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1、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教师：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对比分析， 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；并且焊接过程中，始终能满足焊炬和工件焊 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、尤其是焊矩支撑机构的刚度高。整机制造工艺 性好，拆装、维修方便，满足中小型企业异形
2、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 which can joint the profiled work-pie
3、ces 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; Whafs more , it can meet the requ
4、irements 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 design of automatic welding machin
5、e, 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 ； framework of pressing第一章绪论自加
6、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，只有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。其主要原因是因为目前国内在异形工件焊接技术方面还不成熟，因 此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业异形罐的焊接主要采用以下两种方式：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、丰富的实践经验、
7、稳 定的焊接水平；另一方面，对于手工焊接工人来说，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，使滚轮之间的被焊薄板前进，无数焊点形成焊缝。图1-1电阻饵原理图1-上电极：下电极图1-2电阻祥机主电路原理图
8、1-变任器：导电杵及上瞥： 3-博接演轮：4-工件：5-下瞽HXiA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 有两圈左右，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，使形成 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。然而缝焊过程要求间 歇通电，这是因为如果通电不间断，那么已形成接焊点处的电阻将变为内部电阻。由于内部 电阻较小
9、，电流大部分将从焊点流过两片待焊金属，而滚轮间电流不经或只有小部分流经待 焊接的接触处，形成分流现象。分流现象会影响焊接区温度的上升.从而影响新接点的形成。此外该焊接方法由于在焊接过程当中要大量放热，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 也可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，发展十分迅速。国外有许多著名的机器人公 司，如瑞典ABB Robotics公司、日本安川电机、日本FANUC公
10、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。至1J1980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十分迅速，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课题来源虽然国外一些先进的焊接机器人焊接质量好、操作灵活、精度高，但成本高，
11、对操作人 员的技术要求较高，不适合中小型企业，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，因此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概况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接方
12、面的一 大难题，有十分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过程中的难题。2. 在焊接过程中，始终能满足焊炬和工件焊缝间的角度要求；使得操作灵活，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，能满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，并且在焊接过程中夹紧
13、力可调，能很好消除焊接压力对工 件的影响，提高焊接质量。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，适合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特别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
14、平还很低，而且发展极不平衡。目前我国焊接 自动化率还不足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，特 别是小直径药芯焊丝的消耗达到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观。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，并在消化吸收的基础上，自行开发了机器人焊接程序
15、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形成产品的商业化。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，许多国家都把发展工业机器人 作为高技术领域的战略目标列人国家发展计划，但各国的发展模式有所不同。美国是最早出 现工业机器人的国家，1954年美国的G. C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Unimate和 Versatran等类型
16、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，向其它产业渗透。日本仅用了】0年左右的时间， 便形成了自己的机器人产业，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。装配7导 其他玲凯忡j装k湎山焊N图1-3戏咋年I季度北美市场工业机器人用途统计 （资料来源：RIA）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
