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自动焊机设计【马鞍形】【6张CAD图纸+毕业论文】【答辩优秀】

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自动焊机设计【马鞍形】

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关键词：: 自动设计马鞍形全套 cad 图纸毕业论文答辩优秀优良

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摘要

重型压力容器马鞍形自动焊机是用来焊接筒体与接管的智能化焊接设备。很多重大技术装备，如百万千瓦级核电机组设备、超超临界火力发电机组的成套设备、百万吨级大型乙烯的成套设备等，都要实现大厚度、大直径的筒体与接管焊接。其中它们之间的马鞍形曲线焊缝的焊接是制造这些装备的关键所在。马鞍形自动焊机就是针对现有焊接装备难以实现大筒体与接管的自动化焊接而开发研制的，它能够实现大厚度、窄坡口三维复杂焊缝的焊接。

本文根据国内外焊接技术的实际应用情况，在深入了解和分析国内外现有大型焊接装备的前提下，借鉴它们的成功经验，提出了对于窄坡口马鞍形焊缝多层多道循环焊接技术方案。

关键词　重型压力容器；马鞍形曲线；自动焊机；运动仿真

Abstract

The heavy pressure vessel saddle automatic welding machine is used for welding of tube and intelligent pipe welding equipment. A lot of major technical equipment, such as the million kilowatt class nuclear power generating equipment, ultra supercritical thermal power generating units, complete sets of equipment megaton large ethylene equipment, want to realize cylinder thickness, diameter and pipe welding. The welding of saddle shaped seam between them is the key equipment of producing these. Saddle automatic welding machine for welding equipment is available to the cylinder body and the control of automatic welding and welding is developed, it can achieve large thickness, narrow groove weld of 3D complex.

In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. Based on this scheme is determined the overall design, the heavy pressure vessel for saddle shaped curve automatic welding machine kinematic and dynamic parameters, and complete the detailed design of each part of the mechanical structure.

Automatic welding machine for saddle shaped curve of heavy pressure vessel designed by this paper has good versatility, high control precision, stable operation, compact structure, simple operation, convenient maintenance, can be very good to meet the large cylinder and pipe welding requirements. Automatic heavy pressure vessel welding, improve production efficiency, to fill the gaps in domestic related fields.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme.

重型压力容器的研制

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摘要I

第1章绪论1

1.1 课题背景1

1.2 国内外研究现状2

1.2.1 国内研究现状2

1.2.2 国外研究现状4

1.3本文研究内容6

第2章总体设计8

2.1设计要求8

2.2 设计原则与总体布置10

2.1.1 设计原则10

2.1.2 总体布置10

2.3 主要参数的确定13

2.3.1 传动原理13

2.3.2 运动参数确定14

2.3.3动力参数确定15

2.4 本章小结17

第3章主要部件设计18

3.1 电动机选择18

3.2 集电装置19

3.3 进给装置22

3.4 非任务的主要部件的设计25

1.1 本章小结32

结论33

参考文献34

致谢37

附录I38

附录II46

INDEX

域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行

第1章绪论

1.1 课题背景

随着社会的发展和焊接技术的进步，对核电与石化设备等筒体与接管的焊接自动化程度的需求日益提高。因而迫切要求焊接设备快速发展，以满足不断增长的生产力发展的需求。一方面在电力、石油、化工、锅炉等行业中,经常遇到筒体与相应的接管焊成的相贯线接缝。而这类零件的加工大多采用手工焊接,这使结构制造周期长、成本高、生产效率低、劳动强度大,焊接质量难以保持稳定。有些厂家从国外引进管、板自动焊机、机器人等，但这些机器人价格非常昂贵,同时对零部件的备料,要求综合尺寸精度高、形位公差小,往往由于几个尺寸不合格就使得焊枪偏离焊缝,严重影响了焊缝的内部和外部质量。还有的厂家由于机器人出现故障无法修复,使我国引进的机器人中有60%以上不能很好地用于生产。为了降低成本,缩短生产周期,需要研制专用的焊接装备。另一方面马鞍形曲线焊机也是加工各种具有筒体与接管焊接的重要技术装备，而重大技术装备国产化作为提升装备制造业的重点是党中央国务院的战略决策，是国家中长期科学与技术发展规划纲要的重点领域。在国家发改委提出的“十一五”国家重大技术装备中明确提出“百万千瓦级核电机组与超临界火力发电机组成套设备”、“大型煤制气成套设备”、“百万吨级大型乙烯成套设备”,等重大技术装备的国产化。在这些大、重型装备中，如大型火力发电的锅炉汽包，核电设备中的压力壳、大型煤制气成套设备中煤液（汽）化反应器、大型乙烯设备中的加氢反应器等，焊接是主要制造技术手段。而且装备的关键零部件制造中均涉及三维规则或复杂焊缝的自动化焊接。一个重型压力容器需要焊接上几十个甚至上百个接管，焊缝为空间马鞍形（包括标准马鞍形与非标准马鞍形），且根据不同的坡口形式，需要多层多道连续焊接。这些焊缝往往成为整个产品制造质量的关键与瓶颈。要实现此类焊缝的自动化焊接，具有一定的技术难度。因此提高焊接自动化水平是保证产品质量与提高生产效率，进而提升企业国际市场竞争力的根本所在。

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内容简介：: 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - I - - 摘要重型压力容器马鞍形自动焊机是用来焊接筒体与接管的智能化焊接设备。很多重大技术装备，如百万千瓦级核电机组设备、超超临界火力发电机组的成套设备、百万吨级大型乙烯的成套设备等，都要实现大厚度、大直径的筒体与接管焊接。其中它们之间的马鞍形曲线焊缝的焊接是制造这些装备的关键所在。马鞍形自动焊机就是针对现有焊接装备难以实现大筒体与接管的自动化焊接而开发研制的，它能够实现大厚度、窄坡口三维复杂焊缝的焊接。本文根据国内外焊接技术的实际应用情况，在深入了解和分析国内外现有大型焊接装备的前提下，借鉴它们的成功经验，提出了对于窄坡口马鞍形焊缝多层多道循环焊接技术方案。关键词重型压力容器；马鞍形曲线；自动焊机；运动仿真 nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - II - - Abstract The heavy pressure vessel saddle automatic welding machine is used for welding of tube and intelligent pipe welding equipment. A lot of major technical equipment, such as the million kilowatt class nuclear power generating equipment, ultra supercritical thermal power generating units, complete sets of equipment megaton large ethylene equipment, want to realize cylinder thickness, diameter and pipe welding. The welding of saddle shaped seam between them is the key equipment of producing these. Saddle automatic welding machine for welding equipment is available to the cylinder body and the control of automatic welding and welding is developed, it can achieve large thickness, narrow groove weld of 3D complex. In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. Based on this scheme is determined the overall design, the heavy pressure vessel for saddle shaped curve automatic welding machine kinematic and dynamic parameters, and complete the detailed design of each part of the mechanical structure. Automatic welding machine for saddle shaped curve of heavy pressure vessel designed by this paper has good versatility, high control precision, stable operation, compact structure, simple operation, convenient maintenance, can be very good to meet the large cylinder and pipe welding requirements. Automatic heavy pressure vessel welding, improve production efficiency, to fill the gaps in domestic related fields.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - III - - 目录摘要 . I 第 1章绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国内研究现状 . 2 1.2.2 国外研究现状 . 4 1.3 本文研究内容 . 6 第 2章总体设计 . 8 2.1 设计要求 . 8 2.2 设计原则与总体布置 . 10 2.1.1 设计原则 . 10 2.1.2 总体布置 . 10 2.3 主要参数的确定 . 13 2.3.1 传动原理 . 13 2.3.2 运动参数确定 . 14 2.3.3 动力参数确定 . 15 2.4 本章小结 . 17 第 3章主要部件设计 . 18 3.1 电动机选择 . 18 3.2 集电装置 . 19 3.3 进给装置 . 22 3.4 非任务的主要部件的设计 . 25 1.1 本章小结 . 32 结论 . 33 参考文献 . 34 致谢 . 37 附录 I . 38 附录 II . 46 nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - IV - INDEX 域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“ Abstract”这一行后加一空行nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 1 - 第 1 章绪论 1.1 课题背景随着社会的发展和焊接技术的进步，对核电与石化设备等筒体与接管的焊接自动化程度的需求日益提高。因而迫切要求焊接设备快速发展，以满足不断增长的生产力发展的需求。一方面在电力、石油、化工、锅炉等行业中 ,经常遇到筒体与相应的接管焊成的相贯线接缝。而这类零件的加工大多采用手工焊接 ,这使结构制造周期长、成本高、生产效率低、劳动强度大 ,焊接质量难以保持稳定。有些厂家从国外引进管、板自动焊机、机器人等，但这些机器人价格非常昂贵 ,同时对零部件的备料 ,要求综合尺寸精度高、形位公差小 ,往往由于几个尺寸不合格就使得焊枪偏离焊缝 ,严重影响了焊缝的内部和外部质量。还有的厂家由于机器人出现故障无法修复 ,使我国引进的机器人中有 60%以上不能很好地用于生产。为了降低成本 ,缩短生产周期 ,需要研制专用的焊接装备。另一方面马鞍形曲线焊机也是加工各种具有筒体与接管焊接的重要技术装备，而重大技术装备国产化作为提升装备制造业的重点是党中央国务院的战略决策，是国家中长期科学与技术发展规划纲要的重点领域。在国家发改委提出的“十一五”国家重大技术装备中明确提出“百万千瓦级核电机组与超临界火力发电机组成套设备”、“大型煤制气成套设备”、“百万吨级大型乙烯成套设备” ,等重大技术装备的国产化。在这些大、重型装备中，如大型火力发电的锅炉汽包，核电设备中的压力壳、大型煤制气成套设备中煤液（汽）化反应器、大型乙烯设备中的加氢反应器等，焊接是主要制造技术手段。而且装备的关键零部件制造中均涉及三维规则或复杂焊缝的自动化焊接。一个重型压力容器需要焊接上几十个甚至上百个接管，焊缝为空间马鞍形（包括标准马鞍形与非标准马鞍形），且根据不同的坡口形式，需要多层多道连续焊接。这些焊缝往往成为整个产品制造质量的关键与瓶颈。要实现此类焊缝的自动化焊接，具有一定的技术难度。因此提高焊接自动化水平是保证产品质量与提高生产效率，进而提升企业国际市场竞争力的根本所在。目前，我国在上述重型压力容器的生产制造中，其主环缝和筒体内壁堆焊已实现自动焊接，而对于接口管的马鞍形焊接和 90 弯管内壁堆焊，尚无nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 2 - 现成的自动焊设备可以采用 , 主环缝的焊接自动化与智能化水平还较低。国内大多数厂家还在采用手工焊接，个别厂家虽然采用了焊接专机，但自动化程度不高，焊接过程中需要人工调节，且焊枪沿马鞍形运动轨迹靠机械方式调节，效率低，焊接质量难以保证，而且一旦发生焊接缺陷，大厚度截面难以修复。因而研制重型压力容器马鞍形自动焊机对满足我国锅炉、核电及石化设备制造的需求，提高其自动焊接水平，具有重要的现实意义。本课题根据马鞍形曲线的数学模型，利用 CAD/CAE 等计算机技术，研发稳定可靠的焊缝自动跟踪、多层多道焊接的焊道自动规划等关键技术，研制和开发重型压力容器马鞍形自动焊接设备以及复杂曲面三维焊缝自动化焊接工艺，并应用于生产实际，提高了我国重型压力容器自动化焊接水平和制造水平。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国内研究现状我国焊接装备制造业起步较晚，五六十年代我国重点企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进，部分由使用厂自行设计制造。到了 70 年代，我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂，如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂，在 “六五”期间，原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我国第一家具有批量生产能力，制造专用摩擦焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入 80 年代，随着国内焊接装备需求量的增长，各地相继建立了多家中小型成套焊接装备生产厂。迄今为止，我国已有 10 多家焊接装备生产企业，某些企业已具有相当大的规模，已实现焊接装备的批量生产。例如无锡阳通机械设备有限公司等。在发展初期，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。焊接操作机与配套设备基本上不能联动控制，用户必须自行改造。进入 80 年代以后，加快了焊接自动化技术的研究，国内几所重点大学与研究院所相继开展了研究工作，但由于国内在电子技术与元器件性能方面落后发达国家较多，所以较多的研究集中在技术原理的试验研究和应用基础研究，而工程化设备的研制很少。由于国外先进成套焊接设备的大量引进，促使国产的焊接装备无论在成套性和自动化程度，还是设备精度和制造质量nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 3 - 方面都有不同程度的提高。能够批量生产 H 型钢和箱形梁焊接生产线以及各种类型的按用户需要定制的专用成套焊接设备，并大量采用交流电机变频调速技术、 PLC 控制技术、伺服驱动及数控系统，焊接装备的自动化程度有了很大的提高，某些操作机还配备了焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。但从整体水平来说，与先进国家的同行业相比，尚有较大的差距。近 10 年来在世界范围内，焊接技术的发展日新月异，焊接新方法、新设备、新材料和新工艺层出不穷。焊接技术不仅广泛应用于造船、锅炉、压力容器、管道、重型机械、冶金设备、汽车、铁路车辆、桥梁和金属结构等传统制造工业部门，而且迅速扩大应用于大型建筑结构、食品加工机械、医疗机具、轻工机械、家用电器、半导体和微电子器件等新兴加工行业。我国焊接装备制造行业的技术水平有了长足的进步。焊接装备的成套性、自动化程度、制造精度和质量明显提高，应用范围正逐步扩大，尤其是国家制定了拉动内需的政策，进一步促进了焊接装备制造行业的发展。尽管我国成套焊接装备的年总产值不足 5 亿元，但对我国焊接结构制造行业的发展却起着举足轻重的作用。可以预计，今后几年内，随着世界制造业中心逐渐向着中国转移，我国传统制造业必将加快技术改造，大量采用高度自动化的加工设备，促使我国焊接装备制造业产生根本性的变革。随着社会的进步，一些公司更是采用了先进的焊接工艺，如东方锅炉厂采用先进的热丝 TIG 焊接技术、来焊接大型锅炉设备，推广了 CO2 气体保护焊在锅炉受压和非受压部件上焊接的使用。为了满足蒸汽锅炉安全监察规定中大的规定，采用集箱管座内孔氩弧焊来实现全焊透这一要求，解决了集箱管座内孔直径小添丝较困难、不采用内孔添丝焊容易产生根部凹陷和咬边的缺陷。我国在重型压力容器焊接设备方面也有了长足的进步。重型压力容器泛指能承受超高温和高压的压力容器，是油、气、煤大型化工、火电站、核电站、核装置、重型矿山机械等工业行业的核心关键设备。以前，国内用于重型压力容器行业的重型焊接装备一直依赖于进口如 ESAB 公司和美国浪神公司等。为适应重型压力容器行业快速发展的需要我国焊接界把重型压力容器焊接设备实现机械化和自动化作为了战略目标。为此很多焊接设备公司投入了很大精力来研究。并取得了一定的成绩，如成都焊研威达自动焊接设备有限公司在容器焊接所需的成套设备领域处于领先地位。改变了厚壁压力容器焊接依赖进口的局面。该公司生产的最大防窜滚轮架为 1200 吨，超大吨位防窜滚轮架用于重nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 4 - 型容器的窄坡口焊接和普通环缝埋弧焊或气保焊。其 200 吨以上的滚轮架，用于重型容器的组对，滚轮架具有上下、左右调节机构，能对容器筒节的垂直、左右错位进行有效调节，实现对中，便于组对，防窜滚轮架的重要参数防窜精度达到了 1mm 以内。以前各厂家采用天车吊装调整，对中精度低。而它们生产的最大重型操作机 14 10 米，包括十字架式操作机、悬臂式操作机和龙门式操作机三种形式，该操作机的技术特点是端头承载 500 公斤以上，需载人 2-3 名，操作机的稳定性和下挠度是需要充分保证的参数，这种重型操作机的下饶度控制在 2mm/m 以内。而威达公司能成产用于重型容器封头的带极堆焊的最大变位机为 150 吨，分为双支座下沉式变位机和单支座变位机两种形式，能对 4600mm的封头进行堆焊。进入新世纪以来，我国焊接结构制造业当中一个引人注目的动向是向多参数、高精度、重型化和大型化发展。其中包括 1000MW 以上火力、水力和核能发电设备，年产量 60 万 t 以上的化工炼油设备， 10 万 t 以上的远洋货轮，大型建筑结构，大跨度桥梁，跨省跨国得出输油输气管线，海洋建筑，冶金设备，重型机构，航空航天工程，大型客车和高速铁路车辆等。 2002 年我国焊接结构的钢耗量已超过 8000 万 t。特别是 2008 年我国最大的体育场馆鸟巢的完工，更加显示了我国对焊接技术的需求和迅猛发展。 1.2.2 国外研究现状国外的焊接技术起步比我国早，发展速度也比我国快。在 1887 年 ,俄国的别纳尔多斯就发明碳极电弧焊钳、 1900 年又出现了铝热焊。 19 世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源开拓了焊接技术的新局面。 20 世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到大大提高，使手工电弧焊进入实用阶段。而到 1951 年，苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。为焊接重型压力容器打下基础。而在 20 世纪 50-60 年代，相继出现了等离子弧焊、电子束焊、激光焊等现代焊接方法、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊技术的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。到了 20 世纪末焊接技术开始了的飞迅发展，各种焊接工艺纷纷问世。特别是近年来，在世界工业发达国家，当代焊接技术与装备的nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 5 - 发展速度更是惊人。在英、美、德、法、意和日本等国均有相当规模、开发能力很强的焊接装备生产企业。 2001 年的第十五届世界焊接与切割博览会上参展的焊接装备厂商近百家，近期生产的自动化焊接装备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得注意的是，大多数焊接装备采用了最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用焊接机器人作为操作单元，组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。而且早在 80年代，国外的焊接装备已向大型化和精密化发展。对于重型压力容器的焊接技术和装备国外也较我国先进。目前国外生产的用于承载压力容器筒体的重型焊接滚轮架最大的承载能力达 1600t，自动防窜滚轮架的最大承载能力达 800t，采用 PLC 和高精度位移传感器控制，防窜精度为 0.5mm 。变位机的最大的承载能力达 400t，转矩可 450kN M。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载能力达 160t。焊接回转平台的最大承载能力达 500t。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达 12M。龙门架操作机的最大规格为 8m 8m。另外随着自动控制和信息技术发展的，国外的重型压力容器焊接也发生了根本的变化，向自动化智能化方向发展。焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求，它不仅可大大提高焊接生产率，更重要的是可确保焊接质量，改善操作环境。随着整个制造业水平的提高，企业的经营理念发生了很大变化，高产量已让位于高质量，劳动密集型已逐步被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机、机器人工作站、生产线和柔性制造系统已成为一种不可阻挡的趋势。如大型化计算机集成制造系统，该系统是将焊接机器人或焊接操作机、焊接电源、工件变位机械、输送辊道、半成品库、零件库和原材料库等生产设备和物料供应系统的工作程序的编制、工作参数的设置、生产过程的监控、数据处理、人机界面和通讯网络集成在 1 台商用或工业 PC 机上，通过现场总线 profibus 和 ET-200 分布式 I/0 模块等联结成完整的集成自动化系统。利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM 计算机软件可以实现产品图纸设计、制造工艺编制、生产计划安排、生产过程监控、生产和物料管理等一体化。计算机集成制造系统可以是一条生产线，也可以是整个车间的生产设备，甚至是整个工厂的生产过程和物料的管理。纵观当今世界焊接装备制造业的发展趋势，可以概括为如下几个特点： 1.高精度、高质量和高可靠性如与焊接机器人配套的焊接变位机，最nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 6 - 高的重复定位精度为 0.05mm ，机器人和焊接操作机行走机构的定位精度为 0.1mm，移动速度的控制精度为 0.1% 。 2.数字化、集成化和智能化控制过程的数字化控制比传统的金属切削加工要复杂得多，它必须考虑焊件几何形状的偏差和接缝装配间隙误差以及焊件焊接过程中的热变形，广泛采用各种高级别传感技术，开发先进的自适应控制系统才能实现焊接过程的全自动化。某些形状复杂和质量要求高的焊件，还必须采用智能化的计算机软件控制。 3.大型化和组体化重型厚壁容器焊接中心、集装箱外壳整体组装焊接中心、汽轮机导流隔板柔性制造系统、箱型梁焊接生产线、机车车箱总装组焊中心等。某些大型焊接中心和生产线占地面积可达整个车间。如焊接操作机、配套焊件变位机械、搬运机械和传输辊道组合联动，形成制造系统或焊接生产线。 4.多功能化为发挥大型自动化焊接装备的效率，通常设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺，如单丝、多丝埋弧焊，单丝双丝窄间隙焊，MIG/MAG焊和带极堆焊等。 5.管控一体化通过企业的局域网，利用 CAD/CAE/CAPP/PDM等计算机软件，将生产管理与制造系统实行集成全自动化控制，实现脱机编程，远程监控，诊断和检修。 1.3本文研究内容本文在充分了解了国内外自动焊接技术和装备现状及发展趋势的基础之上，结合重型压力容器的焊接工艺特点，提出了对马鞍形焊缝采用窄坡口、多层多道循环焊接的方案，克服传统手工焊接工作效率低、焊接质量差、工人劳动强度大的弊端，达到操作方便、数字化控制、质量稳定、精度高和速度调节灵活等特点，实现重型压力容器筒体与接管的自动焊接要求。具体研究内容如下。 1.前期调研和收集相关资料，了解国内外现有焊接技术及焊接装备的发展状况，掌握国内、外重型压力容器筒体与接管焊接的相关技术现状。 2.根据重型压力容器筒体与接管的焊接工艺要求，拟定马鞍形自动焊机的设计方案，确定总体配置和主要设计参数，完成自动焊机的总体设计。 nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 7 - 3.对马鞍形自动焊机主要部件进行详细设计，包括电动机的选择、集电装置设计进给装置设计等。 nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 8 - 第 2 章总体设计总体设计是机电产品设计的关键，它对产品的技术性能、经济指标和外观造型均具有决定性意义。对于自动焊机的总体设计应始终贯彻了“简单实用、操作方便、安全可靠、技术先进”的原则。本文在详细分析重型压力容器筒体与接管焊接工艺的基础上，借鉴国内外同类产品的成功经验，提出了重型压力容器马鞍形自动焊机的总体设计方案。 2.1 设计要求由于产品设计要求既是设计、制造、试验和鉴定的依据，同时又是用户衡量的尺度，所以在进行设计前必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。研制的马鞍形自动焊机，主要针对核电、大型石化设备中大厚度、窄坡口的马鞍形曲线焊接。由几何知识可知，所谓的“马鞍形”曲线就是指接管与筒体相贯而形成的相贯线，见图 2-1。图 2-1 马鞍形曲线焊缝目前用于焊接筒体与接管的坡口的角度多为 30-60的普通坡口，它存在坡口加工时间长、焊接工时多、浪费材料和焊接质量低等缺点。而本设计采用如图 2-2所示的角度 =4 的窄坡口焊缝结构，采用窄破口焊缝结构可以节约 15%-45%的焊料，并能够节省大量的机械加工和焊接工时，同时也会大幅度地提高焊接质量，降低制造成本。 nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 9 - 图 2-2 马鞍形曲线焊缝窄间隙坡口截面图自动焊机的焊枪应具有左右转角功能，焊枪的马鞍形运动轨迹要与实际相吻合，并能够时时修正运动轨迹，实现焊道的自动排列。减少焊接工序，降低劳动强度，提高工作效率。要使焊缝均匀合理，满足产品质量的大前提下，减少焊接材料的消耗。据此提出大型筒体马鞍形自动焊机的设计要求。 1.马鞍形曲线自动焊机主要用于接管直径为 500-1800mm、接管高度小于600mm、筒体厚度小于 300mm、马鞍形最大落差小于 300mm 坡口形式为窄间隙的场合，要求其焊接速度可调，范围为 300-500 mm/min。 2.采用数字控制，焊枪的马鞍形运动轨迹，依据一定的数学模型，通过两轴协调运动合成。具有自动排列焊道功能，可实现多层多道连续焊接。具有三套程序，可分别实现内马鞍、外马鞍及水平环焊缝三种焊接方式。 3.焊枪具有摆角功能，可实现不同的摆角位置，且摆角幅度可调。考虑到理论上与实际上的马鞍形运动轨迹可能出现误差，具有方便的调整环节，在焊接过程中，可以及时修正马鞍的落差量。 4.设备具有旋转导电、导气装置 , 旋转导电装置采用双线、双电刷结构，确保导电良好。且进行多层多道连续焊接时导线不缠绕。为防止导电环数量过多，控制系统安装在设备本体上，随设备一起转动。 5.设备具有方便、快捷的连杆式夹紧定位装置，适应的接管范围大。同时可互换三爪卡盘。 4o nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 10 - 2.2 设计原则与总体布置 2.1.1 设计原则明确、简单、安全可靠是结构总体设计应遵守的三项基本原则。由于这三项基本原则的共同目标都是为了保证实现总系统 (产品 )的预期功能、降低成本及保障人和环境安全的，所以，在整个设计阶段应将这三项基本原则贯彻到底。 1.明确原则包括功能明确、工作情况明确和结构的工作原理明确。功能明确，所选择的结构应能明确无误地、可靠地实现预期的功能。对于可实现的功能来说，要做到既不疏漏又不冗余；工作情况明确，被设计的产品所处的工作状况必须明确。因为结构和零部件的材料、形状、尺寸、磨损及腐蚀是根据其工况来确定。若设计时缺少准确的使用工况说明，且不得不做出一些假设的话，应随时检查有关假设的正确性；结构的工作原理明确，设计结构时所依据的工作原理必须明确，从而才能可地实现能量流、物料流和信号流的转换或传导。 2.简单原则简单原则是指要在满足总功能的前提下，尽量使整机、部件、零件的结构简单，且数目少；同时还要求操作与监控简便；制造与测量容易、快速、准确；安装与调试简易而快亦就是说这里所指的“简单”，同时具有简化、简便、简明、简易、减少等多重含义。 3.安全可靠原则一个产品的安全可靠性主要指：在规定外载荷下，在规定的时间内，构件不发生断裂、过度变形、过度磨损且不丧失稳定性；要保证操作者的人身安全；不造成不允许的环境污染，同时也要保证整个产品对环境的适应性。 2.1.2 总体布置一个机械系统是由若干个子系统按照总功能的要求相互匹配而组成的。总体布置设计就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系，并使总系统具有一个协调完善的造型。一个功能目标可以由不同的nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 11 - 功能原理来实现；不同的功能原理方案对应着不同的技术物理效应或物理学原理；不同的效应和原理决定着机械系统的总体布置、性能、产品质量、生产率和成本。同一效应或原理在采用不同的总体布置时，又会对机械系统本身的设计制造和使用产生很大的影响，因此，总体布置设计是结构设计阶段的重要环节。机械系统的总体布置设计是带有全局性的一个重要问题，不但要考虑系统本身的设计内容，而且，还应考虑系统与外部各因素之间的关系，即人机关系、系统对环境的适应等等。布置形式机械系统总体布置的基本类型：按主要工作机构的空间几何位置可分为平面式、空间式等；按主要工作机械的布置方向可分为水平式（卧式）、倾斜式、直立式和圆弧式等。根据筒体与接管的焊接特点和结构，同时考虑到装夹、安装、拆卸的方便，以及在其工作时操作控制的便利，本设计的自动焊机采用直立回转式布置形式。直立回转式占用空间小，结构紧凑，便于工作人员操作，安装与调试方便，如果采用卧式回转的形式，由于待加工的零件尺寸比较庞大，重量也很笨重，因此给装夹和加工非常困难，而且焊接精度由于受到重力的干扰，相对于直立回转式来说也较差。卧式结构与直立回转式特点见表 2-1。可见，选择直立回转式布置较为合理，其结构如图 2-3所示。表 2-1 卧式布置与直立回转式布置对比卧式结构直立回转结构占用空间大占用空间小安装调试不便安装调试方便装夹困难装夹易刚度较好刚度能满足要求精度较差精度较好工作原理大型筒体马鞍形埋弧自动焊机总体结构如图 2-3 所示，它由主机体、夹紧装置、径向进给装置、横向进给装置 1、横向进给装置 2、导丝机构、焊枪、焊丝盘、集电装置等部分组成。夹紧装置将自动焊机固定到接管体上，通过手柄、齿轮和丝杠螺母带动 3 组反平行四边形机构伸缩，完成夹紧和松开动作。径向进给装置和轴向进给装置 1 用于焊枪启始点的确定及自动焊接nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 12 - 过程中对焊枪进行微调，同时径向进给装置完成在焊接过程中的径向进给运动。主机体内设计有回转驱动机构和轴向进给装置 2，依据一定的数学模型，回转运动和轴向进给装置 2 驱动的上下往复运动协调运动完成焊枪马鞍形运动轨迹。焊接开始前，首先通过人机界面输入接管直径、筒体直径、焊接速度、焊接层数及每层焊接道数等工艺参数，在手动状态下，将焊枪调整到启始点位置上，自动焊机从马鞍形焊缝的最低点开始，由里向外排列焊道，焊枪每旋转一周并搭接一段距离后，向外侧移动一个焊道宽度，当一层焊道完成后，焊枪自动提高一个焊道高度，再由外向里排列焊道，以此循环往复，完成设定的焊接层数。这样就完成了整个坡口的焊接。 1焊枪 2.导丝机构 3.径向进给装置 4.轴向进给装置 1 5.轴向进给装置 2 6.集电装置 7.焊丝盘 8.主机体 9.手动装置 10.夹具装置图 2-3 马鞍形曲线自动焊机总体结构 1 2 4 6 7 8 9 10 5 3 nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 13 - 2.3 主要参数的确定 2.3.1 传动原理传动系统不仅是连接动力源与执行件的桥梁，而且要完成将动力源的速度或力矩转换为符合执行件所要求的力矩和速度。而且传动系统直接影响到整个系统的结构，是机械设计的一个重要环节。各种运动是由相应的传动链完成的。通常机械系统有几种成形运动，就有几条传动链。根据传动联系的性质不同，传动链可分为内联系传动链和外联系传动链。要实现马鞍形曲线焊缝的焊接，就得实现焊机焊枪的马鞍形曲线的运动，而这个焊枪的运动是由主机体的回转运动、轴向进给装 2 提供的上下往复运动以及径向进给装置、轴向进给装置 1 的微调进给运动的合运动。重型压力容器马鞍形自动焊机传动系统见图 2-4。图 2-4 马鞍形自动焊机传动系统回转运动电机通过减速器、齿轮把运动传递给整个焊机，使其旋转，同时轴向进给装置 2 电机也驱动，依据一定的数学模型带动径向进给、轴向进给 1 以及焊枪上下往复运动。径向进给用来完成一个马鞍形焊道的焊接后驱nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 14 - 动电机运动进行一个径向进给，使其能够进行下一马鞍形焊道的焊接，如果在焊接的过程中，焊枪在其焊接轨迹的径向上出现偏差，那么径向进给装置也可来进行微调。而轴向进给装置 1 主要是如果焊枪在焊接轨迹的纵向上出现偏差，则调整它使焊枪处于正确的位置。 2.3.2 运动参数确定交流调速电动机的功率和转矩特性如图 2-5 所示，自动焊机的回转进给运动、径向进给运动以及 2 个轴向进给运动装置的电动机均要求恒转距输出，即应使得电动机的工作转速 n 电小于等于额定转速 nd，且大于最低转速nmin。图 2-5 交流调速电动机的功率和转矩特性根据大型筒体自动焊机的工作要求，其基本参数确定为： 1.回转进给是由回转装置电机通过行星减速器输出，用齿轮传动。所以回转运动转速 1n 为： 121 0 6 0 / m i ni1 回转电机 Zn n rZ (2-1) 式中： n回转电机为回转运动电机转速 (r/min )； Z1 为小齿轮齿数 (齿 )； Z2为大齿轮齿数 (齿 )； i为行星减速器传动比。 T P nmax nd nmin 电动机转速（ r/min）功率P（kW），转矩T（Nm nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 15 - 2.径向进给运动径向进给运动是由径向进给运动电机通过齿轮、丝杠传动，把电机的旋转运动转换成所需的直线运动，所以进给速度 VS为： 1 0 6 0 0 /0横电减 S mVTi mn m i n(2-2) 式中： n横电为进给运动电机转速 (r/min)； i 为减速器传动比； T 为丝杠螺距 (mm)。 3.轴向进给运动 1 同理可得纵向进给速度： 2 0 2 4 0 0 / m i n轴 1 电 SV n T m m(2-3) 式中： 1n轴电为进给运动电机转速 (r/min)； T为丝杠螺距 (mm)。 4轴向进给运动 2 提升运动是由提升电机通过行星减速机输出，用丝杠螺母传动。所以提升运动的速度为 S3V 为： 31 0 4 8 0 / m i n轴 2 电减 :SV n T m mi(2-4) 式中： 2n轴电为轴向进给装置电机转速 (r/min)； i为减速器传动比； T为丝杠螺距 (mm)。 2.3.3 动力参数确定各种传动件的参数都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数选得过大，将使机床过于笨重，浪费材料和电力；如果参数定得过小，又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定。传动效率根据图 2-4传动系统可知，回转运动传动系统的总传动效率可表示为： 21 2 3 (2-5) nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 16 - 式中： 1 为行星减速器传动效率，取 1 =0.97； 2 为轴承传动效率 (一对 )，取 2 =0.98； 3 为齿轮副传动啮合效率，可取 3 =0.97。将上式代入各参数可求得 0.913 。电机功率由图 2-5 可知，有 4 条传动链。即回转运动、径向进给运动、轴向进给运动 1、轴向进给运动 2。由于马鞍形曲线自动焊机无外载荷，只是克服自身重量载荷运动，因此只要能够产生带动自身运动的功率的电机即可。 1.回转运动装置电机整个焊机重量 m 250kg 。转动惯量的确定整个装置的转动惯量设为 J 可表示为： 33 22118 3 . 8 9 gn n nJ I m r k g m m (2-6) 式中： m为重量 (kg )； r为有效半径 (mm)。整个机构的角速度通过减速器和齿轮传动，角速度可表示为：机 =总i = -3 5 0 0 4 .9 . 4 7 1 0 7 3 5 / r a d s (2-7) 式中：为整个机构角速度； i总为总传动比。克服惯性的扭矩 M1计算如下： 7 9 4 . 4 4机t gIM J N m(2-8) 式中： t 为电机起动加速过程的时间。对于中小型机床取 t=0.5s，对于大型机床取 t=1s。功率的计算即为克服惯性扭矩的功率，计算式为： 1 0 . 6 89550 IMnN k w (2-9) nts 哈尔滨工业大学华德应用技术学院（论文） - 17 - 式中：为传动机构的机械效率。即选用动力源的功率 P 应不小于 0.68kw。所以选择回转电机的功率为0.75kw。 2.径向进给装置电动机由于

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