电焊机设计要点

西安航空学院

毕业设计（论文）题目：全功能数控点焊机

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2012 年 06 月 10 日

摘要

随着科技的发展，焊接技术成为了当下越来越受欢迎的一门技术。在钢材的的生产加工中，焊接是不可或缺的，比如飞机汽车的制造产业中，没有焊接工艺是无法实现的。所以，随着各项技术的快速发展，国内外的焊接技术也在迅速地发展中。

我这次设计的是全功能数控点焊机，是一个自动的点焊机，它的体型较小，控制简单，智能化程度比较高。

在设计的过程中，首先对点焊机的整体结构进行了规划，然后利用设计出了各个零件的三维图，以及与之相应的工程图，在最后又做出仿真。

关键词：焊接技术，点焊机，整体结构，绘图软件

目录

第一章绪论 (1)

1.1 焊接技术的概述 (1)

1.2 焊接技术的发展趋势 (2)

1.3 现代焊接技术的运用及特点 (3)

1.4 做本课题的意义 (3)

1.5 本章小结 (3)

第二章总体设计 (5)

2.1 设计要求 (5)

2.2 全功能数控点焊机机械结构设计 (5)

2.3 点焊机的工作原理 (6)

2.4 结构方案设计 (7)

2.5 本章小结 (8)

第三章机械部分的参数计算及校核 (9)

3.1 滚珠丝杠选取及相关计算 (9)

3.2 步进电机的计算和选型 (11)

3.3 本章小结 (13)

第四章绘图软件的介绍 (15)

4.1 SolidWorks (15)

4.2 AutoCAD (19)

4.3 本章小结 (21)

第五章零件的建模与工艺分析 (23)

5.1 点焊机底座设计 (23)

5.2 点焊机导轨设计 (24)

5.3 点焊机丝杠支撑设计 (27)

5.4 点焊机中托板设计 (29)

5.5 点焊机中转接套设计 (31)

5.6 点焊机工作台设计 (33)

5.7 本章小结 (35)

第六章总结 (37)

参考文献 (38)

致谢 (39)

第一章绪论

随着计算机与信息技术的工业应用，促进了传统的点焊机生产向“精量化”的制造方式而转变。

1.1 焊接技术的概述

焊接技术作为制造业的传统基础工艺与技术，在工业中应用的历史并不长，但它的发展却是极其迅速的。在短短的几十年中焊接已在许多工业部门中为工业经济的发展作出了重要贡献，在各个重要的领域像航空航天、造船、汽车、桥梁、电子信息、海洋钻探、高层建筑金属结构中均广泛应用，使焊接成为一种重要制造技术和材料科学的一个重要专业学科，故开创了连接技术的新篇章。

随着科学技术的发展，焊接已经从简单的构件连接方法及毛坯制造手段发展成为制造行业中一项生产尺寸精确的产品生产的手段。因此，保证其焊接产品质量的稳定性和提高劳动生产率已经成为焊接生产发展的急待解决的问题。

在机械制造产业中过去一直用整铸整锻方法来生产大型毛坯改成了焊接结构，这大大的简化了生产工艺，降低了成本。许多尖端技术像宇航、核动力等假如不采用焊接结构，则是不可能实现的。

焊接在整个工业中的地位还可以从这样一个事实来判断，即世界上主要工业国家每年生产的焊接结构约占钢产量的45%左右，且焊接结构之所以有如此迅速的发展是因为它具有一系列优点。下面举例说明一下：与铆接相比它可以节省大量金属材料，大约可减轻15-20%的金属材料，因为它不需要辅助材料，比如角钢、平板，更不需要铆钉，而且柳接件经过很长时间以后有可以会松动，影响质量，但焊接绝是不可能的，虽然只有一道焊缝，但它属于原子结核，所以能够充分的解决一切问题。其次焊接结构生产不需打孔，划线的工作量也比较少，因此比较省工、省时间，工作效率当然就要高多了[1]。

焊接技术与铸造技术是有着较大的区别的。

与铸件相比焊接结构生产不需要制作木模和砂型，也不需要专门熔炼，浇铸，工序简单，生产周期短。这一点对于单件和小批量生产特别明显，换句话说，和铸件相比就是特别的节省时间也就是工作效率高，其次，焊接结构比铸件节省材料，一般情况下，它比铸钢轻20-30%以上，比铸铁件轻50-60%，这主要是因为焊接结构的截面可以按设计的需要来选取，不必象铸件那样因工艺的限制而加大

尺寸。因为液体要想让它流动的好充分到位，就必须要有较大的空间，这势必会用到更多的金属材料。比如12000吨水压机的下横梁采用焊接结构，净重260吨而如果采用铸钢件则重量将达470吨，重量减轻将近45%，这是因为铸造毛坯不易保证尺寸精度，顾加工裕量就会非常大，这样所用的液体金属当然就会多许多，而且占用的时间也非常长，这是因为熔化与冷却金属都是要用很长时间的原故，再有焊接车间所需要的设备和厂房投资一般都比生产同样重量毛坏的铸造车间低，它只需要一定的场地和所必要的电源，不需要特别复杂的工艺就可以进行加工，一条焊缝就已经完全解决问题了，所以焊接和铸造比较之下即省工又省料同时又非常经济便宜[7]。

以上对比说明了焊接的质量及其工作效率的优越性。有些构件在某些特定的部位它的材质有特殊的强度要求，就像大型齿轮的轮缘部分，它是必须要用高强度的耐磨优质合金钢，这样才能常时间的使用和保证它的质量，但这种钢材很贵，这就会大大提高了成本，所以其它部分为了节省材料可用一般钢材来制造，这样即提高了齿轮的使用性能，使结实耐磨，又节省了优质钢材降低了成本，这就用到了拼焊的方法，像堆焊与摩擦焊，把工件分别加工后再进行拼接，形成一个很完美的整体，可见这也是很有优势的。

因为以上所介绍的这些焊接的优点，故只要正确的认识和切实的掌握它，并能合理的运用就能够获得高质量的构件，所以焊接是绝对不可替代的并且值得努力发展的一门技术。

1.2 焊接技术的发展趋势

通过大力开发高效节能点焊机新技术、新材料、新工艺和新设备、应用机器人技术，灵巧轻便的智能设备及计算机和信息,随着世界制造业的快速发展，焊接技术的应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高。新的焊接工艺方法则不断涌现，专业焊接设备日新月异。与此同时，国内外的焊接设备生产企业也纷纷通过各种方式展示自身的实力，特别表现是其品种繁多的产品和先进的技术。核心技术作用得以显现，数控和电源方面有发展，激光焊接技术成为了一大亮点，机器人的应用普及化。可以认为，世界焊接技术又跨上了一个新的台阶，在高效、自动化、环境友好方面有了新进步；焊接材料种类更丰富，焊接自动化、高效化、清洁化更加突出；焊接技术综合成本更低，焊接对工业的服务更加广泛。同时，

焊接中存在的手工、脏乱、粗糙、低速已基本消除，取而代之的是自动、精密、清洁及高效。

1.3 现代焊接技术的运用及特点

在科技发达的现代社会，钢材被大量的运，所以焊接是必不可少的。比如，表面焊接技术是现代机械制造及维修业中一种必要的工艺方法，在汽车制造、维修中得到广泛应用，而且点焊有着生产量大、自动化程度高等特点，故其运用很广泛。焊接技术还广泛应用于航空、航天、能源、电子、汽车及轻工等各工业部门。现代点焊技术将会更多的运用新技术、新材料、新工艺，将传统的焊接技术中优点继续保持，将传统技术中的缺点找出并进行完善，使其达到高效、自动、精密、便于运用。

1.4 做本课题的意义

点焊机在现代工业中运用很广泛，其技术也要进行不断的提高来满足工业中的需求。

这个点焊机可以通过程序进行控制，是一个小型的机器，使用方便，此点焊机在工作时是通过十字滑台带动工件运动的，十字滑台的精度比较高，从而使整个点焊机更加精密。

1.5 本章小结

通过此次设计是我们对所学习的知识的总结,对书上内容的进一步的理解与加深，让理论与实践结合起来，同时也可以检测自己对专业知识的理解是否到位，是否可以在实践中进行运用，也可以找到自己的不足，从而便于进一步的学习与提升，也便于我们在毕业后进入工作岗位。做该设计还可以让我们做事更加认真与严谨，对自己有一个更正确的定位。

第二章总体设计

2.1 设计要求

毕业设计（论文）的原始数据（资料）：

1）十字滑台的行程：200mm X 150mm；

2）定位精度：±0.5mm

2.2 全功能数控点焊机机械结构设计

这次设计的是全功能数控点焊机，是一台小型的点焊机，该点焊机的特点是其在运行时可以通过数控系统对十字滑台进行直接控制，通过编写程序控制使之运行，控制起来比较简单。图2-1是它的整体结构：

图2-1

1、底座

2、导轨

3、电机1

4、电机2

5、电机3

6、中托板

7、丝杠

8、小丝杠

9、焊接头整体10、丝杠支撑11、小导轨12、转接套13、导轨滑块

2.3 点焊机的工作原理

这个点焊机用到三个电机，电机1带动工作台的运动，电机2直接与点焊头相连，电机3带动中托板的运动，当其在工作的时候，十字滑台运动时，焊头会与竖直方向偏离一个角度，使其与所焊接的工件不接触，当十字滑台停止运动后，电机2转动，是焊头处于竖直状态，再进行焊接。

〈1〉十字滑台走位时如图2-2所示：

图2-2

〈2〉焊接时如图2-3所示：

图2-3

2.4 结构方案设计

2.4.1 十字滑台部分的工作草图如图2-4：

图2-4

2.4.2 在本次设计中我说用到的传动部件是滚珠丝杠螺母副，选择该传动部件是因为一般滚动丝杠螺母副的传动效率可达90%～95%，耗费能量仅为滑动丝杠的三分之一，而且其具有运动平稳，定位精度及重复定位精度高，同步性好等特点。

2.4.3 导轨的形式有滚动导轨、滑动导轨、静压导轨三种，这里导轨选的是下图中所示的导轨，既滑动导轨中的一种。它的结构很简单，并且承载能力也较强，切在这里导轨本身承载的载荷不大，经过综合比较选用了这种导轨。

图2-5

2.4.4 电机用的是步进电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应得角位移的机电执行元件。步进电机转动角度有脉冲个数控制，在控制的时候不用再加反馈环节，它的精度高，惯性小，误差不长期积累，调试很方便，驱动简单，工作可靠，体积小。

2.4.5 这次设计的点焊机，我将焊头与步进电机的轴直接相连，让步进电机直接控制焊头，这种设计结构简单，控制也极其方便。在工作的时候，直接给步进电机一个电脉冲信号使其转动一个角度，就可以使焊头与工件接触或脱离。而这个步进电机直接安装在支撑架上，支撑架与十字滑台的工作台焊接成为一个整体。

2.5 本章小结

这一章节是对全功能数控点焊机的机械部分总体设计，机械部分总体设计是非常重要的环节。在对它的整体结构进行设计时，我首先要对点焊机了解清楚，然后再构思出点焊机的整体结构，构思好了之后，就要进行细化分析，来确定方案的可行性，比如这次设计对焊头的设计，在刚开始的设计方案中是将焊头安装在了中托板上，这个设计与将它直接安装在工作台上相比，后者可行性更高。

第三章 机械部分的参数计算及校核

3.1 滚珠丝杠选取及相关计算

〈1〉计算进给牵引力)(N F m

G f F m '= 式（3-1）

在上式中：f ′-------------滑动导轨摩擦系数,

G -------------重力

将f ′=0.2 ,G= 400 代入公式（3-1）之中即G f F m '==80

〈2〉计算最大动负载C

选用滚珠丝杠的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在 回转100万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象，这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大负载C ，可用公式为：

m w F f L C ??=3 式（3-2）

L 计算公式：

66010n T L ??= 式（3-3）

n 计算公式： 01000v n L ?= 式（3-4）

在以上公式中： 0L ----------滚珠丝杠导程，初选0L =1.6；

v --------最大进给速度，可取最高进给速度的

)3

121(-此处； T ---------使用寿命，按10000h ；

w F ---------运转系数，按一般运转取fw 的取值在1.2～

1.5；

L ---------寿命，以610转为1单位。

01000v n L ?=

=300 66010

n T L ??==350 m w F f L C ??=3

=436

〈3〉 滚珠丝杠螺母副的选型

滚珠丝杠螺母副几何参数 2.8 2.8

传动效率计算

)

tan(tan ?γγη+= 式（3-5）

γ——螺旋升角

?—— 摩擦角度取'

10 滚动摩擦系数为0.003—0.004 )tan(tan ?γγ

η+=

=0.87

3.2 步进电机的计算和选型

步进电极是一种将电脉冲信号转换成相应角度位移的机电执行元件。给一个电脉冲信号，步进电机就回转一个固定的角度，称为一步，所以称为步进电机。由于其转动角度由脉冲个数控制，不需要反馈环节，所以在经济型数控机床上得到广泛应用。步进电机的优点是转子的角位移量和转速严格受脉冲数量和频率控制，有脉冲则走，无脉冲则停，旋转方向受通电顺序控制；体积小，重量轻，价格低；驱动简单，，工作可靠，误差不长期积累；精度高，惯性小，容易调试。其有反应式步进电机，永磁式步进电机和混合式步进电机。

1）等效转动惯量的计算：

2010)2(π

L g G J J J d ++= 式（3-6） 式中，

d J ——折算到电机轴上的惯性负载（2.kg cm ）； 0J ——步进电机转轴的转动惯量（2.kg cm ）

； 1J ——丝杠的转动惯量（2.kg cm ）；

M ——移动部件质量（kg ）。

G —3500N

参考同类型号机床，初选反应式步进电机42mm 系列，其转子转动惯量为

2

0035.0cm kg J ?=

对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算

()3420.7810.J D L kg cm -=? 式（3-7）

式中：D ——圆柱零件直径（cm ）；L ——零件长度（cm ）。