伸臂式焊接变位机设计--总体设计和旋转减速器设计

摘要焊接变位机运动系统的设计是焊接变位机方案设计的核心内容，而焊接变位机运动自由度的确定是其前提条件。焊接变位机的关键是对变位机进行最佳位置焊接所需要的运动自由度的设计，如平动或转动的设计。伸臂式焊接变位机是将工件回转，翻转，以便使工件上的焊缝置于水平和船形位置的机械装置。伸臂式焊接变位机是应用最广泛的一种焊接变位机，载重量一般不超过1吨。伸臂式焊接变位机的主体部分是翻转机构、回转机构、底座。本设计主要论述了焊接变位机械的组成，工作原理，重点讲述了其中的旋转减速机构的设计，旋转减速机构通过电机驱动，经过带传动，二级蜗杆蜗轮减速器的传动，起到减速和工作台的旋转运动的效果。包括了电机的选择，键的选择，轴承的选择等，还有带轮传动的计算，蜗轮蜗杆传动的计算，蜗杆轴的校核，轴承的校核等一系列设计计算。焊接变位机有利于实现最佳位置的焊接过程、提高工作效率、降低疲劳强度并达到良好的焊缝成型。关键词焊接变位机械；带传动；蜗轮蜗杆传动；减速器ABSTRACTTHEDESIGNOFTHEMOVINGSYSTEMOFTHEWELDINGPOSITIONERISTHECORECONTENTOFTHESCHEMEDESIGN,BUTTHESYSTEMDEPENDSONTHEMOVINGFREEDOMSCERTAINTYTHEKEYPARTOFTHEDESIGNOFTHEWELDINGPOSITIONERISTHEDESIGNOFTHEMOVINGFREEDOM,ACCORDINGTOTHEBESTWELDINGPOSITIONTHEMAINPARTSOFTHEWELDINGPOSITIONERINCLUDEOVERTURNINGMACHINERY,CIRCUMGYRATINGMACHINERYANDTHEBASETHEARMEXTENDINGWELDINGPOSIONERISUSEDMOSTWIDELY,THELOADISLESSTHANONETONTHEARMEXTENDINGWELDINGPOSITIONERISTHEMACHINEWHICHMAKESTHEWORKPIECECIRCUMGYRATEANDOVERTURNTOMAKETHEWELDINGLINEONTHEWORKPIECEPARKTHELEVELDIRECTIONANDCYMBATEPOSITIONTHEWELDINGPOSITIONERSMAKEUPANDOPERATINGPRINCIPLEMAKEUPOFTHEPAPER,WHICHDISSERATESTHEDESIGNOFTHETURNINGGEAROFTHEMACHINETHEBELTDRIVINGANDTWOSTAGEWORMWHEELRETARDERMAKETHETURNINGGEARREALIZETHEMANSANTICIPATINGSPEEDTHEUSEOFTHETECHOGENERATORWHICHWILLFEEDBACKTHEINSTANTSPEEDTOTHEGENERATORANDTHENTHECONTROLLERWILLADJUSTTHESPEEDMAKESSUREOFTHEHIGHWELDINGLINEQUALITYWELDINGPOSITIONERISINFAVOROFTHEWELDINGPROCESSTOACHIEVETHEBESTPOSSIBLEPOSITION,IMPROVINGEFFICIENCY,REDUCINGTHEFATIGUESTRENGTH,ANDFORMINGAGOODWELDKEYWORDSWELDINGPOSIONER,BELTDRIVE,WORMDRIVE,REDUCER目录摘要IABSTRACTII目录III前言1第1章绪论211课题研究现状及意义212焊接变位机械概述213论文主要研究内容4第2章带传动的设计621电动机的选择622带传动的设计计算6第3章旋转减速器设计1031传动比的分配1032二级蜗杆传动设计1033蜗杆轴的设计计算及校核1834轴承的选择及校核2335键的选择及校核28第4章焊接变位机的总体设计3141伸臂梁的设计计算3142底座和箱体的简单设计32结论33参考文献34致谢35附件136附件246前言随着现代工业的发展和焊接技术的不断进步，焊接作为一种金属连接的工艺方法。在金属结构生产中已基本取代了铆接连接工艺。许多传统的铸锻制品也有焊接制品或铸焊，锻焊制品所代替。焊接结构广泛用于是由于化工工业重型与矿山机械，起重与运输设备，汽车与船舶制造，航空航天技术，建筑结构与国防工业等领域中。许多产品，例如大型的超高压容器，除采用焊接工艺外，难以设想有更好的方法。在先进的工业国中，焊接产品的用钢量已达到总用钢量的43以上，为了制造如此庞大的焊接结构产品，需建立大量专门制造焊接结构的工厂，而其中焊接变位机则是满足其焊接工艺的重要基础。本次论文主要介绍05T伸臂式旋转焊接变位机的总体设计及其装配，重点介绍其中的回转机构的设计及其组装，由于作者水平有限，时间仓促，错误再所难免，还请读者朋友们批评指正。第1章绪论11课题研究现状及意义国外大型结构件的焊接一般应用机械手，从国内目前的工艺现状及设备投入情况，完全用焊接机器人代替手工焊接作业条件还不成熟。但是如果没有焊接变位机，对于复杂结构件内的一些立焊缝、仰焊缝等单纯靠人工调整至容易焊接的平焊或船焊位置是不可能的。工人无法按焊接工艺执行，焊接质量也无法保证。再者，工程机械大部分结构件很不规则，如装载机的前车架、挖掘机的大臂等类工件，焊缝复杂，外形大且重量较重，靠行车或其它吊装设备人工翻转，不仅频繁占用吊装设备，焊接效率低，而且现场操作不规范，存在一定的安全隐患。因此，近年来人工焊接变位机得到国内工程机械行业的广泛共识，都在加大这方面的投入。本次论文处于对大学四年所学的知识进行的一次综合性的梳理及应用，对学生的综合能力进行的一次较为实质性的锻炼。12焊接变位机械概述随着焊接产品在国防工业，船舶运输，机械化工中的广泛使用，对焊接产品的质量要求也越来越高，传统的手工定位已不能够满足其精度要求，焊接变位机械便应运产生使用，近几年并随着控制理论的成熟发展，将其运用到其机械当中，发挥了越来越大的作用。121焊接变位机械的结构及使用特点通常焊接变位机械可分为变位机、翻转机、滚轮架、升降机等四大类一、变位机是通过工作台的旋转和翻转运动，使工件所有焊缝处于最理想的位置进行焊接，使焊缝质量的提高有了可靠的保证，它是焊接各种轴类、盘类、筒体等回转体零件的理想设备，同时也可用来焊接机架、机座、机壳等非长形工件。选用变位机时应注意以下几点（1）应根据工件的质量、固定在工作台上的工件重心至台面的重心高度、重心偏心距来选用适当吨位的变位机。（2）要在变位机上焊接圆形焊缝时，应根据工件直径与焊接速度计算出工作台的回转速度；如变位机仅用于工件的变位，工作台的回转速度及倾翻速度应根据工件的几何尺寸及重量选择，对大型、重型工件速度应慢些。（3）工作台的倾翻速度一般是不能调节的，如在倾翻时要进行焊接工作，应对变位机提出特殊要求。（4）工作台应有联接焊接地线的位置，且不受工作台回转的影响。不允许将焊接地线接在变位机机架上，从而使焊接电流通过轴承的转动零件。（5）批量生产定型工件时，可选用具有程序控制性能的变位机。（6）变位机只能使工件回转、翻动，要使焊接过程自动化、机械化，还应考虑用相应的焊接操作机械。二、翻转机是将工件绕水平轴翻转，使之处于有利施焊位置的机械，适用于梁、柱、框架、椭圆容器等长形工件的装配焊接。焊接翻转机种类繁多，常见的有头架式、头尾架式、框架式、转环式、链条式及油压千斤顶式。（1）头尾架式翻转机这种翻转机由主动的头架及从动的尾架组成，它们之间的距离可根据所支撑的工件长度调节。当工作较重时应考虑将头尾架固定在基础上，防止倾倒。头尾架式翻转机的缺点是工件由两端支承，翻转时头架端要施加扭转力，因而不适用于刚性小，易挠曲的工件；另外，当设备安装不当，头尾架的两根枢轴不在同一轴线上时，工件会受到过大的扭转力矩使翻转困难，甚至造成工件扭坏或枢轴因发生超负荷而扭断。对于短工件可以不考虑两端支撑，可仅将工件固定在头架上进行反转，而不用尾架。（2）框架式翻转机用一根横梁连接在头尾架的枢轴上或工作台上，可构成框架式翻转机。工作时工件固定在横梁上有横梁带动工件一起翻转。为减小驱动力矩，应使横梁工件合成的纵向重心线尽可能与枢轴的轴线相重合。（3）转环式翻转机这类翻转机使用于长度和重量均较大，截面又多变化的工件翻转。（4）液压千斤顶式翻转机液压千斤顶式翻转机结构简单，载重量大，通常用于将工件作的翻转。9045三、滚轮架是借助焊件与主动滚轮间的摩擦力带动圆筒形焊件旋转的机械装置。主要应用于回转体工件的装配与焊接，其载重可从几十千克到千吨以上。按其结构形式可分为三大类1、自调式滚轮架2、长轴式焊接滚轮架。3、组合式焊接滚轮架。四、升降机是用来将工人及装备升降到所需的高度的装置，主要用于高大焊件的手工焊和半自动焊及装配作业。其主要结构形式有1、管结构肘臂式。2、管筒肘臂式。3、板结构肘臂式。4、立柱式。122焊接变位机械的工作原理焊接变位机械主要为焊接工艺提供合适的工作焊点，其具体的实现过程是回转机构由电动机拖动，电动机输出一定的转速，经过带轮一次减速后，然后经过二级蜗轮蜗杆减速器两次减速，最后由回转主轴，经过工作台输出焊件所需要的焊接速度，以期达到所需要的焊缝要求；倾斜机构主要实现工件在空间上的倾斜，本次论文所要研究的是倾斜机构空间四十五度范围内的倾斜，其具体的实现过程整个倾斜机构由电动机拖动，电动机输出一定的转速，经过带轮一次减速后，然后经过二级蜗轮蜗杆减速器两次减速，最后其输出轴与锥角四十五度的伸臂梁相连接，伸臂梁与回转机构相连从而实现工作台在空间上的四十五度倾斜。底座在整个机械工作过程中起到抗振，平衡的作用。13论文主要研究内容本次论文从整体上对焊接变位机械进行设计，它包括焊接机械当中的倾斜机构，回转机构，以及底座的总体设计，同时对机械当中的旋转减速机构进行了详细的设计描述包括电动机的选择，二级蜗轮蜗杆减速器的设计，带轮及其传动带的设计计算，箱体的设计等。第2章带传动的设计21电动机的选择根据设计需要，选择三相电动机Y8014，其相关数据如下额定转速MIN/1390RN额定功率KWP522带传动的设计计算第3章旋转减速器设计31传动比的分配由电动机经带轮传动后，输出功率为055KW，输出速度，MIN/69021RDN额故总传动比，初分高低速级传动比分配为，9587206出NI31581II确定高速级传动比，低速级传动比。31I32I32二级蜗杆传动设计321高速级蜗杆传动设计电动机输入功率为，电机转速，传动比为，输出KWP501MIN/1390RN30I转速设使用寿命为四年每年工作300D，每天工作8H，JC40。MIN/23/12RIN（1）选择传动的类型，精度等级和材料考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度8CGB100891988，其示意图见图31。图31高速级蜗杆传动示意图蜗杆用35CRMO，表面淬火，硬度为4550HRC；表面粗糙度16。蜗轮ARM选用20CR。（2）选用蜗杆蜗轮的齿数传动比30I参考资料2表1655，取，1Z3012IZ（3）确定许用应力（31）NVSHPZ由资料2表16514查得220N/，按图1652查得HP2M2/70MF，由图1653，采用浸油润滑，得。SMVS/5198VS轮齿应力循环次数（32）621035430160HLJNN查资料2图1654得，。81Z5NY（33）2/89MNHP（34）5907NF（4）接触强度设计（35）2125KTZDMHP式中载荷系数K12。蜗轮轴的转矩（36）MNNPT172350950212（式中暂取）。代入上式750FDA71N203122（3）求轴承的当量动载荷1P,（349）EFRA260781（350）RA32由资料1表1315分别查表和插值计算得径向载荷系数或轴承载荷系数。对于轴承B；51,401YX对于轴承E。2由资料1表136，取。8PF21PF（351）NFYXPAR361（352）FRP402221按照轴承B的受力大小及寿命进行校核（353）HPCNLK0601可知满足其寿命要求。342对高速级轴轴承进行校核根据资料2选单列圆锥滚子轴承的型号32006可知基本额定动载荷为；KNCR835基本额定静载荷为；R460内径为；MD30外径为；D5计算系数为。41YE将受力其简化为力学模型见图37。图37轴承受力力学模型（1）根据静力学公式可求得轴承处的水平及竖直方向的力NFBVA12768THA05其中FNETR3,216,83A，B处所受总的力大小为2BVHBFN167AA94（2）求两轴承的计算轴向力由派生的轴向力RFDFNYFRD6041271R892轴向受力分析如下图38。图38轴承轴向受力图NFNFDDAE24829360231可见A轴承压紧，B轴承放松。两轴承轴向力分别是DA601NFE2932（3）求轴承的当量动载荷1,P（354）EFRA36071（355）RA942由资料1表1315分别查表和插值计算得径向载荷系数或轴承载荷系数。对于轴承B；0,1YX对于轴承A。422由资料1表136，取。8PF21PF（356）NFYXPAR401（357）FRP36852221P按照轴承A的受力大小及寿命进行校核（358）HPCNLK306011可知满足其寿命要求。35键的选择及校核351大带轮处的键选择及校核根据资料3由带轮处的直径选择键，其型号GB10967990，相关尺寸630MTLHB536分别校核键的挤压强度和剪切强度（1）挤压强度根据公式（359）DKLMC/20式中输入转矩；MMN轴直径，；DD20键与轮毂的接触高度，；KMTHK52键的工作长度，。LBLL4240/6CMPAPAC35故其挤压强度满足强度要求。（2）剪切强度根据公式（360）LBD/20246MPAPA1281式中轴直径,；DMD20键的工作长度；L输入扭矩；MN键的宽度，。BMB6故其挤压强度满足强度要求。352低速级涡轮轴上的键选择及校核根据资料3由轴径选择键，其型号为GB10967990，其相关尺寸76142MTLHB9分别校核键的挤压强度和剪切强度（1）挤压强度根据公式（361）DKLMC/20式中输入转矩；MMN轴直径,；DD80键与轮毂的接触高度，；KMTHK5键的工作长度，。LBLL4（362）80/962CMPAPAC369故其挤压强度满足强度要求。（2）校核其剪切强度根据公式（363）LBDM/20541896PAPA23式中轴直径,；DMD80键的工作长度；L输入转矩；MN键的宽度，。BMB14故其挤压强度满足强度要求。第4章焊接变位机的总体设计41伸臂梁的设计计算整个回转机构的重量，载重，机身重，则KGM501KGM502。KGME10由工作情况可知，臂梁所承受的最大弯矩发生在当回转机构处于水平位置时，整个臂梁可视作悬臂梁，其力学模型简化如下图41图41伸臂梁力学模型则计算其相关力有，NFYX10,（41）LGMMAX（42）32DW（43）（44）GMGE（45）63AX102DLWM（46）351489L当时，ML850ML93104389253D这里取。MD10842底座和箱体的简单设计底座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗振性能；当同时用作滑道时，滑道部分还应具有足够的耐磨性。此外，对具体的机械，还应满足特殊的要求，并力求具有良好的工艺性。底座和箱体的结构尺寸和大小，决定于安装在它的内部或外部的零件和部件的形状和尺寸及其相互配置，受力与运动情况等。设计时应使所装的零件和部件便于装拆与操作。底座和箱体的一些结构和尺寸，如壁厚，凸缘宽度，肋板厚度等，对机座和箱体的工作能力，材料消耗，质量和成本，均有重大的影响。但是由于这些部位的形状不规则和应力的分布复杂性，基本上按照经验公式，经验数据，或比照现用的类似机件进行设计，而略去强度和刚度等的分析与校核。此次论文设计采用的机座和箱体的设计采用经验公式和比照的方法进行设计。结论本论文全面介绍了伸臂式焊接变位机械的综合设计，包括回转机构，倾斜机构及底座等几部分的设计计算，其中回转机构和倾斜机构的减速器均采用二级蜗轮蜗杆减速器，从而得到了较低而又平稳的工作转速，在回转机构中测速发电机的使用将其工作台的速度及时反馈到电动机的控制装置，进而调节电动机的转速以适应工作台的速度，将其稳定在某个范围内，保证其焊缝质量。参考文献1濮良贵,纪名刚机械设计第八版M北京高等教育出版社,20062机械设计手册新版3M北京机械工业出版社,20043朱龙根简明机械零件设计手册M北京机械工业出版社,19974周寿森焊接机构生产及装备M北京机械工业出版社,19995中国机械工程学会,焊接学会焊接手册M北京机械工业出版社,19926焦馥杰焊接结构分析基础M上海上海科学技术文献出版社,19917曾乐焊接工程学M北京新时代出版社,19868沈世瑶焊接方法及设备M北京机械工业出版社,19829上海船舶工业设计研究院,机械工业部第五设计研究院,北京船舶工程第五设计研究所焊接设备选用手册M北京机械工业出版社,198410美国焊接学会,韩鸿硕,张桂清焊接新技术M北京宇航出版社,198111薛迪目焊接概论M北京机械工业出版社,198712机械设计手册第二版M北京机械工业出版社,200413刘鸿文材料力学M北京高等教育出版社,200614张海根机电传动控制M北京高等教育出版社,200115陈于萍,周兆元互换性与测量技术基础M北京机械工业出版社,200716李庆芬,朱世范,陈其廉机电工程专业英语M哈尔滨哈尔滨工程大学出版社,200717DIMAROGONAS,ADMACHINEDESIGNMJOHNWILEYSONS,200018CROSS,NENGINEERINGDESIGNMETHODSMJOHNWILEYSONS,2000致谢本次论文是在终结大学四年学习的情况下进行的，力求对大学之所学能够来一次集中巩固及其创新利用。它涵盖面很广，涉及了机械的所有内容，是培养高级工程技术人才的一次综合训练。经过论文的选材，开题，构思，设计等一系列的训练，相信自己对设计有了进一步的认识，在计算能力，英文文献阅读翻译，查找相关信息等多种能力得到了一次深刻的锻炼，在整个过程中，可以说完成了工程师基本训练和逐步具有从事科学研究的工作能力，受益匪浅，相信对以后的学习工作会有很大帮助。论文是在刘琨明老师及其院里老师的悉心帮助，指导下完成的，在此给予衷心的感谢附件1外文资料翻译外文资料翻译1关于焊接在远程站点，这些组件的激光视觉传感器，数码变焦的摄像头，双眼立体摄影机，机器人控制器和TIG焊枪。播来监测焊缝的缺陷。然而，光致等离子的物理性能还没有引起足够的重视。例如，焊缝中光致等离子的不稳定频段是否和被加工工件的相同，焊缝中的光致等离子有怎样的组成和运动等等。实际上，所有这些基本问题不是很清楚。本文介绍了用高速摄像机和光学放射监视器对激光焊接中光致等离子的研究。2CO1材料及焊接工艺在这个研究中，实验材料是304不锈钢，厚度为2毫米。激光焊接是利用4KW快速轴流Q型激光实现的光致等离子体和熔池的图像是通过带有精密光学滤波器2CO的幻影V41高速相机拍摄到的。激光是通过一个特别的激光监控系统计算获得的。在整个激光焊接加工过程中氩被用来作为同轴保护气体。2结果和讨论在304不锈钢激光焊接过程中，典型的频谱由光致等离子体显示在图1中。2CO图1波长/NM这表明，光谱成分的范围大多是400700纳米氩。而较高强度的谱线波长都在400600纳米范围内。这些结果显示波动范围从400纳米到600纳米的光学发射信号的波动特性可用来描述波动光致等离子体。实验数据显示在这个变动范围的波长的相对强度的发射光的波动具有周期性，并且，已有的研究结果也表明他在一个不稳定的周期中波动。快速傅