额定输入功率21KVA37KVA80KVA焊接电流调节范围120-1200A160-1600A250-2500A可焊螺柱直径4-12mm6-16mm8-25mm可焊螺柱长度400mm400mm400mm电源净重170kg235kg365kg外型尺寸800X465X635mm880X650X760mm950X650X810mm2.2.2 电容放电螺柱焊机电容放电螺柱焊的特点是时间短、热变形小，适合薄板的螺柱焊接，在造船、汽车、电控柜、橱柜等行业应用广泛。电容放电螺柱焊不用气体保护，操作也比较简单，符合自动化生产的要求，这种焊接技术已广泛应用于汽车焊接的生产线。螺柱焊接的生产率取决于电容器的充电速度，可以达到8个/分钟（手工焊），60个/分钟（自动焊）。下图所示是北京永创工贸有限公司独家中国地区总代理的德国OBO电容储能式螺柱焊机，具有高度的可靠性和广泛的用途。它具有以下特点：1.设计先进，在所有主流储能螺柱焊机中能量输出最高；2.采用逆变技术，体积小，重量轻，易于操作(主机10.5Kg，最重11.5Kg)；3.适用材料广泛，可焊接低碳钢、不锈钢、铜合金、铝合金等多种螺柱；4.焊接效率高，最高可达40枚/分钟；5.采用220V交流电源，无需使用三相电源，并且具有超宽电压输入范围； 6.内置恒温风扇和过热安全控制；7.节能效果显著。 图2-2 电容储能式螺柱焊机Fig.2-2 CD stud welder电容螺柱焊分为拉弧式和引弧梢式两种。拉弧式电容放电螺柱焊类似于拉弧式短周期电弧螺柱焊，其焊接时间约为310ms。引弧梢式电容放电螺柱焊的特点是欲焊螺柱的端面有一引弧尖梢，它又分为接触式和间隙式两种。接触式螺柱焊的焊接时间3ms，而间隙式螺柱焊的焊接时间大约为1ms。采用间隙式电容放电螺柱焊，焊接铝及其合金时也可以不用气体保护，并且电容放电螺柱焊的焊接时间都是不可调节的。电容放电螺柱焊的焊接能量依赖于电容器的电容量和充电电压，可按下式进行计算： W=CU2 （2-1）式中：W焊机的额定储存能量J； C电容器组的总电容量F； U充电电压V。电容放电螺柱焊的焊接电流的峰值约为100010000A，峰值的大小取决于电容器的电容量、充电电压和焊接回路的电感和电阻。从安全方面考虑，充电电压一般不超过200V。电容放电螺柱焊机都应设有限流保护装置或恒流充电装置以及自动放电装置，以保护人身和设备的安全。3. 电弧螺柱焊机3.1电弧螺柱焊机的结构及工作原理电弧螺柱焊是电弧焊接的一种。在焊接过程中，类似螺柱的紧固件和焊件的接触表面被在它们之间引燃的电弧加热和熔化，然后快速挤压在一起形成焊缝。其中引弧、电弧燃烧时间和挤压过程是自动控制的。实现电弧螺柱焊接必须具备的设备有：焊接电源、焊接时间控制器以及螺柱焊机。普通电弧螺柱焊由于具有焊接熔深大、接头强度高等特点，主要应用于建筑、桥梁、造船及一般的重型机器制造业。焊接材料通常为碳钢和不锈钢等黑色金属，螺柱的尺寸通常在直径10mm以上。传统电弧螺柱焊机有手提式和固定式两种,其主要结构和工作原理是相同的。从电弧螺柱焊发明到现在,电弧螺柱焊机的结构基本是延续了最早的设计原理，改进的只是外形及性能。 传统电弧螺柱焊机的主要结构如下图所示：1:定铁心;2:电磁线圈;3:弹簧;4:螺柱;5:夹具;6:动铁心图3-1 传统电弧螺柱焊枪的一般结构Fig.3-1 General structure of traditional arc stud welding gun主体结构由电磁线圈、弹簧结构及铁心构成。在焊接过程中，螺柱运动的实现主要由线圈的通断电和弹簧的压缩、释放来完成。 利用线圈弹簧式焊机进行电弧螺柱焊接的过程如图3-2 所示：1.焊机夹持螺柱置于工件上并进行预压，弹簧压缩一定距离；2.扣动焊机开关，焊机中的电磁线圈通电，使得动衔铁产生向上的运动，螺柱也随之提起一定高度，与此同时接通焊接电源，螺柱和工件间在焊接电流的作用下提起。3.在提起高度位置保持一段时间，电弧充分燃烧，在工件上形成焊接熔池；4.焊接预设时间到，电磁线圈断电，在弹簧弹力和动铁心自身重力的作用下，螺柱送下至熔池完成焊接。在焊接过程中，焊机所完成的动作为：预压-提起引弧-保持-送下。 图3-2 电弧螺柱焊的焊接过程Fig.3-2 Diagrams showing stud-welding principles3.2 电弧螺柱焊机的焊接工艺参数电弧螺柱焊机的焊接工艺参数有焊接电流、焊接电压、焊接时间、提升高度、伸出长度、插入速度等。1.焊接电流 焊接电流主要根据螺柱的直径进行调节，大约为3003000A。对于非合金钢，在已知螺柱直径为d时，可以用下式估算焊接电流： I（A）=80d（mm） d16mm （3 - 2） 对于合金钢，其焊接电流大约比上式计算值少10。 短周期电弧螺柱焊的焊接电流（6001500A）与电源有关，是固定的，因此，焊接能量仅依赖于焊接时间。 2.电弧电压焊接电压与电流的关系是由焊接电源的静外特性决定的。电弧电压主要取决于提升高度和焊接电流，其值一般为2040V。焊接时，工件表面上的油或油脂会增加弧压，而惰性气体则会降低电弧电压。 3.焊接时间 对于平焊（工件焊接平面平行于地平面），其焊接时间可用下式进行估算： tw（s）=0.02d（mm） d12mm （3 - 4） 对于横焊（工件焊接平面垂直于地平面），其焊接时间应该减小。短周期焊接时间小于100ms，这不仅取决于螺柱直径，而且还与电流强度有关。 4.焊柱的提升高度螺柱的提升高度要正比于螺柱的直径，大约为1.57mm。提升高度主要是为了防止熔滴过渡时造成短路而影响电弧的稳定性及焊缝质量。同时也可以维持电弧的稳定，为焊接提供足够的能量至关重要。穿透焊接时，要增加提升高度，利用电弧的高温迅速烧穿镀锌板，以获得满意的接头。增加提升高度也有两方面的害处：一方面会增加电弧的长度，使之易受磁场的影响，发生磁偏吹；另一方面会增加焊缝的气孔。 5.螺柱的伸出长度螺柱的伸出长度要正比于螺柱的直径，一般为18mm。当使用瓷环对熔池进行保护时，也与焊缝四周焊脚的形状有关。当要求周边的焊脚高而宽时，螺柱的伸出长度应该增加，反之则可以减小。 螺柱的伸出长度实际上是螺柱的熔化长度，此值若设计的过长，在螺柱提升后螺柱端面与工件之间的距离过短，无法形成稳定的电弧，造成大量的金属飞溅并出现夹渣缺陷；若螺柱伸出长度过短，金属熔化量不足，会造成焊缝成型不良。 6.螺柱插入熔池的方式螺柱插入溶池应采用挤压的方式，这种方式会使焊缝成型前的瞬间将熔化的有害物质挤出焊缝，形成良好的焊接接头。但插入速度又不可太快，以防止形成大量的喷溅。螺柱的插入速度为：当螺柱的直径d14mm时，为100mm/s。 焊接电流、 焊接时间、提升高度和伸出长度是电弧螺柱焊的四个主要焊接工艺参数，应根据螺柱的直径和工件的材质进行设定。对于同一螺柱直径的焊接，使用不同厂家制造的焊接设备，其焊接工艺参数是不相同的，因此应进行多次试焊，并对焊缝的外观和成型、螺柱焊后高度和力学性能（拉伸、锤击、弯曲、扭力等）评定后，才能选定一组最佳的工艺参数进行焊接10。4. 电弧螺柱焊机的设计4.1 电弧螺柱焊机的整体设计自动电弧式螺柱焊机主要由供料机构、控制机构、机械部分以及空气压缩机等几部分构成。本课题主要是对螺柱焊机的机械部分进行了设计。4.1.1方案一的设计焊机的四个动作主要包括：预压，提起引弧，保持，送下。考虑到焊机的运动部分的设计采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。目前比较常用的步进电机有反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等10。步进电机的主要基本参数有：1.电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如57BYG350BL型电机给出的值为0.6/1.2（表示半步工作时为0.6、整步工作时为1.2），这个步距角可以称之为电机固有步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。2.步进电机的相数是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。用户在驱动器上改变细分数，可以改变步距角。3.保持转矩是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。4.锁住力矩是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。目前比较常用的步进电机有反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大；反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩；混合式步进电机混合了永磁式和反应式的优点，它分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 根据步进电机的参数以及以及混合式步进电机的优良性能,通过查阅下表，我选取56BYG250BL-SASSML-0601型的混合型步进电机作为焊机的动力机构。表 4-1步进电机的类型Tab 4-1 type of stepper motor货物编号型号相数步距角（）静态相电流（A）相电阻（） 相电感（mH）06209156BYG250B-SASSML-060130.6/1.260.360.6906209256BYG350C-SASSML-060130.6/1.260.361YG350C-SASSML-060130.6/1.260.361.64保持转矩N.m定位转矩N.m电压VDC重量Kg转动惯量gcm0.450.0724-700.51000.90.0824-700.752201.50.0824-701.1380具体尺寸为：图 4-1 步进电机的具体尺寸Fig.4-1 The concrete size of step-by-steps the electrical machinery 56BYG250BL-SASSML-0601型的混合型步进电机的三维造型图 4-2 步进电机的三维造型Fig.4-2The three dimensional view of step-by-steps the electrical machinery 步进电机是在本焊机中的作用是为滑块提供功力的部件，当电动机正转的时候，带动丝杠向右转动，由于丝杠与丝杠螺母配合，使得上滑道朝要焊接的工件方向移动。当完成一个焊接动作时，步进电机反转，带动丝杠向左转动，上滑道又回到原始位置。考虑到直线电机也可以提供动力所以有了方案二的设计。4.1.2方案二的设计直线电机同样可以实现焊机的预压和提起引弧，所以对直线电机进行设计。直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。对应旋转电机定子的部分叫初级，对应转子的部分叫次级。在初级绕组中通多相交流电，便产生一个平移交变磁场称为行波磁场。在行波磁场与次级永磁体的作用下产生驱动力，从而实现运动部件的直线运动由定子演变而来的一侧称为初级，由转子演变而来的一侧成为次级。由于在运行时初级和次级之间要做相对运动，如果在运动开始时，初级与次级正巧对齐，那么在运动中，初级与次级之间互相耦合的部分越来越少，而不能正常运动。为了保证在所需的行程范围内，初级和次级之间的耦合能保持不变，因此世界应用时，是将初级与次级制造成不同的长度。由于段初级在制造成本上，运行的费用上均比短次级低得多，因此一般采用短初级长次级。步进电机的主要基本参数有：1.最大电压( max. voltage ph-ph) 最大供电线电压，主要与电机绝缘能力有关。2.最大推力(Peak Force) 电机的峰值推力，短时，秒级，取决于电机电磁结构的安全极限能力。 3.最大电流(Peak Current) 最大工作电流，与最大推力想对应，低于电机的退磁电流；4.最大连续消耗功率(Max. Continuous Power Loss) 确定温升条件和散热条件下，电机可连续运行的上限发热损耗，反映电机的热设计水准；5.最大速度(Maximum speed) 在确定供电线电压下的最高运行速度，取决于电机的反电势线数，反映电机电磁设计的结果；6.马达引力(Motor Attraction Force) 平板式有铁心结构直线电机，尤其是永磁式电机，次极永磁体对初级铁心的法向吸引力，高于电机额定推力一个数量级，直接决定采用直线电机的直线运动轴的支撑导轨的承载能力和选型按结构形式分类直线电机的分类在不同的场合下有不同的分类型式。按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型（管型）、圆盘型和圆弧型四种。扁平型直线电机，即为一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和双边型之分。每种型式下又分别由短初级长次级或长初级短次级。圆筒型直线电机，即为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机。这种直线电机一般均为短初级长次级型式。圆盘型直线电机，即为电机的次级是一个圆盘，不同型式的初级驱动圆盘次级做圆周运动。其初级可以是单边型也可以是双边型。圆弧型直线电机，它的运动形式是旋转运动，且与普通旋转电机非常接近。圆弧型与圆盘型的主要区别，在于次级的形式和初级对次级的驱动点有所不同。直线电机的主要尺寸图 4-3直线电机的主要尺寸Figure 4-3 linear motor size所选步进电机的三维造型图 4-4直线电机的三维造型Figure 4-4three-dimensional modeling of the linear motor直线电机的正转带动与他相连的导杆将经送料结构进入软管的螺柱推入焊枪进而进行预压和提起引弧等环节。4.1.3两种方案的比较方案一的步进电机和方案二直线电机都可以实现预压环节但考虑到提起引弧这一环节，如果用直线电机提起引弧环节还得考虑用步进电机比较麻烦，而且速度也比较缓慢，综合考虑各方面的因素决定采用方案一用步进电机，步进电机提起引弧这一环节是用电磁铁来实现的。所以焊机的整体设计采用步进电机。 下图是电弧螺柱焊机的三维视图以及主要零部件的介绍图 4-5 电弧螺柱焊机的三维视图Fig4-5 The three dimensional view of welding torch 图5-2是电弧螺柱焊机的主要尺寸（单位 mm）图 4-6 电弧螺柱焊机的主要尺寸Fig.4-6 The main dimension of welding torch设计过程中的主要步骤：1.传动部分的设计这一部分的主要运动是横向进给运动，也就是导轨的来回往复运动以及在电磁铁的作用下动衔铁和焊机头的往复运动，这个运动涉及主传动的动力源，动力源的安装位置，丝杠的设计，还有丝杠位置的调整，横向机构丝杠设计问题，焊机长度，导轨的设计等等11。2.焊机机体的设计过程把手工操作的螺柱焊机改造成自动化的固定焊机，首先要解决的问题是了解机体的结构，在了解焊机结构的基础上才能进行焊机的改造。焊机的设计关键问题是焊料（螺柱）供给和输送等12。4.2 焊机主要零部件的选择与设计4.2.1丝杠的选择与设计 1.丝杠主要参数1）丝杠的旋转方向丝杠的旋转方向按下述原则来确定：如果丝杠是机动的多采用右旋螺纹，因为制造较方便。如果丝杠需手摇，则根据操作习惯选择旋向：顺时针方向摇动时，应使移动件向前或向右。因此，如果螺母不动，丝杠带移动部件移动，丝杠为右旋；如果丝杠轴向不动，螺母带移动部件移动，应为左旋13。本课题中由于是丝杠带动螺母移动，所以选择丝杠为左旋。2）丝杠的受力与支撑由于丝杠主要受轴向力，受径向力很小，所以径向支撑可用轴套，轴向支撑可用滚动轴承。图 4-7 丝杠的固定Fig.4-7 Lead screw fixation3）丝杠的材料丝杠的材料要有良好的加工性和尺寸稳定性，加工后能很快的消除内应力，以免在使用中发生变形。此外还要有较好的耐磨性，以保证足够的使用期限。我们选取丝杠的材料为45钢。2.丝杠具体参数的选择1）由于在本课题中，焊接直径为10长度为20毫米的螺柱。所以焊机的最大行程为110毫米，将丝杠的长度定位135毫米。2）焊机的设计应向着结构简单、重量轻、体积小等方向发展。又因为丝杠主要受轴向力，受径向力很小，所以初步将丝杠的直径设计为7.8mm。下图为本次设计中丝杠的具体尺寸图 4-8 丝杠的具体尺寸Fig.4-8The concrete size of screw4.2.2丝杠螺母的设计 在机械制造业中，丝杠副（丝杠螺母）传动的应用较为广泛，它不仅用来传递一般的运动和动力，而且还能够进行精确的位移传递。由于梯形丝杠副不能满足本次设计中的精度要求，所以我选择济宁华珠机械有限公司的V-CZM系列微型滚珠丝杠副，材料为青铜14。 图4-9 丝杠副Fig.4-9Master screw pair图 4-10丝杠螺母的三维造型Fig.4-10 The three dimensional view of master screw pair 在本次设计中，丝杠螺母的主要作用是与丝杠配合，为上导轨和焊机头的进给和后退提供精确的位移传递。4.2.3 上滑道的设计 由于电磁铁、动衔铁、焊机头以及保护瓷圈是固定在上滑道上的，所以上滑道要满足一定的强度要求，不能太薄。上滑道要与下滑道进行配合，实现前进与后退的动作，为了减小摩擦，上滑道在这些面上要满足一定的精度15。图4