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1、双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台的设计与控制结构设计第一章 绪论1.1选题的目的和意义搅拌摩擦焊技术发明至今17年以来，无论在国外还是在国内，已经成功跨出试验研究阶段，发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术；这项新型的焊接技术在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经展示出显著的技术和经济效益，诸如：根除了熔焊所固有的焊接缺陷、提高了接头和结构的连接质量、降低了焊接变形等;并且在其他轻金属如镁、铜、锌等材料结构的制造中也正在实施工程化应用。搅拌摩擦焊作为先进的固态连接技术,正在广泛应用于铝合金结构件的连接制造
2、，大面积取代熔焊方法，尤其是在现代运载工具的高速化、轻型化进程中，技术经济效益显著；近两年来，在国内，搅拌摩擦焊基础方法研究、工程应用开发、搅拌摩擦焊设备及产品制造方面取得明显进步，促进了搅拌摩擦焊在中国制造领域的应用，正蓄势待发；搅拌摩擦焊在方法、材料、性能和效率、成本、环保等方面显示出的优越性，促进了在我国航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造行业中的大规模工程化应用，正方兴未艾。北京航空制造工程研究所于2002年成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国。从此为搅拌摩擦焊技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开了大门。这几年来，搅拌摩擦焊在中国已
3、经起飞；在技术、工艺、设备等方面都有了突破性的进展，并且已经在工业中得到应用，正在推动着中国轻合金结构制造业连接技术的加速发展。为了开启中国市场的搅拌摩擦焊技术的研究开发以及大规模工业化应用，特别设计铝合金摩擦搅拌焊数控机床，其中本次题目是铝合金摩擦搅拌焊数控工作台部分的设计与控制。现代数控机床技术的发展已形成一个自动化、网络化、柔性化、集成化的趋势。数控装备的整体水平也标志着一个国家的工业现代化和综合国力的强弱。本次的设计题目正是为了设计出适合搅拌焊的数控工作台，和搅拌头有机的结合起来，通过计算机控制实现自动化，成为完整的数控摩擦搅拌焊机床。为今后研究点焊以及点焊阵列提供优越的实验条件；更为
4、今后搅拌摩擦焊机床的规模化生产奠定了基础。1.2国内外研究现状、发展动态铝合金摩擦搅拌焊（FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种焊接技术。这种固相连接技术拥有明显的优越性，对于轻合金材料的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。其中FSW在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的的应用前景。搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已经从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段,形成了一个新的产业: 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工.如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已
5、形成新兴产业。与搅拌摩擦焊相适应的焊接新装备和搅拌工具的发展也非常快，为实施搅拌摩擦焊工艺方案及提高各类材料接头的质量，各种类别的新型搅拌摩擦焊接设备、自动化装置及机器人搅拌摩擦焊机等相继问世。通过前几年的技术积累和市场推广，其中包括设备开发、工艺研究及产品试制等几个方面，预测在3-5年之内，FSW技术有望首先扩大应用到航天结构的生产制造中，实现我国航天制造技术中的一大跨跃式发展。在全面性能（尤其是疲劳性能和抗腐蚀性能）研究基础上，搅拌摩擦焊接技术在航空制造领域有可能先应用到飞机制造中的某些非重要铝合金承力结构（如运输机中的载物底板等）.随后,逐步向重要的铝合金承力结构中推广。FSW技术在这一
6、领域的扩大应用可能需要较长的时间（5-10年）。但是鉴于飞机结构轻量化的需要,以及FSW技术在焊接轻合金（如铝合金、镁合金等）方面的独特优势，将FSW技术用于飞机结构的制造已是大势所趋。铝合金型材拼接技术的开发是搅拌摩擦焊技术在工程化、市场化中量大面广的最重要领域，如轨道列车（包括高速列车,地铁列车和铝合金货运车）、快速舰船产品等.采用搅拌摩擦焊接技术在这些方面的优势是生产效率高、焊接变形小、成本低、质量好等。以铝合金列车为例，有统计表明，到2020年，我国约需新配备铝合金客车20万辆、铝合金运煤车20万辆。可见,搅拌摩擦焊接技术在我国轨道车辆、快速舰船等领域的大规模工程化应用前景也非常广阔。
7、第二章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构组成为了保证铝合金摩擦搅拌焊点焊时的位置精度，以直线导轨为支撑，采用步进电机和滚珠丝杠副的组合来保证工作部件的平稳运行。为了今后点焊阵列的深一步研究，采用计算机控制实现机床自动化。这次的总体方案是工作台的整体结构设计和控制系统的设计。传动部分是通过直线导轨限位、通过滚珠丝杠副控制运送精度，两个滚珠丝杠副分别控制X、Y方向的位移移动，通过气动夹具把被加工工件送到搅拌头下的指定位置进行加工。控制部分是通过计算机控制步进电机和气动电磁阀，进而控制滚珠丝杠副和气动夹具的运动。2.1 支承结构2.1.1 支架板支架板是钢板焊接结构，两侧的支承固定在其下底面上，导
8、向依靠直线滚动导轨。为了保证滑块与导轨的高速平滑运动，滑块的端面带有防尘装置，机器的工作环境需保持清洁，以防灰尘残留在导轨和丝杠的沟槽内，造成急剧磨损。Y轴也是由步进电机带动，电机通过联轴器直接与滚珠丝杠联结，丝杠在装配时进行预紧，保证无间隙的传动。2.1.2 支承台支承台采用双层钢板加肋结构，是在上下面板之间有序地焊上一段冲压钢板构成对角线肋网而形成支承台，双层壁结构是一种具有刚度、重量轻，抗振性好的高性能结构，适用于大型、精密机架。平板上布置冲压的波浪肋，且呈菱形排列，两肋构成U形减振接头，抗扭和吸振性好，改善了阻尼特性。由于支承台承受载荷，上下面钢板可以稍厚一点，这样既能使焊接强度增大，
9、还具有稳定性。2.1.3 焊接支承件因为本次设计是一个实际的工程项目，单件生产适合焊接结构。在机床设计中，很多地方都用到了焊接件，在焊接接头的选用上，对结构本身的刚度和强度上都有很大的影响，所以关于焊接接头的选择至关重要。用焊接方法连接的接头称为焊接接头。它由焊缝、熔合区、热影响区及其邻近的母材组成。在焊接结构中焊接接头起两方面的作用，第一是连接作用，即把两焊件连接成一个整体；第二是传力作用，即传递焊件所承受的载荷。焊接接头的形式主要有：对接接头、十字接头、T形接头、搭接接头和角焊接头等。十字接头或T形接头在焊接结构中得到了广泛的应用。角焊接头多用于箱形构件上，但是它的承载能力视其连接形式而不
10、同，其中采用双面角焊缝连接，其承载能力可大大提高。由于对接接头的疲劳强度在很大范围内变化，搭接接头的疲劳强度是很低，根据实际设计的焊接结构，多采用角焊焊接、T形焊接方法。2.2 传动机构2.2.1上传动机构上传动机构主要由步进电机、联轴器、滚珠丝杠副和卡槽、滑动导轨等零件组成。主要功能实现对工件Y方向的移动。其中步进电机驱动滚动丝杠的转动，进而带动螺母的直线运动，使夹具体沿着滑动导轨到达指定的位置。在这个传动机构中，需要两个滑动导轨。一是附带夹具体的滑槽所在的导轨，这个导轨选用矩形导轨；矩形导轨可以消除摩擦。二是夹具在滑槽上的移动所需要的导轨，这个导轨选用燕尾形导轨。燕尾形导轨的特点是高度较小
11、，调整方便，可以承受颠覆力矩，一般多用于要求高度小的多层移动部件。材料选为铸铁对铸铁导轨。2.2.2下传动机构下传动机构和上面的有些类似，螺母的运动带动滚动导轨上滑块的运动，而滑块与上支承板连接，带动工作台上的整体移动。因为下传动机构的承载比上传动机构的承载能力大，故在此采用了滚动直线导轨，不论是承载能力方面还是线性精度方面都比滑动导轨的优势大。滚动导轨的主要特点及应用：（1）滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的摩擦变为滚动摩擦，大大降低了二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：a、动静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔很短，有利于提高数控系
12、统的响应速度和灵敏度。b、驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的1/10。c、与V形十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。d、适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。e、能实现高定位精度和重复定位精度。（2）能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。（3）成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。（4）导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道由明显降低。（5）导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性，心部保持良好的机械性能
13、。（6）简化了机械结构的设计和性能。（7）应用广泛，用于各类精密机床、数控机床纺织机械等。由于滚动直线导轨在实际工作中要承受一定的载荷，所以在将在后面一章里将进行校核计算。2.3 辅助工作台双螺旋搅拌摩擦焊焊机是由搅拌焊头和送料工作台两部分组成，为了更好的安装、维修搅拌头部分，特别设计了辅助工作台，在搅拌焊接工件同时，还可起到辅助支承工件的作用，防止工件的游走，以免影响加工精度。辅助工作台不但易于拆卸，而且对于焊机的整体外形的完善起到了很大的作用。如下图所示：第三章 双螺旋搅拌摩擦焊焊机送料工作台结构设计校核3.1 滚珠丝杠副的设计与校核3.1.1滚珠丝杆设计与选用滚珠丝杠副作为精密、高效的传
14、动元件在精密机床、数控机床得到广泛应用，在机械工业、交通运输、航天航空、军工产品等各个领域应用得很普遍，可用作精密定位自动控制、动力传递和运动转换。1、滚珠丝杠的理论设计方法理论设计方法是设计的基础。滚珠丝杠的设计计算原理应根据额定动载荷Ca选用, Ca可从样本或手册查得，滚珠丝杠的当量动载荷Cm为:Error! No bookmark name given.Cm=(FmL1/3fw)/fa （3-1）所选的丝杠副,其额定动载荷Ca,不得小于此值：Ca=Cm （3-2）式中：Fm轴向平均载荷，N；其中，Fm=(2Fmax+Fmin)/3；Fmax、Fmin丝杠的最大、最小工作载荷，N；L工作寿
15、命，单位为106转；其中，L=(60navLh)/106；nav平均转速，(r/min) ；其中，nav=(2nmax+ nmin)/3；nmax、nmax丝杠的最高、最低转速，(r/min)；Lh以小时为单位的工作寿命(h),一般的数控机床可取Lh=15000h；fa精度系数，1、2级；取fa=1，3、4级取fa=0.9；fw运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况下取1.21.5，有冲击取1.52.5。2、设计滚珠丝杠还应考虑如下一些约束条件：a）临界压缩载荷应大于轴向最大受压载荷，确保丝杠的稳定性。b）丝杠的最高转速应小于临界转速，防止发生共振。c）滚珠丝杠还应受d0nmax限制，一般d0nmax70000mmr/min。d）滚珠丝杠应具有足够的刚度。3、确定滚珠丝杠副的导程Ph由传动关系图,工作台最高移动速度Vmax，电机最高转速nmax，传动比i等确定Ph。 （3-3）当电机与滚珠丝杠副直联时i=1。所以，Ph=5000/11000=54、滚珠丝杠副的载荷及转速计算（1）最小载荷Fmin最小载荷是机器空载时滚珠丝杠副的传动力
