林肯自動化送絲機優化設計

梁梓廷，劉海雄，葉軍

（青海大學機械工程學院，青海西寧810016）

林肯自動化送絲機優化設計

梁梓廷，劉海雄，葉軍

（青海大學機械工程學院，青海西寧810016）

為了配合送絲機構的部分結構調整，使得KUKA焊接機器人（KR 16 arc HW）與林肯多工藝焊機（Power Wave 455M）進行搭接。重新調整和設計林肯自動化送絲機（Power Wave 455M）底盤法蘭的結構，調整后的送絲機結構不會對KUKA焊接機器人的運動造成干涉。并且為了體現送絲機外觀的美觀性和科學性，通過工業設計的方法優化設計解決了送絲機配合搭接彎板的使用問題，展現了工業美學。

林肯自動化送絲機；結構；底盤法蘭；優化設計；工業美學

庫卡機器人在全球被廣泛的使用，在各行各業都有所體現[1]。林肯焊機操作簡單、堅固耐用、性價比高，支持絕大部分的焊接工藝，主要應用在管道、造船工業、不銹鋼以及雙相鋼和Cr-Mo耐熱鋼焊接中，均勻的輸出控制，一致的焊縫外觀，優秀的電弧表現和熔池的控制，卓越的電弧性能，使其成為電焊機行業的先驅和巨頭。其分別生產的KUKA（KR 16 arc HW）與（Power Wave 455M）在焊接行業都有不錯的表現。為了兩者能搭接使用設計了一種搭接彎板。但是如果按照現有的林肯送絲機結構安裝，將會對KUKA焊接機器人（KR 16 arc HW）造成干涉，因此調整林肯送絲機法蘭盤的結構是必須的，通過檢索沒有發現具有直接指導性意義的資料，因此本文在參考林肯自動化送絲機設計結構[2]的前提下，根據實際設計的需要，對林肯自動化送絲機進行了改裝。

對于設計而言使其最大限度不影響原產品的美觀是符合設計美學要求的，因此使送絲機送絲機構更好的融入設備，配合KUKA焊接機器人的造型風格，這也是十分必要的。設計出符合工業美學的專屬送絲裝置，在外觀造型上達到與KUKA焊接機器人渾然一體的效果才算一次成功的設計。

1 底盤法蘭的設計

搭接彎板的形式決定了送絲機構的安裝形式，這使得要將送絲機構的一些地方完全改動才能不干涉KUKA（KR 16 arc HW）焊接機器人的正常運動，故本次設計將送絲機構調整的結果是：進絲口變為出絲口，出絲口變為進絲口，通信口向后對調，進氣口變成出氣口，出氣口變成進氣口，通信電路板相對移位后固定，其中通信口、進氣口、出氣口的改動與底板法蘭密切相關，所以進行底板法蘭的再設計是需求所致。而三個口的改動影響到了通信電路板的固定位置，為了保障通信電路板不受損，也需相應改變它在通信罩上的固定位置，這在原有通信罩上就可鉆眼實現，無需重新設計，如圖1（a）所示為改裝前的送絲機的結構位置圖，而圖1（b）為改裝后的送絲機的結構圖。從兩圖的對比中可以看出原送絲機左側較高部分會對KUKA機器人的機械臂造成干涉而對調之后，干涉消失。

圖1 送絲機再設計前后對比圖

材料選擇與制作過程：

原底板法蘭是一塊Q235鋼，它的鈑金造型是在模具上冷沖壓出來的，雖然造型比較簡單，但是折彎面平整無變形，折彎半徑均勻標準，因此在折彎面的一些邊角地方還進行了倒角處理。為了和原底板法蘭基本保持一致物理性能和力學性能，底板法蘭的再設計依舊選擇用Q235鋼。按加工思路，板材在液壓聯合沖剪機上下料后，先定形再鉆孔最后將其折彎。

（1）輪廓加工方式。一塊無損3 mm Q235鋼板在液壓聯合沖剪機上下料，再用電火花線切割切除一塊長297 mm、寬258 mm的板材，并在這塊板材上把鈑金的整個外輪廓按實際尺寸切出來（包括倒角部分）。

（2）孔加工方式。因為搖臂鉆床只能鉆圓形的小孔，無法加工五角邊形的孔和兩角邊的孔，也無法加工大的圓孔，因為鉆頭的外徑不夠。所以孔的加工分成了兩組，第一組是比較特殊的孔位，先用樣沖打眼，然后在搖臂鉆上對準樣沖點鉆小孔（一般為與特殊孔位同心或正中的3 mm小孔）以作定位，待電火花線切割完整個外輪廓后，先斷絲再從定位小孔穿絲形成回路，絲從同心圓中心位置開始計算走絲，然后切割運行，完成后用同樣的斷絲穿絲方法重復切孔。第二組是將螺釘連接孔等規范孔位用搖臂鉆床完成，也經樣沖打眼定位，用適合孔位大小的鉆頭完成，在鉆孔時，底板法蘭底下墊了一塊矩形柱狀木塊，防止鉆孔時鉆頭產生的應力集中導致的變形，還為防止發熱燒灼在鉆頭上涂刷冷卻液，有效保證了法蘭的平整性和孔的美觀性。

（3）法蘭折彎方式。采用加熱軟化后鉗工鈑金的方法加工法蘭彎板，先將底板法蘭夾持在臺鉗上，夾持時靠一個同樣寬的矩形木塊，在木塊上放一個半徑為5 mm的鐵棒料，一起被臺鉗夾緊，然后沿著畫線用噴焊烤紅，用扳手掰彎，并用錘子敲打使其沿圓棒料貼合折彎，保證了折彎半徑的均勻標準，實現了圓滑過渡，折彎后拆除夾持使其緩冷，冷卻后用金剛銼將邊緣圓角化，到此底板法蘭的加工完成。

2 送絲裝置外觀3D模型設計分析

2.1 造型應用分析

給一個運動體上的機構造型，要從工業美學角度設計體現它的機械美觀，將它設計成和KUKA機器人風格統一的造型，它不能對機器人的運動造成干涉，這種干涉可能會來自自身尺寸的大小、自身的不穩定性、自身重量的壓力、自身造型的浮夸和不實際、自身造成送絲機構打開不便等方面。

基于此，通過采集林肯焊機通用的自動化送絲機（Power FeedR 10R）關鍵位置的實際尺寸，從與底板法蘭的連接處做起，主要運用鈑金特征和曲面特征造型，加入KUKA機器人的造型風格，基本貼合送絲機構外露零部件的形體，不強取KUKA機器人與送絲機構之間的活動間隙，不占據其他多余位置，自下而上、自后向前，在實際尺寸的驅動下，結合裝配關系最終完成了1 mm厚的送絲裝置3D外觀造型，輕巧緊湊。

蓋子與殼身用合頁鉸接，采用二級蓋形式，在合蓋時有定位銷定位，合上后有卡子緊扣，既保證了送絲裝置造型對送絲機構絕無干涉，又保證了KUKA機器人在運動中絕不會引起蓋子的晃動和掉下；在與接到送絲機構上的主要線孔之間采用了豁口安裝的造型設計。

2.2 功能應用分析

（1）從整體來講，它是一個負責包裹送絲機構的外殼，由于在外觀造型上反映了一定的機構屬性，所以在視覺上有很好的信息反饋，且能與KUKA焊接機器人在造型上流暢過渡。

（2）從接線口的預留孔位來講，它是一個負責將這些接線口裸露在殼體外面實施插接裝配的通道，既能有效插接，又能互不干涉，體現了殼體設計的適應性和合理性。

（3）從二級蓋來講，它是一個可以響應機構需求隨時開關的結構，負責送絲機核心機構的包裹和打開，兩個合頁鉸接實現了送絲機構在不拆卸的情況下完全滿足對焊絲及嚙合齒輪情況的檢查要求，在操作上這種結構設計表達了合理地順序原則如圖2所示。

圖2 送絲機構開蓋需求

（4）從二級蓋的卡扣、勾子和定位銷來講，它是一個負責將蓋子對齊后進行固的機構，能使蓋子在機器人的運動中保持穩定不晃動，體現了密斯凡德羅“少就是多”的原則；從二級蓋的標識來講，它是一個可以反映殼內機構歸屬的窗口，負責傳達送絲機構及其相關設備的廠商信息，很容易就能讓人實現從局部到整體的聯想，應用了視覺傳達的設計理念。2.3材料選擇與制作工藝分析

在送絲機構和接線端部磨合上會比較流暢堅韌，在合頁、銷釘等的加工上相對比較輕松，但是在整個殼體和蓋子的選材和加工制作上會面臨困難，諸如：材料既要有可塑性、抗拉性、抗沖擊性、強度高，又要專門設計適合此款造型的相應制作模具，牽扯到的加工工藝比較復雜。

選用塑料制作會易于實現。塑料（Plastics）作為一種具有多種特性的使用材料，其原料廣泛，性能優良，加工成型方便。其性能適用范圍廣，成本低；質輕，耐振動與沖擊，比強度高；電、熱絕緣性好；成型加工方便[3]。

其中有兩種塑料的綜合性能比較符合送絲裝置外觀的加工制作：

（1）PVC，聚氯乙烯，熱塑性材料，具有良好的電絕緣性和耐化學腐蝕性[4]，但熱穩定性差，其中，硬質聚氯乙烯塑料機械強度高，柔韌性好，有較好的抗拉、抗彎、抗壓和抗沖擊能力[5]，不吸水、可鉆、可鋸、可刨、易于熱成型、熱彎曲加工等特性，經久耐用，而且價格便宜，可用于生產制作結構件、玩具、管材、殼體、板材等[6]。

（2）ABS，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物，抗沖擊強度高、熱變形溫度高、輕便、表面硬度大、易清潔處理、尺寸穩定、抗蠕變性好，可進行鋸、鉆、挫、磨等機械加工，可用三氯甲烷等有機溶劑粘接，可進行涂飾、電鍍等表面處理。主要用于制作電器殼體、箱體、零部件、低發泡品（合成材料）等[6，7]。

綜上所述，送絲裝置外觀造型按實際操作來講，最佳材料選擇為：主體用ABS塑料；卡扣、勾子、合頁、銷釘、定位銷用輕質不銹鋼金屬；所有的接觸邊線上電鍍一層耐磨耐腐蝕金屬鐵；標識用精雕在金屬上刻出來，再用粘接劑粘接到ABS塑料蓋子上。這樣的材料選擇既滿足了材質的需求又符合了工藝的需求，還能保證它的使用年限，方便日常維護，又可以憑借圖紙和說明進行再生產。

3 部件的3D建模圖

改動后的林肯自動化送絲機的法蘭底盤結構如圖3所示，其底部重新設計的四個孔可以與搭接彎板的托板上面的開孔進行連接。兩側的設計是配合通信口、進氣口、出氣口等改進后所得到的結果。為了整體的完整性，所設計的送絲機裝置外形如圖4所示，它能夠將重新設計后的送絲機完整的保護起來，并且使得與KUKA機器人更加的渾然一體。

圖3 底板法蘭——建模圖

圖4 送絲裝置造型——建模圖

其二級蓋的開合方式如圖5所示，可以方便地對送絲機進行相應的操作。

圖5 送絲裝置造型——一級蓋和二級蓋的打開方式

4 結束語

（1）底板法蘭的設計實際上是對原底板法蘭的改造，因為送絲機構的改動引起了底板法蘭孔位的改動，所以再設計體現的是孔位的調整設計，為的是迎合送絲機構的變化。

（2）送絲裝置外觀造型的創新設計，實際上是對外觀造型的準確把握和功能屬性的準確體現，通過造型分析、色彩分析、功能分析、材料分析等有效分析，將其運用于實際需求環境中，完成它的產品使命，這種設計方法和設計思路其實是對產品全生命周期管理的一個簡單體現。

[1]李勁松.基于PUMA560工業機器人慣量前饋技術仿真研究[D].天津：天津理工大學，2015.

[2]AutoDrive 4R100&4R220.The Lincoln Electric Company. [DB/OL]http：//www.lincolnelectric.com.cn/uploadfile/201508/ 150813021648.pdf

[3]鄧小姝.現代家具設計中的材料應用研究[D].保定：華北電力大學，2007.

[4]侯云芬.建筑裝飾材料[M].北京：中國水利水電出版社，知識產權出版社，2006.

[5]黃曉燕.塑料成型工藝及模具設計技術問答[M].上海：上?？茖W技術出版社，2007.

[6]江湘蕓.設計材料及加工工藝（修訂版）[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[7]張錫.設計材料與加工工藝[M].北京：化學工業出版社，2004.

Optimum Design of Lincoln Automation Feeder

LIANG Zi-ting，LIU Hai－xiong，YE Jun
（Qinghai University College of Mechanical Engineering，Xining Qinghai 810016，China）

In order to cope with the structural adjustment of the wire feed mechanism，so that the KUKA Welding Robot（KR 16 arc HW）and Lincoln Multi-Process Welder（Power Wave 455M）（Power Wave 455M）can connect.The chassis flange structure of Lincoln automation feeder is re-adjusted and designed.The adjusted wire feeder construction does not interfere with the movement of the KUKA Welding Robot.And in order to reflect the aesthetic and scientific of the feeder’s appearance.The optimized design solves the problem of connection bending plate that is used on automation feeder by industrial design method，in which shows industrial aesthetics.

lincoln automation feeder；structure；chassis flange；optimum design；industrial aesthetics

TH122

A

1672-545X（2017）06-0013-03

2017-03-16

青海省科技廳高新技術研究與發展計劃資助項目（編號：2014-GX-212）；青海大學教育教學研究項目（編號：JY161735）

梁梓廷（1996－），男，山東臨沂人，本科，主要研究方向為數字化設計與制造；劉海雄（1962－），男，陜西華陰人，教授，碩士生導師，主要研究方向為數字化設計與制造、信息系統設計。