毕业设计（论文）-20T焊接变位机的设计与分析.doc

第 28 页 共 28 页目 录第一章 绪论21.1选题背景21.2研究的目的和意义21.3国内外研究综述2第二章 焊接变位机的主要性能及结构32.1一般焊接设备应具备的性能32.2焊接变位机的分类42.3焊接变位机的主要结构及工作原理62.4焊接变位机的选用原则6第三章 焊接变位机的方案设计73.1焊接变为机的整体方案设计73.2 翻转机构设计83.2.1第一级蜗杆的设计83.2.2第二级蜗轮的设计蜗杆12第四章校核174.1各轴转速174.2各轴的功率174.3 各轴的转矩184.4 齿轮的校核184.5 轴的校核224.6小齿轮轴承的校核24第五章 控制部分265.1 控制部分电气原理图265.2回转机构的控制部分265.3翻转电机的控制26致谢28参考文献29第一章 绪论1.1选题背景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工艺,并且焊接质量的好坏直接影响产品质量的好坏以及整机性能。所以改进焊接技术，提高焊接质量对现代化工业有着重要的作用，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，当焊件的质量较大或体积较大时，靠人工改变焊缝位置很不容易，且效率低下，在这样的焊接生产中，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，人们就设计制造了焊接变位机。合适的变位机能将被焊工件的焊缝转动到最佳位置,从而提高焊接质量及生产效率，更避免了立焊、仰焊等情况出现。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，以方便进行焊接，是提高焊接效率和质量，降低劳动强度的有效工具。另外,选择合适的变位机能降低工人的劳动强度以及生产成本,加强安全文明生产,有利于现场管理。到如今，焊接变位机不仅仅是一种焊接辅助设备，它更是与与焊接操作机、焊接滚轮架并称为焊接辅助设备中三大机。1.2研究的目的和意义自从焊接技术发明以来，它便在机械制造工业当中占据着其不可替代的地位，工业生产中的绝大多数重要产品，如汽车、船舶、飞机等等产品的生产制造都离不开焊接技术。焊接质量的高低会直接影响产品的整体质量。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。而焊接变位机正是这样一个可以提高焊接工艺水平的关键焊接设备。一般而言，对于加工比较复杂并且质量较重的工件我们很难人为的去改变工件的焊缝位置。在这个时候焊机变位机就显示了它的优越性，通过对工件的翻转与回转，焊接变位机可以将被焊工件的各类焊缝调整到最佳位置，从而避免仰焊、立焊等的出现，提高焊接加工质量。在现如今的制造业当中焊接机器人的运用越来越广泛，未来能够充分发挥机器人的高能力，我们经常将机器人与焊接变位机组合使用。焊接变位机已经成为了焊接机器人工作站不可缺少的一部分，因此我对焊机变位机的研究是有很大现实意义的。总之，焊接变位机是保证焊接效率和质量，提高焊接生产率，降低劳动强度，改善工人作业条件，实现机械化、自动化的的有效设备。另外,焊接变位机也能及生产成本,加强安全文明生产,有利于现场管理。目前，我国的焊接变位机行业已经开始起步，但是与世界一流水平还有一定的差距。所以，就焊接变位机的重要性和我国目前焊接变位机的现状来说，对焊接变位机的研究具有重大意义。1.3国内外研究综述我国的焊接变位机起步较晚，目前处于研究开发阶段，但是在最近的十几年里也取得了巨大的成就。焊接变位机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。焊接变位机按机构形式可分为三类：伸臂式焊机变位机、座式焊机变位机、双座式焊机变位机。在国际领域，各种各样的焊接变位机的产品有百余种。从技术角度来看，有普通型的，有无隙传动伺服控制型的。焊接变位机的额定负荷范围也从0.1KN至18000KN应有尽有。可以这么说，焊接变位机是一个品种多，拥有较高技术水平，产品型号齐全的产品。 国外在焊接变位机领域比较著名的公司有德国Severt公司、美国Aroson公司、德国CLOOS公司、日本松下公司。这些公司大多生产伺服控制与机器人配套的焊接变位机，这些变位机最大的优点就是精准的数字控制，这使得工件的焊接加工位置变得绝对可控，从而大大提高了加工质量，减少了施焊时间，改善了操作工人的工作条件。第二章 焊接变位机的主要性能及结构焊接变位机，是在焊接作业中，将焊件回转并倾斜，使焊件上的焊缝置于有利于施焊的位置的焊件变位机械。焊接变位机主要用于机架、机座、机壳、封头等非长型焊件的翻转变位，同时还可用于装配、切割、检验、打磨、喷漆等作业。焊接变位机主要实现工作台的正反回转，并可无级调速，在最大承载条件下保持其回转速度的波动不超过5%。变位机能自动倾斜工作台而不抖动、倾覆，并有限位、自锁功能，并且其回转速度无级调速，变速范围大，调速精度高。2.1一般焊接设备应具备的性能1） 焊件、焊机变位设备要具有较宽的调速范围，稳定的焊接运行速度以及良好的结构刚度。2） 对不同尺寸、不同形状的焊件要有一定的适用范围。3） 传动链中，应具备一级反行程自锁传动，以避免动力源突然切断。4） 与焊接机器人和精密焊接配合的焊件变位设备，其到位精度（点位控制）和运行轨迹精度（轨迹控制）应视焊件大小、工艺方法控制在0.13mm，最高达到0.01mm。5） 回程速度要快，但应避免产生冲击和振动。6） 良好的接电、接水、接气设施以及导热和通风性能。7） 整体结构要有良好的密封性，以避免焊接飞溅的损伤，对散落其上的焊渣，药皮等脏物应易清除。8） 焊接变位设备要有联动控制接口和相应的自保护性能，以利于集中控制，相互协调动作。9） 各种焊件变位设备的工作台面上，应刻有安装基线并设有安装槽孔，能方便的安装各种定位器件和夹紧机构。10） 当用于装配的场合时，其工作面要有较高的强度和抗冲击性能。11） 当用于电子束、等离子、激光、钎焊场合时，应注意导电、隔磁、绝缘等方面的特殊要求。2.2焊接变位机的分类焊接变位机的基本结构形式有伸臂式、座式、双座式三种，其特点、性能、适用范围各不相同。基本结构结构特点与性能适用范围伸臂式（图2.3.1）回转工作台安装在伸臂的一端，伸臂相对于某一倾斜轴成角度回转，而此倾斜轴位置是固定的，但有的也可以在小于110的范围内上下倾斜，也有的伸臂仅绕某一中心作圆弧运动。该变位机范围与作业适应性好，但整体稳定性较差。电机驱动：承载能力多在0.5t以下，适用于小型焊件的翻转变位。液压驱动：承载能力多在10t左右，适用于结构尺寸不是很大但自重较大的焊件，它们多用于焊条电弧焊中座式（图2.3.2）工作台连同回转机构支撑在两边的倾斜轴上，工作台以焊接速度回转，倾斜轴通过扇形齿轮或液压缸，多在110140的范围内恒速倾斜。该机稳定性好，一般不用固定在地面上，搬移方便。 0.550t焊件的翻转变位，是目前产量最大、规格最全、应用最广的结构形式，常与伸臂式焊接操作机或弧焊机器人配合使用。双座式（图2.3.3） 工作台坐在“U”形架上，以预定的焊接速度回转，“U”形架坐在两侧的机座上，多以恒速或所需的焊接速度绕水平轴转动。 该机不仅整体稳定性好，而且如果设计得当，焊件安放在工作台上以后，倾斜运动的重心将通过或接近倾斜轴线，使倾斜驱动力矩大大减少。因此，重型变位机多采用这种结构。50t以上重型大尺寸焊件的翻转变位，多与大型门式焊接操作机或伸臂式焊接操作机配合使用。 2.3焊接变位机的主要结构及工作原理焊接变位机的基本结构形式虽然有上述三种，但其派生形式很多，有的变位机的工作台还具有升降的功能。通用的座式焊接变位机的主要结构如图所示。变位机主要有机架、驱动机构（包括翻转减速机构和旋转减速机构）、回转盘、导电机构及控制系统组成。（1） 机架 变位机架主要包括机座、工作台支架等。这些构件均采用型材焊接而成。（2） 驱动机构 变位机工作台的翻转减速运动采用交流电机经二级蜗杆减速器驱动，通过齿轮传动实现，使其具有自锁功能，且翻转力矩大，定位可靠。工作台的回转驱动机构，有交流电机、回转支撑、回转齿轮等组成，交流电机通过变频调速器，实现无级调速，变速范围大，调速精度高。（3） 导电机构 变位机都应设有导电装置，以避免焊接电流通过轴承、齿轮等传动部件。导电装置的电阻通常不超过1m，其容量应满足焊接电流的要求。（4） 控制系统 变位机的控制部分设有供自动焊接用的联动接口。工作台的起动、停止、旋转均在控制盒上实现远程操作。变位机的电器控制由旋转电机及翻转电机控制部分组成。2.4焊接变位机的选用原则从使用的经济性、时效性出发，应注意以下几点：1） 焊件的重量、焊件在工作台上的重心距、偏心距应在变位机的载重图或承载表的数据范围内，并有一定的裕量。2） 若变位机是用来焊接环焊缝时，应根据焊件的坡口的回转半径和焊接速度换算出工作台的回转速度，该速度应在变位机的调速范围内。另外，要注意工作台的回转平稳性是否能够满足工艺的要求。3） 若焊件外轮廓尺寸很大，则需要考虑工作台倾斜时，倾斜角度是否满足使焊件处于最佳焊接位置的要求；在此倾斜角下是个会出现焊件与地面接触的现象，若出现此现象，那么除选用工作台离地面间隙更大的变位机外，还可以采用增加基础高度或设置地坑的办法来解决。4） 变位机上若需要安装气动、电磁夹具以及水冷设施时，应向生产厂家提出接气、接电、接水的要求。5） 变位机的需用焊接电流应大于焊件施焊工艺所要求的最大焊接电流。第三章 焊接变位机的方案设计3.1焊接变为机的整体方案设计焊接变位机是改变焊件、焊机或焊工位置来完成机械化、自动化焊接的机械装置。使用焊接变位机可缩短辅助焊接时间，提高劳动生存率，减轻工人劳动强度，改善焊接质量，并可充分发挥各种焊接方法的效能。本焊接变位机由工作台、回转机构、翻转机构、机座、控制装置、电动机和焊接导电装置组成。工作台用于工件的停放和固定。在工作台面上开沟槽，表面刻有定位基线，用于工件的固定和定位。回转机构用于实现工作台的回转，不同的焊件合适的施焊速度不同，这可以通过控制变频器实现回转机构的无级调速使个工作台得到所需的回转速度。翻转机构由电动机经减速器，齿轮传动实现倾斜，安装有位置行程开关精确控制焊件的倾斜角度，使工件到达最有利于施焊的位置。机座用于支撑其他部件。电动机提供动力。减速器用于减速，这是由于电动机转速太高，而回转与倾斜转速要很低。3.2 翻转机构设计如图所示，通过电动机经过减速器再经过二级齿轮传动实现工作台的倾斜。翻转电动机参数如下表型号功率效率转速频率额定电压YEJ-160M11kw0.88146050Hz380V3.2.1第一级蜗杆的设计由于需要一级蜗轮蜗杆具有自锁功能，所以取传动比为62已知：电动机功率p=11kw，电动机效率0.88，蜗杆转速1460r/min,传动比i=62，工作载荷稳定，工作15年，一班制。1 选择蜗杆传动类型采用渐开线蜗杆2. 选择材料考虑到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁H100制造。3. 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由工具书查得，传动中心距（1）确定作用在蜗轮上的转矩T2Z1=1，估计效率为0.45，则(2)确定载荷系数K查工具书得（3）确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距的比值，查工具书得（5）确定许用接触应力可查工具书得应力循环次数寿命系数则（6）计算中心距取中心距查工具书得因此，以上结果可用4. 校核齿根弯曲疲劳强度可知可查得齿形系数螺旋角系数 许用弯曲应力可查得寿命系数可知弯曲强度是满足的3.2.2第二级蜗轮的设计蜗杆已知：输入功率p=4.22kw，蜗杆转速n1=23.55r/min,传动比i=8，工作载荷稳定，工作15年，一班制。1 选择蜗杆传动类型采用渐开线蜗杆2. 选择材料考虑到蜗杆传动效率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁H100制造。3. 按齿面接触疲劳强度进行设计根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。由工具书查得，传动中心距（1）确定作用在蜗轮上的转矩T2Z1=4，估计效率为0.80，则(2)确定载荷系数K查工具书得（3）确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故（4）确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距的比值，查工具书得（5）确定许用接触应力可查工具书得应力循环次数寿命系数则（6）计算中心距可取查工具书得因此，以上结果可用4. 校核齿根弯曲疲劳强度可知可查得齿形系数螺旋角系数 许用弯曲应力可查得寿命系数可知弯曲强度是满足的可知蜗轮蜗杆的参数如下表第一级蜗轮蜗杆参数名称代号数值中心距a320mm蜗杆头数Z11蜗轮齿数Z262齿形角20模数m8mm传动比i62蜗轮变位系数x20蜗杆直径系数q18蜗杆导程pa25.133导程角31047”第二级蜗轮蜗杆的参数名称代号数值中心距a400mm蜗杆头数Z14蜗轮齿数Z231齿形角20模数m20mm传动比i7.75蜗轮变位系数x2+0.500蜗杆直径系数q8蜗杆导程pa62.83导程角263354”第四章校核4.1各轴转速n1=nm=1460r/minn2=n1/i1=23.55r/minn4=n3=n2/i2=3.04r/minn5=n4/i3=0.70r/minn6=n5/i4=0.21r/min4.2各轴的功率电动机效率0.88，自锁蜗杆效率0.45，第二级蜗杆0.80，联轴器0.99，轴承0.98，圆柱齿轮0.95，Ped=11kwP1=110.880.99=9.58kwP2=9.580.980.45=4.22kwP3=P20.980.80=3.31kwP4=P30.980.99=3.21kwP5=P40.980.95=2.99kwP6=P50.980.95=2.78kw4.3 各轴的转矩4.4 齿轮的校核第一级齿轮的校核材料 小齿轮材料20Cr2Ni4渗氮后淬火，硬度为62HRC；大齿轮材料为20CrMnTi,硬度为58HRC查得小齿轮的接触疲劳极限为1650MPa,大齿轮的疲劳极限为1650MPa计算应力循环次数齿面接触强度校核校核公式查工具书得接触疲劳寿命系数KHN1=0.85，KHN2=1.00安全系数S=1可得， 计算载荷系数K可查得KA=1，KV=1.01，KH=1，KH=1.162计算得K=1.17代入ZE=189.8MPa1/2,K=1.28,T1=10084046 Nmm,=4.34,d=0.4,d1=184mm可得，H=1330MPaH齿根弯曲强度校核可查得小齿轮的弯曲疲劳极限为大齿轮的疲劳极限为弯曲疲劳寿命系数取弯曲疲劳安全系数可得K=KAKVKFKFKF=1.1,KF=1.105K=1.2YF=2.69, YF=1.575第二级齿轮的校核Z1=61, Z2=200材料 小齿轮材料20Cr2Ni4渗氮后淬火，硬度为62HRC；大齿轮材料为20CrMnTi,硬度为56HRC查得小齿轮的接触疲劳极限为1800MPa,大齿轮的疲劳极限为1750MPa计算应力循环次数查工具书得接触疲劳寿命系数KHN1=0.98，KHN2=1.01安全系数S=1可得， 齿面接触强度校核d1=610mm.b=75mm,d=0.115, =3.28,T1=40792143N. mm取K=1.17.齿根弯曲强度校核T1=40792143N. mm, YFa =2.28,YSa=1.73,m=10.Z1=61, d=0.115,取K=1.28可查得小齿轮的弯曲疲劳极限为大齿轮的疲劳极限为弯曲疲劳寿命系数取弯曲疲劳安全系数可得4.5 轴的校核小齿轮轴受力分析如上图轴对材料为40Cr调质后淬火，按弯扭合成应力校核轴的强度扭转切应力为脉动循环变应力，所以查得以定轴的材料为40Cr调质后淬火，查得故安全4.6小齿轮轴承的校核所选轴承为6316参数d=80,D=170,B=39,D1=92,D2=154,Cr=126KN,C0r=86.5KN计算当量动载荷P预期寿命验算寿命故轴承满足要求 第五章 控制部分5.1 控制部分电气原理图5.2回转机构的控制部分该部分电路采用变频器作为主控部分，具有较强的变速功能，且外部控制线路简单的特点。回转机构采用变频器变速，只需要经过齿轮传动就可以达到回转机构的目的，结构简单，工作可靠，且可以实现无级调速。在此控制部分，由于工作台的回转速度远小于电动机的转速，所以11N,即低于电动机额定转速调速，这时电压与频率成比例同时调节。可知，此时磁通和转矩都近似不变。这是恒转矩调速。变频器外部有正转控制端M0，反转控制端M0，公共端GND，模拟信号输入端AV1及+24V电源输入端。当合上主电源开关，SA2开关接通时，扳动双向开关SA1，接通11号线与13号线，旋转电机正转；同理，接通12号线与13号线，电动机反转。通过调节电位器RP，使模拟信号输入端AV1的电压从0V无级变化到+10V，从而实现电机的无级调速。5.3翻转电机的控制图为翻转电机的控制电气原理图，该控制电路通过降压变压器得到24V的控制电压。当翻转机构需要到达某一位置时，先设置SQ1或SQ3在所要到达的位置，然后按下SB1或SB2按钮，KA1或KA2通电并自锁，使翻转机构动作，