关 键 词：

0.1 普通 焊接 变位

资源描述：

0.1t普通座式焊接变位机,0.1,普通,焊接,变位

内容简介：

西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 I 页西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）0.1t普通座式焊接变位机年 级:2002级学 号:20023237姓 名:贺有旭专 业:材料加工工程指导老师:周友龙2006年 6月院 系 材料科学与工程学院 专 业 材料加工工程 年 级 2002级 姓 名 贺 有 旭 题 目 0.1t普通座式焊接变位机 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 62 页毕业设计（论文）任务书班 级 材料025班 学生姓名 贺 有 旭 学 号 20023237 发题日期：2006年 3月10日 完成日期： 6月 15 日题 目 0.1t普通座式焊接变位机 1、本论文的目的、意义 焊接变位机是将工件回转、倾斜，以便使工件上的焊缝至于水平和船形位置的机械装置，主要用于机架、机座、机壳等非长形工件的焊接。 座式焊接变位机是应用最广的一种焊接变位机，载重量一般为150吨，本设计主要进行0.1t的普通座式焊接变位机的设计，该装备是以电动机减速机驱动工作台回转并倾斜的焊接变位机械，是适应相关工件焊接需要而出现的焊接设备。 2、学生应完成的任务： （1） 设计图纸A0当量大于3张； （2） 设计说明书一份； （3） 英文翻译一份； （4） 设计日志一份 3、论文各部分内容及时间分配：（共 15 周）第一部分 查阅文献及调研 (1周)第二部分总体设计方案的比较论证及拟定 (2周)第三部分传动机构的设计及计算校核、修改 (3周)第四部分绘制设备机构及零部件图 (8周)第五部分毕业论文的撰写 (2周)评阅及答辩 ( 周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘 要焊接变位机是一种焊接辅助设备，它与焊接操作机、焊接滚轮架并称为焊接辅助设备中三大机。焊接变位机是应焊接行业的机械化、自动化发展需要而产生的。焊接变位机作为一种焊接配套设备，用于管子横向对接焊接，管子与法兰内外环缝焊接，管子对管子全位置焊接。焊接变位机可水平翻转角度，通过工作台的回转及翻转运动使工件上焊缝处于最理想的位置进行焊接，从而大大提高焊缝质量，减轻焊工劳动强度，尤其是适合焊接各种轴类、盘类、筒体等回转工件的理想设备。本设计分析了解国内外焊接变位机的发展状况、以及焊接变位机在焊接机器人中的应用，设计了一种0.1吨小型座式焊接变位机。该变位机具有两个自由度，有两套独立的驱动和传动装置。可以方便实现工件的旋转和倾斜翻转，从而能使焊缝变化到平焊位置或“船形”位置。文中对驱动力的计算、机架的设计进行了说明，尤其是对传动装置的设计进行了重点说明。本焊接变位机采用直流电机减速机驱动工作台回转并倾斜，具有运动精度高、惯量小、制动性和稳定性好，可实现无级调速，方便实现正反转等优点。批量生产可获得比较高的经济效益。关键词： 焊接变位机； 变位自由度； 焊接辅机； 焊接自动化设备；AbstractWelding positioner is a kind of welding auxiliary equipment, it was known as the three planes in welding auxiliary equipment with welding manipulator, welding roller bed. Welding positioner was designed with the development of welding industry mechanization, and automation. As a welding auxiliary machine, welding positioner was used in pipes landscape orientation welding, pipe and flanges inside and outside central linking welding, pipe welding in all location. Though the gyration and retroflexion of the workbench, the welding positioner can make the welding line to an ideal position, which can improve the quality of the welded joint, reduce welders workload. It is ideal equipment especially fit to weld the kinds of workpiece, just like the shaft, tray, canister, and so on.By understanding the welding positioner s development in domestic and overseas, and the positioner used in welding robot is described in the paper. A small block 0.1 ton s of welding positioner is designed. The positioner has two freedoms of motions and two unattached formula driving device and gearing. It can easily achieve the gyration and the inclination of the workpiece, thereby changing welding seam to downhand position or “ship form” position. the count of driving power is calculated, the framework of the welding positioner is designed, especially the gearing.This welding positioner used DC motor and slowdown plane to drive the workbench to gyration or inclination. It has some advantages, such as a high-precision movement, inertia small, good braking and stability. It also can easily achieve stepless speed regulation, positive or negative turns. Because of its notables economic benefit, if it would been produced largely.Key words: welding positioner，freedom of deflection，welding auxiliary machine， welding automatic equipment.目录第一章 绪论11.1 设计焊接变位机的意义11.2 国内外焊接变位机发展简介11.3 我国焊接辅助设备简介31.3.1 我国焊接辅助设备的发展历程31.3.2 焊接辅助设备的发展趋势41.4 关于焊接机器人51.4.1 国内焊接机器人技术的发展51.4.2 我国焊接机器人的应用状况51.4.3 应用焊接机器人的意义61.4.4 我国焊接机器人应用工程71.4.5 焊接机器人的最新应用技术81.5 关于焊接变位机的几个基本定义91.5.1 焊接变位机的定义91.5.2 主自由度及全功能焊接变位机91.5.3 焊接变位机的变位自由度101.5.4 变位机的第一主参数 - 额定负荷101.6 焊接变位机的分类111.6.1 焊件变位机的类型111.6.2 焊机变位机械的类型131.6.3 焊工变位机的类型141.7 几种常见的焊件变位机的类型及特点141.8 设计本焊接变位机的目的和意义16第2章 总体设计172.1 本焊接变位机总体设计及适用范围172.2 设计方案的确定17第3章 传动部分设计213.1 传动部分的总体设计要求213.2 传动系统的分析和拟定213.3 本焊接变位机传动系统的确定233.3.1工作台回转系统233.3.2 工作台倾斜系统233.4 电动机的选择243.4.1 电动机类型的选择243.4.2 电动机功率的确定273.4.3电动机转速的验证333.5 传动比的拟定及确定343.5.1 总传动比的确定343.5.2 各级传动装置传动比的分配343.5.3.计算传动装置的运动和动力参数363.6 蜗轮、蜗杆的选择及校核383.6.1 蜗杆传动的特点383.6.2 蜗杆头数和蜗轮齿数的选择393.6.3 蜗杆传动的强度计算403.7 齿轮的设计与校核423.7.1 工作台倾斜机构中的齿轮的设计与校核423.8 谐波齿轮减速器的选择443.9 轴的设计与校核473.9.1 轴的结构设计原则473.9.2轴的初估473.9.3 轴的强度校核483.10 轴承的选择与校核523.10.1 轴承的选择523.10.2 轴承的校核52第4章 机架的设计554.1 机架的设计554.2 机架焊接结构设计564.2.1 机架应用焊接结构存在的问题564.2.2 焊接结构的设计措施57结论58致 谢59参考文献60第一章 绪论1.1 设计焊接变位机的意义焊接技术自发明至今已有百余年的历史，工业生产中的一切重要产品，如航空、航天及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术。其焊接质量的好坏直接影响产品质量的好坏，直接影响整机性能。所以改进焊接技术，提高焊接质量对工业现代化起着重要的作用，其中提高焊接机械化、自动化水平，实现焊接工艺及装备的现代化是改进焊接质量的一个重要方面，一般来说焊件的质量比较重，靠人工改变焊缝位置很不容易，且效率十分低下。这样在焊接生产中，就会遇到焊接变位及选择合适的焊接位置的情况，针对这一实际需要，人们就设计研制了焊接变位机，选择合适的变位机能将被焊工件的各类焊缝转动到最佳位置,从而避免立焊、仰焊，提高焊接质量及生产效率。变位机可以使工件上的接缝处于理想的船形位置或平焊位置进行焊接，是提高焊接效率和质量，降低劳动强度的有效廉价工具。另外,选择合适的变位机能降低工人的劳动强度及生产成本,加强安全文明生产,有利于现场管理。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，在焊接领域把它划为焊接辅机，它与焊接操作机、滚轮架并称为焊接辅机中三大机。 近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，获得了广泛的应用。就型式系列和品种规格而言，已问世的，约有十余个系列，百余品种规格，正在形成一个小行业。1.2 国内外焊接变位机发展简介一般说来，生产焊接操作机、滚轮架、焊接系统及其他焊接设备的厂家，大都生产焊接变位机，生产焊接机器人的厂家，大都生产机器人配套的焊接变位机。但是，以焊接变位机为主导产品的企业，非常少见。德国Severt公司，美国Aroson公司，我国天津鼎盛工程机械有限公司等，算是比较典型的生产焊接变位机的企业。德国的CLOOS、奥地利Igm、日本松下机器人公司等，都生产与机器人配套伺服控制的焊接变位机。美国Aroson公司生产的焊接设备有焊接变位机、操作机、滚轮架等，可称世界之最。这个公司生产的焊接变位机，主要类型为倾翻回转式、倾翻回转升降式、双座双回转式，双座单回转式和双座单回转升降式。其承载能力范围为11 kg1810吨。德国LCOOS公司是国际上生产焊接设备的大型公司之一。生产焊接机器人、焊机等产品。也生产作为焊接机器人外部轴的焊接变位机。在我国，除可见到与焊接机器人系统配套进口的L型双回转式、倾翻-回转式和单回转式变位机外，还生产卧式单坐单回转WPV、立式单回转RR502以及各种多轴焊接机器人配套的变位机，如立式多工位2卧式单回转R-WPV 2型（3轴）、立式多工位2C型双回转式R- WPV2-CD（5自由度）、立式多工位2倾翻-回转GR-WPK 2（5轴）、立式多工位2倾翻-回转单回移动转式GR-WPK 2-CD（9轴）等。日本松下公司也是机器人制造公司。这个公司生产的机器人外部设备焊接变位机有12个系列。他们把传动装置、机座、夹具体等作成了标准模块，集合而成产品系列。80年代初期我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差、自动化程度低，只能算作机械化的焊接设备。目前焊接变位机已系列化生产，最大承载能力达100t，每年都有各种汽车、机车、工程机械部件焊接用大、中型单面回转和双面回转翻转机投运。现在我国生产焊接变位机的厂家已经不少，但大都不成规模。以变位机为主导产品发展起来的企业，尚未形成，企业应用焊接变位机也较少。天津鼎盛工程机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、长沙海普公司、威达自动化焊接设备公司等单位生产的变位机在国内占有较大市场。到2000年，国内已开发的变位机产品约70余品种规格。可见，国内焊接变位机的发展空间还很大，主要向精密化、大型化、功能多样化、智能化和集成化方向发展1。1.3 我国焊接辅助设备简介1.3.1 我国焊接辅助设备的发展历程焊接辅助设备与器具制造行业自设立以来在整个焊接行业中占有重要地位，并受到业内人士的高度重视。十五年来我国焊接辅助设备与器具制造行业在原有基础上有了较快的发展，焊接辅助设备品种已从传统的三大机焊接操作机、变位机、滚轮架扩大到各种焊接专用成套设备，机器人工作站配套设备、焊接生产线和柔性焊接生产系统等。从事焊接装备设计和生产的企业规模不断扩大，技术水平、产品质量不断提高。焊接辅助设备确切的名称应为焊接工艺装备。凡生产焊接结构的加工设备和装置均属于焊接工艺装备，其中包括备料设备，焊接装配工夹具，焊接变位机械、焊件后处理设备等。与焊接工序直接有关的焊接工艺装备主要有坡口加工设备，焊接装配工夹具、焊接变位机，焊接操作机、专用成套焊接设备，机器人工作站和焊接生产线等。我国焊接工艺装备制造行业起步较晚，直到二十世纪70年代初才在上海、成都、长春等地陆续建成一批专门生产焊接工艺装备的制造厂。进入80年代，随着国内焊接工艺装备需用量的日益增长，各地又相继成立了多家中小型焊接装备生产厂。近期又新建成或改建具有一定规模的焊接装备生产企业。迄今，我国已有24家焊接装备生产企业，年产量2000万元以上的已有10多家。有些企业发展速度较快,并已具有较大的规模，某些焊接装备已实现批量生产。在焊接装备的品种、技术特性方面，80年代初期我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差、自动化程度低。 80年代后期，由于大量引进了国外较先进的成套焊接装备，促进了国产焊接装备的技术进步，无论是装备的成套性、自动化程度还是设备的精度和制造质量都有不同程度的提高。在焊接装备的驱动和控制系统中广泛采用了当代较先进的交流电机变频调速、直流电机的可控硅调速，PLC可编程控制器、伺服电机及其驱动系统、微机和工业计算机控制等。焊接装备的自动化程度有了较大的提高。焊接操作机可按用户的需要配备焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。1.3.2 焊接辅助设备的发展趋势为适应世界焊接辅助设备行业的发展，提高我国焊接辅助设备的技术水平，焊接辅助设备将要向如下五个方向发展2：1精密化精密化的内涵包括高精度、高质量和高可靠性。从设备外观上看有些焊接装备几乎接近于精密金属切削机床，在精度要求上，以焊接机器人配套的焊接变位机为例，最高的重复定位精度为0.05mm，机器人和精密操作机的行走机构定位精度为0.1mm，移动速度的控制精度为0.1。2大型化焊接装备的大型化是焊接结构向高参数、重型化和大型化发展的需要。如重型厚壁容器焊接中心的立柱横梁操作机的最大规格已达12.5m10m。龙门式操作机的规格为8m8m。大型造船厂使用的门架式钢板纵缝焊机最大行程为12m。集装箱外壳整体组装焊接中心门架式操作机的工作行程达16m。重型H型钢和箱型梁生产线占地面积可达整个车间。3多功能化为充分发挥自动化焊接设备的效率，一台焊接装备可按工艺要求装备各种焊头，如单丝和多丝埋弧焊，单丝或双丝窄间隙埋弧焊头，MIGMAG焊头和带极堆焊头等，与滚轮架，变位器或翻转机配套可以完成筒体内外纵环缝，封头拼接缝，内壁堆焊、大直径接管环缝焊接等。4数字化焊接装备的数字化控制虽然比传统的金属切削加工复杂得多，但实施数字控制的意义则更为重要，不仅提高了效率而且确保了批量生产过程中稳定的焊接质量还改善了操作环境。目前在焊接装备控制系统中，采用PLC可编程控制器已成为最普通的控制器件，为提高焊接装备自动控制的功能和精度已开始采用基于PC机的自动控制系统和直接数字控制系统，同时也为焊接装备的网络化控制和管控一体化提供了可能。5智能化和集成化焊接装备的智能化控制是焊接过程自动控制的高级形式，通过各种专用的计算机软件可按原始工件和焊接参数对焊接工艺参数进行优化选择。对于厚壁接头、智能化控制可根据实测接头的几何尺寸自动编制焊接程序和焊接工艺参数，以实现焊接过程的全自动化。1.4 关于焊接机器人1.4.1 国内焊接机器人技术的发展我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。1.4.2 我国焊接机器人的应用状况我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线 。80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。 进入21世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千台的数量增长。 目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。 目前在我国应用的工业机器人中，国产机器人的数量不足100台，特别是近两年新安装的机器人焊接系统中已经看不到中国机器人的身影，虽然我国已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模2。1.4.3 应用焊接机器人的意义焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义： (1) 稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。 (2) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 (3) 提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 (4) 产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 (5) 可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。 1.4.4 我国焊接机器人应用工程焊接机器人应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越的特性，取决于人们对上述技术的融合程度。经过近10年的努力，我国在机器人焊装夹具设计方面积累了较丰富的经验，机器人周边设备实现了标准化，具有年产300余套焊接机器人工作站的能力。可以说国内的系统集成商在机器人工作站及简单的焊装线的设计开发方面具有了与国外系统集成商抗衡的能力，近几年为国内汽车零部件等企业提供了大量的机器人焊接系统。但是另外一个严重的事实是，我们还不具备制造高水平的机器人成套焊装线的能力。国内几大汽车厂的车身焊装线都是由国外机器人系统集成商设计制造的。 作为焊接机器人的最大用户，预计未来的10年我国汽车年产量要达到千万辆，现在的焊接装备远远满足不了生产需求，对焊接装备的需求量将大幅增加，焊装生产线要求更加自动化和柔性化，以适应多品种、小批量的生产要求，机器人将大量应用于焊接生产线中。1.4.5 焊接机器人的最新应用技术(1) TCP(tool center point工具中心点)自动校零技术 TCP自动校零是用在机器人焊接中的一项新技术，它的硬件设施是由一梯形固定支座和一组激光传感器组成。当焊枪以不同姿态经过TCP支座时，激光传感器都将记录下的数据传递到CPU与最初设定值进行比较与计算。当TCP发生偏离时，机器人会自动运行校零程序，自动对每根轴的角度进行调整，并在最少的时间内恢复TCP零位。 (2) 双丝焊接技术 近年来由于我国汽车、集装箱、机车车辆、工程机械等行业的高速发展，对高速焊和高熔敷效率焊接的需求越来越多。双丝焊是近年来发展起来的一种高速高效焊接方法，焊接薄板时可以显著提高焊接速度，达到36m/min，焊接厚板时可以提高熔敷效率。除了高速高效外，双丝焊接还有其它的工艺特点：在熔敷效率增加时保持较低的热输入，热影响区小，焊接变形小，焊接气孔率低等。 由于焊接速度非常高，特别适合采用机器人焊接，因此可以说机器人的应用也推动了这一先进焊接技术的发展。 (3) 激光/电弧复合焊接技术 激光/电弧复合焊接技术是激光焊接与气体保护焊的联合，两种焊接热源同时作用于一个焊接熔池。该技术的研究最早出现在上世纪70年代末，但由于激光器的昂贵价格，限制了其在工业中的应用。随着激光器和电弧焊设备性能的提高，以及激光器价格的不断降低，同时为了满足生产的迫切需求，激光/电弧复合焊接技术近年来成为焊接领域最重要的研究课题之一2。 1.5 关于焊接变位机的几个基本定义1.5.1 焊接变位机的定义在我国，焊接变位机是一个年青的产品。由于制造业之间发展水平的差异，很多企业的焊接工位，还没有装备焊接变位机；同时，相关的研究也比较薄弱。迄今为止，没有专门著作去研究它的定义和分类。对它的称呼也就不可能规范化了。同一种设备，不同的企业和不同的人可能有不同的称呼。如：转胎、转台、翻转架、变位器、变位机等。为此，我们需要赋予它一个定义。我们称：用来拖动待焊工件，使其待焊焊缝运动至理想位置进行施焊作业的设备，称焊接变位机。也就是说，把工件装夹在一个设备上，进行施焊作业。焊件待焊焊缝的初始位置，可能处于空间任一方位。通过回转变位运动后，使任一方位的待焊焊缝，变为船角焊、平焊或平角焊施焊作业。完成这个功能的设备称焊接变位机。它改变了可能需要立焊、仰焊等难以保证焊接质量的施焊操作。从而，保证了焊接质量，提高了焊接生产率和生产过程的安全性1。1.5.2 主自由度及全功能焊接变位机可以肯定的讲，如果一台变位机拖动焊件，仅做直线运动，哪怕是三维的，也不可能改变焊缝的姿态，满足施焊要求。也就是说，变位运动是回转运动，称此回转运动为变位机的主自由度。还可以做这样一个假设：在X、Y、Z直角坐标系下，设有一空间直线焊缝，绕Z轴可在360范围内回转，且这个Z轴连同这一焊缝又可绕X（或Y）轴在180范围内回转，那么，经此变位的焊缝，便可变到船角焊位置进行施焊作业。换言之，一个焊口由两个面的共线MN和夹角组成，在上述两个回转范围内，经恰当的回转，便可使其共线 MN 与水平面平行，且这两个面与水平面的夹角相等，各为/2，即变为船角焊位置。这个假设是说，任何复杂焊件，只要装在主自由度为一个全回转和一个半回转的焊接变位机上，即可实现船焊要求。我们称这种双回转式焊接变位机为全功能变位机。1.5.3 焊接变位机的变位自由度涉及到用户对设备装备的理念，以及考虑用于手把焊和自动焊的不同用途，选择和设计焊接变位机时，除主变位自由度外，还要考虑增加辅助变位自由度。如大件焊接，可增加升降运动自由度，如上述美国、德国这种产品很多。另外，某些焊件，由于焊缝分布简单，用一个回转自由度就可以解决焊件中大部分和重要焊缝的船焊要求，其余少量非重要焊缝，虽然，不能实施船角焊，但可以实施平角焊。这样，为简化设备造价，工艺上便考虑采用单自由度或功能退化的焊接变位机，即单回转式变位机。根据使用要求，同样也可以增加辅助自由度。例如，升降式和尾架移动式等等。还有一些工位变位机，为适用于焊接工位的工艺要求，这种焊接变位机的某些自由度，与施焊无关。还有从工位设计和稳定性考虑，两台或多台焊接变位机合并设计，这样就出现了多种工位变换和组合式多自由度焊接变位机产品。1.5.4 变位机的第一主参数 - 额定负荷本文把最能描述焊接变位机工作能力的参数，称第一主参数。焊接变位机不同于其他加工设备，它的基本负荷就是焊件的“重量”。各国的焊接变位机，都是由此给定第一主参数的。在国际上，第一主参数的量纲没有统一。对这一问题，需要做些讨论。在欧洲，如德国Severt公司、CLOOS公司，瑞典ESAB公司等，用重力单位N表示；美国Aroson公司用英美制质量单位Lbs（磅）表示；日本某些公司用国际质量单位kg表示；我国的焊接变位机行业标准，采用了国际质量单位kg，但鼎盛公司采用了重力单位kN。如此可见，在我国乃至国际上，焊接变位机第一主参数的量纲还没有统一。其次，对这一主参数的称呼也不统一。最大负荷kg、最大负荷N（Max load N）、基本承载能力Lbs（Base load capacity in pounds）、承重能力Lbs（Weight capacity Lbs）、许用载荷kg（许容荷载）、最大有效负荷（Max. payload）等等。从量纲发展的历史分析，用力和质量两种单位，各有个的道理。但是，无论是从行业管理的角度考虑，还是从科学计算的角度考虑，都应统一。量纲的确定，在于一个概念，如果衡量焊接变位机的能力，选择负荷单位，即第一主参数用重力表示，那么，他的量纲应该用N、kN。与此相关的回转技术参数力矩，应该用Nm、kNm表示，这样，与国际单位制就统一了。这是本文推荐的办法。焊接变位机是涉及人身安全的产品。对用户选择产品负荷等级，应该是明确的。诸如上述的最大负荷（kg、N）或许用载荷（kg、N），都不能说准确的表达了这个量。见公式（1-1）。F = kd m g n （1-1）式中：m焊件质量；G重力加速度，即mg为重力；kd动荷系数；n安全系数。F额定承载能力或额定负荷。动荷系数kd、安全系数n，应在产品设计时确定。在样本或使用说明书中给用户提供选择方法。1.6 焊接变位机的分类在焊接生产中使用的各种变位机械可归纳为焊件变位机、焊机变位机和焊工变位机三大类，每一类又按其结构特点或作用分成若干种类，其中焊件变位机的应用比较广泛，分述如下3：1.6.1 焊件变位机的类型（1）翻转机 能实现焊件的翻转或倾斜，其运动特点是工件绕水平轴旋转。如图11所示。图11 翻转变位机4（2）回转台 它能使工件绕垂直轴或倾斜轴旋转，主要用于回转体工件上环形缝的焊接、堆焊或切割。其转速一般要求连续可调。为了传动平稳，减轻主轴受力，常在大型垂直轴式回转平台的被（下）面设支承滚轮；倾斜轴式回转台夹持大型圆柱（锥）体工件时，则在工件表外面设支承滚轮。如图12所示。图12大回转台变位机43）滚轮架 是用两排滚轮支承回转体状工件并使其绕自身轴线旋转的机械装置。回转体的旋转是由主动滚轮带动，靠它们之间的摩擦力而实现的。除可用于回转体工件的装配和焊接外，还可用于非回转体工件的焊接和装配，这时工件需夹持在支承环内，由滚轮架带动支承环而实现旋转。如图13所示。图13 焊接滚轮架4图14 焊接变位器41.6.2 焊机变位机械的类型焊机变位机又称为焊接操作机，其主要功能是实现焊机或焊接机头的水平移动和垂直升降，使其达到施焊部位，多在大型焊件或无法实现焊件移动的自动化焊接的场合下使用。其适应性决定于它在空间的活动范围。按其结构特征焊机变位机械可归纳为平台式、悬臂式和门桥式三种类型。（1） 平台式焊机变位机由平台、立架（柱）和台车组成。焊接机头在平台式上可作水平移动，平台沿立架能垂直升降，立架安在台车上，台车沿轨道行走。（2） 悬臂式焊机变位机悬臂和立柱是基本构成部分，若增加台车，则活动范围加大摇臂式焊机变位机的臂长不变，能绕立柱旋转和沿立柱升降，机头可沿臂上的导轨作水平移动；伸臂式操作机的机臂通过滑座能在水平方向伸缩其长度，又能绕立柱轴旋转和垂直升降。（3） 门桥式焊机变位机它分为桥式和门式两种类型。桥式焊机变位机是由梁和两个起支承和行走作用的台车组成，焊机接头可沿梁作横向移动，台车沿轨道可作纵向移动。门式焊机变位机比桥式多一门架，焊接机头可在门梁上作横向移动，或者在另设的可沿门柱上下升降的横梁作横向移动。1.6.3 焊工变位机的类型焊工变位机按其动作可分为水平移动和升降两类，以升降者居多。两者都是将人工（焊工、检验工等）和施焊（或探伤）用的器材送到施工部位的机械装置。它们主要在高大的焊接结构施工时用，生产既安全又快速。1.7 几种常见的焊件变位机的类型及特点（1） 双立柱单回转式变位机：该种变位机适合装载机的后车架、压路机机架等工程机械长方形结构件的焊接，形式如图示15两种样式，其主要特点是立柱一端电机驱动工作装置沿一个回转方向运转，另一端随主动端从动。两侧立柱可设计成可升降式，以适应不同规格产品。这种型式变位机的缺点只能在一个圆周方向回转，选择时要注意焊缝形式是否适合。（2） 型双座式头尾双回转型式：与第一种变位机型式相比，即在图15第二种的基础上被焊结构件在另外一个空间又增加一个旋转自由度。如图16这种型式的变位机焊接空间大，工件可被旋转到需要的位置，设计先进，目前已在工程机械许多厂家成功使用。该变位机可根据各厂的工艺情况在装载机、挖掘机、压路机等结构件焊接时应用。 图15 双立柱单回转式变位机3 图16 型双座式头尾双回转机型3（3） 型双回转焊接变位机：该种变位机如图17所示，其工作装置型，有两个方面的回转自由度，且两个方向都可以任意回转。此变位机与其它类型变位机相比，开敞性好，容易操作。型变位机已在装载机前车架焊接中成功的使用，而且使用效果很好，深受现场操作工的欢迎。（4） 型双回转焊接变位机：如图示18，型回转形式与型机相同，只是为了方便夹具体的设计，根据结构件的外形，变位机的工作装置稍作变动。该种型式焊接变位机，适合装载机的铲斗、挖掘机的挖斗等焊接。图17 型双回转焊接变位机3 图18 型双回转焊接变位机3(5) 座式通用变位机：如图19，座式焊接变位机工作台有一个整体翻转的自由度，可以将工作翻转至理想的焊接位置进行焊接。另外工作台还有一个旋转的自由度。该种变位机已被多个厂家系列化生产，其适合工程机械的小型焊接件以及一些管类、轴类、盘类等中小型复杂结构的焊接在选择变位机时要根据工件的形状、焊缝的形式及工艺现状选取，否则，有可能不好用或不能用。以上基本型产品发展了17个系列，主要为普通型，用于手把焊。此外，还有调速型、联控型（PLC、微机控制）和机器人配套型产品。与焊接机器人配套用的变位机，开发了十余个品种。包括：工位变换变位机（不参与焊接），如，立式双工位、四工位、八工位变位机，双座单回转式八工位和倾翻回转式双工位变位机等；与机器人配套焊接变位机（机器人外部轴），如，倾翻-回转伺服传动式、双座单回转伺服传动式、多轴单回转伺服传动式等。图19座式通用变位机31.8 设计本焊接变位机的目的和意义 本焊接变位机设计的目的主要是为了实现重量在100kg范围内的工件在焊接时的焊缝位置的变位和实现自动焊接盘状工件。在焊接生产中经常会遇到焊接各种轴类、盘类、筒体等回转工件，如果是手工操作焊枪以实现工件的环焊缝焊接，有很多的不便，焊缝质量差，工人劳动强度也大，本焊接变位机可以很好的克服这一问题。本焊接变位机是一种小型焊接变位机，尤其是适应中小型焊件的变位，相比大吨位焊接变位机可以节约能源，提高效率，尤其是大批量生产时本焊接变位机价格便宜，易于实现广泛的使用。第2章 总体设计2.1 本焊接变位机总体设计及适用范围焊接变位机设计的出发点是满足系统的功能,从变位机械在该生产线中的功能入手分析,它主要包括以下几个方面的功能：（1） 对焊件的停放；（2） 能适应不同尺寸形状的焊件的焊接；（3） 能够将待焊点沿着一定的运动轨迹移动到最佳焊接位置。因此根据焊接变位机使用要求以及市场需求，本焊接变位机的总体设计要求如下：（1） 本焊接变位机为两个自由度的焊件变位机；（2） 其最大负载为100kg；（3） 工作台倾斜角度为0135，工作台倾斜角速度V倾0.31r/min；（4） 工作台回转角度为0360，工作台回转角速度V回0.53.15r/min；（5） 能适应不同尺寸形状的焊件；（6） 尽量采用标准件，便于加工制造。本焊接变位机适用于小焊件的焊接，一般是那种手工不易搬动或者搬起来比较费力的焊件，对手工焊和自动焊都适用，主要是用来把焊缝变到易于施焊的位置，比如平焊和“船型”焊接位置。2.2 设计方案的确定在对焊接变位结构机械设计时,其设计依据是焊接工件及焊缝的形状特征信息,在设计过程中还需综合考虑多方面的因素,如工件的焊接方法及其工艺规范等。本焊接变位机由工作平台、回转机构、倾斜机构、机座、控制装置、焊接导电装置等部分组成。（1） 工作平台它用于工件的停放。由于焊接变位机一般情况下需配合夹具工作，完成工件的翻转及焊接。因此在工作台表面开沟槽，用于固定工件的夹具的移动及固定。同时工作台面表面经网格状处理后增大了摩擦，便于工件在变位时位置的固定。（2） 工作台回转机构工作台回转机构，用于实现工作台面上被焊接件回转运动的实现。该部分主要是传动部分的设计。包括传递动力、改变运动方向、改变运动速度。211传动机构类型选择的一般原则： 小功率传动，宜选用结构简单、价格便宜、标准化程度高的传动机构，以降低制造成本。 大功率传动，应优先选用传动效率高的传动机构，如齿轮传动，以降低能耗。 工作中可能出现过载的工作机，应选用具有过载保护作用的传动机构，如带传动。但在易爆、易燃场合，不能选用摩擦传动，以防止静电引起火灾。 载荷变化较大，换向频繁的工作机，应选用具有缓冲吸振能力的传动机构，如带传动。 工作温度较高、潮湿、多粉尘、易爆、易燃场合，宜选用链、闭式齿轮或蜗杆传动。 要求两轴保持准确的传动比时，应选用齿轮或蜗杆传动6。由于各种传动的单级传动比均有相应的容许极限值，故对传动比很大或较大的机械需用二级或二级以上的多级传动。多级传动可全由啮合传动组成，或全由摩擦传动组成，也可用摩擦传动和啮合传动组成，还可由常规的普通传动和非常规的行星传动组成。在多级传动中，各类传动机构的布置顺序不仅影响传动的平稳性和传动效率，而且对整个传动装置的结构尺寸也有很大影响。因此，应根据各类传动机构的特点合理布置，使各类传动机构得以充分发挥其优点。212常用传动机构的一般布置原则是： 摩擦传动(例如带传动)的承载能力一般较低，在传递相同的扭矩时其结构尺寸大于啮合传功，故在多级传动中宜置于高速级，又因其工作平稳性好，故置于高速级还能起吸震缓冲作用。 啮合传动中的蜗杆传动多用于大传动比和中小功率场合，其承载能力一般较齿轮传动低，为获得较小的结构尺寸，宜置于高速级。这时，虽然齿面相对滑动速度较高，却有利于建立流体润滑油膜，能为提高承载能力和效率带来好处。 考虑到大尺寸、大模数的圆锥齿轮加工比较困难，故在多级传动中宜置于高速级，但这时圆周速度较大，需提高制造精度，导致成本提高。 斜齿传动的工作平稳性优于直齿传动，相对来说应置于高速级。 链传动具有固有的运转不均匀特性，冲击甚大，故宜置于低速级。 开式齿轮传动的工作环境一般甚差，润滑条件不良，故宜置于低速级。 改变运动形式的传动和机构(如螺旋传动、连杆机构、凸轮机构)，应布置在多级传动中的最后一级。 对于NGW(2KH)型和N(KHV)型内啮合行星传动，因具有承裁能力高而结构尺寸小、效率高而传动比大的特性，故在多级传动中可考虑置于低速级。 若机械中有制动装置，则其后不应采用摩擦传动。顺便指出，机械中的制动装置通常置于高速级6。此外，设计多级传动时，运动链越简短越好。运动链越简短，机构和零件的数量就越少，能量消耗也少，制造、装配、使用、维修和保养费用也低并利于提高整机的效率和运转精度。因此根据以上设计准则以及设计要求，工作台回转机构由电机驱动，通过一级带轮传动，然后经过一个蜗杆减速器减速，最后一级蜗轮轴输出至工作台。传动路线为：直流电机一级带轮传动蜗杆减速器，从而实现工作台的回转。此机构的优点在于传动比大而结构尺寸较小，易于吸收振动，当传动部分被卡住时，不会烧坏电机，同时造价比较低。（3） 工作台倾斜机构同样根据设计准则以及设计要求，用电机驱动，通过大传动比减速器（谐波齿轮减速器），蜗轮蜗杆，以及齿轮的多级减速，以获得连续稳定的工作台倾斜速度。传动路线为：直流带减速电机谐波减速器齿轮传动，从而实现工作台的倾斜。选用蜗轮蜗杆减速装置除了利用蜗轮蜗杆减速装置的传动比大及结构尺寸小的特点外，还利用蜗轮蜗杆减速装置的自锁功能，同时采用齿轮辅助锁定，通过控制操作使回转机构能够准确平稳地停留在指定位置，安全可靠。（4） 控制装置由工作台回转控制系统和倾斜控制系统组成。（5） 焊接导电装置焊接时，强大的焊接电流通过工件和工作台回转轴，经导电装置(位于回转轴中部的碳刷)传至工作台，再由焊机机构返回到焊机负极，导电装置提供了一个畅通的电流回路，有效地防止了焊接电流直接通过齿轮副和轴承。既保证足够的焊接电流，又使上述回转机构免遭电流损坏。第3章 传动部分设计3.1 传动部分的总体设计要求（1） 根据焊接速度需要，预设定：工作台回转角速度0.53.15r/min ；工作台倾斜角速度0.31r/min ；（2） 结构简单，重量轻，成本低；（3） 尽量采用标准件，便于加工制造。3.2 传动系统的分析和拟定工作机需由原动机输入动力才能工作。一般来说，原动机与工作机直接相联的情况极为少见，通常是在二者之间设置一中间装置，此中间装置称为传动装置，简称传动；在机械中，传动装置的功用是根据工作机的工作要求实现某种减速、增速、变速或改变运动形式得功能。工程实践表明，传动装置常是机械中的重要组成部分，在整机的成本和重量中占有很大的比重，并在很大程度上决定整机的技术性能和运转费用。因此，正确设计传动装置对保证整机的技术性能和质量指标具有相当重要的意义。大家知道，原动机有电动机、内燃机、汽轮机、燃气轮机等各种类型。迄今为止，工业中应用最广的原动机是电动机。根据工作原理的不同，传动分两大类：机械传动和电传动。在机械传动中，又分摩擦传动、啮合传动、液压传动和气压传动。设计传动装置时，首先必需拟定传动方案(或称传动系统、传动简团或运动链)，即选定传动型式。所以，必须了解、掌握、分析和比较各种有关传动的性能、特点和适应范围合理选定传动型式及其组成的传动方式以满足整机的运动、动力和其他要求。选择传动型式时，应当考虑的主要指标是：功率；效率；运动性能；外形尺寸；重量；生产率和成本等。现分别简要阐述如下：（1） 功率 每种传动所能传递的功率大小与该传动的工作原理、承载能力、工作速度、效率、材料和制造精度等因素有关。一般来说，啮合传动传递的功率高于摩擦传动，但是啮合传动中的蜗杆传动则因齿面相对滑动速度较大，导致发热量大和效率较低而不宜传递较大的功率；同步齿形带传动则因材料关系亦不能传递大的功率。（2） 效率效率是评定传动质量指标的一个重要参数。高的效率意味着节约动力和节约运行费用。效率低的传动一般不用于传递大的功率。通常啮合传动的效率高于摩擦传动，但普通圆柱蜗杆的传动效率可能低于摩擦传动。（3） 速度速度是传动装置的一个主要运动特性。提高传动的速度是机械的主要发展方向之一。影响速度的因素有动载荷和制造精度等。在常规传动中，除螺旋传动和链传动外，啮合传动的容许速度一般高于摩擦传动。（4） 传动比传动比是传动装置的又一运动特性。每种传动因受外形尺寸或承载能力等因素的限制，均有各自适用的最大传动比值。此外，还应考虑传动比值的精确性问题。对于要求精确传动比的机械，不能采用摩擦传动而应采用啮合传动。（5） 外廓尺寸、重量及成本传动装置的外廓尺寸和重量与传动零件材料的机械性能、容许传递速度、容许传递功率等密切有关。在上述条件确定情况下，单级传动的外廓尺寸和重量主要取决于传动型式。一般说来，啮合传动比摩擦传动轻巧，但成本较高。在啮合传动中，蜗杆传动和一些内啮合行星传动的尺寸和重量通常最小。采用何种传动型式较为相宜，应根据具体情况进行具体分析，不仅考虑技术性能指标，同时考虑经济成本，对提出的各种方案应在综合比较它们的技术经济指标后才可作出决策5。3.3 本焊接变位机传动系统的确定3.3.1工作台回转系统首先考虑到焊接速度的要求，工作台的回转速度比较小，因此需要的减速比比较大，为了尽量减少传动部分的体积，同时造价比较低，所以主要采用两级蜗杆减速器，同时在高速端采用一级带轮减速，既可以实现所需要的传动比，还可以吸收振动。用第二级蜗轮轴作为输出轴连接到工作台，从而实现工作台的低速回转。具体传动的简单示意图如图41所示。图31工作台回转系统1直流电机 2小带轮 3大带轮 4第一级蜗杆轴5第一级蜗轮 6第二级蜗杆轴 7第二级蜗轮 8工作台3.3.2 工作台倾斜系统由于工作台的倾斜速度比较小，因此减速比也是很大，采用三级减速。为了尽量减少传动部分的体积，先采用直流减速电机减速。即电动机本身带有减速器， 然后由单级谐波齿轮减速器减速，最后再通过齿轮减速，输出至工作台，从而达到所需的工作台倾斜速度。由于结构的需要在一级齿轮减速中加入一个传递齿轮。具体传动示意简图如图32所示。图32工作台倾斜系统1直流减速电机 2联轴器 3谐波齿轮减速器 4联轴器 5底座6小齿轮 7机架 8传递齿轮 9扇形齿轮 10倾斜转动轴3.4 电动机的选择3.4.1 电动机类型的选择电动机为系列化产品。需要根据工作机的工作情况和运动、动力参数，合理选择电动机的类型、结构形式、容量和转速。根据本焊接变位机的功率较小，而且需要高精度自动化控制，所以选用直流伺服电机来作为动力源。博山直流伺服电机有如下优点： 控制精度高 体积小，重量轻 动作响应灵敏 承载能力大 调速范围宽，低速波动小 可以模块化设计 运行性能稳定等所以在回转机构中选用博山SZ系列微型直流伺服电动机，SZ系列微型直流伺服电动机广泛应用于自动控制等系统中用作执行元件，也可用作驱动元件。本系列电动机是我国自行设计的新系列产品，同老系列S系列产品相比，具有体积小、重量轻、力能指标高等特点，且产品系列化程度高，零部件通用化程度强。按激磁方式本系列电动机分为他激（并激）、串激、复激三种。按使用环境条件本系列电动机分为普通型和湿热带型两类。本系列电机与WK、SK系列直流调速电源相匹配，可实现无级调速、张力控制、正反运行等功能。型号说明：使用条件：海拔不超过4000m； 允许温升：不超过75K（海拔为1000m时）;环境温度：-40C+55C 任意安装位置：对湿热带型电动机空气相对湿度95%（25C时）； 还允许在下列条件下工作振动：振频10150Hz，加速度2.5g； 有凝露； 冲击：7g（峰值）；有霉菌。博山SZ系列微型直流伺服电动机技术数据如表31。由于倾斜机构中需要更加大的传动比，所以选用博山J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流减速电动机，分别由SZ(ZYT)系列直流电动机与PX型普精度行星减速器构成，且配带电源，可实无级调速。调整范围宽、体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、输出转矩大，广泛使用于引进设备及国产机械。电源采用脉宽调制技术，具有先进的短路保护功能，连续可调的直流稳压电源，使电动机转速实现无级变速等优点。表31直流伺服电动机技术数据直流减速电机型号说明：总型号：减速器型号：博山J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流减速电动机技术数据如表32所示。3.4.2 电动机功率的确定电动机的功率选的合适与否，对电动机的工作和经济性都有很大的影响。所选的电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率7。由31式计算： （31）式中 P额定电动机的额定功率（kW）； Pd机械要求电动机输出的功率（kW）；机械要求电动机的输出功率按32式计算 （32）式中机械所需输入的功率（kW）； 电机至工作机之间传动装置的总效率。表32直流减减速电动机技术数据工作机所需功率Pw由工作机的工作阻力(F或T)和运动参数(v或n)，按式（3-3）和（3-4）进行计算。当直线运动时， （33） 当回转运动时， （34）式中 F工作机阻力(N)；v工作机线速度(m/s )；T工作机阻力矩(Nm)；n工作机转速(r/min)；w工作机效率，根据工作机的类型确定，本焊件变位机取w0.8。1.本焊机传动装置总效率的确定电动机至工作机的传动装置总效率可按35式计算： （35）式中 1，2，n分别为传动装置中每一传动副(如齿轮、蜗杆、带或链传动等)、每一对轴承及每一个联轴器的效率，其概略值可由参考文献5中，表535选取。得 联0.98齿0.98蜗0.8轴承0.99谐波0.97带=0.962.计算总效率a时应注意的几个问题：（1） 所取传动副效率中是否包括其支承轴承的效率，如已包括，则不再计人该对轴承的效率。轴承效率均指一对轴承而言。（2） 同类型的几对传动副、轴承或联轴器，要分别计入各自的效率。（3） 蜗杆传动啮合效率与蜗杆参数、材料等因素有关，设计时可先初估蜗杆头数其效率值，待蜗杆传动参数确定后再精确地计算效率，并校核传动功（4） 资料推荐的效率一般有一个范围，可根据传动副、轴承和联轴器等的工作条件、精度等要求选取具体值。例如，工作条件差、精度低、润滑不良的齿轮传动取小值，反之中间值。综合考虑到以上提到的注意问题和根据传动装置总效率的计算式得7：（1） 工作台回转机构传动装置总效率： （36）（2） 工作台倾斜机构传动装置总效率： （37）3. 工作机阻力矩驱动功率的确定 由焊接回转台驱动力矩的计算式，由参考文献7可得如下公式计算工作阻力矩：图33焊接变位机回转机构的受力状态7 （38） （39） （310） （311）式中 P回转轴的驱动功率（kW）； Mf轴承处的摩擦力矩（Nm）； f轴径处滑动摩擦系数； Fa、Fb分别为A、B处的支反力（N）； dA、dB分别为A、B处轴径(mm)； l主轴AB段长度（mm） G工作台的总重量（N）； e综合重心偏心距，即偏离工作台回转中心的距离； T回转轴最大阻力矩（Nm）； n回转轴的的最大转速（r/min）； 回转系统的传动效率；、 h最大重心高度又根据设计总要求，设定工件与工作台面的总重最大为0.12t，f取0.08，dA、dB取50，l取150，e取80，可计算得：98.56Nm图34焊接变位机倾斜机构的受力状态7同样倾斜机构中的最大力矩可按下式计算：式中 （312）倾斜轴的最大阻力矩（Nm）；e,h同前；可计算得：=340Nm，将代替式311中的T即可得到倾斜机构的驱动功率。4. 电动机额定功率的确定因此根据以上确定的条件以及电动机的额定功率计算式，得回转机构电动机额定功率：由此功率和前文提到的博山SZ系列微型直流伺服电动机技术数据可选用110SZ51/H7电动机，其额定功率为185W，额定转速为1500 r/min。 倾斜机构电动机功率 由此功率和前文提到的博山J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流减速电动机技术数据可选用J90SZ54PX16A1减速器电动机，其额定功率为150W，额定转速为3000r/min。3.4.3电动机转速的验证对于多级传动，为使各级传动机构设计合理，还可以根据工作机的转速及各级传动副的合理传动比，推算电动机转速的可选范围，可由313式计算5 （313）式中 nd电动机可选转速范围(r/min)；ia传动装置总传动比的合理范围；i1， i2， ，in各级传动副传动比的合理范围；n工作机转速(r/min)。根据回转机构设计的传动系统可得它的传动装置的传动比合理范围为10025600；倾斜传动的装置的传动比合理范围为360020000。 根据313式可推算电动机转速，得（1）工作台回转机构电机额定转速范围为了使传动比不致过大而造成结构庞大，选择电动机额定转速为1500 r/min的电机转速合适；（2）工作台倾斜机构电机额定转速范围同样为了使传动比不致过大而造成结构庞大，选择电动机的额定转速为3000r/min的电动机合适。3.5 传动比的拟定及确定3.5.1 总传动比的确定（1） 工作台回转机构根据初选电动机，它的转速为1500r/min,而根据前面总体设计时焊接速度要求，预设定工作台回转速度V回0.53.15r/min，总传动比公式如314： （314）式中 电动机额定转速（r/min） 工作轴转速（r/min）则根据总传动比公式 取i=2880（2） 工作台倾斜机构根据初选电机，电动机的转速为3000r/min，而根据焊接速度要求，总体设计时设定工作台回转速度V回0.11r/min，则根据总传动比公式 取i51203.5.2 各级传动装置传动比的分配分配各级传动的传动比时，需注意下列各点：（1） 各级传动的传动比值宜在常用范围值内选取，尽量不取超出常用范围的偏大数值，否则可能导致传动尺寸偏大和重量增加。当传动比i30时，不宜设计成两级传动而宜设计成三级(或以上)传动。对于摩擦传动，由于外廓尺寸一般较大，若无特殊情况(例如为了协调空间距离)，一般不用多级传动。（2） 传动比的取值大小会影响传动的外廓尺寸，亦即影响传动零件的径向尺寸。因此确定各级传动的传动比时，应当注意协调各级传动，特别是从动零件尺寸方面的匀称关系，使之便于安装。例如在三角带圆柱齿轮两级或三级传动中，第一级带传动的传动比不要过大，（通常小于或等于2并小于齿轮传动的传动比)，否则可能会使从动大带轮的半径越过齿轮传动装置输入轴的中心高，造成安装不便或困难。（3） 应使传动零件和轴系零件的尺寸保持匀称协调并不得产生干涉现象。（4） 一般说来，在总传动比的多级传动中(这里i依次表示各级传动的传动比)，宜使相邻两级传动比的差值不要太大。运动链按此进行配置，可能会比其它的传动比方案优越，因其能使输入轴与输出轴之间的各中间轴获得较高的转速和较小的扭矩，从而能使轴和轴上的传动零件及转动零件获得较小的尺寸，从而得到比较紧凑的结构。1. 本焊接变位机传动比的分配确定（1） 工作台回转系统 由于回转机构采用的是带轮减速和两极蜗轮蜗杆减速，再根据上述传动比分配注意事项，取 i带轮2 i蜗杆1=36 i蜗杆2=40（2） 工作台倾斜系统工作台倾斜系统采用的是电动机减速，一级谐波齿轮减速和一级齿轮减速，同样考虑传动比选择注意事项，取 i电机16 i谐波减速80 i齿43.5.3.计算传动装置的运动和动力参数按电动机至工作轴的传动顺序进行如下计算：1 各轴转速可由式315计算6 9 r/min （315） 式中为电动机满载转速，r/min由式315可计算得各轴为：750r/min=20.83r/min=0.52r/min 2.各轴输入功率可由式316计算 r/min (316) 式中为电动机输出功率，kW；为一对带轮的的效率；为一对蜗轮蜗杆的效率；为一对滚动轴承的效率。为1轴到2轴之间的效率，其余类推。由式316可计算得各轴的输入功率为=0.178kW=0.141kW=0.111kW 3.各轴输入转矩可由式317计算 Nm （317） 式中为各轴转矩，i=1，2，3由式317可计算得各轴转矩为=2.27Nm=64.64Nm=2038.55Nm根据以上计算可将回转机构个运动和动力参数列于表33。表33 回转机构运动和动力参数 轴名参数电动机轴1轴（一级蜗杆轴）2轴（二级蜗杆轴）3轴（二级蜗轮轴）转速n(r/min)150075020.830.52功率P(kW)0.1850.1780.1410.111转矩T(Nm)1.172.2764.642038.55传动比i23640效率0.960.7920.792 同样根据式315，316，317可计算得倾斜机构的运动和动力参数如表34。 表34倾斜机构运动和动力参数 轴名参数电动机轴1轴（电机减速输出轴）2轴（谐波减速器入轴）3轴（倾斜轴）转速n(r/min)3000187.52.340.58功率P(kW)0.1500.1470.1400.133转矩T(Nm)0.4787.49571.362189.91传动比i16804效率0.980.960.953.6 蜗轮、蜗杆的选择及校核3.6.1 蜗杆传动的特点（1） 传动比大，结构紧凑。 蜗杆和螺旋一样，也有单线、双线和多线之分，螺纹的线数就是蜗杆的头数Z1，如果蜗轮的齿数为Z2，则蜗杆每转一圈，蜗轮将转过Z1/Z2圈。设n1、n2分别为蜗杆、蜗轮的转速，则蜗杆传动的传动比可用式318表示10： （318）通常Z1较小(Z1=14)，而蜗轮齿数可以很多，由上式可见单级蜗杆传动即可获得大的传动比，在动力传动中，一般取传动比为1080；当功率很小、主要用来传递运动(如分度机构)时，传动比甚至可达1000。（2） 传动平稳，噪声小。（3） 可以实现自锁。和螺纹副相同，当蜗杆螺旋升角小于其齿面间的当量摩擦角时，反行程自锁，即只能是蜗杆驱动蜗轮，而蜗轮不能驱动蜗杆。这对某些要求反行程自锁的机械设备(如起重)很有意义。蜗杆传动的主要缺点是由于齿面间存在较大的相对滑动，传动中摩擦大，发热大，效率低（通常为0.70.8），自锁时啮合效率低于0.5，因而需要良好的润滑和散热条件，不适用于大功率传动(一股不超过50kw)，为了减少齿面磨损和防止胶合，便于跑合，蜗轮齿圈常需用比较贵重的有色金属(如青铜)制造。根据表35中模数m及分度圆直径d1值的关系，选取第一级蜗杆模数为3.15mm，分度圆直径为28mm。第二级蜗杆的模数为4mm，分度圆直径为40mm。表35 模数m、分度圆直径d1及m2d1值13.6.2 蜗杆头数和蜗轮齿数的选择蜗杆头数Z1的选择与传动比、效率、制造等有关。若要得到大传动比，可取Z11，但传动效率较低。当传动功率较大时，为提高传动效率可采用多头蜗杆，取Z124,头数过多,加工精度不易保证。蜗轮齿数Z2=iZ1。为了避免蜗轮轮齿发生根切，Z2不应少于26；动力蜗杆传动，一般Z22780。若Z2过多，会使结构尺寸过大，蜗杆长度也随之增加，导致蜗杆刚度降低，影响啮合精度。Z1和Z2的推荐值见表36。表36 Z1、Z2的推荐用值根据表36推荐值以及对蜗轮蜗杆传动比的需求，确定第一级蜗杆传动的Z1、Z2值为：Z11Z236 第二级蜗杆传动的Z3、Z4值为：Z11Z240由于根据设计要求，需要实现蜗轮蜗杆的自锁功能，即蜗杆螺旋升角小于其齿面间的当量摩擦角，蜗杆螺旋升角的计算式如式319 （319）式中 Z1蜗杆头数q蜗杆直径系数得 第一级蜗杆的628第二级蜗杆的542而根据参考文献1中，表65蜗杆传动得当量摩擦角v可得，v，故可实现蜗轮蜗杆的自锁。3.6.3 蜗杆传动的强度计算 胶合与磨损在蜗杆传动中虽说是常见的失效形式，但是目前尚无成熟的计算方法；不过由于它们均随齿面接触应力的增加而加剧，因此可统一作为齿面接触强度进行条件性计算，而根据不同材料的失效形式以相应的许用接触应力值加以补偿。这样，蜗杆齿面的接触强度计算便成为蜗杆传动最基本的轮齿强度计算10。 对于钢制蜗杆和青铜或铸铁制的蜗轮可用式320进行接触强度计算： （320） 式中 材料系数，。对于钢制蜗杆与锡青铜蜗轮，=160；对于钢制蜗杆与铸铁蜗轮，=162； T2蜗轮轴转矩，Nmm 蜗轮轮齿许用接触应力，MPa Z2蜗轮齿数。 K载荷系数，一般取K=1.11.4选用蜗杆为钢制，蜗轮材料为ZHMn58-2-2的铸造蜗轮。根据参考文献6表5128可取： =95 MPa； 取=160 取K=1.2由前可知：m=3.15，q=8.89，Z2=36，T2=2038Nmm，可计算得： 9.39mm3.5mm9.39mm所以接触强度满足设计要求。蜗轮轮齿折断的情况很少发生，只有在受强烈冲击的传动等少数情况下，并且蜗轮采用脆性材料，计算其弯曲强度才有实际意义。同样对于钢制蜗杆和青铜或铸铁制的蜗轮可用式321进行弯曲强度计算： （321）式中 蜗轮当量齿轮的齿形系数； 蜗轮轮齿许用弯曲应力，MPa； 蜗杆螺旋升角，Deg； 其它同前。根据参考文献6表5128和表5129取=62 MPa；=0.99；由前可知 =628，其余同前取值，可计算得： 9.39mm =1.51mm9.39mm所以弯曲强度满足设计要求。同理可计算得第二对蜗轮蜗杆满足设计要求。3.7 齿轮的设计与校核3.7.1 工作台倾斜机构中的齿轮的设计与校核1.选择齿轮材料由于传动无特殊要求，为了便于制造，采用软齿面直齿圆柱齿轮。小齿轮齿轮选用40CrNiMo，调质，283330HBS大齿轮选用45钢，调质，220250HBS52.按齿面接触强度设计 一对钢制外啮合齿轮设计公式用式322计算 （322）式中 T1齿轮转矩，Nmm；b轮齿接触宽度，mm；K载荷综合系数；H轮齿的许用接触应力，N/mm2；u大齿轮和小齿轮的齿数比；d齿宽系数 小齿轮转矩可由前文表34查得，T1=571360Nmm 初步选择小齿轮齿数z1=26，那么大齿轮齿数z2=426=104 转速不高，功率不大，选择齿轮精度为9级 载荷平稳，对称布置，轴的刚度较大，取载荷综合系数K=1.25 齿宽系数d=0.95 确定许用接触应力由参考文献5图528可查的810N/mm2 580N/mm2 取 得到810 N/mm2 690 N/mm2所以取690 N/mm2 从而可计算得到小齿轮分度圆直径110.4mm计算模数 4.17 根据齿轮标准模数取值 取m=5mm计算齿轮主要尺寸及圆周速度分度圆直径 ；中心矩 齿轮齿宽，取 圆周速度m/s 所以选用9级精度满足要求。3.校核齿根弯曲强度校核齿轮弯曲强度可用式323计算 （323）式中 YFS复合齿形系数；m模数，mm；T齿轮转矩，Nmm；b轮齿接触宽度，mm；K载荷综合系数；Z1齿数；H轮齿的许用弯曲应力，N/mm2由参考文献5中，表530查得 YFS14.19 ，YFS23.90 由参考文献5中，表531查得 Flim1=600 N/mm2， Flim2=540 N/mm2由参考文献5中，表58查得 SFmin=1, 故由参考文献5中，式536 （324） 得：F1 600 N/mm2， F2540 N/mm2又 K=1.2，m5mm，b110mm得 所设计的齿轮符合设计使用要求3.8 谐波齿轮减速器的选择谐波齿轮传动减速器的特点：（1） 结构简单，体积小，重量轻。谐波齿轮传动的主要构件只有三个：波发生器、柔轮、刚轮。它与传动比相当的普通减速器比较，其零件减少50%，体积和重量均减少1/3左右或更多。（2） 传动比范围大单级谐波减速器传动比可在50300之间，优选在75250之间；双级谐波减速器传动比可在300060000之间；复波谐波减速器传动比可在200140000之间。（3） 同时啮合的齿数多。双波谐波减速器同时啮合的齿数可达30%，甚至更多些。而在普通齿轮传动中，同时啮合的齿数只有27%，对于直齿圆柱渐开线齿轮同时啮合的齿数只有12对。正是由于同时啮合齿数多这一独特的优点，使谐波传动的精度高，齿的承载能力大，进而实现大速比、小体积。（4） 承载能力大。谐波齿轮传动同时啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，在材料和速比相同的情况下，受载能力要大大超过其它传动。其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。（5） 运动精度高。由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。（6） 运动平稳，无冲击，噪声小。齿的啮入、啮出是随着柔轮的变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化。（7） 齿侧间隙可以调整。谐波齿轮传动在啮合中，柔轮和刚轮齿之间主要取决于波发生器外形的最大尺寸，及两齿轮的齿形尺寸，因此可以使传动的回差很小，某些情况甚至可以是零侧间隙。（8） 传动效率高。与相同速比的其它传动相比，谐波传动由于运动部件数量少，而且啮合齿面的速度很低，因此效率很高，随速比的不同（u=60-250)，效率约在6596%左右（谐波复波传动效率较低），齿面的磨损很小。（9） 同轴性好。谐波齿轮减速器的高速轴、低速轴位于同一轴线上。（10） 可实现向密闭空间传递运动及动力。采用密封柔轮谐波传动减速装置，可以驱动工作在高真空、有腐蚀性及其它有害介质空间的机构，谐波传动这一独特优点是其它传动机构难于达到的。（11） 可实现高增速运动。由于谐波齿轮传动的效率高及机构本身的特点，加之体积小、重量轻的优点，因此是理想的高增速装置。对于手摇发电机、风力发电机等需要高增速的设备有广阔的应用前景。（12） 方便的实现差速传动。由于谐波齿轮传动的三个基本构件中，可以任意两个主动，第三个从动，那么如果让波发生器、刚轮主动，柔轮从动，就可以构成一个差动传动机构，从而方便的实现快慢速工作状况。这一点对许多机床的走刀机构很有实用价值，经适当设计，可以大大改变机床走刀部分的结构性能。由于本焊接变位机要求传动比大，而单级谐波齿轮减速器是一种新型的机械传动机构，具有传动比大、承载能力大、传动精度高、重量轻、体积小、传动效率高等优点，因此选用谐波减速器作为一级减速器15。表37谐波减速机整机及组件技术参数表机型减速比u 输入转速 3000 rpm输入转速 1500 rpm输入转速 1000 rpm输出力矩T2 N.m输出转速n2 rpm额定输入功率p kW输出力矩T2 N.m输出转速n2 rpm额定输入功率p kW输出力矩T2 N.m输出转速n2 rpm额定输入功率p kW40486580100 8.0101215 63463830 0.0810.0740.0730.073 8.0101217 31231915 0.0400.0370.0360.040 8.0101217 21151310 0.0270.0250.0240.027 50464858596178808395100118120125 15152020202525253030303030 65635251493838363230252524 0.1580.1510.1670.1640.1580.1550.1510.1460.1530.1450.1230.1210.116 15152020202525253333333338 33312625251919181615131312 0.0790.0760.0830.0820.0790.0770.0760.0730.0840.0800.0680.0660.073 15152020202525253333333344 22211717161313121110888 0.0530.0500.0560.0550.0630.0520.0500.0490.0560.0530.0450.0440.056 根据设计要求所需要的传动比为80，所以选用50机型中传动比为80的减速机。3.9 轴的设计与校核3.9.1 轴的结构设计原则 轴的结构设计就是在满足强度和刚度要求的基础上，综合考虑轴上零件的装拆、定位、固定以及加工工艺等要求，以确定轴的合理结构形状和尺寸的过程。轴的设计具有较大的灵活性和多样性，但轴的结构设计原则上应满足如下要求：1) 轴和安装在轴上的零件都要有确定的工作位置；2) 轴上零件要便于装拆；3) 不应使轴的强度和刚度因轴的结构设计不当而遭到过多的削弱。3.9.2轴的初估初估的轴径为轴上受扭段的最小直径，此处如有键槽时，还要考虑链槽对轴强度削弱的影响。有一个键槽时，直径增大35，然后圆整。若外伸轴用联轴器与电动机轴相联，则应综合考虑电动机轴径及联轴器孔径尺寸，适当调整初算的轴径尺寸5。1.材料的选择和轴径的计算1.材料选择 现以回转机构中第二级蜗轮轴为例来进行轴的计算，由于减速器功率不大，又无特殊传动要求，故选用45号钢作正火处理。强度极限2.按转矩估算轴的最小直径轴的结构设计要在初步估算出一段轴径的基础上进行。最小直径可用式325计算 （325）式中 P轴所传递的功率(kw)；n轴的转速r/min)；C由轴的许用切应力所确定的系数，见表38表38 轴常用材料的C值轴的材料Q235，20354540Cr，35SiMn，38SiMnMoC16013513511811810710798取 C110则 根据计算所得最小轴径，圆整后取45mm，根据设计需要可确定轴的其它部位的直径和长度，其具体的尺寸结构如图图35 第二级蜗杆轴的结构尺寸2. 其它轴材料的选择和轴径的计算同理可以计算得到第一级蜗杆轴、第二级蜗杆轴、小齿轮轴、传递齿轮轴，倾斜轴的最小轴径，从而根据设计需要确定出轴的结构尺寸，其具体结构尺寸见设计零件图纸。3.9.3 轴的强度校核1. 第二级蜗轮轴的强度校核根据轴工作时的特点可以确定出轴的受力如图36a所示：1) 计算蜗轮受力：可用式326对蜗轮蜗杆的受力进行计算： （326）式中 、分别为蜗杆的圆周力、轴向力、径向力；、分别为蜗轮的圆周力、轴向力、径向力。单位（N）由式（326）可计算得 =3232N 5482N 2235N2) 计算轴承反力：水平面 -3916N 9398N垂直面 1384N 851N3) 绘制弯矩图：水平面弯矩图（如图36b所示） 截面b: 460502Nmm 420102Nmm垂直面弯矩图（如图36c所示） 67816Nmm 81984Nmm合成弯矩图（如图36d所示） 465485Nmm 428017Nmm4) 绘制扭矩图：（如图36e所示）由前知T=64640Nmm，又根据，由参考资料5可以查得和，故应力校正系数0.58374915) 绘制当量弯矩图：（如图36f所示）对于截面b：对于2截面和c截面：6) 计算轴截面b和c处的直径： 两截面虽有键槽削弱，但是结构设计所确定的直径已分别达到50mm和45mm，所以，强度足够。 同样可对其它轴进行强度校核，设计都满足强度要求。图37第二级蜗轮轴的弯矩图3.10 轴承的选择与校核3.10.1 轴承的选择轴承按摩擦性质分为滑动轴承和滚动轴承两大类。由于滚动轴承已经标准化，由专业厂大批生产，