异形工件自动焊接机的设计

1、异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 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老师：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比照分析，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；并且焊接经过中，始终能知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

2、构的刚度高。整机制造工艺性好，拆装、维修方便，知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 whic

3、h 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;

4、Whats 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 de

5、sign 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；f

6、ramework 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，只要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。其主要原因是由于目前国内在异形工件焊接技术方面还不成熟，因而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 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 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

7、业异形罐的焊接主要采用下面两种方式: 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、丰富的实践经历、稳定的焊接水平；另一方面，对于手工焊接工人来讲，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

8、之间的被焊薄板前进，无数焊点构成焊缝。 电流热效应产生的热量为Q IRT 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，其次级线圈只要两圈左右，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，使构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。然而缝焊经过要求间歇通电，这是由于假如通电不间断，那么已构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

9、，而滚轮间电流不经或只要小部分流经待焊接的接触处，构成分流现象。分流现象会影响焊接区温度的上升进而影响新接点的构成。 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 此外该焊接方法由于在焊接经过当中要大量放热，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，同时可以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，发展特别迅速。国外有很多著名的机器人公司，如瑞典ABB Robotics公司、日本安川电机、日本

10、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特别迅速，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 固然国外一些先进的焊接机器人焊接质量好、操作灵敏、精度高，但成本高

11、，对操作人员的技术要求较高，不合适中小型企业，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，因而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大概情况 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

12、接方面的一大难题，有特别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经过中的难题。 2. 在焊接经过中，始终能知足焊炬和工件焊缝间的角度要求；使得操作灵敏，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，能知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，并且在焊接经过中

13、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。 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 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，合适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十分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

14、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缺乏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，十分是小直径药芯焊丝的消耗到达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变。 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

15、，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构成产品的商业化。 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，很多国家都把发展工业机器人作为高技术领域的战略目的列人国家发展计划，但各国的发展形式有所不同。美国是最早出现工业机器人的国家，1954年美国的GC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Unimat

16、e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，向其它产业浸透。日本仅用了l0年左右的时间，便构成了本人的机器人产业，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

17、。 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 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构成规模，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计划施行五周年之际，同志提出了“发展高科技，实现产业化的目的。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

18、面获得了重大进展，并构成了合适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，确定总体设计目的、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

19、。 第五章总结与瞻望，对本文所作的工作进行了归纳总结，提出了研究中存在的缺乏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 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 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。只要这样，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到达下面功能： (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

20、必须可实现对任意形状的平面焊缝的焊接，具有较强的灵敏性和机动性。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下面不锈钢薄板的焊接由于其本身拘谨度小、导热系数小(约为普低钢的13)、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，因而必须选择合理的焊接方法和有效的变形控制措施。 (3).在焊接经过中，所设计的自动焊接机必须始终能知足焊炬和工件焊缝间的角度要求；使得操作灵敏方面，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。 (

21、4).在焊接经过中，由于是两薄不绣钢板的焊接，因而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，应在专机的比拟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 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 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

22、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、构造组成及控制，根据系统总体开发目的进行系统的设计研究。 2.2.1 系统的设计目的 系统总体开发目的是金属酒壶主体和瓶口，底板焊接起来的自动焊接机，详细分述如下: (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

23、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： 由于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经过，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，特别具有创新意义。 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

24、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构造生产总时间的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

25、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经过的机械化和自动化水平。 异形工件自动焊接机的设计 异形工件自动焊接机的设计 为了适应不同生产类型的需要，实现焊接经过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。 焊接中心一般以为是以类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

26、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构成一条作业线。 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，市场竞争的日趋剧烈，普通手工焊接已不再能知足要求，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

27、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 下面不锈钢薄板的焊接由于其本身拘谨度小、导热系数小(约为普低钢的13)、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，不锈钢薄板拘谨度较小，在焊接经过中遭到局部加热、冷却作用构成了不均匀地加热、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。因而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r A ，焊接时它既不与金属起化学反响，也不溶解于液态金属中，故能够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，故合适于各种位置的焊接，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，因此其焊接变形也