三维数控锡丝点焊机结构设计
三维数控锡丝点焊机结构设计,三维数控锡丝点焊机结构设计,三维,数控,点焊,结构设计
毕业设计论文课题名称: 三维数控锡丝点焊机结构设计 分 院: 机械与电气工程学院 专 业: 机械设计制造及其自动化 班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 二一二年 十一月摘要随着科学技术的发展,焊接结构件的应用也显得越来越频繁,先进焊接技术的发展总是不断地从新科技的成果中获得新的起点。目前,数控锡丝焊接技术在电子科技、计算机技术及机器人的制造中都起着重要的作用。无论在什么情况下,数控锡丝焊接机要适应焊缝的变化才能提高焊接的水平和质量。我们只有将数控锡丝焊接机技术和焊接跟踪技术有效的结合才能更好的推动新科技的发展,因此数控锡丝焊接机的设计对于解决这一难题至关重要。关键词: 焊接技术 机构设计 Abstract With the development of industrial level, the application of welding structure is becoming more and more frequent, advanced welding technology development are always the results of new science and technology a new starting point. At present, the numerical control tin wire welding technology in the electronic technology, computer technology and manufacturing of the robot plays a important role. In any case, CNC tin wire welding confidential to adapt to the change of weld can improve the level and quality of welding. Only when we CNC tin wire welding machine technology and welding tracking technology effective combination to better promote the development of new technology, so the numerical control tin wire welding machine design for solving this problem is very important.Key Words: Robot technology Intensity is第一章 绪论1.1课程的研究目的及意义1.1.1课程背景在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有自动化生产设备,用来提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。当然,也不排除PCB板的焊接加工过程。我们发现焊接技术已经渗透到各个领域并且被广泛使用。根据资料显示,我国每年钢铁的产量一般在3亿吨左右,其中有一半以上的钢有用到焊接技术加工。我国每年的焊接设备需求量金额超过50亿元。既然焊接机能够这么普遍地应用在各个领域,它肯定具备了很大的市场竞争力。1.1.2课程简介目前,市场上存在着各钟各样的电焊机设备,如:MZ自动埋弧焊机,可以焊接开坡口或不开坡口的对接焊缝、搭接焊缝、角焊缝及容器密封焊。此种焊缝可位于水平面或水平面成10度角的斜面上,但是,焊机需要人工输送板料,而且每次只能焊接一个点。DNZ单面双点焊机虽然可以一次加工两个焊点,但是板料的输送依然需要工人手工完成,焊接的人工利用率不高。因此,高质量的焊接不仅有着极好的市场前景,对减少焊接设备进口量、促进我国国民经济发展具有重要意义。为了解决上述问题,本课题就对三维数控锡丝焊接机的结构设计做进一步的研究。本课题主要解决数控锡丝焊接机 (1)数控锡丝点焊机移动设计 (2)数控锡丝点焊机设计 (3)数控锡丝点焊机设计(4)电机的选择等各个方面的问题。最后对所选的齿轮和相关零件进行强度校核,使之能够达到要求。1.1.3意义通过完成该课题,设计出PCB板焊接数控锡丝焊接机,不需要工人输送板料,焊枪与焊缝都保持垂直,相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度,进而能够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性,提高PCB板的生产质量。能够提高焊接的质量,扩大焊机的市场前景。能让焊接技术走在工业技术的最前端,推动工业技术的发展。1.2研究现状及发展趋势1.2.1PCB板的概要及作用PCB就是印刷电路板(Printed circuit board PCB)。它几乎会出现在每一种电子设备当中。除了固定各种小零件外,设备中的电子零件都是镶在大小各异的PCB上的。PCB的主要作用就是提供各项零件的电气连接。随着通信、计算机、电子设备的发展,PCB板的发展也是突飞猛进。据资料显示,全球PCB板的产业约占电子产业的18%,2001年全球PCB产值换成人民币有3230亿元。在零三年,我国PCB板产值达500亿元人民币,产值超越美国越居全球第二。到2006年,我国的PCB板产值、产量一度超过了日本,成为pcb板生产第一大国。目前,印刷电路板的设计、加工水平已经达到了0.2到0.3mm(孔径),0.15到0.12(线条宽度和间距),层数已经到达46层(富士公司)甚至可能更多,可以说印刷电路板的高科技和高复杂性已经达到了一个相当高的水平。但放在眼前的问题是印刷电路板也面临着巨大的挑战,那就是印刷电路板的质量问题。要保证印刷电路板的质量,最关键也是最重要的就要提高焊接技术。1.2.2国内焊接机的发展概况目前,国外许多工业发达国家已经把数控焊接设备的生产标准化、产业化,价格相对也有所下降。在近几年,微电子技术的快速发展带动了以PC机位代表的计算机软硬件的发展,焊接机设备也以建立以pc机为基础的制造系统为目标,向开放的集成自动化方向发展。为顺应这一趋势,焊接数控系统也由专用的封闭数控系统向基于PC机的开放数控系统发展。有些进口的焊接设备只需要操作者输入焊接材料、厚度、坡口形式等焊接工艺条件他就可自动生成焊接工艺,并且还可以随着被焊材料、构件的换代,实现在线远程升级。他们的设备基本都提供了现场总线接口,是国外自动化焊接系统的集成水平显著提高。在欧美、日本等技术发达国家,自动化、机器人焊接设备的应用非常普遍,特别是在批量化、大规模和有害作业环境中使用率更高,已形成了成熟的技术、设备和与之配套并不断升级的焊接工艺。1.2.3国外焊接机的发展概况焊接产品中有许多曲线的焊接,在我国一般采用手工焊接。手工操作具有一定的优势,但也,存在着人员管理难、工人培训周期长、生产环境恶劣、劳动强度大、焊接质量难以稳定的保持、容易产生夹杂、气孔等缺陷、焊接成本高、生产效率低一系列的问题等。为了克服上述种种弊端,焊接科技工作者研究出了多种自动化焊接设备,如仿形焊接机,焊接机器人,三维数控焊接机等。近些年来我国焊接技术的整体发展水平比较好,尤其是逆变式焊机技术现已成熟,正在全国推广应用。波控、智能及自动、半自动焊接技术快速发展。自动、半自动气体保护焊机、埋弧焊机、电阻焊机等产品也迈开了一大步。2000年我国点弧焊机器人已达到980台。可是尽管如此,我国的焊接设备还是不能满足国内工业的生产需求。1.2.4焊接机在我国的应用及发展趋势我国从20世纪80年代开始进行大型机床等机械产品焊接结构的研究,20 多年来已取得长足的进步。焊接结构已经在现代化的数控机床等大型机床上应用以焊代铸以焊代锻的结构设计和制造技术迅速发展。在汽车制造工业方面,随着我国汽车产量的不断增加20世纪90年代开始从国外陆续引进先进的焊接设备。并在车转动轴、刹车蹄片、轮圈以及其他部件的制造过程中普遍采用各种先进的焊接工艺,提高了焊接效率和产品质量。焊接在船舶、汽车、锅炉、压力容器制造行业中也成为主要的生产工艺手段之一 。目 前,已有多种焊接工艺方法获得各国船级社的认可而被应用于生产。自十一五期间开始进行高效焊接技术的探索以来,至今已取得令人欣喜的成绩。近年来,我国在大型贮罐焊接、球形贮罐焊接、铝镁合金料仓焊接等领域中,已成功地开发应用了自动焊或半自动焊工艺,如球罐全位置自动焊工艺和装备已在国内开发成功,它将为进一步推动焊接自动化发挥重要作用。在当前,数控锡丝焊接机的机构设计绝大多数还是依据具体的情况来设计专用焊接数控锡丝焊接机,称之为固定结构的传统数控锡丝焊接机,其运动特性使特定数控锡丝焊接机仅能适应一定的范围,花费成本较大,不利于数控锡丝焊接机的发展。很数移动焊接数控锡丝焊接机还有焊缝跟踪的功能,其不足之处就是在焊前必须通过人为的方式,帮助数控锡丝焊接机找到合适的位置并且放好,通过人工将数控锡丝焊接机本体、十字滑块等调整到合适的状态 ,这里所设计的移动数控锡丝焊接机是有轨移动焊接数控锡丝焊接机,只是现有的移动焊接数控锡丝焊接机技术在PCB板焊接中的应用, 还不能满足要求,而当前的移动焊接数控锡丝焊接机技术有相当的发展。也就是说数控锡丝焊接机的自主性还跟不上工业发展的脚步。未来的发展趋势可分为以下三个方面:21 选择视觉传感器来进行传感跟踪:因为与图象处理方面相关的技术得到发展; 2 采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务;3 控制技术由经典控制到向智能控制技术的发展:这也将是移动焊接数控锡丝焊接机的控制所采用。1.3本课题研究的内容及方法1.3.1主要的研究内容在查阅了国内外大量的有关焊接数控锡丝焊接机设计理论及相关知识的资料和文献基础上,综合考虑焊接数控锡丝焊接机结构特点、具体作业任务特点以及焊接数控锡丝焊接机的推广应用,分析确定使用三自由度关节型焊接数控锡丝焊接机配合生产工序,实现自动化焊接的目的。为了实现上述目标,本文拟进行的研究内容如下:1 根据现场作业的环境要求和数控锡丝点焊机本身的结构特点,确定数控锡丝点焊机整体设计方案。2 确定数控锡丝点焊机的性能参数,对初步模型进行静力学分析,根据实际情况选择电机。3 从所要功能的实现出发,完成数控锡丝点焊机各零部件的结构设计;4 完成主要零部件强度与刚度校核。1.3.2设计要求1 根据所要实现的功能,提出三维数控锡丝点焊机的整体设计方案;2 完成三维数控锡丝点焊机结构的详细设计;3 通过相关设计计算,完成电机选型;4 完成三维数控锡丝点焊机结构的三维造型;绘制三维数控锡丝点焊机结构总装配图、主要零件图。1.3.3关键的技术问题1 方案选择2整体的支撑架设计(龙门结构及悬臂结构的选择)3机构设计4送丝机构5工作台6 电机选型 7 强度校核 第二章 机构设计2.1设计概念整体的支撑架采用龙门结构在工程中我们常用的整体支撑架结构有龙门结构和悬臂梁。所谓的悬臂梁就是梁的一端为不产生轴向、垂直位移和转动的固定支座,另一端为自由端(可以产生平行于轴向和垂直于轴向的力)。而龙门结构通俗地说就是一根横梁连接两个支腿与地面紧固组成的像一个门框一样的结构。因为他是双支撑结构区别于单支撑和悬臂结构,所以结构特别简单。2.2设计原理数控点焊机的设计应满足一下几个条件首先就是必须保证工件定位可靠的可靠性, 为了使工件、焊枪与焊接点保持准确的相对位置,必须根据要求的焊接点,去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量,还要受到本身的重量,还受到焊接枪在运动过程中产生的惯性力和振动的影响,没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形,所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以,应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件,为满足这些要求,可将制成组合式结构,迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。Y轴和Z轴采用丝杠传动:Y轴 电动机联轴器滚珠丝杠Z轴 纵向电动机联轴器纵向滚珠丝杠大托板X轴采用丝杠加导轨形式:横向电动机联轴器横向滚珠丝杠(导轨)-横滑板2.3方案讨论悬臂梁在工程力学受力分析中,比较典型的简化模型。在实际工程分析中,大部分实际工程受力部件都可以简化为悬臂梁。龙门结构制作方便,承受负载大,结构稳定,工程上广泛应用。考虑到上述问题该课题的整体结构采用龙门结构。第三章 数控点焊机X结构及传动设计(滑板)表 3-1滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单,丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小,轴向刚度底,仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴,故结构较复杂,工艺较困难,丝杆的轴向刚度与两端相同,压杆稳定性和临界转速比同长度的较高,丝杆有膨胀余地,这种安装方式一般用在丝杆较长,转速较高的场合,在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量,转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙,丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下,丝杆不会受压,不存在压杆稳定问题,固有频率比一端固定要高。可以预拉伸,预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题,结构和工艺都比较困难,这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。3.1 X向滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体,丝杠转动时带动滚珠滚动。设X向最大行程为300mm,最快进给速度为18m/min,主轴箱大概质量为50kg,工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg,工作台最大行程为300mm。3.1.1导程确定电机与丝杆通过联轴器连接,故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速,则丝杠的导程为 取Ph=12mm3.1.2确定丝杆的等效转速基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故3.1.3估计工作台质量及负重 主轴箱重量 工作台重量 移动部件重量 3.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时,实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力,他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨,取摩擦系数为0.03,K为颠覆力矩影响系数,一般取1.11.5,本课题中取1.3,则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算(式中取,)3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw-负载性质系数,(查表:取fw=1.2)ft-温度系数(查表:取ft=1)fh-硬度系数(查表:取fh =1)fa-精度系数(查表:取fa =1)fk-可靠性系数(查表:取fk =1)Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命,取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17300N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw3.1.6精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响,在滚珠丝杠精度参数中,导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床,选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级(1级精度最高),Z轴为25级,考虑到本设计的定位精度要求及其经济性,选择X轴Y轴精度等级为3级,Z轴为4级。3.1.7选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(23)Fm=(34.651.9)KN公称直径Ph=12mm则选择FFZD型内循环浮动返向器,双螺母垫片预紧滚珠丝杆副,丝杆的型号为FFZD40103。公称直径 d0=40mm 丝杆外径d1=39.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=34.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/m3.2校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率,其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS,丝杆副内滚道的接触刚度KC,轴承的接触刚度Ka,螺母座的刚度Kn,按不同支撑组合方式计算而定。3.2.1 临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大,采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算:式中E-材料的弹性模量E钢=2.1X1011(N/m2)LO-最大受压长度(m)K1-安全系数,取K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷(N)f1-丝杆支撑方式系数:f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距(m4)式中do-是丝杆公称直径(mm)dw-滚珠直径(mm),丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu,选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见FcaFmax,临界压缩负荷满足要求。3.2.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时,需验算其是否会发生共振的最高转速,要求丝杠的最高转速: 式中:A-丝杆最小截面:A=-丝杠内径,单位;P-材料密度p=7.85*103(Kg/m)-临界转速计算长度,单位为,本设计中该值为=148/2+300+(620-488)/2=440mm-安全系数,可取=0.8fZ-丝杠支承系数,双推-简支方式时取18.9经过计算,得出= 6.3*104,该值大于丝杠临界转速,所以满足要求。3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式式中 A丝杠最小横截面,;螺母座刚度KH=1000N/m。当导轨运动到两极位置时,有最大和最小拉压刚度,其中,L植分别为750mm和100mm。经计算得:式中 Ke 滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m); KH螺母座的刚度(N/m);KH=1000 N/mKc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m);KS丝杠本身的拉压刚度(N/m);KB轴承的接触刚度(N/m)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min,能满足要求。3.3电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例,相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点,所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率,再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。3.3.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量上式中:d直径,丝杆外径d=39.5mmL长度=1mP钢的密度=7800经计算得b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量上式中:M质量 X向直线运动件M=160kgP丝杆螺距(m)P=0.001m经计算得c、联轴器的转动惯量查表得 因此3.3.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩上式中:J=0.0028kg/m2ta加速时间 KS系统增量,取15s-1,则ta=0.2s经计算得b、折算至电机轴上的摩擦力矩上式中:F0导轨摩擦力,F0=Mf,而f=摩擦系数为0.02,F0=Mgf=32NP丝杆螺距(m)P=0.001m传动效率,=0.90I传动比,I=1经计算得c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩上式中P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩 根据以上计算的扭矩及转动惯量,选择电机型号为SIEMENS的IFT5066,其额定转矩为6.7。第四章 Y向结构设计4.1 Y向滚珠丝杆副的选择设Y向最大行程为100mm,最快进给速度为10m/min,主轴箱大概质量为50kg,工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg。4.1.1确定导程电机与丝杆通过联轴器连接,故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速,则丝杠的导程为 取Ph=7mm4.1.2确定丝杆的等效转速基本公式 最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故4.1.3估计工作台质量及负重 主轴箱重量 工作台重量 移动部件重量 4.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时,实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力,他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨,取摩擦系数为0.03,K为颠覆力矩影响系数,一般取1.11.5,本课题中取1.3,则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算(式中取,)4.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw-负载性质系数,(查表:取fw=1.2)ft-温度系数(查表:取ft=1)fh-硬度系数(查表:取fh =1)fa-精度系数(查表:取fa =1)fk-可靠性系数(查表:取fk =1)Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命,取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17032N4.1.6选择滚珠丝杆型号在3.1.6的分析中已经确定Y轴精度等级为3极 计算得出Ca=Car=17.032KN,则Coa=(23)Fm=(34.651.9)KN第五章 Z向结构设计5.1 Y向滚珠丝杆副的选择设Y向最大行程为500mm,最快进给速度为5m/min,主轴箱大概质量为50kg,工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg。5.1.1确定导程电机与丝杆通过联轴器连接,故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转速,则丝杠的导程为 取Ph=4mm5.1.2确定丝杆的等效转速最大进给速度是丝杆的转速 最小进给速度是丝杆的转速 丝杆的等效转速 式中取故5.1.3估计工作台质量及负重 主轴箱重量 工作台重量 移动部件重量 5.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时,实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力,他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨,取摩擦系数为0.03,K为颠覆力矩影响系数,一般取1.11.5,本课题中取1.3,则丝杆所受的力为其等效载荷按下式计算(式中取,)5.1.5确定丝杆所受的最大动载荷fw-负载性质系数,(查表:取fw=1.2)ft-温度系数(查表:取ft=1)fh-硬度系数(查表:取fh =1)fa-精度系数(查表:取fa =1)fk-可靠性系数(查表:取fk =1)Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命,取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=16317N5.1.6选择滚珠丝杆型号在3.1.6的分析中已经确定Y轴精度等级为3极 计算得出Ca=Car=16.317KN,则Coa=(23)Fm=(32.649)KN公称直径Ph=4mm第六章 送丝机构送丝机构一般由送丝机、焊枪、送丝软管和调速控制电路组成。送丝机包括送丝盘、送丝电动机和送丝滚轮,他为焊丝进入软管提供驱动力。焊枪是同时具有焊接和送丝功能的工具。焊枪的导电嘴会影响送丝阻力,导电嘴接触长度长而孔径小则送丝阻力将增大若导电嘴接触长度短而孔径大则会引起焊丝与导电嘴接触不良以及导电接触点位置不稳定。6.1送丝机构设计工作原理图6.1送丝机构的工作原理如上图6.1所示:焊丝2通过滚轮1和3之间,使焊丝与滚轮产生摩擦力来带动焊丝前进主动轮3 由步进电动机4 带动旋转。焊丝进入导向套管。6.1.1送丝滚轮焊丝滚轮驱动焊丝的运动,因此他的结构和驱动方式对送丝稳定性起着重要作用。驱动力的大小来自于4电动机,电动机通过带动主动轮转动把驱动力传输给焊丝。焊丝的驱动力越大,送丝的稳定性和可靠性越高,送丝电机选定后要设法使送丝滚轮能保证焊丝既不打滑又能增大送丝力。送丝滚轮旋转面与焊丝输送方向处于同一平面上,两只送丝轮中的一只为主动轮另一只为从动轮,上下两只滚轮旋转时依靠滚轮与焊丝间的摩擦力驱动焊丝沿切线方向运动。(1)送丝滚轮一般由45 钢、高碳工具钢或合金钢制成经表面热处理后达到洛氏硬度HRC5060直径不宜过小,一般为38到40mm,厚10到12mm。(2)为保证焊丝在滚轮中的固定位置和送丝方向,滚轮一般都开有送丝凹槽6.1.2送丝电动机送丝电动机一般采用直流电动机进行无级调速。细焊丝一般用等速送丝方式,即保持送丝速度不变,送丝电动机采用他激式或永久磁铁型。粗焊丝一般用恒电流型电源和变速送丝。等速送丝机的送丝速度为2到16 m/min,变速送丝机的送丝速度为0.2到5 m/min。送丝电机的容量、功率根据生产实际来定,一般选用45到160 W。一般交流电动机也可以作为送丝电动机,通过调换齿轮的方法进行有级调速。不过送丝电动机要求有足够的功率,能在较大的范围内实现无级调速,保证送丝的稳定性,起动、停止惯性越小越好、调速范围尽可能大,这样就能驱动焊丝直径不一样的焊丝,满足不同的焊接范围的要求,扩大了点焊机的使用范围 9。本研究选用步进电动机,型号75BF003,分配方式为三相六拍,功率120 W电机转速1250 r/min步距角1.5。参考文献1 原魁工业数控锡丝焊接机发展现状与趋势JMC 现代零部件,2007,(01):3334 2 孔宇,戴明,吴林自动点焊机结构光视觉三点焊缝定位技术J焊接学报,19973 殷树言CO2 焊接设备原理与调试m北京:机械工业出版社20004 李亚江刘鹏刘强气体保护焊工艺及应用 m北京:化学工业出版社2005 5 吴林,张广军,高洪明.数控锡丝焊接机技术M.北京:机械工业出版社,2000.6 周伯英工业数控锡丝焊接机设计M北京:机械工业出版社,1995.7 濮良贵等机械设计M北京:高等教育出版社,20078 吴宗泽机械零件设计手册M北京:机械工业出版社,2002.9 SIEMENS公司.西门子(驱动系统和电机).2002.11 山东济宁博特精密丝杠制造有限公司. 博特产品系列.宁波大红鹰学院毕业设计(论文)任务书所在学院机械与电气工程学院专业机械设计制造及其自动化班级09机自*班学生姓名 *学号*指导教师朱火美题 目三维数控锡丝点焊机结构设计一、 毕业设计(论文)工作内容与基本要求: 课题简介在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有自动化生产设备,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。在对PCB板的焊接加工过程也不例外。目前,市场上存在着各式各样的电焊机设备,如:MZ自动埋弧焊机,可以焊接开坡口或不开坡口的对接焊缝、搭接焊缝、角焊缝及容器密封焊。此种焊缝可位于水平面或水平面成10度角的斜面上,但是,焊机需要人工输送板料,而且每次只能焊接一个点;DNZ单面双点焊机虽然可以一次加工两个焊点,但是板料的输送依然需要工人手工完成,焊接的人工利用率不高。本课题以PCB板上电池引脚焊接为背景,主要任务是对三维数控锡丝点焊机结构进行设计。任务与目标:1、 翻译1-2篇与专业课程相关的最新英文文献,文献翻译要求在2000字以上;2、 查阅相关文献资料、开展调研,提交一篇3000字以上的反映课题内容的文献综述;3、 结合已查阅的文献资料,深入理解课题,提交一份开题报告;4、 根据所要实现的功能,提出三维数控锡丝点焊机的整体设计方案;5、 完成三维数控锡丝点焊机结构的详细设计;6、 通过相关设计计算,完成电机选型;7、 完成三维数控锡丝点焊机结构的三维造型;绘制三维数控锡丝点焊机结构总装配图、主要零件的工程图、要求设计图正确、实用、美观。8、 结合个人的设计思路及相关的数据计算及理论依据,撰写设计说明书,要求文字通顺,内容精炼,阐述详细,实用性要强,论文正文不少于10000字。 途径与方法:1、 检索并翻译外文资料,结合所学专业课程,通过查阅相关资料文献,分析和消化原始资料并整理,完成开题报告;2、 根据所要实现的功能,提出三维数控锡丝点焊机的整体设计方案;3、 根据功能要求,完成三维数控锡丝点焊机结构各零部件的详细设计;完成电机选型;绘制3D/2D总图、主要零件图。4、 撰写毕业设计说明书,整理相关资料,按论文指导手册的要求完成毕业设计全部内容。参考资料:1原魁工业数控锡丝焊接机发展现状与趋势JMC 现代零部件,2007,(01):3334.2 张效祖工业数控锡丝焊接机的现状与发展趋势J. WMEM,2007,(05):2526.3宋海宏数控锡丝焊接机技术展望J.山西煤炭管理干部学院学报,2006,(04):4345.4吴林全球工业数控锡丝焊接机产业现状与趋势J .机电一体化,20006,(02):5657.5 熊有伦数控锡丝焊接机技术基础M.武汉:华中科技大学出版社,1996.6 温效朔数控锡丝焊接机技术在农业上的开发与应用现状M .合肥:安徽农业科学, 2007,(11):1241257 周伯英工业数控锡丝焊接机设计M北京:机械工业出版社,1995.8 吴林,张广军,高洪明.焊接数控锡丝焊接机技术M.北京:机械工业出版社,2000.9 吴宗泽机械零件设计手册M北京:机械工业出版社,2002.10 I.OM.索罗门采夫.工业数控锡丝焊接机图册M北京:机械工业出版社,2005.11 孙恒,陈作模等.机械原理M北京:高等教育出版社,200712 濮良贵等机械设计M北京:高等教育出版社,2007注意事项:1、 英文翻译需注明原文出处,并附上PDF格式原文。2、 要求工程图总量折合为3张A0图的量以上、工程图需要有统一标准图框、绘制需规范并符合制图标准;3、最终稿电子文档、工程图需转成PDF形式保存;全部电子资料进行汇整、打包,并以班级-姓名-学号长号命名提交指导老师;二、毕业论文进度计划1、2012.9-2012.10检索并翻译最新英文文献;查阅文献资料、整理并撰写一篇反映课题内容的文献综述;结合任务书,完成开题报告;提出三维数控锡丝点焊机的整体设计方案;2、2012.10-2013.01根据功能要求,完成三维数控锡丝点焊机结构各零部件的详细设计;完成各电机选型; 3、2013.01-2013.02绘制3D/2D总图、主要零件图。4、2013.02-2013.03整理相关资料,撰写毕业设计说明书初稿。5、2013.03-2013.04修改毕业设计说明书,对所有资料的格式进行标准化处理;并按时上交所有材料;制作10分钟的答辩PPT,准备答辩。毕业设计(论文)时间: 2012 年 09月 01日至 2013 年 04 月 10 日计 划 答 辩 时 间: 2013 年 4 月 15 日三、专业(教研室)审批意见:审批人(签字):工作任务与工作量要求:原则上查阅文献资料不少于12篇,其中外文资料不少于2篇;文献综述不少于3000字;文献翻译不少于2000字;毕业设计说明书或论文1篇不少于8000字。 提交相关图纸、实验报告、调研报告、译文等其它形式的成果。毕业设计(论文)撰写规范及有关要求,请查阅宁波大红鹰学院毕业设计(论文)撰写规范。备注:学生一人一题,指导教师对每一名学生下达一份毕业设计(论文)任务书。外文资料翻译2激光熔透焊接时工件上及焊缝内光致等离子体体的特性段爱琴,陈俐,巩水利摘要:在此论文中,用一个高速摄像机和一个光学放射监视器来探究激光熔透焊接不锈钢时光致等离子体的特性。透过光致等离子体光学发散的结果显示其存在两个特有频段,它们分别是100-500HZ和1500-3500HZ。与此同时,光致等离子体和熔池的不断变化的图像也显示了其存在两个不稳定的频率段。其中一个不稳定的频段显示出焊缝内光致等离子体的特性,它处于167-500HZ之间,另一个不稳定的频段则位于1500-3500HZ之间,这显然是由保护气体引起的。某些因素可能会导致焊缝等离子和保护气体等离子之间频率的差异,其中的一个原因就是焊缝内光致等离子体的压力会慢慢地增长。关键词:激光焊接,光致等离子体,焊缝,频段0 序言如今,激光焊接 已经广泛应用于许多领域,例如航空航天零部件的激光焊接 。然而,由于特殊的应用环境它需要更高的焊接质量。尤其是,保证长焊缝或复杂的部件的焊接质量被证明是很难的,因为金属的激光焊接本身就是一个不稳定的过程。全世界已经有许多关于焊接稳定性的研究。回顾前面的研究成果,就能看出大部分焊接质量的不稳定是由于不稳定的焊接过程引起的,尤其在激光焊接中,主要的原因就是光致等离子导致焊接稳定性很难控制。在激光深熔焊接中,光致等离子是一种重要的物理现象。因为焊缝和熔池难以直接观察,所以大部分关于激光焊接过程的研究都集中于能够间接地显示焊缝和熔池运动的光致等离子身上。例如,许多关于光致等离子的研究都通过它的光传播和声音传播来监测焊缝的缺陷。然而,光致等离子的物理性能还没有引起足够的重视。例如,焊缝中光致等离子的不稳定频段是否和被加工工件的相同,焊缝中的光致等离子有怎样的组成和运动等等。实际上,所有这些基本问题不是很清楚。本文介绍了用高速摄像机和光学放射监视器对激光焊接中光致等离子的研究。1材料及焊接工艺在这个研究中,实验材料是304不锈钢,厚度为2毫米。激光焊接是利用4kW快速轴流Q型激光实现的光致等离子体和熔池的图像是通过带有精密光学滤波器的幻影V4.1高速相机拍摄到的。激光是通过一个特别的激光监控系统计算获得的。在整个激光焊接加工过程中氩被用来作为同轴保护气体。2结果和讨论在304不锈钢激光焊接过程中,典型的频谱由光致等离子体显示在图1中。图1波长/nm这表明,光谱成分的范围大多是400-700纳米氩。而较高强度的谱线波长都在400-600纳米范围内。这些结果显示波动范围从400纳米到600纳米的光学发射信号的波动特性可用来描述波动光致等离子体。实验数据显示在这个变动范围的波长的相对强度的发射光的波动具有周期性,并且,已有的研究结果也表明他在一个不稳定的周期中波动。快速傅里叶变换(FFr)技术是一种有用的分析信号频率的方法,因此在本文中被用来识别焊接工艺的特征频率。FFTCO2激光焊接304不锈钢的光学发射频谱是图2。图2频率/HZBehavior of vaporplasma within the keyhole and above the workpiece during CO2 laser penetration welding 7 Behavior of vaporplasma within the keyhole and above the workpiece during CO2 laser penetration welding Duan Aiqin,Chen Li and Gong Shuili 段爱琴,陈俐,巩水利 Abstract In this paper,a highspeed camera and an optical emission monitor were used to study the behavior of vapor plasma during CO2 laser welding of SUS304 stainless stee1Results of optical emission from vaporplasma show that two characteristicfrequency bands exist,100500 Hz and 1 5003 500 HzAt the same time,the changing images ofvapor plasma and bottom pool also confirm that there are two different fluctuation frequency bandsOne of the frequency bands represents the characteristic of vaporplasma within the keyhole,and it is within 167500 HzAnother frequency band is within 1 5003 500 Hz,and it obviously derives from the shielding gasSome factors may cause these frequency differences between the keyhole plasma and the shielding gas plasmaOne of them is that the vaporplasma pressure within the keyhole will ncrease slowly Key words CO2 laser welding,vaporplasma,keyhole,frequency 0 Intr0ductiOn Nowadays,laser welding has been widely used in many fields,such as laser welding of aerospace compo nentsHowever,it needs much higher weld quality be cause of their applied conditionsEspecially,maintaining stability of weld quality for long welds or complex compo nents proves to be difficult,for laser welding of metal is an inherent unstable processThere have been many studies about welding process stability all over the worldRevie wing published study results,it can be found that most of weld quality instabilities can be caused by unstable weld ing processes,especially in CO2 laser weldingThe main reason is that vaporplasma makes stability control diffi culty 一 Vaporplasma is a sort of important physical phenom enon during laser penetration weldingBecause the key hole and molten pool are difficult to be directly observed, most of studies about laser welding processes concentrated on vaporplasma,which can indirectly show the movement of the pool and the keyhole3-41 In addition,many stud ies about vaporplasma have been relative to monitoring weld imperfection by optical emission and acoustic emis sion from vaporplasmaHowever,physical features of va porplasma have not been paid a sufficient attentionFor instance,whether the fluctuation frequency of vaporplas ma within the keyhole is as same as that above the work- piece,how vaporplasma within the keyhole forms and e jects,and so onIn fact,all these fundamental questions are not quite clear This paper presents the study of vaporplasma during CO2 laser welding by highspeed camera and optical emis sion monitor 1 Materials and welding procedure In this study,the experimental material was SUS304 stainless steel with thickness of 2 mmThe laser welding performed using a 4 kW fast axial flow Qmode CO2 laser The images of vaporplasma and molten pool were cap tured by a Phantom V41 high-speed camera with narrow optical filtersThe optical emission was acquired and cal culated by a special plasma monitoring systemAr was used as coaxial gas shielding during laser welding process一 Duan Aiqin,Chen Li and Gong Shuili,National Key Laboratory for High Density Beam Processing Technology,Beijing Aeronautical Manufacturing Research Institute,Beijing,100024 Email:duanaiqintomcorn(Duan Aiqin) CHINA WELDING Vo117 No4 December 2008 2 Results and discussion During CO2 laser welding of SUS304 stainless steel, the typical spectrum from vaporplasma is shown in Fig1This shows that the spectral components in the range of 400700 nm are mostly lines of Ar 11And spec tral lines with higher intensity are within wavelength 400 600 nmThese resuIts show that the fluctl】atinn haracter 50 000 40 000 皇 30 000 尝20 000 10 000 O istic of optical emission signals of range from 400 nm to 600 nm can describe fluctuation of vaporplasmaExperi mental data had shown that relative intensities of optical e mission in such range of wavelength fluctuate periodically, and published study results also confirmed that it chan ges at an unstable periodicity Ar50 5-204 Ar 5017164, 509 05 Ar | 514178 _ IJ 1 11 I 1 J4 1 l L一一I一卜I J 400 450 500 550 600 650 700 Wavelengthnm Fig1 Spectrum of CO2 laser welding of stainless steel(Laser power 1 650 W and welding speed 1 mmin) Fast Fourier transform(FFr)technique is an useful method that analyzes frequencies of signals,so it was used for identifying characteristic frequency of welding proces ses in this paperF盯spectrum of optical emission during CO2 laser welding of SUS304 stainless steel is given in Fig2It is found that the frequency components of vapor plasma are quite complex and have not a dominant fre quency componentHowever,two characteristic frequency bands exist,one is 100500 Hz(range A)and the other is 1 5003 500 Hz(range B)Infrared(IR:1564 nm)e inission from the welding process can indirectly reveal the radiation of heatThis radiation mostly comes from vapor plasma and molten poo1Fig3 is the raw timedependent 誊g SE+3 茸+3 3K3 2K43 111+3 I卜2 curve of IR optical emission measured during the same process as Fig2This diagram obviously reflects that the IR emission can be separated into fluctuation component and invariable componentIt has been known that the heat radiation from molten pool only changes with the size and temperature of molten poo1And it also has been well demonstrated that,for a stable process,the size and tern- perature of molten pool are almost constant。 So FFT spectrum of IR emission by a 1006 000 Hz band-pass filter is mainly correlated to heat radiation from vapor plasma,as shown in Fig4Both Fig2 and Fig4 have almost the same distributions of frequenciesHowever, their intensities are quite differentFor the IR emission, FrequencyHz Fig2 FFT spectrum of 400600 am optical emission from vaporplasma(Laser power 1 650 W and welding speed 1 mmin) 一 一 审_f0 Behavior of vaporplasma within the keyhole and ab。ve the workpiece during CO 2 laser penetration welding 9 ; 蚤I 。 , | l 一一一一 一一 f Sample position Fig3 Time dependence of IR emission from vaporplasma(Laser power 1 650 W and welding speed 1 mmin) FrequencyHz Fig4 FFT spectrum of IR emission from vaporplasma(Laser power l 650 W and welding speed 1 mmin1 intensity within the range A(100500 rlz)is two times as strong as that within the range B(1 5003 500 Hz)But for 400600 nm optical emission ,intensity within the range A is nearly the same as that within the range BIt can be concluded that there are two different processes and their fluctuation frequencies are within the range A and B respectivelyThe process correlated with the range A has obvious heat effect,but the process correlated with the range B shows obviously irradiance phenomenon Two kinds of vaporplasmas were observed above the workpieee through the highspeed camera with a narrow (a)Two kinds of vaporplasmas filterTheir fluctuation frequencies are obviouslv differ entFig5 shows several typical images of two kinds of va porplasmasFig5a presents simultaneously two vapor plasmas,C area is Ar plasma image and D area is vapor plasma image from the keyhole But in Fig5bthere is only the Ar plasma to be discovered Howeverin Fig5c,the Ar plasma completely disappears and only the vaporplasma from the keyhole is observed Therefore it could be thought that vaporplasmas consist of two differ ent parts deriving from the keyhole and shielding gas re spectivelyCompared with the results of optical emission , (b)Ar plasma (C)Keyhole vapodplasma Fig5 Different states of the vaporplasmas(Laser power 1 650 W and welding speed 1 mmin 1 皇 0葛一0 0 占一 葛一 A1 一0 CHINA WELDING Vo11 7 No4 December 2008 the two different frequency range A and B are obviously caused by these two different vaporplasmasThe follow ing question is which characteristic frequency band repre sents the vaporplasma within the keyhole Changing images of vaporplasma are shown in Fig6One of typical fluctuating period is from 1 Ills to 5 ms,and another process is from 5 IIIS to 8 msIn each fluctuating period,the vaporplasma within the keyhole e jects and then disappears graduallyFrequency of the va D【】rplasma from the keyhole iS within 1 67500 HzThis can also be revealed by images of bottom pool in penetra tion welding processshown in Fig7It can be found that the vaporplasma starts to eject from the bottom pool f t=l ms),and then gradually decrease until disappearance(t 3 ms)The next image(t=4 ins)clearly shows that the Vaporplasma occurs againAnd this process repeats again and again during whole welding processThe statistical data show that fluctuation frequency of the vaporplasma from the keyhole is within 167500 Hz,just as same as the results of optical emission =1 ms t=2InS t=3ms t=4ms t=5InS t=6mS t=7ms f=8ms =9IllS 拄10ms Fig6 Changing images of vaporplasma above the weld(Laser power 1 650 W and welding speed 1 mmin) 扛l ms t=2IllS f=3 Ills t=4ms =6ms t=7ms t=8ms t=9Ills t=3ms Fig7 Changing images of bottom pool(Laser power 1 650 W and welding speed 1 mrain) l0 HIS Behavior of vaporplasma within the keyhole and above the workpiece during CO2 laser penetration welding ll The physical process associated with frequency of the range B has been discussed in the other article 。which showed the features of vaporplasma arising from the shiel ding gas above the workpiece The fluctuation frequency of the vaporplasma within the keyhole is different from the shielding gas plasma a bove the workpieeeThe reason is mainly that formation of these two kinds of vaporplasmas are quite differentThe shielding gas plasma is caused by the process,which gas is heated to high temperature and then ionizes rapidly When its pressure reaches to a certain value,the plasma will explode and then disappear rapidlyHowever,the formation of the vaporplasma within the keyhole is quite differentWhile laser beam acts on workpiece,vaporiza tion will generate within the keyhole;then the vapor is heated to temperature higher than the boiling point;finally heated vapor explodes and ejects from both top and bottom 0f the weld under the condition of fullpenetration weld ingAccording to forming principle of two kinds of vapor plasmas during fullpenetration welding,three factors may cause theseFirstly,because of existence of bottom key hole,the pressure of the vaporplasma within the keyhole will increase slowlyMost vaporplasma within the key hole comes from vaporization of base metal,but most shielding gas plasma derives from shielding gas heated and ionized directlyFinally,higher vaporization pressure can be remained in the keyhole,but shielding gas plasma is in free and explodes at lower pressure 3 Conclusions For CO,laser welding of SUS304 stainless steel, some conclusions about vaporplasma are as follows: (1)The spectrum shows that the spectral components in the range of400700 nm are mostly lines ofArand most intense spectral lines are within 400600 nm (2)The study of optical emission from vaporplas ma,both for 400600 nm and IR emission,shows that the frequency components of the vaporplasma are quite complex and have not a dominant frequency component However,two characteristic frequency bands exist,one is 100500 Hz and the other is 1 5003 500 HzThe process correlated with 100500 Hz frequency component has obvious heat effect (3)Changing images of vaporplasma and bottom pool captured by high speed camera confirm that there are two kinds of vaporplasmasAnd their fluctuation frequen- ties are obviously differentThese vaporplasmas derive from the keyhole and shielding gas respectivelyThe sta tistical data show that fluctuation frequency of the vapor plasma in the keyhole is within 1 67500 Hz,just as same as the resuhs of optical emission References 1 Zhang X DMechanism and prevention of process instability in CO2 laser weldingBeijing:Tsinghua University,1997(in Chinese) 2Duley W WLaser weldingNew York:John Wiley&Sons Inc,1998 3Aalderink B J,Aarts R G K M,Jonker J B,et a1Study of the optical emission during Nd:YAG laser welding of AA5182Congress Proceedings ICALEO,San Francisco, California,USA,October 47,2004:1122 4 Naito YPenetration characteristics in YAG laser and TIG arc hybrid welding,and arc and plasmaplume behavior during weldingProceeding of Welding Association,2006,24(1): 3238 5Duan A Q,Chen LDynamic behavior of plasma in CO2 laser welding of stainless stee1Transactions of the China Welding Institution,2005,26(11):1720(in Chinese) 6Duan A Q,Chen LMolten pool and temperature field in CO2 laser weldingChina Welding,2006,15(1):3033
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