汽车排气管环形缝焊接专机的设计

汽车排气管环形缝焊接专机的设计摘要随着社会的发展，汽车在各大城市都有大量的市场，故汽车的各个零件的生产务必要更加的现代化，本文主要针对排气管自动生产线末端工序中的焊接问题，由于密封性和焊接的均匀性要求比较高，一般的焊接或手工焊接不能满足排气管的制造要求，故设计一台汽车排气管环形焊缝专机。它是焊接作业过程中使用的专门设备，包括焊接变位设备，焊接操作设备等，可实现结构件焊接质量及效率的全面提高。该设计主要完成汽车排气管环形缝焊接专机的结构设计及其电气控制系统设计。本文介绍的结构设计主要是环焊机的台架的尺寸、传动机构和排管焊接工装夹具等参数设置以及用途，介绍的电气控制系统包括PLC控制，工作原理和软硬件设计，以保证所有控制及运动部件具有精度高、可靠性好、响应速度快、自动化程度高，操作简单、维修方便等特点。可编程控制器是该专机控制系统的核心，能够对焊接专机的各种外围设备能够实现精确地控制，这些设备包括焊接电源，液压缸，伺服电机和电磁阀。关键词排气管，环缝焊接，传动机构，PLC电气控制1绪论随着焊接自动化技术的不断提高，各式各样的焊接设备也在不断的发展。近年来，我国汽车工业发展很快，作为主要汽车零部件的排气管的生产企业正向规模化，产业化方向迈进。11选题背景汽车噪音大致分为发动机噪音，传动噪音和外部噪音，其中动机噪音又是主要噪音源，他对整车噪音起着决定性的作用。但在发动机噪音中，最主要的来源是排气噪音。为了降低其影响，汽车都安装有排气消音器。但如今大部分排气管采用手工焊接，劳动生产率低。焊接质量难保证。尤其是对与消音器两端呈直线结构的消音器，由于消音器和排气管都呈柱状，在焊接式要不断地转动排气管和消音器，难以保证焊接质量，而且不能实现消音器两端的同步焊接。基于以上出现的问题，设计了一种用于排气管环缝焊接的专机。12研究目的和意义本设计主要解决排气管自动生产线末端工序中的焊接问题，由于密封性和焊接的均匀性要求比较高，一般的焊接或手工焊接不能满足排气管的制造要求。对于排气管，有三处环形缝，弯管与歧管交界处，歧管、净化器与波纹管焊接处，后消声器末端处，本次课题要解决后两处环缝的焊接，故设计汽车排气管环形缝焊接专机。它是焊接作业过程中使用的专门设备，包括焊接变位设备，焊接操作设备等，它为焊接工艺的机械化和自动化发展提供了必要的装备，可实现结构件焊接质量及效率的全面提高。本设计主要完成汽车排气管环形缝焊接专机的结构设计及其电气控制系统设计。结构设计主要是环焊机的台架、传动机构和焊接工装夹具等的设计。该控制成系统运用PLC，以保证所有控制及运动部件具有精度高、可靠性好、响应速度快、自动化程度高，操作简单、维修方便等特点。因此极大的提高了原有生产的焊接效率，节省了制作时间，可实现大批量生产，减少工位，提高了安全系数，同时为企业创造更多价值。13研究内容汽车排气管环形缝焊接专机包括台架、焊接工装夹具、焊枪移动支架、气动下枪机构、夹具体、电气控制系统等部分。主机位卧式结构，即旋转轴水平，由直流减速电机驱动。电气控制系统采用台达公司的PLC作为中心控制单元，配合文本对话框、外围接口电路实现对专机各部分的程序动作的控制；焊接系统推荐选用日本OTC公司的CPVE350焊机。本课题研究的具体内容有131台架的结构设计132专机的焊机工装夹具、焊接夹具采用气动夹紧的方式，定位采用外圆定位，由人工装卸工件，操作完毕，之后自动夹紧、松开工件进入下一道工序。、采用标准接口，电、气均采用快换接头，满足柔性化生产的要求。、由于焊接时有大量的热输入，若夹具设计不合理，会导致排气管产生很大的焊接变形，影像尺寸精度。为了更好的拆卸工件，将夹具体安装在滑动导轨上，通过气缸带动，工件安装完成后，夹紧工件，进入下一道工序。133焊枪移动支架根据焊接的工艺要求，焊接支架保证在焊接过程中使焊枪对轴没有相对的滑动，实现精准的焊接动作，并在焊接完成时给工人足够的操作空间。134电动机以及减速机构的设计整个过程中涉及到焊枪的缓慢转动，这需要用到电动机以及减速机构的设计，使工件以及焊枪能按照焊接工艺的要求的焊接速度进行移动。135电气控制系统的软硬件设计136PLC梯形图设计为了提高工作效率，改专机采用气动硬件，整个元件的工作都在PLC的控制下工作。在控制过程中，PLC根据外围所给信号按设定的时间控制电磁阀、焊枪的转动、焊接工件夹具的开合以及焊接工件的移动。PLC硬件控制部分由PLC输入信号和输出信号组成。输入信号由各种按钮、行程开关、霍尔接近开关等组成；输出信号由电磁阀、中间继电器以及各种状态指示灯组成。系统程序设计是根据逻辑流程图要求设计的。14消声器简介141消声器的基本原理和构造排气消声器是摩托车上一个重要的功能部件，它是发动机系统的一个重要组成部分。它的质量好坏直接影响到发动机的动力性能以及整车噪声和废气排放指标。同时，排气消声器也是外观件，是汽车制造水平的直观反映。一般来说，排气管消声器的基本构造如图11所示。筒体两端焊有前、后盖，简体中间焊有隔扳，导管固定在隔板上，排气管与前盖焊接而成，整个消声器表面镀铬或喷涂黑色耐热漆。图11排气管消音器基本构造142消音器的分类143消音器性能的评价指标消声器的性能评价指标主要有四个，即插入损失气流流动阻力损失，噪声和排放指标。插入损失消声器插入损失是指在安装与不安装消声器时排气管管口同一测点处声压级之差。该数值越大，表明消声器的消声效果越好。气流流动阻力损失消声器的空气动力性能，即消声器的气流流动阻力损失是评价消声器性能的一项重要指标。消声器的气流流动阻力损失大，则发动机的功率损失也大。因而气流流动阻力直接影响发动机动力性和经济性。噪声按照国家标准规定，所检测的噪声为整车排气噪声。按照不同排量的汽车规定了相应的噪声标准，见表11所示。表11汽车噪声标准排放指标是指按GBT546693规定，检验整车发动时在怠速工况下排气中CO，HC的含量。同样，不同排量的摩托车规定了相应的排放标准，见表12所示。144消音器性能的外观质量要求一、消声器的表面处理分两种情况，即表面镀铬或喷黑色耐高温漆。排量规定噪声DB（A）镀铬处理根据Q/QD66393规定，有以下要求1、镀层体系即“四层镍微孔铬”，包含半光亮镍高硫镍光亮镍镍封微孔2、镀层厚度镍层总厚209TM，铬层厚025059M3、外观质量外观呈略带蓝色色调的银白色，接近镜面光亮，不允许有划痕、毛刺、发花、条纹、麻点、针孔、桔皮、龟裂、起泡、起皮、烧焦、铬酐痕迹、挂具印痕、露基露镍在规定部位处可除外等电镀缺陷。4、镀层结合力镀层之间、镀层与基体金属之间应结合牢固，不得起皮、开裂。喷漆处理根据Q/QD66496规定，有以下要求1、漆种的使用应符合Q/QD785规定之要求。2、漆膜厚度大于309M。3、漆膜外观不允许有流挂、堆漆、划伤、脱落、起泡、色不均等缺陷。4、漆膜附着力小于等于2级，采用划格法测定抽验。145消音器的气密性要求根据QCT291172293规定，消声器在气密性试验中，外壳、焊接管的焊接和卷边处不得有漏气现象，要求消声器内承受气压0196MPA，置于检测液体中持续时间，MIN1应无气泡产生。15本课题应达到的要求此项设计是专机的设计但是在保证使用的条件下仍然采用了很多通用部件，这样可以降低成本，所以这次设计的任务主要是传动机构的设计，以及传动各项参数的确定，还有旋转夹具以及焊枪移动支架的设计，以及确定电气控制系统的软硬件和PLC梯形图的绘制。2方案的确定21采用开合齿轮旋转夹紧机构的焊接专机的环缝焊机该焊接设备用于消音器与两端的排气管焊接，所述的消音器横向固定在消音器连接机构上，所述排气管横向固定在两端的排气管连接机构，在焊枪连接机构上设有两个分别对准消音器与排气管连接位置的焊枪。采用该方案可实现中间的消音器与两端的排气管同步转动，实现同步焊接，操作简单，焊接效率高。211工作原理图21方案一的结构示意图1底座；2固定框；3安装支架；4连接块；5气缸；6开合齿轮；7固定支脚；8转盘；9固定框A；10驱动电机；11滑块；12传动轴；13操控面板如图所示，本焊接设备的工作流程本焊接设备的消音器连接机构包含一个夹持消音器的开合齿轮6和设在底座上1上的9固定框A。开合齿轮6的下半部支撑在9上，PLC控制气缸5的动作实现齿轮的开合，从而实现消音器的夹紧与松开。工作时，工人将消音器和排气管分别放在消音器连接机构和排气管连接机构。按下齿轮闭合按钮，齿轮闭合，工件被气缸压紧。按下齿轮松开按钮，齿轮锁紧松开，齿轮自由转动。齿轮松开后，气缸驱动焊机到合适位置，信号灯亮。此时按下正转按钮，专机开始正方向旋转，工件正常焊接，达到环峰焊接的目的。焊接完成后，按下松开按钮，开合齿轮打开，夹紧机构松开，取出焊接完成后的工件。重复上述过程。图22方案一的焊枪支架结构示意图14滑块；15焊枪夹头；16滑块；17气缸如图22所示，本焊接设备的焊枪连接机构包含设在底座1上的安装支架3和设在支架3上的焊枪夹头15，焊枪夹头设有两个，各焊枪夹头15上夹有一个焊枪。该焊枪安装支架3上还设有与焊枪夹头15连接的调节机构。设置调节机构，主要用于调节焊枪夹头15的位置，以使用于不同尺寸的消音器的焊接，提高适用范围。如图所示，各个调节机构摆阔一个与安装支架3相连的连接块4，与此连接块4连接并沿消音器长度方向滑动的滑块14，与滑块14连接且水平朝向消音器的的位置的滑动滑块，以及与滑块连接并沿竖直方向的滑块16，通过设置可移动的滑块，可实现焊枪三个方向的移动。焊枪夹头15与滑块16固定连接，滑块14通过设在连接块4上的丝杠驱动，在连接块4上设有导向滑槽。滑块11通过设在滑块14上的1气缸17驱动。PLC通过控制气缸的运动从而实现对焊枪的控制。22焊枪转动式双环缝焊接专机该设计采用新型的设计理念，由于焊缝为一直线段和一半圆弧段，因此焊枪相对于焊接工件有相对水平的运动还有一段圆弧运动。由于焊接位置比较特殊，需要焊枪相对于工件的运动有一定的规律。该设计通过PLC控制，精确的计算出焊枪的运动轨迹，控制其逻辑关系，可以实现双焊缝的精确焊接。在该系统中，核心是控制系统。且PLC是该控制系统的核心，各种开关量以及各个传感器的输出都与PLC的输入端相连，PLC的输出端主要与要控制的电磁阀、接触器、报警信号等相连。各种逻辑控制全部在PLC内部实现。图22方案二的结构简图1焊机支架；2伺服电机；3机械开关接触器；4工件；5夹具夹紧体；6机械开关；7霍尔感应开关；8焊枪支架；9行程开关；10气动推杆A；11电机支架；12气动推杆B；13气动推杆C；14防护罩支架15气动推杆D；如图所示，本方案的工作原理工作时，工人将待焊接的消音器5放在夹具上。启动开关，夹具体受到气动推杆B的推动下压紧消音器5，焊枪在气动推杆的作用下靠近焊接工件，到达指定地方后保持焊枪位置，同时气动推杆C打开防护罩支架，保证焊接处无外界干扰。气动推杆以一定速度使排气管沿着导轨运动，焊接焊缝的直线部分。当霍尔感应开关触发时，该气动推杆停止动作，PLC驱动伺服电机使焊枪一合适的速度顺时针旋转180度。转过180度后，机械开关接触器3碰到行程开关9，PLC控制伺服电机停止转动同时，在气动推杆10和15的作用下，焊枪远离工件，气动推杆13和12收缩使防护罩打开以及松开消音器。人工将排气管翻转180度。重复以上操作。23方案的确定对于方案一，该设计用于消音器与其两端的的排气管的焊接连接，焊接呈直线状的消音器结构。如图22所示，本焊接设备包括底座1，设在底座1上的用于固定消音器的消音连接机构，在底座1上还设有驱动电机10，该驱动电机10通过传动机构驱动消音器连接机构以及排气管连接机构，实现同步转动，实现环缝的精确焊接。相对于现有技术的人工焊接，该设备更加智能化，更能保证同步焊接。但是由于缺少一个保证消音器与排气管连接处接触的机构，因此使用该设备不能很好地保证焊接质量，导致焊接效率低下，增加了废品的产生。对于方案二，我们采用该设计采用新型的设计理念，由于焊缝为一直线段和一半圆弧段，因此焊枪相对于焊接工件有相对水平的运动还有一段圆弧运动。由于焊接位置比较特殊，需要焊枪相对于工件的运动有一定的规律。该设计通过PLC控制，精确的计算出焊枪的运动轨迹，控制其逻辑关系，可以实现双焊缝的精确焊接。在该系统中，核心是控制系统。且PLC是该控制系统的核心，各种开关量以及各个传感器的输出都与PLC的输入端相连，PLC的输出端主要与要控制的电磁阀、接触器、报警信号等相连。各种逻辑控制全部在PLC内部实现。该环焊缝焊接专机满足工艺要求，能够较好地完成消音器与排气管类零件的焊接，降低工人的劳动强度，提高了生产效率。采用伺服电机控制焊枪焊接速度，系统准确稳定；利用可编程控制器对焊接过程进行自动控制，简化硬件结构，增加系统的柔性，同时提高工作的稳定性和可靠性。综合以上分析，我们采用方案二。3消音器焊接工艺以及生产线工艺流程的制定31消声器焊接的工艺流程分析我们通过分析消声器的两种典型代表进行分析，筒式消声器和盒式消声器。311消声器的结构特点筒式消声器和盒式消声器从结构上来说，主要区别与外观形状，筒式呈圆筒状和锥筒状，盒式由左右两个半体相接而成。其他方面均相似。一般来说，消声器结构有以下一些内容由排气管和消声器两部分祖神，排气管为圆管，成各种弯曲形状，大多采用内、外管组合而成，内管和外管有一定的间隙，以确保外部的温度不会过高，以免影响外部的表面处理质量。消声组件外观通常成筒式和盒式，内部均由许多隔板把消声器内部分成许多消声室，并通过导轨时气流按一定的方向流动，部分消声室还配备有吸音才陆奥，如玻璃纤维。312消声器焊接工艺用考虑的问题整个排气消声器焊接专机的设计过程中，应考虑焊接过程中如何减少焊接变形，如采用合适的焊接速度，合理的工艺流程，选用合适的焊接工艺和焊接夹具，以确保装配尺寸的符合性和一致性。32消声器材质的焊接性分析通常消声器是采用拉延性较好的材料制成的，通常的板材材料牌号为08AL或ST14，除悬挂板外，板材厚度大多在0812MM之间，悬挂板一般为3MM左右。其他的就是一些管件，管件材料通常采用10钢，排气管壁厚在2MM左右。其化学成分和机械性能如下表所示化学成分机械性能牌号C0020020032703503821010013037065004004529541030表3108AL、ST14、10的化学成分和机械性能三种材料均属于低碳钢，其碳当量值分别为2504/376/501324/6/108841/6/8321SIMNCSTNIALEQEQ可见，三种材料的碳当量值均小于04。因此，可见三种钢的焊接性能优良。一般情况下，焊接不会导致很严重的晶相组织破坏，塑性和冲击韧性也比较好，焊接时不必预热。但是，钢中的杂质，如硫、磷、氧、氮对焊接接头的裂纹敏感性以及力学性能又都有重大影响。如果钢中的硫、磷过多，则可能在晶界上形成熔点较低的硫、磷化合物，引起的焊缝融合线附近的液化裂纹，甚至焊缝处断裂。此外，含硫量过多可能会导致气孔。氧元素在钢中的危害更大，会降低材料的力学性能的各种指标，如强度、塑性和韧性，这种材料，氧的含量过多，往往与冶炼方法有关。33焊接方法在消音器与排气管的焊接专机中，结合实际生产工作条件，主要的焊接方式有氩弧焊、气保护焊、点焊、气焊等焊接方法，下面将对这些焊接方法具体应用作分析331氩弧焊氩弧焊用于外体合缝工序。因消声器的外体属于薄板，故焊接时一般不需要开坡口和加填充焊丝，靠母材自熔即可，若外体合缝前在1MM一下，采用氩弧焊，可获得良好焊缝，能很好地保证消音器的密封性。但在实际的应用中，还有几个方面需要注意钨极的形状钨极极端在使用前必须先磨光，因为钨极的端部形状对电弧的稳定性能有影响，端面凹凸不平时，产生的电弧既不集中又不稳定。且消声器的外体属于薄板，因此采用小直径钨极将其末端磨成尖锥角（约20度），这样电弧容易引燃且更加稳定。但这样做也有个缺点。焊接电流较大，会因为电弧密度过高而使末端过热熔化并增加烧损，电弧斑点也会扩散到五级末端的锥面上，如图31所示，使电弧柱明显地扩散飘荡不稳而影响零件的焊接质量。实践表明，大电流焊接时要求钨极末端磨成钝锥角（大于90度），或者带有平顶的锥角（如图31所示），这样可使焊接更加稳定，弧柱的扩散减少。电流种类和极性的选择钨极氩弧焊可以使用交流、直流和脉冲电源等三种，采用哪种电源是根据被焊材料来选择的。对于直流电源还有极性选择的问题。表31材料直流交流材料直流交流正极性反极性正极性反极性铝（厚度24MM）镁铸件铸铝钛黄铜银铸铁合金钢堆焊异种金属无氧铜铝青铜高合金表31材料与电源类别和极性选择注最佳；良好；最差从表31看出，对于消声器的外体焊接，因是低碳钢焊接，故选用直流正极性。焊接工艺参数优化为了获得优良的焊缝成形及焊接质量，很重要的是应根据焊件的技术要求，合理地选定焊接规范参数。在消声器外体焊接工序中，我们采用的以下焊接规范电流I110125A；气体流量812LMIN；电弧电压78V；电弧长度336MM；焊接速度420MM/MIN；钨极直径2MM。332气体保护焊原先，我们大多采用纯C02气保护焊工艺但由于排气消声器在汽车中属外观件，因而对焊缝外观质量要求很高，同时，排气消声器的材料大多在L2MM之间，采用纯C02焊接工艺，易出现烧穿缺陷，因而，选取哪一种焊接工艺，以克服以上缺点，就显得十分重要。333点焊在消声器的焊接生产中，点焊主要用于消声器外体点衬圈工序，因被焊材料都为低碳钢，其焊接性良好，采用普通的点焊机、简单焊接循环，除注意零件防锈外，无需特别的工艺措旖，即可获得满意的焊接质量M1。334气焊气焊用于消声器的补焊，工艺比较简单，使用较少。4消音器双缝焊接专机的机械设计41焊枪固定机构的设计考虑到焊枪在固定在支架上后，焊枪对于待焊接工件有明确的相对运动，因此焊枪的固定必须稳定可靠。为了使装卸消音器、排气管的工人师傅更加的方便以及焊接情况的需要，这就需要设计一个能沿着主轴方向运动，并且能随着主轴转动一定角度