毕业设计（论文）-曲面仿形自动焊机进给装置设计

设计题目：曲面仿形自动焊机进给装置设计姓名学号专业班级指导教师学部答辩日期设计评语（一）姓名学号专业班级总成绩设计题目：曲面仿形自动焊机进给装置设计答辩委员会评语答辩成绩主任签字：年月日答辩委员会成员签字领导小组意见组长签字：年月日学部公章设计评语（二）姓名学号专业班级设计题目：曲面仿形自动焊机进给装置设计指导教师评语指导教师成绩在设计初期，该同学积极地查阅相关资料，能够主动地联系指导教师，将自己的设计思路汇报给指导教师。在设计中，该同学能够刻苦地钻研相关的专业理论，将专业理论付诸实践，同时能够与指导教师沟通设计的进展情况，及时地获得教师的指导。在设计末期，该同学主动地向指导教师展示自己的设计成果，同时虚心地听取指导教师提出的意见；此外，该同学还将自己设计的提纲提交给指导教师，听取老师对其设计的意见。该生的设计为曲面仿形自动焊机进给装置设计，此设计在分析了焊接工艺特点的基础上，完成了曲面仿形自动焊机的总体设计及进给装置设计，其总体方案合理，论文撰写规范，条理清晰，论证充分，在规定的时间完成了设计内容。同意参加毕业答辩指导教师签字：年月日-曲面仿形自动焊机进给装置设计第1章绪论1.1科技的背景重大技术装备国产化作为提升装备制造业的重点是党中央国务院的战略决策，是国家中长期科学与技术发展规划纲要的重点领域。在国家发改委提出的“十一五”国家重大技术装备中明确提出“百万千瓦级核电机组与超临界火力发电机组成套设备”、“大型煤制气成套设备”、“百万吨级大型乙烯成套设备”等重大技术装备的国产化。在这些重大技术装备的关键零部件制造中均涉及三维规则或复杂焊缝的自动化焊接[1]。目前，我国在上述重型压力容器的生产制造中，其主环缝和筒体内壁堆焊已实现自动焊接，而对于接口管的马鞍形焊接，尚无现成的自动焊设备可以采用,主环缝的焊接自动化与智能化水平还较低。本课题利用CAD制图与计算机仿真UG技术，以及运用机械知识的精密计算，并应用于生产实际，提高我国重型压力容器自动化焊接水平和制造水平[2]。重型装备制造业的制造水平,标志着一个国家综合国力的技术水平。在国家发改委提出的“十一五”国家重大技术装备中明确提出“百万千瓦级核电机组与超临界火力发电机组成套设备”、“大型煤制气成套设备”、“百万吨级大型乙烯成套设备”，其中百万千瓦级核电机组在未来十几年中要以每年制造并投运2-3台套的速度快速发展。在这些大、重型装备中，大型火力发电的锅炉汽包，核电设备中的压力壳、大型煤制气成套设备中煤液（汽）化反应器、大型乙烯设备中的加氢反应器等，在这些产品中，焊接是主要制造技术手段。提高焊接自动化水平是保证产品质量与提高生产效率，进而提升企业国际市场竞争力的根本所在[3]。在大型锅炉汽包、核电压力壳以及石化装备中的各种高温、高压反应器中，一台设备中需要焊接上几十个甚至上百个接管，焊缝为空间马鞍形（包括标准马鞍形与非标准马鞍形），且根据不同的坡口形式，需要多层多道连续焊接。这些焊缝往往成为整个产品制造质量的关键与瓶颈。因此，要实现此类焊缝的自动化焊接，具有一定的技术难度。目前，国内大多数厂家还在采用手工焊接，个别厂家虽然采用了焊接专机，但自动化程度不高，焊接过程中需要人工调节，且焊枪沿马鞍形运动轨迹靠机械方式调节，效率低，焊接质量难以保证，而且一旦发生焊接缺陷，由于大厚度截面而非常难以修复[4]。因此，尽快研究在各类大型容器制造中广泛涉及的三维焊缝自动化焊接技术并研制开发新一代马鞍形自动焊接专机焊设备势在必行。它对满足我国锅炉、核电及石化设备制造的需求，提高其自动焊接水平，具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国内研究现状近10年来在世界范围内,焊接技术的发展日新月异,焊接新方法、新设备、新材料和新工艺层出不穷。焊接技术不仅广泛应用于造船、锅炉、压力容器、管道、重型机械、冶金设备、汽车、铁路车辆、桥梁和金属结构等传统制造工业部门,而且迅速扩大应用于大型建筑结构、食品加工机械、医疗机具、轻工机械、家用电器、半导体和微电子器件等新兴加工行业。近年来，我国焊接装备制造行业的技术水平有了长足的进步。焊接装备的成套性、自动化程度、制造精度和质量明显提高，应用范围正逐步扩大，尤其是国家制定了拉动内需的政策，进一步促进了焊接装备制造行业的发展[5]。尽管我国成套焊接装备的年总产量不足5亿元，但对我国焊接结构制造行业的发展却起着举足轻重的作用。可以预计，今后几年内，随着世界制造业中心逐渐向中国转移，我国传统制造业必须加快技术改造，大量采用高度自动化的加工设备，促使我国焊接装备制造业产生根本性的变革。进入新世纪以来，我国焊接结构制造业一个引人注目的动向是向多参数、高精度、重型化和大型化发展。其中包括1000MW以上火力、水力和核能发电设备，年产值60万t以上化工炼油设备，10万t以上远洋货轮，大型建筑结构，大跨度桥梁，跨省跨国输油输气管线，海洋建筑，冶金设备，重型机构，航空航天工程，大型客车和高速铁路车辆等。2002年我国焊接结构的钢耗量将超过8000万t。我国焊接装备制造业起步较晚，五六十年代我国重点企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进，部分由使用厂自行设计制造。到了70年代，我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂，如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂，“六五”期间，原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我国第一家具有批量生产能力，制造专用摩擦焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入80年代，随着国内焊接装备需求量的增长，各地相继建立了多家中小型成套焊接装备生产厂。迄今为止，我国已有10多家焊接装备生产企业，某些企业已具有相当大的规模，已实现焊接装备的批量生产。例如无锡阳通机械设备有限公司等。在发展初期，我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差，自动化程度低。焊接操作机与配套设备基本上不能联动控制，用户必须自行改造。进入80年代以后，由于国外先进成套焊接设备的大量引进，促使国产的焊接装备无论在成套性和自动化程度，还是设备精度和制造质量方面都有不同程度的提高。能够批量生产H型钢和箱形梁焊接生产线以及各种类型的按用户需要定制的专用成套焊接设备，焊接装备的自动化程度有了很大的提高，某些操作机还配备了焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。但从整体水平来说，与先进国家的同行业相比，尚有较大的差距。国内从上世纪八十年代开始，加快了焊接自动化技术的研究，国内几所重点大学与研究院所相继开展了研究工作，但由于国内在电子技术与元器件性能方面落后发达国家较多，所以较多的研究集中在技术原理的试验研究，应用基础研究，而工程化设备的研制很少[6]。1.2.2国外发展概况及趋势近10年来，在世界工业发达国家，当代焊接装备的发展速度十分惊人，在英、美、德、法、意和日本等国均有相当规模、开发能力很强的焊接装备生产企业。2001年的第十五届世界焊接与切割博览会上参展的焊接装备厂商近百家。近期生产的自动化焊接装备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得注意的是，大多数焊接装备采用了最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用焊接机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。早在80年代，国外的焊接装备已向大型化和精密化发展。目前国外生产的重型焊接滚轮架最大的承载能力达1600t,自动防窜滚轮架的最大承载能力达800t，采用PLC和高精度位移传感器控制，防窜精度为±0.5mm。变位机的最大的承载能力达400t,转矩可达450000。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载能力达160t。焊接回转平台的最大承载能力达500t。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达12m。龙门架操作机的最大规格为8m8m。纵观当今世界焊接装备制造业的发展趋势，可以概括为如下几个特点：1．高精度、高质量、高可靠性如与焊接机器人配套的焊接变位机，最高的重复定位精度为±0.05mm，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度为±0.1mm，移动速度的控制精度为±0.1%。2．数字化、集成化和智能化控制焊接过程的数字化控制比传统的金属切削加工要复杂得多，它必须考虑焊件几何形状的偏差和接缝装配间隙误差以及焊件焊接过程中的热变形，必须采用各种高级别传感技术，开发先进的自适应控制系统才能实现焊接过程的全自动化。某些形状复杂和质量要求高的焊件，还必须采用智能化的计算机软件控制。大型化和组体化如中重型厚壁容器焊接中心、集装箱外壳整体组装焊接中心、汽轮机导流隔板柔性制造系统、箱型梁焊接生产线、机车车箱总装组焊中心等。某些大型焊接中心和生产线占地面积可达整个车间。焊接操作机、配套焊件变位机械、搬运机械和传输辊道组合联动，形成制造系统或焊接生产线。4．多功能化为发挥大型自动化焊接装备的效率，通常设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺，如单丝、多丝埋弧焊，单丝双丝窄间隙焊，MIG/MAG焊和带极堆焊等。5．管控一体化即通过企业的局域网，利用CAD/CAE/CAPP/PDM等计算机软件，将生产管理与制造系统实行集成全自动化控制，实现脱机编程，远程监控，诊断和检修。1.2.3自动焊机的类型国外大型自动化焊接装备从结构形式上大体可分成如下几种类型：1．大型自动化焊接单机通常采用门架式或龙门结构，如大型造船厂应用的门架式钢板纵缝拼焊机，采用多丝高速埋弧焊工艺，配真空吸盘平台或电磁平台，最大焊接行程12m，一次行程可焊板厚最大为40mm。2．大型组合焊机或焊接中心由大型焊接操作机与工件变位机械或翻转机等组成。如立柱横梁或龙门式重型容器焊接中心、工字梁或箱形梁自动组合焊机等。3．大型焊接工作站由2台以上焊接操作机或机器人与相应的工件变位机械配套而成，可交替或同时焊接同一个工件的各条焊缝。如由4台MIG/MAG焊操作机组合的集装箱外壳焊接工作站、中型客车外壳机器人焊接工作站。4．焊接生产线将切割下料、组装、焊接、校正或成形等多个工作站由输送辊道、翻转设备和变位机械等组合成连续的生产线。如H型钢焊接生产线、薄壁容器焊接生产线、大直径管道焊接生产线等。5．柔性焊接生产系统由具有自适应焊缝跟踪系统功能的单台或多台焊接操作机或机器人与工件装夹、变位机械组合而成的加工中心，适用于产品规格多变的小批量生产。如汽车后桥柔性焊接生产系统、装卸机部件的柔性生产系统和汽轮机导流隔板的柔性制造系统等。6．计算机集成制造系统亦称全集成自动化制造系统。是将焊接机器人或焊接操作机、焊接电源、工件变位机械、输送辊道、半成品库、零件库和原材料库等生产设备和物料供应系统的工作程序的编制、工作参数的设置、生产过程的监控、数据处理、人机界面和通讯网络集成在1台商用或工业PC机上。自动控制和信息技术在制造业中的广泛应用正在彻底改变传统制造业的面貌，其中焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求，它不仅可大大提高焊接生产率，更重要的是可确保焊接质量，改善操作环境。随着整个制造业水平的提高，企业的经营理念发生了很大变化，高产量已让位于高质量，劳动密集型已逐步被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机、机器人工作站、生产线和柔性制造系统已成为一种不可阻挡的趋势[7]。1.3本课题研究的主要内容本文在充分了解了国内外焊接设备的现状及发展趋势的基础上结合焊接工艺以及大型焊接筒体的焊接特点，利用现代新兴技术，对整个马鞍形自动化焊机结构进行了总体设计。具体有以下研究内容：1.前期调研和收集相关资料，详细了解国内外现有曲线电焊机的性能、优缺点及工作状况，了解国内焊接设备的相关情况。2.根据所设计马鞍形曲线自动焊机的工作原理和性能要求，提出合理的设计方案，完成总体设计，确定主要设计参数，进行运动计算和动力计算。3.对马鞍形曲线自动焊机进给装置的主要机械部件进行详细设计，包括径向进给设计、回转进给设计、以及电机的选择，主要零部件的计算校核等。4.利用UG软件对径向进给装置和回转进给装置的机械结构进行三维参数化建模、虚拟装配和运动仿真。虚拟装配检查零部件之间的干涉问题，借助运动仿真实现虚拟现实。第2章总体设计2.1设计原理由于设计要求既是设计、制造、试验、鉴定、验收的依据，同时又是用户衡量的尺度，所以，在进行设计前必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。任何一个产品的设计要求都是围绕着技术性能和经济指标来提出，一般主要包括功能要求、适应性要求、可靠性要求、生产能力要求、使用经济性要求和成本要求。2.1.1基本要求机械系统的总体布置应从保证其主要性能出发，在总体设计和各总成部件设计的密切配合下，根据使用要求及功能分配来协调各总成的性能，并确定和控制它们的位置、尺寸和重量。总体布置必须要有全局观点，不仅要考虑机械本身的内部因素，还要考虑人机关系、环境条件等各种外部因素，其基本要求如下[8]：1．保证工艺过程的连续和流畅这是总体布置的最基本要求。必须确保运动零部件的安全空间，保证前后作业工序的连续和流畅，以及能量流、物料流和信息流的流动途径合理。2．降低质心高度、减小偏置如果机械的质心过高或偏置过大，则可能因扰力矩增大而造成倾倒或加剧振动；对于固定式机械也将影响其基础的稳定性。所以，在总体布置时应力求降低质心，尽量对称布置，减小偏置，同时还必须验算各零部件和整机的质心位置，控制质心的偏移量。3．保证精度、刚度和抗振性等要求机械刚度不足及抗振性不好，将使机械不能正常工作，或使其动态精度降低。为此在总体布置时，应重视提高机械的刚度和抗振能力，减小振动的不利影响。4．充分考虑产品系列化和发展要求设计机械产品时不仅要注意解决存在的问题，还应考虑今后进行变型设计和系列设计的可能性，及产品更新换代的适应性等问题。对于单机的布置还应考虑组成生产线和实现自动化的可能性。5．结构紧凑，层次分明为使结构紧凑，应注意利用机械的内部空间，如把电动机、传动部件、操纵控制部件等安装在支承大件内部。为使占地面积缩小，可用立式布置代替卧式布置。6．操作、维修、调整简便为改善操作者的工作条件，减少操作时的体力及脑力消耗，应力求操作方便舒适。在总体布置时应使操作位置、修理位置和信息源的数目尽量减少，使操作、观察、调整、维修等尽量方便省力、便于识别，以适应人的生理机能。2.1.2布置形式及选择机械系统总体布置的基本类型：按主要工作机构的空间几何位置可分为平面式、空间式等；按主要工作机械的布置方向可分为水平式（卧式）、倾斜式、直立式和圆弧式等；按原动机和机架相对位置可分为前置式、中置式、后置式等；按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为回转式、直线式、振动式等；按机架或机壳的形式可分为整体式、剖分式、组合式、龙门式和悬臂式等；按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可分为分开式、闭式等。根据焊机的工作环境和特性，本设计选择如图2－1所示。1－焊枪2－轴向进给装置3－径向进给装置4－箱体5－主轴6－夹具7－焊接件图2－1曲面仿形自动焊机2.1.3总体的工作原理工作时，先将相贯筒体进行点焊固定，然后通过夹具将焊接机器人固定到筒体上。完成固定后，首先调节焊枪的位置，通过控制X轴电机平移台调节焊枪在圆筒径向的位置使其达到合适位置；然后通过移动Y轴电动平移台，调节好焊枪在竖直圆筒轴向的位置。等焊枪调节到合适位置以后，旋转大旋臂驱动装置和小旋臂驱动装置，带动大旋臂和小旋臂运动。通过大旋臂和小旋臂的配合运动来调节焊枪的姿态，使焊枪达到适合焊接的最佳姿态。调节完成后开始焊接，在焊接过程中腰部电动旋转台以一定的速度旋转，带动除腰部筒体和夹具外的整个机器部分绕竖直筒体的轴线进行旋转。随着旋转，通过控制Y轴平移台的运动不断调节焊枪的上下位置，使焊点始终处于正确的位置。与此同时，调节大臂和小臂旋转，通过两者的联动使焊接在下坡和爬坡的过程中焊枪位置不断调整，从而使焊枪处于最佳的焊接姿态。由于优化的设计，使得在焊接过程中，调节焊枪的姿态不会影响焊枪的端点位置。腰部旋转台旋转一周完成整个相贯线的焊接，在这个过程中不断调整大臂和小臂来调整焊枪使其始终处于最佳姿态，从而保证焊接质量。焊接完成后，松开夹具，将焊接机吊离工件。2.1.4进给装置的传动系统图该传动系统由径向进给和回转进给组成，如图2－2所示。图2－2传动系统图焊机的主要参数主要性能及技术参数如下：焊接方法：埋弧自动焊；燃弧方式：短路引弧；设备重量：300kg；设备最大高度：2800mm；设备长度：1500mm；设备宽度：700mm；接口管直径：400-1400mm；接口管高度：≦600mm；筒体厚度：≦300mm；最大落差量：≦150mm；焊接速度：300-500mm/min；焊丝直径：3-4mm。第3章曲面仿形自动焊机进给装置设计3.1回转进给装置设计如图3-1所示为回转进给方案，该传动方案：伺服电机连接减速器提供动力，通过主动齿轮传动给套在主轴上的从动齿轮，从动齿轮固定在主轴上，而轴固定不动，形成反向作用力，使连接电机的整个箱体绕轴做回转运动，从而实现了回转进给过程。1－连接座2－箱体3－大齿轮4－主轴5－电机6－减速器7－小齿轮图3－1回转进给装置图3.2径向进给装置设计径向进给装置设计如图3－2所示，该传动方案：伺服电机通过齿轮传动给丝杠，通过丝杠的转动，带动套在丝杠上的丝母做左右直线运动。工作时套在伺服电机上的齿轮转动，通过齿轮传动传到套在丝杠上的齿轮使其转动，这样，丝杠也转动，转动的丝杠使丝母能够左右移动，丝母带动滑座在线性滑轨上左右移动。由于焊接机头是安装在滑座上的，通过滑座的移动，焊接机头也相应的向左和向右移动，从而实现了径向的进给过程。这项传动方案采用了齿轮传动和丝杠传动，能够使进给装置传动精确、瞬时速度均匀、寿命长。1－小齿轮2－电机3－丝杠4－丝母5－轴承6－大齿轮图3－2径向进给装置图3.3回转进给装置的系统运动与动力计算分析各种传动件的参数都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数选得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果参数定得过小，又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定。由于焊接机头在焊接过程中受到的外在载荷很小，所以整个装置的回转进给传动所需功率要考虑的是装置的内在消耗。在此装置里，内在消耗相当于整个装置空转消耗的功率，所以要确定电机的功率，即是计算出空转功率损失即可，用表示。引起空转损失的主要因素是：各传动件在空转时的摩擦、由于加工和装配误差而加大的摩擦以及搅动，空气阻力和其它动载荷等[9]。根据回转进给装置需求及性能的要求，其基本参数确定如下：焊接速度：v=0.3-0.5m/min；重量：，，，；有效直径：，，，，=0.26m。1．转动惯量的确定进行各转动惯量计算为60=60()（3－1）()（3－2）()（3－3）整个装置的转动惯量设为，则83.89()（3－4）2．动比计算机构的角速度等于大齿轮的相对角速度，即=。初选择大齿轮和小齿轮的齿数分别为，则大齿轮和小齿轮的传动比为（3－5）选择减速器的传动比，则总传动比为==500（3－6）3．机构的角速度机构的角速度即焊枪的角速度为=()=()（3－7）4．电机的角速度通过减速器和齿轮传动。==500=4.735()（3－8）5．克服惯性的扭矩计算如下()（3－9）式中t——电机起动加速过程的时间，对于中小型机床取t=0.5s，对于大型机床取t=1s。将以上参数代入式（3－9）可求得=794.44()。6．传动效率其传动效率如下（3－10）式中——齿轮传动效率，0.97；——滚动轴承效率，0.98（一对）；——减速器传动效率，0.97。将以上参数代入式（3－10）可得。7．电机转速计算如下n==(r/s)=45(r/min)（3－11）8．功率的计算即为克服惯性扭矩的功率，计算式为(kw)（3－12）式中——传动机构的机械效率。将以上参数代入式（3－12）可求得0.68kw，即选用动力源的功率应不小于0.68kw。3.4径向进给装置系统运动与动力计算分析根据径向进给装置需求及性能的要求，其基本参数确定如下：径向进给装置速度：，为了提高工作效率，进给装置选择快速运动来定位；径向进给装置重量：。1．滑块在滑轨上的摩擦力选滑轨为滚动导轨，则滑块上的压力F=g=600（N）。摩擦阻力随结构型式、载荷及运动速度的影响而略有变化，预紧后，摩擦力增大，摩擦力可按下式计算（3－13）式中——滚动摩擦系数，在低速时摩擦系数将增大，=0.003-0.005适用于载荷比F/>0.1,当F/=0.05时，=0.01；当F/<0.05时将急剧增大。在此进给装置中处于低速运动，取=0.02；F--法向载荷，N；f—密封件阻力，每个滑块座为f=5N，共有两个滑块座。将以上参数代入式（3－13）可得，每根滑轨上的摩擦力（N），因为有两根滑轨，所以总的摩擦力=44N。2．滑块所需的功率滑座上的进给所需的有效功率为（w）（3－14）3．总传动效率计算为（3－15）式中——齿轮传动效率，0.97；——滚动轴承效率，0.98；——螺旋传动效率，0.4；——导轨传动效率，0.98。将以上参数代入式（3－15）可得（3－16）4.动力源功率电机功率的计算为（kw）（3－17）根据进给传动系统的实际工作状态，其进给运动所需功率表示为（kw）（3－18）式中——移动部件的质量，kg；——重力加速度，；——移动速度，m/s；——进给传动系统的总机械效率；——当量摩擦系数。将以上参数代入式（3－18）中可求得kw。通过计算求得的与得知整个装置所受载荷和所需的功率很小，所以用所需电机转速来确定要确定电机的型号。5．电机转速的计算通过电机的转速就可以选择所需要的型号。径向进给装置的移动速度=3m/min；设螺母的转速为，电机的转速为；初选丝杆的公称直径=20mm,则其导程=2mm，齿轮的传动比=2，根据径向进给传动装置图可知（r/min）（3－19）（r/min）（3－20）即选用动力源的最大转速不小于3000r/min。3.5进给装置主要零部件的选择与计算3.5.1电机的选择三菱交流伺服驱动系统以其卓越的性能、高速、精度、灵活使用寿命长、性价比高的特点闻名于世，广泛应用于冶金高炉、印刷、机械、纺织机械、塑胶机械、医疗机械、自动化生产领域。因此选用三菱交流伺服电机。根据运动和动力计算的结果，选择三菱HC-KFS系列43(0.4kw)型伺服电机作为径向进给装置的电机，其额定转速r/min，最高转速r/min。选择三菱HC-KFS系列73（0.75kw）型伺服电机作为回转进给装置的电机，其额定转速r/min，最高转速r/min。3.5.2减速器的选择减速器是一种由封闭在刚性壳体内的齿轮传动、蜗杆传动或齿轮——蜗杆传动组成的独立部件，常用在动力机与工作机之间作为减速的传动装置；减速器由于结构紧凑，效率较高、传递运动准确可靠、使用维护简单，并可成批生产，故在现代机器中应用很广。根据运动和动力计算的结果，减速器的传动比为100，在这一要求下，选取了PLF系列的PLF90行星减速器[10]。3.5.3回转进给装置的齿轮的计算初步计算1．转矩由式（3－9）求得的扭距，可得知==794.44。2．齿宽系数查表可取得。3．接触疲劳极限查表得，。4．初步计算的许用接触应力计算如下=（）（3－21）=（）（3－22）5．查表取得。6．初步计算的小齿轮直径计算如下（）（3－23）取=250。7．初步齿宽计算如下=80（）（3－24）初步计算1．精度等级查表选得8级。2．齿数Z和模数m取齿数。3．使用系数查表可取。4．动栽系数查表可取。5．齿间载荷分配系数计算如下（N）（3－25）>100（N/mm）（3－26）（3－27）（3－28）由此计算得：（3－29）6．齿向载荷分布系数计算如下（3－30）初步计算1．实际分度圆直径计算如下（mm）（3－31）（mm）（3－32）2．中心距计算如下（mm）（3－33）3．齿宽计算如下=80（）（3－34）取=95mm，=85mm。3.5.4径向进给装置的齿轮径向进给的齿轮如上计算齿面接触疲劳强度得1．模数计算可得m=2。2．齿数计算可得。3．分度圆直径计算如下（mm）（mm）4．中心距计算如下（mm）5．齿宽计算如下（）根据实际结构选取=30mm。3.5.5滚动导轨及导轨副的选择滚动导轨广泛运用于各种类型机床和机械。它由钢珠在滑块与导轨之间作无限滚动循环，使得负载平台能沿着导轨轻易的以高精度作线性运动，其摩擦系数可降至传统滑动导引的1/50，使之能轻易地达到μm级的定位精度。滑块与导轨间的末制单元设计，使得线形导轨可同时承受上下左右等各方向的负荷。滚动导轨类型很多，按运动轨迹分为直线运动导轨和圆运动导轨；按滚动体的形式分为滚珠、滚柱和滚针导轨；按滚动体是否循环分为滚动体不循环和滚动体循环导轨。由于HG系列直线导轨，为四列式单圆弧牙型接触线性导轨，同时整合最佳化结构设计之超重负荷精密线性导轨，比其他同类型之四列式线性导轨提升30%以上之负荷与刚性能力；具备四方向等负载特色，及自动调心功能，可吸收安装面的装配误差，更能得到高精度的要求。根据运动计算的结果，选择HGW系列四列式15CC2R880ZAH直线导轨。根据导轨选择和所受载荷计算的结果，选择LGW系列15CAZ5HZZ导轨副。传动丝杠螺母的计算螺旋传动主要用以变回转运动为直线运动，同时传递能量和力，也可用以调整零件的相互位置，有时挤兼有几种作用。其应用很广，如螺旋千斤顶、螺旋丝杠、螺旋压力机等。根据螺纹副的摩擦情况，可分为滑动螺旋、滚动螺旋和静压螺旋。静压螺旋实际上采用静压流体润滑的滑动螺旋。滑动螺旋结构简单、加工方便、易于自锁，但摩擦大、效率低（一般为30%～40%)、摩擦快、低速时可能爬行，定位精度和轴向精度较差。由于滚动螺旋的价格较高，故本装置选用滑动螺旋传动。在设计时，根据对螺旋传动的要求，进行必要的计算。考虑到螺杆受力情况复杂并有刚度和稳定的问题，计算其螺纹部分的强度和刚度时，载面的面积和惯性矩等可按螺纹内径计算。根据传动精度的要求，螺杆选用45钢，而螺母选用35钢，在设计时，根据螺旋传动的要求，需要进行一些必要的计算[11]。螺纹副耐磨性计算磨损多发生在螺母，把螺纹压展直后相当于一根悬臂梁。耐磨性的计算在于限制螺纹副的压强。根据滑动速度和螺旋副材料选取需用压强=18～25（3－35）式中F——轴向力，N；P——螺距，mm；——部分式螺母，取=2.5-3.5；h——螺纹工作高度，梯形h=0.5p，mm。为了满足式（3－35），选取的mm的标准梯形螺纹，相应得d=20mm，d3=17.8mm。2．螺纹牙强度计算螺纹牙的剪切和弯曲破坏多发生在螺母。根据手册可查=30～40MPa，=40～60MPa。（3－35）（3－36）式中——螺母螺纹大径，mm；——螺纹牙底宽度，其中梯形螺纹=0.634p，mm。根据计算结果，可知满足螺纹牙强度要求。3．螺杆强度计算螺杆受有压力F和扭矩T，其强度条件为（3－37）其中可查=40～60MPa，带入式（3－37），可知满足螺杆强度要求。4．螺杆稳定性计算螺杆受压时的稳定性验算式为~4（3－38）式中——螺杆的稳定临界载荷，N；——螺杆材料的弹性模量，MPa；——螺杆危险截面的轴惯性矩，m4；——轴两端铰支，或一端固定、一端移动时为1；一端固定、一端自由，一端铰支、一端移动时为2；两端固定时为1/2。把数据代入式（3－38）中，可知螺杆满足稳定性的要求。根据相关的计算选取。第4章UG的应用4.1引言在机械设计领域，设计工具经历了从图板到二维设计软件，再到三维建模软件的变革。三维造型软件的出现在设计领域中迈出了革命性的一步[39]。它彻底改变了传统的设计理念——从设计人员依靠想象力绘制各种视图，到直接绘制三维模型，再由计算机自动生成详细的工程图样。这使设计人员从想象各种视图的困境中解放出来。对于复杂的模型，更可避免传统设计方式难以避免的错误。而且，相对于平面模型而言，实体模型不仅可以提供几何拓扑信息，还可以包含模型的材料、质量、质心位置和转动惯量等物理信息。实体模型的优势在于：1.实体模型可以通过投影变换转换为二维图形，稍作修改即可输出为工程图纸；2.实体模型可以直接输出到数控机床或快速成型系统；3.实体模型包含大量的物理信息，可以作为有限元分析或动力学分析的起点；4.采用实体模型可以直观地模拟系统的运动，便于发现构件间的干涉。目前，比较流行的三维设计软件如：SolidEdge，UG和Pro/E等都具有相当完善的实体建模技术。根据客观条件和UG软件的特点，本文利用具有强大功能的UG软件对绕片机进行三维建模，并在此基础上运用UG运动分析模块对曲面仿形自动焊机的进给装置进行运动仿真分析。4.2Unigraphics软件简介Unigraphics（简称UG）是一个交互式的CAD/CAM/CAE系统软件。它是当前先进的面向制造业的CAD/CAM/CAE高端软件之一，集设计、分析和制造等功能于一体，为工程技术人员提供了丰富的三维图形资源库，可以用于机械制造领域的计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助分析（CAE）和计算机辅助制造（CAM）等方面。更为可贵的是UGNX实现了上面三种功能的有机集成，可以实现虚拟产品开发、精确装配、加工仿真、运动仿真等过程。从而实现机械设计和制造集成化，大大缩短了产品的开发设计周期，节省了大量的材料、资金和人力，给机械设计和加工带来了革命性的变革。UG软件为工程设计人员提供了非常强大的应用工具，这些工具可以对产品进行设计(包括零件设计和装配设计)、工程分析(有限元分析和运动结构分析)、绘制工程图、编制数控加工程序等。随着版本的不断更新和功能的不断扩充，UG更是扩展了软件的应用范围，面向专业化和智能化发展，例如各种模具设计模块（冷冲模、注塑模等）、钣金加工模块、管路布局等。UG软件起源于美国麦道飞机公司，六十年代起成为商业化软件，被众多美国公司采用。UG于1991年并入全球最大的信息技术服务公司EDS（ElectronicDataSystem）电子资讯系统有限公司。多年来，UG软件汇集了美国工业的心脏和灵魂－航空航天与汽车工业的专业经验，经过不断升级，发展成为一流的集成化机械CAD/CAM/CAE软件，并被美国通用汽车公司、麦道飞机公司和日本富士通等多家世界著名公司选定为企业计算机辅助设计、分析和制造的标准。4.3UG环境下对进给装置零件的三维造型4.3.1三维造型的意义零部件的三维造型可以为设计方案、用户交流、产品再现以及培训生产交互式模拟过程。设计工程师可以直接观察产品的设计情况。产品的用户可以验证产品是否满足设计要求。通过产品的三维模型可以直观产品的的真实情况，方便设计人员调整修改，节省人力物力资源，缩短生产周期。4.3.2UG三维造型的功能UG软件具有强大的三维造型功能,特别适合于复杂曲面。UG可谓是一个全方位的3D产品开发软件,集成了零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、钣金件设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析,产品数据库管理等功能于一体。其首创的参数式设计给传统的模具设计带来了许多新观念,强调实体模型架构优于传统的面模型架构和线模型架构。UG还具有良好的数据接口,它可以将图纸输出为多种格式,可以方便地和AutoCAD,Pro/E等进行数据交换[12]。4.3.3横导轨的三维造型由于组成进给装置的零件众多，本书篇幅有限，不能具体的的对每一个零件都叙述其造型过程，在此仅以进给装置的横导轨为例，简单的阐述一下它的三维造型过程。建立部件模型1．进入UG界面后点击【文件】→【新建】命令或点击“开始”按钮，出现新建对话框，如图4-1所示。图4－1新建文件2．在该对话框，单位选择毫米，在名称栏填入零件名，然后单击确定，出现模板选择对话框，单击“起始”键，选择建模，进入绘图画面。单击“长方体“按钮，进入创建矩形的工作界面，输入各项数值，单击确定，出现长方体模型，单击“边倒角”，出现边倒圆对话框，输入数值，然后打孔，最后完成的零件模型如图4-2所示。图4－2完成的零件模型3．同样用数学建模的方法画出连接板、方管和筋板，如图4－3、图4－4和图4－5所示。图4－3连接板图4－4方管图4－5筋板4．对各个零件进行装配，如图4－6所示。图4－6横导轨的模型4.4进给装置的虚拟装配4.4.1虚拟装配概述虚拟装配是通过计算机对产品装配过程和装配结果进行分析和仿真，评价和预测产品模型，不需要实际产品作支持而做出与装配相关的工程决策。随着社会的发展，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一，而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一也越来越引人注目。虚拟装配的实现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产所出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等目的。自动焊机进给装置虚拟模型的建模只是产品结构设计工作的一部分，各零件的结构设计是否合理，能否满足装配要求，能否顺利装配在一起，还需要通过装配设计来做进一步检验。虚拟装配技术正是基于这种要求而提出来的，本文在分析虚拟装配技术基本思想和概念之后，结合进给装置的技术特点，探索虚拟装配在开发设计进给装置的具体实施方法和途径。运用UG虚拟装配技术进行装配建模，还可以及时检查装配模型是否存在设计尺寸干涉，为将来实际装配的顺利进行提供可靠保证。由此所产生的装配信息可以方便地绘制装配图，并能快速生成装配分解图，节省绘制装配图和零件图的时间和成本。4.4.2装配的方法产品装配建模模块，用于产品的虚拟装配。该模块支持“自顶向下”和“自底向上”的装配建模方法，可以快速跨越装配层来直接访问任何组件或子装配的设计模型，支持装配过程中的“上下文设计”方法，从而在装配模块中可以改变组件的设计模型。1．自顶向下的方法自顶向下的设计方法又叫演绎设计方法。在进行装配建模时，在以前没有建好零件或子装配体的情况下，要设计新产品可以充分利用“自顶向下”装配建模的优点。对一个产品先进行整体描述，然后分解成各个子装配与零件，再将子装配体按照顺序分解为更小的子装配体或零件，直至分解到最底层的子装配体或零件。然后制定工作计划和开始产品设计。2．自底向上的方法这种方法适用于己经具备了产品装配所需的装配单元（零件或子装配体）的场合。它是首先将各装配单元引入到装配造型的文件中，然后根据装配约束条件将它们组装在一起。在了解产品装配结构以及具备各个零件或子装配体的情况下，这是一种最好的装配造型方案。在这种方法中，一个装配体的零件或子装配体在未放进装配环境前就已被设计和编辑，然后再加到装配体上。4.4.3各个部件的虚拟装配进给装置零部件建模后，为保证产品设计的正确与合理，以及产品的完整性等，需要对模型进行虚拟装配，完成产品的虚拟装配模型。根据虚拟装配流程，首先定义各零件模型之间的装配约束，其次确定零件的装配顺序，最后完成装配干涉检验。1．主轴的建模大小齿轮的建模和轴承的装配模块。2．丝杠、丝母和连接座的装配。4.4.4进给装置的整机装配径向进给装置可划分为丝杠、横导轨等几个主要功能模块，回转进给可划分主轴、齿轮、箱体等几个主要功能模块，虚拟装配也采取自下而上的方式进行，先将零件装配成部件，然后将部件装配成整机模型。径向进给装置和回转进给装置装配。4.5运动仿真4.5.1运动仿真的基本思想用传统设计方法，在二维空间上要对运动类机构进行设计，特别是空间运动机构非常困难，甚至是不可能的，而在现代CAD/CAE软件和技术的支持下，空间机构设计不但可以实现，而且非常直观、容易和便于修改，设计方法和思路都可以随之创新。在空间机构概念设计阶段，运用运动学分析和仿真技术与软件，可以按照机械原理的理论和方法，将空间机构抽象为连杆、运动副和运动输入组成的物理模型，就其各构件的绝对和相对位置、位移、运动范围，包络位置，速度、加速度，运动干涉情况等运动规律、参数进行分析、仿真和评价，以此指导空间机构的布置、参数设计和优化。运动分析模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力距等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计（加长或缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线、调整齿轮比等）或调整零件的材料（减轻或加重或增加硬度等）。设计的更改可以反映在装配主模型的复制品：分析方案（Scenario）中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可直接反映到装配主模型中。4.5.2运动仿真的过程机构的运动仿真过程可以分为以下几个步骤：1.创建运动机构。2.定义运动副。3.添加机构的驱动器。4.进行机构的仿真。5.运动仿真结果进行分析。回转进给装置由电机提供动力，通过减速器带动小齿轮，大齿轮固定不动从而反作用于小齿轮，使整个箱体绕主轴转动，从而实现回转进给的动作，如图4－10所示。径向进给装置由电机提供动力，通过齿轮传动带动丝杠传动，使径向进给装置左右移动，从而实现径向进给的动作。结论本文在充分了解了国内外焊接设备的现状及发展趋势的基础上，结合焊接工艺以及大型焊接筒体的焊接特点，利用现代新兴技术，对整个马鞍形自动化焊机的进给装置进行了总体设计。同时，本文重点对机械结构系统的总体传动方案进行了设计，介绍了其工作原理，并根据一些特定的参数对重要的零部件进行了选择和计算。在本次设计中运用了CAD软件对传动系统和主要零件进行了二维图的绘制，并用UG软件对焊接机的径向进给和回转进给装置进行三维模型设计及动作仿真动画演示。在用UG软件进行三维造型设计及动画仿真的过程中，我对这个软件在仿真方面有了比较深入地了解，基本掌握了UG软件各个功能模块的基础知识和基本操作。通过本次设计，使我更加巩固了大学四年来所学到的知识，并能运用这些知识进行实际的设计制造，对我今后的学习和生活具有重大的帮助，也培养了我严于治学的态度。参考文献[1]雷玉成等．金属材料焊接工艺[M]．上海：化学工业出版社，2007：1[2]雷玉成等．焊接成型技术[M]．上海：化学工业出版社．1993：1[3]J.K.BLACKN，K.BILLRS，WeldingMachineMechanical．JOURNALOFWELDSCIENCE33(1999)632–796，December2,1999：1[4]RaralNunyun(1987)Theeffectofpressureontheshearviscosityofpolymernelts.TranssocRhcol1997：1-2[5]旭东等．UGNX4自学手册[M]．北京：人民邮电出版社，2007：2[6]九江等．材料力学[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006：3[7]连理工大学工程画教研室编．机械制图(4版)[M]．北京：高等教育出版社，1993：5[8]冯辛安等．机械制造装备设计[M]．北京：机械工业出版社，1997：6[9]孙玉芹、孟珧新等．机械精度设计基础[J]．上海：科学出版社，2003：11-13[10]潘承怡、苏相国、冯新敏．机械设计课程设计[M]．哈尔滨：哈尔滨理工大学2005：15-16[11]机械设计手册编委会．机械设计手册[J]．北京：机械工业出版社，2004：20[12]东北工学院《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册[M]．北京：冶金工业出版社，1980：21-22[13]张晓桂，高波.机械可靠性设计[M].吉林：吉林人民出版社，2003：23[14]朱龙根.机械系统设计[M].北京：机械工业出版社，1986：23[15]戚昌滋.机械现代设计方法学[M].上海：中国建筑工业出版社，1997：24[16]牟致忠.机械零件可靠性设计[M].北京：机械工业出版社，2003：24-25[17]邹慧君.机械运动方案设计手册[M].上海：上海交通大学出版社，1985：25[18]徐灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1991：[19]王三民.机械原理与设计课程设计[M].北京：机械工业出版社，2005：25-26[20]龚桂义.机械设计课程设计图册[M].北京：高等教育出版社，2004：26[21]王三民，诸文俊.机械原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2001：27[22]周松鹤，徐烈恒.工程力学[M].北京：机械工业出版社，2003：27[23]瓦西连柯，李肇中,王嘉惠.微粒沿农机非光滑表面运动的理论[M].上海:科学技术出版社,1964：29附录InfluenceofWeldingMachineMechanicalCharacteristicsontheResistanceSpotWeldingProcessandWeldQualityMechanicalcharacteristicsofresistancespotweldingmachines,suchasstiffness,friction,andmovingmass,havecomplexinfluencesontheresistanceweldingprocessandweldquality.Inthispaper,theseinfluencesaresystematicallyinvestigatedthroughexperiments.Themechanismsoftheinfluencesareexploredbyanalyzingprocesssignatures,suchasweldingforceandelectrodedisplacement,andotherprocesscharacteristics,suchaselectrodealignment.Abetterunderstandingoftheinfluencesisachievedthroughthisanalysis.Thisstudyshowsmachinestiffnessandfrictionaffectweldingprocessesandweldquality.Italsoconfirmsthemovingmassdoesnotsignificantlyaffecttheprocessandqualityofresistancespotwelding.IntroductionAresistancespotwelding(RSW)machineconsistsoftwodistinctsubsystems:electricalandmechanical.Thecharacteristicsofthemechanicalsubsystem,suchasmachinestiffness,friction,andmass,playimportantrolesinthefunctionalityandperformanceofaweldingmachine,andsubsequentlyinfluenceweldingprocessandweldquality.Accordingtopublishedliterature,researchontheinfluenceofweldingmachinesstartedinthe1970s.Earlyworkfocusedonthedifferencesinmachinetypes.Forexample,GanowskiandWilliamsinvestigatedtheinfluenceofmachinetypeonelectrodelifeforweldingzinc-coatedsteels(Ref.1).KolderandBosmanstudiedtheinfluenceofequipmentontheweldlobediagramsofanHSLAsteelatfivesites(Ref.2).Satohandhiscoworkersconcludedmachinetypewasanimportantfactorinweldperformancebasedontheirexperimentsonfourtypesofweldingmachines(Refs.3,4).Morerecently,researchershaveaddressedtheeffectsofindividualmachinecharacteristicsonvariousaspectsoftheweldingprocess.Severalstudieswereconductedontheinfluenceofmachinestiffnessandelectrodedisplacement.Hahnetal.(Ref.5)foundlargedisplacementofelectrodesresultedindefectsofelectrodecontactanddecreaseofweldquality.Williams(Ref.6)discoveredanincreaseinthroatdepthandelectrodestrokedecreasedelectrodelife.Similarly,Howe(Ref.7)foundelectrodedeflectionsignificantlyinfluencedelectrodelife.DornandXu(Ref.8)showedthestiffnessofalowerarmhadaneffectontheoscillationandthemeanvalueofelectrodeforcewhenelectrodeswereincontactwiththeworkpieces.Theinfluenceofmachinefriction,orthefrictionbetweenthemovingpartsandthestationarypartsincontactwithinaweldingmachinehasalsobeenstudied.Satohetal.(Ref.3)foundthatfrictionhadeffectsonnuggetdiameterandsheetseparation.Theyalsonoticedthatweldexpansionoccurredmainlyinadirectionperpendiculartotheelectrodeaxisifthefrictioneffectsweresignificant.DornandXu(Refs.8,9)concludedanincreaseinfrictionreducesoscillationofelectrodeforceduringtouching.Theyfurtherfoundthattheincreaseinfrictionreducedthetension-shearforceandtorsionmomentofwelds.ThemovingmassofRSWmachineswasfoundlessimportanttoweldqualitythanstiffnessandfriction.Satohetal.(Refs.3,4)didnotfindmuchinfluencefrommovingmassonweldnuggetformation.TheystatedthattheoptimalweightofthemovingpartexistedforelectrodelifeinrelationtothenaturalfrequencyofaRSWmachine.DornandXu(Ref.9)observedthatthemovingmassaffectedvibrationatlowfrictionwitharigidlowerarm.However,theydidnotdetectanyclearinfluenceofthemassonweldquality.TheoreticalattemptsweremadebyGouldandhiscoworkersonthedynamicbehaviorofmovingpartsofaweldingmachine(Refs.10,11).Inarecentstudy,Tangetal.(Ref.12)performedasystematicinvestigationofthedependenceofelectrodeforceonmachinemechanicalcharacteristics,weldingprocessparameters,andmaterials.Insummary,theseresearchershavemadevaluablecontributionstotheunderstandingoftheeffectsofmachinecharacteristicsonwelding.However,severalissuesremaintoberesolvedinthisresearcharea.First,theresultsofthepreviousstudiesweremainlydescriptiveandlackedconvincingexplanations.DuetothecomplexityofRSW,itisdifficulttoobtainexplicitexpressionsoftheinfluencesonlyfromcomparisons.Second,weldqualitywasnotemphasizedintheirstudies,althoughimprovingweldqualityhasbeenoneofthemainconcernsinbothacademicresearchandindustrialpractice.Inaddition,importantmechanicalcharacteristicsofaresistanceweldingmachinehavenotbeensystematicallystudiedinpreviousworks.Itisdesirableyetchallengingtoobtainascientificandsystematicrelationshipbetweenmachinecharacteristicsandweldquality.Thisresearchattemptstoaddresssomeaspectsoftherelationshipandalsotounderstandhowweldqualityisaffected.Bothexperimentalandprocesssignatureanalysistechniqueswereutilizedinthisstudy.Changesinmachinemechanicalcharacteristicsareusuallydirectlyreflectedbyvariousprocesssignaturesrecordedduringwelding.Therefore,theinfluenceofmachinecharacteristicsonweldqualitycanbeexplainedbyanalyzingtheprocesssignatures.Theelectrodeforcewaschosenastheprimaryprocesssignatureinthisstudy.Theinfluenceofmachinecharacteristicsonweldqualitymaybelargelyexplainedthroughtheanalysisoftheforcecharacteristicsbecauseotherprocessparameters,suchasweldingcurrentandtime,arenotdirectlyrelatedtomachinemechanicalcharacteristics.Electrodedisplacementduringweldingisalsoimportantbecauseitreflectstheexpansion,melting,growth,andsolidificationprocesses.Thus,bothforceanddisplacementwerestudiedinthisinvestigationoftherelationshipbetweenRSWmachinesandweldquality.Inthecontextofthiswork,weldqualityreferstothegeometriccharactersofaweldsuchasindentation,theappearanceofexpulsion,andthetensile-shearstrength(peakload)ofaweld.Thenewapproachattemptedinthisstudycombinesexperimentalinvestigation(asperformedbypreviousinvestigators)andprocesssignatureanalysis—Fig.Experimentalinvestigationsweresystematicallydesignedandconducted.Weldqualitywasemphasizedinthestudy.Basedontheexperimentalresultsandonanalyticalandnumericalstudies,therelationshipbetweentheindividualcharacteristicsandweldqualitywasexploredthroughprocesssignatureanalysis.ExperimentalInvestigationandProcessAnalysisThisexperimentalinvestigationwascarriedoutonweldingmachineswithmodifiedmechanicalcharacteristics.Suchcharacteristicswerethenlinkedtoweldquality,andtherelationshipwasestablishedthroughprocesssignatureanalysis.Thefocuswasplacedonthesignalsduringwelding,i.e.,duringtheapplicationofelectriccurrent.Inaddition,theholdstagewasanalyzedbecauseitinfluencesthesolidificationofliquidnuggets.Themajorityofexperimentswerecarriedoutona75-kVApedestalweldingmachine.Someexperimentswereperformedusinga42-kVAC-typegunanda200-kVApedestalweldingmachine.Trun-cated-coneelectrodeswereusedinallexperiments.Weldingforce,electriccurrent,andthicknessofmetalsheetswerechosenasexperimentvariables.Todeterminetheweldingcurrentusedintheexperiments,weldlobetestsundervariousconditionswereconductedfirst.Thecurrentprofilewhenweldingexpulsionhappenedwasrecorded.Theweldingcurrentsusedforallfollowingdesignedexperimentswereselectedneartheexpulsionlimits,ortheminimumcurrentsatwhichexpulsionisobserved.Inordertoensurethereliabilityofexperiments,fiveweldsweremadeundereachcondition.Intheexperiments,theprocesssignalswererecordedforsubsequentanalyses.Theforcewasmeasuredbyastraingaugebasedloadcell,whilealinearvariabledifferentialtransducerwasusedtomeasurethedisplacement.Thecurrentwasalsorecordedinordertocapturetheexactweldingstageduration.Severalmeasureswereselectedascriteriaforevaluatingweldquality.Thetensileshearstrengthwasusedastheprimaryindexofquality.Weldindentationwasalsomeasured.Eachoffivespecimenswasmeasuredthreetimesfortheindentation.Furthermore,metallurgicalexaminationswereconductedonselectedspecimens.Materialsusedintheexperimentsaresteelandaluminumsheetscommonlyusedinautomotiveapplications,andtheirspecificationsarelistedintheindividualsections.Themechanicalcharacteristicsoftheweldingmachines,i.e.machinestiffness,friction,andmovingmass,weremodified.Inordertoensure