箱体自动焊接机床的研制

张良

（宁波技师学院，浙江宁波315032）

0 引言

某技工学校与某机械股份有限公司签署校企合作协议，其中一项主要合作内容是学校为该公司研发一款箱体自动焊接机床，此专用机床主要为实现箱体类零件的自动焊接而设计，箱体厚度为3 mm，其外形尺寸为700 mm×500 mm×400 mm。该专用机床按年生产箱体2万套设计，要求完成自动焊接机床的相关设计并实施首台试制任务。

1 机床设计要求

自动焊接机床主要是通过控制焊枪夹头、摇篮架、丝杠导轨等移动部件，在机床上实现相应的进给运动，控制焊枪对箱体类零件中的侧边进行自动焊接加工。通过整体机构设计，完成焊枪夹头与箱体类零件相应的合成运动，以实现相应部位的焊接任务，且需保证加工完成后对箱体零件的焊接质量要求。同时，需要对设计完成的箱体自动焊接机床其主要零部件进行强度、刚度校核及误差计算，从而提高该机床整体的设计质量，满足使用寿命要求。

图1 箱体自动焊接机床总装图

本课题作为某技工学校产学研合作项目，并进行了开题及评审立项。专门组建研发团队，通过整体专用机床方案设计，并重点确定了如下内容：电动机的选择（含底座电动机、横梁电动机、焊枪夹头电动机等）、导轨的选择、丝杠的选择（含底座丝杠、横梁丝杠、焊枪立板丝杠）等，要求设计完成的箱体自动焊接机床动作准确可靠、迅速方便，保证加工完成后箱体的质量要求。

2 机床设计思路

2.1 自动焊接机床的整体结构设计

考虑到制作成本，本设计选用龙门架式结构，分为如下主要部分：底座，摇篮架，横梁和立柱,如图1所示。考虑到机床尺寸较大，故底座由100 mm×100 mm的空心方管焊接而成，以减轻重量。横梁位置较高，考虑到装配难度，由整体加工而成，刚性良好，重量轻，位于立柱之上。摇篮架用于帮助被加工零件的旋转，保证焊接工艺要求。

2.2 自动焊接机床的运动轨迹分析

本机床选用二氧化碳保护焊，其具有热影响区域小，修复精度高，只有极小的焊补冲击等优点。其焊接运动轨迹如下：1）首先将摇篮架旋转90°，将被加工零件放于延伸定位板上，侧面靠拢定位板，背面转动圆盘夹紧，焊机开始工作。2）被加工零件放入后，焊枪夹头下移，摇篮架通电，焊枪开始沿图2所示轨迹工作。3）焊枪夹头上提，摇篮架带动被加工零件旋转90°，焊枪夹头到图3所示位置，沿轨迹继续加工。4）焊枪夹头上提，摇篮架带动被加工零件旋转90°，焊枪夹头到图4所示位置，沿轨迹继续加工。5）焊枪夹头上提，摇篮架带动被加工零件旋转90°，焊枪夹头到图5所示位置，沿轨迹继续加工。之后焊枪夹头上提复位，摇篮架旋转复位，即可取下被加工零件。

在以上运动过程中，应特别注意两点：1）加工时摇篮架是带电的，勿直接触碰或以导电体触碰；2）摇篮架上下均留有一定空间供摇篮架与被加工零件旋转，勿放置杂物。

图2 焊接轨迹一运动演示

图3 焊接轨迹二运动演示

图4 焊接轨迹三运动演示

图5 焊接轨迹四运动演示

3 机床主要零部件的设计

3.1 电动机的选择

结合机床成本与加工精度要求等实际情况，选用步进电动机。另考虑到本机床加工时需要的转速不高，故以所需转矩要求为主要指标来选择电动机。

底座电动机需驱动的工作台与被加工零件的重量为G=V×ρ，由碳钢密度ρ=7800 kg/m3，得G=170 kg；根据公式T=F×L×fs，查得fs=0.01。故最终底座电动机T=12 N·m。同理计算横梁电动机的转矩T=6 N·m，焊枪夹头立板电动机的转矩T=2 N·m。考虑到误差等因素，应取转矩稍大一点的电动机，电动机与相关参数见表1。

表1 箱体自动焊接机床电动机的选型

3.2 导轨的选择

参考同类型机床，常用导轨有直线圆柱导轨与直线方轨，考虑到本机床的体型略大，如若用方轨，安装难度较大，安装面尺寸过长且不易加工，而直线圆柱导轨能满足加工精度要求，故选择直线圆柱导轨。

3.3 丝杠的选择

本机床选择滚珠丝杠，其具有以下优点：摩擦损失小、传动效率高、精度高，可实现高速进给和微进给，轴向刚度高。

1）底座丝杠的选择。选用丝杠材料为GCr15，以保证强度要求。

图6 箱体自动焊接机床（试制机）实物图

抗扭截面系数为Wn=πD3/16，塑性材料［τ］=(0.6～0.8)［σ］，因GCr15屈服强度为518.42 MPa，代入得［τ］=311 MPa，16×170×9.8×0.5D/(3.14×D3)≤311，故D≥13.6 mm。

2）横梁丝杠同理计算得，D≥6.7 mm。

3）焊枪立板丝杠同理计算得，D≥3 mm。

3.4 驱动蜗轮蜗杆减速器的选择

因摇篮架在加工零件过程中需旋转90°并完成自锁，故应选择具有自锁功能的蜗轮蜗杆减速器NMRV050（速比为1：30）及其步进电动机110BYG350（12N·m）作为摇篮架处的驱动单元。转矩T=F×L×fs=72×9.8×0.426×0.15=45 N·m，小于360 N·m（额定转矩），故满足使用要求。

3.5 主要轴结构的确定

本机床涉及2个尼龙套轴的设计，其基本构造原理相同，现举其中1根较复杂的进行主要说明，另外1根同理设计，在此不再叙述。

1）结构的确定。因摇篮架工作时为导电体，故2根连接轴需进行绝缘处理（加尼龙套），其中1根作为电流的输入端，需在轴端打孔以便接电线。

2）轴强度的计算。因该自动焊接机床传递功率不大，并对质量及结构尺寸无特殊要求，故选常用材料45钢，由于输入轴为转轴，故按扭转强度计算轴径,公式为

轴的材料为45钢，查得τ取30，T=F×L×fs，由fs=0.15，代入上列公式，

3)轴加工工艺的确定。因连接轴在本机床工作中起到了至关重要的作用，为此，需严格控制加工质量，规范加工工艺，现就其中较复杂的轴加工工艺说明如下，另一根轴同理：备棒料毛坯件→45钢轴调质处理220～240 HBS→车45钢φ30至尺寸→车尼龙66的φ25孔至尺寸→铣45钢花键槽至尺寸→加热45钢至尼龙66熔点259℃，放入尼龙66的φ25孔中→车外圆φ84至尺寸，精车左端面→粗车φ52、φ40、φ25，留2 mm加工余量→钻2个φ5销孔至尺寸→铰φ5孔，放入2个φ5销孔，封口→精车φ52、φ40、φ25至尺寸，精车右端面至尺寸→铣左侧长90宽8槽至尺寸→钻4-φ7通孔至尺寸→钻90°，倒角深2 mm→检验入库。

3.6 机床主要零（部）件使用情况

箱体自动焊接机床（试制机）实物如图6所示。

本箱体自动焊接机床关键零（部）件包括立柱、底座、工作台底板、底座总成、丝杠垫块、Y轴工作台左板、减速器支座、Y轴工作台右板、电动机安装板、工作台、摇篮架工作台、摇篮架（左右板）、尼龙套花键轴、尼龙垫片、尼龙套连接轴、压板、锁紧杆、定位块、锁紧盘、定位勾、横梁电动机安装支架、X轴工作台、Z轴工作台、X轴电动机安装支架、横梁、连接杆夹头、焊枪夹头、连接杆等，相关主要零（部）件规格尺寸如表2所示。

4 结 语

本箱体自动焊接机床与传统的手工焊接加工箱体零件相比，生产效率提高了约6倍，箱体零件的焊接质量一致性好，焊接部位美观，没有手工焊接的焊点不均匀现象，并可避免手工焊接中如操作者水平、个人情绪、身体状况和熟练程度等各种因素的影响，保证了焊接的可靠性和一致性，同时降低了管理难度和生产成本，减少了操作人员和检验人员数量，产品的竞争力大大提高。

表2 箱体自动焊接机床主要零（部）件规格尺寸

[参 考 文 献]

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