0引言 銅鋁管對(duì)焊機(jī)是用于銅鋁管對(duì)焊的專用設(shè)備。由于采用可編程控制器PLC作為控制系統(tǒng)，其時(shí)間控制精度高，可達(dá)0.01s，為實(shí)現(xiàn)銅鋁管的優(yōu)質(zhì)焊接，并與PLC高控制精度相匹配，必須設(shè)計(jì)制造出高精度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 本文分析了銅鋁管焊接工藝過程及其特點(diǎn)，將焊接工藝過程分解為6個(gè)動(dòng)作，其中包含的運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)，從而考慮采用液壓缸或氣缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要部件。經(jīng)比較，決定采用氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)銅鋁管對(duì)焊機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。夾具也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件之一，故本文也較詳細(xì)分析設(shè)計(jì)了銅鋁管對(duì)焊機(jī)的配套夾具。 1銅鋁管焊接工藝過程分析 由于銅鋁管材整體形狀不限，故只考慮管端部附近形狀。待焊接的銅管端部為錐形，鋁管始終為圓柱形，如圖1（a）、（b）所示。焊接中，銅管向鋁管相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)銅管插入鋁管與其接觸后，接通焊接回路，銅鋁管間產(chǎn)生大電流，使兩管發(fā)熱，鋁管溫度接近熔點(diǎn)，銅鋁開始結(jié)合，當(dāng)銅管運(yùn)動(dòng)到位，切斷焊接回路，待銅鋁管結(jié)合牢固后，焊接過程結(jié)束。圖1（c）給出了焊接后的銅鋁管接頭示意圖。這種焊接方式具有許多優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)合面寬，焊接強(qiáng)度高；易于實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本低；不受管材整體形狀限制；一次成形好，外形美觀等。實(shí)踐證明，這種接頭方式特別適用于制冷行業(yè)。 2銅鋁管焊接工藝過程動(dòng)作分解 由前述，可將銅鋁管焊接工藝過程分解為6個(gè)動(dòng)作，如圖2（a）～（f）所示。 （1）上料與定位：由于管材整體形狀未定，假設(shè)已有上料機(jī)構(gòu)或人工上料。上料后，銅管、鋁管共要確定5個(gè)自由度，即除軸向轉(zhuǎn)動(dòng)外的5個(gè)自由度。實(shí)踐證明，5個(gè)自由度中，軸向定位精度對(duì)焊接質(zhì)量影響較小，而徑向、繞坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的定位精度對(duì)焊接質(zhì)量影響較大； （2）夾緊：定位后必須夾緊，確保焊接過程中，銅管、鋁管完全處于控制系統(tǒng)控制之下。由于管材整體形狀未定，及確保焊接質(zhì)量，在銅鋁管端面附近夾緊。 （3）推進(jìn)；夾緊后，銅管、鋁管軸向還存在一定距離，在焊接過程中需要相對(duì)位移。采用銅管向鋁管插入的方式完成推進(jìn)動(dòng)作； （4）焊接：在銅管與鋁管接觸后，接通焊接回路，在銅鋁管間將產(chǎn)生大電流，使銅鋁管發(fā)熱溫升，溫度接近鋁的熔點(diǎn)。直到鋁管將銅管錐面全部包住，停止推進(jìn)，切斷焊接回路； （5）松開：待銅鋁管焊接接頭溫度有所下降，連接牢固后，松開夾具，下料； （6）退回：下料后，推進(jìn)機(jī)構(gòu)退回原位，準(zhǔn)備下次焊接。 銅鋁管焊接工藝過程動(dòng)作分解，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。 3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì) 3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由前述可知，對(duì)焊機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)各動(dòng)作都是直線運(yùn)動(dòng)?？紤]到焊接過程中，夾緊力和推進(jìn)力都不是很大，焊接φ8×1的銅鋁管，夾緊力和推進(jìn)力大約在 1000N，采用氣動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)銅鋁管的夾緊和推進(jìn)。氣動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有：工作介質(zhì)為空氣，易于獲取及排放，不污染環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)；比液壓系統(tǒng)響應(yīng)快，動(dòng)作迅速；易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)；氣體管路為塑料管，裁剪、連接都很容易，且可承受一定變形。圖3給出了銅鋁管對(duì)焊機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體示意圖。 3.2氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 銅鋁管對(duì)焊機(jī)由PLC控制，實(shí)現(xiàn)各部分的協(xié)調(diào)動(dòng)作，完成焊接過程。其中對(duì)氣缸的控制必須通過電磁閥完成。這就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣動(dòng)系統(tǒng)滿足控制要求。圖4給出了銅鋁管對(duì)焊機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)示意圖。PLC通過二個(gè)二位四通閥來控制四個(gè)氣缸的動(dòng)作。電磁閥PQ1控制夾緊氣缸和定位氣缸。電磁閥PQ2控制推進(jìn)氣缸，節(jié)流閥調(diào)整推進(jìn)速度。在氣動(dòng)系統(tǒng)的氣源處有溢流閥限制高氣壓，氣壓開關(guān)限制低氣壓，壓力表顯示當(dāng)前氣壓值。氣壓開關(guān)可將氣壓過低信號(hào)反饋到PLC，表明此時(shí)夾緊力、推進(jìn)力均不足，無法完成銅鋁管焊接。 [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 3.3夾具設(shè)計(jì) 銅鋁管對(duì)焊機(jī)夾具包括定位、夾緊和夾具體三部分。因夾具體與工件直接接觸，故夾具的精度直接影響焊接質(zhì)量，必須認(rèn)真謹(jǐn)慎對(duì)待。本文只考慮直線形管材，焊接過程中必須限制銅管、鋁管5個(gè)自由度，如圖5所示，除繞Y軸旋轉(zhuǎn)自由度外的5個(gè)自由度。若考慮管材焊接后的整體形狀，則要限制6個(gè)自由度，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的專用夾具，實(shí)現(xiàn)完全定位。根據(jù)銅鋁管的特點(diǎn)，及焊接需要，將夾具體設(shè)計(jì)為上下分模長孔形，如圖5所示，這樣可以限制4個(gè)自由度，即夾具體本身可實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度的定位。在銅鋁管端面處設(shè)置一定位片，使銅鋁管端面接觸定位片，即可限制第5個(gè)自由度。實(shí)踐證明，銅鋁管軸向定位精度對(duì)焊接質(zhì)量影響較小，相比之下其他4個(gè)定位精度對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)放在上下分模夾具體上，其加工精度直接影響焊接質(zhì)量。 尺寸及其公差方面，由于上下分模夾具體起夾緊作用，故其圓柱面內(nèi)徑尺寸應(yīng)比銅鋁管材外徑尺寸略小，即公差上限不能超過管材外徑尺寸公差下限；而夾具內(nèi)徑尺寸公差下限不應(yīng)過小，否則會(huì)使外徑較大的管材表面出現(xiàn)壓痕。所以，上下分模夾具體圓柱面內(nèi)徑尺寸公差必須限制在較小的范圍內(nèi)，即公差帶較窄，以實(shí)現(xiàn)即可壓緊，又不產(chǎn)生壓痕。 形位公差方面，首先就單根管材而言，上下分模夾具體夾緊后應(yīng)與管材保持面接觸，故要考慮夾緊后的圓柱度要求，由于上下分模夾具體夾緊后，會(huì)產(chǎn)生微小變形，故將其內(nèi)圓柱面設(shè)計(jì)為略微程橢圓柱面，夾緊后恰為滿足要求的圓柱面。其次就銅鋁管的焊接而言，兩管的徑向定位誤差對(duì)焊接質(zhì)量影響很大，故裝配時(shí)應(yīng)考慮兩夾具體夾緊后內(nèi)圓柱面的直線度。 本文設(shè)計(jì)的夾具體，在線切割機(jī)床上通過編程進(jìn)行加工，可實(shí)現(xiàn)上述要求。 4執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn) 由前述，經(jīng)高精度加工，最終銅鋁管對(duì)焊機(jī)在PLC的高精度控制下，實(shí)現(xiàn)了銅鋁管的優(yōu)質(zhì)焊接。圖6給出了銅鋁管對(duì)焊機(jī)的正面照片。夾具體采用銅材料加工，用螺栓固定在夾具座上；夾具體座采用鋼材料加工，用螺紋連接固定在夾緊氣缸活塞桿頭部。氣缸座采用銅材料，圓柱導(dǎo)軌采用鋼材料。固定氣缸座與導(dǎo)軌為過盈配合，滑動(dòng)氣缸座與導(dǎo)軌為小間隙配合、油潤滑，而且既要保證其運(yùn)動(dòng)自如，又要保證其運(yùn)動(dòng)精度。推進(jìn)氣缸采用加長桿，由兩組雙螺母確定其推進(jìn)和退回的位置，可滿足不同焊接要求。定位氣缸行程較大，但幾乎無載荷，只是使定位片上下運(yùn)動(dòng)，在上位時(shí)起定位作用，在下位時(shí)不阻礙滑動(dòng)氣缸座的推進(jìn)。氣動(dòng)系統(tǒng)中的氣路為塑料導(dǎo)氣管，具有較大柔韌性，在運(yùn)動(dòng)時(shí)可承受較大變形，使整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡單。但實(shí)踐證明，各氣缸的氣路長度對(duì)其動(dòng)作有一定影響，在PLC編程時(shí)應(yīng)特別注意，適當(dāng)加入延時(shí)功能。 5結(jié)論 （1）通過分析銅鋁管焊接工藝過程，設(shè)計(jì)出可以達(dá)到銅鋁管優(yōu)質(zhì)焊接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)； （2）在PLC的高精度控制下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確完成銅鋁管焊接工藝過程的各個(gè)動(dòng)作； （3） 可換夾具使銅鋁管對(duì)焊機(jī)具有一定柔性，可以焊接φ6～12mm的銅鋁管； （4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度與PL C控制系統(tǒng)的高精度相匹配，從而使銅鋁管對(duì)焊機(jī)整體性能水平達(dá)到了國際先進(jìn)水平。 參考文獻(xiàn) 1 張希川，張悅，馬玉強(qiáng)．基于功能分析的銅2鋁管對(duì)焊機(jī)的設(shè)計(jì)[J]．現(xiàn)代制造工程，2006（3）:120～122 2 韓榮第，張 悅，張希川．可編程控制器PLC在銅鋁管對(duì)焊機(jī)中的應(yīng)用[J]．焊接，2004（7）:20～23 3張希川，張悅．PLC控制型銅鋁管對(duì)焊機(jī)[J]．管道技術(shù)與設(shè)備．2005（6）：29～31 4侯珍秀主編．機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001 5馮辛安主編．機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999