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题目：L型焊接变位机的设计 L型焊接变位机的设计摘 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。本设计主要是设计翻转机构的减速装置、回转机构的减速装置。以及各部分和零件的各参数的选择。 本焊接变位机采用直流电机减速机驱动工作台回转并倾斜，具有运动精度高、惯量小、制动性和稳定性好，可实现无级调速，方便实现正反转等优点。批量生产可获得比较高的经济效益。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：伸臂式焊接变位机；回转机构；减速器The Design of L型 Welding PositionerAbstractThe 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 certainty.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 ,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 ,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 speed makes sure of the high welding line quality.This welding positioner used DC motor and slowdown plane to drive the workbench to gyration or inclination. It has some advantages, such as a high-precision movement, inertia small, good braking and stability. It also can easily achieve stepless speed regulation, positive or negative turns. Because of its notables economic benefit, if it would been produced largely.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：Arm type welding positioner；Slewing mechanism；Reducer目 录1 绪论11.1 设计焊接变位机的意义11.2 焊接变位机简介11.2.1 焊接变位机定义11.2.2 焊接变位机类型和特点21.3 伸臂式焊接变位机简介41.4 选题的背景及意义51.5 焊接变位机的发展状况51.5.1 国内焊接变位机的产品简介51.5.2 国外焊接变位机的产品简介61.5.3 焊接辅助设备的发展趋势71.6 论文研究的主要内容82 伸臂式焊接变位机总体方案设计92.1 设计要求92.2 伸臂式焊接变位机原理分析102.3 总体方案确定102.3.1 传动机构类型选择的一般原则112.3.2 常用传动机构的一般布置原则113 伸臂式焊接变位机翻转机构的设计143.1 伸臂翻转旋转减速器的传动方案简图143.2 选择电动机143.3 确定传动比153.4 计算传动装置的运动和动力参数153.5 V带轮的设计计算163.6 高速级蜗轮蜗杆设计193.6.1 材料选择193.6.2 确定在涡轮上的转矩203.7低速级蜗轮蜗杆设计234 工作台回转机构的设计274.1 总体传动方案简图274.2 选择电动机274.3 计算传动装置的运动和动力参数284.4 V带轮的设计计算294.5 高速级蜗轮蜗杆设计314.6 低速级蜗轮蜗杆设计335 结论36参考文献37IV1 绪论1 绪论1.1 设计焊接变位机的意义焊接技术自发明至今已有百余年的历史，工业生产中的一切重要产品，如航空、航天及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术。其焊接质量的好坏直接影响产品质量的好坏，直接影响整机性能。所以改进焊接技术，提高焊接质量对工业现代化起着重要的作用，其中提高焊接机械化、自动化水平，实现焊接工艺及装备的现代化是改进焊接质量的一个重要方面，一般来说焊件的质量比较重，靠人工改变焊缝位置很不容易，且效率十分低下。这样在焊接生产中，就会遇到焊接变位及选择合适的焊接位置的情况，针对这一实际需要，人们就设计研制了焊接变位机，选择合适的变位机能将被焊工件的各类焊缝转动到最佳位置,从而避免立焊、仰焊，提高焊接质量及生产效率。变位机可以使工件上的接缝处于理想的船形位置或平焊位置进行焊接，是提高焊接效率和质量，降低劳动强度的有效廉价工具。另外,选择合适的变位机能降低工人的劳动强度及生产成本,加强安全文明生产,有利于现场管理1。在我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把它划为焊接辅机，它与焊接操作机、滚轮架并称为焊接辅机中三大机。 近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，获得了广泛的应用。就型式系列和品种规格而言，已问世的，约有十余个系列，百余品种规格，正在形成一个小行业。1.2 焊接变位机简介1.2.1 焊接变位机定义在我国，焊接变位机是一个年青的产品。由于制造业之间发展水平的差异，很多企业的焊接工位，还没有装备焊接变位机；同时，相关的研究也比较薄弱。迄今为止，没有专门著作去研究它的定义和分类。对它的称呼也就不可能规范化了。同一种设备，不同的企业和不同的人可能有不同的称呼。如：转胎、转台、翻转架、变位器、变位机等。为此，我们需要赋予它一个定义。我们称：用来拖动待焊工件，使其待焊焊缝运动至理想位置进行施焊作业的设备，称焊接变位机。也就是说，把工件装夹在一个设备上，进行施焊作业。焊件待焊焊缝的初始位置，可能处于空间任一方位。通过回转变位运动后，使任一方位的待焊焊缝，变为船角焊、平焊或平角焊施焊作业。完成这个功能的设备称焊接变位机。它改变了可44能需要立焊、仰焊等难以保证焊接质量的施焊操作。从而，保证了焊接质量，提高了焊接生产率和生产过程的安全性。概括来讲，焊接变位机就是移动工件，使之待焊部位处以合适易焊接的位置的焊接辅助设备。选择合适的焊接变位机能提高焊接质量及生产效率，降低工人的劳动强度及生产成本，加强安全文明生产，有利于现场管理。特别是入世的冲击，工程机械市场竞争将会越来越激烈，国内企业必须适应形势，通过焊接变位机等基础设备投入达到生产能力的革命。1.2.2 焊接变位机类型和特点焊接变位机是一种通用、高效的以实现环缝焊接为主的焊接设备。可配用氩弧焊机(填丝或不填丝)、熔化极气体保护焊机 (C02/MAG/MIG焊机)、等离子焊机等焊机电源并可与其它机组成自动焊接系统。该产品主要由旋转机头、变位机构以及控制器组成。旋转机头转速可调，具有独立调速电路，拨码开关直接预置焊缝长度。倾斜角度可根据需要调节。焊枪可气动升降。几种常见的焊接变位机的类型和特点： （1）双立柱单回转式变位机该种变位机适合装载机的后车架、压路机机架等工程机械长方形结构件的焊接，形式如图示1.1两种样式，其主要特点是立柱一端电机驱动工作装置沿一个回转方向运转，另一端随主动端从动。两侧立柱可设计成可升降式，以适应不同规格产品。这种型式变位机的缺点只能在一个圆周方向回转，选择时要注意焊缝形式是否适合。 （2）型双座式头尾双回转型式与第一种变位机型式相比，即在图1.1第二种的基础上被焊结构件在另外一个空间又增加一个旋转自由度。如图1.2这种型式的变位机焊接空间大，工件可被旋转到需要的位置，设计先进，目前已在工程机械许多厂家成功使用。该变位机可根据各厂的工艺情况在装载机、挖掘机、压路机等结构件焊接时应用5。 图1.1 双立柱单回转式变位机 图1.2 U型双座式头尾双回转机型 （3）型双回转焊接变位机该种变位机如图1.3所示，其工作装置型，有两个方面的回转自由度，且两个方向都可以任意回转。此变位机与其它类型变位机相比，开敞性好，容易操作。型变位机已在装载机前车架焊接中成功的使用，而且使用效果很好，深受现场操作工的欢迎。 （4）型双回转焊接变位机如图示1.4，型回转形式与型机相同，只是为了方便夹具体的设计，根据结构件的外形，变位机的工作装置稍作变动。该种型式焊接变位机，适合装载机的铲斗、挖掘机的挖斗等焊接。 图1.3 L型双回转焊接变位机 图1.4 C型双回转变位机 （5）座式通用变位机如图1.5，座式焊接变位机工作台有一个整体翻转的自由度，可以将工作翻转至理想的焊接位置进行焊接。另外工作台还有一个旋转的自由度。该种变位机已被多个厂家系列化生产，其适合工程机械的小型焊接件以及一些管类、轴类、盘类等中小型复杂结构的焊接在选择变位机时要根据工件的形状、焊缝的形式及工艺现状选取，否则，有可能不好用或不能用。以上基本型产品发展了17个系列，主要为普通型，用于手把焊。此外，还有调速型、联控型（PLC、微机控制）和机器人配套型产品。与焊接机器人配套用的变位机，开发了十余个品种。包括：工位变换变位机（不参与焊接），如，立式双工位、四工位、八工位变位机，双座单回转式八工位和倾翻回转式双工位变位机等；与机器人配套焊接变位机（机器人外部轴），如，倾翻-回转伺服传动式、双座单回转伺服传动式、多轴单回转伺服传动式等。图1.5 座式通用变位机 （6）伸臂式焊接变位机如图1.6，伸壁式焊接变位机结构特点与性能 回转工作台安装在伸臂一端，伸臂一般相对于某倾斜轴成角度回转，而此倾斜轴的位置多是固定的，但有的也可小于100的范围内上下倾斜。该机变位范围大，作业适应性好，但整体稳定性差。其适用范围为1t以下中小工件的翻转变位。在手工焊中应用较多。多为电动机驱动，承载能力在L型以下，适用于小型罕见的翻转变位。也有液压驱动的，承载能力多，适用于结构尺寸不大，但自重较大的焊件。1-回转工作台 2-伸臂 3-倾斜轴 4-转轴 5-底座图1.6 伸臂式焊接变位机1.3 伸臂式焊接变位机简介伸臂式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2。1.4 选题的背景及意义在焊接生产中，经常会遇到焊接变位及选择合适的焊接位置的情况，针对这些实际需要，我们设计研制了焊接变位机，它可以通过工作台的回转和倾斜，使焊缝处于易焊位置。焊接变位机与焊接操作机配合使用，可以实现焊接的机械化、自动化、提高了焊接的效率和焊接质量。焊接变位机可以应用于化工、锅炉、压力容器、电机电器、铁路交通、冶金等工业部门的自动焊接系统。在现代加工和制造过程中，焊接变位机已悄然成为的一种不可缺少的设备，其作用越来越突出。特别是近十年来，这一产品在我国工程机械行业有了大的发展，获得了广泛地应用。各种机械产品和机械设备的结构件大多数都很复杂，尤其是各种机械的主要关键部件，其焊接质量的好坏直接影响整机性能。而选择合适的变位机能提高焊接质量及生产效率，降低工人的劳动强度及生产成本，加强安全文明生产，有利于现场管理。特别是入世的冲击，机械市场竞争将会越来越激烈，国内企业必须适应形势，通过焊接变位机等基础设备投入达到生产能力的革命。1.5 焊接变位机的发展状况我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把他划为焊接辅机。近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，获得了广泛的应用。就型式系列和品种规格而言，已问世的约有十余个系列，百余品种规格，正在形成一个小行业。在国际上，焊接变位机包括各种功能的产品在内，有百余系列。在技术上有普通型的；有无隙传动伺服控制型的；产品的额定负荷范围，达到0.1kN18000 kN。可以说，焊接变位机是一个品种多，技术水平不低，小、中、大发展齐全的产品。下面对焊接变位机在国内外的发展状况作简单介绍3：1.5.1 国内焊接变位机的产品简介现在我国生产焊接变位机的厂家已经不少，大都不成规模。以变位机为主导产品发展起来的企业，尚未形成。天津鼎盛公司工程机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、长沙海普公司、威达自动化焊接设备公司等单位生产的变位机在国内占有较大市场。到2000年，国内已开发的变位机产品约70余品种规格。以下简述这些变位机的基本型式。以上基本型产品发展了17个系列，主要为普通型，用于手把焊。此外，还有调速型、联控型（PLC、微机控制）和机器人配套型产品。与焊接机器人配套用的变位机，开发了十余个品种。包括：工位变换变位机（不参与焊接），如，立式双工位、四工位、八工位变位机，双座单回转式八工位和倾翻回转式双工位变位机等；与机器人配套焊接变位机（机器人外部轴），如，倾翻-回转伺服传动式、双座单回转伺服传动式、多轴单回转伺服传动式等。1.5.2 国外焊接变位机的产品简介一般说来，生产焊接操作机、滚轮架、焊接系统及其他焊接设备的厂家，大都生产焊接变位机；生产焊接机器人的厂家，大都生产机器人配套的焊接变位机。但是，以焊接变位机为主导产品的企业，非常少见。德国Severt公司，美国Aroson公司，我国天津鼎盛工程机械有限公司等，算是比较典型的生产焊接变位机的企业。德国的CLOOS、奥地利igm、日本松下机器人公司等，都生产伺服控制与机器人配套的焊接变位机。 （1）德国Severt公司该公司主要生产8种类型的产品，其中7种是焊接变位机。每种型式的焊接变位机，按其功能讲，均包括基本型、调速型、CNC程控型和机器人配套型等4种产品。 （2）德国LCOOS公司德国LCOOS公司是国际上生产焊接设备的大型公司之一。生产焊接机器人、焊机等产品。也生产作为焊接机器人外部轴的焊接变位机。在我国，除可见到与焊接机器人系统配套进口的L型双回转式、倾翻-回转式和单回转式变位机外，还生产卧式单座单回转WPV、立式单回转RR502以及各种多轴焊接机器人配套的变位机。 （3）美国Aroson公司美国Aroson公司生产的焊接设备有焊接变位机、操作机、滚轮架等，可称世界之最。这个公司生产的焊接变位机，主要类型为倾翻回转式、倾翻回转升降式、双座双回转式，双座单回转式和双座单回转升降式。其承载能力范围为11 kg1810吨。 （4）日本松下（Panasonic）公司 日本松下公司也是机器人制造公司。这个公司生产的机器人外部设备焊接变位机有12个系列。他们把传动装置、机座、夹具体等做成了标准模块，集合而成这些产品系列。按轴数和结构型式分类。1.5.3 焊接辅助设备的发展趋势为适应世界焊接辅助设备行业的发展，提高我国焊接辅助设备的技术水平，焊接辅助设备将要向如下五个方向发展： （1）精密化精密化的内涵包括高精度、高质量和高可靠性。从设备外观上看有些焊接装备几乎接近于精密金属切削机床，在精度要求上，以焊接机器人配套的焊接变位机为例，最高的重复定位精度为0.05mm，机器人和精密操作机的行走机构定位精度为0.1mm，移动速度的控制精度为0.1。 （2）大型化焊接装备的大型化是焊接结构向高参数、重型化和大型化发展的需要。如重型厚壁容器焊接中心的立柱横梁操作机的最大规格已达12.5m10m。龙门式操作机的规格为8m8m。大型造船厂使用的门架式钢板纵缝焊机最大行程为12m。集装箱外壳整体组装焊接中心门架式操作机的工作行程达16m。重型H型钢和箱型梁生产线占地面积可达整个车间。 （3）多功能化为充分发挥自动化焊接设备的效率，一台焊接装备可按工艺要求装备各种焊头，如单丝和多丝埋弧焊，单丝或双丝窄间隙埋弧焊头，MIGMAG焊头和带极堆焊头等，与滚轮架，变位器或翻转机配套可以完成筒体内外纵环缝，封头拼接缝，内壁堆焊、大直径接管环缝焊接等。 （4）数字化焊接装备的数字化控制虽然比传统的金属切削加工复杂得多，但实施数字控制的意义则更为重要，不仅提高了效率而且确保了批量生产过程中稳定的焊接质量还改善了操作环境。目前在焊接装备控制系统中，采用PLC可编程控制器已成为最普通的控制器件，为提高焊接装备自动控制的功能和精度已开始采用基于PC机的自动控制系统和直接数字控制系统，同时也为焊接装备的网络化控制和管控一体化提供了可能。 （5）智能化和集成化焊接装备的智能化控制是焊接过程自动控制的高级形式，通过各种专用的计算机软件可按原始工件和焊接参数对焊接工艺参数进行优化选择。对于厚壁接头、智能化控制可根据实测接头的几何尺寸自动编制焊接程序和焊接工艺参数，以实现焊接过程的全自动化。1.6 论文研究的主要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和翻转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。2 伸臂式焊接变位机总体方案设计2.1 设计要求：焊接变位机设计的出发点是满足系统的功能,从变位机械在该生产线中的功能入手分析,它主要包括以下几个方面的功能4：2.1.1 对焊件的停放2.1.2 能适应不同尺寸形状的焊件的焊接2.1.3 能够将待焊点沿着一定的运动轨迹移动到最佳焊接位置 焊接变位机是将被焊接工件回转、倾斜，以便使工件上的焊缝置于水平和船型位置的机械装置，该焊接变位机工作台以稳定的焊接速度回转时，工作台回转轴线可以倾斜旋转，以获得优良的空间焊缝成形，该装置具有以下几项要求（如表2.1）：表2.1 L型焊接变位机的基本参数要求最大承载及驱动重量500 kg额定载荷时最大偏心距250 mm工作台直径800 mm翻转角度范围0120翻转速度0.75 r/min回转速度0.11 r/min回转调速方式变频无级调速额定载荷时最大重心距250 mm翻转电机功率0.75 kW本焊接变位机适用于小焊件的焊接，一般是那种手工不易搬动或者搬起来比较费力的焊件，对手工焊和自动焊都适用，主要是用来把焊缝变到易于施焊的位置，比如平焊和“船型”焊接位置。2.2 伸臂式焊接变位机原理分析 图2.1 伸臂式焊接变位机该伸臂式焊接变位机（如图2.1）可以实现工作台的回转、工作台的翻转和小幅度升降。图2.2 伸臂式翻转减速机 伸臂式翻转减速机（如图2.2）和工作台回转机构都运用了蜗轮蜗杆传动，以此来获得自锁能力，并且保证了安全平稳作业。 在伸臂翻转减速机构和作态回转机构的第一级传动都采用了皮带传动，起到减震和过载保护。该变位机的总体结构安排，在工作台上未承载工件时其中心位于倾斜轴线的一侧，承载工件后，整体重心将考进或移动到倾斜轴线的另一侧，这使得工作台无论在有载还是无载的情况下，整体重心新形成的倾斜力矩变化不大，因此可以减小驱动功率，同时也保证了整体机构的安全稳定。2.2.1 伸臂翻转减速机构的工作原理电机启动后，通过一级带轮传动，将速度传送到二级蜗轮蜗杆减速器，经过两级减速后，得到一个满足要求的稳定低速，最后由第二级蜗轮带动所在的轴也就是伸臂旋转减速机构的最后输出轴将速度输出。该伸臂翻转采用蜗轮蜗杆减速，起到了自锁的作用，保证了工作状态的稳定安全。2.2.2 工作台回转机构的工作原理电动机转动，通过一级皮带传动，带动第一对蜗轮蜗杆传动，达到一次减速。再经过第二对蜗轮蜗杆减速，最后由第二组蜗轮蜗杆带动所连接的回转平台的输出轴，从而实现工作台的回转运动。2.3 总体方案确定在对焊接变位结构机械设计时,其设计依据是焊接工件及焊缝的形状特征信息,在设计过程中还需综合考虑多方面的因素,如工件的焊接方法及其工艺规范等。本焊接变位机由工作平台、回转机构、翻转机构、机座、控制装置、焊接导电装置等部分组成。2.3.1 工作平台它用于工件的停放。由于焊接变位机一般情况下需配合夹具工作，完成工件的翻转及焊接。因此在工作台表面开沟槽，用于固定工件的夹具的移动及固定。同时工作台面表面经网格状处理后增大了摩擦，便于工件在变位时位置的固定。2.3.2 工作台回转机构图2.3 工作台回转机构工作台回转机构（如图2.2），用于实现工作台面上被焊接件回转运动的实现。该部分主要是传动部分的设计。包括传递动力、改变运动方向、改变运动速度。L型伸臂式焊接变位机主要由以下几部分组成：底座、电动机、皮带传动机构、伸臂翻转减速器、翻转伸臂、工作台、工作台回转机构。其中底座、翻转伸臂、工作台采用焊件。而电动机是外购件。所以主要研究皮带传动机构、伸臂翻转减速器、工作台回转机构。2.3.3 传动机构类型选择的一般原则 （1）小功率传动，宜选用结构简单、价格便宜、标准化程度高的传动机构，以降低制造成本。 （2）大功率传动，应优先选用传动效率高的传动机构，如齿轮传动，以降低能耗。 （3）工作中可能出现过载的工作机，应选用具有过载保护作用的传动机构，如带传动。但在易爆、易燃场合，不能选用摩擦传动，以防止静电引起火灾。 （4）载荷变化较大，换向频繁的工作机，应选用具有缓冲吸振能力的传动机构，如带传动。 （5）工作温度较高、潮湿、多粉尘、易爆、易燃场合，宜选用链、闭式齿轮或蜗杆传动。 （6）要求两轴保持准确的传动比时，应选用齿轮或蜗杆传动。由于各种传动的单级传动比均有相应的容许极限值，故对传动比很大或较大的机械需用二级或二级以上的多级传动。多级传动可全由啮合传动组成，或全由摩擦传动组成，也可用摩擦传动和啮合传动组成，还可由常规的普通传动和非常规的行星传动组成。在多级传动中，各类传动机构的布置顺序不仅影响传动的平稳性和传动效率，而且对整个传动装置的结构尺寸也有很大影响。因此，应根据各类传动机构的特点合理布置，使各类传动机构得以充分发挥其优点。2.3.4 常用传动机构的一般布置原则： （1）摩擦传动(例如带传动)的承载能力一般较低，在传递相同的扭矩时其结构尺寸大于啮合传功，故在多级传动中宜置于高速级，又因其工作平稳性好，故置于高速级还能起吸震缓冲作用。 （2）啮合传动中的蜗杆传动多用于大传动比和中小功率场合，其承载能力一般较齿轮传动低，为获得较小的结构尺寸，宜置于高速级。这时，虽然齿面相对滑动速度较高，却有利于建立流体润滑油膜，能为提高承载能力和效率带来好处。 （3）考虑到大尺寸、大模数的圆锥齿轮加工比较困难，故在多级传动中宜置于高速级，但这时圆周速度较大，需提高制造精度，导致成本提高。 （4）若机械中有制动装置，则其后不应采用摩擦传动。顺便指出，机械中的制动装置通常置于高速级。此外，设计多级传动时，运动链越简短越好。运动链越简短，机构和零件的数量就越少，能量消耗也少，制造、装配、使用、维修和保养费用也低并利于提高整机的效率和运转精度。因此根据以上设计准则以及设计要求工作台回转机构设计如下所示：工作台回转机构由电机驱动，通过一级带轮传动，然后经过一个蜗杆减速器减速，最后一级蜗轮轴输出至工作台。传动路线为：直流电机一级带轮传动二级蜗轮蜗杆减速器三级蜗轮蜗杆减速器，从而实现工作台的回转。此机构的优点在于传动比大而结构尺寸较小，易于吸收振动，当传动部分被卡住时，不会烧坏电机，同时造价比较低。工作台翻转机构设计如下所示：同样根据设计准则以及设计要求，用电机驱动，通过带传动减速器，二级蜗轮蜗杆，三级蜗轮蜗杆的多级减速，以获得连续稳定的工作台倾斜速度。传动路线为：直流带减速电机二级蜗轮蜗杆减速器三级蜗轮蜗杆器，从而实现工作台的翻转。选用蜗轮蜗杆减速装置除了利用蜗轮蜗杆减速装置的传动比大及结构尺寸小的特点外，还利用蜗轮蜗杆减速装置的自锁功能，同时采用齿轮辅助锁定，通过控制操作使回转机构能够准确平稳地停留在指定位置，安全可靠。在设计过程中，主要内容是确定各带轮的参数和蜗轮蜗杆的各项参数以及电动机的选择。通过总体方案的确定可知，要完成伸臂式焊接变位机的设计我们主要需要解决两个问题：1、伸臂式翻转机构的设计。2、工作台回转机构的设计。下面针对这两个问题分别进行详细叙述。3 伸臂式焊接变位机翻转机构的设计3.1 伸臂翻转旋转减速器的传动方案简图（如图3.1）图3.1 伸臂翻转旋转减速器的传动方案简图3.2 选择电动机在电动机的选择过程中，主要考虑电动机的容量（额定功率)。电动机的容量（额定功率）选的合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。容量小于工作要求，则不能保证机器正常工作，或使电动机长发热而过早损坏。容量大则电动机价格高，能力有不能充分利用。由于经常不在满载下运行，效率和功率因数都很低，造成很大浪费5。电动机的容量主要根据运行是发热条件决定，额定功率是连续运转下电动机发热不超过许用温度的最大功率。满载转速是指负荷相当于额定功率时的电机转速。同一类型的电动机按照额定功率和转速的不同，具有一系列型号。根据电动机功率选择电动机的容量，我们所选电动机型号如表3.1所示：表3.1 所选电动机型号电动机型号额定功率（kw）满载转速（r/min）额定转速（r/min）额定电流（A）额定电压（V）重量（Kg）Y802-40.75139014402220183.3 确定传动比其中为电动机的满载转速，为工作台的翻转速度。 接下来我们面临的问题就是如何合理的分配各级传动比。合理分配传动比，是传动装置设计中的一个重要问题，它将直接影响到传动装置的外廓尺寸、重量、润滑以及减 速器的中心距等很多方面。3.3.1 分配传动比主要考虑以下几点 1）各级传动的传动比最好在推荐范围内选取，不应超过其允许的最大值。 2）应充分发挥各级传动比的承载能力，注意使各级传动件尺寸协调、结构均匀会理，避免各零件的干涉及錄安装不便。 3）应考虑带传动的传动比大小对总体结构的影响，如果传动比过大则大带轮直径过大与减速器总体尺寸相比不均匀，甚至与基座相干涉。 4）应使传动装置的外廓尺寸尽可能紧凑。 5）传动比还要考虑载荷性质。综合考虑以上各因素，选带传动的传动比为2。对于两级蜗杆减速器，为了使结构紧凑，应使i2=2i1，所以取第一级蜗轮蜗杆的传动比为22，第二级蜗轮蜗杆的传动比为44。传动装置的实际传动比由于受到各种因素的影响，因而与要求的传动比常有一定的误差，一般情况下，所选用的传动比应使工作机的实际转速与要求的转速的相对误差在 5%范围内即可。设带传动的传动比为i1，第一级（高速级）蜗轮蜗杆的传动比为i2， 第二级（低速级）蜗轮蜗杆的传动比为i3。则工作机的实际转速： （3.1）而所以此传动比选择合适。3.4 计算传动装置的运动和动力参数传动装置的运动和动力参数，主要是指各轴的转速、输入功率和输出转矩。它们是进行传动设计的重要依据。3.4.1 传动系统中各轴的转速n(r/min) (3.2) (3.3) (3.4) 3.4.2各轴输入功率P（kW）： (3.5) (3.6) (3.7) 其中：带传动的效率。 轴承的效率。 第一级蜗轮蜗杆传动的效率。 第二级蜗轮蜗杆传动的效率。3.4.3 各轴转矩T(Nm): (3.8) (3.9) (3.10)3.5 V带轮的设计计算3.5.1 确定设计功率 ， 其中【3】 (3.11) 3.5.2 选择V带型号对结构尺寸无严格要求，可选普通V带。根据和，查工具书选择A型 V带。 3.5.3 选择带轮直径和由工具书查的V带最小直径，应使，考虑小带轮转速不是很高，结构尺寸又没有特别限制，取。验算带速 (3.12)所以，符合工具书推荐的基准直径，故：带轮选择合适。 3.5.4确定中心距a和带长Ld设计条件中没有限制中心距，故可初选中心距。由式得到 (3.13)初选，则带长：查工具书圆整于是中心距 (3.14)A的调整范围：3.5.5验算小带轮包角 (3.15)所以中心距选择合适。3.5.6确定V带根数z 查机械设计课程设计手册得： (3.16)查机械设计课程设计手册得： 0.3kW，, (3.17) 查机械设计课程设计手册得：0.03kW。 (3.18) 查机械设计课程设计手册得：0.96， 1.11， (3.19) 带入计算公式得：，选z2， 符合推荐轮槽数。 3.5.7确定初拉力 查机械设计课程设计手册得： (3.20) 查机械设计课程设计手册得：q0.06kg/m,带入公式得：安装时，应保证初拉力大于上述数值，但也不应过大。3.5.8作用于轴上的压力查机械设计课程设计手册得：。 (3.21)3.5.9带轮结构设计根据选择V带的类型（A型）查机械设计课程设计手册得以下参数：（如表3.2）表3.2 A型V带参数槽型bdhaminhfmine minA112.758.7150.3以大带轮设计为例，带轮的设计如图3.2所示：图3.2 带轮设计图3.6 高速级蜗轮蜗杆设计3.6.1 材料选择 由于是伸臂旋转减速机构较为重要，选蜗杆（如图3.3）材料20Cr.表面淬火，硬度4550HRC；选蜗轮（如图3.4）材料ZCuSn10P1，金属模铸造。图3.3 蜗杆图3.4 蜗轮3.6.2确定在涡轮上的转矩 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度，传动中心距 （3.22）确定作用在涡轮上的转矩 根据要求可知，蜗杆头数一般选择1、2、4、6，在此，我们选择，那么蜗轮的齿数。查工具书可知， 。则 （3.23）（1）确定载荷系数因工作载荷较稳定，故取载荷分布系数，查机械设计手册选取，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数所以载荷系数 (3.24)（2）确定弹性影响系数查机械设计手册，可知 (3.25) （3）确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值为0.35，查机械设计手册可知（4）确定许用接触应力 查表3.3 铸锡青铜涡轮的基本许用接触应力表3.3 铸锡青铜涡轮的基本许用接触应力涡轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140根据所选材料，确定许用接触应力:。 应力循环次数: (3.26)其中为工作寿命: 寿命系数: (3.27)则 则中心距为: (3.28) 取，因，查机械设计手册取模数，蜗杆分度圆直径 。这时，从机械设计手册查得接触系数，因为，因此以上计算结果可用。3.6.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 （1）蜗杆轴向齿距：，直径系数， (3.29) 齿顶圆直径：， (3.30)齿根圆直径：， (3.31)分度圆导程角：。 (3.32) （2）蜗轮蜗轮齿数，变位系数。 (3.33)传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径： (3.34) 蜗轮喉圆直径： (3.35)蜗轮齿根圆直径： (3.36)蜗轮咽喉母圆半径： (3.37) （3）校核齿根弯曲疲劳强度查机械设计手册可知： (3.38) 式中，蜗轮齿根弯曲应力，单位为 蜗轮齿形系数，可由蜗轮的当量齿数和蜗轮的变 位系数得出。 蜗轮的许用弯曲应力，单位为当量齿数 (3.39) 根据，由机械设计手册可知许用弯曲应力 从机械设计手册可知， (3.40)寿命系数 (3.41) 弯曲强度是满足的。3.7 低速级蜗轮蜗杆设计3.7.1 材料选择： 由于是伸臂旋转减速机构较为重要，选蜗杆材料20Cr.表面淬火，硬度4550HRC；选蜗轮材料ZCuSn10P1，金属模铸造。3.7.2 确定涡轮上的转矩： 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，校核齿根弯曲疲劳强度，传动中心距 (3.42) 确定作用在涡轮上的转矩根据要求可知，蜗杆头数一般选择1、2、4、6，在此，我们选择，蜗轮的齿数。查表得。则 (3.43) （1）确定载荷系数:因工作载荷较稳定，故取载荷分布系数，查机械设计手册选取，由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数所以载荷系数 （2）确定弹性影响系数：查机械设计手册，可知 (3.44) （3） 确定接触系数：先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距的比值为0.35，查机械设计手册可知 （4） 确定许用接触应力： 查表3.4 铸锡青铜涡轮的基本许用接触应力表3.4 铸锡青铜涡轮的基本许用接触应力涡轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造128140根据所选材料，确定许用接触应力:。 应力循环次数: (3.45)其中为工作寿命: 寿命系数: (3.46)则 则中心距为: (3.47) 取，因，查机械设计手册取模数，蜗杆分度圆直径。这时，从机械设计手册查得接触系数。因为，因此以上计算结果可用。3.7.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸： （1）蜗杆轴向齿距：， (3.48) 直径系数：， (3.49) 齿顶圆直径：， (3.50)齿根圆直径：， (3.51)分度圆导程角：。 (3.52) （2）蜗轮蜗轮齿数，变位系数。 (3.53）传动比，这时传动比误差为，是允许的。蜗轮分度圆直径： （3.54）蜗轮喉圆直径： （3.55）蜗轮咽喉母圆半径： （3）校核齿根弯曲疲劳强度查机械设计手册可知： （3.56）式中，蜗轮齿根弯曲应力，单位为 蜗轮齿形系数，可由蜗轮的当量齿数和蜗轮的变位系数得出。蜗轮的许用弯曲应力，单位为当量齿数 （3.57）根据，由机械设计手册可知螺旋角系数许用弯曲应力 （3.58）从机械设计手册可知，寿命系数 （3.59） （3.60） （3.61）弯曲强度是满足的。至此，伸臂式焊接变位机翻转机构设计完成。4 工作台回转机构的设计4.1 总体传动方案简图如下图4.1图4.1 总体传动方案简图4.2 选择电动机由要求的额定功率查机械设计手册第五册，我们选电动机，其额定功率，额定转速1500r/min，满载转速1380r/min。确定传动比根据电动机满载转速和工作机转速即可确定传动装置的总传动比： （4.1）接下来我们面临的问题就是如何合理的分配各级传动比。综合考虑前面介绍的五点内容选带传动的传动比。对于两级蜗杆减速器，为了使结构紧凑，应使。所以取第一级蜗轮蜗杆的传动比为18，第二级蜗轮蜗杆的传动比为40。传动装置的实际传动比由于受到各种因素的影响，因而与要求的传动比常有一定的误差，一般情况下，所选用的传动比应使工作机的实际转速与要求的转速的相对误差在范围内即可。设带传动的传动比为，第一级蜗轮蜗杆的传动比为，第二级蜗轮蜗杆的传动比为。则工作机的实际转速 （4.2） 而：所以该传动比选择合适。4.3 计算传动装置的运动和动力参数传动装置的运动和动力参数，主要是指各轴的转速、输入功率和输入转矩。它们是进行传动设计的重要依据。4.3.1 传动系统中各轴转速n（r/min） （4.3） （4.4） （4.5） 4.3.2 各轴输入功率P（kW） （4.6） （4.7） （4.8）4.3.3各轴转矩T（N）： ； （4.9） （4.10） （4.11）4.4 V带轮的设计计算4.4.1 确定设计功率 查工具书可知,则 （4.12）4.4.2 选择V带型号：对结构尺寸无严格要求，可选普通V带。根据和，查工具书选择Z型V带。4.4.3 选择带轮直径由工具书查得Z型V带最小直径，应使，考虑小带 轮转速不是很高，结构尺寸又没有特别限制，取。验算带速 （4.13）带轮择合适。 所以：4.4.4 确定中心距和带长L 设计条件中没有限制中心距，故可初选中心距。由式 得 （4.14） 初选300mm，则带长： （4.15）查工具书圆整于是中心距a+， （4.16）A的调整范围： （4.17）4.4.5 验算小带轮包角 （4.18）所以中心距选择合适。4.4.6 确定V带根数z 查工具书得： （4.19）查工具书得：0.3kW，, （4.20）查工具书得：0.173410，1.1373， （4.21）则：0.03kW。 （4.22）查工具书得：0.96， 1.11， （4.23） 带入计算公式得：， （4.24）选z2， 符合推荐轮槽数。4.4.7确定初拉力 查工具书得： （4.25）查工具书得：q0.06kg/m, (4.26)带入公式得： （4.27）4.4.8 作用于轴上的压力查工具书得：。 (4.28)4.4.9 带轮结构设计根据选择V带的类型（Z型）查工具书的以下参数（如表4.1）：表4.1 Z型V带参数槽型bdhaminhfminefminZ8.52.007.0120.37以小带轮为例设计如下图4.2：图4.2 小带轮设计简图4.5 高速级蜗轮蜗杆设计4.5.1 材料选择 由于是伸臂旋转减速机构较为重要，选蜗杆材料20Cr，表面淬火，硬度4550HRC；选蜗轮材料ZCuSn10Pb1，金属模铸造。4.5.2 确定许用应力应力循环次数：， （4.29）查工具书得，则 （4.30） 4.5.3 选择齿数 ：根据传动比参考工具书2，则。4.5.4 按齿面接触疲劳强度设计查工具书得： （4.31）查工具书得：载荷系数K （4.32）查工具书得：。 （4.33）由于 较低，估计取 （4.34） 由于载荷平稳，通过跑合可以改善偏载程度，所以取所以载荷系数K， （4.35）而，查得 ，则 （4.36）按照接触强度要求： （4.37） 查工具书可选出m3.15mm，35.5mm， （4.38） 。q=11.7,x=-0.1349 （4.39） 则 中心距。 (4.40)4.5.5 验算处设参数 （4.41） 原估计，选合适。4.5.6 验算齿根弯曲疲劳强度查工具书得： （4.42） 蜗轮当量齿数， (4.43)于是查得齿形系数2.6，而，带入计算式可得 (4.44)满足弯曲疲劳强度的要求，所以传动件选择合适。4.5.7 蜗轮蜗杆几何尺寸的计算 蜗杆齿顶圆直径： (4.45) 蜗杆齿根圆直径： (4.46) 蜗杆齿宽： （4.47） 蜗轮吼圆直径： （4.48） 蜗轮齿根圆直径： （4.49） 蜗轮咽喉母圆半径： ， （4.50）4.6 低速级蜗轮蜗杆设计4.6.1 材料选择 由于是伸臂旋转减速机构较为重要，选蜗杆材料20Cr，表面淬火，硬度4550HRC；选蜗轮材料ZCuSn10Pb1，金属模铸造。4.6.2 确定许用应力应力循环次数：， （4.51）查工具书得，则 （4.52）4.6.3 选择齿数 根据传动比参考工具书1，则。取，实际传动比4.6.4 按齿面接触疲劳强度设计：查工具书得： （4.53）查工具书得：载荷系数K （4.54）查工具书得：。 (4.55)由于 较低，估计取 由于载荷平稳，通过跑合可以改善偏载程度，所以取所以载荷系数K， (4.56)而，查得 ，则按照接触强度要求： (4.57) 查工具书可选出m4mm，40mm，q10.66， 。 。 (4.58)4.6.5 验算处设参数 (4.59)原估计，选合适。4.6.6 验算齿根弯曲疲劳强度 查工具书得： （4.60）蜗轮当量齿数，变位系数x=-0.500查表得： 齿形系数2.88，而，带入计算式可得 （4.61） 满足弯曲疲劳强度的要求，所以传动件选择合适。4.6.7 蜗轮蜗杆几何尺寸的计算： 蜗杆齿顶圆直径： (4.62) 蜗杆齿根圆直径： (4.63) 蜗杆齿宽： (4.64) 蜗轮吼圆直径： (4.65) 蜗轮齿根圆直径： (4.66) 蜗轮咽喉母圆半径： (4.67) 至此，工作台回转机构的减速器设计完成。5 结论本文的主要研究对象是伸臂式焊接变位机。伸臂式焊接变位机包括回转机构，倾斜机构及底座等几部分，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7。5.1本文所做的主要工作以如下 （1）伸臂式焊接变位的总体设计 （2）伸臂式焊接变位机翻转机构的设计 （3）伸臂式焊接变位机回转工作台的设计5.2伸臂式焊接变位机主要
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