冷焊機半自動進給裝置的樣機設計

胡建新 ，林 宋 ，張 祥 ，任 煒

（1.北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144；2.中建材國際裝備有限公司，北京 100048）

1 引言

機械裝備再制造工程是對裝備產(chǎn)品進行改造以最大限度地利用裝備的零部件、緩解資源能源短缺與浪費的矛盾、減少廢舊裝備對環(huán)境污染出現(xiàn)并迅速發(fā)展著的新興產(chǎn)業(yè)。再制造中修復工藝種類繁多，例如電刷鍍、熱噴涂、膠粘和焊接。焊接技術作為一種傳統(tǒng)工藝通過不斷改進研發(fā)出冷焊技術，其眾多優(yōu)點讓冷焊得到普遍應用。

傳統(tǒng)焊接維修因其溫度高會造成配件變形退火，造成基體損傷。傳統(tǒng)的電鍍、熱噴涂，涂層與基體是物理結(jié)合，結(jié)合強度低極易脫落。冷焊技術可以用來對一切金屬以及幾乎所有的其他各種原材料進行相互連接、固定焊接和密封。其焊補基體與補材為冶金結(jié)合，結(jié)合牢固致密，常溫焊補，基體不發(fā)熱，不產(chǎn)生熱變形，修復后可進行各種機加工，不影響機械加工性能，可以選擇不同材質(zhì)的補材進行同材、異材焊補。在當今想要完成較好的焊接工作提高焊接效率，提高準備車間的機械化，自動化水平是當前世界先進工業(yè)國家的重點發(fā)展方向。如用微電子技術改造傳統(tǒng)焊接工藝裝備，是提高焊接自動化水平的根本途徑。將數(shù)控技術配以各類焊接機械設備，以提高其柔性化水平，焊接機器人與專家系統(tǒng)的結(jié)合，實現(xiàn)自動路徑規(guī)劃、自動校正軌跡、自動控制熔深等功能，簡單來說就是數(shù)字化控制。目前我國焊接自動化應用率好比較低，不到30%，因此提高焊接自動化迫在眉睫[1]。

伴隨著冷焊技術的推廣，各種冷焊機應運而生，但是大部分冷焊機都仍然是人工操作，其競爭壓力也隨著增大，其在原材料價格，人力資源成本不斷上升的情況下，其使用的效率較低，競爭力必然會大大降低。已經(jīng)日益凸顯，各大企業(yè)也隨之對其進行研究改善。本設計提出和設計一種半自動進給裝置從而代替人工提高效率。

2 冷焊機工作原理及其操作

冷焊機分為三大類：電阻焊式冷焊機、氬氣保護式高能冷焊機、氬氣保護式電火花精密冷焊機。冷焊機的組成主要是由機箱和焊槍兩個部分組成，焊槍部分主要的手工操作部分。冷焊機原理是利用充電電容，以（10-3～10-1）s的周期，（10-6～10-5）s的超短時間放電。電極材料與工件接觸部位瞬間會被加熱到（8000～10000）℃，等離子化狀態(tài)的熔融金屬以冶金的方式過渡到工件的表層。其加工操作，如圖1所示。

圖1 原理圖及其人工操作Fig.1 Schematic Diagram and Manual Operation

人工真實焊接的手法操作過程：（1）讓焊筆與工件成大概（30～45）°角（特殊情況再做改變）；（2）將焊筆緊壓與補材緊密接觸，保持一定壓力；（3）焊筆在補材上做圓周運動或者滾動焊補，焊點之間不準隔開或重疊，要做到點點相連；（4）運動速度適宜太慢影響效率，太快閃點太多。

半自動進給裝置模擬人工操作：（1）設計活腳鏈使焊筆的夾持裝置可以隨著工況適當調(diào)節(jié)角度。（2）給焊筆一定的壓力保證焊筆與工件接觸良好。（3）用絲杠導軌和滑塊帶動焊筆一起移動完成橫縱向運動，保證焊點排列密集。（4）使焊筆連續(xù)正反轉(zhuǎn)動取代人工的連續(xù)左右轉(zhuǎn)動，保證焊筆不斷有新的點與工件接觸。

3 進給裝置結(jié)構設計

3.1 焊槍旋轉(zhuǎn)夾持部分設計

冷焊機主要的工作都是由焊槍來完成的，本部分的設計是實現(xiàn)冷焊半自動進給的關鍵。本部分主要由：焊槍高度調(diào)節(jié)，焊槍角度及壓力保持，焊槍旋轉(zhuǎn)，焊槍尾端調(diào)節(jié)裝置等四部分組成。

焊槍高度調(diào)節(jié)：為了適應不同的工作環(huán)境，對焊槍高度的可調(diào)節(jié)性提出了較高的要求。不同的工件有不同的高度和不同厚度，應該選用一個調(diào)節(jié)器在需要移動的時候可以進行移動，在工作時需要固定的時候可以進行固定。用一個可以固定的導軌滑塊裝置來實現(xiàn)這個功能，如圖2所示。

圖2 導軌滑塊二維圖裝配圖Fig.2 Assembly Drawing of Two Dimensional Map of Slide Block

工作時將滑塊固定在導軌上，需要調(diào)節(jié)高度時只需要擰松緊固螺母即可調(diào)節(jié)高度，調(diào)節(jié)到合適的位置時再次擰緊緊固螺母就可以實現(xiàn)對焊槍高度的調(diào)節(jié)。

焊槍角度及壓力保持：焊槍在工作時需要一定的壓力（大約20N）來保證焊槍頂端與被修復的工件緊密接觸，同時為了適應被修復工件表面的起伏焊槍的角度應具有可調(diào)節(jié)性。焊槍端自身重量較大故在此不再設計拉力彈簧來保證壓力。如果焊槍端的重量得以減輕，應加拉力彈簧保持焊槍頂端與被修復工件的緊密接觸。

焊槍角度的調(diào)節(jié)采用活腳鏈連接的方式來保證焊槍可以上下自由轉(zhuǎn)動，如圖3所示。

圖3 活腳鏈連接Fig.3 Loose Joint Hinge

3.1.1 焊槍旋轉(zhuǎn)機構設計

根據(jù)焊接的原理，利用類電阻焊原理，使低壓大電流通過焊頭、材料與工件，利用工件與材料之間的接觸電阻，將該接觸點的補材瞬間熔化在工件上，因此經(jīng)常會在焊筆上留下補材，降低它的使用壽命，因此設計旋轉(zhuǎn)裝置，避免補材殘留，提高使用壽命，如圖4所示。主要靠步進電機通過帶動齒輪從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，可以通過改變步進電機運動達到想要的運動。

圖4 旋轉(zhuǎn)機構運動簡圖Fig.4 Rotating Mechanism Motion Diagram

步進電機通過聯(lián)軸器連接齒輪，通過兩個齒輪嚙合帶動焊槍轉(zhuǎn)動，三個軸承起到固定焊槍作用。

3.1.2 焊槍尾端調(diào)節(jié)裝置設計

焊槍尾端是通過電線與冷焊機相連接，但是焊槍在焊接和過程中焊槍端的金屬是在不斷的磨損消耗中，需要經(jīng)常換用焊槍，經(jīng)常需要替換因此設計如下圖裝置可輕松將焊槍取下進行更換。

焊槍頭需要與焊槍連線端配合使用，導軌滑塊機構保證了滑塊在工作過程中緊壓著轉(zhuǎn)動的焊頭，防止焊頭向后移動，如圖5所示。需要取下焊頭時將滑向上移動即可。

圖5 焊槍尾端調(diào)節(jié)裝置Fig.5 The End of a Welding Torch Adjusting Device

3.2 進給裝置移動要求設計

滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。

此裝置橫向運動主要靠步進電機驅(qū)動滾珠絲杠來完成。確定滾珠絲杠副的導程：

式中：Vmax—工作臺最高移動速度；nmax—電機最高轉(zhuǎn)速；I—傳動比電機與絲杠間為直接連接式，i=1。

由上表查得w1=4m/min，nmax=1500r/min

代入得Ph=0.67mm；

查《現(xiàn)代機床設計手冊》取Ph=5mm。

最大行程L=270mm。

圖6 滾珠絲杠二維裝配圖Fig.6 Two Dimensional Assembly Drawing of Ball Screw

縱向運動：在絲杠導軌下面加了一個燕尾型手動滑塊，方便通過微調(diào)來修正焊機進給的路線。此滑塊的行程L1=180mm。

圖7 燕尾型手動滑塊裝配Fig.7 Dovetail Slide Assembly Manual

3.3 樣機總體裝配實體圖

總體裝配，如圖8所示。底座上安裝滾珠絲杠，絲杠底部安裝手搖滑塊，導軌安裝在絲杠的滑塊上固定，通過活鉸鏈結(jié)連接帶旋轉(zhuǎn)機構的機械臂。將尾端調(diào)節(jié)裝置固定在導軌上與旋轉(zhuǎn)機構的焊槍夾持的軸承在一直線上。機械臂的焊槍夾持裝置與冷焊機的焊槍連接，通過旋轉(zhuǎn)機構帶動焊槍完成預期的轉(zhuǎn)動動作。該裝置體積較小，底座為650*210*170mm，攜帶方便，便于靈活使用。

圖8 樣機實體裝配圖Fig.8 Prototype Assembly Drawing Entity

4 步進電機控制部分設計

步進電機作為一種體積小，扭矩大的電機在機電領域應用廣泛，并且可用控制板控制其轉(zhuǎn)動，靈活性比較強，因此本設計采用16位單片機arduino對步進電機進行控制，通過I/O口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，信號經(jīng)過tb6560驅(qū)動芯片驅(qū)動步進電機。本設計主要研究單片機控制步進電機，對步進電機的轉(zhuǎn)速、方向進行控制和顯示。

（1）系統(tǒng)供電電源：

電壓：12V、5V；

額定電流：1.7A。

（2）驅(qū)動電源輸出：四相八拍方式。

（3）步踞角：1.8°。

該系統(tǒng)要實現(xiàn)的主要功能：

（1）能實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。

（2）能實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)速控制。

（3）擴展功能：實現(xiàn)步進電機點動的轉(zhuǎn)動控制及正反轉(zhuǎn)控制

4.1 焊槍旋轉(zhuǎn)部分

步進電機通過正反轉(zhuǎn)帶動焊槍轉(zhuǎn)動，焊槍的電機為一直往復運動，旋轉(zhuǎn)360°之后再旋轉(zhuǎn)-360°來保證焊槍的消耗均勻。主要程序如下：

voidsetup（）

｛Serial.begin（9600）；

//boolsuccess=SetPinFrequencySafe（led，frequency）；｝

voidloop（）

｛//read the sensor value：讀取模擬傳感器數(shù)值轉(zhuǎn)一圈走1mm，共

200mm，走 a+10*b+100*c mm，即 a+10*b+100*c圈，一圈 4步，（a+

10*b+100*c）*4步

//滿轉(zhuǎn) 6 圈

//pwmWrite（led，brightness）；

//pwmWrite（led2，brightness2）；

//intsensorReading=660；//轉(zhuǎn)速設定

//mapittoarangefrom0to100：將其映射為0～100的數(shù)值

//intmotorSpeed=map（sensorReading，0，1023，0，100）；

//setthemotorspeed：設置電機速度，但并不使其旋轉(zhuǎn)

//if（motorSpeed ＞ 0）｛

myStepper.setSpeed（8）；

//step1/100ofarevolution：使其旋轉(zhuǎn)1/100步

myStepper.step（stepsPerRevolution/9）；//暫時沒辦法停下來，建議把

左邊100去掉

Serial.println（'1'）；delay（50）；

myStepper.step（-stepsPerRevolution/90）；

Serial.println（'2'）；delay（50）；｝

4.2 滾珠絲杠步進電機控制設計

該部分通過一個矩陣鍵盤來控制步進電機的行程并在小型顯示器顯示行程。滾珠絲杠的速度可有電機轉(zhuǎn)速和導程算出。

（1）鍵盤控制步進電機行程，單位為mm，例如輸入100即為步進電機行進100mm。

（2）鍵盤中的A的功能是輸入行程之后按A啟動步進電機，行駛100mm之后還會有一個3s的停頓，然后再返回行駛100mm。

（3）鍵盤中的C的功能是清空顯示屏，在輸入行程出錯的時候可以按C來修改行程（在電機運動時無效）。主要程序如下：

voidsetup（）

｛unsignedinti；

Serial.begin（9600）；

Init_1621（）；

｝

inta=0，b=0，c=0，d=0，e=0，f=0；

voidloop（）

｛

charcustomKey=customKeypad.getKey（）；

if（customKey＞47&&customKey＜58）｛//輸入速度值

//Serial.println（customKey）；

e=d，d=c，c=b，b=a，a=x；

delay（100）；

｝

if（customKey==67）｛

intx=customKey-48；

x=0，a=0，b=0，c=0，d=0，e=0；

Write_1621_data（0，num［x］）； //第 0 位顯示

Write_1621_data（1，num［a］）；

Write_1621_data（2，num［b］）；

Write_1621_data（3，num［c］）；

Write_1621_data（4，num［d］）；

Write_1621_data（5，num［e］）；｝

if（customKey==65）｛//啟動電機速度為 x+a*10+b*100+c*1000+

d*10000+e*100000

Write_1621_data（0，num［0］|0x80）； //第 0 位顯示

Write_1621_data（1，num［a］）；

Write_1621_data（2，num［b］）；

Write_1621_data（3，num［c］|0x80）； //點亮

Write_1621_data（4，num［d］|0x80）； //點亮 2

Write_1621_data（5，num［e］|0x80）； //點亮小數(shù)點 1

if（customKey==65）｛//啟動電機速度為 x+a*10+b*100+c*1000+

d*10000+e*100000

//read the sensor value：讀取模擬傳感器數(shù)值轉(zhuǎn)一圈走1mm，共

200mm，走 a+10*b+100*c mm，即 a+10*b+100*c圈，一圈 4步，（a+

10*b+100*c）*4步

//滿轉(zhuǎn) 6 圈

//intsensorReading=200；//轉(zhuǎn)速設定

//mapittoarangefrom0to100：將其映射為0～100的數(shù)值

//intmotorSpeed=map（sensorReading，0，1023，0，100）；

//setthemotorspeed：設置電機速度，但并不使其旋轉(zhuǎn)

//if（motorSpeed ＞ 0）｛

myStepper.setSpeed（40）；

t=a+10*b+100*c；

if（t＞200）｛t=200；｝；

if（customKey==66）｛//停止電機

intsensorReading=0；//未完成｝

上述程序中const int stepsPerRevolution=3000；這一句中的3000 可以修改為別的數(shù)字，myStepper.step（double（double（steps-PerRevolution*（-t）/10）/1.15））；語句，當 3000 所在位置的數(shù)字越大，步進電機運動更快，更平穩(wěn)，當const int stepsPerRevolution的數(shù)字小的時候，步進電機運動慢，但是噪聲非常大。

5 結(jié)語

該裝置通過模擬人工操作的方法用機械臂完成人工冷焊動作，焊槍主要工作部件由夾持裝置和步進電機來實現(xiàn)操作，該裝置利用滾珠絲杠來完成焊槍焊接的進給運動，由焊槍轉(zhuǎn)動替代人工擺動，控制系統(tǒng)通過對步進電機轉(zhuǎn)速和方向控制來優(yōu)化焊機焊筆橫向或縱向運動的同時實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，進而模擬人工操作。