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文档简介

1、两自由度焊接变位机设计与仿真摘要焊接变位机的目的是使焊接可以变得机械化和自动化,原理是通过改变焊接工件的位置使每一处的焊接都方便操作,达到减少时间、空间、人工成本的目的,从而达到更高的生产率,不仅可以降低工人的工作量,还能获得较高焊接质量,并且能够充分发挥各种焊接方法的效能。焊接变位机现在已经成为制造业中必不可少的设备之一,在焊接领域把它划分为焊接辅助机,其分类约有十余个系列、百余个品种,正在形成一个新兴行业。本论文设计的是能够承受60吨工件,可两个方向旋转的变位机。涉及到的内容主要为:1、焊接工作台的设计(包括回转系统、翻转系统);2、减速器的设计及零件的选择;3、传动齿轮的设计;4、各种轴

2、承的验证计算。主要是通过焊接变位器所承受的重量、体积和焊接所需的速度等参数来确定焊接变位机需要的合适电动机类型(主要是转速、额定功率、使用寿命),从而在此基础上计算齿轮传动相关数据、旋转或翻转支承的型号和其他所需零件的型号,然后对已选择的零件进行强度、使用寿命等参数的计算比较,从而确定齿轮、轴承类型,最后使用软件绘制所用的零件图、总图。关键词 焊接;变位机;传动机构;减速机;齿轮AbstractWelding positioner is to change the welding part of the space position to achieve mechanical, automat

3、ic welding of mechanical equipment. By welding variable bit machine can effectively shorten the auxiliary time of welding, so as to achieve higher productivity, not only can reduce workers workload, but also get high welding quality, and can give full play to the performance of various welding metho

4、ds. Welding positioner has now become one of the essential industry equipment manufacturing, dividing it to computer aided welding in the welding area, and the classification about more than 10 series, over a hundred varieties, is in the form of an emerging industry.This paper is designed to withsta

5、nd 60 tons of workpiece, can be rotated in two directions. The main content is about the welding time table rotating mechanism and the control of the turnover mechanism, the choice of motor, reducer design or selection, the design of the transmission gear, each axis and bearing, as well as check and

6、 so on.The specific process of the design is to determine the type of motor required for the equipment according to the predetermined load and the requirements of the welding speed, including: motor speed, rated power, weight, volume, etc.On the basis of the calculation of the gear transmission rela

7、ted data, the model of the rotary support andand other parts of the model, and strength of the selected parts, use life parameters calculation comparison and thus the determination of gear and bearing type, finally uses the software drawing of the parts of the map, the map.Keywords Welding Position

8、changing machine Drive mechanism Speed Reductor Gear Wheel I目录摘要IAbstractII1 绪论11.1研究创新焊接变位机的意义和目的11.2焊接变位机的国内外的概况11.2.1 焊接变位机的国内的发展概况11.2.2 焊接变位机的国外的发展概况21.3 本课题的研究方法和要解决的问题22 总体设计32.1设计依据32.2 设计的基本参数32.3 变位机的总体方案设计32.4 驱动系统方案42.4.1 工作台回转方案42.4.2 工作台翻转方案43 回转机构设计53.1 工作台回转机构53.2 选择回转工作台的电机53.3 减速器的

9、选择63.4 回转支承的选择73.4.1回转系统承载的总重量73.4.2计算回转支承的最大倾覆力矩83.4.3小齿轮1的参数(即与回转支承啮合的小齿轮)94 翻转机构设计124.1 工作台翻转机构124.2 选择翻转机构的电机124.3 蜗杆减速器134.3.1 蜗杆和蜗轮的设计134.3.2 蜗杆轴和蜗轮轴的设计164.4扇形齿轮传动设计164.5 翻转机构中轴的设计18 4.5.1 翻转轴的最小直径184.5.2 校核箱形梁的强度194.6 联轴器的选用计算194.6.1 减速器与减速器之间的联轴器194.6.2 减速器与齿轮轴之间的联轴器204.7 轴承的选用和校核205 电气控制部分2

10、26 三维建模和仿真236.1 零件建模236.2 整机装配246.3 伺服机构的设置266.4 机构仿真26结论28致谢29参考文献30321 绪论1.1研究创新焊接变位机的意义和目的 焊接变位机是一种焊接辅助设备。传统的焊接方式针对圆筒这样的圆形件产品只能采取一边对圆形件的手工滚动,一边还要移动自己的身体进行配合并焊接的加工方式。这样的焊接加工方式,给操作电焊的工人师傅带来了严重的体力负担,使他们精神和体力比较疲惫,这样一来难以保证焊接质量,【更多毕业设计,加QQ380615448】而且导致整个的生产效率比较低下,经济效益更难以实现提高。研制使用变位机,可以使工件360度自由匀速旋转,不需

11、要工人靠体力转动工件,这样可大幅提高工人的效率,确保焊道的质量,带来我们所期望的巨大的经济效益。在日常生产中所熟知的焊接,会常常碰到焊接变位以及怎么选择最合适的焊接位置,而且要保证焊接的质量达到要求以及焊道要达到美观的生产情形。针对这些情况,一般都是保全重要的焊接要求,并不能达到所期望的效果。但是,研制并应用变位机以后,我们可以通过它的工作台的回转以及翻转,让需加工部分的焊缝处于容易焊接的位置,这样便于工人操作并保证焊接质量和美观度,让客户满意并放心使用。焊接变位机可以与手工焊接配合使用,也可以与自动焊以及半自动焊相互配合使用。焊接变位机操作方便简单,使用范围比较广泛,而且其结构形式比较简单,

12、一目了然,可以避免工件存有夹渣、变形、焊缝裂纹、未焊透等一些缺陷的发生。在现代化的工业生产中,变位机已经逐渐成为一种不可替代的重要的加工设备。在当代机械迅猛发展的时代,机械产品越来越发挥重要的作用。但是一些机械产品的结构比较复杂,其关键部位的焊接质量要求比较高。选择使用合适的焊接变位机进行焊接,用以确保焊接质量,从而保证整个产品的机械性能,发挥产品所应该达到的效果,创造效益。焊接变位机在工业生产中的使用,必将给工业生产带来强大的动力,推动整个工业生产的进程。研究本课题对机械生产具有重大的意义。1.2焊接变位机的国内外的概况1.2.1焊接变位机国内的发展概况焊接变位机在我国焊接领域被规划为焊接辅

13、助设备,它已经逐渐发展成为制造业的一种不可替代的焊接辅机。焊接变位机近十年来在国内的机械行业得到了较大的发展和革新,受到了一致好评,被广泛应用。并且焊接变位机逐渐渗入到市场经济中去,不仅可以取代那些粗笨的大型设备,同时又迎合了国家的绿色环保、自动化、机械化的工业发展方向,所以在众多的自动焊接设备中逐渐成为了主流风向。现在,国内制造焊接变位机的厂家有很多,但大都没形成一定的规模,有待加强提高,以变位机为主打产品的企业还没有形成。到2000年的时候,国内已经开发的变位机产品有70多种规格了,比较适合工业生产的需求。1.2.2 焊接变位机国外的发展概况在国外市场,焊接变位机已经被逐步的纳入全球经济市

14、场的供应体系中去了,发达国家的焊接辅机已经发展了几十年之久,态势比较的稳定,但是因受生产成本的制约,一些世界比较著名的焊接设备公司为了增强自身竞争力,以及对产品的细分化更加精确,他们在发展中国家设立厂区,开发多智能化、多功能化的产品用来扩大市场。1.3 本课题的研究方法和要解决的问题本课题首先根据需求进行功能设计,对焊接变位机做功能分析,提出设计综合方案;其次进行机械结构设计,构想出机械的整体布局,运用Pro/E等软件着重对功能零部件进行三维设计;接着按照功能要求进行控制系统的设计;最后运用仿真软件实现运动仿真。 设计一种两自由度焊接变位机,达到改变焊件位置,使焊缝置于有利施焊位置,便于焊工施

15、焊的目的,主要围绕变位机回转机构及翻转机构进行设计,其中主要包括对电动机、齿轮、回转支承等的选型及工作台的力学计算和设计。变位机主要解决以下问题:第一,组焊件上的焊道可能会被遮挡、一次装夹不能完成全部焊接工作的问题;第二,各焊道不能全部达到船焊或其他容易施焊位置、焊缝质量得不到保证的问题;第三,焊接时操作高度过高或过低、不便于施焊的问题。 2 总体设计2.1设计依据在焊接一些焊缝位置复杂、变化大、短焊缝多的焊件时,工人施焊困难,焊缝质量得不到保证、工人劳动强度大、生产效率低,【定做毕业设计,加QQ380615448】两自由度焊接变位机是指可以在焊接工作台旋转的同时还可以使其翻转,实现所有需要焊

16、接的位置都能处在理想方便的位置,使得施焊方便、易行,提高焊缝质量。2.2 设计的基本参数设计的焊接变位机的基本参数见表2-1。表2-1 设计的基本参数表2-1设计的基本参数吨-2.3 变位机的总体方案设计对于焊接变位机的总体设计方案:首先确定变位机采取更为广泛使用的座式,它是依靠翻转轴将焊接的工作台和旋转或翻转设备固定在变位机的主体上的,使工作台以合适的焊接速度旋转时,翻转轴还可以在的范围内翻转,称为两自由度座式焊接变位机,其功能是有较好的稳定性,通常不需固定在某一地方,移动比较容易。焊接变位机总体简图如下图2-1所示。图2-1 变位机的总体简图1-工作台;2-机架;3-回转机构;4-翻转机构

17、;5-底座。2.4 2.4.1 根据实际情况可知焊接工作台在做回转运动时需要一个较大的、可调控的速度范围,设定可调控的速度范围为至,可以平稳的、匀速的改变速度的大小,并且可以正反两个方向旋转,还能够自锁。方法一:可以使用电动机作为变位驱动。电动机的承载能力强,容易实现检测维护维修,所以方便排查故障和隐患。电动机与减速器连接后,速度降低,再通过齿轮传动来使工作台进行回转,要求无级变速。方法二:使用全液压变位机作为变位驱动。利用全液压变位机的工作原理来驱动焊接工作台,掌控焊接工作台回转的速度大小和方向角度。本题目使用的是第一种方案,电动机的维护维修相对比较容易简单,方便排查故障并且所需要的花销也不

18、高。 2.4.2 在实际运用中要求焊接工作台的旋转或翻转速度要平稳、恒定,不能忽快忽慢,方向角度要准确,运动过程要灵活,反应快速,并且控制系统需要有多重的自锁功能。方法一:使用电动机、减速器作为动力驱动。电动机配合减速器对工作台进行控制,然后通过扇形齿轮带动工作台,从而达到改变工作台方向的目的,这也是目前应用最广泛的方法。方法二:使用全液压变位机作为动力驱动,因为全液压变位机中有液压缸,液压油缸可直接对工作台使力,从而达到改变工作台方向的目的,此种方案对全液压变位机的液压缸要求较高,但也是一种可行的方法。方法三:使用电动机、减速器作为动力驱动。电动机配合减速器对工作台进行控制,然后通过螺旋副使

19、工作台倾斜,这种方法理论是可行的,但应用性较弱。相对另外两种方案,第一种方案应用比较广泛,而且方便实用,成本也相对较低,故本课题采用第一种方案。3 回转机构设计3.1 工作台回转机构本文设定的焊接变位机承重为60吨,在实际应用中合理的焊速为至,回转的范围为。组成工作台回转机构的主要传动路线为:驱动电机-回转减速机-小齿轮1-回转支承-工作台。工作原理:首先驱动电动机和减速器的输入轴相连,然后减速器的输出轴和小齿轮1相连,接着小齿轮1和旋转或回转支承外圈的大齿轮啮合,从而使得固定在回转支承上的工作台进行回转运动。电动机和减速器的输入轴直接相连,这样就可以利用电动机的失电制动器使回转运动进行自锁和

20、制动。图3-1 回转机构传动简图1-工作台;2-回转支承;3-机架;4-减速机;5-电动机。3.2 首先需要计算、确定电动机的驱动功率。已经可以确定的条件:焊机的焊接速度:为2500;为250;回转转速:为 0.27;为0.027。因为减速器的效率为0.9,回转支承与小齿轮1的传动效率为0.97,所以回转系统总传动效率为0.873。由参考文献2,P127,计算见式(3.1)。 式(3.1)式中-电动机的功率,; -最大回转力矩,; -回转最大转速,。得为10.39。 当对工件进行自动焊接的时候,焊接线速度是不变的。焊缝的回转直径大小会随着工件的大小以及焊缝位置的改变而改变,因此要求工作台的回转

21、速度应当是无级调速的,从而使不同的工件、不同的焊接位置能获得相同的线速度,从而保证焊缝的质量要求。工作台的线速度在250-2500之间,速比为 1:10。工件在装夹之后,在不同的回转速度下,由于工件重心的偏心距而产生的回转扭矩是相同的,故需要保证电动机输出的是恒扭矩。目前,能输出恒扭矩、无级调速的电动机有三种:1. Y系列普通异步交流电机。Y系列普通异步交流电机的特点是实现1:10的恒扭矩调速,另外功率扭矩性差,故不宜采用。2.直流电机。直流电机调速发展比较早,启动和制动效果很好,可以大范围的平滑调速,主要的缺点是体积很大,功耗也很大,因此成本较高,对电网的要求也很高,现在已经被其他慢慢代替。

22、3.交流变频电机。交流变频电机相对于其它的变频电机调速系统效率要高,原因在于它的特点是调速是转差功率不变,性能良好,使用率正逐步提高。经过衡量,最终选取交流变频电机,它在调速时可以满足效率高,调速范围大,运行稳定的特点。利用交流变频电机在基频以下属于“恒转矩调速”的特点,将电机功率调低,达到输出转速速比为1:10,输出扭矩为恒扭矩的要求。1,:表3-1回转机构的电动机的参数总传动比计算见式(3.2)。 式(3.2)i-传动比;-输入转速,;-输出转速,;已知,代入式(3.2),得i为2778。3.3 减速器的选择 在焊接件变位机的回转系统中,需要一个减速器,其要达到,这个减速器还要具备传动效率

23、高,精度高,承载能力大,能够满足安装要求的特性。能实现上述要求的减速器有三种:1.2.3.查参考文献1,选减速器,其主要尺寸如下表3-2所示: 表3-2回转机构减速器的参数 输出结果:P=9.9;将i=450,=750代入式(3.2),得减速器输出转=1.7。3.4 回转支承的选择参照相关样品的选型计算,选择单排四点接触球式回转支承。标准中的单排四点接触球式回转支承,具有回转中心大,支承面积大的优点。其由两个座圈组成,结构紧凑、重量轻,钢球与圆弧轨道四点接触,能同时承受轴向力、径向力、倾覆力矩。外圈齿轮与小齿轮啮合,内圈与钢梁连接。动力从齿轮副传入,带动工作台回转,选取的回转支承型号为。查参考

24、文献1,其主要的参数如表3-3:表3-3回转支承各参数 3.4.1回转系统承载的总重量 假设工件直径为3000,则其体积就是7.6923,; ;则为;综合重量为,则为。3.4.2 计算回转支承的最大倾覆力矩图3-2 偏心距和重心距示意图 1-工作台;2-回转支承;3-扇形齿轮;4-机架;5-底座。 已知:为 ,允许最大偏心距为500,为,为。变位机的回转支承受力状态如上图3-2所示,在工件及其夹具的综合重量作用下,回转支承的倾覆力矩,是由绕轴的弯矩和绕轴的弯矩合成的。见图3-3。则A点截面所受的弯矩计算见式(3.3)。 式(3.3) 式中-回转支承的倾覆力矩,; -绕X轴的弯矩,; -绕Y轴的

25、弯矩,。、计算见式(3.4)、式(3.5)。 式(3.4) 式(3.5) 式中-综合重心在X方向上的投影量,; -综合重心在Y方向上的投影量,。 由式(3.4)和式(3.5) 知,是,其大小不是固定值。现需要求其最大值,以便校核。令:。 对上式进行偏导并令偏导为零,计算出,也就。 ; 。 可知上式是关于三角函数的代数式,由于三角函数的周期性,上式结果为多个解。结合已知条件,解如下: 图3-3 回转支承倾覆力矩图,。最大值出现在时, 代入求得:为。 3.4.3 小齿轮1的参数(即与回转支承啮合的小齿轮)小齿轮1材料用,渗碳淬火,选精度等级为9级。该齿轮与回转支承的外齿轮互相啮合,其模数与回转支承

26、外齿轮的模数相同。小齿轮1的参数详见表3-4。表3-4小齿轮1的参数计算内容计算结果齿数取传动比分度圆直径齿宽这里只校核其强度。经过减速器减速后,回转支承之间的传动比计算见式(3.6): 式(3.6)式中-总传动比,为2778; -减速机传动比;为450; -回转支承传动比。计算得为6.2。 下面对小齿轮1进行强度校核:小齿轮1传递的转矩计算见式(3.7)。 式(3.7)式中-齿轮传递的转矩,; -输入功率,即减速器的输出功率,9.9; -小齿轮1转速,减速器的输出转速,1.7。求得为。查参考文献1,P224,图12.17(e),。小齿轮1圆周速度计算见式(3.8)。 式(3.8)式中-小齿轮

27、1圆周速度,; -分度圆直径,。将为360,为1.7代入式(3.8),求得。查参考文献1,P215表12.9,使用系数=1.0。查参考文献1,图12.9,动载系数=1.01。计算齿间载荷分配系数:先求齿轮圆周力,见式(3.9)。 式(3.9)式中-齿轮圆周力,。将为,为360代入式(3.9),得。将=1.0,代入得式(3.10) 式(3.10)由参考文献1,P216表12.10,齿间载荷分配系数为1.7。由参考文献1,P218表12.11,齿向载荷分布系数。载荷系数计算见式(3.11)。 式(3.11)求得。由参考文献1,P221表12.12,弹性系数。由参考文献1,图12.16,节点区域系数

28、。由参考文献1,图12.18,接触寿命系数。许用接触应力计算见式(3.12)。 式(3.12) 式中-许用接触应力,; -齿轮的疲劳极限为; -接触寿命系数,为1.5; -接触最小安全系数,取1.01。求得。验算见式(3.13)。 式(3.13) 求得,合格。4 翻转机构设计4.1 工作台翻转机构焊接变位机翻转机构的受力见下图4-1.其传动路线大致为:驱动电机-减速机构-翻转齿轮-翻转轴-工作台。在传动系统中,由摆针轮式电动机减速器输入动力,通过一带制动轮联轴器与第二级蜗杆减速器输入轴连接,将动力传给减速比为30的蜗杆减速器。减速器输出轴通过齿式联轴器与齿轮轴相连接,通过齿轮的传动,最终将动力

29、传给与回转支承梁连接的扇形齿轮,从而实现工作台的翻转。图4-1 倾斜机构传动简图在该传动系统中,翻转齿轮传动采用两边同时传动,能够保证翻转过程中整个机构的稳定性。在翻转齿轮上设有限位块以及行程开关,使得工作台能准确停在需要的位置并且实现自锁。4.2 选择翻转机构的电机、时,(如图4-2,计算见式(4.1))。 式(4.1)式中-最大倾斜力矩,; -综合重力,; -X方向上的距离,; -Y方向上的距离,。 为661,e为500,G为,计算得为 : ,由于,蜗杆, ,。图4-2 倾斜力矩图 由参考文献2,P127,将为,为0.3代入式(3.7)计算功率,得为29.3。 的电动机,总体体积小,能够满

30、足要求。查参考文献1,选用。其主要数据如下表4-1:表4-1倾斜机构的电动机参数将为1500,即为0.3代入式(3.2),得总传动比为5000。不计损失功率,。4.3 蜗杆减速器在一个减速器的减速后,输出的转速还是比较大,所以需要再加一个减速器。要求这个减速器体积小、传动比大,还要能够实现自锁,设计一个蜗杆减速器来满足以上要求。采用一级圆柱蜗杆传动,见图4-3,输入功率,传动比为30,输出转速。4.3.1 蜗杆和蜗轮的设计蜗杆材料选用,调质处理,。蜗轮材料采用离心铸造。设计如下:图4-3 蜗杆减速器图 1.初选的值。设查参考文献1,表13.6,取为0.06,为3.3。在参考文献1,P270图1

31、3.11的I=30线上选择后得为0.43,为0.43,为0.65。 2.中心距计算。将为30,为0.65,为2代入式(3.7),得蜗轮转矩为。查参考文献1,表12.9,使用系数。转速系数计算见式(4.2)。 式(4.2)式中-转速系数。代入为2,得。查参考文献1,P260,表13.2,弹性系数为,寿命系数。由参考文献1,P271图13.12 I 线查出,接触系数。查参考文献1,表13.7,接触疲劳极限。接触疲劳最小安全系数取1。中心距计算见式(4.3)。 式(4.3)代入各参数值,求得中心距为289.7,取为315。3. 传动基本尺寸。由参考文献1,P270图13.11,取蜗杆头数为1,蜗轮齿

32、数为30。模数计算见式(4.4)。 式(4.4)将为315,为30代入式(4.4),求得为14,717.9,取为16。查参考文献1,表13.4的标准值,取为140,则为480。蜗杆导程角计算见式(4.5)。 式(4.5)将为1,为16,为140代入式(4.5),得为6.52。蜗杆宽度计算见式(4.6)。 式(4.6)将为16,为140代入式(4.6),得为120。将为140,为60代入式(3.8),求蜗杆圆周速度为0.44。相对滑动速度计算见式(4.7)。 式(4.7)得为0.442。查参考文献1,表13.6,当量摩擦系数为3.3。4. 齿面接触疲劳强度校核。许用接触应力计算见式(4.8)。

33、式(4.8)将,代入式(4.8),得。最大应力计算见式(4.9)。 式(4.9)将为,接触系数,为代入式(4.9),得为735.9,小于,合格。5. 轮齿弯曲疲劳强度校核。由参考文献1,表13.2查出,齿根弯曲疲劳极限为377,弯曲疲劳最小安全系数为1.1,计算许用弯曲疲劳应力式(4.10)。 式(4.10)得为342.7。轮齿最大弯曲应力计算见式(4.11)。 式(4.11)将,为,为120,为16,为480代入式(4.11),得为202,小于,合格。6. 蜗杆轴挠度验算。轴惯性矩计算见式(4.12)。 式(4.12) 将为140代入式(4.12),得为。允许蜗杆挠度计算见式(4.13)。

34、式(4.13)将为16代入式(4.13),得为0.064。蜗杆轴挠度计算见式(4.14)。 式(4.14)将为,为20,为6.52为3.3,为480,为,为代入 式(4.14),得为0.053,小于,合格。7. 润滑油黏度和润滑方法。 由参考文献1,表13.7可知,能够采用浸油润滑,。输出数据:,。4.3.2 蜗杆轴和蜗轮轴的设计蜗杆轴和蜗轮轴材料均选用。下面来计算蜗杆轴和蜗轮轴的最小直径。1.蜗杆轴的最小直径 : 按许用切应力计算见式(4.15)。 式(4.15)式中-蜗杆轴的直径,; -与材料有关的系数; -轴传递的功率,; -轴的转速,。已知,,由参考文献3,表16.2查得,得为80.9

35、6,取。2.蜗轮轴的最小直径 : 按许用切应力计算,根据式(4.15): 已知,。得为219.75取。4.4扇形齿轮传动设计翻转的角度在以内,用扇形齿轮能够满足传动要求并且减少了不必要的重量和体积。大齿轮和小齿轮选9级精度,小齿轮材料选择,齿面淬火,硬度为,大齿轮齿轮选择,齿面淬火,硬度为。设计成一开式标准直齿圆柱齿轮传动,输入功率为,转速为,传动比为。计算步骤如下:1. 按齿面接触疲劳强度计算。将为,为代入式(3.7),得为。查参考文献1,P222表12.13,齿宽系数取。由参考文献1,P223图12.17d,按MQ级,接触疲劳极限为1200,为1150。许用接触应力计算见式(4.16)。

36、式(4.16) 求得为1080,为1035。由参考文献1,P227表12.16,取。计算小齿轮直径见式(4.17)。 式(4.17)将,为,为6.7,为1150代入式(4.17),得为357.7,取为360。则齿宽为360。2. 校核计算。将为360为代入式(3.8),得圆周速度为0.0419。取模数为16,求得齿数为24,为160。查参考文献1,P215表12.9,为1;查图12.9,为1.03;查P216表12.10,为1.7;查P218表12.11,为2.43。将参数代入式(3.11),得载荷系数为4.355。由参考文献1,P221表12.12,弹性系数为188.9。由参考文献1,表12

37、.14,接触最小安全系数为1.05。由参考文献1,图12.18,接触寿命系数为1.5。将上述参数代入式(3.12),求得许用接触应力为1714.3,为1642.9。根据式(3.13),得为1619.3,小于,合格。3. 确定传动主要尺寸。实际分度圆直径计算见式(4.18)。 式(4.18) 将为16,为24,为160代入式(4.18),得为360,为2400,则中心距算得1380,为360。4. 齿根弯曲疲劳强度验算。由式(4.19)计算重合度系数。 式(4.19)将代入式中,得为0.68。查参考文献1,图12.21,齿形系数为2.65,为2.13。查参考文献1,图12.22,应力修正系数为1

38、.57,为1.82。查参考文献1,图12.23d,弯曲疲劳极限为920,为870。查参考文献1,表12.14,弯曲最小安全系数为1.25。查参考文献1,表12.24,弯曲寿命系数为1.13。查参考文献1,表12.25,尺寸系数为1。根据式(4.20)计算许用弯曲疲劳应力,根据式(4.21)计算最大弯曲疲劳应力。 式(4.20) 式(4.21) 代入各参数,算得为831.7,为786.5,为502,为467.7,明显小于,合格。4.5 翻转机构中轴的设计4.5.1 翻转轴的最小直径已知条件:综合重量G为,允许最大偏心距,翻转角为。在工件和回转机构的综合重力作用下,翻转轴的危险断面在与齿轮接触的地

39、方,当扇形齿轮固定在翻转机构上时,翻转轴在其轴颈处仅受支反力和弯曲力矩。其中在轴颈作用的弯矩,计算见式(4.22)。 式(4.22)式中-处的支反力,; -。其中,。,以回转轴在倾斜位置时(即,)最大。力分析如图4-4。图4-4 倾斜轴的受力图在,时,,计算见式(4.23)。 式(4.23)其中为,为690,为666,为3360,为500,算得为。将为代入式(4.22),得为。 计算翻转轴的最小直径: 由参考文献3,P315 式(16.4)得式(4.24): 式(4.24)式中-轴直径,; -许用弯曲应力,查参考文献3,P315 ,表16.3,为75。求得257.1,取为260。4.5.2校核

40、箱形梁的强度翻转轴的结构是在翻转机构箱体两侧分别接出一段轴头,除用作轴颈部分的二段轴头外,基本上是一箱形梁。该梁在两个对称布置的扇形齿轮的带动下使工作台作翻转运动,其同时受弯矩和扭矩作用。箱形梁的材料为的钢板。 弯曲应力计算见式(4.25)。 式(4.25)式中-; -; 。求得为240.62。箱形梁截面应力计算见式(4.26)。 式(4.26)式中-; -。求得为0.226。合成应力为241。4.6 联轴器的选用计算在翻转机构中,连接两轴端的联轴器是必不可少的,选用的联轴器要具备缓冲和减振的功能。本文选用由非金属弹性元件制成的挠性联轴器。 4.6.1 减速器与减速器之间的联轴器 选用带制动轮

41、弹性柱销齿式联轴器,具有传递转矩大、体积小、重量轻、结构简单、使用寿命长、不用润滑等优点。查参考文献1,P6-112,表6-2-33,联轴器的转矩计算见式(4.27)。 式(4.27) 式中-; -; -; -; -; -; -。则。查参考文献1,公称转矩为,许用转速为。4.6.2 减速器与小齿轮轴之间的联轴器由式(4.27)。 查参考文献1,公称转矩为,许用转速为。4.7 轴承的选用和校核。图4-7 双列圆锥滚子轴承图 ,。左端双列轴承受力比右端大,所以只校核左端双列轴承。查参考文献1,。轴承寿命校核如下:轴承轴向力计算见式(4.28)。 式(4.28)将,代入式(4.28),得为84437

42、.5。计算当量动载荷见 式(4.29)。 式(4.29)式中-当量动载荷,; -载荷系数,查参考文献3,P318,表13-6,取1.5; -径向动载荷系数,查参考文献3,P318,表13-5,取1; -轴向动载荷系数,为2。将,为84437.5代入式中,得为。轴承组寿命计算见式(4.30)。 式(4.30)将,为,为2代入式(4.30),得为85868大于80000,所选轴承满足寿命要求。 5 电气控制部分回转机构的电动机用表示,翻转机构的电动机用表示,要求电动机正转、反转、到达需要位置停止,设计如下图5-1所示电路原理图。图5-1电路原理图电路原理图分析如下:按下SB1-线圈KM1得电-KM

43、1主触点闭合-电动机M1得电正转-转到合适位置-松开SB1-线圈KM1失电-KM1主触点断开-电动机M1失电停止工作。按下SB2-线圈KM2得电-KM2主触点闭合-电动机M1得电反转-转到合适位置-松开SB2-线圈KM2失电-KM2主触点断开-电动机M1失电停止工作。按下SB3-线圈KM3得电-KM3主触点闭合-电动机M2得电正转-转到合适位置-松开SB3-线圈KM3失电-KM3主触点断开-电动机M2失电停止工作。按下SB4-线圈KM4得电-KM4主触点闭合-电动机M2得电反转-转到合适位置-松开SB4-线圈KM4失电-KM4主触点断开-电动机M2失电停止工作。6 三维建模与运动仿真6.1 零

44、件建模根据上文中第三章、第四章对两自由度焊接变位机回转机构及翻转机构的设计内容,确定机架以及各个零件的尺寸数据之后,可以在Pro/E中对这些零部件进行三维建模,使本次设计的焊接变位机更加形象直观的呈现在人们眼前,对它的工作过程可以理解地更加深刻。1. 机架机架的三维建模主要是运用拉伸操作,选择草图,分别在草绘界面画出各个零件的图形,然后进行拉伸操作,零件三维图列表见图6-1。少部分零件还需要采用钻孔操作,在相应面上钻出M16、M30的螺纹孔。最后将各个零件装配成机架模型。图6-1机架零件图列表装配时,按照从上到下,从左到右的顺序装配,运用面与面对齐约束的方式即可,装配后的机架模型,如下图6-2

45、所示。 图6-2 机架模型2.轴启动PRO/E 5.0系统,在菜单中选择“新建”文件,点击“零件”按钮,在菜单中“插入”“旋转”,选择基准平面,进入草绘界面,按照各个轴的直径画出二维图形,指定旋转中心,完成轴的建模。如下图6-3所示。图6-3轴模型6.2整机装配为进一步进行Pro/E运用仿真的研究,需对上述已完成的各零部件的三维模型进行装配,装配时不能在默认的约束条件下进行,而要选择用户自定义里面的约束命令进行约束。如下图6-4所示。图6-4装配定义在装配过程中根据各零件具体运动形式确定要选着的约束形式,本机构只需实现回转机构的旋转和倾斜,故采用销钉连接即可满足运动副的要求实行运动仿真。加速器

46、轴等装配,加速器轴在正常工作时工作转态是绕着轴心线做旋转运动。其装配步骤如下:点击插入元件点击用户定义选着销钉约束打开放置文本框按照约束要求选择相关约束条件。如下图6-5所示。销钉连接效果图如下图6-6所示。其它旋转轴和旋转部件都采用这种销钉约束的方法进行装配,装配出来的整体装配图如下图6-7所示。图6-5 销钉连接图6-6 销钉连接效果图6.3伺服机构的设置当装配完成后点击菜单栏中的应用程序,选择机构点击确定。在左下角机构树工作栏中点击电动机选择伺服右键鼠标新建进行伺服电动机的定义界面,然后选取对应的运动轴设定电动机速度点击确定完成设置。界面如下图6-8所示。图6-7 整体装配图图6-8 伺服电动机定义重复上述定义,将机构中需要运动的零件都加已定义,定义过程中需注意选择旋转轴时方向的正反,以确保机构能够正常运动。6.4机构仿真当伺服电动机定义完成后点击右边的分析定义快捷按钮,进入仿真分析定义界面,如图6-9所示。图6-9 分析定义设计各个伺服电动机的工作时间段,点击运行实现运动仿真。 仿真动态视频见附件,此处截取三个运行转态来简单说明,动

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