步进驱动点焊机头设计说明书

1目录摘 要 .9ABSTRACT.100 引言 .1201 本课题的背景及研究意义 .1302 焊接技术的应用和发展 .1403 点焊机的发展和应用 .161 点焊机头总体设计 .1911 点焊机构设计问题 .1912 点焊机构布置形式 .211.2.1 加压机构 .221.2.2 丝杠简析 .221.2.3 丝杆设计 .221.2.4 螺母座的设计 .221.2.5 联轴器的安装定位 .221.2.6 直线导轨的安装定位 .221.2.7 送丝机构设计 .2213 总体设计 .2221.3.1 点焊机构核心机构设计 .221.3.2 轴承的选型 .222 零部件选型设计 .252.1 传动形式的选择 .292.1.1 丝杠的选型 .312.1.2 丝杆计算 .372.2 联轴器的设计及其计算 .372.2.1 计算最小轴径 .372.2.2 丝杆连接结构 .373 其他机构分析与设计 .4631 线性滑块机构的分析与设计 .463.2 选型步骤和参数考量 .463.3 其他标准件的选取 .463.3.1 罩壳固定螺钉 M6x10 选型 .463.3.2 三维轴承选型 .464 驱动机构的选择与计算 .564.1 电机选择 .5642 电机的计算与选择 .574.2.1 转矩计算 .5743 校验电机 .614.3.1 计算所需功率 Pw.6135 总结 .63参考文献 .644摘 要随着劳动力成本的增加，对产品质量要求的提高，机械制造产业原先采用的人工焊接方式面临着效率低下，劳动力成本高，且质量稳定性差的缺点，采用自动化的焊接方式是当前企业生产的一个迫切需求。 本毕业设计来源于上海某自动化技术有限公司的自动点焊项目的需求，设计一个适用于电池点焊的机构。在分析自动点焊机构的关键影响因素(如焊接电流、通电时间、电极压力及工件表面清理情况)基础上，根据该点焊机构的工作特点，设计出了机头总体结构，并给出了该机头机构的总体设计，以及该机构的重要组件的设计。本设计采用了步进驱动方式，可实现焊接位置的灵活控制，设定位移的控制精度，提高焊接的稳定性，减少国产机头经常暴焊等问题，也可以节约成本，这样极大的改善了焊接的质量，对提高点焊技术水平有一定的意义。本点焊机头机构与一般的自动焊接机构相比能提供更多的精确度，并且专给点焊机构不稳定性的设计，目前市场上并没有步进驱动的点焊机头，因此本设计与其他气动的点焊机相比能更好的实际运用。关键词： 步进驱动，机械传动，丝杆传动，加压机构5Stepping driven welding head designABSTRACTWith the increase in labor costs, improve product quality requirements , manual welding machinery manufacturing industry , as originally faced inefficient, high labor costs and the stability of the shortcomings of poor quality , the use of automated welding current class production an urgent need.The demand for graduation from a Shanghai Automation Technology Co., automatic welding project to design a mechanism for battery spot welding . Analysis of the key factors in the mechanism of automatic spot welding (welding current supply time , cleaning the surface of the workpiece and the electrode pressure ) , based on the spot according to the working characteristics of the mechanism , the overall design of the head structure , and gives the overall design of the machine head mechanism , and the design of the important components of the organization. This design uses a stepper -driven approach for flexible control of the welding position , displacement control precision setting , to improve the stability of welding, welding reduce domestic violence and other issues head frequently , you can save costs, so greatly improved the quality of the welding , spot welding technology to improve the level of a certain significance.The welding head mechanism provides automatic welding compared with the general agency for more accuracy and stability of institutions are not designed to spot design , currently on the market is not a stepping -driven welding head, so this compared with other aerodynamic design of spot welding can better apply to reality.Keywords: stepper drives , mechanical drive , screw drive, a pressure mechanism6步进驱动点焊机头设计蔡俊佶 01120175 0 引言点焊是电阻焊的一种。自动化点焊技术已经被汽车、电子、军事、科学研究、交通运输、电机、医疗、和家电等行业广泛应用。除了汽车行业，点焊在很多行业还是处在人工手动的操作阶段，自动化程度比较低，普及度还是有待提高。而自动化点焊技术不仅可以把人类从繁重的体力劳动、脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且它有助于提高生产的安全性，稳定性。所以自动点焊技术无疑成为今后点焊加工生产的主要趋势。在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的 45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。未来的焊接工艺，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善点焊的工艺性能，研制可靠轻巧的点焊方法。另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如点焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用点焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和自动焊接7机器，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。0.1 本课题的背景及研究意义目前国内多数的点焊机生产厂家都采用伺服驱动的方式焊接电池。这种依赖人工操作的劳动密集型生产方式使插座制造企业面临着巨大的产品成本、人力成本和质量压力。并且焊接时候不方便，因此准确性差、一致性差、机头不稳定，从而导致了焊接生产效率低下，焊接成型一致性差。 因上述原因，上海某自动化技术有限公司产生了对于稳定可靠的点焊机的需求，提出了设计一种步进驱动点焊机项目。本设计源自于该项目，本设计的目是设计一套能够满足于该企业实际需求的自动点焊机构。因此本论文研究的主要内容就是专门针对步进驱动点焊机构而设计的。为了获得适合于该设计要求的机构，并满足点焊过程中速度稳定的基本要求，本设计提出了一种能够实现步进机头垂直升降等，并且具有良好指向稳定性的机构；所设计的主要内容在国内外该领域的文献很少见到。设计的目标旨在改善点焊机构的技术，代替人工焊接，提高安全性，环保性和焊接质量，以减少焊接时产生的浪费以及对环境产生的污染。机械化和自动化作业也能有效地降低人力成本，因此，本课题的设计具有比较重要的现实意义。0.2 点焊技术的应用和发展我国的电阻点焊机经过不断的发展状大，目前已成一定的规模，可生产各类专用的点焊机成套设备和焊接生产线，基本满足国民经济需求。8目前电阻点焊的精密焊机在国内生产较少，点焊或凸焊机的虽有一定的进步，但都为合资企业产品，关键核心部件仍依赖进口。因此，我国电阻点焊机今后还是以节能、机电一体和高度知识产权的方向发展。19 世纪时，点焊技术正式开始发展。在 1920 年代，点焊技术获得重大突破。1920 年首次出现了自动焊接，通过自动装置来保证点焊的连贯性。得到了广泛的重视。因为在点焊过程中，处于高温状态下的金属会与大气中的氧气和氮气发生化学反应，因此产生的空泡和化合物将影响接头的强度。解决方法是，使用氢气、氩气、氦气来隔绝熔池和大气。接下来的 10 年中，点焊技术的进一步发展使得诸如铝和镁这样的活性金属也能焊接。之后，自动点焊机慢慢得到发展。20 世纪中叶，科学家及工程师们发明了埋弧焊（SAW），直到今天还很流行。钨极气体保护电弧焊在经过几十年的发展后，终于在 1941 年得以最终完善。随后在 1948 年，熔化极气体保护电弧焊（GMAW）使得有色金属的快速焊接成为可能，但这一技术需要消耗大量昂贵的保护气体。采用消耗性焊条作为电极的手工电弧焊（SMAW）是在 1950 年代发展起来的，并迅速成为最流行的金属弧焊技术。 1957 年，药芯焊丝电弧焊（FCAW）首次出现，它采用的自保护焊丝电极可用于自动化焊接，大大提高了焊接速度。同一年，等离子弧焊（PAW）发明。电渣焊（ESW）和它的孪生兄弟气电焊（EGW）则分别发明于 1958 年和 1961 年。点焊（LBW）于 1960 年发明，在其后的几十年岁月中，它被证明是最有效的高速自动焊接技术。不过，电子束焊与激光焊两种技术由于其所需配备价格高昂，其应用范围受到限制。在 2l 世纪，德国已经将激光9焊接、激光切割、激光+电弧复合热源焊接技术应用于汽车的生产，特别是铝合金轿车的生产，引领了汽车焊接技术的发展。在德国已经形成大学一激光技术研究所一激光应用工程开发公司的联合，以及激光主机生产厂一激光配件生产厂一激光应用企业的联合，形成一个立体覆盖网。大众汽车、宝马汽车、奔驰汽车和美雅(Meyer)船厂是德国应用激光焊接技术的示范企业。德国的大众汽车已经将激光焊接技术引入中国，并在上海大众和一汽一大众的轿车批量生产线上应用，推动了中国激光焊接技术的应用。电弧焊至今仍是焊接的主要方法，而电弧焊技术的进步主要是由电源的发展带动的。国外企业非常重视焊接电源的开发，而且将电源的开发与电弧物理和焊接工艺技术相结合。每当出现一种新型焊接电源都同时推出新的控制方法。例如当出现晶闸管整流焊接电源就推出波形控制减少飞溅的 CO2 焊接电源和方波交流焊接电源；当逆变电源出现后就推出变极性电源、T 短路过渡焊接电源等；而当全数字化电源出现后又出现焊接电流和电压与送丝速度同步协调控制的双脉冲铝合金焊接电源和冷金属过渡焊接电源等等。0.3 点焊机的发展和应用目前国内的电阻焊机属中等容量，较大的如400kVA以上及适宜于小型、微型结构的1kVA以下的精密电阻焊机则较少。点、凸焊控制器虽有进步，但大多为合资企业产品，为保证质量，关键部份依赖进口。因此，开发和研制出自行设计制造的控制器亦是方向之一。国外电焊机科技水平的现状和发展，电阻焊技术的应用和设备发展迅速，现已有：摩擦缝焊(Friction Seam Welding）、摩擦搅拌焊10(Friction Stir Welding）、摩擦堆(Friction Surfacing)、摩擦插入焊(Friction Plunge)、摩擦切割(Friction Cutting)等等。小型、微型电阻点焊机日趋成熟和普及。电阻焊接机类型（交流，电容，晶体管）下图是点焊机的电源和系统构造。图1-1 米亚基焊接电源， 图1-2 简易点焊系统构造我国的电阻点焊机经过不断的发展状大，目前已成一定的规模，可生产各类专用的点焊机成套设备和焊接生产线，基本满足国民经济需求。目前电阻点焊的精密焊机在国内生产较少，点焊或凸焊机的虽有一定的进步，但都为合资企业产品，关键核心部件仍依赖进口。因此，我国电阻点焊机今后还是以节能、机电一体和高度知识产权的方向发展当前我国在电阻点焊领域，电阻焊质量控制及专用电阻点焊机的研究已接近发达国家水平，但是在电阻点焊核心技术，如逆变电阻焊机、柔性化电阻焊成套设备等，仍有一定的距离。大多数依赖进口，或进口关键部件再配套组装，所以在这些领域对于我们研究单位和企业来说，是一个很大的研究领域，具有很大的市场前景和发展空间。我国点焊机行业经过 40 多年的发展壮大，目前已形成一批有一定规模的企业，其生产的产品主要包括：手工电弧焊机、电阻点焊机、半自动弧焊机、特种焊机以及各类专用成套焊接设备和焊装生产线，可以基本满足国民经济的需求。因此，在今后 10 年左右，我11国的电阻点焊行业总体水平将进一步提高，主要可以在逆变电阻技术用于焊接生产，微机控制相关焊接电源，阻焊机器人方面进行发展，具有着一定的代表性，从而实现国产化。现在对于国内点焊制造行业来说，点焊机的制造技术还未达到国外的水准，国内制造水平的差异主要体现对点焊机数字化控制的依赖程度上。点焊机控制非常重要。如果没有稳定升降速度，很多先进的控制方法都无法实现，国外都是是采用具有速度反馈控制的点焊机，而国内大多还在使用电压反馈控制的点焊机。随着工艺要求的提高，对于点焊机的要求不仅仅是速度稳定，对于响应速度的要求也越来越高。造成这种状况原因很多，比如很多焊接行业还不需要那么精密的点焊机，点焊机在国内市场得不到多少利润。目前各生产企业、特别是中小制造企业，已经意识到可以采用自动化的生产方式突破传统制造业产业发展瓶颈，提升产业竞争力。这无疑将大大促进国内点焊机制造业的发展。1 点焊机头总体设计1.1 点焊机构设计问题本论文所设计的点焊机构的机头运用于在自动点焊机系统进行的重要的操作。本设计代替了传统点焊制造过程中的手动点焊环节，降低了对操作技术的要求。由于采用了步进电机控制，可以根据设定的参数连续稳定的上下移动，使点焊机上下往复的焊接运动，减轻了工作负担，从而提高了生产效率，焊接质量，减少了人力物力成本。在制造中引入自动焊接有着多种优点，但在实际应用中，对于点焊机的性能和结构有着一定的要求。除了满足一般点焊机的设计需求，还12应该考虑到具体的工作情况，以及工作环境的特点。本点焊机构实际工作要求是采用步进驱动控制，要使精度误差始终小于 0.02mm，这样就有了较高的焊接质量。为了能有较好的工作效率，要求工作时的最大点焊速度不超过 10cm/s。上下升降的时候平稳，以免影响焊接质量。并且在焊接过程中不能使铜丝滑动脱落，造成产品质量缺陷以及安全隐患。本设计是自动点焊机器的一部分，点焊机构主体结构机头安装在自动点焊接机平台内的导轨上，由步进电机提供动力进行上下运动，因此还必须考虑到步进电机的性能。综上所述，本设计的点焊机构需要满足以下多种设计要求：（1）结构要小型化，简单化。点焊机头本身就是一个复杂的工作机构，如果点焊机配套的平台过于庞大或者沉重，那无疑会加大机器的运动负载和运动惯性，影响到焊丝的焊接精度，影响到步进驱动，产生定位误差，势必会对焊接工作带来很大的不便。另外点焊机构如果机构繁多，设计复杂，势必会增加整个机构的复杂程度，对焊接机后期的维修、更新、换代零部件等等都会造成一定的障碍；（2）点焊速度要稳定。点焊机构的点焊速度对焊接质量有比较大的影响，因此对驱动机构的设计(包括步进电机的选择、计算和传动机构的设计)有一定要求，驱动机构首先必须提供足够的动力源以保证能够输出期望的最大点焊速度，并要求传动机构能将点焊速度调整到焊接时所选的最佳点焊速度位置上，并保持稳定。（3）点焊要精准平稳。点焊机构的不稳定性，跟暴焊等现象，焊丝的质量，焊接时候受到的阻力，机构电压的波动等因素有关，其中焊丝质量、机构电压波动等不属于点焊机构的设计范围，在此不予介绍；本文需要研究如何使点焊机构更具有合理性。13首先根据上述要求设计一个高性能点焊机头，应该采用双针单侧焊机头方式，由于焊针垂直度和稳定性对焊接的质量有较大的影响，所以机头部分的稳定性，灵活性和机头的垂直度也要有一定的要求，更重要的是要确保机头的压力稳定，合理控制成本，并且工作速度还需要满足要求。所以需要采用步进驱动方式。由于步进驱动对压力不可调节，机头部分要设置弹簧张力装置以自动确保机头在不同焊接过程中，张力的稳定性。该系统要求较高的定位精度0.02mm，所以机构运行需要较强的稳定性。驱动力根据实际要求作出调节。1.2 点焊机构布置形式图 1.3常见的步进驱动式点焊机头结构组成部分主要有点焊机工作台、横向运动进给机构、纵向运动进给机构、焊接夹具、点焊机头、送丝机构、相关电气控制部分。其中点焊机工作台主要作为整个点焊机的承载部分起到基础安装构件作用。框架可以采用全焊接并辅助其他舾装设备进行完善。14点焊机的主运动由横向进给机构与纵向进给机构进行配合工作。可以在单平面工作范围内无死角内进行点焊操作。横纵向的进给减磨设备选择的是专用的直线导轨，进给驱动机构选择滚珠丝杆以及配套螺母通过步进电机或者伺服电机进行控制。焊接夹具一般安装在工作台面上部，通过与台面的固定以及与工件的装夹连接进行工作。夹具设计要求装夹方便合理，经济性能好，装夹机构与驱动方式可以选择手动装夹也可以选择气动或者液压装夹。点焊机头是整个点焊机的核心部件，点焊机头一般安装在横向进给方向的横向拖板上，点焊机构通过滚珠丝杆与直线导轨的组合实现进给运动。滚珠丝杆的运动可以保证机构定位精度高，耐磨损，运动的定位精度主要取决于随动螺母与丝杆的间隙，在磨床的滚珠丝杆组件中，高精度的滚珠丝杆一般情况下定位精度 0.001mm。图 1.4 总体布置简图此套机构主要由步进驱动电机，传动机构，机座支撑柱机头，压力控制系统，加压装置和焊针所组成一套传动机构。15步进驱动方式应用广成本低，可以实现焊接位置的灵活控制，具有稳定性传动机构根据前面的分析可以知道采用的是丝杆与直线导轨副的组合传动模式。该模式实现了点焊机构的上下运动，配合整个点焊机的横向与纵向运动组合成全方位的焊接机械设备。1.2.1 加压机构点焊机头具有高随动性，高灵敏度，可实现稳定的压力输出等优点，较好地满足工艺要求。 加压机构的基本原理是通过调节顶部的定位螺钉来预先调节弹簧的初始压缩程度从而给点焊机焊针施加预先压力。操作方法是手动转动点焊机调节杆的伸入量来控制点焊机头压下的刚度。该结构简单，经济，可以避免点焊机因为复杂焊接环境不能同时点焊或者由于机械故障损伤点焊机头的情况发生。应用拓展可以考虑与压力感应设备进行配合使用通过压力反馈来通过液压机构实现机头的弹性变量变化。主要结构组成从图中可以知道，主要由左侧焊接调节螺钉杆、中部加压块，弹簧、活动杆、电极安装块、焊丝以及相关的紧固件装置进行组合。图1.5加压机构简图16其中的活动杆结构以及行位公差如下所示，其左侧圆头在加压块中进行活动，长圆杆侧有三面扁司特征，其中一侧与加压块侧面定位螺钉进行配合，防止该活动杆在做纵向运动时产生转动。另外两个扁司特征与上图右侧的电极安装块进行连接，两定位螺钉顶压在该扁司面进行固定，调节时松开该螺钉即可固定。图1.6活动压杆图图1.7加压块图1.2.2 丝杠机构简析 丝杠有很多种类，此次设计的17点焊机头里面使用的是滚珠丝杠机构，是将回转运动转化为直线运动的形式让步进电机的力使丝杠垂直升降。丝杆传动机构，包括丝杆以及外套，丝杆端部设有挡销，螺纹槽中嵌设有滚珠，滚珠与外套的内侧面紧密贴合，外套与丝杆之间还套设有内套，内套与外套之间仅有绕丝杆轴线转动的一个自由度，内套设有贯穿孔，内套端部设有突棱，突棱的延伸方向平行于丝杆轴线。该传动机构的丝杆能带动外套在正常行程范围内作轴向运动，且当外套运动到行程末端后，丝杆仍可继续不停转动而外套能自动停止轴向运动，具有简单可靠的优点。图1.8丝杆结构简图1.2.3 丝杆设计本次设计的丝杆传动机构图如图所示，该丝杆的左端安装在丝杆螺母座内通过两枚轴承进行径向和轴向定位，然后通过锁紧螺母7加装在丝杆左端并拧紧，锁紧螺母压靠在轴承的内圈处并将轴承右端面顶紧在丝杆的轴肩端面。轴承的外圈内侧与轴承安装座面进行贴实，另一侧端面依靠端盖6进行压紧，该处为了保证压紧的紧密度可以进行配合磨削。18图1.9丝杆主支承端丝杆采用的是一端紧固另一端自由支撑的模式进行设计，丝杆的左侧已经进了充分定位，如果丝杆足够短并且设计受力对绕度影响不大那么可以只设计左侧端进行固定的方式。现在考虑实际工况，选择一端固定，另一端自由支撑的模式，从图中可以发现该段设计轴承内圈与丝杆轴配合，外圈与轴承座内孔进行配合。为了保证该设计可以对轴承右端进行支撑同时防止在竖直方向上轴承不会因为重力脱出，所以加装了右端的轴承端盖18.19图1.10自由支撑端图1.11自由支撑座丝杆螺母部分的设计主要设计了丝杆外圆与螺母内孔通过间隙配合同时在螺母内部有独立的滚珠弹道进行转动，进行相对的转动与轴向运动。一般情况下螺母在大端面外圆处有油脂注射口供操作者加入油脂。螺母与丝杆进行紧密安装配合后通过端20面的沉头螺钉孔与螺母座进行安装定位。固定后，螺母座与直线导轨进行安装定位，这样滚珠丝杆的径向转动可以转化为轴向运动，完成丝杆的传动结构。图1.12螺母的安装注意事项：丝杆传动主体是丝杆与螺母部分，螺母内有轴封的滚珠安装在内部，与滚珠丝杆主体进行旋转配合，由于该配合较为精密一般在安装维修时，需要注意螺母形成不能超越丝杆主体长度，内部滚珠不能脱出，拆卸时需要用专用工装辅助设备图1.9丝杆传动 CAD 结构图1.2.4 螺母座的设计21为了保证丝杆的转动能够准确传递出轴向驱动里，设计了如下的螺母座，内孔42与螺母座外圆进行间隙配合，螺母座的左右两侧有滑块安装定位面（相关形位误差如图所示） ，通过八个内六角螺钉与滑块进行相互紧固。本次设计的结构保证丝杆与螺母座的结合紧密。图 1.10 螺母座 CAD 设计1.2.5 联轴器的安装定位本次选用的是 H 型弹性块联轴器，左右两侧轴径相同，通过中间孔与键进行配合连接，分别连接左侧电机主轴与右侧丝杆主轴端。由于联轴器孔与轴之间的间隙较小为了保证装配的顺利进行需要预先调整电机轴的中心高度、左右偏差与丝杆的中心偏差。这里可以以丝杆中心轴为基准借用相关的工装设备进行预先调整。最后划线确定电机中心位置并进行安装。22图 1.11 联轴器安装图1.2.6 直线导轨的安装定位直线导轨的作用是支承和引导运动部件按给定的方向作往复直线运动。两个作相对运动的部件形成一对导轨副。从横向截图可以看出本次设计的直线导轨为了适应设计要求与尺寸选择的是 GGC15BAK1P12x2x240静音导轨。本次所选择的直线导轨的安装以滚珠丝杆为基准进行调节安装。首选预紧一侧的直线导轨安装螺钉，并将吸铁表架吸附在滑块面上，表头打在滚珠丝杆的上母线和侧母线进行调节，根据表头所显示数值的压表与负表情况调节直线导轨位置，并将直线导轨进行固定。同理安装定位剩下的一条直线导轨。23图 1.12 直线导轨安装横向截图图 1.13 直线导轨安装俯视布置截图1.2.7 送丝机构设计点焊机机构是铜丝的直接输送装置，它的设计关系到能否将铜丝按要求平稳的，不滑动的进入软管再送出；矫直机构，不言而喻就是校正铜丝在输送过程中可能出现的弯曲，其矫直效果的好坏关系到焊接的效果；而驱动机构作为整个机构的动力源，决定了铜丝所能获得并用于克服在输送过程中所受阻力的驱动力。本双齿轮啮合推式弯曲管送丝机的铜丝进给机构采用双驱动轮结构，即两个压轮都是驱动轮，其中一个为主动轮（驱动轮），与电机通过联轴器直接相连，接受动力的传输，提供送丝的摩擦力；另外一个为从动轮（压紧轮），通过与齿轮连接发生转动，也提供送丝的摩擦力，并且在压紧机构的作用下起到压紧铜丝的作用，进而将铜丝传递出去。虽然结构稍微复杂，但对驱动力的影响是显著的，由于使用双轮驱动，铜丝24两边都受到摩擦阻力，总的摩擦阻力是单轮驱动时的两倍。所以总的驱动力也是单轮驱动的两倍。双驱动轮的另外一个好处，铜丝在被向前送进时的受力均匀，在两轮同步的情况下径向的形变要比单驱动轮小，在进入软管入口时侧向的受力也很均匀。1.3 总体设计因为本点焊机构安装平台上面，因此要求本设计结构简单，体积小，所以不考虑采用结构复杂的点焊机构。因为本设计对步进电机稳定性有着一定要求，因此考虑使用步进驱动机构，点焊机构设计中步进电机带动联轴器转动，带动丝杆转动，带动螺母做轴向运动运动，丝杆是属于单杆支撑，直线导轨选用静音导轨，加压机构有避震的作用，调节螺母可以调节杆。综上考虑，本设计经过 solidworks 产品设计得到产品效果图如图所示。图 1.14 点焊机头机主要机构（拆去外部罩壳）251.3.1 点焊机构核心机构设计本点焊机的核心机构包括联轴器部分，滚珠丝杆，深沟球轴承，直线导轨这几个重要的部件。1.3.2 轴承的选型1. 轴承选择配合的依据根据作用于轴承上的载荷相对于套圈的旋转情况，轴承套圈所承受的载荷有三种：局部载荷、循环载荷、摆动载荷。通常循环载荷（旋转载荷）、摆动载荷采用紧配合；局部载荷除使用上有特殊要求外，一般不宜采用紧配合。当轴承套圈承受持动载荷而且是重负荷时，内、外圈均应采用过盈配合，但有时外圈可稍松一点，应能在轴承座壳体孔内作轴向游动；当轴承套圈承受摆动载荷且载荷较轻时，可采用比紧配合稍松一些的配合。本次设计中的载荷情况属于循环载荷，但是由于所受到的载荷较轻可以选择轴承内圈紧配合而外圈较松的配合模式配合的选择轴承与轴的配合采用基孔制，而与外壳的配合则采用基轴制。轴承与轴的配合与机器制造业中所采用的公差配合制度不同，轴承内径的公差带多处于零钱以下，因此，在采用相同配合的条件下，轴承内径与轴的配合比通常的配合较为紧密。轴承外径的公差带与基轴制中轴的公差带虽然同处于零线以下，但其取值与一般公差制度也不相同。载荷大小轴承套圈与轴或壳体孔之间的过盈量取决于载荷的大小，载荷较重时，采用较大过盈量配合；载荷较轻时，采用较小过盈量配合。一般径向载荷 P 小于 0。07C 时为轻载荷，P 大于 0。07C 而等于或小于 0。15C时为正常载荷，P 大于 0。15C 时为重载荷（C 为轴承的额定动载荷）。26本次设计由于属于轻量载荷工况可以确定为轻载荷状态。工作温度轴承在运转时，套圈的温度经常高于相邻零件的温度，因此，轴承内圈可能因热膨胀而与轴产生松动，外圈可能因热膨胀而影响轴承在壳体孔内轴向游动。帮选择配合时，对轴承装置部分的温度差、胀缩量应考虑进去，温度差大时，选择轴与内圈的配合过盈量应大些。旋转精度对轴承有较高旋转精度要求时，为消除弹性变形和振动影响，应避免采用间隙配合。轴承壳体孔的结构与材料对形式壳体孔，与轴承外圈配合时不宜采用过盈配合，也不应使外圈在壳体孔内转动。对于安装在薄壁壳体孔、轻金属壳体孔或空心轴上的轴承，应采用比厚壁壳体孔、铸铁壳体孔或实心轴更紧的配合。轴承的轴向位移配合中，当要求轴承的一个套圈在运转中能轴向游动时，轴承外圈与轴承座壳体孔应采用松配合。本次设计采用的就是轴承外圈与轴承座间隙配合。轴承用于承受径向载荷或者轴向载荷的力，主要选型的是 S7205 GB292-94 B 型（40c）角接触球轴承。安装在丝杆左侧轴承座内。27图2.1轴承数据图2.2轴承的选型尺寸2 零部件选型设计2.1 传动形式的选择本设计中要求丝杆同步转动，有相同的旋转速度。有滚珠丝杠和滑动丝杠所可以选择它们有各自的优缺点； 滚珠丝杠副的组成及特点：滚珠丝杠副是一种新型螺旋传动机构，其具有螺旋槽的丝杠与螺母之间装有中间传动元件滚珠。滚珠丝杠螺母机构由丝杠，螺母，滚珠，和反向器等四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通 路。28滚珠丝杠副与滑动丝杠副相比，除上述优点外，还具有轴向刚度高，运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长等优点。但由于不能自锁，具有传动的可逆性，在用做升降传动机构时，需要采取制动等措施。2.1.1 丝杠的选型滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。组成：主要由丝杆、螺母、滚珠和循环器、迷宫式密封圈、油孔等组成。 工作原理：在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿滚道滚动，并经循环器作周而复始的循环运动。循环器两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 丝杆选型的主要步骤是：1、确定定位精度2、通过马达及对速度的要求来确定丝杠导程3、查看螺母尺寸确定行程及相关丝杠轴端数据4、通过负载及速度分布（加减速）来确定平均轴向力和转速5、通过平均轴向力确定预压力6、预期寿命，轴向负荷，转速确定动额定负荷7、基本动额定负荷，导程，临界转速，DmN 值限制确定丝杠外径及螺母29形式8、外径，螺母，预压，负荷确定刚性（机台设计）9、环境温度，螺母总长确定热变及累积导程10、丝杠刚性，热变位确定预拉力11、机床最高速度，温升时间，丝杠规格确定马达驱动扭矩及规格 一、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。二、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。三、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30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。四、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。五、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。六、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位精度）、安装形式（力系组成和力学模型）、载荷脉动情况（与静载荷一同考虑决定安全性），形状特性（影响工艺性和安装）等因素外，还需要对所31选的规格的重复定位精度、定位精度、压杆稳定性、极限转速、峰值静载荷以及循环系统极限速率（Dn 值）等进行校核，进行修正选择后才能得到完全适用的规格，进而确定马达、轴承等关联件的特征参数。2.1.2 丝杆计算本次设计应用的滚珠丝杆副选择的种类是冷轧滚珠丝杠副，考虑工况平稳选择精度为 T7，结构形式选择单螺母，由于工况属于低速状态运行导程规格选择为 10，选择的规格是：BNFN 2510A-2.5。BNFN 2510A-2.5 所选丝杠参数：丝杆外径：25；导程 Ph：10,；钢球中心直径 26.3,；沟槽谷径=21.4；负荷圈数 1x2.5，基本额定负荷 ca=15.8kn；Coa=33kn，预压负荷为 780丝杠工作长度的计算 L=L 工作台+L 行程+L 余量X 方向工作长度计算 lx=80mm ，Y 方向丝杠长度 Ly=270mmXy 方向工作载荷 fx=800N，fy=800N。丝杠的公况为，每天开机六小时，每年 300 个工作日。工作八年以上，依工作要求和工作条件，初选外循环插管式，预紧采用双螺母型，圆螺母调隙，导珠管凸出式，3 级精度，定位滚珠副，丝杠材料：钢； 滚道硬度为 5862HRCnrWMC丝杠的校核寿命计算 8501.4FKCnLHhoe满足寿命要求。式中 F 轴向载荷，取 f800N;寿命系数，h 1072.3)5/(/hLK工作寿命 ,取 =15000Lh载荷系数 ,取 =1.2FKF动载荷硬度影响系数,取 =1.0H H32 短行程系数,取 =1.0LKLK 转速系数,取 =0.5107n n静载荷条件计算: 22291030cccr LdfKeAEILfn满足条件螺母长度 70mm, , 余程为 10mmmPh4Y 方向螺纹长度:L=350mm取支撑跨矩: ml3051丝杠全长最大为 370mmFF 支撑方式的丝杠不受压缩力作用，不校核压杆稳定性丝杠弯曲振动临界转速： 22291030cccr LdfKeAEILfn查表 ，73.4f mDdw 0174.4.1738.02 LC 62012in/5min/.576.01473.49122 rrncr 螺纹深长量: 6.045um7.310.6utulta丝杠的全长深长量： tu 91.8.5.26取预拉伸量： um.4预拉伸力：33NLEAFt 3801.74.001.215.460 所选丝杠预拉伸力满足要求。滚珠丝杠传动的原理就是通过步进马达的带动，丝杆做高速运动，通过螺母来带动固定在螺母上面的机械，特点是滚珠丝杆的精度比较高，误差小。滚珠丝杠副设计时，通常需要按所设计机构的最大载荷、最高速度初选滚珠丝杠的公称直径，包括循环方式。再按马达的转速等初选滚珠丝杠的导程。然后作根据定位精度的要求，作定位精度、重复定位精度、压杆稳定性、极限转速、极限寿命及 Dn 值等各项校验并修正初选结果。2.2 联轴器的设计及其计算常用联轴器大多已标准化或规格化，一般情况下只须正确选择联轴器的类型、确定联轴器的型号及尺寸。必要时，可对其易损的薄弱环节进行负荷能力的校核计算，转速高时，还应验算其外缘的离心应力和弹性元件的变形，进行平衡检验等。1、联轴器类型的选择选择联轴器类型时，应考虑：(1)所需传递转矩的大小和性质、对缓冲、减振功能的要求以及时否可能发生共振等。(2)由制造和装配误差、轴受载和热膨胀变形以及部件之间的相对运动等引起两轴轴线的相对位移程度。(3)许用的外形尺寸和安装方法，为了便于装配、调整和维修所必需34的操作空间。对于大型的联轴器，应能在轴不需作轴向移动的条件下实现装拆。此外，还应考虑工作环境、使用寿命以及润滑和密封和经济性等条件，再参考各类联轴器特性，选择一种合用的联轴器类型。2、联轴器型号、尺寸的确定对于已标准化和系列化的联轴器，选定合适类型后，可按转矩、轴直径和转速等确定联轴器的型号和结构尺寸。联轴器的计算转矩：Tca=KAT式中：T 为联轴器的名义转矩(N.m)；Tca 为联轴器的计算转矩(N.m)；KA 为工作情况系数，其值见表10-2(此系数也适用于离合器的选择)。根据计算转矩、轴直径和转速等，由下面条件，可从有关手册中选取联轴器的型号和结构尺寸。Tca Tn式中：T为所选联轴器的许用转矩(N.m)；n 为被联接轴的转速(r/min)；为所选联轴器允许的最高转速(r/min)。多数情况下，每一型号的联轴器适用的轴径均有一个范围。标准中已给出轴径的最大与最小值，或者给出适用直径的尺寸系列，被联接的35两轴应在此范围之内。一般情况下，被联接的两轴的直径是不同的，两个轴端的形状也可能不同。考虑到本次设计中的工作情况我们的转矩变化较小，选择分类1，KA取值1.3。联轴器的转矩计算 caTK查机械设计表 15-3 故取 Ka=1.3，则Tca= 1.309.7caT按照计算转矩小于联轴器公称转矩的条件表2.1 工作情况系数 KA分类工作情况及举例电动机、汽轮机四缸和四缸以上内燃机双缸内燃机单缸内燃机转矩变化很小，如发电机、小型通风机、小型离心泵1.3 1.5 1.8 2.2转矩变化小，如透平压缩机、木工机床、运输机1.5 1.7 2.0 2.4 转矩变