装载机前车架焊接变位机设计

2013 届本科毕业设计（论文）编号毕 业 设 计题 目 装载机前车架焊接变位机设计 学生姓名 学 号 学 院 专 业 班 级 指导教师 2013 届本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）诚 信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） （题目：装载机前车架焊接变位机设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 作者签名： 年 月 日（学号）： 2013 届本科毕业设计（论文）装载机前车架焊接变位机设计 摘要 焊接变位机也已成为制 造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把 它划为焊接辅助机。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 个品种规格，正在形成一个新兴行业。 本题目是设计前车 架全方位焊接变位机。它要求具有两个自由度，实 现前车架焊接过程中可绕相互垂直的轴回转 360，被焊工件的任一条焊缝都可以转到平焊或船焊位置，避免立焊和仰焊，从而保证焊接质量，改善工人劳动强度和工作环境，提高生产效率。 设计的具体过程是根据预定的载荷和要求进行 L 臂结构设计和机架结构设计。这两部分主要为焊接结构，首先 进行受力分析，了解不同情况下受弯矩和扭矩的大小 ，确定截面的大致形状和板厚。然后考 虑工件的空间尺寸及空间回转运动等因素，防止转动 部件在工作中发生碰撞。然后考虑结构的合理性，根据传动件的大小确定焊接结构的大小，为 L 臂安排配重，然后对整个结构进行强度校核。最后绘制相关的零件图、总装图。 选用的方法主要是机械设计的相关知识，使用到的有材料力学、机械设计、AutoCAD 等。 关键词：焊接变位机、夹具设计、结构设计。 i 2013 届本科毕业设计（论文）Loader front frame welding positioner design Abstract Welding positioner has become an indispensable manufacturing equipment, which is zoned welding assistant engine in the welding area. Patterns and varieties of specifications on the series, has been developed, some over 10 series, more than 100 varieties of specifications, a newly emerging industries. The topic is design the front frame full displacement welding positioner. It requires a two degrees of freedom, realize the front frame welding process can turn around the perpendicular ax is 360 , the welding work pieces of an y one of the welding line can turn to flat welding or ship welding position, avoid set up welding and welding, so as to ensure welding quality, improve the labor intensity and working environment,improve production efficiency. The specific design process is according to the predetermined load and requirements for L arm structure design and frame structure design. The two parts mainly for welding structure, first mechanics analysis, understanding the different cases by bending moment and the size of the torque, determine the general form of the section and thickness. Then consider the size and sp ace turn sports factors, prevent rotating components work in a collision. Consider the rationality of the structure, according to the size of the transmission parts to determine the size of welding structure, for L arm counterweight arrangement, and then for the whole structure strength check. Finally draw relevant parts graph, assembly drawing. The selection of the method is mainly related knowledge of mechanical design, using material mechanics, the mechanical design, AutoCAD. Keywords: welding positioner, fixture design, structure design.ii 目 录摘 要 . Abstract . 2013 届本科毕业设计（论文）第一章 绪论 . 1 1.1 焊接变位机的定义和基本要求 . 1 1.1.1 焊接变位机的定义 . 1 1.1.2 焊接变位机的类型和基本原理 . 1 1.1.3 焊件变位机械的构件组成 . 1 1.1.4 焊机变位机械的类型 . 2 1.1.5 焊机变位机械应具备的性能 . 2 1.2 几种常见的焊接变位机的特点 . 2 1.2.1 座式通用变位机 . 3 1.2.2 U 型双座式头尾双回转型焊接变位机 . 3 1.2.3 L 型双回转焊接变位机 . 3 1.2.4 C 型双回转焊接变位机 . 4 1.3 国际和国内焊接变位机的发展现状 . 5 1.3.1 国外焊接变位机的产品简介 . 5 1.3.2 国内焊接变位机的产品简介 . 6 1.4 装载机前车架焊接变位机的设计要求 . 7 第二章 设计与校核 . 8 2.1 设计要求 . 8 2.2 L 臂的设计与校核 . 8 2.2.1 前车架的结构和焊接工艺 . 8 2.2.2 关于 L 臂壁厚的设计与校核 . 9 2.3 配重的设计 . 18 2.4 工件定位及夹紧的设计与校核 . 19 2.4.1 设计定位方案 . 19 iii 2013 届本科毕业设计（论文）2.4.2 设计夹紧方案 . 19 2.4.3 夹紧方案中螺栓组的强度校核 . 20 2.5 大回转中心轴的计算 . 21 2.5.1 大回转中心轴直径的计算 . 21 2.5.2 对固定中心轴的螺栓组的强度校核 . 27 第三章 总体结构设计 . 30 3.1 回转工作台的设计 . 31 3.2 L 臂的设计 . 31 3.3 箱体的设计 . 31 3.4 底座的设计 . 31 第四章 总结与展望 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 34 2013 届本科毕业设计（论文）第 1 章 绪论1.1 焊接变位机的定义和基本要求 1.1.1 焊接变位机的定义 在焊接过程中，我们经 常会遇到焊接变位以及选择合适的焊接位置的 情况，为了解决这一问题，焊接变位机也 就理所应当的出现了。它可以通过工作台的回转和翻 转，使待焊处置于合适位置，很好的和 焊接设备结合使用，实现焊接的自动化，机械化，提 高生产效率和焊接质量。但是，因为焊 接变位机在我国的出现时间不长，相关的专门技术人 员比较少，在工艺参数，尺寸规格，名 称上都没有统一的标准，概括来讲，焊接变位机就是 移动工件，使之待焊部位处以合适易焊 接的位置的焊接辅助设备，焊接变位机使被焊 件任意一个焊缝变位船角焊，平焊合平角焊的理想焊接位置。 1.1.2 焊接变位机的类型和基本原理 焊接变位机的类型 很多，可以分为焊件变位机械，焊机变位机械和焊工变位 机械，按照结构特点又可以分为若干类（见图 1.1）： 2013 届本科毕业设计（论文）图 1.1 变位机的派生形式示意图 1.1.3 焊件变位机械的构件组成 焊件变为机械的主要功 能是实现焊件的回转，翻转，或者既能翻转又能回转 ，使工件处于最便于装配和焊接的位置。 包括： 1、翻转机， - 1 - 2013 届本科毕业设计（论文）2、回转台， 3、滚轮架， 4、变位器。 1.1.4 焊机变位机械的类型 按照结构形式分为 1、平台式 2、悬臂式 3、门桥式 按照动作可分为平移和升降两种，又以升降者为多。 毕业设计（论文）报告纸 总之，尽管有很多类型，但是它们的基本结构和工作原理都是相通的，由工作平台，回转机构，翻转机构，机座，电子控制装置，焊接导电装置等部分组成。 1.1.5 焊接变位机械应具备的性能 通用的焊接变位机械应具备的性能是： （1）焊接变位机械和焊机变位机械要有较宽的调速范围焊接运行速度，以及良好的结构刚度。 （2）对尺寸和形状各异的焊件，要有一定的适用性。 （3）在传动链中，应具有一级反行程自锁传动，以免动力源突然切断时，焊件因重力作用而发生事故。 （4）与焊接机器人和精密焊接作业配合使用的焊件变位机械，视焊件大小和工艺方法的不同，其到位精度(点位控制) 和运行轨迹精度(轮廓控制) 应控制在 0.12mm 之间，最高精度应可达0.01mm。 （5）回程速度要快，但应避免产生冲击和振动。 （6）有良好的接电、接水、接气设施，以及导热和通风性能。 （7）整个结构要有良好的密闭性以免焊接飞溅物的损伤，对散落在其上的焊渣、药皮等物，应易被清除。 （8）焊接变位机械要有联动控制接口和相应的自保护功能集中控制和相互协调动作。 （9）工作台面上应刻有安装基线，装各种定位工件和夹紧机构。 （10）兼作装配用 的焊件变位机械抗冲击性能。并设有安装槽孔 ，能方便地按其工作台面要有较高的强度和抗冲击性能。 （11）用于电子束焊、等离子弧焊、激光焊和钎焊的焊件变位机械，应满足导电、隔磁、绝缘等方面的特殊要求。 1.2 几种常见的焊接变位机的特点 - 2 - 2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 图 1.2 座式变位机 图 1.3 双座式焊接变位机 1.2.1 座式通用变位机 座式焊接变位机工作台 有一个整体翻转的自由度。可以将工作翻转到理想的 焊接位置进行焊接。另外工作台还有一个旋转的自由度。该种变位机已经系列化生产，主要用于一些管，盘的焊接 。具体形式见图 1.2。 1.2.2 U 型双座式头尾双回转型焊接变位机 这种焊接变位机的焊接 空间很大，工件可以被旋转到需要的位置，设计先进 ，已经在很多地方成功使用。具体形式见图 1.3。 1.2.3 L 型双回转焊接变位机 该变位机有两个方面的自由度，两个方向都可以进行 360 度的任意回转。开徜性好，容易操作，焊接效果不错，很受使用者的欢迎。 随着工程机械制造厂商 对结构件的焊接质量、生产效率的要求小断提高，对 焊接工作的重要辅助设备变位机的要求同样在提高。结构件采用变位机焊接，对变位机提出的要求是:第一，要求组焊件上的焊道尽量避免遮挡，一次装夹完成全部焊接工作;第一，要求各焊道能达到船焊位置，以保证焊缝质量;第下，要求装卸工件时操作简便、安全可靠 ;第四，要求焊接时操作高度最低，便于 施焊。一般变位机可以满足前几项要求， 但要求操作高度最低有一定限制，尤其对那些重量小大，但尺寸较大的结构件，降低焊接操作高度更为困难。 L 形双回转升降式变位机较好地 解决这一难题，即在高位下变位，在低位置上焊接， 此运动是由升降装置完成的。现己开发 出基本型、加强型等一系列机型。通过配 置不同的工装夹具，可以适应多种工程机械结构件 的焊接，己成功应用于履带式挖掘机的动臂、上车架 、下车架、履带架等一些结构件上。 L 形双回转升降式焊接变位机由 ：底座、升降机构、大回转机构、小回转机构、 ，以及电气控制部分组成。 （1）底座 - 3 - 2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 底座是由槽钢焊接而成的框架结构，是变位机的基础部分，两条向前仲出的 H 形支腿起到平衡变位机重心的作 用，支腿具有足够的强度和刚度，以保证变位机工作 时的稳定性。底座用预理地脚螺栓或膨胀螺栓与地面紧连接在一起。 （2）升降和 L 构 升降和 L 构形成变位机的直线运动自由度，其主体是用槽钢焊接而成的框架结构，有足够的强度和刚度，用以 支承大、小回转部分。其传动机构是由电机直联型摆 线针轮减速机，通过联轴器驱动丝 杠旋转，丝杠带动螺母上下运动，使与之相连的滑座上下 移动，滑座固定在直线导轨上，滑座带 动与其相连的大、小回转部分上下运动。上下限位由 行程开关控制，同时设有机械限位挡块，确保机构安全。 （3）大回转机构 大回转机构传动链为:制动电机-蜗轮蜗杆减速机-小齿轮-回转支承，可以 360 全回转。回转支 承作为动力输出元件与 小回转机构箱形梁连 接，带动小回转机构 实现 360 全回转。大回转机构整体通过导轨座和滑座与升降结构相连。 （4）小回转机构 小回转机构属于末级传动，与大回转机构的传动结构类似，也可以实现360全回转。小回转机构通过箱形梁 与大回转机构连接，箱形梁起到承载和连接作用，在 箱形梁与大回转机构连接处安装有下相 导电滑环为小回转电机供电。回转支承输出端连接工 作盘，工件通过夹具安装在工作盘上。 （5）电气控制部分 电气控制部分装在 独自的电控箱中，面板上装有各机构动作按钮 和指示灯，为便于现场远距离操作，电控 系统配有手控盒，手控盒上装有各动作按钮和急停 开关，控制按钮线控并联控制 (与电控箱中各 按钮并联)。电 控系统基本配置 包括升降电机、 大小回转电机的控 制以及安全防护装置。在本设计中没有过多的提到。 总电源开关采用带 漏电保护装置的断路器，不仅有效地进行过流短路保 护，还对电气设备、器件绝缘使用的降低和操作人员触电进行有效的漏电保护。 操作面板和手控盒 上都装有急停开关按钮，当出现可能危及 人身或设备安全的紧急情况时，只要按下此按钮，整机电源立即断开，从而保证人员与设备的安全。 工程机械中有很多 较大的结构件，采用普通的变位机时，需要中 心高较大才能转过去，- 4 - 2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 变位后工件位置过高焊接操作方便;采用本变位机可以旋转到位后将工件高度降下来，操作方便安全。 对于中小型结构复 杂的结构件，更显示出其独特的优越性可以变换不 同的方位进行手工焊接。其特点是具有更 大的开敞空间、多种变换位置、较小的占地面积，是 一种性能优越的机型。 1.2.4 C 型双回转焊接变位机 该种变位机适合焊接装载机的铲斗、挖斗等部件。 1.3 国际和国内焊接变位机的发展现状 1.3.1 国外焊接变位机的产品简介 一、美国 Aroson 公司美国 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。1 手动双回式。C 系列，型号 C1000 、2000 、4000。承载能力 25 磅4000 磅。2 小型倾翻-回转式。LD 系列，型号 LD 60N、150N、300N，承载能力分别为 132 磅、330磅、660 磅。3 倾翻-回转式，倾翻角度 135。D、HD 系列，承载能力 314 磅7 万磅4 倾翻-回转（换销）定位升降式，倾翻角度 135。AB 系列（30 AB1200） ，承载能力 4300磅12 万磅。5 倾翻-回转（齿轮齿条）无级升降式，GE 系列，倾翻角度 135，型号（GE25GE3500，承载能力 2500 磅35 万磅。6 倾翻-回转式，倾翻角度 90 ，G 系列，G400G4-MEGA 型，承载能力 4000 磅400 万磅。7 双座双回转式，DCG 系列，最大产品承载能力为 500 吨。8 单回转式 HTS 系列，HTS5、9 、12 、20、32、40、50 、60、90、160、240，承载能力为 500 磅24 万磅。9 单回转（齿轮齿条）升降式，HTS- GE 系列， HTS5 GE、HTS 240GE，承载能力为 500磅24 万磅。- 5 - 2013 届本科毕业设计（论文）二、 德国 LCOOS 公司 毕业设计（论文）报告纸 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，还生产卧式单座单回转 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。这些产品的主参数，最大允许承载能力（max. admissible load capacity）用 N 表示。三、 日本松下（Panasonic）公司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、夹具体等做成了标准模块，集合而 成这些产品系列。按轴数和结构型式分类。1 轴变位机 3 个系列，即：立式单回转、卧式单座单回转、双座单回转式；2 轴变位机有 5 个系列，即： C、L、H、准 L 型双回转式及 2 卧式单座单回转式；3 轴变位机有 3 个系列，即：立式多工位 2 立式单回转、卧式多工位 2双座单回转式、2 卧式单座单回转式；5 轴变位机有 1 个系列，立式多工位 2L 型双回转式。最大有效负荷（Max. payload）200kg 、500kg、1000kg。1.3.2 国内焊接变位机的产品简介现在我国生产焊接变位 机的厂家已经不少，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。 天津鼎盛公司工程机械有限公司、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。以下简述这些变位机的基本型式。1 全双回转式。包括 L 、 H(双座)、C 型双回转式(BZ2-、BZ2A- 、BZ2B-、BZ2D- 系列)。2 倾翻-回转式焊接变位机（BZ2C-系列） 。3 单回转式焊接变位。 包括三种型式：双座单回转式（BZ-、BZ1-、BZA-、BZA1-系列） 、双座单回转尾架移动式（BZY-、BZAY-、BZA1Y-系列） 、单座单回转（立式 BZAL-、BZL-，卧式 BZW-、BZAW-斜式 BZAX-系列） 。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- 6 - 2013 届本科毕业设计（论文）（PLC、微机控制）和机器人配套型产品。毕业设计（论文）报告纸 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，双座单回转式双工位 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。1.4 装载机前车架焊接变位机的设计要求 前车架全方位焊接变位 机要求具有两个自由度，实现前车架焊接过程中可绕 相互垂直的轴回转 360，被焊工件的任一条焊缝都可以转到平焊或船焊位置，避免立焊和仰焊，从而保证焊接质量，改善工人劳动强度和工作环境，提高生产效率。 课题的目的与要求： 1完成 ZL40 装载机前车架焊接变位机总体设计，包括总体结构布置，绕 Y、Z 轴回转整机功率计算，前车架夹具设计等； 2形成机械设计的整体概念，综合运用过去所学理论知识，提高理论联系实际和综合分析能力； 3提高应用资料、标准及规范等基本技能和设计能力，并完成毕业设计论文、计算说明书等任务。 主要技术指标： 1、额定负荷：24KN2、额定扭矩：大回转 5600N.m小回转 3000N.m3、额定转速：大回转 0.75r/min小回转 0.83r/min 4、电机功率：大回转 2.4KW 小回转 0.8KW 5、回转半径：大回转 1070mm 小回转 936mm - 7 - 2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 2.1 设计要求 第二章 设计与校核 焊接辅助设备确切的名 称应为焊接工艺装备，简称焊接装备。焊接工艺装备 所涉及的范围相当广。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。 前车架全方位焊接变位 机要求具有两个自由度，实现前车架焊接过程中可绕 相互垂直的轴回转 360，被焊工件的任一条焊缝都可以转到平焊或船焊位置，避免立焊和仰焊，从而保证焊接质量，改善工人劳动强度和工作环境，提高生产效率。 2.2 L 臂的设计与校核 2.2.1 前车架的结构和焊接工艺 设计焊接变位机前，首 先要了解一下装载机前车架的结构和焊接工艺。装载 机前车架是装载机的重要承载部件 ，属于空间半箱型的对称焊接结构，其主 要组成部件有左、右翼箱，翻斗缸座、前板、上横梁、铰接架、下梁和桥安装板等，如图 2.1 所示。 图 2.1 装载机前车架结构 - 8 - 2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 前车架所有部件之间的连接均为连续角焊缝连接。右翼箱 1 和左翼箱 2 主要由与前板和上横梁及铰接架相连接的翼板、外翼板、筋板、贴盘等组成。翼板和外翼板的厚度均为 16mm。翻斗缸座 3 主要组成件的厚度为 24mm。前板 4 的厚度为 10mm。上横梁 5 为折弯件，板厚为24mm。铰接架 6 主要组成件上、下铰接板的厚度为 36mm，四块筋板的厚度为 20mm。下梁 7 的厚度为 12mm。桥安装板 8 的厚度为 30mm。材质均为焊接性能良好的低碳合金高强度钢 Q345A。 在部件设计之前，先要确定工件和夹具的重心，这对于后面的设计计算是很有必要的。 图 2.2 前车架重心及回转尺寸 工件前车架为左右对称结构（如图 2.2） ，根据已知的资料，工件重心相对小回转中心偏心 80mm，且工件中心相对于焊接加工时的固定面的高度为 616mm。工件自重约为一吨。 2.2.2 L 臂壁厚的设计与校核 根 据传 动 部件 安放 所需 尺寸 要 求， 设定 小回 转中 心 距离 L 臂竖 直臂 右表 面的 距 离为1536mm，设定回转工作台距离 L 臂水平臂上表面的距离为 130mm。根据工件定位及夹紧要求，设定回转工作台厚度为 40mm。 (1)工件处于极限工位 1(图 2.3) - 9 - 2013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 图 2.3 工件处于极限工位 1 工件重心位于小回转中心右侧 80mm 处，工件处于工作台正上方。 L 臂结构简化后为悬臂梁（见图 2.4） 梁上右端受力大小为 F G mg 10 kg 10m / s 2图 2.4 L 臂受力简化图 10 Nm 10 kg上式中，m 为工件及小回转传动部件质量：g 为重力加速度：- 10 - 3 432g10m / s2013 届本科毕业设计（论文）则左端支反力大小为FR F 10 N梁上受力点距离左端面距离为l 1536 80 1616mm 1.616m左端面提供的弯矩为 M Fl 10 N 1.616m 1.616 10 4 N m毕业设计（论文）报告纸 梁横截面上所受剪力为（剪力图见图 2.5）FS ( x) FR 104 N图 2.5 极限工位 1 时剪力图梁横截面所受弯矩为（弯矩图见图 2.6） 图 2.6 极限工位 1 时弯矩图 - 11 - 442013 届本科毕业设计（论文）M (x) F (l x) Fx Fl 10 (x 1.616)N m梁上所受最大弯矩为| M max |1.616 10 N m （x=0 处） （2）工件处于极限工位 2（图 2.7） 毕业设计（论文）报告纸 图 2.7 工件处于极限工位 2 工件重心位于小回转中心右侧 80mm 处，工件重心与小回转中心处于同一水平面。 L 臂结构简化为悬臂梁（见图 2.8） 图 2.8 L 臂受力简化图 - 12 - 442013 届本科毕业设计（论文）梁上右端受力大小为 F G mg 10 kg 10m / s则左端支反力大小为 FR F 10 N2 10 4 N毕业设计（论文）报告纸 梁上受力点距离左端面距离为l 1536 80 1616mm 1.616m左端面提供的弯矩为 M Fl 10 N 1.616m 1.616 10 4 N m工件重心距离 L 臂水平臂上表面的距离为s 616 13040 786mm 0.786m则梁上所受的扭矩大小为T Fs 10 N 0.786 m 7.86 10 N m梁横截面上所受剪力为（剪力图见图 2.9）FS ( x) FR 104 N图 2.9 极限工位 2 时剪力图 梁横截面所受弯矩为（弯矩图见图 2.10） - 13 - 3444 32013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 图 2.10 极限工位 2 时弯矩图 M (x) F (l x) Fx Fl 10 (x 1.616)N m梁上所受最大弯矩为| M max |1.616 10 N m （x=0 处） 梁横截面所受扭矩为（扭矩图见图 2.11） T (x) 7.8610 N m 图 2.11 极限工位 2 时扭矩图 （3）工件处于极限工位 3（图 2.12） - 14 - 4432013 届本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）报告纸 图 2.12 工件处于极限工位 3 工件重心位于小回转中心右侧 80mm 处，工件处于工作台正下方。 L 臂结构简化后为悬臂梁（图 2.13） 梁上右端受力大小为 F G mg 10 kg 10m / s则左端支反力大小为FR F 10 N2图 2.13 L 臂受力简化图 10 N- 15 - 3442013 届本科毕业设计（论文）梁上受力点距离左端面距离为l 1536 80 1616mm 1.616m左端面提供的弯矩为 M Fl 10 N 1.616m 1.616 10 4 N m毕业设计（论文）报告纸 梁横截面上所受剪力为（剪力图见 2.14）FS ( x) FR 104 N图 2.14 极限工位 3 时剪力图 梁横截面所受弯矩为（弯矩图见图 2.15） 图 2.15 极限工位 3 时弯矩图 M (x) F (l x) Fx Fl 10 (x 1.616)N m梁上所受最大弯矩为- 16 - 442013 届本科毕业设计（论文）| M max |1.616 10 4 N m （x=0 处） 毕业设计（论文）报告纸 根据传动部件的大小设定 L 臂的宽度为 1500mm。 L 臂的材料选择为 HT250 灰铸铁，其抗拉强度为 取安全系数 S2.5 。 1、对于极限工位 1 而言： 假定 L 臂壁厚为 h，则其抗弯曲截面系数为 W 270MPa ，密度为 710 kg / m。 3。 则最大正应力为 max Mmaxh / 2 h / 2 6由 max M max W可得 25 4W S61.616101.5h / 6 270102.5 得到 h 0.245m h 1500 取 h 25mm2、对于极限工位 2 而言： 假定取 h 25mm ， b310 ，截面为狭长矩形，所以b 图 2.16 截面示意图 根据矩形截面最大切应力计算公式： hb3由于 HT250 灰铸铁是脆性材料，其许用最大切应力为 h / 2 h / 2 6max 0.8S 86.4MPa - 17 - T 7.8610I33 2bh / 12 bh2h如图2.16 所示，由于1取。 T可得 2339.3MPa 2 121.50.023 2I bh / 12 bh抗弯曲截面系数为W 。 2013 届本科毕业设计（论文）则最大正应力为 max Mmax毕业设计（论文）报告纸 由 max M max W可得 W S4 max Mmax 1.616102 2.15MPa 108MPaW 0.021.5 / 6 3、对于极限工位 3 假定 L 臂壁厚为 h，则其抗弯曲截面系数为 W Iz bh3 /12 bh 。 则最大正应力为 max Mmaxh / 2 h / 2 6由 max M max W可得 4W S61.616101.5h / 6 270102.5 得到 h 0.245m取 h 25mm现在考虑 L 臂受力弯曲变形的情况。 易知，在极限工位 1 和极限工位 3 情况下，L 臂的弯曲变形最大。 根据悬臂梁受力弯曲变形挠度公式得出 12故弯曲变形可以忽略不计。 综上所述，取 L 臂壁厚为 25mm。 2.3 配重的设计 配重是用 来 平衡 机 器 某 一运 动 部 件 的重 物 。 为了保证 L 臂能够平稳的做回转运动，需要在 L 臂竖直臂上安排配重。配重材料选用 HT250灰铸铁，其密度为 7 10 kg / m 。根 据设计，配重块下表面距离大回转中心尺寸为 650mm。为了实现 L 臂的平稳运动，须保证 L 臂运动过程中所受扭矩基本为零。 - 18 - S223 4 3Fl 10 1.6163.2 10 m3EI 0.0251.5378.9 103 32013 届本科毕业设计（论文）设配重块高为 x，则 3 3毕业设计（论文）报告纸 配重块质量为 m 0.21.5x710 kg 2.1x 10 kg 。 根据极限工位 2 时受扭矩平衡列式 2.1x 10 kg 10m / s (x / 20.65)m 7.8610 N m x 0.45m 450mm 故配重质量为 m 2.10.4510 kg 945kg 2.4 工件定位及夹紧的设计与校核 根据工件焊接加工时的固定面设计定位及夹紧方案，工件焊接时的固定面如图 2.2 所示。 2.4.1 设计定位方案 根据工件的形状设计定位基准，工件的外形如图 2.17 所示。 一孔 两面 图 2.17 工件外观形状 因此，工件采用一孔两面定位，一孔指的是工件下表面上的孔，此孔的直径为 50mm，采用圆柱销定位，圆柱销型号为 A50 f735，限制的自由度为 X , Y ；两面其一指的是工作台上表面，即工件焊接加工时的固定面，限制的自由度为 Z , X , Y ，其二指的是工件内部轮廓中的一个侧面，此面采用定位螺钉定位，定位螺钉型号为 M1235 限制的自由度为 Z 。定位螺钉中心距离回转工作台中心的横向距离为 140mm，纵向距离为 278mm。具体方案见图纸回转工作台及夹具。 - 19 - 3 2 332013 届本科毕业设计（论文）2.4.2 设计夹紧方案 毕业设计（论文）报告纸 根据工件的形状设计夹 紧方案。通过夹紧工件下部分来夹紧工件，夹紧面为 工件下部分的上表面，采用压板夹 紧。由于工件下部分尺寸过大以及工件质量过大，一 般的标准压板无法实现夹紧要求，因此，设计一个非标准的压板，该压板长 500mm，宽 70mm，厚 35mm，具体形状见图纸压板。通过 螺母、垫圈、双头螺栓及压板将工件夹紧在工作台上 。双头螺栓型号为 M20120，螺母型号为 M20。双头螺栓、螺母、垫圈各有四个，压板有两个。以双头螺栓、螺母、垫圈各两个以及 一个压板为一组夹紧工件，两组以工件中心线 左右对称。每一组的双头螺栓中心相距 400m m，其中靠近回转工作台中心的双头螺栓中心距 离工作台中心的横向距离为 90mm，纵向距离为 90mm。具体夹紧方案见图纸回转工作台及夹具。螺母采用扳手拧紧，查询机床夹具设计手册可得手柄长度为 240mm，手柄作用力大小为 100N，螺母产生的夹紧力大小为 7950N。 2.4.3 夹紧方案中螺栓组的强度校核 1、工件处于极限工位 1 当工件处于极限工位 1 时，工件由回转工作台支撑，螺母产生的夹紧力足够将工件夹紧在工作台上，螺栓只受压应力。 2、工件处于极限工位 2 当工件处于极限工位 2 时，工件由螺栓组夹紧在工作台上，螺栓组受倾覆力矩 M 作用。由 图 2.2 可 知 ， 工 件 重 心 距 离 工 作 台 大 小 为 s 616mm 0.616m ， 工 件 自 重 为G mg 10 kg 10m / s 10 N 。 因 此 ， 倾 覆 力 矩 大 小 为M Gs 10 4 N 0.616m 6.16 10 3 N m 。 螺 栓 中 心 线 距 离 工 作 台 中 心 线 距 离 分 别 为r1 90mm 0.09m ， r2 90mm 400mm 0.49m ，则 rmaxMrmax0.49m 。根据螺 栓组受倾覆 力矩时单个螺栓的总载荷计算公式 FM max6.1610 0.49jr 2j3可得 FM max 2(0.09 2 0.49 ) 6.0810 N 3 3残余预紧力 F1 0.6 FM max 0.6 6.08 10 N 3.64810 N 7950N - 20 - 3 2 43z22013 届本科毕业设计（论文）因此，该螺栓组能够夹紧工件。 此时，单个螺栓受到的总载荷为 F2 FM max F1 6 .0810 N 3.648 1 0 3 N 9.728 10 3毕业设计（论文）报告纸 N 螺 栓 材 料 为 45 钢 ， 查 表 得 s 480MPa ， 取 安 全 系 数 为 S=3.0 ， 则 许 用 应 力 为 s / S 480 / 3MPa 160MPa 。4 1.3F2根据螺栓危险截面强度公式 d 1 3 可得 d1 41.3F2 41.39.7281016010 0.010m 因此， M20 螺栓可用。 3、工件处于极限工位 3 当工件处于极限工位 3 时，螺栓组仅需提供支持工件的重力，因此，每个螺栓受力大小为 F2 G / 4 10 N / 4 2.5 10 N 7950 N ，因此，螺栓组能够夹紧工件。 综上所述，工件的夹紧方案中所选螺栓组可用。 2.5 大回转中心轴的计算 大回转中心轴是支撑轴，仅起到支撑 L 臂的功能，不参与功率和扭矩的传递。 2.5.1 大回转中心轴直径的计算 根 据 传 动 部 件 的 要 求 设 计 轴 ， 轴 的 受 力 简 化 为 悬 臂 梁 。 受 力 点 距 离 悬 臂 端 长 度 为s 130mm 0.13m 1、工件处于极限工位 1 时(图 2.18) - 2