大型复杂构件数控焊接机床的设计与分析.pdf

第 5期 2 0 1 3年 5月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l＆ Au t o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c hni q ue NO ． 5 M a y 2 01 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 0 5 0 1 0 80 3 大型复杂构件数控焊接机床的设计与分析 戴 飞铭 ， 聂晓根 福 州 大学 机械 工程 及 自动 化学 院 ， 福 州 3 5 0 1 0 8 摘 要 针 对 大型复 杂构件 焊接 及其 加 工技 术要 求 ， 介 绍 了一款 双 摆 轴 五轴 联 动数 控 焊 接 机床 的设 计 与分析， 包括机床总体设计 ， 各进给轴设计以及机床结构有限元分析 ， 为大行程 空间复杂构件数控焊 接 机 床研 制提 供 了可 靠的技 术 支持 。 关键 词 数 控 焊接 ； 五轴 联动 机床 ； A、 C摆 头回转 轴 ； 模 态分析 中图分类 号 T H1 6 5 ； T G 6 5 9 文献标 识码 A De s i g n a nd Ana l y s i s f o r t h e La r g e a nd Compl e x Co mpo ne nt s NC W e l di n g M a c h i ne To o l DAI Fe i mi ng，NI E Xi a o g e n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g a n d Au t o ma t i o n，F u z h o u Un i v e r s i t y ，F u z h o u 3 5 0 1 0 8，C h i n a Abs t r a c tI n r e s p o ns e t o t he l a r ge c o mp l e x we l d i n g a n d i t s t e c h ni c a l r e qu i r e me n t s，t he d e s i g n a n d a n a l y s i s o f a d o u b l e p e n d u l u m t y pe o f 5 一 a xi s CNC we l d i n g ma c h i ne t oo l i s i n t r o d u c e d． I n c l u di n g d e s i g n o f ma c h i n e t o o l 、 t h e d e s i g n o f a xi s a n d f i ni t e e l e me n t a n a l y s i s o f ma c h i n e t o o l s t r u c t u r e．Th i s pr o v i d e s r e l i a bl e s u p po r t f o r t h e d e v e l o p me n t of NC we l d i n g ma c h i n e wi t h l a r g e t r a ve l s p a c e a n d c o mp l e x c o mp o n e n t s ． Ke y wo r d sNC we l d；5一 a xi s NC ma c h i n e t o o l ； A ，C a x i s e l e c t r i c s pi n dl e；mo d e l a n a l y s i s 0 引言 1 机床总体方案设计与分析 焊接 是应 用 广 泛 的加 工 工 艺 ， 手 工 焊 接 环 境 恶 劣 ， 对 操作 者技 能要 求 高 且 工作 强 度 大 ， 随 着 技术 的 进 步 ， 焊接 加 工 越 来 越 多地 采 用 自动 化 焊 接 装 备 完 成 。基 于方 便 送 丝 ， 当前 自动 化 焊 接 装 备 主 要 采 用 焊接机器人。机器人焊接具有工作空间几乎能达到 一 个 球体 ， 可 以灵 活地 完成 空 间 曲线 接 缝 的焊 接 任 务 ， 但是在大行程焊接及 复杂形体 内部焊接上存 在 行 程不够 和 容易 产生 干 涉 等 不足 。如某 工 程 车 焊 接 车 身 ， 车身长 超过 2 m， 焊 缝不 仅 分 布 在 车 身 的外 侧 ， 而 且在 车身 内部 也 大量 存 在 ； 又 如 大 型液 压 油 箱 ， 为 了提高 油箱 焊 接 质量 及 避 免 产 生 焊 缝 漏 油 现 象 ， 通 常 选择 从箱 体 内部 焊接 或 内 、 外 接 缝 同 时焊 接 ， 焊 接 机器人都难以适应这些场合的应用 。 针 对 以上 问题 ， 以焊 接 车 身 和 大 型 焊 接 油 箱 为 对象 ， 对大行程空间 曲线接缝 自动焊接的数控焊接 装 备 进行 了研 究 和设 计 ， 该 机 采 用 五 轴 运 动 实 现 焊 枪 在 三维 空 间 中 的 平 移 和 旋 转 ， 可适 应 大 型 复 杂 构 件 内 、 外焊 缝 的 焊 接 要 求 。在 设 计 该 机 床 三 维 模 型 的基础上 ， 对该机整机和零部件进行 了动、 静态特性 分析 和优 化设 计 ， 保 证 了机 床具 有 良好 的动 、 静 态 特 性和 优 良的作 业 性 能 ， 为大 行 程 空 间 复 杂 构 件 数 控 焊接 机床研 制 提供 技术 支持 。 1 ． 1 焊件 结构 分 析与加 工运 动学 分析 如 图 1所示 分 别为 某 工程 车焊 接 车身 和 焊 接液 压 油箱及 其 焊缝分 布 图 ， 由此 可 知 ， 其 焊 缝 是 由复 杂 的空间线 段 或 曲线 构 成 ， 且 焊 缝分 布 在 焊 件 的 内 、 外 侧 。焊接 加 工 中焊 枪 姿 态是 影 响 焊缝 成 形 和 焊 接 质 量 的一个 重 要 因素 ， 要 求 焊 枪 姿 态 必 须 满 足 焊接 工 艺 、 无碰 撞 及 运 动 过 程 中运 动 平 稳 等 要 求 。 为 了 实 现这些焊接任务 ， 在机器人焊接复杂构件 中通常采 用 多轴 变位 机 来 实 现 ， 但 大 型 复 杂 构 件 因 工 件 较 重 不 适宜使 用 多 轴 变 位 机 ， 理 想 的加 工 方 式 是 焊 接 中 _T件保 持 不动 ， 因此 不 仅 要求 焊 枪 具 备平 动 功 能 ， 还 要 求焊 枪具 有 摆 动 的 功 能 ， 以保 证 焊枪 轴 线 在 焊 接 过程 中时 刻平分 相 贯 线焊 缝 上 各插 补 点 所 在位 置 的 二面 角 ， 从 而达 到焊 枪 以最佳 姿态 实现 接缝 的焊 接 。 1 ． 2五联 动焊 接机 床 的机械 本体设 计 根据＼ 对焊件特点 的分析 ， 为实现焊枪 以最佳姿 态进行焊接 ， 该数控焊接机床至少需要 X Y ／ Z ／ A ／ C 五个 轴 的 运 动 ， 为此 ， 设 计 如 图 2所 示 的 机 床 结 构 。 设计 的机 床焊 枪 同时 具 有 三轴 平 移运 动 和 两 轴旋 转 运动 ， 平移 运 动装 置 中 的 y 、 z 轴 的 十字 滑 台安 装 在 龙门式床身的滑座上沿着 轴方 向运动 ， 焊枪头 的 收 稿 日期 2 0 1 21 03 0 作者简介 戴飞铭 1 9 8 9 一 ， 男 ， 福 建仙游人 ， 福 州大学机 械工程 及 自动化学 院硕 士研究 生 ， 研 究方 向为 专用数 控机 床设 计与 开发 ， E ma i l 2 1 0 6 9 2 3 0 7m 1 6 3 ． e o m。 2 0 1 3年 5月 黄信兵， 等一种数控车床 自动送料装置的设计研 究 l 1 3 5 将 自动送料装置旋转过主轴孑 L 位 ， 把材料放 入 主轴 孔 ， 用 档 料刀设 置好 材料 长 度 ； 6 把 副 杆 重 新 对 准 通 槽 ， 慢 慢 放 使 其 顶 紧 材 料 ， 直 到 与 挡 料 刀 稳 合 ， 再 将 材 料 夹 紧 ， 然 后 进 行 零 件加 工 ； 7 零件加工 完毕后 ， 换 回挡料刀 程 序设计 ， 松 开 卡盘 ， 自动 送料装 置 进行送 料 ， 继 续加 工 ， 直到一 整 条材料 加工完 ， 再从 2～ 7的顺序加 工下一材料 。 4使 用范 围及 使用时应注意的 问题 1 此装置方法适应于任何型号数控车床 ， 但需 根据 各机 床结 构特 征来 制定 尺寸 。 2 挡 料 刀要安 装牢 固 ， 防 止 因材 料送 入 时 撞击 力较大 ， 而使挡料刀顶出 ， 材料冲出伤人等事故。 3 此 装置 如果 使用 的 是液 压 卡 盘 ， 能进 行 自动 夹 紧 ， 松 开 ， 那 么效 率就 更加 的 明显 。 5 结 论 1 有 效 的 提 高 生 产 效 率 ， 提 高 了产 品 的质 量 。 采 用 此 自动送 料装 置 时 ， 只 需装 夹 一 次 材料 ， 数 控 车 床就可以按 照调 试好的程序 ， 依 次加 工零 件。操作 者可 以进 行零 件检 测等 工作 。 2 降低 了操作者 的劳动强度。采用此 自动送 料 装 置时 ， 操作 者不 需 要 每加 工 一 个 零 件送 一 次 料 ， 可 以离开机 床 。 3 降低了成本。采用此 自动送料装置 ， 一名操 作 者 可 以操 作 多 台机 床 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]程蓓 蓓 ， 岳 云 萍．一 种 弹簧 预 紧 式液 压 浮 动 尾座 设 计 [ J ] ．制造技术 与机 床 ， 2 0 1 2 4 1 6 01 6 1 ． [ 2 ]袁礼彬 ， 蒋涛．双工 位平衡式 车夹 具的结构设 计 [ J ] ．制 造技术 与机 床 ， 2 0 1 2 3 9 0 9 2 ． [ 3 ]刘春林 ．料斗式 自动定 向装 置 的设 计 与研究 [ J ] ．组 合 机床 与 自动 化加 工技术 ， 2 0 1 1 1 1 1 3 1 8 ． [ 4 ]刘燕 ， 刘志．大型板料加工 自动送料控制系统 的设计与改 进 [ J ] ．组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 1 1 1 7 8 8 0 ． [ 5 ]陈 晓斌 ， 段海峰．冲床 自动送料机 构设 计 [ J ] ．装备 制造 技术 ， 2 0 1 2 8 5 5 6 ． [ 6 ]冯辛安 ．机械制造 装备设 计 第 2版 [ M] ．北 京 机 械 工 业 出版 社 ， 2 0 0 5． [ 7 ]童鲁海 ， 钟江．长尾夹 自动装配线 的上料装置 [ J ] ．轻 工 机 械 ， 2 0 0 8， 2 6 2 8 58 7 ． [ 8 ]杨首森 ．中型弹壳形工件 自动排列上料系统 的研 制[ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 9 5 1 4 61 4 8 ． [ 9 ]A H马洛夫 ， 褚 家麟 ， 译．金 属切 削机床 的 自动上料装 置 [ M] ．北 京 机械工业 出版 ， 1 9 6 5 ． [ 1 O ]王硕 ， 陶学恒 ， 李 玉光．一种 自动 清洗玻 璃窗 的机器 人 [ J ] ．组合机床与 自动化加 工技 术 ， 2 0 1 2 1 1 41 1 2 ． 编辑 赵蓉 上接 第 1 1 0页 表 1 模 态 分 析 结 果 阶数 固有频率／ Hz 振型描述 1 6 ． 8 6 沿 Z轴 振动 2 l 2 ． 1 9 在 XO Z面转 动 3 1 6 ． 9 8 沿 Y O Z面转动 4 1 9 2 4 沿 XO Y面转动 5 2 I ． O 6 沿 Y轴振动 6 2 9 ． 4 5 沿 轴振 动 因此从机床结构的前 6阶模态振动频率 表 1 可 知 ， 机床 的 固 有 频 率 都 在 正 常 工作 频 率 范 围 以外 由此可 以看 出其 动 态性 能较 好 。 即使 该 机床 的前 几 阶的 固有频 率 比较 低 ， 会 在 机 床 的开 关 机 时 会 出现 共 振现 象 ， 但 是 在 正 常 工 作 状 态 下 的激 振 频 率 远 大 于固有频率 ， 因此该现象不影 响该机床 工艺精度此 设 计满 足设 计需 要 。 3 结 论 根 据大 型 复 杂 构 件 焊 接 及 其 加 工 技 术 要 求 ， 设 计开发了一款适合大型复杂构件焊接的数控焊接机 床 ， 在对 机床 进行 总 体 设计 的基 础 上 ， 应 用 C R E O软 件机床进行了三维实体模型的建立 、 装配、 运动仿真 并 应用 A B A Q U S有 限元软 件对 所 设计 的机 床进 行 静 力分析与模态分析 的基础上 ， 对机床结构进 行 了优 化设计 ， 为一种适应 大型复杂构件焊接数控 机床的 成功开发提 供技术支持。在此基础 开发 的样机 ， 达 到 了预期 目标 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ]刘展．A B A Q U S 6 ． 6基 础教程 与实例详 解 [ M] ．北 京 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 2 ]宁新华．精密蜗轮 蜗杆 消 隙装置 [ P ] ． 械工 业 出版 社 ， 中 国 CN1 9 7 1 0 9 4， 2 0 0 7， 5 ． [ 3 ]吴宗泽．机械设计 师手册 [ M] ．北京 机 械工业 出版社 ， 20 0 9． [ 4 ]张惠敏．五轴 联动 数 控机 床 的设 计 [ J ] ．机 床 与液 压 ， 2 01 0， 3 8 8 ． [ 5 ]杜玉湘 ， 陆启建 ， 刘明灯．五轴联动数控机 床的结构和应 用 [ J ] ．机 械制造与 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 7 3 1 41 6 ． [ 6 ]王世军 ， 黄 玉美 ．机 床整机 特性 的有限元 分析方 法 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 3 2 O一2 2 ． [ 7 ]王学林 ， 徐岷 ， 胡于进．机床模态 特性 的有 限元分析 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 2 4 8 4 9 ． [ 8 ]吴 良宝 ， 张 年松 ， 张立 ．C K 1 4 4 0型 数控车 床床 身动 态特 性分 析[ J 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