箱體自動焊接機床的研制

張良

（寧波技師學院，浙江寧波315032）

0 引言

某技工學校與某機械股份有限公司簽署校企合作協議，其中一項主要合作內容是學校為該公司研發一款箱體自動焊接機床，此專用機床主要為實現箱體類零件的自動焊接而設計，箱體厚度為3 mm，其外形尺寸為700 mm×500 mm×400 mm。該專用機床按年生產箱體2萬套設計，要求完成自動焊接機床的相關設計并實施首臺試制任務。

1 機床設計要求

自動焊接機床主要是通過控制焊槍夾頭、搖籃架、絲杠導軌等移動部件，在機床上實現相應的進給運動，控制焊槍對箱體類零件中的側邊進行自動焊接加工。通過整體機構設計，完成焊槍夾頭與箱體類零件相應的合成運動，以實現相應部位的焊接任務，且需保證加工完成后對箱體零件的焊接質量要求。同時，需要對設計完成的箱體自動焊接機床其主要零部件進行強度、剛度校核及誤差計算，從而提高該機床整體的設計質量，滿足使用壽命要求。

圖1 箱體自動焊接機床總裝圖

本課題作為某技工學校產學研合作項目，并進行了開題及評審立項。專門組建研發團隊，通過整體專用機床方案設計，并重點確定了如下內容：電動機的選擇（含底座電動機、橫梁電動機、焊槍夾頭電動機等）、導軌的選擇、絲杠的選擇（含底座絲杠、橫梁絲杠、焊槍立板絲杠）等，要求設計完成的箱體自動焊接機床動作準確可靠、迅速方便，保證加工完成后箱體的質量要求。

2 機床設計思路

2.1 自動焊接機床的整體結構設計

考慮到制作成本，本設計選用龍門架式結構，分為如下主要部分：底座，搖籃架，橫梁和立柱,如圖1所示。考慮到機床尺寸較大，故底座由100 mm×100 mm的空心方管焊接而成，以減輕重量。橫梁位置較高，考慮到裝配難度，由整體加工而成，剛性良好，重量輕，位于立柱之上。搖籃架用于幫助被加工零件的旋轉，保證焊接工藝要求。

2.2 自動焊接機床的運動軌跡分析

本機床選用二氧化碳保護焊，其具有熱影響區域小，修復精度高，只有極小的焊補沖擊等優點。其焊接運動軌跡如下：1）首先將搖籃架旋轉90°，將被加工零件放于延伸定位板上，側面靠攏定位板，背面轉動圓盤夾緊，焊機開始工作。2）被加工零件放入后，焊槍夾頭下移，搖籃架通電，焊槍開始沿圖2所示軌跡工作。3）焊槍夾頭上提，搖籃架帶動被加工零件旋轉90°，焊槍夾頭到圖3所示位置，沿軌跡繼續加工。4）焊槍夾頭上提，搖籃架帶動被加工零件旋轉90°，焊槍夾頭到圖4所示位置，沿軌跡繼續加工。5）焊槍夾頭上提，搖籃架帶動被加工零件旋轉90°，焊槍夾頭到圖5所示位置，沿軌跡繼續加工。之后焊槍夾頭上提復位，搖籃架旋轉復位，即可取下被加工零件。

在以上運動過程中，應特別注意兩點：1）加工時搖籃架是帶電的，勿直接觸碰或以導電體觸碰；2）搖籃架上下均留有一定空間供搖籃架與被加工零件旋轉，勿放置雜物。

圖2 焊接軌跡一運動演示

圖3 焊接軌跡二運動演示

圖4 焊接軌跡三運動演示

圖5 焊接軌跡四運動演示

3 機床主要零部件的設計

3.1 電動機的選擇

結合機床成本與加工精度要求等實際情況，選用步進電動機。另考慮到本機床加工時需要的轉速不高，故以所需轉矩要求為主要指標來選擇電動機。

底座電動機需驅動的工作臺與被加工零件的重量為G=V×ρ，由碳鋼密度ρ=7800 kg/m3，得G=170 kg；根據公式T=F×L×fs，查得fs=0.01。故最終底座電動機T=12 N·m。同理計算橫梁電動機的轉矩T=6 N·m，焊槍夾頭立板電動機的轉矩T=2 N·m。考慮到誤差等因素，應取轉矩稍大一點的電動機，電動機與相關參數見表1。

表1 箱體自動焊接機床電動機的選型

3.2 導軌的選擇

參考同類型機床，常用導軌有直線圓柱導軌與直線方軌，考慮到本機床的體型略大，如若用方軌，安裝難度較大，安裝面尺寸過長且不易加工，而直線圓柱導軌能滿足加工精度要求，故選擇直線圓柱導軌。

3.3 絲杠的選擇

本機床選擇滾珠絲杠，其具有以下優點：摩擦損失小、傳動效率高、精度高，可實現高速進給和微進給，軸向剛度高。

1）底座絲杠的選擇。選用絲杠材料為GCr15，以保證強度要求。

圖6 箱體自動焊接機床（試制機）實物圖

抗扭截面系數為Wn=πD3/16，塑性材料［τ］=(0.6～0.8)［σ］，因GCr15屈服強度為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）橫梁絲杠同理計算得，D≥6.7 mm。

3）焊槍立板絲杠同理計算得，D≥3 mm。

3.4 驅動蝸輪蝸桿減速器的選擇

因搖籃架在加工零件過程中需旋轉90°并完成自鎖，故應選擇具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速器NMRV050（速比為1：30）及其步進電動機110BYG350（12N·m）作為搖籃架處的驅動單元。轉矩T=F×L×fs=72×9.8×0.426×0.15=45 N·m，小于360 N·m（額定轉矩），故滿足使用要求。

3.5 主要軸結構的確定

本機床涉及2個尼龍套軸的設計，其基本構造原理相同，現舉其中1根較復雜的進行主要說明，另外1根同理設計，在此不再敘述。

1）結構的確定。因搖籃架工作時為導電體，故2根連接軸需進行絕緣處理（加尼龍套），其中1根作為電流的輸入端，需在軸端打孔以便接電線。

2）軸強度的計算。因該自動焊接機床傳遞功率不大，并對質量及結構尺寸無特殊要求，故選常用材料45鋼，由于輸入軸為轉軸，故按扭轉強度計算軸徑,公式為

軸的材料為45鋼，查得τ取30，T=F×L×fs，由fs=0.15，代入上列公式，

3)軸加工工藝的確定。因連接軸在本機床工作中起到了至關重要的作用，為此，需嚴格控制加工質量，規范加工工藝，現就其中較復雜的軸加工工藝說明如下，另一根軸同理：備棒料毛坯件→45鋼軸調質處理220～240 HBS→車45鋼φ30至尺寸→車尼龍66的φ25孔至尺寸→銑45鋼花鍵槽至尺寸→加熱45鋼至尼龍66熔點259℃，放入尼龍66的φ25孔中→車外圓φ84至尺寸，精車左端面→粗車φ52、φ40、φ25，留2 mm加工余量→鉆2個φ5銷孔至尺寸→鉸φ5孔，放入2個φ5銷孔，封口→精車φ52、φ40、φ25至尺寸，精車右端面至尺寸→銑左側長90寬8槽至尺寸→鉆4-φ7通孔至尺寸→鉆90°，倒角深2 mm→檢驗入庫。

3.6 機床主要零（部）件使用情況

箱體自動焊接機床（試制機）實物如圖6所示。

本箱體自動焊接機床關鍵零（部）件包括立柱、底座、工作臺底板、底座總成、絲杠墊塊、Y軸工作臺左板、減速器支座、Y軸工作臺右板、電動機安裝板、工作臺、搖籃架工作臺、搖籃架（左右板）、尼龍套花鍵軸、尼龍墊片、尼龍套連接軸、壓板、鎖緊桿、定位塊、鎖緊盤、定位勾、橫梁電動機安裝支架、X軸工作臺、Z軸工作臺、X軸電動機安裝支架、橫梁、連接桿夾頭、焊槍夾頭、連接桿等，相關主要零（部）件規格尺寸如表2所示。

4 結 語

本箱體自動焊接機床與傳統的手工焊接加工箱體零件相比，生產效率提高了約6倍，箱體零件的焊接質量一致性好，焊接部位美觀，沒有手工焊接的焊點不均勻現象，并可避免手工焊接中如操作者水平、個人情緒、身體狀況和熟練程度等各種因素的影響，保證了焊接的可靠性和一致性，同時降低了管理難度和生產成本，減少了操作人員和檢驗人員數量，產品的競爭力大大提高。

表2 箱體自動焊接機床主要零（部）件規格尺寸

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