防窜焊接滚轮架：窜动检测及防窜控制系统设计说明书

第一章 方案的选择和确定1-1 滚轮架简介焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件间的摩擦力来带动焊件旋转的变位机械。滚轮分主动滚轮与从动滚轮。主要用于筒形焊件的装配与焊接。若对主、从动滚轮的高度作适当调整，也可进行锥体、分段不等径回转体的装配与焊接。 对于一些非圆长形焊件，若将其装卡在特制的环形卡箍内，也可在焊接滚轮架上进行装焊作业。焊接滚轮架的使用能大大提高焊缝质量，减轻劳动强度，提高工作效率。1-2 滚轮架分类(一 ) 结构式分类长轴式滚轮架:滚轮沿两平行轴排列，与驱动装置相联的一排为主动滚轮，另一排为从动滚轮，也有两排均为主动滚轮的，主要用于细长薄形焊件的组对与焊接。1从动滚轮 2主动滚轮 3驱动装置 组合式滚轮架:使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，使用方便灵活，对焊件的适应性很强，是目前应用最广泛的结构形式。a)主动滚轮架 b)从动滚轮架 c)混合式滚轮架 （二） 调节方式分类自调式的可根据焊件的直径自动调整滚轮的间距：非自调式的是靠移动支架上的滚轮座来调节滚轮的间距。自调式焊接滚轮架 非自调式焊接滚轮架1-3 结构设计（一） 滚轮架结构选择结构选择：采用组合式滚轮架。组合式滚轮架特点 ：使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，使用方便灵活，对焊件的适应性很强，是目前应用最广泛的结构形式。 （二） 滚轮架调节方式选择 调节方式选择：采用自调式滚轮架。自调式滚轮架特点：自调式滚轮架根据工件直径大小自动调节滚轮支架的角度，满足不同直径工件的支撑及旋转驱动。1-4 滚轮驱动方案的拟定为了保证一对主动轮的速度同步，采用由一个电机同时驱动两个主动轮。传动方案设计如下图 传动方案简图第二章 焊接滚轮架的设计与计算2-1 焊接滚轮架主要技术参数额定载重量：2t； 工件直径：2501600mm； 滚轮圆周速度：660mh 2-2 滚轮直径的确定由表 1 可知本次设计的 2t 滚轮架选取滚轮直径 Dr=250mm；工件筒体直径Dmin=250mm，Dmax=1600mm。 表 1 焊接滚轮架技术参数2-3 中心距的确定当中心角的 130 时支反力和圆周力急剧增大，相反，当 角太小时，滚轮架上的筒体焊件放置有可能不稳定。因此在实际应用中为使焊件在滚轮架上获得可靠的稳定性，并保证焊件可以平稳的转动 应小于 40 度我国制定的焊接滚轮架行业标准（JB/T 9187-1999）中规定中心角 应在 45 度到 110 度之间。取 l= 100mm 则 L2=L1+2l 且 145 210sin50max21L5siil取 L1=800mm2-4 驱动圆周力和摩擦力的计算 焊接滚轮架受力简图图 3 所示为焊件滚轮架及焊件的受力简图，图中 2，3 为主动滚轮。当重量为G、其偏心距 e=0 的筒体焊件 1 静置在主、从动滚轮座上时，则主、从动滚轮上的支反力相等，即 2)(2cosLDrGFf 式中 中心角； D焊件直径；Dr滚轮直径；L主动滚轮之间的横向距离；当偏心距 时滚轮切向摩擦力0（2-2）12sin2co1FGb式中： -中心角b-与滚轮几何尺寸和材料有关的系数其中(2-3)2rDbfd式中：Dr滚轮直径滚轮直径，初取 =60mmrdrdf 滚轮与滚轮轴摩擦因数（滚动轴承 f=0.02）u 滚轮与焊件表面之间的摩擦因数（钢轮为 =0.60.8，橡胶轮为=2.53.5） 。这里取 =3.5。2-5 滚轮支反力的计算架在滚轮座上的简体转动时，驱动圆周力 Fl 和 F2 将使支反力 Ff1、F f2 发生变化。实际上，焊件只有按图所示位置逆时针转动时，因 Fl、F 2 力的方向向下，才使Ff1、 Ff2 数值增大，且增大的份额往往超过因 角增加或者摩擦因数 增加而,f增大的份额。如果焊件顺时针转动，则 F1、F2 方向向上， 、 的数值减小。1f2f所以,计算滚轮最大支反力时，应以图 2-2 所示的焊件重心位置和转向为准进行计算。经公式推导得：(2-4) (2-5)（2-6）经过数据代入计算 ：可以得出 mb5.30NffF1706821NF3.65212-6 焊接滚轮架的电动机驱动功率的确定及型号选择（一）滚轮轴上的载荷与驱动功率的计算当已知滚轮架上的驱动圆周力和支反力后，每个滚轮和轴径上的计算载荷为（2-8） NKPpfiFP25.840212式中 作用在一个主动轮上的载荷同一列上的滚轮座数量ip载荷作用不均匀系数，当 =2 时， =1.当 时， =1.21.3ipKpip3p对独立驱动的主动滚轮，每一轮轴的扭矩（2-10）2n1 1M()2rr PfpDdFfFi式中： 轮轴的扭矩n滚轮切向摩擦力1滚轮直径rD滚轮与滚轮轴摩擦因数f主动滚轮上的支反力1fF荷载作用不均匀系数，当 =2 是，pKpi1pK同一列上滚轮座数量i经计算： mNMn/65.82焊接滚轮架的电动机驱动功率：950nM总式中：N每个主动滚轮电动机驱动功率 nM主动滚轮轴的传递转矩（N*m）n主动滚轮的转速，即许用最高转速（r/min）传动机构总效率其中：由于我国在 1990 年颁布了焊接滚轮架的行业标准（ZBJ/T33003-1990）中规定：主动滚轮的圆周速度应在 660m/h 范围内无级可调。主动滚轮按最大线速度进行计算：主动滚轮转速 min/)27.1.0(25*60)(1*60 rDrvn式中 Drmm ，Vm/s经计算： KWN1.（二） 焊接滚轮架的电动机驱动功率的确定焊接滚轮架的电动机驱动功率N=Mn*n/9550/=0.12KW式中 N每个主动滚轮电动机的驱动功率（kw） ；主动滚轮轴的传递扭矩（ Nm） ；nMn主动滚轮的转速，即许用最高转速（r/min） ；传动机构的总效率.（三）电动机型号的确定焊接滚轮架的行业标准（JB/T9187-1999）中明确规定了主动轮应采用直流电动机或交流宽频电动机驱动。由于目前通过交流变频调节电动机的技术已经非常成熟，并且调节控制比较简单，所以选择使用交流三相异步电动机。上面计算的电动机功率为0.12kw*2=0.24kw，但根据焊接滚轮架的行业标准（JB/T9187-1999）中规定了不同吨位的焊接滚轮架的电动机最小功率： 表 3-1 不同吨位焊接滚轮架电动机最小功率根据上诉情况电动机功率应放大数倍，电动机决定选用型号为 Y802-4，额定功率 0.75KW，最高转速 1390r/min。2-7 联轴器的选择 联轴器的类型很多根据其是否包含弹件元件，可以划分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。刚性联轴器根据正常工作时是否允许两个半联轴器轴线产生相对位移又分为固定式刚性联袖器和可移式刚性联袖器。固定式刚性联轴器，要求被联接两轴轴线严格对中，因为它不能补偿两轴的相对位移。其常用类型有夹壳联轴器和凸缘联轴器等。可移式刚性联轴器可以通过两半联轴器间的相对运动来补偿被联接两轴的相对位移。其常用类型有十字滑块联轴器、齿轮联轴器和万向联轴器等。弹性联轴器包含有弹性元件，不仅具有吸收振动和缓解冲击的能力，而且能够通过弹性元件助变形来补偿两轴的相对位移。其常用类型有弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器和轮胎式联轴器等。刚性联轴器由于结构简单、成本低、可传递较大转矩，故当转速低、无冲击、轴的刚性大、对中性较好时常采用。凸缘联轴器(亦称法兰联轴器)是利用螺栓联接两凸缘(法兰)盘式半联轴器，两个半联轴器分别用键与两轴联接，以实现两轴联接，传递转矩和运动。凸缘联轴器结构简单，制造方便，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较简便，传递转矩较大，能保证两轴具有较高的对中精度，一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的轴系传动。 根据以上特点，选择与电动机相连的联轴器采用凸缘式刚性联轴器,再根据轴径大小查机械设计与制造简明手册选用型号 GYDL5 型。 名称 公称扭矩范围轴径范围最大转速范围特点 应用条件凸缘连轴器 1020000 10180 140013000结构简单，成本低可传动较大扭距，但不等消除冲击。对所连两轴间的偏移缺乏补偿能力经常用于荷载平稳有轻度冲击的条件下，链接低速和刚性不大的两轴。NZ 挠性爪型联轴器25600 1565 380010000外形尺寸小，飞轮力矩小用于小功率，高转速，没用急剧冲击载荷的情况下十字滑块联轴器12020000 15150 100250结构紧凑，尺寸小，寿命长。但制造比较复杂无较大冲击，转速不高的，存在两轴径向相对位移时采用2-8 减速器的选择蜗杆减速器按蜗杆外形结构分为圆柱蜗杆减速器，环面蜗杆减速器，锥蜗杆减速器三大类。本次采用圆弧圆柱蜗杆减速器。蜗杆传动是传递交错轴之间的动力常用的交错角=90 。它具有单级转动比大工作平稳，振动小，噪音低及可做成自锁形式等特点。圆弧蜗杆传动除具有普通蜗杆传动的优点外，还有以下特点：齿形优良，蜗杆涡轮齿面为凹凸共轭啮合，当量曲率小，齿面间润滑油膜容易形成，齿面接触应力低具有良好的强度和润滑集合条件。接触线及形状分布合理。蜗杆和涡轮啮合时瞬间接触线相对滑动方向形成的夹角近于直角。减速器选用标准件，其型号的选定是根据传动比和中心距综合考虑选定的。中心距不能超过滚轮安装的高度，即滚轮中心轴离地面的距离。选定中心距为 100。再根据工作条件：工作荷载平稳无冲击，每日工作 8 小时，每小时启动 10 次，启动转矩为输出转矩的 2.5 倍。根据机械传动装置选用手册：与滚轮相连的减速器选择型号： CWU 10020 JB/T6387-92 外形尺寸查看了机械传动装置选用手册表 3.11。2-9 滚轮架滚轮的设计滚轮架的滚轮结构主要有四种类型，其特点和使用范围见表 2-2。表 22 滚轮形式选择类型 特点 使用范围钢轮 承载能力强，制造简单 一般用于重型焊件和需预热处理的焊件以及额定在和大于 60t 的滚轮架胶轮 钢轮外包橡胶，摩擦力大，传动平稳但橡胶易压坏一般用于 10t 以下的焊件和有色金属容器组合轮 钢轮与橡胶轮相结合，承载能力比橡胶轮高，传动平稳一般多用于 1060t 的焊件履带轮 大面积履带和焊件接触，有利于防止薄壁工件的变形，传动平稳但结构较复杂。用于轻型，薄壁大直径的焊件及有色金属容器由于滚轮架的额定载荷是 2t，所以选用胶轮结构。橡胶轮缘的滚轮常因结构不合理，或橡胶质量不佳或挂胶工艺不完善，使用不久就会发生挤裂，脱胶而破坏。为此，设计滚轮时，常常在橡胶轮缘两侧开出 15 度的倒角，以留出承载后橡胶变形的空间，避免挤裂。另外，常在橡胶轮辋与金属的结合部，将金属轮面开出多道沟槽，以增加橡胶与金属的接触面积，强化结合牢度，避免脱胶。至于橡胶成分和挂胶工艺，在美国是一项专利，国内兰州石油化工机器厂，将国产橡胶轮缘的坦克支重轮用在焊接滚轮架上，取得了很好的效果，使滚轮寿命延长了许多。如图附录所示。滚轮直径为 250mm，宽 150mm。滚轮边缘采用橡胶来增大摩擦力。2-10 主动滚轮轴的设计与计算设主动滚轮轴上两轴承中点间的距离 L=175mm，则在 的作用下，主动滚轮轴1P的弯曲力矩Mw=P*L/4=8540.25175/4=37.3610 5Nmm又因为每一轮轴的扭矩 mNMn/65.82所以主动滚轮所受的当量弯矩mNnw.103752用初步估算的方法，即按纯扭矩并降低许用扭转切应力确定轴径 d，计算公式：Md2.3min（该主动滚轮轴采用 45 钢制造， b=590Mpa，其许用安全系数取， ，则= 2bnb/nb=590/2=295Mpa,）这就是说只要主动滚轮轴的最小轴径大于 23.3mm，即可满足使用要求，附着力验算：为了保证焊件在主动滚轮上不打滑，焊件在滚轮上的有效摩擦因数 f 应满足pfntFf1在滚轮上的有效摩擦因数；焊件在滚轮上的许用摩擦因数，采用橡胶轮时， ，取pf 4.03pf=0.3。因为 f=F1/Ff1=653.3/17068=0.038fp=0.3故实际的附着力满足设计要求2-11 轴承的选择与强度计算（一）轴承的选型轴承分为滚动轴承，滑动轴承两类。滑动轴承工作时，轴与轴承之间存在滑动摩擦。其缺点是摩擦损耗较大，使用维护也较复杂。而滑动轴承的优点是：(1)结构简单，制造、装拆方便。(2)具有良好的耐冲击性和良好的吸振性能，(3)承载能力大，使用寿命长。因此滑动轴承在高速、精密机构和低速重载、床、冲压机械和农业机械中如高速精密机、冲压机械和农业机械中应用较多。图 2-1 滚动轴承滚动轴承是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。其基本结构如图 2-1所示，它一般是由内圈 1、外圈 2、滚动体 3 和保持架 4 等组成。内圈安装在轴颈上并一起转动，外圈安装在轴承座上。滚动轴承的内、外圈上加工有滚道，当内、外圈相对转动时，滚动体即在内、外因的滚道中滚动。常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子等。保持架用于将滚动体彼此分开，以免它们之间相互接触产生摩擦与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、功耗少、启动灵活、互换性好等优点，因而获得了广泛的应用，其缺点是抗冲击能力差，转速过高时易出现噪音等。滚动轴承已标准化，并由专业厂家生产。 此次设计的 2 吨焊接滚轮架，根据滚轮轴径 40mm 选用圆柱滚子轴承 ，型号2208。（二）轴承的强度计算为限制滚动轴承在静载荷或冲击载荷作用下产生过大的塑性变形，应进行静强度计算。()PKXRYA式中： P 当量载荷 动载荷系数（查机械设计基础表 149 可知，平稳或有轻微冲击时， 为 1.0-1.2。选择 =1.2 进行设计）PKPKR 径向荷载A 轴向荷载X 径向荷载系数（查机械设计基础 表 1410 可知 X=1）Y 轴向荷载系数 因为采用的是圆柱滚子轴承，轴向力为 0.经计算 P=20481.6N当量静载荷应满足：SCP式中：P 当量静载荷C基本额定静载荷（查简明机械设计手册表 15-20 知，C=42770N)S静载荷安全系数 (查机械设计基础表 14-12 知，S=0.9）经计算 =36524.8，P=20481.6 ，轴承强度满足要求。8.365242-12 齿轮的设计与校核1、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1)选用直齿圆柱齿轮传动 2)焊接滚轮架为一般工作机器，速度不高，由有机设书表 10-8 知，选用 7 级精度（GB10095-88）3)材料选择：有机设书表 10-1 选择小齿轮材料为 40Cr 钢（调质） ，硬度为280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS。二者材料硬度差为40HBS。4)选齿轮齿数为 ，40Z2、按齿面接触强度设计由设计计算公式（10-21）进行试算，即3 211 )(*2. HEdt ZuKTd(1)确定公式内的各计算数值1)试选载荷系数 .t2)计算小齿轮传递的转矩mNT410265.83)由表 10-7 选取齿宽系数 1d4)由表 10-6 查得材料的弹性影响系数 218.9MPaZE5)由图 10-21d 按齿面硬度查得：齿轮的接触疲劳强度极限 ；aH601lim6)由式 10-13 计算应力循环次数hjLnNh 91 107648.2)382(9607)由图 10-19 查得接触疲劳寿命系数 1HNK5.2HN8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，得: MPaSKHNH 54069.01lim(2）计算1)试算齿轮分度圆直径 ，代入数值：td13 211 )(*2. HEdt ZuKTd= m4.595408.165.08.32459.4mm100mm,故设计合适3.按齿根弯曲强度设计由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为321FSadnYzKTm(1) 确定公式内各计算数值1)计算载荷系数 512.3.12.FVA2)查取齿形系数 由表 10-5 查得 4.21FY3)查取应力较正系数由表 10-5 查得 67.1S4)由图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPaFE5015)由图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 8.1NK6)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,得 MPaaSKFENF 57.304.15801 7)计算齿轮的 FaY0132.57.36421FSa(2)设计计算： nmm27.103.401265.8.34因为 1.27mm2.5mm，故设计符合。2-13 轴承端盖的设计如下图所示，根据轴承座孔（外圈）直径 80mm 由机械设计课程设计表46 查得轴承端盖螺钉直径为 d3=12mm，螺钉数目为 4 个。如图 24 所示，由机械设计课程设计P133 页可知，D4=D-(1015mm) 得 D4=50mmD0=D+2.5D3 D0=110e=（11.2）d3 e=12 D2=D0+2.5D3 D2=160轴承端盖、轴承透盖都是按照此尺寸设计。第三章 焊接滚轮架的防窜研究3-1 关于滚轮架轴向窜动的问题如果滚轮和焊件都是理想的圆柱体，且各滚轮尺寸一致，并且其转动轴线都在同一水平面内并与焊件轴线平行时，放在滚轮架上的焊件是不会产生轴向窜动的，这是理想情况。但实际上是不可能做到的，尤其是焊件就不可能做到理想中的圆柱体。多次试验证明将主、从滚轮架在水平和轴向上的位置找好，固定下来，下次再用时仍会窜动。即便是同一个焊件，此时调整后已不再窜动，但换个方向旋转或将该焊件吊起移动位置后再放到滚轮架上，该焊件又会窜动了，更不用说换另外一个焊件了。国内一些工厂采用在焊件端头硬顶的办法，这种办法对设备和焊件都有损害，实属无奈。国外制作的防窜滚轮架，虽能满足要求，可惜价格较昂贵。理论和实践都证明：影响焊件做轴向窜动的主要原因是滚轮各轴线与焊件轴线的平行度。因此，在制造和使用焊接滚轮架时，首先要尽量做到：主、从滚轮架都位于同一中心线上。各滚轮的轴线都在一个水平面内且相互平行。滚轮间距相等。实际上，焊件在滚轮架上的轴向窜动，其焊件本身是在作螺旋运动，如能采取措施，把焊件的左旋及时地改为右旋或将右旋改为左旋，直至焊件不再作螺旋运动为止。目前，已有三种执行机构可完成此任务：（1）升降式调节是通过举升机构改变一个从动滚轮的位置(其中心轨迹为一段弧线)来改变筒体一侧中心的位置,从而实现螺旋角的改变的。（2）偏移式执行机构从动滚轮架的两侧滚轮沿其垂直中心线可做同向偏移，以此改变滚轮与焊件的轴向摩擦分力。（3）平移式执行机构从动滚轮架的两侧滚轮可以同时垂直于焊件轴心线做水平移动，从而达到调节焊件轴心线以及调节滚轮轴线夹角的目的。3-2 调节方式的比较由于调节所产生的非协调成分将导致筒体与滚轮间的轴向力和摩擦滑动,容易使筒体擦伤,并加剧滚轮轮面的磨损.因此从调节量的组成来看,在三种调节方式中以平移式为优,而且平移式机构的横向尺寸较小,适于工作场地受限制的场合.但平移式调节要求两个从动滚轮同步水平移动,滚轮架的吨位不能太大.从调节的灵敏度来看,由于筒体重力可自然消除举升机构传动链上的往复运动间隙,因此在三种调节方式中以升降式为优,而平移式和偏转式机构均需采取专门措施来消除其传动链上的往复间隙,特别是低速级的间隙.此外,两个举升机构组合起来还可作为装配滚轮架使用.从对焊接过程的影响来看,则以偏转式为优,因为升降式和平移式机构在调节时均要改变筒体轴线的位置,特别是当焊缝位于从动滚轮一侧时,影响更大.偏转式调节的缺点是,由于希望能够对支承距 s 进行无级调节,以所要求的关系 ,从而增加了机构的复杂性;否则在调节过程中,偏转滚轮将直接对筒体产生方向不定的轴向推力 ,加剧滚轮轮面的磨损,并增大偏转机构的功率.其次是在调节量中非协调成分占的比例大,对于滚轮架的制造安装误差要求更严格. 防轴窜焊接滚轮架三种机械调节方式的综合比较比较内容 升降式调节 偏转式调节 平移式调节调节方式特点通过一个滚轮的升降改变螺旋角通过一个滚轮的偏转改变螺旋角通过两个滚轮的平移改变螺旋角调节性质含有协调与非协调分量两种成分只含有非协调分量一种成分只含有协调分量一种成分轴向力调节产生一定的轴向力调节产生较大的轴向力调节不产生轴向力轮面与筒体的磨损 居中 较大 较小机械往复运动间隙筒体重力自然消除往复运动间隙需采取专门措施消除往复间隙 需采取专门措施消除往复间隙 机构横向尺寸 较大 居中 较小支承距的调节 不必无级调节 必需无级调节 不必无级调节对焊接过程的影响从动轮一侧稍有影响无影响从动轮一侧稍有影响其它用途组合后可用作对接装配滚轮架 无 无综合上述三种调节方式的比较，由于顶升式执行机构调节灵敏度较高，所以这次设计中采用此种调节方式。3-3 调节传动方案第四章 调速控制系统的总体设计4-1 控制装置的选择（一）变频器的选择由电动机的功率 ，并且运输带属于恒转矩负载，根据变频器型号KWP75.0表可以选出，所需变频器型号为 EV1000-2T0007G.变频器具体参数如下：变频器型号额定容量（KVA）额定输入电流（A）额定输出电流（A）适配电机（KW）EV1000-2T0007G 1.5 3.4 2.3 0.75 图 3 变频器的外形图（二）PLC 的选择PLC 的选择主要应从 PLC 的机型、容量、I/O 模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC 机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。综合以上选型基本原则，选择的 PLC 为 EC10-1614BTA 图 5 EC10-1614BTA 主模块外形结构及端口分布4-2 控制系统设计（一）PLC 与变频器自由口协议通讯（1）组网方式：单机 RS485 连接图 6