evifitting焊接設備的優化設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 優質焊絲的開發和保護氣體配比的優化，使MAG焊的熔化率超越了原有的極限，對高效MAG焊賦予了全新的概念。為了保證焊接電弧穩定燃燒和適應各種焊接工藝要求，弧焊電源具有下列特殊要求[7]：(1)弧焊電源的靜特性(或稱外特性)即穩態輸出電流和輸出電壓之間的關系，有下降特性(恒流特性)和平特性(恒壓特性)。(2)弧焊電源的動特性即當負載狀態發生瞬時變化時(如：熔滴的短路過渡、顆粒過渡、射流過渡等)，弧焊電源輸出電流和輸出電壓與時間的關系，用來表征對負載瞬變的反應能力。逆變電源被稱為‘‘明天的電源’’，其在焊接設備中的應用為焊接設備的發展帶來了革命性的變化。逆變焊接電源有著動態反應速度快的優勢，其動態反應速度比傳統工頻整流焊接電源提高了2～3個數量級，有利于實現焊接過程的自動化和智能控制。波形控制工藝(PMW)的獨特概念反映了逆變換流器變壓電源的特色。如圖 ，焊接的能源輸出被一個高速的放大器放大。控制能源輸出的軟件通過優化輸出，為焊接提供了各種熔滴過渡形式所需的最佳電流波形。圖 逆變電源的波形控制電流波形中九種重要的組成部分如圖 。而各部分之間的交互作用決定了波形具體的輸出特征。圖 脈沖波形其中，上行斜率決定了從基值電流到峰值電流的增長速度，其在焊絲末端形成熔滴過程中起重要作要，以A/ms為單位，最大可以達到1000A/ms。當斜率增加時，電弧的硬度也會增加。斜率越大硬度越大，電弧的噪聲也會越大，減小這個增長率就會使得噪音減小。峰值電流時間表示的是電流處在峰值時的時間，它和熔滴的大小有關，以ms為單位。峰值電流時間增加，熔滴變小。峰值電流減少，熔滴變大。傳統的期望值是每次脈沖峰值來臨時將會有一個熔滴轉移，電流處在峰值的實際時間在不到1ms到超過3ms的范圍內變動。峰值電流增加，平均電流值也會增加，熔深也會增加。在實際的焊接中焊絲伸出長度(即干伸長度)越長，焊絲的電阻量越大，由電阻熱消耗的電流越大，焊接電流顯示值越小，實際焊接電流也變小。對于MAG焊接，焊絲端部的熔滴與熔池短路接觸(短路過渡)，由于強烈過熱和磁收縮的作用使熔滴爆斷，產生飛濺，影響焊接質量和焊縫外形。試驗結果表明，焊接飛濺主要來自焊接引弧過程。 因為從焊接引弧到穩定的射流過渡需要一定的時間，在未達到穩定射流過渡之前的熔滴過渡形式為不規則的短路過渡與大顆粒過渡的混合，所以會產生大量的焊接飛濺，即引弧過程是不穩定的過程。 焊絲末端固態金屬熔球直徑越大，熔球與工件相接觸面積越大，電阻值越小，接觸電阻熱也就越小。另外，固態金屬熔球直徑越大，焊絲伸出長度部分的熱容量也就越大，如圖 。圖 焊絲與工件接觸工況圖中A點附近焊絲的溫度也就低，而焊槍導電咀與焊絲的接觸點B處電阻熱較多，則易在B點附近過熱爆斷。這時爆斷的焊絲長度大于維持電弧燃燒的長度，所以電弧無法建立。于是焊絲再短路，再爆斷，如此反復幾次直至被爆斷的焊絲長度等于或小于維持電弧燃燒長度，電弧建立。焊絲末端固態金屬熔球直徑小，A點接觸面積小，通過接觸面的電流密度增加，電阻熱增加。另一方面，熔球尺寸小，熱容量減少，這使得焊絲易在A點附近過熱爆斷，爆斷長度短，電弧易引燃。因此，調節電源外特性可以方便的提高焊接質量。提高短路電流增長速度，主要是改善電源的工作狀態。在整流焊機中往往利用電流電感調節焊機的動態特性，以便減小飛濺和改善成形，但是卻降低了，而降低了引弧功率。為此，在引弧時常常利用旁路電路將直流電感短接，而引弧成功后再將該電感接入。但是當逆變焊機出現后，充分利用電子電抗器調節電源動特性，選用很小的直流電感，所以勿需采用上述方法，都可以得到很可靠的引弧過程。焊接時保護氣用于保護金屬熔滴以及熔池免受外界有害氣體(氫、氧、氮)侵入，防止氣孔的形成，小電流焊接時，氣體流量不能太小，氣體流量太小，焊縫周圍被氧化發黑的程度越高。本設備焊接過程中氣體流量定為1015L/min。雙絲焊是在同一個熔池和保護氣體下，同時使用兩個電極進行焊接的技術，它可以極大限度地提高效率，減小焊接變形，提高焊縫表面質量。在單絲MAG焊接中,提高焊接速度是很有限的，因為增加焊接速度必須伴隨著電弧電壓的升高，熔池變得難以控制。雙絲焊接中每一個電極必須有單獨的電源，兩根焊絲的熔滴形成與短路時間要精確控制，如圖 ，前一個電弧電流稍大些讓冷的母材金屬加熱熔化，熔池由緊隨而來的第二個電極電弧填上。注意的是保護氣應該延后斷氣，且兩電極相互絕緣，焊槍也要配備強大的雙冷卻系統。圖 熔滴過渡時間配合對于本設備，由于接頭處較小，主電極電壓為22V ，電流為110A。從電極電壓為23V，電流為100A。因為沒有試驗證實，故對參數的設計大多是理論和經驗上的估計，參數的配合還需要在實際生產中不斷調整，但是雙絲焊接的前景以及優勢還是不容置疑的。4機械結構設計 回轉工作臺是本文創新之處，為了滿足焊接工藝要求重新設計，焊接過程中工作臺承載工件作回轉運動。從工件的外形如圖 ，fitting的直徑與壓縮機直徑比例懸殊，達到了1：20，從理論上看，讓壓縮機的殼體繞著這么小的fitting的中心旋轉似乎有點得不償失，畢竟如果換成是焊槍旋轉而工件不動的話可以更加迅速的完成焊接(已有設備的方案)，但是從焊接實際的情況來看，焊接質量經常達不到要求，電弧在回轉過程中不可避免的會產生晃動。因此，本課題重新設計焊接工藝，讓工件做回轉運動而焊槍保持不動，這必然導致生產效率降低。為保證生產效率，將工作臺設計成二工位，即在大回轉工作臺的上面安置兩個工位小回轉工作臺，在焊接的同時進行上下料。小回轉工作臺承載工件，fitting的中心與小工作臺的中心重合。殼體繞fitting的轉動可以轉化成工作臺的自轉。圖 小工作臺組件小工作臺組件是本設備設計的重點，主要包括伺服電機，渦輪蝸桿減速器，轉臺，轉軸及軸承套等部件。三菱PLC配合安川伺服系統進行自動控制，系統工作穩定可靠。傳動部分部件采用高精度機器加工，保證加工質量，使焊接過程平穩，減小轉軸徑向跳動，同時伺服控制可以做到無級調速[8]。裝配圖如圖 。工作臺右側所示調節螺栓用來調節下定位模具同軸度。伺服電機水平安放，首先是考慮到伺服電機轉速較大，整個系統的減速比在600：1左右，必須采用渦輪蝸桿減速器，其次是因為水平安放能更好的防止雜質對電機內部的危害，更好的保證電機的運轉精度。電機軸與渦桿的連接采用剛性套筒聯軸器，因為轉矩很小，用圓錐銷固定。對于高速伺服電機，電機軸的扭矩較小，而由于fitting處于轉盤中心，轉盤的直徑必然要做成那么大，為680mm。為了換算到電機轉軸上的轉動慣量減小，小于電機的額定轉動慣量，轉盤的重量盡量輕，預計為50kg。轉軸由軸瓦和圓錐滾子軸承支撐，可以平衡渦輪徑向力對軸徑向的沖擊，使用兩個圓錐滾子軸承是為了更好支撐，采用背對背安裝可以相互平衡軸向力。軸承的型號是30212。鎖緊螺母加套筒不但可以對軸承軸向定位還能施加一定的預緊力防止在運轉過程中轉軸軸線的漂移。本題中的三個電機選擇方法相同，本文以小工作臺的電機選擇為例說明。數控機床的伺服系統目前采用的電機一般有步進電機，直流伺服電機，交流伺服電機。對于本設備，對于位置的控制精度要求較高，位置的定位直接關系到焊接質量。考慮到步進電機在高速時，輸出力矩會急劇下降，運行不穩定。因此此處采用交流伺服電機，一方面為了以后閉環控制系統的改進留有余地，另一方面也能充分保證運行的可靠性[9]。a)伺服電機容量的初始選擇選擇條件：負載轉矩電機的額定轉矩 滿負載轉動慣量3伺服電機轉動慣量對工作臺轉速的要求 渦輪蝸桿減速器的傳動比選為 ，伺服電機自帶減速器傳動比為5：1，故系統傳動比. 1)計算負載轉矩轉換到電機軸上的等效值和負載慣量轉換到電機軸上的等效值將負載轉矩轉換到電機轉軸上， ()工作臺驅動方式如圖 ，電機轉軸經過減速器、聯軸器、軸承，有效率損失，假設。工件的高度為320mm，小工作臺的直徑為680mm，負載的重量為50kg。圖 驅動方式 式中， () 工件在工作臺的一側繞工作臺中心回轉，如圖 圖 轉動慣量計算示意圖 () 其中R=130mm, = 140mm，= 20kg式中， ， ，表示渦輪的直徑，對于減速比達到120：1的減速器來說，最小的渦輪齒數為120(當頭數為1時)，一般取模數 ， 將負載的轉動慣量轉換到電機轉軸上， ，滿足考慮到安全系數，初步選擇電機的額定功率為400w，具體參數如表 。表 安川伺服電機型號伺服電機型號伺服電機轉動慣量減速比輸出(w)額定轉速(r/min)額定扭矩(N*m)SGMAH04AA