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摘 要

为改进我校成型专业实验设备，更好的开展单面焊双面成形相关课题的研究工作。本文设计了一种可同时用于MIG焊、MAG焊及CO₂气体保护焊的单面焊双面成形焊炬运动装置，所设计的焊炬运动机构主要有丝杠机构、夹持机构和电机三大部分，可以完成平焊和横焊位置摆动焊接，平角焊缝焊接，横焊位置焊枪角度控制等操作。设计过程中主要考虑的是焊接行程、运动精度、焊接智能化程度等方面因素。

设计过程中运用机械设计相关知识进行丝杠机构部分的设计和电机的选取，并运用材料力学相关知识对所设计丝杠进行相关结构刚度、强度和稳定性的校核，最终验证该焊炬运动装置符合使用要求，可以很好的完成各个方向的焊接，并实现焊速调节、焊炬摆动、焊接前工件坡口测量等智能化操作。

关键词：单面焊双面成形；焊接自动化；焊炬运动装置；丝杠机构

Abstract

In order to improve the experimental equipment of our university, we can carry out the research on the related subjects of single side welding and double side forming.In this paper, we design a can be also used in MIG welding, MAG welding and CO2 gas shielded welding torch one-side welding of forming movement device, the design of the welding torch motion mechanism mainly include screw mechanism, clamping device and motor three parts, can be finished flat welding and bead welding, the welding position of flat fillet welding, the welding position control operations such as welding torch Angle.In the design process, welding stroke, motion accuracy, welding intelligence and other factors are mainly considered.

Design process using mechanical design knowledge for the design of screw body parts and motor selection, and use of material mechanics related knowledge for the design of screw structure stiffness, strength and stability checking, final validation of the welding torch movement device can meet the demands of use, and can be done well in all directions of welding, and welding speed adjusting before welding, welding torch swing, workpiece bevel measurements intelligent operation.

Key Words：Single side welding double side forming；Welding automation；Welding torch movement device；Screw mechanism

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及意义 1

1.2 单面焊双面成形焊接工艺应用与设备 1

1.3 本文主要研究内容 2

第2章 焊炬运动装置方案设计 3

2.1 焊炬运动装置基本组成 3

2.2 焊炬运动装置性能指标分析 3

2.3 焊炬运动机构方案设计 3

2.3.1 焊炬运动机构方案分析 3

2.3.2 丝杠机构设计 4

第3章 丝杠机构的设计 5

3.1 横向运动机构丝杠设计 5

3.2 纵向运动机构丝杠设计 8

3.3 垂直运动机构丝杠设计 9

3.4 焊炬角度调整机构设计 11

第4章 电机及同步带选择 12

4.1 电机的选择 12

4.1.1 电机类型的选择 12

4.1.2 电机型号的选择 12

4.2 同步带的选择 16

第5章 连接结构及部件设计 18

5.1 联轴器 18

5.2 轴承 19

5.3 机构连接设计 19

5.4 其他部件设计 19

5.4.1 底板 19

5.4.2 滚动直线导轨副 20

第6章 结论 21

参考文献 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

进入新世纪以来，科学技术日新月异，创新发展不断，工业生产水平也随之水涨船高。自上世纪六十年代起，我国的焊接技术水平不断改进和提升，新技术新方法不断涌现，单面焊双面成形技术是一种采用普通焊条或加衬垫的其他焊接工艺，以特殊的手法在坡口正面进行焊接，焊后保证坡口的正反面都能够得到均匀、整齐的符合质量要求的焊缝的焊接操作工艺^[1]。因其无需进行双面焊接的独特优势，单面焊双面成形在船舶业、高层建筑钢骨架结构制造、桥梁建设等都有广泛的应用。

但是在手工施焊作业情况下，由于单面焊双面成形对焊接电源、焊接电流、焊接速度等焊接参数都有较高要求以及操作者技术水平限制，焊接过程稳定性一直存在问题，所获得的焊缝也难以避免的存在一些结构上的缺陷如气孔、夹渣、非金属夹杂物、未焊透、裂纹、表面缺陷等，为此实现焊接自动化是可行的解决方案。自动化焊接可以显著提高焊接的质量，并且可以进行连续性工作，可以很好的克服上述人工焊接存在的缺点。

目前存在的单面焊双面成形自动焊接设备大多效率不高、专用性不强。为改进我校成型专业实验课程的实验设备，使实验效果及分析达到更高的理论深度并且进行对单面焊双面成形相关课题的研究工作，有必要开发出一套专用的单面焊双面成形焊炬运动装置来满足相关方面的需求，实现厚板多层多道焊的自动化焊接。

1.2 单面焊双面成形焊接工艺应用与设备

目前现有的单面焊双面成形方法有焊条电弧焊、脉冲TIG焊、等离子弧焊、二氧化碳气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊等。常用的手工TIG和焊条电弧打底焊对焊工技能要求很高，且劳动强度大，自动化打底焊的实现尽管能提升焊接效率，但焊接中厚板时均存在电弧能量密度有限，熔透能力低下的缺点，效率仍然不高。等离子焊可在不开坡口的情况下实现对3~6mm厚钢板高效稳定的单面焊双面成形,若对20mm左右的中厚板打底焊时则需开坡口,相比较普通TIG焊枪,等离子焊枪尺寸较大,且可达性差,开坡口去除的金属量很大,会对填充盖面焊造成很大的负担^[2]。与之相对的，采用加柔性衬垫的二氧化碳保护单面焊双面成形工艺可以有效解决狭小空间焊接困难的问题，并且减少施工工序、提高施工效率、保证焊接质量，同时具有良好的前景，在一定基础上可以实现自动化焊接。与此相类似的还有陶瓷衬垫MAG单面焊双面成形工艺，其同样具有优秀的焊接质量和高效的焊接流程。美中不足的是常规的二氧化碳气体保护焊焊接过程中由于气流流动和电弧压力产生的外力使得部分焊丝随熔化金属飞向熔池之外，进而产生较为严重的飞溅，影响焊缝的质量外观，且每一层焊后都需要去渣，清理工作繁杂。而MAG焊虽然焊接飞溅少、工艺稳定，焊后的焊缝清理和去焊渣的人工成本要低得多，但保护气体等方面综合成本较高，两者互有优劣。

近些年来，随着不断涌现的新生代电子计算机计算能力的不断加强，机械领域的设计技术不断改革提升，我国在机械制造领域上不断向数字化和自动化迈进。同时伴随而来的是对对焊接质量、焊接效率及焊接稳定性的高度关注，我国的自动化焊接技术及设备自上世纪70年代至今的五十年时间里已取得了卓越的成效，自动焊接设备在各个工业的应用中所发挥的作用越来越大。在现如今的工业领域中，焊接生产过程的机械化和自动化是焊接机构生产制造工业现代化发展的必然趋势^[11]。在国际上，自动化焊接是每个国家争相研究的先进制造技术，目前我国的焊接自动化率还不足30%，同发达国家相去甚远，可以预计在未来的十年内，国内自动化焊接技术水平将以前所未有的速度发展。

综上所述，为实现单面焊双面成形的焊接自动化，设计一套可同时用于MIG焊、MAG焊及CO₂气体保护焊的单面焊双面成形焊炬运动装置，不仅可以很好的解决当前的问题，更是大势所趋。

1.3 本文主要研究内容

通过文献的学习和分析整合，了解现场焊接手弧焊存在的实际问题，掌握现场施工的环境以及中厚板的焊接要求。通过研究和学习现有的单面焊双面成形焊接自动化设备，最终设计一个满足我校成型专业单面焊双面成形相关课题的研究工作的装置。其中包括机械系统、控制系统硬件电路、控制系统软件系统，本文课题为机械系统设计。

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