毕业论文-环-纵缝焊机机床机械系统设计

环纵缝焊机机床机械系统设计摘要随着自动焊接技术在工程机械生产中的广泛应用，由于环形工件的焊接需求越来越大，迫切需要开发一种可以实现环纵缝焊接的焊机机床，代替以往的手工焊接，从而达到良好的焊接质量，并且应用于批量的环纵缝焊接生产中。本论文介绍了国内外焊机机床的现状与发展方向,以国内自动焊机的水平为基础，对其机械系统进行重新设计，增加焊枪移动机构以及相关夹持机构使之可以实现对环缝和纵缝的自动焊接。焊机机床的调速采用变频调速系统，使之可以在较宽的速度范围内实现无级调速以更好的满足焊接工艺要求。关键词：自动焊接；环/纵缝焊接；焊机机床；机械系统；焊枪摆动；IAbstractAlongwiththeautomaticweldingtechnologywaswidelyusedinconstructionmechanicproduction.Asthedemandofweldingforgirthworkpieceisbecominglargerandlarger.Itneedstodevelopaweldingmachineurgently,whichcanbeusedingirthweldingandstraightweldingperfectly.Itcanreplacethepreviousmanualwelding,accordinglytoachievegoodweldingquality,anditcanbeusedinbulkproductionforgirthweldingandstraightweldingThisthesishasbeenintroducedthecurrentsituationofweldingmachineandthedevelopmentorientationathomeandabroad.Theoldmechanicalsystemswereredesignedbasedonthelevelofdomesticautomaticweldingmachine.Thatcanmakeitweldthegirthweldingstraightwelding.TheFrequencywasadoptedinspeedcontrolsystemofweldingmachineadoption.Thiscanachieveabetterweldingprocedureaccordingtothewidelyspeedrange.Keywords:automaticwelding,girthstraightwelding,weldingmachine，mechanicsystem,torchwaveII环纵缝焊机机床机械系统设计目录第一章前言.11.1我国焊机的整体发展水平.21.2焊接技术的发展趋势.31.3本课题的内容、目的和研究意义.41.3.1课题内容的简介.41.3.2课题研究的目的.41.3.3课题研究的意义.5第二章总体结构设计方案.62.1整体结构与原理.62.2焊机机床机械系统设计要求.7第三章机床机械结构零部件分析及设计.83.1床身部分设计.83.1.1床身结构的设计.83.1.2床身导轨的设计.113.2尾座设计.133.2.1尾座结构设计.133.2.2尾座气缸相关计算.143.2.3尾座气缸的气动系统设计.153.3支撑滚轮架设计.153.3.1支撑滚轮架结构设计.153.3.2支撑滚轮气动强度校核.173.4焊枪支撑门架的设计.183.5焊枪摆动机构设计.213.5.1焊枪摆动机械结构设计.213.5.2焊枪摆动机构传动系统丝杠选择.223.5.3焊枪摆动机构轴承选型.223.6主轴的设计.233.6.1主轴内径d1计算.233.6.2主轴前端悬伸量a确定.253.6.3主轴跨距的确定.263.6.4轴的刚度计算.283.7卡盘设计.293.7.1卡盘结构设计.29III环纵缝焊机机床机械系统设计3.7.2卡盘相关计算.30第四章机床各执行电机选择.324.1主轴电机选择.324.1.1计算待焊管道的转动惯量.324.1.2主轴电机选择过程.334.1.3主轴电机联轴器选型.364.2变频调速部分.364.3行走驱动电机的选型.414.4焊枪摆动电机的选型.43第五章焊机机床传动系统设计.465.1带传动设计过程.46第六章总结与展望.506.1环总缝焊机机床设计总结.506.2环总缝焊机机床设的展望.50参考文献.52致谢.53声明.54IV环纵缝焊机机床机械系统设计第一章前言焊接是现代工业生产中不可缺少的先进制造技术，被广泛应用于机械、冶金、电力、电子、压力容器、汽车、船舶、建筑、航空航天和军事装备等产业部门。现代工业的新技术的发展离不开焊接技术，而焊接技术也会得到其他奥新技术的支1。持。在当今新技术革命的浪潮中，焊接技术越来越受到各行各业的密切关注焊接技术涉及的范围及其应用非常广泛。随着现代先进制造技术的发展，特别是我国改革开放以来，焊接工艺以及焊接设备的研究与应用都有了全新的发展面貌，这使我对焊机产生浓厚兴趣。虽然近年来大多数焊接装备均采用最先进的自动控制技术，如数字控制系统，基于PC机控制系统，智能化控制系统和网络控制系统等，但是为了突出我的专业方向，我将这次毕业设计的重点放在了焊机的总体结构以及机械系统设计方面。焊机总体结构以通用机床为基础，根据焊接工艺需要设计相关的辅助机械系统2、3。由于我对焊接的认识只是停留在日常见到的设备和技术上，这些表面上的认识对我的设计来说还远远不够。所以为了做好自己的毕业设计课题，在实际设计之前，我先在网上和图书馆藏里搜索了一些焊接技术和焊机的相关知识，对所设计焊机的种类和外部构造有了初步了解。在此基础上，又在指导老师的带领下参观了学校实验室内的相关焊机。听取了老师对环/纵缝焊机的深入讲解。通过查阅相关机械设计资料，本着提高自己的动手设计能力，综合掌握自己机械专业的知识的精神，我圆满的完成了这次毕业设计，虽然在这次设计的过程中困难比较大，并且出现了许多自己以往没遇到过的难题，不过在指导老师悉心的指导下一一克服。本次设计使我认识到自己在相关专业知识方面的匮乏，但是在这将近一学期的时间内，通过老师的督导使我在实践中提高了自己的专业知识水平。1环纵缝焊机机床机械系统设计1.1我国焊机的整体发展水平世界现代焊接技术以高效、节能、优质及其工艺过程数字化、自动化、智能化控制为特征。在国内，无论是从目前焊接设备和材料产量构成比的发展趋势，还是从焊接设备和材料的制造技术以及发展方向上看，我国现代焊接技术已经有了很大的发展，部分产品技术已经达到或接近了国外先进水平。今后我国现代焊机技术将继续向着高效、节能、机电一体化和成套焊接设备以及规模生产方面发展。1.智能及自动、半自动焊接技术快速发展自动、半自动气体保护焊机、埋弧焊机、电阻焊机等产品，是实现优质、高效焊接工艺的必备条件，2000-2002年/MIG/MAG焊机产量，占总产量11%-13%，比上年增长26%-63%，埋弧焊产量增长107%-150%。通过模糊控制、神经网络、传感器、数据库（专家系统）、IC卡、数字化控制对焊接电流进行精细智能调节，把焊接“粗活”做细、做快等等，科研水平达到或接近国外先进水平，但在实际应用上，与国外的差距较大4、5。2.成套、抓用焊接设备整体制造能力与水平有较大提高近年来，由于用户更高的要求，我国成套、专用焊接设备不仅整体制造能力与水平有较大提高，发展出现较好的势头，还在基础件、配套件的选用方面下了功夫，并有许多新突破，通用产品部分已接近或达到国外的水平，但是特种焊接设备和重大装备的生产水平远不能满足国内用户的需求，进口额度有增无减，达到近3亿美元，与我国焊机年产总值相当。3.焊接材料生产水平迅速增长，产品结构变化大我国焊丝产量从1995-2000年的63万吨增至109万吨，其中，实芯焊丝从6万吨增至11万吨；埋弧焊丝从2.3万吨增至6万吨。可见，焊丝生产与焊条比较有较大幅度的增长，从而推动了半自动、自动焊方法的推广。尤其是大型或特大焊接结构厂，焊丝和自动化试用已达78%。2000年我国焊丝用量为109万吨，完成的焊接结构4950万吨，占钢材产量的35%，焊材产量与钢材产量之比为0.83%，大于世界发展中国家的比例（0.5%-0.8%）。2环纵缝焊机机床机械系统设计1.2焊接技术的发展趋势近代焊接技术是从1882年出现碳弧焊开始的，直到20世纪的30年代，在生产上还只是采用气焊和手工电弧焊等简单的焊接方法。由于焊接具有节省金属、生产率高、产品质量好和大大改善劳动条件等优点，所以在近半个世纪内得到了极为迅速的发展。20世纪40年代初期出现丁优质电焊条，使长期以来由于产品质量的问题让人们怀疑的焊接技术得到了一次历史性飞跃。20世纪40年代后期，由于埋弧焊和电阻焊的应用使焊接过程的机械化和自动化成为现实。20世纪50年代的电渣焊、各种气体保护焊、超声波焊，20世纪60年代的等离子弧焊、电子束焊、激光焊等先进焊接方法的不断涌现，使焊接技术达到了一个新的水平，使焊接技术进入了一个新的发展阶段68。随着科学技术的发展，焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段。现代工业的飞速发展，不断地对焊接技术提出更新更高的要求，传统的手工焊己经不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。伴随着电子技术、计算机技术、数控及机器人技术的发展，现代科学技术的新成就为焊接过程自动化和焊接专用设备的发展提供了十分雄厚的技术基础，焊接技术逐渐发展成为一项与新兴学科发展紧密相关的综合性先进工艺技术，焊接自动化技术也己经涉及到材料、机械、电子、信息、控制等多学科交叉领域。近年来，我国在半自动焊、专机设备以及自动焊接技术方面己取得了许多研究和应用成果，表明焊接过程自动化己成为焊接技术新的增长点之一9。从21世纪先进制造技术的发展要求看，焊接自动化生产也己经成为必然的趋势，是未来焊接技术发展的方向。3环纵缝焊机机床机械系统设计1.3本课题的内容、目的和研究意义1.3.1课题内容的简介随着自动焊接技术在工程机械生产中的广泛应用，由于待焊工件尺寸较大，迫切需要开发一套焊接监控系统以便焊接操作工人能够对焊接过程及焊后质量进行全程监控。环纵缝焊机机床是焊接视觉监视系统研究开发过程中所需要的一套重要实验设备。要求能够实现对管道环缝及纵缝的焊接操作。通过本课题的研究，力1012。争使学生掌握基本的设计方法和技巧，提高知识的综合运用的能力1.3.2课题研究的目的目前国内大多管材构件采用无缝钢管。无缝钢管具有较高的安全可靠性,但其生产工艺复杂,成本高，难以适应广大相关行业用户的需求。近年来,国外已研制出高质量的有缝钢管（也称焊接钢管）,并成功地应用于工业中,其性能指标完全达到工业使用要求。由于有缝钢管具有生产工艺简单,成本低、壁厚均匀、尺寸精度高以及具有较高的机械强度等优点,使之成为钢管工业发展方向之一。但是有缝钢管在使用前均需要进行焊接，其中包括单一管道的纵缝焊接，可利用自动直缝焊接机床来实现；双管道对接的环缝焊接，可利用环缝焊接机床来实现。以往这些工序都采用焊工手工焊接，无法保证焊缝具有均匀可靠的机械性能，焊缝外观不理想，往往还需进行其他工序（例如打磨、抛光），另外手工弧焊的劳动强度大，生产效率低，这些原因制约了有缝钢管的使用。在采用了相关缝焊机后可以有效地解决以上问题，但是由于普通焊接机床的功能单一性，在实际作业中，往往同时需要直缝焊接机床和环缝焊接机床，这样无形中就增加了成本以及每个工件的工序时间。综上所述，手工弧焊的这些缺点严重的制约着有缝钢管在工业生产中的发展。本课题研究希望于通过开发出一种环/纵缝通用焊接机床，可以通过改变焊接程序批量的焊接直缝工件以及环缝工件。为有缝钢管在工业中的发展提供更大的便利。4环纵缝焊机机床机械系统设计1.3.3课题研究的意义随着科学技术的发展，焊接装备制造业面临着更激烈的竞争。由此可以看出，焊接技术仍然严重制约着重型机械行业的产量、质量、成本和生产周期。结合我国国情，焊接装备制造业的发展方向应是努力提高焊接设备和工艺技术水平，平衡发展焊接相关技术，结合新产品开发及新项目立项，研究应用焊接新工艺、新设备、新材料和新技术，进一步提高焊接生产效率和质量，降低成本，缩小与工业发达国1314。家的差距，推动我国焊接技术的不断发展5环纵缝焊机机床机械系统设计第二章总体结构设计方案2.1整体结构与原理环/纵缝焊机机床是一种能完成各种环形工件（主要以管道为主）的环缝和纵缝焊接的通用机床，由于在本次设计中拟采用卧式环缝自动焊机为参考，其整体结构包括床身、主轴箱、卡盘、尾座、工件支撑机构、焊枪夹持机构、焊枪支撑总成以及焊枪行走小车等。其整体结构如图2.1所示图2.1焊接机床整体结构示意图1.床身采用卧式结构，相关部件可铸造而成也可由高强度焊件焊接而成；2.主轴动力采用交流变频电机驱动，配合相关变频器可得到较宽的调速范围；3.主轴端部安装有焊接夹具或三爪卡盘，用于装夹定位待焊工件；4.尾座可采用气动顶紧方式，端部由工件形式的不同选用不同的焊装夹具或活顶尖；尾座可在床身导轨上滑动，可调整尾座与主轴箱的距离以适应不同长度的工件；6环纵缝焊机机床机械系统设计5.焊枪机构可根据工件焊接位置的不同，沿导轨方向移动到相应位置。焊机机床的焊接过程是通过人工操作将待焊管道装卡在卡盘与尾座顶尖之间，如果所焊接的管道过长或是较重，还可以通过床身下面的气动支撑机构支撑管道。待焊工件装卡完成后，通过调节焊枪移动机构上的电机使焊枪到达相应位置开始焊接。2.2焊机机床机械系统设计要求在本次设计中各个部分的结构与尺寸需要根据任务书的要求来确定，并且对于相关的部件做出合理的优化。以下是所涉及的焊机机床的参数：焊枪纵向行程3000mm焊枪Z向行程100mm焊枪Z向手动调节范围100mm焊枪横向手动调节范围100mm卡盘转速110r/min焊枪纵向行走速度103000mm/min顶锥行程500mm支撑滚轮架可升起高度500mm可焊管径10100mm7环纵缝焊机机床机械系统设计第三章机床机械结构零部件分析及设计3.1床身部分设计根据焊枪纵向行程3000mm，尾座顶锥行程500mm，以及床头安装主轴箱的空间，可初步确定床身至少为4000mm。参照机床设计手册可确定床身宽度大概为500mm15。3.1.1床身结构的设计根据自己任务书的要求并且参照机床设计相关资料，利用SolidWorks对所设计床身建模如图3.1所示。由材料力学中所学的知识可知床身整体的受力分析可简化为简支梁的形式16，如图3.2所示图3.1机床床身图3.2床身受力简图8环纵缝焊机机床机械系统设计在SolidWorks中利用COSMOSXpress工具对床身进行受力分析如图3.3所示。1、材质选择灰铸铁并且应用17。2、约束面选择六个床腿的底面。3、载荷1选择床身左侧上表面（承受主轴箱重力的部分）；载荷2选择导轨面（承受尾座以及支撑滚轮机构的重力）。图3.3受力分析仿真过程9环纵缝焊机机床机械系统设计图3.4床身位移仿真结果从仿真的结果（图3.4）可以看出床身的位移主要集中在床腿之间部分，其最大位移大约在5.4621031.092102mm之间，而床身左端安装主轴箱的地方变形最大数值达到1.311102mm。在参考相关的材料力学的资料后对床身结构进行加固，提高其弯曲强度，比较合理的方法是在各个床腿之间加装腹板，如图3.5显示。图3.5优化后的床身结构10环纵缝焊机机床机械系统设计在优化后的基础上再次对床身进行受力分析仿真得出的结果如图3.6显示。从结果可以发现安装主轴箱部分的变形明显减小了，最大位移为4.262104mm，而各个床腿之间导轨的最大位移只有1.279103mm，可以满足机床设计的需要。图3.6优化后的床身仿真结果3.1.2床身导轨的设计在床身设计中考虑还要安装可在床身上移动的尾座，因而需要在床身上设计导轨，查阅机械设计手册有以下导轨形式表3.1导轨类型特点及应用导轨形式主要特点应用普通滑动导1、结构简单，使用维修方便普通机床、冶金设备轨（滑动导2、未形成完全液体摩擦是低速爬行上应用广泛轨）3、磨损大、寿命低、运动精度不稳定塑料导轨1、动导轨表面贴塑料软带等与铸铁或钢导轨搭配主要应用于中、大型（贴塑导轨）摩擦系数小，且动、静摩擦系数相近，抗磨损机床压强不大的导轨性好应用日趋广泛2、贴塑工艺简单3、刚度较低，耐热性差，容易蠕变11环纵缝焊机机床机械系统设计续表3.1导轨形式主要特点应用滚动导轨1、运动灵敏度高、低速平稳性好、定位精度高广泛应用于各类精密2、精度保持性好，磨损少，寿命长机床、数控机床纺织3、刚性和抗震性差结构复杂成本高，要求良好的机械的等防护动压导轨1、速度高形成液体摩擦主要应用于速度、精2、阻尼大，抗震性好度要求一般的机床主3、结构简单不需要复杂供油系统，使用维护方便运动导轨静压导轨1、摩擦系数很小，驱动力小各种大型重型机床、2、低速运动平稳性好精密机床、数控机床3、承载能力大，刚性、吸震性好的工作台4、需要一套液压装置，结构复杂，维护性差在焊机机床设计中由于所需导轨的精度要求不高可选用普通滑动导轨，导轨的截面形式有V形、T形、燕尾形、圆形等等。初选矩形截面导轨如图3.7左所示图3.7T形截面导轨和燕尾截面导轨在查阅了机床设计相关的资料后，考虑导轨的润滑、安装以及实际加工问题，结合实际大多数的机床床身导轨，在设计中将床身导轨设计为燕尾形的，如图3.7右所示。查阅机械设计手册可知道燕尾截面导轨的结构形式以及尺寸如图3.8所示图3.8燕尾形导轨结构尺寸12环纵缝焊机机床机械系统设计b为斜镶条小端厚度，滑座及镶条斜度K为1:50；1:100。镶条法向斜度垂直于55方向斜度K为1.82:50；0.82:100在设计中参考机床设计手册并且根据实际设计需要确定床身燕尾导轨的尺寸为H1=30mmB1=50mmB2=25mmA1=30mm183.2尾座设计3.2.1尾座结构设计根据设计任务书要求“顶锥行程500mm”，可知尾座长度至少为500mm，查阅机床设计手册取尾座气缸直径=80mm，按设计需要将尾座高度定位600mm,利用SolidWorks软件设计尾座如图3.9所示，图3.9尾座示意图表3.2名称简图特点利用压缩空气使活塞像两个方向运普通气缸动，活塞行程可根据实际需要选定双向作用的礼盒速度不同在尾座气缸设计中，由于气缸横向放置，考虑实际情况，气缸采用双作用气缸19。13环纵缝焊机机床机械系统设计3.2.2尾座气缸相关计算在SolidWorks中对尾座的各个部分进行建模并且将各个零部件装配如图3.10所示图3.10尾座装配示意图在尾座气缸设计中参考流体传动与控制基础第九、十章节，可取气缸内径为d1=60mm，气缸杆直径为d2=40mm，设计气压为0.15MPa。流体计算中压力与压强的关系为P=FS式中P为流体压强S为作用面积F为作用于面积为S上的压力则尾座顶锥在伸出的行程中的输出力为F=PS1=P14d2=0.15106114（6010-3）2=423.9N尾座顶锥在回程中的输出力为F=PS2=P14（d2-d2）=0.151061214（6010-3）2-（4010-3）2=235.5N从计算结果可知满足实际需要。14环纵缝焊机机床机械系统设计3.2.3尾座气缸的气动系统设计参考流体传动与控制基础中各种控制系统回路设计尾座气动系统如图3.11所示图3.11尾座气动系统1-气源2-气源调节装置3-三位五通换向阀204-单向节流阀5-压力表6-双作用气缸3.3支撑滚轮架设计3.3.1支撑滚轮架结构设计在设计任务书中要求“支撑滚轮架可升起高度500mm”。由于在尾座的设计中采用了气动回路，为了减少能源以及提高整体的维护性，在支撑滚轮架的设计中也采用气动式。按照一般设计方法，根据支撑滚轮升起高度500mm，则所需气缸的长度至少为500mm。由于设计的床身高度为500mm。这样，在布置安装支撑滚轮架结构的时候就有冲突。为了解决问题，自己查阅大量资料，认为采用气缸与滑轮配合可以实现利用较短的气缸实现较大的行程，而且使整个支撑滚轮架的结构变小了，其工作原理示意图如图3.12。其工作原理：15环纵缝焊机机床机械系统设计滑轮安装在滑架A上并且与气缸杆连接在一起，气缸杆升降带动滑轮与滑架A升降，而绳索的一端固定，另一端与滑架B连接，由滑轮的物理知识可知滑架A每升（降）一个单位行程时滑架B将会升(降)两个单位行程图3.12气缸与滑轮配合工作原理示意图在支撑滚轮架的设计中由于其工作时候是竖直方向，在选用气缸时候采用单作用气缸，这样气缸的回程可靠支撑滚轮架的重力来复位表3.3名称简图特点压缩空气只能是活塞向一个方向运活塞式气缸动，借助外力或是重力复位利用SolidWorks对各个部分建模，包括气缸、汽缸盖、活塞、密封环、活塞杆、滑轮各个滑架以及支撑结构。然后进行装配如图3.13所示。A、B、C分别显示的是支撑滚轮在缩回状态和工作时的状态16环纵缝焊机机床机械系统设计图3.13支撑滚轮架工作示意图3.3.2支撑滚轮气动强度校核在设计中气缸内径为d3=40mm，活塞杆杆直径为d4=20mm，由于气源与尾座气缸气源公用，则气压为0.15MPa。气缸在升起过程中的作用力F=PS3=P14d2=0.15106314（4010-3）2=188.4N在实际工作过程中，假设所焊接的管道质量为30Kg，其重力为300N全部作用于支撑滚轮上，在设计中由于一个支撑滚轮架采用两个气缸支撑，所以支撑滚轮架的起升力F=2188.4=376.8N300N。综上所述，支撑滚轮的气缸设计满足支撑需求在气缸的设计中，活塞杆的密封形式有以下几种方式17环纵缝焊机机床机械系统设计表3.4活塞杆和活塞的密封形式示意简图说明密封形式活塞杆密封活塞密封O形密封圈密封可靠，结构简单，摩擦阻力小。装配后O形圈内径应比活塞杆直径小0.10.35mmJ形密密封可靠，使用长，封圈摩擦阻力较O形圈大密封可靠，使用长，Y形密封圈摩擦阻力较O形圈大。右图用带凸台的压环，可防止Y形圈翻转使用压力高，可达V形10Mpa，可用于增压气密封缸圈结合表3.4，活塞杆和活塞的密封形式选择O形密封圈，其密封可靠，摩擦阻力小，结构简单，安装方便，可维护性较好。3.4焊枪支撑门架的设计根据设计要求并且参照学校实验室的焊接机床结构，焊枪行走小车的支撑门架设计如图3.14所示，18环纵缝焊机机床机械系统设计图3.14行走小车支撑门架简图假设行走小车总质量为30Kg,根据材料力学相关知识可知当小车在门架中间位置时候，门架横梁的弯曲变形最大，在SolidWorks中，利用COSMOSXpress工具对门架进行受力仿真分析，其结果如图3.15所示，显而易见，横梁中间位置的变形达到1.21010-2mm。图3.15小车支撑门架受力仿真19环纵缝焊机机床机械系统设计在参观了学校实验室的焊接机床，回去后对自己所设计的门架进行结构改变，在门架腿之间增加了支架，如图3.16所示，这样可以大大提高门架横梁的弯曲刚度。考虑到门架整体较高，其稳定性较差，在门架腿侧面适当的增加肋板，以提高门架在前后方向上的稳定性，如图3.16所示图3.16结构优化后的小车支撑门架在对支撑门架的结构进行合理的优化后，再次对其进行受力仿真分析，约束条件与载荷等均与前一次仿真一样，运行COSMOSXpress工具后结果如图3.17所示，很容易发现，对整体结构优化后，横梁中间位置的变形只有8.98110-4mm，远远小于优化前的位移量。图3.17小车支撑架优化后仿真结果20环纵缝焊机机床机械系统设计3.5焊枪摆动机构设计3.5.1焊枪摆动机械结构设计参考自动焊机的相关资料自己设计一种焊枪摆动机构如图3.18所示，该机构由两个步进电机分别带动焊枪在水平方向和竖直方向上移动，传动副采用丝杠螺母传动。图3.18焊枪摆动机构装配图工作原理为：在水平方向上由步进电机带动丝杠转动，通过丝杠螺母副将电机的旋转运动变为螺母的直线运动，使焊枪在水平方向上来回移动；在竖直方向上由步进电机带动丝杠转动，通过丝杠螺母副将电机的旋转运动变为螺母的直线运动，使焊枪在竖直方向上来回移动。在设计中，步进电机通过联轴器将转矩传递给丝杠，然后经过丝杠螺母副将丝杠的旋转运动变为滑块的直线运动。21环纵缝焊机机床机械系统设计根据实际需要，焊枪的位置往往还需要通过手动进行微调，因而在滑块的设计时还要考虑手动调节的方式。图3.19焊枪移动机构简图3.5.2焊枪摆动机构传动系统丝杠选择在本系统设计中，丝杠螺母及滑块配合使用，其中丝杠通过联轴器与步进电机连接，带动滑块滑动，根据步进电机的选择以及丝杠受力情况，初步确定横向调节丝杠的直径为20mm，长度为200mm，工作的长度为150mm；高度调节丝杠的直径为20mm，长度为200mm，工作的长度为150mm；参考自动焊接中类似焊枪摆动设计，各调节丝杠的导程均选择5mm。3.5.3焊枪摆动机构轴承选型在本设计中，焊枪摆动机构的旋转部分转速要求不高，而且丝杠不承受径向力，根据经验设计，丝杠所用轴承均选用深沟球轴承22环纵缝焊机机床机械系统设计深沟球轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承有专业化工厂生产，选购维修方便，在各种机床上被广泛采用。与滑动轴承相比，深沟球轴承的噪声大，滚动体的数目有限，刚度是变化的，抗震性略差。深沟球轴承只能承受径向载荷，轴向载荷则由配套的推力轴承承受。此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和刚度要求不太高的地方。图3.20深沟球轴承外形尺寸及其安装尺寸图根据丝杠直径为=20mm，参考机械设计手册，确定丝杠所用轴承代号为61804。3.6主轴的设计3.6.1主轴内径d1计算主轴内孔径与机床类型有关，主要用来通过棒料、镗杆、拉杆或顶尖等细长工件。确定内孔径原则是在保证主轴强度和刚度的前提下为减轻主轴重量，应取最大值。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量就越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴23环纵缝焊机机床机械系统设计相等；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。K空主轴本身刚度K正比于抗弯断面惯性矩IkId空空1=1()4kID实实1由式子可知取孔径的直径极限d1max为d1max0.7D1此时若孔径再大，刚度急剧下降根据推荐值d1D1=0.60.65并且参考相关机床设计手册可以选取d1D1=0.6d1=55mm则主轴外径为90mm，参考机械设计手册图3.21图3.21轴肩尺寸依据可计算得主轴上固定主轴支撑轴承的轴肩尺寸为a=(0.07-0.1)d=0.07590=6.75mm。24环纵缝焊机机床机械系统设计3.6.2主轴前端悬伸量a确定主轴悬伸量指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离，它主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸，前支撑轴承配置和密封等。因此主要由结构设计确定。图3.22主轴支撑简图悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，故应尽量取小值。a=K6EI(1+1)K32K1E-材料的弹性模量I-轴惯性距K1-前刚度值K1-后刚度值初选a值可参考下表确定表3.5车床和主轴类型a1/D1精密车床、自动车床用滚动轴承支承，适用0.61.5高精度和普通精度要求中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸1.252.5不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支承适用于绝大部分普通生产要求计算得悬伸量为80mm25环纵缝焊机机床机械系统设计3.6.3主轴跨距的确定主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素，目的是找出在待焊工件作用下，主轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距。根据相关资料，动态作用下最优跨距很接近于推得最优值，因此设计时尽量达到最优值。首先需要确定主轴支撑部分所用轴承，在设计中参考机床设计手册，在主轴支撑部分选用角接触球轴承，这种轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。常用的接触角主要有两种：=25，=15，其中=25的编号为7000AC型（旧代号为46100型），属于特轻型；或编号为7190AC型（旧代号为46900型），属于超轻型。=15的编号为7000C型（旧代号为36100型），属于特轻型；或编号为7190C型；或编号为7190C型（旧代号为1036900型），属于超轻型。如图3.23所示图3.23角接触球轴承角接触球轴承多用于高速主轴，随接触角的不同，其应用有所区别，=25的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴；=15的转速可更高一些，但是轴向刚度较低，常用于轴向载荷较小、转速较高的磨床主轴或不承受载荷的车、镗、铣主轴后轴承。在焊接机床的主轴设计部分，根据焊接工艺可知主轴在焊接过程中承受的轴向力较小，易选用接触角=1526环纵缝焊机机床机械系统设计的角接触球轴承，根据主轴主轴外径d=90mm选用角接触球轴承代号为7018C，这种轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的方法图3.2470000C系列角接触球轴承尺寸示意图查阅资料可知7018C角接触球轴承的额定载荷和极限转速如表3.6表3.6基本额定极限转速7018C动载荷（Cr/kN）静载荷（Cor/kN）脂润滑油润滑71.569.840005300前端角接触球轴承的刚度（主要为轴向刚度）aba=332.4Nmk=3.4433Fdz2sin5其中：Fa=Fae+Fa0=15Z=20db=19.05由表3.4可得7018C的额定动载荷Cr=71.5kN取Fae=c/10=7150N参考机床设计手册确定主轴跨距为300mm27环纵缝焊机机床机械系统设计图3.25主轴综上所述，利用SolidWorks对所设计的主轴建模如图3.25所示3.6.4轴的刚度计算如果主轴前后轴承由数段组成，则当量直径dd=d1l1+d2l2l+dnl1n式中d1l1d2l2dnln分别为各段的直径和长度（）；L为总长，l=l1+l2+ln如果前后轴承的直径相差不大，也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d。主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不记，后悬伸部分不影响刚度，也可不计算。如主轴前端作用一外载荷F如下图3.26图3.26主轴组件受力模型28环纵缝焊机机床机械系统设计FalFal22则挠度：=(mm)=103s3EI3El式中F外载荷（N）；(F按1000N计算)a前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（mm）；l跨距，等于前后支承的距离（mm）；E弹性模量，钢的E=2105MPa；I截面惯性距,I=0.05(D4-d4)mm4；11主轴的外径和孔径D1=90mmd1=55mm又因为d1/D1=0.6，孔的影响可以忽略由此可得主轴刚度满足要求21。3.7卡盘设计3.7.1卡盘结构设计由于焊机机床焊接的大多数是管道类工件，为保证管道在焊接前安装以及焊接后拆卸方便，一般采用三爪卡盘。参照车床卡盘如图3.27图3.27车床用三爪卡盘29环纵缝焊机机床机械系统设计自己到图书馆查阅相关资料，利用SolidWorks软件画出卡盘的相关零部件。如图3.28所示图3.28卡盘零部件在SolidWorks中将卡盘相关零部件装配成一体，如图3.29所示图3.29卡盘装配图3.7.2卡盘相关计算由于在设计中卡盘和主轴之间采用过渡盘连接，过渡盘靠六个均匀分布在卡盘边缘的螺栓连接来传递扭矩。初设计连接螺栓直径为12mm。在设计中过渡盘与卡盘的连接螺栓到主轴中心的距离为r=150mm，在设计中，中轴传递的最大扭矩为M=500N.m，30环纵缝焊机机床机械系统设计经过计算，则每个连接螺栓承受的剪切力F=16Mr=16500150103=555.56N利用机械设计手册软件版中的螺栓连接校核，选择受横向载荷的紧螺栓连接校核如图所示3.30图3.30螺栓校核从校核结果可以发现选择M12螺栓连接满足强度要求31环纵缝焊机机床机械系统设计第四章机床各执行电机选择4.1主轴电机选择4.1.1计算待焊管道的转动惯量因为所焊接的管道为圆筒形，查机械设计手册可知管道的转动惯量计算方法如图4.1所示图4.1管道转动惯量计算在设计中拟焊接的最大管道直径为100mm,其内径为92mm，长度为3m，查相关资料（五金手册）可知钢管(包括无缝钢管及焊接钢管)的质量（kgm）计算公式为m=0.02466S(DS)式中，D为外径，s为壁厚则外径100mm，壁厚4mm的钢管，求得每米质量m=0.024664(100-4)kg=9.469kg，所以长3m的管道大概质量为9.4693=28.4kg32环纵缝焊机机床机械系统设计所以求得转动惯量为Jy=m2(R2+r)=28.42(0.05*0.05+0.046)=0.6887kg.m2102管道旋转的转矩T=Jy=0.688760=0.7212N.m4.1.2主轴电机选择过程与一般用途电机一样，焊接机床的主轴电机要满足驱动的基本要求，即：电机的输出功率、转速、转矩等应与机械负载相匹配。另外还要考虑使用环境,应用场合、工作制和使用电源,如电压、电流、频率等。在此设计中合理的确定电机功率，使焊机机床