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1t数控座式焊接变位机设计[含CAD图纸和说明书全套打包]

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关键词：: 含CAD图纸和说明书全套打包 1t数控座式焊接变位机设计 t数控座式焊接变位机含全套CAD图纸 t数控座式焊接变位机设计数控座式焊接变位机座式焊接变位机设计[CAD图纸]

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摘要

　　　在我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备。近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，并获得了广泛的应用。使用焊接变位机可缩短焊接辅助时间，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度，保证和改善焊接质量，并可充分发挥各种焊接方法的效能。随着计算机技术不断向智能化发展，自动控制和信息技术在制造业中的广泛应用，焊接变位机也朝着智能化、多功能化、大型化、集成化、高精度、高可靠度方向发展。本文主要论述了焊接变位机的组成，结构及工作原理。其中它的回转机构和倾斜机构是本次设计的核心部分，直流电动机通过带轮传动，涡轮蜗杆减速器传动，使回转工作台达到要求回转速度，倾斜机构则通过二级齿轮传动实现工作台翻转，主要涉及到齿轮传动设计及轴的设计与校核等。

关键词：焊接变位机械；回转机构；减速器；倾斜机构

Abstract

　　　 In our country, welding positioner has quietly become an indispensable manufacturing equipment. Over the past decade, the product has made significant development and access to a wide range of applications in the field of construction machinery industry in China. The application of welding positioner can reduce the time and raise labor productivity, reduce labor intensity of workers, to assure and improve the welding quality,and give full play to the performance of various welding methods. As computer technology continues to become intelligent, and a wide range of applications of automatic control and information technology in manufacturing Industry, welding positioner also towards to become intelligent, multi-functional, and large-scale, integrated, high-precision, high reliability . This article focuses on the composition, structure and working principle of the welding positioner.The design of turning gear and the tilting mechanism is the core.DC motor through the belt driving, worm gear reducer to drive rotary table to meet the required speed.The tilted mechanism through the spur gear reducer to make rotary table to flip, Mainly related to the design of gear and shaft and it’s verification, etc.

Key words: welding posioner; turning gear; retarder;tilting mechanism

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

目录 Ⅲ

第1章绪论 1

1.1 课题研究的意义及现状 1

1.2 论文主要研究内容 1

第2章焊接变位机械概述 2

2.1 焊接变位机械的分类 2

2.2 焊接变位机械的组成 4

2.3 焊接变位机械的工作原理 4

2.4 焊接变位机国家行业标准 5

第3章座式焊接变位机的设计 9

3.1 回转机构的设计 9

3.2 倾斜机构的设计 29

3.3 底座和箱体的简单设计 32

结论 33

参考文献 34

致谢 35

附件1 36

附件2 59

第1章绪论

　1.1 课题研究的意义及现状

伸臂式、倾翻回转式和双立柱单回转式等普通焊机变位机械在我国已经广泛

应用，国外大型结构件的焊接一般应用机械手，从国内目前的工艺现状及设备投

入情况，全用焊接机器人代替手工焊接作业条件还不成熟。但是如果没有焊接变

位机，对于复杂结件内的一些立焊缝、仰焊缝等单纯靠人工调整至容易焊接的平

焊或船焊位置是不可能的。人无法按焊接工艺执行，焊接质量也无法保证。因此，

近年来人工焊接变位机得到国内工程机械行业的广泛共识，都在加大这方面的投

入。而本次论文处于对大学四年所学的知识进行的一次综合性的梳理及应用，对

学生的综合能力进行的一次较为实质性的锻炼。

1.2 论文主要研究内容

　　　本论文主要对焊接变位机械的分类以及应用进行阐述，并从整体上对座式焊接变位机进行设计。全文的主要内容包括以下几个方面：

（1）焊接变位机械分类

（2）焊接变位机械的组成

（3）焊接变位机械的工作原理

（4）回转机构中减速器、转轴、轴承等的设计

（5）倾斜机构中齿轮、滑动轴承等的设计

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内容简介：: 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书专业班级机械姓名下发日期题目题目 1t 座式焊接变位机设计专题专题 1t 座式焊接变位机设计主主要要内内容容及及要要求求主要内容：完成 1t 座式焊接变位机设计。编写设计说明书，绘制装配图及部分零件图。要求：必须以负责的态度对待自己所做的技术决定、数据和计算结果。在教师指导下，独立完成设计任务，培养较强的创新意识和学习能力，获得机械工程师的基本训练。整个设计在技术上是先进的，在经济上是合理的，在生产上是可行的。计算步骤清晰，计算结果正确；图面整洁，视图齐全，布局合理，线条、文字及尺寸标注符合国家标准；使用计算机设计、计算和绘图；设计说明书要求内容完整，文字通顺，语言简练，图示清晰，重要计算公式和数据应注明出处。设计说明书不少于 2 万字，查阅文献 15 篇以上，翻译与课题有关的英文资料 2 篇，译文字数不少于 5 千汉字，绘制图纸折合总量不少于 5 张 A1。主要技主要技术参数术参数载重量 1000kg，最大回转力矩 1500Nm，最大倾斜力矩 1500Nm，工作台回转速度 0.10.6 r/min，工作台倾斜速度 0.5 r/min，工作台倾斜角度 0120进进度度及及完完成成日日期期3 月 23 日 4 月 12 日（3 周）：课题调研，理解熟悉设计任务，借阅资料，翻译英文文献，制订设计计划。4 月 13 日 4 月 26 日（2 周）：方案设计，选择确定机器总体方案及部件方案。4 月 27 日 5 月 31 日（5 周）：技术设计，在草图的基础上完成装配图和零件图的绘制。6 月 1 日 6 月 14 日（2 周）：技术文件编制，编写完成毕业设计说明书，打印图纸，上交说明书和图纸。6 月 15 日 6 月 21 日（1 周）：教师审阅毕业设计，学生准备答辩。教学院长签字日期教研室主任签字日期指导教师签字日期指导教师评语指导教师: 年月日指定论文评阅人评语评阅人: 年月日答辩委员会评语指导教师给定成绩(30%)评阅人给定成绩(30%)答辩成绩（40%）总评答辩委员会主席签字评定成绩青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 V摘要摘要在我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备。近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，并获得了广泛的应用。使用焊接变位机可缩短焊接辅助时间，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度，保证和改善焊接质量，并可充分发挥各种焊接方法的效能。随着计算机技术不断向智能化发展，自动控制和信息技术在制造业中的广泛应用，焊接变位机也朝着智能化、多功能化、大型化、集成化、高精度、高可靠度方向发展。本文主要论述了焊接变位机的组成，结构及工作原理。其中它的回转机构和倾斜机构是本次设计的核心部分，直流电动机通过带轮传动，涡轮蜗杆减速器传动，使回转工作台达到要求回转速度，倾斜机构则通过二级齿轮传动实现工作台翻转，主要涉及到齿轮传动设计及轴的设计与校核等。关键词：关键词：焊接变位机械；回转机构；减速器；倾斜机构青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 VIAbstract In our country, welding positioner has quietly become an indispensable manufacturing equipment. Over the past decade, the product has made significant development and access to a wide range of applications in the field of construction machinery industry in China. The application of welding positioner can reduce the time and raise labor productivity, reduce labor intensity of workers, to assure and improve the welding quality,and give full play to the performance of various welding methods. As computer technology continues to become intelligent, and a wide range of applications of automatic control and information technology in manufacturing Industry, welding positioner also towards to become intelligent, multi-functional, and large-scale, integrated, high-precision, high reliability . This article focuses on the composition, structure and working principle of the welding positioner.The design of turning gear and the tilting mechanism is the core.DC motor through the belt driving, worm gear reducer to drive rotary table to meet the required speed.The tilted mechanism through the spur gear reducer to make rotary table to flip, Mainly related to the design of gear and shaft and its verification, etc.Key words: welding posioner; turning gear; retarder;tilting mechanism青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书 VII目录目录摘要摘要 .Abstract.目录目录 .第第 1 章章绪论绪论 .11.1 课题研究的意义及现状.11.2 论文主要研究内容.1第第 2 章章焊接变位机械概述焊接变位机械概述 .22.1 焊接变位机械的分类.22.2 焊接变位机械的组成.42.3 焊接变位机械的工作原理.42.4 焊接变位机国家行业标准.5第第 3 章章座式焊接变位机的设计座式焊接变位机的设计 .93.1 回转机构的设计.93.2 倾斜机构的设计.293.3 底座和箱体的简单设计.32结论结论 .33参考文献参考文献 .34致谢致谢 .35附件附件 1 .36附件附件 2 .59青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书1 第第1 1章章绪论绪论1.11.1 课题研究的意义及现状课题研究的意义及现状伸臂式、倾翻回转式和双立柱单回转式等普通焊机变位机械在我国已经广泛应用，国外大型结构件的焊接一般应用机械手，从国内目前的工艺现状及设备投入情况，全用焊接机器人代替手工焊接作业条件还不成熟。但是如果没有焊接变位机，对于复杂结件内的一些立焊缝、仰焊缝等单纯靠人工调整至容易焊接的平焊或船焊位置是不可能的。人无法按焊接工艺执行，焊接质量也无法保证。因此，近年来人工焊接变位机得到国内工程机械行业的广泛共识，都在加大这方面的投入。而本次论文处于对大学四年所学的知识进行的一次综合性的梳理及应用，对学生的综合能力进行的一次较为实质性的锻炼。1.21.2 论文主要研究内容论文主要研究内容本论文主要对焊接变位机械的分类以及应用进行阐述，并从整体上对座式焊接变位机进行设计。全文的主要内容包括以下几个方面：（1）焊接变位机械分类（2）焊接变位机械的组成（3）焊接变位机械的工作原理（4）回转机构中减速器、转轴、轴承等的设计（5）倾斜机构中齿轮、滑动轴承等的设计青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书2第第2 2章章焊接变位机械概述焊接变位机械概述2.12.1 焊接变位机械的分类焊接变位机械的分类焊接变位机械是改变焊件、焊机或焊接空间位置来完成机械化、自动化焊接的各种机械设备。焊接变位机械的分类及各类所属设备如下：通常焊接变位机械可分为变位机、翻转机、滚轮架、升降机等四大类：一、焊接变位机是通过工作台的旋转和翻转运动，使工件所有焊缝处于最理想的位置进行焊接，使焊缝质量的提高有了可靠的保证，它是焊接各种轴类、盘类、筒体等回转体零件的理想设备，同时也可用来焊接机架、机座、机壳等非长形工件。二、焊接翻转机是将工件绕水平轴翻转，使之处于有利施焊位置的机械，适用于梁、柱、框架、椭圆容器等长形工件的装配焊接。焊接翻转机种类繁多，常见的有框架式、头尾架式、链式、环式等。三、滚轮架是借助焊件与主动滚轮间的摩擦力带动圆筒形焊件旋转的机械装置。主要应用于回转体工件的装配与焊接，其载重可从几十千克到千吨以上。按其结构形式可分为三大类：1、自调式滚轮架青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书32、长轴式焊接滚轮架。3、组合式焊接滚轮架。四、升降机是用来将工人及装备升降到所需的高度的装置，主要用于高大焊件的手工焊和自动焊及装配作业。其主要结构形式有：1、管结构肘臂式。2、管筒肘臂式。3、板结构肘臂式。4、立柱式。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书4图 2-1 伸臂式焊接变位机2.22.2 焊接变位机械的组成焊接变位机械的组成本次设计的座式焊接变位机由回转机构，倾斜机构及其机架三大部分组成。其中：回转机构由工作台，回转主轴，二级蜗轮蜗杆减速器，带轮，电动机，箱体等组成；倾斜机构由扇形齿轮，传递齿轮，小齿轮，带制动电动机的摆线针轮减速机等组成。2.32.3 焊接变位机械的工作原理焊接变位机械的工作原理焊接变位机械主要为达到和保持焊接位置的最佳状态，本次设计的座式焊接变位机是通过改变焊件的位置达到相应要求，其具体的实现过程是：回转机构由电动机拖动，电动机输出一定的转速，经过带轮一次减速后，然后经过二级蜗轮蜗杆减速器两次减速，最后由回转主轴，经过工作台输出焊件所需要的焊接速度，以期达到所需要的焊缝要求。倾斜机构通过整个回转机构的倾斜实现回转工作台的倾斜。座式焊接变位机的结构特点是工作台连同回转机构支承在两边的倾斜轴上，工作台以焊速回转，倾斜轴通过机构传动或液压缸多在 140 范围内恒速倾斜，此种变位机对生产的适应性较强，承载能力可达 50t，再焊接结构生产中应用最为广青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书5泛。2.42.4 焊接变位机（焊接变位机（PositionerPositioner）国家行业标准）国家行业标准2.4.12.4.1 范围本标准规定了焊接变位机的型号、参数、技术要求、检验及验收规则、包装及标志等方面的内容。本标准适用于各种类型的焊接变位机。2.4.22.4.2 引用标准列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB/T 40641983 电气设备安全设计导则2.4.32.4.3 术语2.4.32.4.3.1 1 最大负荷 Q变位机所允许承载的工件最大重量，kg。2.4.32.4.3.2 2 偏心距 A工作台面处于铅垂位置时，最大负荷（工件）的重心距工作台回转轴线的距离，mm。2.4.32.4.3.3 3 重心距 B工作台面处于铅垂位置时，最大负荷（工件）的重心距工作台面的距离，mm。2.4.32.4.3.4 4 回转速度 n1工作台绕其回转轴（图 1 中 z 轴）回转的速度，r/min。2.4.32.4.3.5 5 倾斜速度 n2工作台绕其倾斜转轴（图 2-2 中 y 轴）倾斜的速度，（）/min。2.4.32.4.3.6 6 倾斜角度工作台可倾斜的角度（见图 1），（）。2.4.32.4.3.7 7 台面高度 H工作台在最低水平位时，其台面距地面的距离（见图 1），mm。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书62.4.42.4.4 型号与参数2.4.42.4.4.1 1 型号表示方法变位机型号用汉语拼音字母和阿拉伯数字表示：HB HB 焊接变位机名称代号，H 和 B 分别为“焊”字和“变”字的汉语拼音第一个字母最大负荷 Q 值，kg 变位机工作台调高功能代号，用 1 或 2 表示。1 表示工作台高度固定，2 表示工作台高度可调标记示例：HB5002 表示最大负荷为 500kg、工作台高度可调的焊接变位机。2.4.4.22.4.4.2 参数焊接变位机的型号及参数要求如下：表 2-1 焊接变位机的型号及参数型号型号最大负最大负荷荷Q(KG)偏心距偏心距A(MM)重心距重心距B(MM)台面高台面高度度H(MM)回转速度回转速度N1(R/MIN)焊接额焊接额定电流定电流A（MA）倾斜角倾斜角度度 ()HB25254063-0.5016.00315135HB25255080-0.258.00500135HB10010063100-0.103.15500135HB25025016040010000.051.60630135HB50050016040010000.051.601000135HB1000100025040012500.051.601000135HB2000200025040012500.031.001250135HB3150315025040016000.031.001250135HB4000400025040016000.031.001250135HB5000500025040016000.0250.801250135HB8000800020040016000.0250.801600135青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书7HB100001000020040020000.0250.801600135HB160001600020050020000.0160.501600120HB200002000020063025000.0160.502000120HB315003150020080025000.0160.502000120HB400004000016080031500.0100.3152000105HB5000050000160100031500.0100.3152000105HB8000080000160100031500.0100.3152000105 图 2-2 焊接变位机示意图2.4.52.4.5 技术要求2.4.5.12.4.5.1 回转驱动2.4.5.1.12.4.5.1.1 回转驱动应实现无级调速，并可逆转。2.4.5.1.22.4.5.1.2 在回转速度范围内，承受最大载荷时转速波动不超过 5%。2.4.5.22.4.5.2 倾斜驱动2.4.5.2.12.4.5.2.1 倾斜驱动应平稳，在最大负荷下不抖动，整机不得倾覆。最大负荷 Q 超过青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书825kg 的，应具有动力驱动功能。2.4.5.2.22.4.5.2.2 应设有限位装置，控制倾斜角度，并有角度指示标志。2.4.5.2.32.4.5.2.3 倾斜机构要具有自锁功能，在最大负荷下不滑动，安全可靠。2.4.5.32.4.5.3 其他2.4.5.3.12.4.5.3.1 变位机控制部分应设有供自动焊用的联动接口。2.4.5.3.22.4.5.3.2 变位机应设有导电装置，以免焊接电流通过轴承、齿轮等传动部位。导电装置的电阻不应超过 1m，其容量应满足焊接额定电流的要求。2.4.5.3.32.4.5.3.3 电气设备应符合 GB/T 4064 的有关规定。2.4.5.3.42.4.5.3.4 工作台的结构应便于装卡工件或安装卡具，也可与用户协商确定其结构形式。2.4.5.3.52.4.5.3.5 最大负荷与偏心距及重心距之间的关系，应在变位机使用说明书中说明。2.4.62.4.6 检验项目及验收规则2.4.6.12.4.6.1 检测输出轴（工作台）转速，结果应符合表 2-1 和 2.4.5.1 的要求。2.4.6.22.4.6.2 首次生产时，应进行变位机的空转及负荷试验，结果应符合表 2-1 及2.4.5.1 和 2.4.5.2 的要求。2.4.6.32.4.6.3 变位机应备有产品合格证书和使用说明书。2.4.72.4.7 标志与包装2.4.72.4.7.1 1 变位机应涂敷防锈底漆及表层漆。涂层应牢固，其中表层涂漆色彩应协调美观。2.4.72.4.7.2 2 变位机应在标牌上标明名称、型号、最大负荷、工作电压、电机功率、出厂日期、制造厂家等。2.4.72.4.7.3 3 变位机的包装应牢固可靠，符合运输部门的有关规定。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书9第第 3 章章座式焊接变位机的设计座式焊接变位机的设计3.1 回转机构的设计回转机构的设计3.1.1 工作台及其工件总质量，回转主轴的危险断面位于轴承处，所受的Kgm1300弯曲力矩为：青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书10 图 3-1 回转主轴受力分析示意图（3-1） sincossin2cossin2222hGehMw其中：综和质量G 偏心距e台面高度。h 回转轴倾斜角回转轴转角根据焊接变位机国家行业标准 mme250mmh750其中重心距取 600mm其轴承处的扭矩：（3-2）cossineGMn按第三强度理论折算的当量弯矩为：（3-3）22MMMnwxd222sincossincoseheG该式在满足条件时才出现最大值。其值为:sinhectg （3-4）ehMGxd22max对于指定的变位机：，该数据由文献10表 7-11 查得。33. 0he （3-5）74.711minhectg （3-6）74.1612min1maxhectg因此回转主轴的强度可选在的范围内任意位置进行计算。minmax 主轴材料用 45 号钢（调制处理） = =61.1 （3-7）Kn15 . 15 . 12755 . 0Mpa青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书11 d （3-8） mm1 .118101 .6125. 075. 01274010ehG103622322 取 d=120mm，校验主轴：（3-9） MpaehdGedehG6222322106 .583 . 110 其中 Mpa1 .61 初步确定主轴的结构尺寸如下图图 3-2 主轴的结构与装配3.1.2 减速器的设计减速器的设计3.1.2.1 二级涡轮蜗杆的设计二级涡轮蜗杆的设计3.1.2.1.1 二级涡轮蜗杆尺寸的计算二级涡轮蜗杆尺寸的计算总传动比：初选电机为满载转速 1440r/min 的直流电动机工作台设计回转转速为0.10.6r/min=2400 （3-10）nnim总6 . 01440平均传动比：初选带传动的传动比1.4，带i = （3-11）平均i4 .414 . 12400青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书12取实际蜗杆头数：Z =1，1蜗轮齿数：Z =Z 41.4 （3-12）21平均i则 Z =412查文献3表蜗杆涡轮参数的匹配（GB10085-88）取 Z =41 =10 = 90 =022m1d2x根据蜗轮蜗杆工作情况，选取蜗杆特性系数:q=9蜗杆模数=10，1m2m则蜗杆尺寸：=90 （3-12）1dqmmm=+2=90+20=110 （3-13）1ad1d1ahmm =-2=90-24=66 （3-14）1fd1d1fhmm蜗轮尺寸：分度圆直径 = Z =10 41=410 （3-15）2dm2mm 齿顶圆直径 =d +2=430 （3-16）2ad2mmm 齿根圆直径 d=-21.2=386 （3-17）2f2dmmm 涡轮齿宽 =0.75=82.5 （3-18）B1admm3.1.2.1.2 蜗轮的齿面接触疲劳强度校核蜗轮的齿面接触疲劳强度校核蜗轮蜗杆材料选用：蜗轮选用铸造锡青铜：zCuSn10P1; 蜗杆选用 20Cr.蜗轮蜗杆中心矩=. （3-19）22qZmamm250294110）（青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书13接触疲劳强度：=ZZ （3-20）HE32aTK Z 材料的弹性影响系数。E对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时取 Z =155EMpa21Z 两材料的接触系数，由文献1表 11-18 查得：Z =2.6K工作载荷系数，=， KAK K VKK机械使用系数，AK由文献1表 10-2 得：=1.15AK：齿面载荷分布系数，K由文献1表 10-4 得：K：动载系数，VK由文献1表 10-8 得：=1VK：齿间载荷分配系数系数，K由文献1表 10-3 得：=1Ktan （3-21）911qZ得 6.34=12740 （3-22）2TGemN.318525. 0滑动速度：（3-23）smndVVs/02. 034. 6cos100060411 . 09014. 3cos100060cos211查表蜗杆传动的当量摩擦角青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书146 . 5v （3-24）53. 0)6 . 534. 6tan(91)tan(tanv （3-25）51. 099. 098. 056. 0总其中轴承效率 0.99 搅油效率 0.98 （3-26）NiTT3 .15251. 041318521总所以接触疲劳强度（3-27）MpaMpaH2681 .19525. 099. 098. 0/31851115. 16 . 21015533其中蜗杆螺旋面硬度 268Mpa3.1.2.1.3 蜗轮的齿根弯曲疲劳强度校核蜗轮的齿根弯曲疲劳强度校核根据公式：（3-28）FFaFYYmddKT221253. 1其中：Y蜗轮齿形系数，2Fa可由蜗轮的当量齿数 Z 及蜗轮变位系数 X 决定。2V2可由文献1图 11-19 查得 Y=2.42FaY 螺旋角影响系数，=1-=1-=0.955 （3-29）Y14014034. 6 =() 2.4 0.955=3.59 （3-30）F1041. 009. 099. 098. 0318515. 153. 1410Mpa= =1.37 56=76.72 （3-31）FFNKHMpa其中可由文献1表 11-8 查得: =56HHMpa青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书15为寿命系数: FNKN 为应力循环系数：N=60 j nL =60 1 0.6 21900=788400 （3-32） 2h J:蜗轮每转一次，每个轮齿的啮合次数.这里取 j=1;n :蜗轮转速, =0.6;22nmin/rL :工作寿命, hL =365 6 10=21900 （3-33）h h=1.37 （3-34）FNK8710N,蜗轮的齿根弯曲疲劳强度满足使用条件。F F3.1.2.1.4 蜗杆的刚度校核蜗杆的刚度校核蜗杆受力后如产生过得变形，就会造成轮齿上的载荷集中，影响蜗轮与蜗杆的正确啮合。所以需进行蜗杆的刚度校核，其校核刚度条件为：= （3-35）y yLEIFFrt212148其中y蜗杆材料许用的最大挠度。 = （3-36）y10001d100090mm09. 0其中 d 为蜗杆分度圆直径。1E 蜗杆材料的弹性模量。 E=2.07Mpa510I 蜗杆危险截面的惯性矩。（3-37）I6441fd其中 d为蜗杆的齿根圆直径。1f青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书16 d= 66mm1f=5.958 10 （3-38）I646647L 蜗杆两端支撑点间的跨距。 L0.9=0.9=369 （3-39）2d410mm 蜗杆所受的圆周力。1tF=3384.4 （3-40）1tF112dT09. 03 .1522N 蜗杆所受的径向力。1rF=tan20 =5828.5 （3-41）1rF2tF tantan222dT41. 099. 098. 031852N其中为蜗轮齿形角。=200.369 =0.073 （3-42）6466. 014. 31007. 2485 .58284 .33844522y3y=0.0730.09=y蜗杆的刚度满足使用条件。3.1.2.1.5 选取蜗杆传动的润滑方法选取蜗杆传动的润滑方法根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度 V =0.02/s，s载荷类型为重型载荷，故可采用油池润滑。3.1.2.1.6 二级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置二级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置=+1000(1-)/s （3-43）0tatPd其中周围空气的温度，常温情况下可取。at蜗杆蜗轮的传动效率。 0.53箱体的表面传热系数，可取=(8.1517.45),w/(m.)，dd青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书17当周围空气流动良好时可取偏大值。这里取 17ddP输入功率。 =157 41=0.404kw （3-44）PwT 26026 . 0t。=20+=20+53.2=73.2 （3-45）6 . 035. 01753. 01404. 0）（73.280其中 80为其临界温度。故在通风良好的情况下，不需要加散热装置。3.1.2.2 一级蜗轮蜗杆的设计一级蜗轮蜗杆的设计3.1.2.2.1 一级涡轮蜗杆尺寸的计算一级涡轮蜗杆尺寸的计算选取实际蜗杆头数：Z =1，蜗轮齿数：1Z =i Z （3-46）21Z =412查文献3表蜗杆涡轮参数的匹配（GB10085-88）选取=5 =10 x =-0.5mq2则蜗杆尺寸：=50 （3-47）1dqmmm=+2=50+10=60 （3-48）1ad1d1ahmm d=-2=50-12=38 （3-49）1f1d1fhmm蜗轮尺寸：分度圆直径 =Z =5 41=205 （3-50）2dm2mm 齿顶圆直径 =+2（1+x）=205+2=210 （3-512ad2dm）（5 . 015mm）齿根圆直径 =-2(1.2-x)=205-2=188 （3-52）2fh2dm）（5 . 02 . 15mm青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书18 涡轮齿宽 =0.75=45 (3-53)B1admm校核蜗轮的齿面接触疲劳强度：蜗轮蜗杆材料选用：蜗轮选用铸造锡青铜：zCuSn10P1; 蜗杆选用 20Cr.3.1.2.2.2 蜗轮的齿面接触疲劳强度校核蜗轮的齿面接触疲劳强度校核首先蜗轮蜗杆材料选用：蜗轮选用铸造锡青铜：zCuSn10P1;蜗杆选用 20Cr.蜗轮蜗杆中心矩a=125 （3-54）2221xmdd25 . 05220550mm根据接触疲劳强度公式：=Z （3-55）HEZ 32aTK Z 材料的弹性影响系数，单位是 Mpa .E对于青铜或铸铁蜗轮与钢蜗杆配对时取=155 。EZMpa21两材料的接触系数：Z由文献1表 11-18 查得：Z =2.5工作载荷系数，K= （3-56）KAK K VKK其中：机械使用系数，AK由文献1表 10-2 得：=1.15AK齿面载荷分布系数K由文献1表 10-4 得：K动载系数，VK青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书19由文献1图 10-8 得：=1VK齿间载荷分配系数，K 由文献1表 10-3 得：=1Ktan （3-57）1011qZ得：5.71= （3-58）2T15799. 098. 03 .152mN 滑动速度：Vs= （3-59）smndV/44. 071. 5cos10006041411 . 05014. 3cos100060cos111查文献1表 11-18 蜗杆传动的当量摩擦角 25. 3v （3-60）634. 0)25. 371. 5tan(101)tan(tanv （3-61）615. 099. 098. 0634. 0总其中轴承效率 0.99 搅油效率 0.98 （3-62）1TNiT04. 6634. 0411572总所以接触疲劳强度155 （3-63）HMpa8 .117125. 01571115. 15 . 21033其中蜗杆螺旋面强度 268Mpa:铸造锡青铜蜗轮的基本许用应力。由文献1表 11-7 查得：H= 268，HMpa=K=0.86 268=231.4 （3-64）HFNHMpa青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书20其中蜗轮蜗杆工作寿命系数， FNKN 为应力循环系数：N=60 j nL =60 1 0.6 41 21900=32324400 （3-65） 2h J:蜗轮每转一次，每个轮齿的啮合次数.这里取 j=1;n :蜗轮转速, n =24.6;22min/rL :工作寿命,h=365 6 10=21900h （3-66）hL =0.86 （3-67）FNK8710N,蜗轮的齿根弯曲疲劳强度满足使用条件。F F3.1.2.2.3 蜗轮的齿面弯曲疲劳强度校核蜗轮的齿面弯曲疲劳强度校核根据公式：= （3-68）FFFaYYmddKT221253. 1其中：Y蜗轮齿形系数，2Fa可由蜗轮的当量齿数 Z 及蜗轮变位系数 X 决定。2V2可由文献1图 11-19 查得 Y=3.02FaY 螺旋角影响系数，Y =1-=1-=0.959 （3-69）14014071. 5 =() 3.0 0.959=1.55 （3-70）F5205. 005. 015715. 153. 1410Mpa=0.86 56=48.16 （3-71）FFNKHMpa其中可由文献1表 11-8 查得: =56HHMpa青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书21为寿命系数: FNK,蜗轮的齿根弯曲疲劳强度满足使用条件。FF3.1.2.2.4 蜗杆的刚度校核蜗杆的刚度校核蜗杆受力后如产生过得变形，就会造成轮齿上的载荷集中，影响蜗轮与蜗杆的正确啮合。所以需进行蜗杆的刚度校核，其校核刚度条件为：= （3-72）y yLEIFFrt212148其中y蜗杆材料许用的最大挠度。 =0.05 （3-73）y10001d100050mm其中 d 为蜗杆分度圆直径。1E 蜗杆材料的弹性模量。 E=2.07510MpaI 蜗杆危险截面的惯性矩。（3-74）I6441fd其中 d为蜗杆的齿根圆直径。1f d=38mm1f =1.02 10 （3-75）I643845L 蜗杆两端支撑点间的跨距。 L0.9d =0.9=184.5 （3-76）2205mm 蜗杆所受的圆周力。1tF=241.6 （3-78）1tF112dT05. 004. 62N 蜗杆所受的径向力。1rF青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书22=tan20 =557.5 （3-79）1rF2tF tantan222dT205. 01572N其中为蜗轮齿形角。=20184.5 =0.00375 （3-80）643814. 31007. 2485 .5576 .2414522y30.003750.05=,蜗杆的刚度满足使用条件。yy3.1.2.2.5 蜗杆传动的润滑方法蜗杆传动的润滑方法根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度 V =0.44，ssm/载荷类型为重型载荷，故可采用油池润滑。3.1.2.2.6 一级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置一级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置=+ （3-81）0tatsPd11000其中周围空气的温度，常温情况下可取 20。at蜗杆蜗轮的传动效率。0.634箱体的表面传热系数，可取=(8.1517.45),w/(m.)，dd当周围空气流动良好时可取偏大值。这里取17ddP输入功率。 =6.04 41 41=0.637 （3-82）PwT 26026 . 0kw=20+=20+43=63 （3-83）0t26 . 035. 017634. 01637. 0）（6380其中 80为其临界温度。故在通风良好的情况下，不需要加散热装置。3.1.2.2.7 一级涡轮蜗杆传动涡轮轴的校核一级涡轮蜗杆传动涡轮轴的校核青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书23图 3-3 轴的结构与装配按扭转强度条件计算1T2tF2aF1rF1tF1aF592281R2R(a)2tF1rF592281R2R220.4N.mHM592281R2R1tFM2rF2rF826.4N.m(b)(c)青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书24 132.6N.m482.0N.mVMT 图 3-4 轴的载荷分析图其中=3384.4 =5828.5 =1531.71tFN1rFN1aF2tFN =1531.7 （3-84）2tF222dTN = =557.5 （3-85）2rF2tFtanN=956.7 （3-86）2221MMM224824 .826mN.=131.1ca2224WTWMWTM22322901 . 010001573 . 010007 .95614, 取 Z =20 Z =1.4 20=28 则=9.525min12bPmm3.1.2.3 计算带轮节圆直径=60.67 （3-89）11ZPdb20525. 9mm=84.94 （3-90）2d2ZPb28525. 9mm3.1.2.4 计算带长L =2 acos+ （3-91）p0221dd 18012dd 要求：0.7 （3-92）21dd 0a212dd 即 102mm0a2 .291mm取 a =2000mm=arcsin=3.48 （3-93）add212则 L =2+3.14/2+3.14/180 p998. 020094.8467.6067.6094.8448. 3 =629.3mminv=3.14=14.92 （3-94）122ZZZZb20282866青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书265 .86实际中心距=198.8 （3-95）cos2120ZZPabmm3.1.2.5 带轮传动额定功率（3-96）ZKP 0PKW=1 =1 （3-97）ZKWK14. 10ssbbb=25.4mm b 估计为 25.4mm0ss3.1.2.6 轮宽b=25.4=24.42 （98）sb0s14. 110PKPZd14. 1115. 111 . 1mm所以可取为 25.4.sbmm3.1.3 回转机构中标准件的校核回转机构中标准件的校核3.1.3.1 轴承校核轴承校核3.1.3.1.1 一级涡轮蜗杆传动蜗杆轴轴承校核一级涡轮蜗杆传动蜗杆轴轴承校核选取 7009AC 角接触球轴承正装=241.6 =557.5 =1531.71tFN1rFN1aFN 1rF1tF1aF图 3-5 轴承受力图青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书27求的轴承处支反力 =303.81R2R2225 .55726 .241N轴向力 F=1531.7aeN派生轴向力=0.68=206.61dF1RN =0.68=206.62dF2RN+F1dF1a2dF所以轴承 1 放松，轴承 2 压紧轴向力=206.61aF1dFN = +F=1738.32aF1dFaeN=0.680.711RFa8 .3036 .206则当量动载荷=206.61rP1RN22RFa7 . 08 .3033 .1738则当量动载荷=0.41+0.85=0.41=1602.282rP2R2aF5 .173885. 08 .303N所以2dFaeF1aF所以轴承 1 压紧，轴承 2 放松青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书29轴向力= + F=1290.1+2853.3=4143.41aF2dFaeN =2853.32aF2dFN=0.9660.7总11RFa8 .41584 .4143则当量动载荷=0.41+0.85=5185.41rP1R1aFN总22RFa7 . 068. 01 .41963 .2853则当量动载荷=4196.12rP总2RN所以,校核轴承 11rP2rP=3.9 （3-100）nLn60106PC36 . 041601064 .518510002 .433510h符合要求3.1.3.2 键的选择与校核键的选择与校核3.1.3.2.1 一级涡轮蜗杆传动：依据轴颈查文献1表 6-1 取l=2263bh14mm校核： =11.7=120150（3-101）pkldT32102852263145 . 01015723MpapMpa符合条件3.1.3.2.2 二级涡轮蜗杆传动依据轴颈查文献1表 6-1 取l=3280bh18mm校核=95.3=120150（3-102）pkldT321021282280185 . 010318523MpapMpa符合条件3.2 倾斜机构的设计倾斜机构的设计青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书303.2.1 倾斜轴的设计倾斜轴的设计3.2.1.1 倾斜轴尺寸计算倾斜轴尺寸计算估计回转工作台及回转机构的总重量=20009.8=19600GKg N其对倾斜轴的最大倾覆力矩=19600=15484 （3-103）TMG22eh 2225. 075. 0mN 预估滑动轴承处轴颈 120mm 则=1+=1+0.5 120/2 400=1.0225 （3-104）fKRfd2主轴在=90 =0 时支反力=1C3 . 14 . 0196009 . 04 . 025. 03 . 15 . 00225. 1 =45092.3N主轴在= =90 时K支反力K21CC12RG221ehRf =019. 14 . 04 . 021960022eh =33305.9N C 取大值1所以实心轴颈=76.7 （3-105）d 3115lC 36106012. 03 .450925mm取=120mm 符合条件d3.2.1.2 倾斜轴的强度校核倾斜轴的强度校核倾斜轴强度校核=37.1 222212234tFehWLG41960022223201. 0204. 025. 09 . 0312. 01 . 03 . 1Mpa （3-106）倾斜轴选用 45 号钢调质=60 Mpa青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书313.2.2 齿轮设计齿轮设计扇形大齿轮选取 =8 =101mZ传递齿轮选取 =8 =67mZ小齿轮选取 =8 =17mZ倾斜机构齿轮为开式传动，按齿根弯曲疲劳强度校核倾斜机构的齿轮为开式传动，校核其齿根弯曲疲劳强度：公式为= （3-107）FbmYYKFSaFat F扇形大齿轮： =38326.7tFdT2808. 0154842N =1.0=1.518KVAKKKK38. 11 . 10 . 1 =2.18FaY =1.79SaY =70bmm =8mmm 则=405.4F61087079. 118. 27 .38326518. 1Mpa=489.2 （3-108） FSKNlim3 . 15302 . 1Mpa 符合要求F F传递齿轮： =38326.7tFdT2808. 0154842N =1.0=1.529KVAKKKK39. 11 . 10 . 1 =2.25FaY =1.74SaY =87bmm青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书32 =8mmm 则=329.6F61088774. 125. 27 .38326529. 1Mpa=486.9 FSKNlim25. 153015. 1Mpa 符合要求F F小齿轮：=38326.7tFdT2136. 02 .26062N =1.0=2.244KAK K VKK04. 21 . 10 . 1 =2.97FaY =1.52SaY b=110mm m=8mm 则=441.2F610811052. 197. 27 .38326244. 2Mpa=530.8 FSKNlim3 . 160015. 1Mpa 符合要求F F3.2 底座和箱体的简单设计底座和箱体的简单设计底座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗振性能；当同时用作滑道时，滑道部分还应具有足够的耐磨性。此外，对具体的机械，还应满足特殊的要求，并力求具有良好的工艺性。底座和箱体的结构尺寸和大小，决定于安装在它的内部或外部的零件和部件的形状和尺寸及其相互配置，受力与运动情况等。设计时应使所装的零件和部件便于装拆与操作。底座和箱体的一些结构和尺寸，如壁厚，凸缘宽度，肋板厚度等，对机座和箱体的工作能力，材料消耗，质量和成本，均有重大的影响。但是由于这些部位的形状不规则和应力的分布复杂性，基本上按照经验公式，经验数据，或比照现用的类似机件进行设计，而略去强度和刚度等的分析与校核。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书33此次论文设计采用的机座和箱体的设计采用经验公式和比照的方法进行设计。结论结论本论文结合 1t 座式焊接变位机的基本要求和特点，对焊接变位机的设计进行了阐述以及计算，所做的工作主要有以下几个方面：（1）焊接变位机械的分类（2）座式焊接变位机的组成（3）座式焊接变位机的工作原理（4）回转机构中减速器、转轴、轴承等的设计（5）倾斜机构中齿轮、滑动轴承等的设计（6）回转机构装配图的绘制（7）座式焊接变位机装配图的绘制（8）回转机构箱体零件的绘制青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书34参考文献参考文献1 濮良贵,纪名刚. 机械设计(第八版)M.北京:高等教育出版社,2006.2 机械设计手册(新版 3)M.北京:机械工业出版社,2004.3 朱龙根. 简明机械零件设计手册M.北京:机械工业出版社,1997.4 周寿森. 焊接机构生产及装备M.北京:机械工业出版社,1999.5 中国机械工程学会,焊接学会. 焊接手册M.北京:机械工业出版社,1992.6 焦馥杰. 焊接结构分析基础M.上海:上海科学技术文献出版社,1991.7 曾乐. 焊接工程学M.北京:新时代出版社,1986.8 沈世瑶. 焊接方法及设备M.北京:机械工业出版社,1982.9 上海船舶工业设计研究院,机械工业部第五设计研究院,北京船舶工程第五设计研究所. 焊接设备选用手册M.北京:机械工业出版社,1984.10 美国焊接学会,韩鸿硕,张桂清. 焊接新技术M.北京:宇航出版社,1981.11 薛迪目. 焊接概论M.北京:机械工业出版社,1987.青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书3512 机械设计手册(第二版)M.北京:机械工业出版社,2004.13 刘鸿文. 材料力学M.北京:高等教育出版社,2006.14 张海根. 机电传动控制M.北京:高等教育出版社,2001.15 陈于萍,周兆元. 互换性与测量技术基础M.北京:机械工业出版社,2007.16 李庆芬,朱世范,陈其廉. 机电工程专业英语M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007.致谢致谢本次论文是在终结大学四年学习的情况下进行的，力求对大学之所学能够来一次集中巩固及其创新利用。它涵盖面很广，涉及了机械的所有内容，是培养高级工程技术人才的一次综合训练。经过论文的选材，开题，构思，设计等一系列的训练，相信自己对设计有了进一步的认识，在计算能力，英文文献阅读翻译，查找相关信息等多种能力得到了一次深刻的锻炼，在整个过程中，可以说完成了工程师基本训练和逐步具有从事科学研究的工作能力，受益匪浅，相信对以后的学习工作会有很大帮助。本论文是在刘琨明老师及其院里老师的悉心帮助，指导下完成的，在此表示真诚的谢意！青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书36附件附件 1外文资料翻译青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书37外文资料翻译 1高精度数控焊接变位机控制系统设计与实现高精度数控焊接变位机控制系统设计与实现石圩，樊丁，陈剑虹摘摘要要：研制弧焊机器人用数控焊接变位机对弧焊机器人柔性加工单元( WE MC)的设计具有重要的意义。作者以基于数字信号处理器(DSP) 的研华多轴运动控制卡 P C L-8 3 2卡为设计核心，采用基于模糊规则的智能双模协调控制器，即采用比例积分微分控制器(PID)和模糊控制器的加权合成算法，控制过程中模糊控制器和PID控制器同时输出控制量，当控制误差较大时模糊控制器的输出权重较大，而当控制误差较小时PID控制器的输出权重较大，有效避免了变结构控制器切换过程中的震荡，实现了焊接变位机的高精度位置控制。作者对实时控制软件的结构设计和实时性要求进行了详细的理论分析，提出了基于DOS(Disk operation system)系统下的高精度数控焊接变位机多任务实时控制软件的设计与实现方法。进行了多种工件的焊接试验，试验表明该控制系统工作可靠，效果良好。关键词关键词：数控焊接变位机；智能双模控制器；实时多任务控制系统；弧焊机器人 0 0 序言序言青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书38近年来，为了适应快速变化的市场需求，生产商频繁地更换产品的品种和批量，这就对生产设备的自动化程度和柔性化程度提出了很高要求。弧焊机器人柔性加工单元正是一种具有柔性化特点的高度自动化焊接设备。它不仅能提高焊接生产率、产品的焊接质量和可靠性、加工柔性和制造精度，而且还能改善工人的劳动环境，降低劳动强度，提高经济效益。目前，我国研制的焊接机器人尚未产业化，焊接柔性加工单元技术尚处于探索阶段，国内生产、应用主要靠全套引进。弧焊机器人在国外已经批量化，价格相对较低，而与机器人相配套的数控变位系统却因加工对象而异，多属单件生产，因此价格往往是机器人本身价格的37倍。作者的研究目的是在进口弧焊机器人的基础上，再根据特定产品，自行研制焊接变位机等机器人的外围设备及控制系统，可以节约大量外汇，实现低成本焊接自动化。高精度数控焊接变位机控制系统必须具有合理的体系结构、较强的数据运算和处理能力、良好的信息融合控制功能，以及开放的软硬件接口。 1 1 系统的硬件组成系统的硬件组成根据设计要求，变位机载重500kg，能在两旋转轴所确定的空间旋转并可在任意位置定位，且要保持速度均匀，这就要求对电机实行速度和位置控制。作者选用了交流伺服控制系统，并采用工业控制计算机作为核心，应用全闭环控制方案，保证在恶劣条件下系统的控制精度与工作可靠性。图1为控制系统的硬件结构框图。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书392 2 控制结构及算法控制结构及算法 2.12.1 控制结构控制结构按伺服系统的反馈控制方式来分，可分为开环控制、半闭环控制和全闭环控制三种方式。由于全闭环结构的位置检测元件安装于主轴上，理论上可以消除机械传动误差如齿轮间隙等引起的控制误差，可以获得很高的到位精度，因此数控焊接变位机控制系统采用全闭环控制方案。 2.22.2 智能双模控制算法智能双模控制算法在数控焊接变位机的位置控制中,由于系统传动链中有的运动副如齿轮等存在间隙或失动量,使得变位机的位移与指令之间出现非线性关系。同时当变位机工作台倾斜运动时，由于工件及工作台的重心高及偏心矩不断变化，造成电机的输出转矩不断改变，而且焊接工件的形状及重量多变，使得变位机的控制存在严重的非线性;再加上交流电机是一个高阶次、强耦合、参数时变的非线性控制对象，尤其是调速方式更增加了其动态过程的复杂性。因此，被控的交流伺服驱动系统具有很复杂的多重非线性关系,难以建立起准确的数学模型。传统的比例积分微分控制器(PID)智能化程度不高，其参数整定后就不再改变，自青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书40适应能力差，对于高度非线性、时变的系统不能满足控制要求，但PID控制器在小偏差范围内有较高的控制精度。模糊控制是一种模仿人类思维方式的智能控制算法，它不需要被控对象的精确模型，对非线性系统有很好的适应能力，但是由于缺少积分环节，稳态静差难以消除。结合二者优点，作者采用了加权合成算法的智能双模模糊-PID控制器。控制过程中，采用 FuzzyPID型的变结构控制，或者采用其它类型的多控制器变结构控制时，对确定的系统，适当选取切换点可以解决变结构控制问题，但切换点的选取有时并不准确，而且不同控制器之间的切换，容易导致控制量的突变。常规的变结构控制是一个非 0即1的精确选择，但实际上，不同控制器在不同误差域都是有定效果的，差别仅在于控制性能的好坏而已，因此绝对地选择控制器将会丢失有用的控制信息。针对上述缺点，采用基于模糊规则的多控制器协调控制，控制器结构如图2所示。把PID控制器称为A，模糊控制器称为B，把误差大小依次分成七个等级 E=6，5,4,3,2,1,0。采用如下控制规则，当误差很大时，完全由B控制；当误差很小时，完全由A控制；误差较大时，B控制作用强，A作用弱；误差较小时，A控制作用强，B作用弱。把总的控制作用最后通过对两个控制器的加权合成来得到。用正态型模糊变量来描述模糊概念，因纯正态函数是凸型函数，不满足单调递升或单调递减的需要，采取由正态函数变化而来的S型函数。其表达式如下青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书41将所确定的隶属函数在误差论域点离散化，取=0.4，则不同误差域控制器的作用强度如表1所示。这样，系统控制作用就由PID控制器U (k)和模糊控制器U (k)共同决定。即 AB2.3 速度控制速度控制在每一个控制循环中，电脑输出脉冲给每一根轴，对于每一个脉冲输出，伺服电机驱动器比伺服电动机快一步，一个脉冲代表一个位置命令，脉冲频率代表轴的移动速度，脉冲数量代表位移量。在控制过程中，有两个主要的影响位移速度的因素，第一个是控制循环的时间间隔，第二个是每一个控制循环中的脉冲数量。根据控制精度的要求，控制循环的时间间隔定为 5ms，所以，在系统中，影响位移速度的因素是在每一个控制循环中的脉冲数量，脉冲循环的周期是非常短的（毫秒级），甚至在每一个控制循环中，移动速度随偏差不同，但是在显微镜中的执行结果是平稳的移动速度。3 控制系统的软件结构控制系统的软件结构数控变位机的软件是在面向对象环境中编程的，整个系统有初始化模块，通信模块，误差处理模块，I/O 控制模块，显示模块，技术模块，编辑和文本处理模块，插补计算和伺服电动机械控制模块等等，这些不同的模块有不同的任务，他们能划分成两类，实时任务模块和非实时任务模块，实时任务模块根据重要程度被划分成不同的优先程度，图 3 定义了模块类型。在传统的单任务控制系统机制中，单循环是主要的结构，所有的模块整体运作，但实际上每一个模块有不同的执行频率，在这样的结构中去满足复杂的时间协调要求是非常困难的。考虑到数控变位机的控制系统必须划分成多个模块，他可以定义为子任务，多任青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书42务机制应该用来执行这些任务，在多任务控制系统中，每一个模块在执行完成后反馈给系统安排，任务的执行结果是可变的，他可以在执行过程中动态的改变，每一个子任务的优先权决定他的执行频率，有高优先权的的任务有高的执行频率，每一个任务在他各自的时间中运行，控制系统中复杂的实时要求应该通过设定合理的时间和每一个任务的优先权实现。4 4 实验结果实验结果4.14.1 双模控制器仿真控制结果双模控制器仿真控制结果为了检验双模控制器的控制效,对其进行了仿真试验，作为对照，把经典 PID 控制、模糊控制和双模协调控制都集中在一起，便于比较.图 4 是系统阶跃响应曲线的仿真结果。从图 4 中可以看出，P I D 控制有几次超调，随着输入频率的增大，超调量也增大，且过渡时间较长，导致指令在稍有变化后，响应不能及时跟踪指令的变化，控制精度低。模糊控制响应快，但稳态精度低。只有双模协调控制既超调很小，又达到很高的稳态精度，控制效果好。从计算机仿真的结论来看，文中提出的方法能有效地协调系统的动静态特性之间的矛盾，满足了系统对位置控制的要求。 4.2 位置控制的试验结果图 5 为位置误差测试曲线。误差通过检测光电编码器位置反馈与给定量的差值得到。光电编码器选用 2500 个脉冲转，经 4 倍频后达 100 000 个脉冲转。从三条误青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书43差曲线可看出，其共同趋势是，在指令突变时，误差曲线也变化剧烈，容易产生振荡。不同的是，模糊控制误差曲线突变大，但能很快进入稳定；P I D 控制突变不如模糊控制明显，但需要多次反复才可稳定下来；而双模协调控制误差曲线则规则得多，突变不明显，最后实际静差在 4 - 5 个脉冲范围内变化。由此可知其理论位置控制。相对误差为 5100000=0.0 0 5(变位机运行在 360 以内)。绝对误差为 53.1 41000100000= 0.157 turn （工作台边缘，工作台直径为 1000 mm）。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书44同时为了验证整个控制系统的控制精度和可靠性，对典型焊件进行了多次焊接试验，结果证明该系统满足与机器人配合工作的位置控制和速度控制精度要求。5 结论结论(1)作者所设计的双模智能控制器，既利用了模糊控制在误差较大时调节快的优点，又利用了传统 PID 控制在误差小时的调节精度高的优势，提高了高精度数控焊接变位机控制系统的响应速度和定位精度。(2)控制系统引入多任务机制，可以有效地改善程序结构，提高系统的实时性，满足复杂系统的控制要求。(3)所设计的高精度数控焊接变位机控制系统，软硬件结构合理，运行可靠，精度高，在应用中获得了良好的效果。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书45外文资料翻译 2第 28 卷第 7 期焊接学报 Vo1.28 N o.7镍基高温合金小截面方管焊接温度场的数值模拟镍基高温合金小截面方管焊接温度场的数值模拟王俊恒，张广军，高洪明，吴王俊恒，张广军，高洪明，吴林林摘摘要要：利用无接触简化模型进行小截面方管并行排列焊温度场的计算，结果与测量结果的对比表明，此模型应用到小截面方管温度场的数值模拟中存在很大误差。从热和力的角度对小截面方管与胎具问的关系进行简单分析，解释了误差产生的原因。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书46并以此为基础，建立了小截面方管并行排列焊的接触模型，采用直接约束法处理焊接过程中小截面方管与胎具的接触传热与受力问题，得到了焊接温度场的变化规律和分布情况。结果表明，在焊缝附近形成了一个“T”字形温度场；焊后冷却一段时间后，出现两端温度低、中间温度高的现象。这种情况与实际的焊接状况较一致。关键词关键词：小截面方管；接触；直接约束法；温度场；应变0 序言序言某产品由镍基高温合金小截面方管并行排列焊接而成。该焊件具有壁薄、焊缝密集、受热易变形等特点，给焊接生产带来很大困难。常常因为焊接变形，导致工艺参数不好掌握，出现焊穿、焊漏、未焊透等缺陷；焊接时，不仅由于方管向上挠曲，导致钨极与工件短路形成夹钨，还由于横向收缩累积导致间隙过大，焊接工艺参数没有及时调整使焊接过程被迫中断。如何解决实际工程中的这些问题，成为当前十分迫切的需要。焊后接头区域的变形及残余应力分析，是焊接生产比较关心的问题，数值模拟作为一种手段，对这些方面可提供有效的预测，但这要建立在准确的温度场基础之上。因此，为弄清小截面方管焊接过程中温度场、应力场及变形的规律，给实际焊接生产提供理论性指导，有必要对方管焊接问题进行数值模拟方面的研究。在数值模拟方面，已有很多人对焊接过程的数值模拟进行研究和分析，但研究的多是平板、圆管对接之类的典型结构，而非典型结构，尤其小截面方管并行排列焊结构却鲜有报道。在无接触模型与实际情况不相符合的情况下，针对小截面方管并行密排焊的结构特点及其与胎具的相互关系，建立了小截面方管与胎具的接触有限元简化模型，采用非线性有限元方法，对小电流 TIG 焊接条件下，方管与胎具间的动态接触与分离进行了模拟，变接触热传导的基础上，对方管的温度场进行了模拟，得到了焊接过程中的温度变化规律和分布情况。1 焊接温度场的初步模拟及试验焊接温度场的初步模拟及试验1.1 截面方管焊接温度场的初步模拟截面方管焊接温度场的初步模拟小截面方管的有限元模型和焊接方向如图 1 所示，模拟时取方管长度 l=120mm,引弧点和熄弧点与两端面分别相距 10mm。焊接工如表 1 所示。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书47 由于小电流 TIG 焊接对熔池的冲击力比较小，所以对于这种焊接方法在初始计算时依据前人的经验采用 Gauss 热源模型。下面为 Gauss 热源模型表达式。式中：q(r)为热流密度；q 为加热斑点中心最大热流；K 为能量集中系数；r 为任一点到加热斑点中心的距离。温度边界条件包括接触传导、对流和辐射三种类型，用以反映焊件与周围环境，以及焊件与工作台之间的热量传输关系。对于对流和辐射边界条件，利用总换热系数来处理，关系式为式中：H 为换热系数；T 为工件温度；T 为环境温度。wc 位移边界条件则定义了起弧端和收弧端，u ，u ,u 方向上的位移约束，使其能反xyz映出焊件与工装夹具之间的装夹关系。焊接是一个动态的局部热加载过程，如何选取材料的热物理性能参数，使其较为青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书48精确地反映出材料的物理及力学性能与温度之间的非线性变化关系，对模拟结果的准确性起决定性的作用。模型采用的参数部分引用了文献12的数据，如图 2 所示，并对低温参数曲线做适当的外推，得出高温参数。 1.2 小截面方管焊接温度场的测量试验原理小截面方管焊接温度场的测量试验原理温度场测量试验采用镍铬镍硅 K 型热电偶，在焊件与焊道垂直的中截面和距起始端 9mm 的截面上分别取 3 个点进行温度的测量。测量点排布如图 3 所示。其中距离上表面 1.6mm，T 距离方管右侧表面 38mm，距离方管右侧表面 1.2mm。2而 T ，T ，T 分别与 T ，T ，T 位置相对应。4561231.3 小截面方管焊接温度场的测量试验结果小截面方管焊接温度场的测量试验结果利用无接触模型得到的热循环试验结果与计算结果分别如图 4 和图 5 所示。通过两图比较可以看出，两截面节点的热循环趋势是相同的，焊接热源到达中截面之前温度变化不大，之后温度快速升高随着焊接热源远离中截面，温度较快地下降,但不及升温时迅速，焊接后随着冷却的进行，温度变化趋于平缓。但是试验测得的最高温度青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书49约 630，模拟结果却在 770以上，误差很大。且没有反映出 90mm 截面温度下降快，在冷却 120s 左右与中截面温度曲线有交叉的情况。1误差分析和接触有限元模型误差分析和接触有限元模型 2.1 误差分析误差分析为了考察误差产生的原因，文中从热和力的作用两方面对小截面方管焊接过程模拟的误差进行了分析。就热作用而言，焊接过程中，方管不仅与周围场环境进行辐射和对流，更与胎具接触进行热传导，在接触面其传热能力是辐射对流的 1/100-1/10，而模拟中却用总换热系数统一处理，因此温度误差较大。青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书50 就力作用而言，焊接过程中，方管向下挠曲将受到胎具的阻碍作用，而向上则可自由挠曲，没有接触的模型无法解决这种复杂的受力情况，所以当夹紧装置的拘束还没有去除时，方管已经表现出向下的挠曲了，与实际情况出现较大的差异。因此，有必要采用接触模型来进行数值模拟。图 6 是冷却 125

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