0引言 銅鋁管對焊機是用于銅鋁管對焊的專用設備。由于采用可編程控制器PLC作為控制系統，其時間控制精度高，可達0.01s，為實現銅鋁管的優質焊接，并與PLC高控制精度相匹配，必須設計制造出高精度的執行機構。 本文分析了銅鋁管焊接工藝過程及其特點，將焊接工藝過程分解為6個動作，其中包含的運動均為直線運動，從而考慮采用液壓缸或氣缸作為執行機構的主要部件。經比較，決定采用氣動系統設計銅鋁管對焊機的執行機構。夾具也是執行機構中關鍵部件之一，故本文也較詳細分析設計了銅鋁管對焊機的配套夾具。 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，銅管向鋁管相對運動，當銅管插入鋁管與其接觸后，接通焊接回路，銅鋁管間產生大電流，使兩管發熱，鋁管溫度接近熔點，銅鋁開始結合，當銅管運動到位，切斷焊接回路，待銅鋁管結合牢固后，焊接過程結束。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點，如結合面寬，焊接強度高；易于實現，生產成本低；不受管材整體形狀限制；一次成形好，外形美觀等。實踐證明，這種接頭方式特別適用于制冷行業。 2銅鋁管焊接工藝過程動作分解 由前述，可將銅鋁管焊接工藝過程分解為6個動作，如圖2（a）～（f）所示。 （1）上料與定位：由于管材整體形狀未定，假設已有上料機構或人工上料。上料后，銅管、鋁管共要確定5個自由度，即除軸向轉動外的5個自由度。實踐證明，5個自由度中，軸向定位精度對焊接質量影響較小，而徑向、繞坐標軸轉動的定位精度對焊接質量影響較大； （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控制之下。由于管材整體形狀未定，及確保焊接質量，在銅鋁管端面附近夾緊。 （3）推進；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位移。采用銅管向鋁管插入的方式完成推進動作； （4）焊接：在銅管與鋁管接觸后，接通焊接回路，在銅鋁管間將產生大電流，使銅鋁管發熱溫升，溫度接近鋁的熔點。直到鋁管將銅管錐面全部包住，停止推進，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，推進機構退回原位，準備下次焊接。 銅鋁管焊接工藝過程動作分解，為執行機構設計提供了可靠的依據。 3執行機構的原理設計 3.1執行機構整體結構設計 由前述可知，對焊機執行機構各動作都是直線運動?？紤]到焊接過程中，夾緊力和推進力都不是很大，焊接φ8×1的銅鋁管，夾緊力和推進力大約在 1000N，采用氣動系統來實現銅鋁管的夾緊和推進。氣動系統的優點主要有：工作介質為空氣，易于獲取及排放，不污染環境，實現了綠色生產；比液壓系統響應快，動作迅速；易于實現過載保護；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給出了銅鋁管對焊機執行機構整體示意圖。 3.2氣動系統設計 銅鋁管對焊機由PLC控制，實現各部分的協調動作，完成焊接過程。其中對氣缸的控制必須通過電磁閥完成。這就必須設計相應的氣動系統滿足控制要求。圖4給出了銅鋁管對焊機氣動系統示意圖。PLC通過二個二位四通閥來控制四個氣缸的動作。電磁閥PQ1控制夾緊氣缸和定位氣缸。電磁閥PQ2控制推進氣缸，節流閥調整推進速度。在氣動系統的氣源處有溢流閥限制高氣壓，氣壓開關限制低氣壓，壓力表顯示當前氣壓值。氣壓開關可將氣壓過低信號反饋到PLC，表明此時夾緊力、推進力均不足，無法完成銅鋁管焊接。 [ALIGN=CENTER] [/ALIGN] 3.3夾具設計 銅鋁管對焊機夾具包括定位、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量，必須認真謹慎對待。本文只考慮直線形管材，焊接過程中必須限制銅管、鋁管5個自由度，如圖5所示，除繞Y軸旋轉自由度外的5個自由度。若考慮管材焊接后的整體形狀，則要限制6個自由度，必須設計相應的專用夾具，實現完全定位。根據銅鋁管的特點，及焊接需要，將夾具體設計為上下分模長孔形，如圖5所示，這樣可以限制4個自由度，即夾具體本身可實現4個自由度的定位。在銅鋁管端面處設置一定位片，使銅鋁管端面接觸定位片，即可限制第5個自由度。實踐證明，銅鋁管軸向定位精度對焊接質量影響較小，相比之下其他4個定位精度對焊接質量影響較大。設計重點應放在上下分模夾具體上，其加工精度直接影響焊接質量。 尺寸及其公差方面，由于上下分模夾具體起夾緊作用，故其圓柱面內徑尺寸應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；而夾具內徑尺寸公差下限不應過小，否則會使外徑較大的管材表面出現壓痕。所以，上下分模夾具體圓柱面內徑尺寸公差必須限制在較小的范圍內，即公差帶較窄，以實現即可壓緊，又不產生壓痕。 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，會產生微小變形，故將其內圓柱面設計為略微程橢圓柱面，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焊接質量影響很大，故裝配時應考慮兩夾具體夾緊后內圓柱面的直線度。 本文設計的夾具體，在線切割機床上通過編程進行加工，可實現上述要求。 4執行機構設計方案的實現 由前述，經高精度加工，最終銅鋁管對焊機在PLC的高精度控制下，實現了銅鋁管的優質焊接。圖6給出了銅鋁管對焊機的正面照片。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，圓柱導軌采用鋼材料。固定氣缸座與導軌為過盈配合，滑動氣缸座與導軌為小間隙配合、油潤滑，而且既要保證其運動自如，又要保證其運動精度。推進氣缸采用加長桿，由兩組雙螺母確定其推進和退回的位置，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動，在上位時起定位作用，在下位時不阻礙滑動氣缸座的推進。氣動系統中的氣路為塑料導氣管，具有較大柔韌性，在運動時可承受較大變形，使整個執行機構設計更加簡單。但實踐證明，各氣缸的氣路長度對其動作有一定影響，在PLC編程時應特別注意，適當加入延時功能。 5結論 （1）通過分析銅鋁管焊接工藝過程，設計出可以達到銅鋁管優質焊接的執行機構； （2）在PLC的高精度控制下，執行機構可以準確完成銅鋁管焊接工藝過程的各個動作； （3） 可換夾具使銅鋁管對焊機具有一定柔性，可以焊接φ6～12mm的銅鋁管； （4）執行機構的高精度與PL C控制系統的高精度相匹配，從而使銅鋁管對焊機整體性能水平達到了國際先進水平。 參考文獻 1 張希川，張悅，馬玉強．基于功能分析的銅2鋁管對焊機的設計[J]．現代制造工程，2006（3）:120～122 2 韓榮第，張 悅，張希川．可編程控制器PLC在銅鋁管對焊機中的應用[J]．焊接，2004（7）:20～23 3張希川，張悅．PLC控制型銅鋁管對焊機[J]．管道技術與設備．2005（6）：29～31 4侯珍秀主編．機械系統設計[M]．哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001 5馮辛安主編．機械制造裝備設計[M]．北京：機械工業出版社，1999