波纹管自动焊接机机械系统的设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 34 页 共 34 页1 引言 随着我国国民经济的高速发展,对各种液体、气体输送管道的需求大量增加。金属波纹管因其具有诸多的优点从而取代U型管并得到了广泛的应用。根据具体使用情况，焊接工艺提出了实现波纹金属波纹管具有在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下均能产生相应位移的特点，并具有耐压、真空密封、耐腐蚀、温度稳定和使用寿命长等性能。因此，它在许多工业领域中得到越来越多的广泛应用。波纹管作为密封隔离元件在阀门中的应用。在各种波纹管阀门中，无论是截止阀、节流阀、调节阀还是减压阀等阀门，波纹管都是作为阀杆的无填料密封隔离元件。在阀门工作过程中，波纹管与阀杆一起进行轴向位移和复位。同时它还承受流体的压力并保证密封。与填料密封阀门相比，波纹管阀门具有更高的可靠性和使用寿命。因此波纹管阀门在核工业、石油、化工、医药及航空航天等工业领域得到了广泛的应用。在实际应用中，波纹管经常与其他元器件如法兰、接管和阀杆等焊为一体，组成波纹管类组件。焊接成为波纹管类组件生产中不可缺少的一道重要工序。随着科研和生产的发展，对波纹管焊接工装及设备提出了新的要求。根据这些要求，需要研制新的波纹管焊接设备。波纹管自动焊接机主要.由送丝机构、驱动机构、焊枪定位机构等部分组成。波纹管自动焊接机具有以下两个特点：(1)波纹管自动焊接机能够自动跟踪焊接缝隙运动,走出不同曲率半径的线。(2)焊接完成后,系统中的自动探伤仪自动进行焊缝探伤检测,当发现有焊接缺陷时,能及时进行补焊。因此,波纹管的生产质量和生产速度成为当前人们关注的问题,就此许多人都致力研制开发一种波纹管在线检测智能控制自动焊接系统。目前对于管道弧面焊接广泛采用的人工焊接方法，其焊接质量与操作人员技术有着直接的关系，并且工作环境恶劣，劳动强度大，效率低。针对这一问题，设计一套自动焊接机，应用于波纹管的焊接，能够提高焊接质量和焊接效率。1.1 焊缝跟踪传感器的发展传感器是焊缝自动跟踪系统的关键部分。其作用是精确检测出焊缝的位置和形状信息并转化为电信号。控制系统则对信号进行处理，并根据检测结果，控制自动调节机构调整焊枪位置，实现焊缝自动跟踪。跟踪传感器从原理上来分有多种形式。其中比较重要的有接触式传感器、电磁传感器、直接式的电弧传感器和间接式的光电传感器。CCD图像传感器具有解析度和信噪比高，动态范围广，耗电量低，线性特性曲线良好，不易受强电磁场影响等优点，越来越多的研究人员将CCD作为视觉信息提取的主要传感器，以辅助或代替人类完成诸如空间站装配、海洋工程建设以及核设备维修等超出人类极限的焊接环境下的焊接工作。英国Selex传感器和机载系统公司将开发地面目标主动成像技术(GBAIT)监视装置这种装置利用爆发照明激光成像技术来识别地面目标。GBAIT使用不伤眼的激光搜索目标然后用“隐蔽光线”照亮远距离目标采用特殊的摄像机探测从目标反射回的光以看清目标。目前该技术已经用于远距离机载目标的识别GBAIT具有使地面部队明显增强目标识别能力的潜力即使在夜间和恶劣环境下识别远距离目标的能力也会大大增强.。随着计算机技术的不断发展，机器人应用领域的不断扩展、深化及在系统的群体运用，焊接机器人也在不断向智能化方向发展。模糊控制、人工神经网络控制和智能控制等不断应用到焊接机器人系统中。目前采用的控制算法可以分为经典控制算法和现代智能控制算法。视觉传感器所能获得的信息量大；同时，随着计算机技术和图像处理技术的迅速发展，大大提高了焊接系统的外部适应能力。特别是CCD传感器因其可靠的性能、清晰直观的图像和良好的使用效果而得到了普遍的重视。 由于焊缝跟踪受到弧光辐射、高温飞溅、加工误差、工件热变形等因素的影响，这就要求焊接自动跟踪系统必须实时检测焊缝偏差，及时调整焊接路径和焊接参数，保证焊接质量。焊缝自动跟踪由传感器、调节器、执行机构三大部分组成。并构成一个闭环反馈系统，可以实习这一要求。焊缝自动跟踪系统是一定程度上的智能系统，研究这样的智能系统，其关键在于需要解决三个方面的问题： 自动跟踪传感器。研究最佳的传感方式，使系统具有最强的实时眭。控制器方面。设计功能强、成本低的控制器硬件，研究最合理有效的协调各自由度运动控制的原理与方法。 执行机构方面。需要研究出最为合理的自由度配置形式及结构实现，以保证机构最为轻便、运动灵活。1.2 焊接机的自动控制过程及相关的重要设备工艺原理简介如下，自动控制主要完成纵向进给和上下进给2个方向的运动控制。其中纵向进给分别在助焊剂处、预热处、焊锡处延时完成涂助焊剂、预热及上锡处理；上下进给完成电路板浸入焊锡液中、延时停留、上升脱离锡液等动作。整个设计使系统有2种工作方式：自动工作方式和手动工作方式。 1）焊机轨道焊机轨道位置的准确性和焊机与轨道的相对稳定性是影响焊接质量的重要因素。安装造成的误差和长时间的磨损都会使焊机与轨道间的配合出现问题，在现场就曾发生同一焊机完成的多条焊道的同一部位上出现相同缺陷，经有经验的现场技术指导检查，发现该机头上用于连接机头和轨道的螺丝松动，从而造成机头向管斜下方向运行时，在自重的作用下改变了与焊口的距离。 2）钢管对接焊焊机完成对接焊道焊接的焊机是机组的关键设备。在上述8台机组中，共涉及到3类焊机： 内焊机由安装在内对口器上的数把焊枪组成(国外有装8把或12把焊枪的内焊机)。对口和焊接准备完成后，即进行焊接，在施焊时管端应采取挡风措施。施焊半圈(61 016 mm，半圈长度约为1600mm)所用时间为4045 s；施焊1圈(61016mm，1圈长度约为3200mm)所用时间约为15 min。由于是从管内施焊，所以内焊缝表面成型较好 ，由于现场的内焊机是与尺寸不能调整的内对口器合为一体，所以只能应用于单一的管径。据外方人员讲，国外有些品牌的内焊机可用于不同管径钢管的对口焊接。 全自动外焊机这种外焊机有两把单体焊枪。每把焊枪施焊半圈所用时间为4 min左右，由于第2把焊枪要等第1把焊枪焊完14圈左右时再引弧开焊，所以施焊1圈所用时间为6min左右。外焊缝表面成型比内焊缝成型用时多。另外，在完成对口焊接后还需要搬装焊接棚，安装调试焊枪轨道和安装焊枪，也要占用一定的时间。1.3 膨胀波纹管在国内领域的应用举例以下介绍了膨胀波纹管在钻井领域的应用情况，俄罗斯膨胀波纹管技术在我国L7-71井、T3-8斜216井T2-5-283井3口井的堵漏试验情况,并指出其存在可靠性低、施工工期偏长、成本偏高和工序复杂的缺点。而国内自行研究的膨胀波纹管技术在韦15-19井和T6182井2口井进行了现场试验并获得了成功,标志着我国在该技术领域获得破。分析认为,膨胀波纹管技术要得到推广应用需要解决几方面的问题:准确确定封堵类型和地层,简化施工工艺,提高扩眼及膨胀工具的可靠性,降低膨胀管成本,制订相应的应急预案。膨胀波纹管主要用于钻井过程中在不减小井眼尺寸的情况下封堵各种复杂地层,对损坏套管或废弃射孔段进行补贴修复,也可作为各种井筒封隔器以及延长技术套管长度等,其优点是在不减小原井眼尺寸的情况下处理井下复杂情况,最大特点是膨胀工艺相对简单,作业周期短。膨胀波纹管技术被认为是21世纪石油钻采行业的核心技术之一。国内外都在研究膨胀波纹管技术,国外以俄罗斯鞑靼斯坦石油科学研究院为代表,国内主要是中国石化石油勘探开发研究院和中国石油勘探开发研究院为代表。俄罗斯膨胀波纹管技术在我国吐哈油田、胜利油田试验了3口井;国内自行研制的膨胀波纹管技术在2口井进行了堵漏试验并获得了成功。笔者详细介绍了国内外膨胀波纹管技术现场试验情况,分析了该技术目前存在的主要问题,对波纹管技术的发展提出了自己的认识。2 设计过程和原理分析2.1 本论文研究的主要内容本课题要解决的问题是要对波纹管自动焊接机的机械系统和控制系统进行整体结构设计。1进行相关资料的收集、调研和需求分析，明确卧式波纹管自动焊接机机械系统及控制系统的功能和性能要求，确定其总体设计方案，并进行必要的方案论证。2对波纹管自动焊接机机械系统设计中各部件的结构进行详细设计，要对送丝机构、驱动机构、焊枪定位机构等波纹管自动焊接机的组成部分进行合理的设计。并进行必要的强度和刚度校核和验算；完成控制系统的原理图设计和元器件的选型。3运用高端CAD软件（UG）完成卧式波纹管自动焊接机机械系统及控制系统的零部件三维造型及装配造型，并生成二维工程图。2.2 技术要求1波纹管直径：1000毫米5000毫米。2钢管壁厚：10毫米20毫米。3焊丝直径：2毫米。4焊接方式：亚弧焊。5焊接速度：300毫米/分钟。6焊缝距离：200毫米600毫米。2.3自动焊接机的结构分析2.3.1 机械传动部分的功能分析 在对自动焊接机进行设计之前，必须先做出可行的设计方案，技术功能矩阵是提供可行性方案设计的一种方法，如表2-1所示。表2-1自动焊接机技术功能矩阵123A焊枪运动电机齿轮传动丝杆传动凸轮传动B送丝机构蜗杆传动齿轮传动滚轮传动C升降功能伺服电机步进电机D信息功能有检测传感器无检测传感器E控制功能单片机PLC工控机从表中可以看出，系统的机构在理论上可以有很多种技术方案，根据系统的目的和要求，希望设计出的的机构能够达到体积小，质量轻，系统响应迅速，自动控制机构的运动与焊接参数进行实时检测等要求，通过分析比较可选的理想方案为：A1+B3+C1+D1+E2A1电机齿轮传动:满足体积小，自锁性能好的要求；B3滚轮传动：结构简单，利于拆卸与维护；C1伺服电机：控制方便，体积小，力矩大；D1有检测传感器：跟踪方便，反馈及时；E2 PLC：抗干扰能力强，扩展方便。2.3.2自动焊接机的工作原理波纹管自动焊接机主要由爬行机构、夹紧机构、送丝机构、升降机构和控制系统等部分组成。爬行机构采用齿轮减速电机驱动，拖动焊接机构沿管壁匀速运动；夹紧机构采用弹簧装置使夹钳带动外摩擦轮预紧在管壁上，以确保焊接机构在摩擦力的作用下平稳的沿管壁圆弧运动；送丝机构采用双滚轮结构实现焊丝的均匀进给，以满足焊接过程对焊丝的消耗；焊枪定位机构采用丝杠机构自动调节，以满足不同焊接位置与不同焊缝的要求，两个导向杆保证送丝机构在丝杆螺母的带动下平稳的实现升降定位。通过上面这几个机构和系统的配合运作，能够使波纹管自动焊接机稳定的达到焊接的目的。2.4 总体机构方案设计2.4.1 总体机构方案要求与原则结构总体设计的任务是将原理方案设计机构化，即把一维或二维的原理方案图转化为三维的可制造的形体过程，也可以说是从为了完成总系统功能而进行的初步总体布置开始到最佳装配图（机构设计）的最终完善及审核通过为止。明确、简单、安全可靠是机构总体设计阶段必须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、降低成本及保障和环境的安全，所以，在整个设计阶段应将这三项基本原则贯彻到底。2.4.2 总体布局一个机械系统是由若干个子系统按照总共能的要求相互匹配而组成的。总体布局设计就是确定机械系统中各个子系统之间的相对位置及相对运动关系，并使总系统具有一个协调完善的造型。机械系统的总体布局设计使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-机关系对环境的适应性、系统对外界环境的影响（即环境系统和运行管理系统）等诸因素，如系统的性能、操作、观察、调整、控制、防护等都对总体布局产生一定的影响。总体布局设计一般是先布置执行系统，即总系统的主功能载体系统，然后再布置传动系统、动力系统、操纵系统及支撑等，从粗到细，从简到繁，反复多次，最终确定出较理想的方案。经过UG产品设计得到以下产品效果图如图2-2所示： 图2-2 波纹管自动焊接机3 主要部件组成自动焊接机的主要组成部件包括：驱动机构，夹紧机构，送丝机构，升降机构，辅助支撑。（1）驱动机构：驱动电机，联轴器，传动轴，爬行摩擦轮，管壁接触轮。（2）夹紧机构：夹紧机构安装板，夹钳，外摩擦轮。（3）送丝机构：送丝步进电机，U型轮，主动轮轴，从动轮，从动轮轴，调整块。（4）升降机构：丝杠，步进电机，导向杆，丝杆螺母。（5）辅助支撑：辅助支撑件，外摩擦轮。4 驱动机构4.1 功能简介驱动机构是整个焊接机构沿着波纹管运动的动力来源，其中动力的输出采用的是齿轮减速电机。在齿轮减速电机将动力输出后再通过传动轴将动力传到爬行摩擦轮上，让驱动轮运动起来，传动轮再在需要焊接的波纹管的内壁来驱动整个焊接机构。如以下图4-1所示： 图4-1 圆周驱动机构齿轮减速电机输出轴和传动轴是通过联轴器来连接的，联轴器与传动轴，电机输出轴的连接都是通过键连接的。为了使爬行机构能够与波纹管接触面积小，因此管上沿接触轮做成一弧面接触。能有效的使爬行机构卡在波纹管中，类似火车轮轨的结构，同时能够防止机器侧倾。为了使机器能够更加平稳的工作，在爬行机构安装板上再固定辅助支撑，摩擦轮紧贴波纹管内壁，有效的防止其侧倾。4.2电动机的选择在现代工业中，为了实现生产过程自动化的要求，机电传动不仅包括拖动生产机械的电动机，而且包括控制电动机的一整套系统，也就是说，现代机电传动是由各种控制元件组成的自动控制系统紧密的联系在一起的。从现代化生产的要求出发，机电传动控制系统所要完成的任务，从广义上讲，就是要使生产机械设备生产线、车间、甚至整个工厂都实现自动化。从狭义上说，则专指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品数量的增加、质量的提高、生产成本的降低、工人劳动条件的改善以及能量的合理利用。随着生产工艺的发展，对机电传动控制系统提出了愈来愈高的要求。例如，一些精密机床要求加工精度达百分之几毫米，甚至几微米，重型镗床为保证加工精度和控制粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求在很宽的范围内调速；轧钢车间的可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在不到一秒的时间内就完成从正转到反转的过程，即要求能迅速的启动、制动和反转；对于电梯和提升机则要求启动和制动。4.2.1电动机传动系统的组成（1）电动机的分类：主要分直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机又可分励磁直流电动机，永磁直流电动机。其中励磁直流电动机分为：他励电动机，串励电动机和复励电动机。交流电动机又可分为异步电动机和同步电动机。其中异步电动机分为：笼式电动机，绕线式电动机。同步电动机分为：普通同步电动机，无换向器电动机和磁组电动机。（2）电动机的外壳结构形式：开启式，防护式，防滴防溅式，封闭式，防爆式，密闭式六种。而封闭式又分为自然冷却式，管道通风式和自冷式。（3）电源装置：电动机电源装置分为机组交流装置及电力电子交流装置两大类。（4）电器传动控制系统：电器传动控制系统按所用器件分类：电器控制又称继电器控制，与母线供电配合使用。电机放大机和磁放大机控制，与机组供电装置配合使用，在3060年代盛行，随着电子技术的发展，已被淘汰。电子控制装置又分为电子管控制和半导体控制。（5）电气传动系统按工作原理分为：逻辑控制，通过电气控制装置控制电机启动，停止，正反转或有机调速，控制信号来自主令电器或可编程序控制器。连续速度控制，与机组或电子电力交流装置配合使用，连续改变电机转速。这类控制系统按控制系统原则分为开环控制，闭环控制和复合控制。按控制信号分为数字控制，模拟控制及数字模拟混合控制。直流电机调速一般都采用电压频率比控制，转差率控制及矢量控制。（6）齿轮减速器：这个减速器本来是和电机分开的，但是随着机械方面的发展，各式各样的机构不断的涌现出来，用到电机的方面更是多了起来，从而对电机需求大幅度增长。然而，各种机构所需要的电机都需要挑选各式各样的减速器来达到所要求的速度，电机和减速器之间比一定要配合的十分完美，从而在结构上对设计的机构造成了影响。于是，厂家在设计电机的时候，同样设计了齿轮减速器，给出了变速的范围，更重要的是这两者之间的配合完美，使人们设计出的机械在总体设计上更加优秀。齿轮减速电机的出现给人们的机械设计带来了不小的方便。4.2.2 成产机械的负载类型及生产机械和电动机工作制(1)生产机械的负载类型生产机械的负载转矩T1随转速n而变化的特性称为负载特性，通常分为以下三类：1）生产机械的负载转矩T1与转速n无关，在任何转速下，T1总保持恒定或大致恒定，这种负载称为恒转矩负载，他多数呈反抗性，即T1的极性随转速方向的改变而改变总是起反阻转矩作用，还有一种位势性转矩负载，T1的极性不随转速的方向改变而改变。2）某些负载，负载转矩与转速成正比形成恒功率负载。负载的恒功率性质是就一定的速度变化范围而言，当转速很低时，受机械强度限制，T1不可能无限增大，在低速区专为恒转矩性质。负载恒功率和恒转矩对传动方案的选择有很大影响。电动机在恒磁转速时，最大输出转矩不变恒转矩调速；而在弱磁调速时，最大输出转矩与转速成反比恒功率调速。如果电机的恒功率和恒转矩调速范围和负载的恒功率和恒转矩区一致，电动机及供电装置功率最小，但若负载恒功率区很宽，要继续维持上述关系，将要求特殊的宽弱磁调速范围电机，这给电机制造及控制带来了困难，成本反而增高，这是需要找一个折中的方案，适当增大电机功率，减小弱磁调速范围。（2）生产机械的工作制1）长期工作制生产机械长期恒速（或变化不大）运行，根据负载施加方式不同，分为三类：平稳负载：负载转矩长期不变或变化不大，这种机械对电气传动装置的要求简单，只有有足够的功率和启动转矩就行。波动或重复短时负载：负载施加，但大小波动或周期性重复施加。短时负载：施加负载时间短，在负载周期中占比例小。这类机械通常有较大的飞轮矩，施加负载时，速度降低，飞轮飞出的能量做功，电机功率可适当的减小。对电机传动装置要求有足够的启动和过载转矩，电机发热效率一般不成问题。2）短时和重复工作制：短期工作制，生产机械经长时间加减速一次，完成一个工作循环。重复短时工作，生产机械周期性的启停间隔较短。3）对应于生产机械的各种工作制，通常将电动机的工作类型分为四类：连续工作制；短期工作制；断续周期工作制（包括启动的断续周期工作制和电制动的断续周期工作制）；连续周期工作制（包括电制动的连续周期工作制和负载与转速相应的变化的连续周期工作制）。4.2.3 电动机类型的选择直流与交流电动机的选择：交流电动机结构简单，价格便宜，维护量小，但起动机调速性能不如直流电动机。因而在交流电动机能满足生产需要的场合都应采用交流电动机，仅在起制动和调速方面不能满足要求时，才考虑直流电动机。直流电动机的选择：需要较大启动转矩和恒功率调速的机械，用直流串励电动机。注意要按生产机械的恒转矩和恒功率调速范围，合理选择电动机的基速及弱磁倍数。4.2.4 电动机的功率计算电动机的功率计算一般由机械设计部门选定，按负载预先选定一台电机然后校验：发热校验，根据生产机械的工作制及负载图，按等效电流法或平均损耗法进行设计。有些生产机械负载图不易确定，可通过试验实测或对比等方法验证。启动校验，设计启动时电源电压的降低，检验启动过程中最小转矩是否大于负载转矩，以保证电机顺利启动。过载能力校验，对于短时工作制，重复工作制和长期工作制，电动机需要校验电级最大过载转矩是否大于最大峰值转矩。电动机GD2 的校验，某些机械对电机的动态性能有特殊要求，许校验电机GD2 能满足要求。其他一些特殊校验。在本设计中，机器转速低，转矩小，必须选用减速器。因功率不大，因此选择一台齿轮减速电机即可。初选电动机时，首先可以根据机械工程手册67.117计算出所需电动机的功率P，再从电动机产品本中选择JC值与此机构工作类似相当的、额定功率与此相近的电机。p= 式中：机构总效率 V为运动速度ms W沿运动v方向的运动阻力kgf其中W可按照下列经验公式确定：式中：运动部分总重量tf 阻力系数，用滚动轴承时w=1012kgftf；用滑动轴承时w=25kgftf所以w取10由于单孔内环缝焊接机工作环境没在户外所以=0所以：W= 整个系统的总重量不大于60千克所以总重量为60千克所以：W=60（10+70.17）=672P=6720.17（1020.8）=1.4kw所需电动机转速的计算：利用公式：=2rn其中：速度300mmmin n电机转速r取100mm取n=3radmin 根据上述计算结果选择电机为宁波某减速机厂生产的YYCJ8030型减速机，外形及外观尺寸如下图4-2所示：图4-2 YYCJ8030型减速机机型表 4-1电机参数型号极数功率电压频率电流超动转距额定转距额定转速电容PWVHzAmN.m(g.cm)mN.m(g.cm)r/minF/VAcYYCJ80-2542511050/600.52108(1100)190(1930)1200/15008/250YYCJ80-25425220500.26108(1100)190(1930)12002/450YYCJ80-3043011050/600.66134(1366)235(2395)1200/150010/250YYCJ80-30430220500.32134(1366)235(2395)12002.5/4504.3 联轴器的设计 在驱动机构联轴器要采用刚性连接，可以考虑采用套筒联轴器。在套筒联轴器的一端有径向的孔，用来装螺钉起定位轴的作用。如下图4-3所示： 图 4-3 套筒联轴器4.4 传动轴的设计:传动轴与连轴器的连接为键连接。通过键传导力给驱动轮，从而使传动轮转动起来，传动轮通过摩擦再在需要焊接的波纹管的内壁来启动整个焊机机构运动。常用的轴是圆截面阶梯形状。设计中主要考虑的问题：轴的结构，轴的强度及刚度。1） 轴结构设计原则：（1） 轴上零件布置使轴受力合理。（2） 轴上零件定位可靠，拆装方便（3） 采用各种减小应力集中和提高疲劳强度的措施（4） 有良好的结构工艺性，便于加工制造保证精度。（5） 对于要求刚性大的轴，还应从结构上考虑减小轴的变形。2）轴的加工和装配工艺性 进行轴的结构设计时，除考虑前面的各种因素外，同时还应考虑便于轴的加工，测量和维修，通常还考虑一下几点：（1） 考虑加工工艺所必须的结构要素，（如中心孔，螺纹推刀槽，砂轮越程槽等）；（2） 合理确定轴与零件的配合性质，加工精度和表面粗糙度；（3） 配合直径一般应按GB/T 2822-1981圆整为标准值；（4） 确定各轴段的长度时，应尽量使结构紧凑，同时还应保证零件所需的滑动距离，拆装或调整所需空间，并注意转动零件不得与其他零件相撞。（5） 为了便于导向和擦伤配合面，轴的两端及有过盈配合的台阶处应制成倒角。（6） 为了减少刀具种类和提高劳动生产率，轴上的倒角、圆角、键槽应尽可能取相同的尺寸，避免或尽量减少不同尺寸的倒角、圆角、键槽数量。传动轴如下图4-3所示： 图4-3 传动轴4.5 对轴承材料的性能要求轴瓦和减磨层的材料统称为轴承材料。为了使滑动轴承有良好的运转性能，轴承材料应具备以下性能：1. 足够的强度，包括疲劳和抗压强度、冲击韧度以及足够飞硬度和塑性。2. 良好的减磨性、耐磨性、耐蚀性和抗胶合性。3. 良好的适应性，包括顺应性、嵌入性和磨合性。顺应性是指轴承材料依靠表层的弹塑性变形补偿对中误差和其他几何误差的能力。嵌入性时置轴承材料嵌藏污物和外来微粒以减轻刮伤或磨粒磨损轴颈的能力。磨合性是指轴承材料精短时期轻载运转后能减小表面的粗糙度，降低摩擦能力，温度和磨损的性能。4. 良好的导热性，热膨胀系数小。5. 良好的加工工艺性。6. 材料容易获得、价格比较低廉。 需要指出的是，上述性能需要有些能彼此兼顾，有些又相互矛盾。目前很难找到能够同时满足上述要求的材料，所以，在设计中一定要根据具体情况，针对其主要要求，取选用适宜的材料。4.6 润滑材料轴承常用的润滑拆料有润滑油、润滑脂、固体润滑剂和气体润滑剂。非金属轴承也可用水润滑剂。（1）润滑油 液体摩擦轴承几乎全部使用润滑油，且多为矿物油。在众多的物理、化学性能指标中，最重要的是粘度和油性。根据轴颈和轴的转速确定润滑油的黏性区。按照确定的粘性区和轴承的压强，擦出推荐的粘度；根据轴承径的圆周速度，工作温度，轴承压强等参数以及润滑方式。（2）润滑脂 润滑脂的主要性能指标是锥入度和滴点，根据轴承的压强；圆周速度和工作温度选用。（3）其他润滑材料 除润滑油，润滑脂外，还有其他润滑材料如：固体润滑剂常用的有石墨、二硫化钼、二硫化物等。当轴承的温度在高温或低速重载条件下工作，不应使用润滑油时，可将固体润滑剂调配到润滑脂或油中使用，也可涂敷或烧结在摩擦表面上，还可以将其渗入轴瓦材料中或成型镶嵌在轴承中使用。另外还有：水 主要用于橡胶轴承或增强酚醛塑料轴承的润滑液态金属 如汞、液态钠、钾等，主要用于宇航器中的某些轴承。气体 主要是空气，他适用于轻载、高速的轴承，制造工艺要求较高。4.7 传动轴上轴承的选择和校核根据传动轴的设计初步预选轴承型号为6004.由手册查出Cr，Cor值（GB/T276-1994） 6004轴承：Cr=72200N Cor=44500N计算=6004轴承：=0.028查表得出e的值：6004轴承：e=0.22计算比例值=0.2040.226004轴承：=0.20416000h因此选用6004深沟球轴承。根据轴的直径选择轴承的d=20mm，D=42mm。4.8 传动轴与联轴器键的校核4.8.1 键连接的类型选择在这里普通键就可以满足要求了，普通平键有三种类型：两端都有圆弧的A类型圆头平键，两端为平端的B类型方头平键和一端为圆弧一端为平端的C类型单圆头平键。其中A类型用于端铣刀加工的轴槽，键在槽中轴向固定良好，但槽在轴上引起的应力集中较大；B类型用于盘铣刀加工的轴槽，折哦的应力集中较小；余下的C类型就用于轴端。从上面可以看出，在这里键要用于轴端，因此选择A类型的键。4.8.2 键连接的尺寸选择键连接的截面尺寸（键宽b，键高h，轴槽深t及轮毂槽深t）根据轴的直径并依据有关国家标准进行选择。键的长度根据轮毂长度确定；键长通常略短于轮毂的长度，所选择的键长要符合国家标准规定的长度系列。通过查表，这里选择的键确定为5X5，长度为20的键。4.8.3 该键的强度的校核计算键连接的强度时，假设键与键槽侧面的压力均匀分布，并假设合力的作用点在轴的半径处，强度条件为： =在上面的式子中：T键连接传递的转矩，Nmm； d轴的直径，mm； l键的工作长度，mm；对于方头平键，键的工作长度等于键的长；对于圆头平键，由于键的圆头端不接触，所以键的端部不承载，键的工作长度等于键长度减去端部圆形头部的长度l=L-b；单圆头平键l=L-（公式中L为键长，b为键高）； K键与轮毂键槽的接触高度，mm，k=0.5h（公式中h为键的高度）； 许用挤压应力，MPa可以查表。由上面选择的齿轮减速电机可以知道： T=7.8Nm=7800Nmm代入公式： = =25MPa由此可知，该键可以使用。4.8.4 管壁轮轴的设计轴的材料是决定其承载能力的重要因素，制造轴的主要材料是碳素钢及合金钢。45号优质中碳钢是最常用的材料。Q235-A等普通碳素钢由于不重要的轴或受载较小的轴，合金钢具有较高的机械强度用于受载较大的结构尺寸受限制需提高轴颈耐磨性及处于高低温或腐蚀等条件下的轴。球墨铸铁和一些高强度铸铁易用于铸成外形复杂的轴。他们吸振性好，对应力集中的敏感度低。一般机器中的轴常用优质中碳钢制造，这类钢比合金钢廉价，对应力集中的敏感性较低，其中45号钢最为常用。为了提高材料的力学性能，通常进行调质或正火处理。轴的疲劳强度计算可以采用许用应力法或安全系数法。许用应力法可分为按许用切应力计算和按许用弯曲应力计算两种。按许用切应力法只需按轴所受的转矩来计算强度，方便简单，但计算精度低。通常用作轴颈的估算，轴颈设计公式： dCd轴的直径，mm；P轴所传递的功率，kW；n轴的转速，r/min;C与轴材料有关的系数。查机械设计表2-6，轴常用材料的C值。45号钢轴的C=118106.对于支承轴，取C=106，所传递的功率约为P=0.12kW，其转速n=v/=100r/min代入上式后计算可得： D106X=11.2mm上式求出的直径只宜作为承受转矩作用的轴端的最小轴颈，又因为轴上开有键槽，应增大轴颈来减弱槽对轴强度的影响。当直径小于100mm时，单键应增大轴径的5%-7%，双键应增大轴颈的10%-15%，考虑综合影响因素，初步估算轴颈的最小处为16mm。轴受到载荷后会产生弯曲和扭转变形，变形的大小与轴的刚度有关，如果刚度不足，变形过大，往往会带来不良的后果。因此，在此还要对轴进行刚度校核。次轴主要承受扭转力矩，因此需要进行扭转刚度的校核。轴的刚度校核计算通常是计算轴受载时的变形量，并控制其小于允许值。轴受到转矩作用时，其刚度条件为： =5.73X10式中： T轴所受的转矩，Nmm； G轴材料的切变模量，MPa，对于钢G=8.1x10MPa； I轴截面的极惯性矩，mm，对于圆轴I=； 许用扭转角，（。）/m，与轴的使用场合有关。 转矩可由它传递的功率和转速来确定，计算公式为： T=11.5N/m一般传动中轴的许用扭转角取为0.5-1 此处取0.5，根据以上公式可得： =5.73x10=0.20.5通过计算可知，轴径为16mm即满足强度要求也满足刚度要求。此轴上需要安装的零件有：管壁沿轮，套筒，轴承。装在轴上的各个零件，在轴向和周向均应有准确的定位，以保证其准确的工作位置，达到传递一定功率和保证轮传动的质量。轴上各段的长度和直径也要严格控制，基本上按下列要求来定。对于长度L，则主要考虑轴上零件的宽度，零件的拆装和定位，按零件的布局就可以确定出各轴段的长度。对于轴颈来说，则主要考虑轴上所安装的零件的大小，零件的拆装和定位，根据初估的直径就可以确定轴上各个轴段的直径。安装在轴上的各个零件，在轴向和周向均应有可靠的固定，以保证其准确的工作位置，以保证其准确的工作位置，达到传递一定功率和保证轮传动的质量。轴上各零件的周向定位，则主要考虑采用键连接，紧配合连接，紧定螺钉连接等这几种方法。轴向定位，则主要是轴肩、定位套筒、轴端压板、圆螺母、制动垫片和弹簧挡圈等。这些方法也有一定的要求：（1）轴肩 定位轴肩h=（0.070.1）d；非定位轴肩h=1.52mm；（2）轴环b=（11.5）h；定位轴肩适用于轴向力比较大的场合。（3）定位套筒这种方法适用与间隙配合，适用与零件之间尺寸较小的场合，不宜用在高速。轴端压板适用与高速大轴向力、有冲击经常拆卸的场合。（4）圆螺母和制动垫片适用与较大轴向力的轴端及不宜用定位套筒的场合。（5）弹簧挡圈除了以上几种方法，还可以采用紧定螺钉，它适用于较小的载荷。整个轴及其上零件相对箱体的定位，一般可通过轴承端盖调整和确定。为了便于轴上零件的拆装，应严格控制轴上各零件的拆装和轴的加工工艺性：（1） 轴端加工45度倒角；（2） 轴承安装处的定位轴肩高度应小于轴承内圈的高度；（3） 在阶梯轴上应使零件所经过轴段直径小于零件孔径，以防止配合面被拉伤；（4） 为便于轴的加工，阶梯数目应尽量少，相邻轴段直径差应尽量小，以减少应力集中；（5） 需磨削轴段应留有砂轮越程槽，需加工螺纹的轴段，应留有退刀槽，具体尺寸见手册。（6） 过渡圆角半径应尽量一样；（7） 键槽应布置在轴的同一母线上。 考虑轴上零件的装配，轴向定位以及其与轴的连接，定出管上沿轮轴段的直径和长度。4.8.5 管壁沿轮轴轴承的选择管上沿轮轴主要承受径向力，主要承受径向力的轴承有：深沟球轴承、调心球轴承、调心滚子轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承。其中，深沟球轴承摩擦因数小，允许极限转速高，价格低廉。所以，选用深沟球轴承作为滚轮。根据初步设定的滚轮直径选用深沟球轴承的型号为：6004.轴承的强度计算1）轴承参数查询由机械设计课程设计手册续表6-1得折哦从的性能参数为： Cr=72200N Cor=44500N 极限转速15000r/min(脂润滑)2）轴承当量动载荷计算当量静载荷计算公式为： F=f（XF+YF）式中， F-轴承承受的径向载荷； F-轴承承受的轴向载荷； X-径向载荷系数； Y-轴向载荷系数； f-载荷性质系数。本设计为轻微冲击，在轻微载荷性质中f=1.01.2，选取f=1.2。式中轴向载荷系数X、Y为： X=1，Y=0由于轴承只受径向力，所以 F=mg=6010=600N计算可得： F=1.2x1x1000=720N FC3)轴承当量静载荷计算 当量静载荷与实际载荷的关系是： F=XF+YF式中 X-静径向载荷系数； Y-静轴向载荷系数； F-径向载荷； F-轴向载荷。深沟球轴承成对使用时： X=0.6，Y=0.5计算结果 F F ， 应取F= F =39.7式中， C-基本额定静载荷； S-安全系数。因为F39.7，轴承动载荷和静载荷都适合，所以，选用深沟球轴承6004适合。5 夹紧机构为了使得焊接机能够平稳、安全的工作，夹紧机构是必不可少的机构。夹紧机构是固定整个焊接机的部件，通过夹紧机构才使焊接机平稳的在波纹管上移动不偏移。此机构是利用弹簧的压紧力，推动外摩擦轮，使得外摩擦轮紧贴在波纹管的外壁上，配合波纹管内壁的爬行轮，使得机构能够定位在波纹管上。安装机器的步骤如下：首先拉开夹钳，使外摩擦轮脱离波纹管外壁，使得管上沿接触轮卡在波纹管中，调整机器，使得爬行摩擦轮和辅助支撑的外摩擦轮同时顶住波纹管的内壁，防止其侧倾，然后松开夹钳，弹簧收缩，拉动夹钳，带动外摩擦轮紧贴波纹管。夹紧机构如下图5-1所示： 图5-1 夹紧机构6 送丝机构送丝机是融化极气体保护焊的基本设备，它的性能直接关系到焊接过程的稳定性及工艺质量。常规送丝机一般采用直流电机驱动方式，虽然大多引入了不同的调节措施，但抗干扰能力有限，低速运行状态的送丝速度仍不够稳定。不仅如此，由于受直流电机自身原理的限制，难以实现动态变速及变转向的脉动送丝。多年以来，国内外对机械式脉动送丝机的研究虽然颇有成效，但是由于整个送丝动作取决于机械结构的几何尺寸及形状，因此送丝动作参数调节不便，且因机械磨损耐用性也不高。步进电机制造技术的发展不仅为解决送丝机构稳定性问题开辟了新的途径，而且使以电控方式实现复杂的送丝程序动作成为可能。为了保证焊接质量。因而在此采用新型的送丝方式脉动送丝。所谓的脉动送丝，就是单位时间内汉斯的送进以“一停一送”“一快一慢”或“送进反抽”等脉动方式进行。驱动电机采用低速步进电机严格控制焊丝的速度。进丝机构如下图6-1所示： 图6-1 焊丝进给机构图6-1送丝机构采用但主动轮传动形式，在电机输出轴上直接装一U型滚轮，其与一平面滚轮相对运动实现进丝运动，既有利于简化送丝机构又有利于拆卸和维护。本送丝机构采用推丝送丝方式，送丝轮直接将送丝电机的动力传给焊丝，焊丝得到的送丝力越大，则送丝也就越平稳、可靠。为防止在送丝过程中，焊丝的直径太小而硬度不够，因此在焊枪上接一软管来帮助焊丝的进给。焊丝缠绕在一个木制转轮上，放在工作组件的中心位置，当焊接机开始工作时，可以自行解开绕线。在本设计中采用的焊丝的直径是2毫米，U型轮有深度为3毫米的凹弧，使得焊丝与U轮的接触为点接触。由于焊缝的高度不是固定的，为了能够使加工范围更加宽广，所以把送丝机构安装在丝杠螺母中，随丝杠的转动而上下移动，焊缝的高度是200毫米600毫米，因此整个送丝机构要在丝杠上上下移动，并且有两个导向杆保持移动的稳定性和可靠性。6.1 送丝电机的选择6.1.1 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累计误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。6.1.2步进电机的静态指标术语相数：产生不对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态。用n表示；或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四项八拍运行方式即A-AB-B-BC-CD-D-DA-A。步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360（转子齿数J*运行拍数）。以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360/（50*4）=1.8（俗称整步），八拍运行时步距角为=360/（50*8）=0.9（俗称半步）。定位转矩：电机在不同点状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定尺转子间的气隙有关，点过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。6.1.3 步进电机动态指标及术语：1、步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行的拍数其值不同，四拍运行时应在5%内，八拍运行时应在15%以内。2、失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。3、失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动。4、最大空载启动频率电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接启动的最大频率。5、最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。其他特性还有惯频特性、启动频率特性等