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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 . 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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 . 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