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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 宁 XX 大学 毕业设计(论文) 自动点焊机的设计 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 II 摘 要 随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作 必须在现场作业,如自动点焊机、 大型舰船舱体、 甲板的焊接、 大型球罐(储罐)的焊接等。 而这些焊接场合下，自动点焊机要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。 无疑,将自动点焊机技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动 化焊接难题。因此自动点焊机的设计对于解决这一难题至关重要。 关键词：焊接技术 机构设计 强度校核 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract With the development of industrial level, it is important to large-scale structure of the application of welding more and more, including a large number of welding operations must be at the scene, such as robot welding corrugated containers, large ship cabin, the deck of the welding, a large spherical tank (tank), such as welding. These welding occasion, the welding robot to adapt to changes in weld, welding can be done to improve the level of automation. There is no doubt that technology and robot seam tracking technology to effectively solve large-scale structure of the automation field welding problems. Key Words: Robot technology Intensity is proofreaded IV 目 录 摘 要 . II Abstract. III 目 录 IV 第 1 章 绪论 6 1.1 选题的依据及意义 . 6 1.1.1 选题的依据 6 1.1.2 选题的意义 6 1.2 研究现状及发展趋势 . 6 1.2.1 自动点焊机研究现状 7 1.2.2 自动点焊机机构设计的发展趋势 8 1.3 本课题的研究设计内容及方法 . 8 第 2 章 自动点焊机构总体设计 9 2.1 设计原理 . 9 2.2 导向杆机构的选用要点 . 10 2.3 方案讨论 . 11 2.4 本章小结 . 11 第 3 章 自动点焊机 Y 向结构设计 . 12 3.1 丝杠螺母导程的确定 12 3.2 确定丝杠的等效转速 12 3.3 丝杠的等效负载 . 12 3.4 确定丝杠所受的最大动载荷 a C . 12 3.5 计算轴承动载荷 . 13 3.6 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算 . 13 3.7 丝杠的扭转刚度 . 14 3.8 传动精度计算 . 14 3.9 电动机的计算选择 . 15 第 4 章 自动点焊机 X 向结构设计 . 16 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 16 4.2 精度的选择 . 16 4.3 丝杠导程的确定 16 4.4 最大工作载荷的计算 . 16 4.5 最大动载荷的计算 . 17 4.6 滚珠丝杠螺母副的选型 . 17 4.7 滚珠丝杠副的支承方式 . 18 4.8 传动效率的计算 . 18 4.9 刚度的验算 . 18 4.10 稳定性校核 . 19 4.11 临界转速的验证 . 20 4.12 步进电机的选择 . 21 4.13 滚动直线导轨副 . 24 第 5 章 自动点焊机 Z 向结构设计 26 5.1 Z 向精度设计 . 26 5.2 滚珠丝杠疲劳强度 . 26 5.3 选用滚珠丝杠 27 5.4 滚珠丝杠稳定性验算 . 27 5.5 滚珠丝杠刚度验算 . 28 5.6 滚珠丝杠效率验算 . 29 5.7 Z 向电机选型 . 29 第 6 章 焊头设计 31 6.1 焊头设计 . 31 6.2 自动点焊设计 . 32 第 7 章 成本设计 33 总结与展望 34 致 谢 36 参 考 文 献 37 6 第 1 章 绪论 1.1 选题的依据及意义 1.1.1 选题的依据 随着社会和科学技术的发展，工业生产的操作方式也发生着革命性的变化，从手工 作坊式的劳动，逐渐演变成自动化、智能化的生产方式，人类也逐渐无法完成某些 生 产过程，所以为了适应生产的需要出现了特殊的生产工具点焊机。与此同时也出现 了一些新的生产活动，在这些生产活动中，有些是属于高危险的，对人体伤 害较大， 有些领域不适宜人类工作长时间的工作，点焊机则正好适应这类工作。防止了一些化学 物品对人类的伤害5。 在当今大规模制造业中，企业为 提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过 程的自动化程度， 工业机器作为自动化生产线上的重要成员， 逐渐被企业所认同并采用。 工业机器的技术水平和应用 程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目 前，工业焊接机主要承担着焊接、喷涂、搬运等重复性并且劳动强度极大的工作，工作 方式一般采取示教再 现的方式。 点焊机是按照给定程序、 轨迹和要求实现自动移动、 焊接的操作的自动机械装置6。 实现了自动化的工作并减少了很多不必要的人工劳动。本文对多工位点焊机利用 PLC 的控制进行了详细的研究。 点焊机的工作原理是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上 的焊料和被焊材料，来达到使它们结合的目的7。点焊机是由焊头、点焊枪等组成。点 焊枪是四工位点焊机电气控制系统的核心。利用电磁阀控制点焊枪的伸缩及温度 1.1.2 选题的意义 通过完成该课题，即设计出自动点焊机及对其进行运动学分析，能够解决在焊接过 程中焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角这个问题，使得在直线段与在波内斜 边段焊接时，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度，进而能 够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高的生产质量。 1.2 研究现状及发展趋势 这里的研究现状及发展趋势包括三个方面：前面也提到这里的三自由度自动点焊机 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 （为自动点焊机）是为提高焊接自动化水平的，故这里为自动点焊机的研究现状及发展 趋势；关于结构设计方面的研究现状及发展趋势；关于运动学分析的常用方法5。 1.2.1 自动点焊机的研究现状及发展趋势 这里所设计的自动点焊机为有轨自动点焊机，只是现有的自动点焊机技术在焊接中 的应用， 是该领域的焊接自动化水平低的缘故， 而当前的自动点焊机技术有相当的发展。 随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作 必须在现场作业,如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接 场合下，自动点焊机要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将自动 点焊机技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。 当前国内外在自动点焊机方向研制的几个典型自动点焊机如下： (1) 韩国 Pukyong 国立大学的 Kam B O 等研制的舱体格子形构件焊接自动点焊机 这种自动点焊机能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程,能够自动 寻找焊缝的起始点。 在遇到格子框架的拐角焊缝时,在保证焊接速度不变且焊炬准确对准 焊缝的情况下,能够自动调整自动点焊机本体和十字滑块的位置4。 (2) 日本庆应大学学者 Suga 等为平面薄板焊接研制的自主性自动点焊机 该自动点焊机能够直线前进,还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯,它装焊枪的 臂可以伸缩，可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状,如是直线焊缝、曲线焊缝、 还是折线焊缝等5。 (3) 日本庆应大学学者 Suga 等研制了管道焊接自主自动点焊机 该自动点焊机可以沿着管道 ,根据 CCD 摄取的图象信息,在焊前可以自动寻找并 识别焊缝,然后使自动点焊机本体沿管道方向达到正确的焊接位置5。 (4) 清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁吸 附轮式自动点焊机该自动点焊机的焊炬跟踪精度可达 0.5mm,能够满足实际工程应用 3。 (5) 上海交通大学研制的具有自寻迹功能的焊接自动点焊机 该自动点焊机在焊前,小车能够自动寻找焊缝并经过轨迹推算后自动调整小车本体 和焊炬的位姿到待焊状态；在焊接过程中能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪8。 当前绝大多数自动点焊机还能焊缝跟踪,焊前必须通过人为的方式,把自动点焊机放 到坡口附近合适的位置,并且通过手动将自动点焊机本体、 十字滑块等调整到合适的待焊 8 状态 ,也就是说自动点焊机的自主性还很低,基本上还不具有自主的运动规划能力。 未来的发展趋势为三个方面：选择视觉传感器来进行传感跟踪，因为与图象处理方 面相关的技术得到发展；采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务；由于控 制技术由经典控制到向智能控制技术的发展，这也将是自动点焊机的控制所采用。 1.2.2 自动点焊机机构设计的研究现状及发展趋势 在当前，自动点焊机的机构设计绝大部分还是采用依据具体的情况来设计专用自动 点焊机，称之为固定结构的传统自动点焊机，其运动特性使特定自动点焊机仅能适应一 定的范围,不利于自动点焊机的发展。 解决这一问题的方法就是利用关节模块和连杆模块, 根据具体的要求开发可重构自动点焊机系统。下面为当前一些人所做的研究： (1) Benhabib 等人建立的自动点焊机库,将模块分成模块单元连接器、连杆模块、主 关节模块和末端关节模块四类13； (2) 1999 年 DanielaRus 等提出了一种由晶体结构“分子”组成的可自重构自动点焊机 系统13； (3) 上海交通大学的费燕琼和沈阳航空工业学院的张艳丽等对模块化自动点焊机的 构形设计进行了研究13。 1.3 本课题的研究设计内容及方法 下面的丝杆为 X 轴 上面横着的为 Y 轴 上面竖着的为 Z 轴 都用点动机 带动。 X Y 实现定位 Z 实现点焊 将上图 Z 轴上的物体（画红圈的） 换成焊头。焊头是 装上弹簧 有缓冲等。防止撞坏工作台就行。滚珠丝杆螺母副跟总体尺寸都由你们确定。 总装配图要有总体尺寸 装配尺寸 还要有技术要求等。 设计说明说主要包括 丝杆螺母 副的选择 电动机的选择 还有焊头的设计 如何实现自动点焊等 成本设计等。大概 10000 字左右。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 2 章 自动点焊机构总体设计 2.1 设计原理 Y 轴和 Z 轴采用丝杠传动 X 轴采用丝杠加导轨形式 10 电焊头缓冲装置结构示意图 2.2 导向杆机构的选用要点 由于工业生产中导向杆机械臂的应用较为广泛，因此本设计着重对导向杆机械臂机 构进行研究。 1. 应具有足够的推拉力 焊接机的机构靠执行机构的液压力实现手部结构的伸缩 和升降，便把工件从一个位置到另一个位置，由于工件本身的重量以及过程中产生的惯 性力和振动等，执行机构必须具有足够大的液压力，才能防止工件在过程中摆动。一般 要求液压力 N 为工件以及重量的 23 倍。 2. 应具有足够的俯仰角 为了实现升降以及伸缩， 必须具有足够大的俯仰角度来适 应较大的范围，对于式手部要有足够大的范围。 3. 应能保证工件的可靠定位 为了使工件、工具与目的地保持准确的相对位置，必 须根据要求的目的地，选用相对应的执行机构来定位。 4. 应具有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量， 还受到焊接机手不在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度会 发生折断或弯曲变形，因此对于受力较大的应进行必要的强度、刚度计算。 5. 应适应对象的要求 为了适应工件的载荷，可以选用 V 型、燕尾型、园柱导向 杆型的导轨。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 6. 尽可能具有一定的通用性 一般专用性较强，在可能的情况下，应考虑到产品零 件的变换。为适应不同形状和尺寸的要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件 及附件来扩大机构的使用范围。也可在设计时适当选取其结构尺寸和参数以扩大其使用 范围。 2.3 方案讨论 导向杆制造工艺性、 导向性好， 可以承受较大的轴向力， 且其适用场合是轻型机械； 燕尾槽导向的导轨尺寸紧凑，用镶条调整见习 ，比较方便，但是制造比较复杂，磨损 不能自动补偿， 且一般用于高度小的部件中； V 型导轨有利于排屑， 但不易保存润滑油， 而且一般用于低速。 综合以上情况，该设计选用导向杆导向。 2.4 本章小结 本章主要介绍自动点焊机机械结构方案的设计及方案的选择和确定。 12 第 3 章 自动点焊机 Y 向结构设计 3.1 丝杠螺母导程的确定 本设计中，电机与丝杠直接相连，传动比 i=1，选择电机 Y 系列异步电动机的最高 转速cmkgfMrn.2 . 2min,/1500 maxmax 最大转矩，则丝杠的导程为 mmnVPh81500/ .12000/ maxmax 3.2 确定丝杠的等效转速 最大进给时，丝杠的转速为 min/15008/12000/ maxmax rPVn h 最慢进给时，丝杠的转速为 min/125. 08/1/ minmin rPVn h 则得到丝杠的等效转速（估计 21 2tt min/1000)/()( 212min1max rtttntnnm 3.3 丝杠的等效负载 工作负载是指机床工作时，实际作用在丝杠上的轴向压力，它的数值可用进给牵引 力的实验公式计算。选用导轨为滚动导轨，而一般情况下，滚动导轨的摩擦系数为 0.0025-0.005，取摩擦系数 f 为 0.005，则丝杠所受的最大牵引力为 )( max GFFfKFF zyx NfGFF12272.2464005. 0 minmax 故其等效负载可按下式计算（估算 t1=t2 ;n2=2n1） 3/1 221122 min 3 11 3 max )/()(tntntnFtnFFm 由以上确定进给运动的总阻力 F=12N 3.4 确定丝杠所受的最大动载荷 a C 查表， 取丝杠的工作寿命Th为15000h， 同时取精度系数fa=1， 负荷性质系数fw=105， 温度系数 ft=0.95，硬度系数 fh=1，可靠性系数 fk=0.53；平均转速为 1000r/min。 N tntntnFFm 12 )/()3( 3/1 221122 3 min 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 选用滑动丝杠螺母传动，丝杠公称直径为mm45，基本导程mmPh8，丝杠螺母 的接触刚度为 1692N/m，螺旋升角 .18 3丝杠的底径 26mm，螺母长度为 210mm，取 丝杠的精度等级为 1 级。 3.5 计算轴承动载荷 寿命系数为： 71. 2500/10000 3 3 500/10 hh Lf 式中 h f寿命系数： h L10可靠性为 90%的额定寿命，取为 10000h； n f转速系数：28. 04500/1003/100 3 3 jn nf； 计算转速 j n取最高转速，取min/1500rnj； NNC1880014518150028. 0/71. 2 故能满足要求。 3.6 丝杠拉压振动和扭转振动的固有频率验算 已知：轴承的接触刚度mNkB/1080，丝杠螺母的接触刚mNKC/1692，丝 杠的最小拉压刚度： 当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L 植分别为 750mm 和 100mm。螺母座刚度mNKH/1000。轴向拉压总刚度为： 丝杠拉压振动的固有频率 由计算可知，丝杠拉压振动的固有频率远远大于 1500r/min，所以能满足要求。 NnTfffffFC rnT mhkahtwm mh 34553. 0195. 0/9005 . 112)10/60).(/( 109001000150006060 33/16 6 mNLAEK mNLAEK s s /16521 . 0/101 . 21053. 0/ /4 .14875. 0/101 . 21053. 0/ 53 max 53 min mNK KKKK E sCBe /128 4 .148/11692/110802/1/1/12/1/1 min min/7165/750136.2232/8 . 910128/ 6 rsradmKe B nTh fFfC/ 14 3.7 丝杠的扭转刚度 丝杠的扭转刚度： 由机械设计手册得平移物体的转动惯量为： 丝杠的转动惯量为 丝杠扭转振动的固有频率为： 显然，丝杠的扭转振动的固有频率远远大于 1500r/min，所以，能满足要求。 3.8 传动精度计算 丝杠的拉压刚度： 由以上的各条件可知最小机械传动刚度为： 最大机械传动刚度： rNm L d K m T /4 .20070 1000 40 84. 784. 7 44 232 .1058. 0) 2 01. 0 ( 81. 9 136.2232 mkgJ 23 .1045. 0mkgJS srad J JJ K S ZW T T /4748 10) 3 45. 0 16. 058. 0( 4 .20070 3 3 L Ed KS 4 2 mN KKK K Bcs /121 1080/11692/14 .148/1 1 /1/1/1 1 min min0 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 因此得到由于机械传动装置所引起的定位误差为 其中，F0 为空载时导轨的静摩擦力 3.9 电动机的计算选择 F下面的计算结果 所以选用反应式步进电动机，输出功率 0.2kw，同步转速 1500r/min，电动机的参 数如下表一所示： 表 3-1 电动机的各种参数： 电动机型号 步距角 最大静 转矩 （N.m） 运行 频率 最高空载 启动频率 轴径 长度 55BF003 0.75/1.5 0.686 1800 6mm 70mm mN KKK K Bcsman man /455 1080/11692/11652/1 1 /1/1/1 1 0 m KK F q k 12. 0) 455 1 _ 121 1 (20) 1 _ 1 ( max0min 0 kwVFP e 05. 06120/ max 16 第 4 章 自动点焊机 X 向结构设计 4.1 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠副的作用是将旋转运动转变为直线运动，其螺旋传动是在丝杠和螺母滚道 之间放人适量的滚珠， 使螺纹间产生滚动摩擦。 丝杠转动时， 带动滚珠沿螺纹滚道滚动。 螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间 隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长工作寿命，可设置润滑件和密封件。 4.2 精度的选择 滚珠丝杠副的精度直接影响电气机床的定位精度，在滚珠丝杠精度参数中，其导程 误差对机床定位精度最明显。 一般在初步设计时设定丝杠的任意 300mm行程变动量 300 V 应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。对于车床，选用滚珠丝 杠的精度等级 X 轴为 13 级（1 级精度最高） ，Z 轴为 25 级，考虑到本设计的定位 精度要求和改造的经济性，选择 X 轴精度等级为 3 级，Z 轴为 4 级。 4.3 丝杠导程的确定 选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、10、12、20 中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚） 。在速度满足的情况 下，一般选择较小导程（利于提高控制精度） ，本设计中初选纵向丝杠导程为 10mm。 4.4 最大工作载荷的计算 最大工作载荷 m F是指滚珠丝杠螺母副在驱动工作台时所承受的最大轴向力，也叫 进给牵引力,其实验计算公式如表 4-1 所示。 表 4-1 m F实验计算公式及参考系数 导轨类型 实验公式 K 矩形导轨 )(GFFKFF yzxm 1.1 0.15 燕尾导轨 )2(GFFKFF yzxm 1.4 0.2 综合或三角导轨 )(GFKFF zxm 1.15 0.15-0.18 表中K为考虑颠覆力矩影响时的实验系数；为滑动导轨摩擦系数；G为移动 部件总重量。G=200 N 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 查表 3-1 选择综合导轨，K取 1.15,取 0.18,G为 200N； 算得 )(GFKFF zxm =1.151197+0.18（3420+200） =1371.55 )(N 4.5 最大动载荷的计算 载荷随时间急剧变化且使构件的速度有显著变化（系统产生惯性力） ，此类载荷为 动载荷。比如起重机以等速度吊起重物，重物对吊索的作用为静载，起重机以加速度吊 起重物，重物对吊索的作用为动载。 对于滚珠丝杠螺母副的最大动载荷 Q F计算公式如下： mhwQ FffLF 3 式中：L滚珠丝杠副的寿命系数，单位为 6 10r， 6 10/60nTL （T 为使用寿命，普通 机床 T 取 5000-10000h，电气机床 T 取 15000h；n 为丝杠每分钟转速） ； w f载荷系数，一般取 1.21.5，本设计取 1.2； h f硬度系数（HRC58 时取 1.0 ；等于 55 时取 1.11；等于 52.5 时取 1.35；等 于 50 时取 1.56；等于 45 时取 2.40） ； m F滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为 N。 本设计中车床纵向承受最大切削力条件下最快的进给速度min/6 . 1 max mVj,初选丝杠基 本导程mmPh10，则丝杠转速min/160/1000 max rPVn hj 。取滚珠丝杠使 用寿命 hT15000 ，带入 6 10/60nTL 得L=90；取 2 . 1 w f ， 1 h f 代入 mhwQ FffLF 3 ，求得 ： Q F =17390N。 4.6 滚珠丝杠螺母副的选型 初选滚珠丝杆副时应使其额定动载荷 Qa FC , 当滚珠丝杠副在静态或低速状态下 min)/10(rn 长时间承受工作载荷时，还应使额定静载荷 moa FC) 32( 。 根据计算出的最大动载荷 Q F ,选择江苏启东润泽机床附件有限公司生产 CDM4006-2.5-3 型内循环式滚珠丝杠副，采用双螺母螺纹式预紧，精度等级为 4 级，其参数如表 3-2 所 18 示。 表 4-2 滚珠丝杠相关参数 则选择丝杠,CDM4006-2.5-3为外循环插管式，双螺母垫片预紧，导珠管埋入式的滚 珠丝杠副，尺寸如下： 公称直径 d0=40mm 外径d=39.5mm 导程 Ph=6mm 螺旋角 442 ) 14. 3 6 (sin 0d r 钢球直径 mmDw969. 3 动载荷 NCa15851 静载荷 NCoa47885 注释:滚珠丝杠的结构形式 4.7 滚珠丝杠副的支承方式 滚珠丝杠副的支承主要用来约束丝杠的轴向窜动，为了提高轴向刚度，丝杠支承常 用推力轴承为主的轴承组合。考虑到纵向丝杠长度较大，本设计纵向丝杠采用双推简 支支承方式，该方式临界转速、压杆稳定性高，有热膨胀的余地。 4.8 传动效率的计算 滚珠丝杠的传动效率一般在 0.80.9 之间，其计算公式如下： = )tan( tan 式中：螺距升角，根据 0 h 14. 3 P tan d ,可得=291； 摩擦角，一般取=10。 算得： = )01192tan( 192tan =96.67% 4.9 刚度的验算 滚珠丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，引起导程的变化，从而影响定位精度和 运动的平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形 1 、丝杠与螺母间滚道的接触 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 变形 2 、支承滚珠丝杆的轴承的轴向接触变形 3 。 因转矩和丝杠-螺母滚道接触对丝杠产生的导程变化很小，所以 2 、 3 可以忽略不 计，所以丝杠的拉伸或压缩变形量为： 1 = ES lF um （ “+”号代表拉伸， “-”代表压缩） 式中： m F丝杠的最大工作载荷，单位为N； u l 丝杠纵向最大有效行程，单位为mm； E丝杠材料的弹性模量，钢MPaE 5 101 . 2 ； S丝杠的横截面面积，单位 2 mm按丝杠螺纹的底径 2 d确定。 根据前面的设计， m F为 3234.36N， u l 取 1665mm， 2 d为 44.24mm，算得： 1 = 25 )24.45(14. 325. 0101 . 2 166576.3233 =0.01597)(mm=14.97m 查表 3-3 可知，m36 1S，丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临 街转速 cr n 。要求丝杠的最大转速 cr nn max 。 临街转速按下式计算： 2 1 2 )( 9910 l df n c cr 式中： c f 为临界转速系数，见表 2-10，本题取 927. 3 c f ， 3 2 2 2 )5 . 0 3 2 ( 03398. 0927. 3 9910 cr n min/1052. 3 4r min/600 1010 6 3 max rn 即： max nncr ，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受 nD0 值的限制，通常要求 min/107 4 0 rmmnD min/107min/10410040 43 0 rmmrmmnD 5.5 滚珠丝杠刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(mN )共同作用下引起每个导程的变形量 0 L(m) 为： c GJ Tp EA pF L 2 2 0 式中:A 丝杠截面积, 2 1 4 1 dA； c J为丝杠的极惯性矩， 4 1 32 dJc ；G 为丝杠切变 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 模量，对钢 GPaG3 .83 ；T 为转矩。 )tan( 2 0 D FT m 式中： 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数； m F 卫平均工作载荷 mNT 54. 4)2 . 0334tan(10 2 40 2762 3 按最不利的情况取（其中 m FF ） 4 1 2 2 2 1 2 0 164 2Gd Tp Ed pF GJ Tp EA pF L c 492 23 29 3 )03398. 0(103 .83)14. 3( 54. 4)1010(16 )03398. 0(1020614. 3 276210104 m 2 107 . 9 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： m p L lL85. 4 1010 107 . 9 5 . 0 3 2 0 通常要求丝杠的导程误差 L 小于其传动精度的 1/2，即 mmmL5005. 01 . 0 2 1 2 1 该丝杠的 L 满足上式，所以其刚度可以满足要求。 5.6 滚珠丝杠效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 947. 0 )2 . 0334tan( ) 334tan( )tan( tan 要求在 90%95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算，FC1-4010-2.5 各项性能均符合题目要求，所以合格。 5.7 Z 向电机选型 最大静转矩选择 依据文献实用机床设计手册上，有： （1）对于在最大工作条件下工作时所需要电机最大静转矩为： 30 5 . 03 . 0 1max 切 M M j 185.5 0.3 0.5 371 618N cm （2）对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为： 951. 0 2max 起 M M j 153.5 0.95 161.6N cm 由（1）和（2）可知，以计算得： max1j M恒大于 2maxj M 所以就以 1maxj M作为选取 步进电机最大静转矩的依据。而初选的步进电机为 110BF003 ，它的最大静转矩为： max1 689 j N cmM 所以初选的步进电机型号符合要求。 7. 步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性 由数控技术得：动矩频特性： P V f 60 1000 max max 1000 2.5 60 0.01 =4167Hz 运行矩频特性： P S e V f 60 1000 其 中 ： e V- 最 大 工 作 条 件 下 的 进 给 速 度)min(m， 可 取 最 高 进 给 速 度 max 2.5minVm的 3 1 2 1 ，现取中间值，即 max 7 1.46min 12 S VVm。 所以： e f 1000 1.46 60 0.01 =2431Hz 由步进电机 110BF004 的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电机在起 动时力矩是满足要求的。 所以最终就确定步进电机的型号为：110BF004 反应式步进电动机。 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 6 章 焊头设计 6.1 焊头设计 机械中提供驱动的装置和方式很多，如电机驱动、液压驱动、气压驱动等，各种驱 动方式有其自身的特点，在工业焊接机中液压和气压驱动应用很广泛，有些焊接机则同 时采用多种驱动方式， 这都视不同焊接机的特点和要求所定。 比较这些驱动方式的特点， 丛中选择适合移动丝杠的驱动方式。 电机驱动丝杠可以避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动要高。 电机系统将电动机、测速机、编码器以及制动器组装在依次加工的课题里，使得整个电 机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大的提高。另外，电动机根据运行距离及电机 的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可以达到非常高的位姿准确度。而液压和 气压驱动系统组成机构烦琐，维护不方便，液压源和气压源装置体积大，对于移动焊接 机来说也是个无法实现的问题，对于移动焊接机操作机械手臂所要求的位置精度，液压 和气压驱动也很难满足。 综上所述，本文选择电机驱动丝杠传动进给的驱动方式。 焊头的缓冲装置如下图：弹簧 有缓冲等 32 6.2 自动点焊设计 焊接操作机中， 烙铁的上下移动由丝杠控制， 平面运动由 X/Y 轴两路步进电机控制， 焊接速度采用单片机脉宽控制，位置显示采用位移传感器控制。其中，单片机控制焊接 过程，键盘控制输入参数，LCD 动态显示操作当前状态。 平面运动控制系统由三部分构成：单片机、驱动器、步进电机。单片机用于将运动 指令下达给驱动器，同时检测和显示运动状态，运动控制器根据主机的运动命令对各轴 电机驱动系统发出脉冲/方向命令，并对 I/O 口和其他信号进行管理。驱动器的作用是根 据控制器发来的脉冲/方向指令控制电机线圈的电流以及相应的电磁场和电磁力矩， 从而 使得电机转轴执行与脉冲/方向指令相对应的转动， 步进电机配步进驱动器。 执行电机在 驱动器的推动下，通过转轴的旋转来控制机械装置（运动轴）的位置和速度。 结构框图 硬件系统主要由中央处理单元、反馈单元、焊接单元、按键控制单元、LCD 显示单 元五个部分组成。如下面模拟框图所示 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 7 章 成本设计 滚珠丝杠副速选的基本原则滚珠丝杠副速选的基本原则 种类的选择：目前滚珠丝杠副的性价比已经相当高，无特别大的载荷要求时，都选择 滚珠丝杠副，它具有价格相对便宜，效率高，精度可选范围广、尺寸标准化安装方便等 优点。在精度要求不是太高时，通常选择冷轧滚珠丝杠副，以便降低成本；在精度要求 高或载荷超过冷轧丝杠最大规格额定载荷时需选择磨制或旋铣滚珠丝杠副。不管何类滚 珠丝杠副，螺母的尺寸尽量在系列规格中选择，以降低成本缩短货期。 精度级别的选择精度级别的选择：滚珠丝杠副在用于纯传动时，通常选用“T”类（即机械手册中提 到的传动类） ，其精度级别一般可选“T5”级（周期偏差在 1 丝以下） ， “T7”级或“T10” 级，其总长范围内偏差一般无要求（可不考虑加工时温差等对行程精度的影响，便于加 工） 。因而，价格较低（建议选“T7” ，且上述 3 种级别的价格差不大） ；在用于精密定 位传动（有行程上的定位要求）时，则要选择“P”类（即机械手册中提到的定位类） ， 精度级别要在“P1” 、 “P2” 、 “P3” 、 “P4” 、 “P5”级（精度依次降低） ，其中“P1” 、 “P2” 级价格很贵， 一般用于非常精密的工作母机或要求很高的场合， 多数情况下开环使用 （非 母机） ，而“P3” 、 “P4”级在高精度机床中用得最多、最广，需要很高精度时一般加装 光栅，需要较高精度时开环使用也很好， “P5”则使用大多数数控机床及其改造，如数 控车， 数控铣、 镗， 数控磨以及各种配合数控装置的传动机构， 需要时也可加装光栅 （因 “5”级的“任意 300mm 行程的偏差为 0.023” ，且曲线平滑，在很多实际案例中，配合 光栅效果非常好） 。 规格的选择规格的选择：首先当然是要选有足够载荷（动载和静载）的规格。根据使用状态，选 择符合条件的规格。同时（重点） ，如果选用的是磨制或旋铣滚珠丝杠副（冷轧的不需 要考虑长径比） ，要估算长径比（丝杠总长除以螺纹公称直径的比值） ，但因长度在设计 时已确定，在规格的确定上需要调整，原则上使其长径比小于 50， （理论上长径比越小 越好，对“P”类丝杠而言，长径比越小越利于加工和保证各项形位公差，故单位价格 越便宜） 。所以“规格越小不等于越便宜” 。 预紧方式的选择预紧方式的选择：对于纯传动的情况，一般要求传动灵活，允许有一定返向间隙（不 大，一般为几丝） ，多选用单螺母，它价格相对便宜、传动更灵活；对于不允许有返向 间隙的精密传动的情况，则需选择双螺母预紧，它能调整预紧力的大小，保持性好，并 34 能够重复调整；另外，在行程空间受限制的情况下，也可选用变位导程预紧（俗称错距 预紧） ，该方式预紧力较小，且难以重复调整，一般不选。 导程的选择导程的选择：选择导程跟所需要的运动速度、系统等有关，通常在：4、5、6、8、 10、12、20 中选择，规格较大，导程一般也可选择较大（主要考虑承载牙厚） 。在速度 满足的情况下，一般选择较小导程（利于提高控制精度） ；对于要求高速度的场合，导 程可以超过 20，对磨制丝杠而言导程一般可做到约等于公称直径（受磨削螺旋升角限 制） ，如 32（32*32） 、40（40*40）等，当然也可以更大（非磨削，但极少考虑） 。导程 越大，同条件下旋转分力越大，周期误差被放大，速度越快。故一般速度很高的场合要 求的是灵活，而放弃部分精度诉求，对间隙要求意义变小（导程精度偏差增大） ，因此， 大导程丝杠一般都是单螺母。 完整的滚珠丝杠副设计选型，除了要考虑传动行程（间接影响其他性能参数） 、导 程（结合设计速度和马达转速选取） 、使用状态（影响受力情况） ，额定载荷（尤其是动 载荷将影响寿命） 、部件刚度（影响定位精度和重复定