PLC控制的铜铝管焊机的执行机构设计
日期：2008-7-18 13:53:18 来源：本站整理
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0引言
铜铝管对焊机是用于铜铝管对焊的专用设备。由于采用可编程控制器PLC作为控制系统，其时间控制精度高，可达0.01s，为实现铜铝管的优质焊接，并与PLC高控制精度相匹配，必须设计制造出高精度的执行机构。
本文分析了铜铝管焊接工艺过程及其特点，将焊接工艺过程分解为6个动作，其中包含的运动均为直线运动，从而考虑采用液压缸或气缸作为执行机构的主要部件。经比较，决定采用气动系统设计铜铝管对焊机的执行机构。夹具也是执行机构中关键部件之一，故本文也较详细分析设计了铜铝管对焊机的配套夹具。
1铜铝管焊接工艺过程分析
由于铜铝管材整体形状不限，故只考虑管端部附近形状。待焊接的铜管端部为锥形，铝管始终为圆柱形，如图1(a)、(b)所示。焊接中，铜管向铝管相对运动，当铜管插入铝管与其接触后，接通焊接回路，铜铝管间产生大电流，使两管发热，铝管温度接近熔点，铜铝开始结合，当铜管运动到位，切断焊接回路，待铜铝管结合牢固后，焊接过程结束。图1(c)给出了焊接后的铜铝管接头示意图。这种焊接方式具有许多优点，如结合面宽，焊接强度高；易于实现，生产成本低；不受管材整体形状限制；一次成形好，外形美观等。实践证明，这种接头方式特别适用于制冷行业。
2铜铝管焊接工艺过程动作分解
由前述，可将铜铝管焊接工艺过程分解为6个动作，如图2(a)~(f)所示。
(1)上料与定位：由于管材整体形状未定，假设已有上料机构或人工上料。上料后，铜管、铝管共要确定5个自由度，即除轴向转动外的5个自由度。实践证明，5个自由度中，轴向定位精度对焊接质量影响较小，而径向、绕坐标轴转动的定位精度对焊接质量影响较大；
(2)夹紧：定位后必须夹紧，确保焊接过程中，铜管、铝管完全处于控制系统控制之下。由于管材整体形状未定，及确保焊接质量，在铜铝管端面附近夹紧。
(3)推进；夹紧后，铜管、铝管轴向还存在一定距离，在焊接过程中需要相对位移。采用铜管向铝管插入的方式完成推进动作；
(4)焊接：在铜管与铝管接触后，接通焊接回路，在铜铝管间将产生大电流，使铜铝管发热温升，温度接近铝的熔点。直到铝管将铜管锥面全部包住，停止推进，切断焊接回路；
(5)松开：待铜铝管焊接接头温度有所下降，连接牢固后，松开夹具，下料；
(6)退回：下料后，推进机构退回原位，准备下次焊接。
铜铝管焊接工艺过程动作分解，为执行机构设计提供了可靠的依据。
3执行机构的原理设计
3.1执行机构整体结构设计
由前述可知，对焊机执行机构各动作都是直线运动。考虑到焊接过程中，夹紧力和推进力都不是很大，焊接φ8×1的铜铝管，夹紧力和推进力大约在 1000N，采用气动系统来实现铜铝管的夹紧和推进。气动系统的优点主要有：工作介质为空气，易于获取及排放，不污染环境，实现了绿色生产；比液压系统响应快，动作迅速；易于实现过载保护；气体管路为塑料管，裁剪、连接都很容易，且可承受一定变形。图3给出了铜铝管对焊机执行机构整体示意图。
3.2气动系统设计
铜铝管对焊机由PLC控制，实现各部分的协调动作，完成焊接过程。其中对气缸的控制必须通过电磁阀完成。这就必须设计相应的气动系统满足控制要求。图4给出了铜铝管对焊机气动系统示意图。PLC通过二个二位四通阀来控制四个气缸的动作。电磁阀PQ1控制夹紧气缸和定位气缸。电磁阀PQ2控制推进气缸，节流阀调整推进速度。在气动系统的气源处有溢流阀限制高气压，气压开关限制低气压，压力表显示当前气压值。气压开关可将气压过低信号反馈到PLC，表明此时夹紧力、推进力均不足，无法完成铜铝管焊接。
3.3夹具设计
铜铝管对焊机夹具包括定位、夹紧和夹具体三部分。因夹具体与工件直接接触，故夹具的精度直接影响焊接质量，必须认真谨慎对待。本文只考虑直线形管材，焊接过程中必须限制铜管、铝管5个自由度，如图5所示，除绕Y轴旋转自由度外的5个自由度。若考虑管材焊接后的整体形状，则要限制6个自由度，必须设计相应的专用夹具，实现完全定位。根据铜铝管的特点，及焊接需要，将夹具体设计为上下分模长孔形，如图5所示，这样可以限制4个自由度，即夹具体本身可实现4个自由度的定位。在铜铝管端面处设置一定位片，使铜铝管端面接触定位片，即可限制第5个自由度。实践证明，铜铝管轴向定位精度对焊接质量影响较小，相比之下其他 4个定位精度对焊接质量影响较大。设计重点应放在上下分模夹具体上，其加工精度直接影响焊接质量。
尺寸及其公差方面，由于上下分模夹具体起夹紧作用，故其圆柱面内径尺寸应比铜铝管材外径尺寸略小，即公差上限不能超过管材外径尺寸公差下限；而夹具内径尺寸公差下限不应过小，否则会使外径较大的管材表面出现压痕。所以，上下分模夹具体圆柱面内径尺寸公差必须限制在较小的范围内，即公差带较窄，以实现即可压紧，又不产生压痕。
形位公差方面，首先就单根管材而言，上下分模夹具体夹紧后应与管材保持面接触，故要考虑夹紧后的圆柱度要求，由于上下分模夹具体夹紧后，会产生微小变形，故将其内圆柱面设计为略微程椭圆柱面，夹紧后恰为满足要求的圆柱面。其次就铜铝管的焊接而言，两管的径向定位误差对焊接质量影响很大，故装配时应考虑两夹具体夹紧后内圆柱面的直线度。
本文设计的夹具体，在线切割机床上通过编程进行加工，可实现上述要求。
4执行机构设计方案的实现
由前述，经高精度加工，最终铜铝管对焊机在PLC的高精度控制下，实现了铜铝管的优质焊接。图6给出了铜铝管对焊机的正面照片。夹具体采用铜材料加工，用螺栓固定在夹具座上；夹具体座采用钢材料加工，用螺纹连接固定在夹紧气缸活塞杆头部。气缸座采用铜材料，圆柱导轨采用钢材料。固定气缸座与导轨为过盈配合，滑动气缸座与导轨为小间隙配合、油润滑，而且既要保证其运动自如，又要保证其运动精度。推进气缸采用加长杆，由两组双螺母确定其推进和退回的位置，可满足不同焊接要求。定位气缸行程较大，但几乎无载荷，只是使定位片上下运动，在上位时起定位作用，在下位时不阻碍滑动气缸座的推进。气动系统中的气路为塑料导气管，具有较大柔韧性，在运动时可承受较大变形，使整个执行机构设计更加简单。但实践证明，各气缸的气路长度对其动作有一定影响，在PLC编程时应特别注意，适当加入延时功能。
图6 铜铝管对焊机主机正面照片
5结论
(1)通过分析铜铝管焊接工艺过程，设计出可以达到铜铝管优质焊接的执行机构；
(2)在PLC的高精度控制下，执行机构可以准确完成铜铝管焊接工艺过程的各个动作；
(3) 可换夹具使铜铝管对焊机具有一定柔性，可以焊接φ6~12mm的铜铝管；
(4)执行机构的高精度与PL C控制系统的高精度相匹配，从而使铜铝管对焊机整体性能水平达到了国际先进水平。
参考文献
1 张希川，张悦，马玉强．基于功能分析的铜2铝管对焊机的设计[J]．现代制造工程，2006(3):120~122
2 韩荣第，张 悦，张希川．可编程控制器PLC在铜铝管对焊机中的应用[J]．焊接，2004(7):20~23
3张希川，张悦．PLC控制型铜铝管对焊机[J]．管道技术与设备．2005(6)：29~31
4侯珍秀主编．机械系统设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001
5冯辛安主编．机械制造装备设计[M]．北京：机械工业出版社，1999
摘自中国工控网
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铜铝管对焊机是用于铜铝管对焊的专用设备。由于采用可编程控制器PLC作为控制系统，其时间控制精度高，可达0.01s，为实现铜铝管的优质焊接，并与PLC高控制精度相匹配，必须设计制造出高精度的执行机构。
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本文分析了铜铝管焊接工艺过程及其特点，将焊接工艺过程分解为6个动作，其中包含的运动均为直线运动，从而考虑采用液压缸或气缸作为执行机构的主要部件。经比较，决定采用气动系统设计铜铝管对焊机的执行机构。夹具也是执行机构中关键部件之一，故本文也较详细分析设计了铜铝管对焊机的配套夹具。
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1铜铝管焊接工艺过程分析
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由于铜铝管材整体形状不限，故只考虑管端部附近形状。待焊接的铜管端部为锥形，铝管始终为圆柱形，如图1(a)、(b)所示。焊接中，铜管向铝管相对运动，当铜管插入铝管与其接触后，接通焊接回路，铜铝管间产生大电流，使两管发热，铝管温度接近熔点，铜铝开始结合，当铜管运动到位，切断焊接回路，待铜铝管结合牢固后，焊接过程结束。图1(c)给出了焊接后的铜铝管接头示意图。这种焊接方式具有许多优点，如结合面宽，焊接强度高；易于实现，生产成本低；不受管材整体形状限制；一次成形好，外形美观等。实践证明，这种接头方式特别适用于制冷行业。
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2铜铝管焊接工艺过程动作分解
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由前述，可将铜铝管焊接工艺过程分解为6个动作，如图2(a)~(f)所示。
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(1)上料与定位：由于管材整体形状未定，假设已有上料机构或人工上料。上料后，铜管、铝管共要确定5个自由度，即除轴向转动外的5个自由度。实践证明，5个自由度中，轴向定位精度对焊接质量影响较小，而径向、绕坐标轴转动的定位精度对焊接质量影响较大；
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(2)夹紧：定位后必须夹紧，确保焊接过程中，铜管、铝管完全处于控制系统控制之下。由于管材整体形状未定，及确保焊接质量，在铜铝管端面附近夹紧。
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(3)推进；夹紧后，铜管、铝管轴向还存在一定距离，在焊接过程中需要相对位移。采用铜管向铝管插入的方式完成推进动作；
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(4)焊接：在铜管与铝管接触后，接通焊接回路，在铜铝管间将产生大电流，使铜铝管发热温升，温度接近铝的熔点。直到铝管将铜管锥面全部包住，停止推进，切断焊接回路；
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(5)松开：待铜铝管焊接接头温度有所下降，连接牢固后，松开夹具，下料；
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(6)退回：下料后，推进机构退回原位，准备下次焊接。
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铜铝管焊接工艺过程动作分解，为执行机构设计提供了可靠的依据。
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3执行机构的原理设计
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3.1执行机构整体结构设计
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由前述可知，对焊机执行机构各动作都是直线运动。考虑到焊接过程中，夹紧力和推进力都不是很大，焊接φ8×1的铜铝管，夹紧力和推进力大约在 1000N，采用气动系统来实现铜铝管的夹紧和推进。气动系统的优点主要有：工作介质为空气，易于获取及排放，不污染环境，实现了绿色生产；比液压系统响应快，动作迅速；易于实现过载保护；气体管路为塑料管，裁剪、连接都很容易，且可承受一定变形。图3给出了铜铝管对焊机执行机构整体示意图。
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3.2气动系统设计
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铜铝管对焊机由PLC控制，实现各部分的协调动作，完成焊接过程。其中对气缸的控制必须通过电磁阀完成。这就必须设计相应的气动系统满足控制要求。图4给出了铜铝管对焊机气动系统示意图。PLC通过二个二位四通阀来控制四个气缸的动作。电磁阀PQ1控制夹紧气缸和定位气缸。电磁阀PQ2控制推进气缸，节流阀调整推进速度。在气动系统的气源处有溢流阀限制高气压，气压开关限制低气压，压力表显示当前气压值。气压开关可将气压过低信号反馈到PLC，表明此时夹紧力、推进力均不足，无法完成铜铝管焊接。
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3.3夹具设计
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铜铝管对焊机夹具包括定位、夹紧和夹具体三部分。因夹具体与工件直接接触，故夹具的精度直接影响焊接质量，必须认真谨慎对待。本文只考虑直线形管材，焊接过程中必须限制铜管、铝管5个自由度，如图5所示，除绕Y轴旋转自由度外的5个自由度。若考虑管材焊接后的整体形状，则要限制6个自由度，必须设计相应的专用夹具，实现完全定位。根据铜铝管的特点，及焊接需要，将夹具体设计为上下分模长孔形，如图5所示，这样可以限制4个自由度，即夹具体本身可实现4个自由度的定位。在铜铝管端面处设置一定位片，使铜铝管端面接触定位片，即可限制第5个自由度。实践证明，铜铝管轴向定位精度对焊接质量影响较小，相比之下其他 4个定位精度对焊接质量影响较大。设计重点应放在上下分模夹具体上，其加工精度直接影响焊接质量。
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尺寸及其公差方面，由于上下分模夹具体起夹紧作用，故其圆柱面内径尺寸应比铜铝管材外径尺寸略小，即公差上限不能超过管材外径尺寸公差下限；而夹具内径尺寸公差下限不应过小，否则会使外径较大的管材表面出现压痕。所以，上下分模夹具体圆柱面内径尺寸公差必须限制在较小的范围内，即公差带较窄，以实现即可压紧，又不产生压痕。
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4执行机构设计方案的实现
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由前述，经高精度加工，最终铜铝管对焊机在PLC的高精度控制下，实现了铜铝管的优质焊接。图6给出了铜铝管对焊机的正面照片。夹具体采用铜材料加工，用螺栓固定在夹具座上；夹具体座采用钢材料加工，用螺纹连接固定在夹紧气缸活塞杆头部。气缸座采用铜材料，圆柱导轨采用钢材料。固定气缸座与导轨为过盈配合，滑动气缸座与导轨为小间隙配合、油润滑，而且既要保证其运动自如，又要保证其运动精度。推进气缸采用加长杆，由两组双螺母确定其推进和退回的位置，可满足不同焊接要求。定位气缸行程较大，但几乎无载荷，只是使定位片上下运动，在上位时起定位作用，在下位时不阻碍滑动气缸座的推进。气动系统中的气路为塑料导气管，具有较大柔韧性，在运动时可承受较大变形，使整个执行机构设计更加简单。但实践证明，各气缸的气路长度对其动作有一定影响，在PLC编程时应特别注意，适当加入延时功能。
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图6 铜铝管对焊机主机正面照片
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5结论
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(1)通过分析铜铝管焊接工艺过程，设计出可以达到铜铝管优质焊接的执行机构；
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(2)在PLC的高精度控制下，执行机构可以准确完成铜铝管焊接工艺过程的各个动作；
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(3) 可换夹具使铜铝管对焊机具有一定柔性，可以焊接φ6~12mm的铜铝管；
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(4)执行机构的高精度与PL C控制系统的高精度相匹配，从而使铜铝管对焊机整体性能水平达到了国际先进水平。
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1 张希川，张悦，马玉强．基于功能分析的铜2铝管对焊机的设计[J]．现代制造工程，2006(3):120~122
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2 韩荣第，张 悦，张希川．可编程控制器PLC在铜铝管对焊机中的应用[J]．焊接，2004(7):20~23
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