“偏心”无匙孔搅拌摩擦点焊设备的研制

摘要

本文阐述了“偏心”无匙孔搅拌摩擦点焊设备的本体及PLC控制系统设计，其内容包括：实现“偏心”无匙孔搅拌摩擦点焊的工作原理，设备本体结构设计，关键零部件的选型校核及有限元分析，机架的模态分析和PLC控制程序设计等。
　　本研究主要内容包括：⑴从结构方面，采用了四立柱的机架结构形式，增加了机架的刚度，使机架受力均匀，解决了了悬臂式搅拌摩擦点焊焊机的机架产生偏矩的问题；在四立柱的X轴方向添加的水平工作台增大了机器的工作空间，解决类似于压铸机结构的搅拌摩擦点焊机工作空间受限的约束。⑵从焊接原理方面，填补匙孔的方式为搅拌头偏移微小的距离后通过圆盘的旋转来得到一个由搅拌头的偏心而获得的“偏心焊点”，在利用由偏心得到的额外的塑性变形金属填充匙孔的同时，还得到了一个焊接面积更大的焊点，提高了接头的强度。⑶从实现无匙孔的传动方案设计方面，采用最新的电主轴和电动缸技术实现搅拌头的旋转与搅拌针的回抽运动，实现了电机到搅拌头之间的“零传动”，简化了传动系统的设计，减少了噪音和震动。⑷在旋转圆盘的设计上采用了滚珠辅助圆盘旋转的方式，极大的分担了轴承所受的载荷，提高了轴承的寿命，减少了驱动电机的扭矩输出，并使得工作载荷在圆盘上的分配更加均匀，使得整个圆盘机构运行更加稳定。⑸通过零件的选型及校核表明，本文所选的电机、减速器等核心零件满足设计要求；通过设备的有限元分析及模态分析表明，设备零件的强度满足设计要求，设备的激励频率避开了设备最优工艺参数的固有频率，并给出了若要进行高速搅拌摩擦点焊应避开的速度区间，有效防止了设备共振的产生；通过 PLC控制程序的设计实现了设备手动对刀和自动化的焊接功能。

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第1章 绪 论

1.1 前言

1.2 无匙孔搅拌摩擦点焊的优点

1.3 无匙孔搅拌摩擦点焊原理的研究概述

1.4本课题的研究内容

第2章 主轴部分设计与关键部件校核

2.1 主轴系统结构及传动系统设计

2.2主轴系统框架的静力分析

2.3 丝杆的设计及校核

2.4 伺服电机的选型及校核

2.5 轴承选型及校核

2.6 电动缸的选型及校核

2.7 电主轴的选型

2.8 搅拌头的设计

2.9 搅拌针轴的设计

2.10 本章小结

第3章 机架部分、水平部分与圆盘部分的设计与校核

3.1 机架设计的准则和要求

3.2 无匙孔搅拌摩擦点焊机架及水平部分的设计

3.3 圆盘部分和水平部分的受力分析

3.4 X轴丝杆的选型及校核

3.5 X轴电机、减速器的选型及校核

3.6 圆盘驱动电机、减速器的选型及校核

3.7 圆盘导轨的选择与校核

3.8 机架和水平部分的有限元分析

3.9 本章小结

第4章 机架的模态分析

4.1 模态分析的意义

4.2 多自由度系统模态分析法

4.3 机架的模态分析结果及分析

4.4 本章小结

第5章 设备的控制系统设计

5.1 设备控制要求及控制分析

5.2 控制程序设计

5.3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B PLC控制程序图