伸臂式焊接变位机设计总体设计和旋转减速器设计

1、摘要摘要 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

2、。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。 关键词关键词：焊接变位机械；带传动；蜗轮蜗杆传动；减速器 abstract the design of the moving system of the welding positioner is the core content of the scheme design,but the system depends on the moving freedoms certai

3、nty.the key part of the design of the welding positioner is the design of the moving freedom, according to the best welding position. the main parts of the welding positioner include overturning machinery, circumgyrating machinery and the base.the arm-extending welding posioner is used most widely ,

4、the load is less than one ton.the arm-extending welding positioner is the machine which makes the workpiece circumgyrate and overturn to make the welding line on the workpiece park the level direction and cymbate position. the welding positioners makeup and operating principle make up of the paper ,

5、which disserates the design of the turning gear of the machine .the belt driving and two stage worm wheel retarder make the turning gear realize the mans anticipating speed.the use of the techogenerator which will feed back the instant speed to the generator and then the controller will adjust the s

6、peed makes sure of the high welding line quality. welding positioner is in favor of the welding process to achieve the best possible position,improving efficiency,reducing the fatigue strength,and forming a good weld. key words:welding posioner,belt drive,worm drive,reducer 目录目录 摘要摘要.i abstract.ii 目

7、录目录.iii 前言前言 .1 第第 1 章章 绪论绪论 .2 1.1 课题研究现状及意义 .2 1.2 焊接变位机械概述 .2 1.3 论文主要研究内容.4 第第 2 章章 带传动的设计带传动的设计 .6 2.1.电动机的选择 .6 2.2.带传动的设计计算 .6 第第 3 章章 旋转减速器设计旋转减速器设计 .10 3.1 传动比的分配 .10 3.2 二级蜗杆传动设计 .10 3.3 蜗杆轴的设计计算及校核 .18 3.4 轴承的选择及校核 .23 3.5 键的选择及校核 .28 第第 4 章章 焊接变位机的总体设计焊接变位机的总体设计 .31 4.1 伸臂梁的设计计算：.31 4.2

8、底座和箱体的简单设计 .32 结论结论 .33 参考参考文文献献 .34 致谢致谢 .35 附件附件 1 .36 附件附件 2 .46 前言前言 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

9、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 0.5t 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。 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题研究现状及意义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

10、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。 1.2 焊接变位机械概述焊接变位机械概述 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

11、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。 1.2.1 焊接变位机械的结构及使用特点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

12、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

13、 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

14、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

15、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。 1.2.2 焊接变位机械的工作原理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

16、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。 1.3 论文主要研究内容论文主要研究内容 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

17、计，带轮及其传动带的设计计算， 箱体的设计等。 第第 2 章章 带传动的设计带传动的设计 2.1.电动机的选择电动机的选择 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kwp55 . 0 2.2.带传动的设计计算带传动的设计计算 第第 3 章章 旋转减速器设计旋转减速器设计 3.1 传动比的分配传动比的分配 由电动机经带轮传动后，输出功率为 0.55kw，输出速度，min/690 2 1 r d d nn 额 故总传动比，初分高低速级传动比分配为，958 72 . 0 690 出 n n i31958 21 iii 确定高速级传动比，低速级

18、传动比。30 1 i32 2 i 3.2 二级蜗杆传动设计二级蜗杆传动设计 3.2.1 高速级蜗杆传动设计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kwp55 . 0 1 min/1390 1 rn 30i 转速设使用寿命为四年每年工作 300d，每天工作 8h，jc=40%。min/23/ 12 rinn （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 8cgb10089 1988，其示意图见图 3-1。 图 3-1 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1.6。蜗轮 a

19、rm 选用 20cr。 （2）选用蜗杆蜗轮的齿数 传动比30i 参考资料2表 16.5-5，取，1 1 z30130 12 izz （3）确定许用应力 （3-1） nvs hp hp zz 由资料2表 16.5-14 查得=220n/，按图 16.5-2 查得hp 2 mm 2 /70mmn fp ，由图 16.5-3，采用浸油润滑，得。smvs/5 . 198 . 0 vs z 轮齿应力循环次数 （3-2） 6 2 103 . 54 . 0843001236060 hl jlnn 查资料2图 16.5-4 得，。08 . 1 n z85 . 0 n y （3-3） 2 /23308 . 1

20、98 . 0 220mmn hp （3-4） 2 / 5 . 5985 . 0 70mmnynfp fp （4）接触强度设计 （3-5） 2 2 2 1 2 15000 kt z dm hp 式中：载荷系数 k=1.2。 蜗轮轴的转矩 （3-6）mn n p t 171 23 75 . 0 55 . 0 95509550 2 1 2 （式中暂取） 。代入上式75 . 0 nff da 732 11 nffff daaa 20311 1212 （3）求轴承的当量动载荷 21 p,p （3-49）e f f r a 26 . 0 2780 732 1 1 （3-50）e f f r a 8 . 2

21、 7212 20311 2 2 由资料1表 13-15 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：；5 . 1, 4 . 0 11 yx 对于轴承 e：。0, 1 22 yx 由资料1表 13-6，取。8 . 12 . 1 p f2 . 1 p f （3-51）nfyfxfp arp 3336 11111 （3-52）nfyfxfp arp 40022 22222 21 pp 按照轴承 b 的受力大小及寿命进行校核： （3-53） h p c n lk10000 60 10 1 6 可知满足其寿命要求。 3.4.2 对高速级轴轴承进行校核对高速级轴轴承进行校核 根据资料2

22、选单列圆锥滚子轴承的型号 32006 可知： 基本额定动载荷为；kncr8 .35 基本额定静载荷为；knc r 8 . 46 0 内径为；mmd30 外径为；mmd55 计算系数为。 4 . 1 43 . 0 y e 将受力其简化为力学模型见图 3-7。 图 3-7 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 nf nf bv av 127 686 nfff tbhah 1085 . 0 其中：nfnfnf aetr 2233,216,813 a，b 处所受总的力大小为： 22 bvbhb fffn167 22 avaha fffn694 （2）求两轴承的计算轴向

23、力 由派生的轴向力 r f d f nn y f f r d 60 4 . 12 167 2 1 1 nn y f f r d 248 4 . 12 694 2 2 2 轴向受力分析如下图 3-8。 图 3-8 轴承轴向受力图 nfnnff ddae 2482293)602233( 21 可见 a 轴承压紧，b 轴承放松。 两轴承轴向力分别是： nff da 60 11 nfff daea 2293 12 （3）求轴承的当量动载荷 21,p p （3-54）e f f r a 36. 0 167 60 1 1 （3-55）e f f r a 3 . 3 694 2293 2 2 由资料1表 1

24、3-15 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, 1 11 yx 对于轴承 a：。4 . 1,40 . 0 22 yx 由资料1表 13-6，取。8 . 12 . 1 p f2 . 1 p f （3-56）nfyfxfp arp 4 . 200 11111 （3-57）nfyfxfp arp 36.4185 22222 12 pp 按照轴承 a 的受力大小及寿命进行校核： （3-58） h p c n lk300000 60 10 1 6 可知满足其寿命要求。 3.5 键的选择及校核键的选择及校核 3.5.1 大带轮处的键选择及校核大带轮处的键选择及校核 根据资

25、料3由带轮处的直径选择键，其型号gb1096 -79(90)，相关尺寸：6306 mmt mml mmh mmb 5 . 3 30 6 6 分别校核键的挤压强度和剪切强度 （1）挤压强度 根据公式： （3-59）dklm c /2000 式中： 输入转矩；mmn 轴直径，；dmmd20 键与轮毂的接触高度，；kmmthk5 . 2 键的工作长度，。lmmbll24 245 . 220/6 . 22000 c mpampa ca 365 . 4 故其挤压强度满足强度要求。 （2）剪切强度 根据公式： （3-60）lbdm/2000 24620/6 . 22000 mpampa p 128 . 1

26、 式中： 轴直径,；dmmd20 键的工作长度；l 输入扭矩；mmn 键的宽度，。bmmb6 故其挤压强度满足强度要求。 3.5.2 低速级涡轮轴上的键选择及校核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gb1096 -79(90) ，其相关尺寸：761422 mmt mml mmh mmb 9 76 14 22 分别校核键的挤压强度和剪切强度 （1）挤压强度 根据公式： （3-61）dklm c /2000 式中： 输入转矩；mmn 轴直径,；dmmd80 键与轮毂的接触高度，；kmmthk5 键的工作长度，。lmmbll54 （3-62）54580/962000 c m

27、pampa ca 369 . 8 故其挤压强度满足强度要求。 （2）校核其剪切强度 根据公式： （3-63）lbdm/2000 541480/962000 mpampa122 . 3 p 式中： 轴直径,；dmmd80 键的工作长度；l 输入转矩；mmn 键的宽度，。bmmb14 故其挤压强度满足强度要求。 第第 4 章章 焊接变位机的总体设计焊接变位机的总体设计 4.1 伸臂梁的设计计算伸臂梁的设计计算 整个回转机构的重量，载重，机身重，则：kgm500 1 kgm500 2 。kgme1000 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

28、学模型简化如下图 4-1： 图 4-1 伸臂梁力学模型 则计算其相关力有：，nff yx 10000, 0 （4-1）lgm max （4-2） 32 3 d w （4-3） （4-4）gmg e （4-5） 6 3 max 10100 32 d mgl w m （4-6） 3 5 3 1014 . 3 108 . 932 l d 当时，mml850 mm l 93 1014 . 3 108 . 932 3 5 3 mmd93 这里取。mmd108 4.2 底座和箱体的简单设计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

29、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。 结论结论 本论文全

30、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,2006. 2 机械设计手册(新版 3)m.北京:机械工业出版社,2004. 3 朱龙根. 简明机械零件设计手册m.北京:机械工业出版社,1997. 4 周寿森. 焊接机构生产及装

31、备m.北京:机械工业出版社,1999. 5 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,1992. 6 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,1991. 7 曾乐. 焊接工程学m.北京:新时代出版社,1986. 8 沈世瑶. 焊接方法及设备m.北京:机械工业出版社,1982. 9 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,1984. 10 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,1981. 11 薛迪目. 焊接概论m.北京:机械工业出版社,1987

32、. 12 机械设计手册(第二版)m.北京:机械工业出版社,2004. 13 刘鸿文. 材料力学m.北京:高等教育出版社,2006. 14 张海根. 机电传动控制m.北京:高等教育出版社,2001. 15 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,2007. 16 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, 2007. 17 dimarogonas,a.d. machine designm.john wiley & sons,2000. 18 cross,n. engineering design methodsm.john wiley &

33、 sons,2000. 致谢致谢 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！ 附件附件 1 外文资料翻译 外文资料

34、翻译 1 关于焊接关于焊接 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。 2 co 1材料及焊接工艺材料及焊接工艺 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 2 co 的幻影 v4.1 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。 2 co 图 1 波长/nm 这表明，光谱成分的范围大多是 400-700 纳米氩。而较高强度的谱线波长都在 400-600 纳