胡建新 ，林 宋 ，張 祥 ，任 煒

（1.北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.中建材國(guó)際裝備有限公司，北京 100048）

1 引言

機(jī)械裝備再制造工程是對(duì)裝備產(chǎn)品進(jìn)行改造以最大限度地利用裝備的零部件、緩解資源能源短缺與浪費(fèi)的矛盾、減少?gòu)U舊裝備對(duì)環(huán)境污染出現(xiàn)并迅速發(fā)展著的新興產(chǎn)業(yè)。再制造中修復(fù)工藝種類繁多，例如電刷鍍、熱噴涂、膠粘和焊接。焊接技術(shù)作為一種傳統(tǒng)工藝通過(guò)不斷改進(jìn)研發(fā)出冷焊技術(shù)，其眾多優(yōu)點(diǎn)讓冷焊得到普遍應(yīng)用。

傳統(tǒng)焊接維修因其溫度高會(huì)造成配件變形退火，造成基體損傷。傳統(tǒng)的電鍍、熱噴涂，涂層與基體是物理結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度低極易脫落。冷焊技術(shù)可以用來(lái)對(duì)一切金屬以及幾乎所有的其他各種原材料進(jìn)行相互連接、固定焊接和密封。其焊補(bǔ)基體與補(bǔ)材為冶金結(jié)合，結(jié)合牢固致密，常溫焊補(bǔ)，基體不發(fā)熱，不產(chǎn)生熱變形，修復(fù)后可進(jìn)行各種機(jī)加工，不影響機(jī)械加工性能，可以選擇不同材質(zhì)的補(bǔ)材進(jìn)行同材、異材焊補(bǔ)。在當(dāng)今想要完成較好的焊接工作提高焊接效率，提高準(zhǔn)備車間的機(jī)械化，自動(dòng)化水平是當(dāng)前世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展方向。如用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)焊接工藝裝備，是提高焊接自動(dòng)化水平的根本途徑。將數(shù)控技術(shù)配以各類焊接機(jī)械設(shè)備，以提高其柔性化水平，焊接機(jī)器人與專家系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)校正軌跡、自動(dòng)控制熔深等功能，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是數(shù)字化控制。目前我國(guó)焊接自動(dòng)化應(yīng)用率好比較低，不到30%，因此提高焊接自動(dòng)化迫在眉睫[1]。

伴隨著冷焊技術(shù)的推廣，各種冷焊機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，但是大部分冷焊機(jī)都仍然是人工操作，其競(jìng)爭(zhēng)壓力也隨著增大，其在原材料價(jià)格，人力資源成本不斷上升的情況下，其使用的效率較低，競(jìng)爭(zhēng)力必然會(huì)大大降低。已經(jīng)日益凸顯，各大企業(yè)也隨之對(duì)其進(jìn)行研究改善。本設(shè)計(jì)提出和設(shè)計(jì)一種半自動(dòng)進(jìn)給裝置從而代替人工提高效率。

2 冷焊機(jī)工作原理及其操作

冷焊機(jī)分為三大類：電阻焊式冷焊機(jī)、氬氣保護(hù)式高能冷焊機(jī)、氬氣保護(hù)式電火花精密冷焊機(jī)。冷焊機(jī)的組成主要是由機(jī)箱和焊槍兩個(gè)部分組成，焊槍部分主要的手工操作部分。冷焊機(jī)原理是利用充電電容，以（10-3～10-1）s的周期，（10-6～10-5）s的超短時(shí)間放電。電極材料與工件接觸部位瞬間會(huì)被加熱到（8000～10000）℃，等離子化狀態(tài)的熔融金屬以冶金的方式過(guò)渡到工件的表層。其加工操作，如圖1所示。

圖1 原理圖及其人工操作Fig.1 Schematic Diagram and Manual Operation

人工真實(shí)焊接的手法操作過(guò)程：（1）讓焊筆與工件成大概（30～45）°角（特殊情況再做改變）；（2）將焊筆緊壓與補(bǔ)材緊密接觸，保持一定壓力；（3）焊筆在補(bǔ)材上做圓周運(yùn)動(dòng)或者滾動(dòng)焊補(bǔ)，焊點(diǎn)之間不準(zhǔn)隔開(kāi)或重疊，要做到點(diǎn)點(diǎn)相連；（4）運(yùn)動(dòng)速度適宜太慢影響效率，太快閃點(diǎn)太多。

半自動(dòng)進(jìn)給裝置模擬人工操作：（1）設(shè)計(jì)活腳鏈?zhǔn)购腹P的夾持裝置可以隨著工況適當(dāng)調(diào)節(jié)角度。（2）給焊筆一定的壓力保證焊筆與工件接觸良好。（3）用絲杠導(dǎo)軌和滑塊帶動(dòng)焊筆一起移動(dòng)完成橫縱向運(yùn)動(dòng)，保證焊點(diǎn)排列密集。（4）使焊筆連續(xù)正反轉(zhuǎn)動(dòng)取代人工的連續(xù)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，保證焊筆不斷有新的點(diǎn)與工件接觸。

3 進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 焊槍旋轉(zhuǎn)夾持部分設(shè)計(jì)

冷焊機(jī)主要的工作都是由焊槍來(lái)完成的，本部分的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)冷焊半自動(dòng)進(jìn)給的關(guān)鍵。本部分主要由：焊槍高度調(diào)節(jié)，焊槍角度及壓力保持，焊槍旋轉(zhuǎn)，焊槍尾端調(diào)節(jié)裝置等四部分組成。

焊槍高度調(diào)節(jié)：為了適應(yīng)不同的工作環(huán)境，對(duì)焊槍高度的可調(diào)節(jié)性提出了較高的要求。不同的工件有不同的高度和不同厚度，應(yīng)該選用一個(gè)調(diào)節(jié)器在需要移動(dòng)的時(shí)候可以進(jìn)行移動(dòng)，在工作時(shí)需要固定的時(shí)候可以進(jìn)行固定。用一個(gè)可以固定的導(dǎo)軌滑塊裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)軌滑塊二維圖裝配圖Fig.2 Assembly Drawing of Two Dimensional Map of Slide Block

工作時(shí)將滑塊固定在導(dǎo)軌上，需要調(diào)節(jié)高度時(shí)只需要擰松緊固螺母即可調(diào)節(jié)高度，調(diào)節(jié)到合適的位置時(shí)再次擰緊緊固螺母就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊槍高度的調(diào)節(jié)。

焊槍角度及壓力保持：焊槍在工作時(shí)需要一定的壓力（大約20N）來(lái)保證焊槍頂端與被修復(fù)的工件緊密接觸，同時(shí)為了適應(yīng)被修復(fù)工件表面的起伏焊槍的角度應(yīng)具有可調(diào)節(jié)性。焊槍端自身重量較大故在此不再設(shè)計(jì)拉力彈簧來(lái)保證壓力。如果焊槍端的重量得以減輕，應(yīng)加拉力彈簧保持焊槍頂端與被修復(fù)工件的緊密接觸。

焊槍角度的調(diào)節(jié)采用活腳鏈連接的方式來(lái)保證焊槍可以上下自由轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 活腳鏈連接Fig.3 Loose Joint Hinge

3.1.1 焊槍旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)焊接的原理，利用類電阻焊原理，使低壓大電流通過(guò)焊頭、材料與工件，利用工件與材料之間的接觸電阻，將該接觸點(diǎn)的補(bǔ)材瞬間熔化在工件上，因此經(jīng)常會(huì)在焊筆上留下補(bǔ)材，降低它的使用壽命，因此設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)裝置，避免補(bǔ)材殘留，提高使用壽命，如圖4所示。主要靠步進(jìn)電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)齒輪從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到想要的運(yùn)動(dòng)。

圖4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.4 Rotating Mechanism Motion Diagram

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接齒輪，通過(guò)兩個(gè)齒輪嚙合帶動(dòng)焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)軸承起到固定焊槍作用。

3.1.2 焊槍尾端調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

焊槍尾端是通過(guò)電線與冷焊機(jī)相連接，但是焊槍在焊接和過(guò)程中焊槍端的金屬是在不斷的磨損消耗中，需要經(jīng)常換用焊槍，經(jīng)常需要替換因此設(shè)計(jì)如下圖裝置可輕松將焊槍取下進(jìn)行更換。

焊槍頭需要與焊槍連線端配合使用，導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)保證了滑塊在工作過(guò)程中緊壓著轉(zhuǎn)動(dòng)的焊頭，防止焊頭向后移動(dòng)，如圖5所示。需要取下焊頭時(shí)將滑向上移動(dòng)即可。

圖5 焊槍尾端調(diào)節(jié)裝置Fig.5 The End of a Welding Torch Adjusting Device

3.2 進(jìn)給裝置移動(dòng)要求設(shè)計(jì)

滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。

此裝置橫向運(yùn)動(dòng)主要靠步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)完成。確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程：

式中：Vmax—工作臺(tái)最高移動(dòng)速度；nmax—電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；I—傳動(dòng)比電機(jī)與絲杠間為直接連接式，i=1。

由上表查得w1=4m/min，nmax=1500r/min

代入得Ph=0.67mm；

查《現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》取Ph=5mm。

最大行程L=270mm。

圖6 滾珠絲杠二維裝配圖Fig.6 Two Dimensional Assembly Drawing of Ball Screw

縱向運(yùn)動(dòng)：在絲杠導(dǎo)軌下面加了一個(gè)燕尾型手動(dòng)滑塊，方便通過(guò)微調(diào)來(lái)修正焊機(jī)進(jìn)給的路線。此滑塊的行程L1=180mm。

圖7 燕尾型手動(dòng)滑塊裝配Fig.7 Dovetail Slide Assembly Manual

3.3 樣機(jī)總體裝配實(shí)體圖

總體裝配，如圖8所示。底座上安裝滾珠絲杠，絲杠底部安裝手搖滑塊，導(dǎo)軌安裝在絲杠的滑塊上固定，通過(guò)活鉸鏈結(jié)連接帶旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂。將尾端調(diào)節(jié)裝置固定在導(dǎo)軌上與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的焊槍夾持的軸承在一直線上。機(jī)械臂的焊槍夾持裝置與冷焊機(jī)的焊槍連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)焊槍完成預(yù)期的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。該裝置體積較小，底座為650*210*170mm，攜帶方便，便于靈活使用。

圖8 樣機(jī)實(shí)體裝配圖Fig.8 Prototype Assembly Drawing Entity

4 步進(jìn)電機(jī)控制部分設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)作為一種體積小，扭矩大的電機(jī)在機(jī)電領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并且可用控制板控制其轉(zhuǎn)動(dòng)，靈活性比較強(qiáng)，因此本設(shè)計(jì)采用16位單片機(jī)arduino對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)I/O口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)tb6560驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。本設(shè)計(jì)主要研究單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、方向進(jìn)行控制和顯示。

（1）系統(tǒng)供電電源：

電壓：12V、5V；

額定電流：1.7A。

（2）驅(qū)動(dòng)電源輸出：四相八拍方式。

（3）步踞角：1.8°。

該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能：

（1）能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。

（2）能實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

（3）擴(kuò)展功能：實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制及正反轉(zhuǎn)控制

4.1 焊槍旋轉(zhuǎn)部分

步進(jìn)電機(jī)通過(guò)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)，焊槍的電機(jī)為一直往復(fù)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)360°之后再旋轉(zhuǎn)-360°來(lái)保證焊槍的消耗均勻。主要程序如下：

voidsetup（）

｛Serial.begin（9600）；

//boolsuccess=SetPinFrequencySafe（led，frequency）；｝

voidloop（）

｛//read the sensor value：讀取模擬傳感器數(shù)值轉(zhuǎn)一圈走1mm，共

200mm，走 a+10*b+100*c mm，即 a+10*b+100*c圈，一圈 4步，（a+

10*b+100*c）*4步

//滿轉(zhuǎn) 6 圈

//pwmWrite（led，brightness）；

//pwmWrite（led2，brightness2）；

//intsensorReading=660；//轉(zhuǎn)速設(shè)定

//mapittoarangefrom0to100：將其映射為0～100的數(shù)值

//intmotorSpeed=map（sensorReading，0，1023，0，100）；

//setthemotorspeed：設(shè)置電機(jī)速度，但并不使其旋轉(zhuǎn)

//if（motorSpeed ＞ 0）｛

myStepper.setSpeed（8）；

//step1/100ofarevolution：使其旋轉(zhuǎn)1/100步

myStepper.step（stepsPerRevolution/9）；//暫時(shí)沒(méi)辦法停下來(lái)，建議把

左邊100去掉

Serial.println（'1'）；delay（50）；

myStepper.step（-stepsPerRevolution/90）；

Serial.println（'2'）；delay（50）；｝

4.2 滾珠絲杠步進(jìn)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

該部分通過(guò)一個(gè)矩陣鍵盤來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的行程并在小型顯示器顯示行程。滾珠絲杠的速度可有電機(jī)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)程算出。

（1）鍵盤控制步進(jìn)電機(jī)行程，單位為mm，例如輸入100即為步進(jìn)電機(jī)行進(jìn)100mm。

（2）鍵盤中的A的功能是輸入行程之后按A啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，行駛100mm之后還會(huì)有一個(gè)3s的停頓，然后再返回行駛100mm。

（3）鍵盤中的C的功能是清空顯示屏，在輸入行程出錯(cuò)的時(shí)候可以按C來(lái)修改行程（在電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)效）。主要程序如下：

voidsetup（）

｛unsignedinti；

Serial.begin（9600）；

Init_1621（）；

｝

inta=0，b=0，c=0，d=0，e=0，f=0；

voidloop（）

｛

charcustomKey=customKeypad.getKey（）；

if（customKey＞47&&customKey＜58）｛//輸入速度值

//Serial.println（customKey）；

e=d，d=c，c=b，b=a，a=x；

delay（100）；

｝

if（customKey==67）｛

intx=customKey-48；

x=0，a=0，b=0，c=0，d=0，e=0；

Write_1621_data（0，num［x］）； //第 0 位顯示

Write_1621_data（1，num［a］）；

Write_1621_data（2，num［b］）；

Write_1621_data（3，num［c］）；

Write_1621_data（4，num［d］）；

Write_1621_data（5，num［e］）；｝

if（customKey==65）｛//啟動(dòng)電機(jī)速度為 x+a*10+b*100+c*1000+

d*10000+e*100000

Write_1621_data（0，num［0］|0x80）； //第 0 位顯示

Write_1621_data（1，num［a］）；

Write_1621_data（2，num［b］）；

Write_1621_data（3，num［c］|0x80）； //點(diǎn)亮

Write_1621_data（4，num［d］|0x80）； //點(diǎn)亮 2

Write_1621_data（5，num［e］|0x80）； //點(diǎn)亮小數(shù)點(diǎn) 1

if（customKey==65）｛//啟動(dòng)電機(jī)速度為 x+a*10+b*100+c*1000+

d*10000+e*100000

//read the sensor value：讀取模擬傳感器數(shù)值轉(zhuǎn)一圈走1mm，共

200mm，走 a+10*b+100*c mm，即 a+10*b+100*c圈，一圈 4步，（a+

10*b+100*c）*4步

//滿轉(zhuǎn) 6 圈

//intsensorReading=200；//轉(zhuǎn)速設(shè)定

//mapittoarangefrom0to100：將其映射為0～100的數(shù)值

//intmotorSpeed=map（sensorReading，0，1023，0，100）；

//setthemotorspeed：設(shè)置電機(jī)速度，但并不使其旋轉(zhuǎn)

//if（motorSpeed ＞ 0）｛

myStepper.setSpeed（40）；

t=a+10*b+100*c；

if（t＞200）｛t=200；｝；

if（customKey==66）｛//停止電機(jī)

intsensorReading=0；//未完成｝

上述程序中const int stepsPerRevolution=3000；這一句中的3000 可以修改為別的數(shù)字，myStepper.step（double（double（steps-PerRevolution*（-t）/10）/1.15））；語(yǔ)句，當(dāng) 3000 所在位置的數(shù)字越大，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)更快，更平穩(wěn)，當(dāng)const int stepsPerRevolution的數(shù)字小的時(shí)候，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)慢，但是噪聲非常大。

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置通過(guò)模擬人工操作的方法用機(jī)械臂完成人工冷焊動(dòng)作，焊槍主要工作部件由夾持裝置和步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作，該裝置利用滾珠絲杠來(lái)完成焊槍焊接的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由焊槍轉(zhuǎn)動(dòng)替代人工擺動(dòng)，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向控制來(lái)優(yōu)化焊機(jī)焊筆橫向或縱向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而模擬人工操作。