小管内壁TIG填丝堆焊自动化专机设计

1、毕业设计说明书（论文）中文摘要小管径内壁TIG填丝堆焊自动化专机设计本论文论述了小管内壁TIG堆焊的焊接专机的设计，主要包括滚轮架的设计、 减速器的设计等，概括起来就是机械结构的设计和电气控制的设计。此次设计的焊接专机主要用于管类零件内壁的自动焊接，采用的焊接方法为 TIG堆焊，可焊接的管径范围为200mm 1000mm,管子长度在2m左右，壁厚在 30mm左右。小管内壁TIG堆焊专机的机械结构设计部分包括直线运动机构、 防窜动机构、 送丝机构、和十字滑板四个部分。其主要内容有电动机、减速器、滚轮架、丝杆、 机架等的选择及设计等。在电气控制部分的设计中，以三菱公司生产的型号为FX0N-24MR

2、的PLC为核心，利用继电器和接近开关等对专机的焊接动作进行控制。关键词：焊接专机；TIG堆焊；机械结构设计；电气控制设计毕业设计说明书（论文）英文摘要TitleDesign of the Automatic Special Welding Machine for Filling the TIG inthe Inner Wall of the Small PipeThis article elaborated the design of special welding machine of small pipe, mainly in cluded the mecha nism desig n a

3、nd the electricity con trol desig n.This special welding machine mainly used to weld the small pipe; the welding method is TIG; the pipe s diameter scope is from 200mm to 1000pmime pipe s length is about,2he pipe s thickness is about 30mmThe mecha ni cal structure of special weldi ng mach ine of sma

4、ll pipe contains four parts, the banking mechanism, the Anti channeling mechanism, the Wire feeding mechanism and the four-bladed slide vane. The content invoIves to the electric motor, the speed reducer, the roller frame, the screw, the rack and so on.In the design of electric control system, takes

5、 the FX0N-24MR as CPU, uses the relay, proximity switch and so on to complete the con trol of special weld ing machi ne.Keywords: Special Welding Machine;TIG Surfacing; Mechanism Design; Electricity Co ntrolII刖 言 1第一章绪论 21.1焊接专机的研究意义 21.2课题的来源和要求 3第二章 小管内壁TIG堆焊自动化专机的总体设计 52.1焊接方法的选择 62.2焊接专机的电源 6第三章

6、焊接专机的机械设计 83.1焊接滚轮架的设计 8滚轮架简介 8滚轮架分类 8滚轮架结构设计及驱动方案的拟定 10焊接滚轮架主要技术参数 10滚轮直径和形式的确定 10驱动摩擦力和圆周力的计算 11滚轮支反力的计算 12驱动圆周力与支反力的分析及中心角的确定 13滚轮轴上的载荷 15轴的设计及附着力的验算 16轴承的选用与校核 17轴承端盖的设计 19滚轮处键的校核 193.2焊接滚轮架的电动机驱动功率的确定及型号选择 203.3 减速器的选择 213.4 联轴器的选择 243.5键的设计 253.6丝杆的设计 253.7焊枪的设计 283.8机架的设计 29III第四章 焊接专机的电气控制研制

7、 314.1设计思路及方案 31动作控制分析 31机械动作操作方式的选择 31控制过程的设计目标 324.2 PLC 32的接地设计 32关于FXon系列PLC的介绍 334.3继电器 344.4 接近开关的选用 344.5功能流程图 354.6 PLC控制程序 36第五章结论 38参考文献 39致谢 40IV随着制造业高科技程度的不断提高，焊接自动化技术正逐步进入人们的视线， 对其在提高生产效率和减少劳动成本方面越来越关注。一直以来，管类零件在工业 上的需求量非常的大，几乎涉及到了各行各业。因此，管内壁焊接越来越受到人们 的重视，尤其是管内壁的自动化焊接，目的是提高生产效率，减少生产成本。对

8、于 大型的管件，人们可以采用人工作业，也可以采用自动化作业。因为，大型管件的 管径完全允许人工以及机械在其内部进行作业。但是，对于直径较小的小管而言， 受其管径和壁厚的限制，利用人工在其内壁进行作业就几乎不可能了，这是就只能 采用机械作业了。那么，加大对小管内壁焊接的自动化焊接专机的研制就很是必要 了。人们在小管焊接专机研制方面取得了一定的成果，相关技术已相当成熟。但是， 普通焊接专机存在各个系统之间匹配不协调，焊接工艺精度控制差等问题，难以满 足使用性能要求高的零件的焊接，只能应用在特定的材料以及工件上。随着技术的 发展，人们对焊接专机的各个环节进行了改进，比如，电动机的型号越来越多，对 转

9、速的控制更加稳定；PLC技术灵活性和可靠性变强，使得各系统之间的协调性更 高等等。这就使得更多的焊接工艺，可以和专机结合，应用到工业生产中。TIG堆焊作为一种实惠有效的表面改性方法，已经普遍的应用到了制造生产之中。TIG堆焊在氩气等惰性气体的保护 之下，很好的避免了在堆焊层中出现气孔等缺陷，具有 保护效果好、电弧稳定、飞 溅少、容易得到高质量焊缝的特点。本次设计就是将TIG 堆焊工艺应用到焊接专机上，设计出可以在2m左右长度，直径在200mm 1000mm, 壁厚在30mm左右的管子内壁进行高效可靠焊接的专机。在此过程中，需对电动机 型号进行选择，选出转速合适并且控制精度高的电机；需设计出合适

10、的滚轮架，比 如选用合适的滚轮材料，确定轮径，设计轴以及机架等；还需对减速器进行设计， 根据它的减速比，确定减速器的形式，对零件进行设计等。在电气部分，需要完成 PLC的编程，元件的选用，接线的等。最后，进行总装，完成总装图。第一章绪论1.1焊接专机的研究意义在经济快速增长、科技腾飞的今天，焊接工艺目前正从一种传统的热加工技术， 变化为集材料、冶金、电子等多种科学为一体的工程学科。并且，随着科学技术的 发展和进步，不断的有新的理论和知识被应用到焊接技术中。一般情况下，堆焊层是用来提高钢的耐磨和耐腐蚀性能的。在控制磨损方面， 堆焊应用的非常广泛，从非常苛刻的磨料磨损，如岩石的压碎和粉碎；到使金属

11、之 间的磨擦最小化，如在控制阀中，千分之几英寸的磨损也不允许。如今，铁基合金的涂料已被广泛使用，因为铁基合金具有更高的硬度和耐磨性，特别是和镍基、钻 基合金相比，铁基合金涂料的成本更低低 。现在，涂覆技术越来越多，例如碳氮共 渗、离子渗氮、火花喷射或包覆、表面硬化、化学和物理气相沉积工艺等。涂层是 由填充金属或粉末组成，大部分是用焊接方法、热喷涂技术或两者相结合实现的。 利用钨极氩弧焊（TIG）实现合金化的技术，即通过熔化合金粉末或具有适当成分的 粉末，这种方法通常称其为表面改性。利用冶金的方法，使改性涂层的材料和碱金 属在同一时间发生熔化并互相粘合。我国相关部门公布的发展报告中，在 2003

12、年我国生产的钢总大约在2.2亿吨， 而在焊接生产上用掉的钢大约在 9000万吨。随着经济的发展，焊接制造生产用钢量 将越来越大，这就代表着，人们对提高焊接生产效率的迫切需求。众所周知，美国 是现今世界上科技和创新最发达的。他们的科学家对焊接工艺的前途做了这样的预 测，焊接仍然会是金属和其它相关材料进行连接的第一选择。从中可以得出结论， 焊接工艺技术不仅没有过时，而且还会在将来的工业生产制造中发挥越来越重要的 作用，其在生产制造中对竞争力的影响也越来越重。回顾我国焊接行业的发展历程，我国的焊接行业正逐渐进入成熟阶段，但是和 发达国家相比，我们的创新能力依然明显落后，技术创新能力非常薄弱。问题主要

13、 归结于以下几个方面：首先是焊接行业的人才的不足，在高等院校中开设焊接专业 的非常之少，而且职业培训体系还不完备，这就导致了矛盾的激化。其次是焊接研 究领域的投入严重不足和研究水平的下降，调查发现，企业的研究经费占生产总值 的比例非常的低，不足0.5%;由于研究经费的不足，就导致了大部分的企业、研究 院等在研究方向上产生了很大变化，这也就造成了整体研究水平呈下滑的趋势。另 外，焊接技术的扩散、研究成果的转化也存在很大的问题。我国焊接行业的创新， 主要是靠高等院校和研究院，而企业自身的研究和创新能力较低，这就造成了技术 在扩散和转化的过程中问题非常之多。所以，我们必须正视自身存在的问题和不足，

14、切实的解决这些问题，才能抢占先机不被淘汰。随着科技的进步，工业经济也在飞速的成长，焊接在其上的应用也越来越多， 并且自动化的成熟度也越来越高。现如今，焊接在生产制造上越发的加高效、简洁 和低耗，其总计的成本也相对变低。然而，现今的焊接工艺知识在数字控制和电源 方面有一点微不足道的创新，并没有重大的、划时代性的技术突破。比较突出的就 是在焊接自动化专机和焊接机器人上面，技术上严重缺乏创新与发展。所以，加大 对焊接专机的投入和研究就非常迫切。焊接专机在生产上意义非常重大，它焊接平 稳，有些手工难以控制的参数它能精准控制，焊缝成型和质量优良；而且还很好地 提升了生产的效率，减少了工人的劳动强度，同时

15、还使产品更新换代的周期缩短， 使得企业的生产更有计划和规律。12课题的来源和要求为了提高产品的质量，常常要在管类零件的内壁进行堆焊，要求在管子的内壁 实现自动堆焊，于是就提出了设计一台可以完成这项工作的焊接专机。众所周知，管类零件几乎涉及到了所有的制造业，管子的质量就直接影响到产 品的质量，进而影响企业的效益。所以，为了提高管件的质量，常常要在管子的内 壁堆焊其它的材料以改善管子的强度和性能。对于大型管件而言，因为其空间足够 大，所以既可以采用人工进行焊接，也可以采用自动化专机进行焊接。而对于小型 管件而言，由于受到管径和壁厚的限制，人和焊机无法进入管内，所以无法实现手 工焊接，只能采用专机自

16、动化焊接。对于此课题，首先要根据需求，提出专机的整体结构，进行整体设计，主要包 括控制箱、焊接电源和焊接设备等；然后给出部分机械图、总装图和零件图，还有 一些标准件的型号等；最后，另有电气控制部分的设计图和连接图，必须有详细的 给出。此次设计的具体要求是：设计出一台能够完成小型管件内壁自动堆焊的焊接专 机，管子的材料为16MnR，管径为200mm,壁厚是30mm,长度2000mm。采取填 丝TIG堆焊的方式，在小管的内壁堆焊上 304不锈钢。此次设计的主要内容包括机械部分的设计和电气控制部分的设计，专机设计完成后可以大大地提高生产效率，改善工人的工作环境，并且焊缝成型美观质量高第二章 小管内壁

17、TIG堆焊自动化专机的总体设计在此次的焊接自动化专机的设计任务，主要分为两个部分：机械设计部分和电 气控制设计部分。本焊接专机主要针对的是小管径的管类零件内壁的焊接，整个的动作过程为： 启动滚轮架开始转动送丝机构开始送丝并引弧施焊并且焊枪匀速移动 断电停止。本焊接专机的设计构思如图 2.1所示。图2.1焊接专机的设计构思简图由图2.1中可以看出，在焊枪向右行进时，一开始焊枪先调整好初始位置，这时 处于初始状态，然后在按动控制箱上的启动按钮后，滚轮架的电机启动，滚轮架开 始转动，同时送丝电机启动开始送丝并且焊枪起弧，然后十字滑架带动焊枪向右开 始运动，开始对工件进行焊接。当焊枪运动到管件的最右端

18、时，断电，送丝电机和 十字滑架电机停止转动，就完成了第一层的堆焊。然后，按动控制箱上的启动按钮，送丝电机启动开始送丝并且焊枪起弧，然后 十字滑架带动焊枪反向运动，即向左运行，对焊件进行第二层的堆焊。当焊枪运动到起点位置时，断电，熄弧，电机停止，此时第二层堆焊的过程就完成了在焊枪向右运行和向左运行的焊接过程结束之后，焊枪就回到了最初的位置,此时焊接专机就完成了一个完整的焊接过程在整个焊接过程中，机械部分和利用电气自动控制的部分必须匹配协调，才能 实现对管件高质量焊接。21焊接方法的选择根据所焊管件的材料和对焊接质量的要求，在此次焊接专机的设计上采用TIG堆焊的焊接工艺。TIG堆焊是在惰性气体的保

19、护下，不必要添加外部应力，然后电弧热就可以把 往里面填的焊丝还有母材熔化，生成熔池，最后形成堆焊层的焊接方法。它的原理 过程就是在一开始的时候，用很高的电压来击穿钨极和底板中间的绝缘气体。这时 在两极的中间电子会形成传导，那么就产生了电极电弧。在电流在两个电极中间能 比较稳定的传导的时候，两极之间的电弧也就趋于稳定了。然后，电弧热就可以产 生大量的热能，在热能的作用下，会使焊丝和母材金属熔化，两者融合在一起变成 熔池。当熔池和电弧稳定协调了以后，开始让焊枪进行移动，在电弧的高热能的作 用之下焊丝会一直熔化变成熔覆层，堆焊在被焊材料的表面。而在整个过程中焊枪 的枪嘴中一直喷出氩气或其它的惰性气体

20、对电弧实施保护，使得周围的空气被隔绝 开来，避免了焊缝区域被空气中的氧气等气体氧化和污染，最后就形成了质量优良 的堆焊层0TIG焊工艺有非常非常多的优点，而这里面最为突出的特点就是它最后焊接出 来的产品质量非常的高，同时焊缝还极其的美观。究其原因就是，惰性保护气对熔 池和焊缝进行了相当可靠地保护，有效地避免了焊接区域被氧气、氮气等杂质气体 的氧化和污染；还有就是钨极和母材之间产生的电弧在惰性气体之中可以非常的稳 定，这就保证了焊缝的质量和美观程度。TIG焊电源拥有陡降的外特性，这样的特性就非常的有利于焊接过程中电流的稳定。其缺点是效率低于其它方法，焊接成本 略高一些；因为钨电极的材料自身的特性

21、原因，在承载电流的能力上非常之有限， 所以这就导致了在两电极之间产生的电弧的功率受到影响，致使焊缝的熔深非常浅， 而要获得深的熔深就需要停留时间长一点，从而焊接的速度就降下来了。但是，就 目前的焊接状况看，许多产品对于焊接品质的要求高于对焊接效率的要求022焊接专机的电源此次焊接专机的电源电压为：220V，50Hz;焊机选用的是松下的品牌，型号是YC300WP5的TIG焊机。这种焊机拥有9种功能，直流脉冲TIG焊、直流TIG焊、 直流手工焊、交流脉冲TIG焊、交流TIG焊、交流手弧焊直流TIG点焊、 自动填丝TIG焊、机器人自动焊电源。WP5型号的焊机拥有控制焊接电流波形的能力，让电流随时间变

22、化而变化。通 过对提前送气，初始电流调整，电流的值会变大，电流下降及收弧处 理等焊接过程进 行一系列有效的控制，从而实现从引弧到收弧均可获得完 美的焊接品质。交流方波 新型WP5焊机用的是先进的摆动电抗器来对焊接电流进行的精准控制，这就使得 它有了对交流方波进行精确控制的能力，在很大程度上提升了电弧的稳定性，也实 现了高质量的焊接要求。此焊机的参数如表2.1所示。表2.1焊机参数表参数数值电源电压AC380V额定输出电压22.6V额定输出电流315A额疋负载持续率35%电流上升时间0 或 0.1 6s电流下降时间0 或 0.2 10s提前送气时间0.3s滞后停气时间5 25s清洁宽度37% 5

23、0%脉冲频率0.5 10Hz外壳防护等级IP21S绝缘等级H重量193kg外形尺寸465 617 846mm第三章焊接专机的机械设计3.1焊接滚轮架的设计滚轮架简介焊接滚轮架就是利用被焊工件和滚轮在两者的接触面上的摩擦力来让被焊工件 转动的装备。滚轮架通常是作为一种非常重要的焊接辅助装备，经常被应用到一些 管件或压力容器的生产厂家的生产工作中。它的组成结构主要包含有底架、主动滚 轮、从动滚轮、支架、传动和驱动置等。现如今，有大量的生产厂商把滚轮架和自 动化焊接专机两者结合起来使用，以实现自动化焊接，在很大程度上提升了生产速 度和节奏。当然滚轮架也可以和人工操作结合起来，进行一些检测和装配等。滚

24、轮架分类焊接滚轮架按结构形式分为两类：第一类是长轴式滚轮架，这一类 的滚轮架 它的滚轮被安装在两根平行的轴上面，滚轮和电动机连在同一根轴上的就是主动滚 轮，那么剩下的就是从动滚轮（图3.1），当然也有所有滚轮全是主动滚轮的，而这种大多数是被用在那些非常细的和长的管件的焊接。有的时候为了方便一些直径比 较小、管壁比较薄的管子的焊接，常常会把滚轮用长形圆柱来代替普通正常的滚轮， 以此来避免管子的变形。33-w31X33X3tM*77FFFFrr?1从动滚轮2主功滚轮3骡功装置图3.1长轴式焊接滚轮架第二类是组合式滚轮架，按传动方式不同可分为双主动滚轮架、从动滚轮架、单主动滚轮架。并且它们都是相互独

25、立分开的，可以根据实际状况和条件进行任意 的组合来适应和方便工作的进行。正是因为这种灵巧、方便和快捷，人们通常会更 喜欢这种形式的滚轮架。b) 1S 11图3.2组合式滚轮架焊接滚轮架按调节方式可分为两种：一种是自调式；一种是非自调式。第一种 滚轮架可以根据实际情况和工作环境进行自动的调节滚轮的间距；而这种滚轮架最 核心的部件就是差动滚轮。差动滚轮的工作原理就是，在管子直径变化时，管子的 重量会迫使滚轮自动调节中心距，以此来使得管子获得平衡。第二种滚轮架通常是 靠滑轨或滑架来调节滚轮的距离，从而实现对管子的支撑。主动滚轮运转由两台电动机分别驱动运转，通过调 速电动机，调速控 制器通 过变频调速

26、或电 磁调速实现 无级变速。可以通过丝杠或螺钉分档来调节滚 轮间距，以满足不同规 格工件焊接要 求。n调兀焊按滚轮架非n调式埠接滚轮架图3.3自调式与非自调式滚轮架滚轮架结构设计及驱动方案的拟定结合本设 计的实 际数据及要求，工装 采用非 自调式滚轮架。为了避免出现差 动和速度不协调的情况，决定用一个电机通过一根轴来带动三个滚轮，传动方案设 计如下图3.3所示。图3.4传动方案图焊接滚轮架主要技术参数额定载重量：0.6t工件直径：200 1000mm滚轮圆周速度：6 60m/h滚轮直径和形式的确定根据此次设计的实际情况和具体要求，结合表3.1确定滚轮的直径为200mm表3.1滚轮直径选择表滚轮

27、直 径/ mm额疋载重量xt筒体工件直径/mm0.6 2 6102560 100160250最小直径最大直径200+2001000250+ +2501600315+3152500400+4003150500+ +5004000630+ +6305000800+ +80063001000+100080001250+1250滚轮形式的选择:10在这次的设计中额定的载荷是 0.6t，那么从表3.2可以判断出，此次设计应该使 用胶轮。但是因为橡胶轮自身材料性质的原因，在滚轮的边缘会经常出现裂纹等破 坏和失效形式。为此，在设计滚轮的时候决定在橡胶轮的两侧留出15度的倒角，这样就可以在滚轮受到很重的压力的

28、时候，有足够的空间让橡胶轮来变形，很好的防 止了裂纹的产生。此外，还在橡胶和金属的结合部分加了一些工艺设计，来增加它 们的结合强度，大大提高了滚轮的性能。本次所设计的滚轮直径为 200mm,宽度为150mm。表3.2滚轮形式选择表类型特点使用范围钢轮承载能力强，制造简单一般用于重型焊件和需预热处理的焊件以及额定在和大于60t的滚轮架胶轮钢轮外包橡胶，摩擦力大，传动平稳但橡胶易压坏一般用于10t以下的焊件和有色金属容器组合轮钢轮与橡胶轮相结合，承载能力比橡胶轮高，传动平稳一般多用于1060t的焊件履带轮大面积履带和焊件接触，有利 于防止薄壁工件的变形，传动 平稳但结构较复杂。用于轻型，薄壁大直径

29、的焊件及有色金属 容器驱动摩擦力和圆周力的计算图3.5焊接滚轮架受力简图如图3.5所示为典型滚轮 焊件的受力图，图中，2是一排主动滚轮，3是一排从11动滚轮。把一个重量是 G,偏心距等于零的标准圆筒，平稳放置在滚轮上那么主动滚轮和从动滚轮上受到的支反力是相等的，即G _gDrf 2cos 二2、(D Dr)2-L22式中a中心角；D焊件直径；Dr滚轮直径；L主、从动轮之间的横向距离。当偏心 距e=0时，滚轮切向摩擦力as i n-FFG2bsi n +c os -1式中(3.1)(3.2)式中:-中心角；与滚轮几何尺寸和材料有关的系数，且Drfdr 2J(3.3)Dr滚轮直径;dr滚 轮轴直

30、径,初取dr= 50mm ；f 滚轮与滚 轮轴的摩擦因数(滚动轴承f= 0.02)；J 滚轮与焊件表面之间的摩擦因数，这里取卩=.5滚轮支反力的计算放在滚轮架上的滚筒转动时，驱动圆周力F1和F2将使支反力Ff1、Ff2发生变化。 在理论上，焊 件只有 按图3.5所示的方向转动时，在R、F2力作用与反作用的原 理 下，才会使Ff1、Ff2数值增大，而且变大的程度常常 会比受a角增加或摩擦因素f、 卩增加的影响而增大的程度还要大。如果焊 件顺时针转动，那么R、F2方向是向上 的，Ff1、Ff2数值会对 应的变 小。所以，计算滚轮最大 支反力时，应以上图所 示的焊 件重心位置和转向为准进行计算。经公

31、式推导得:12FfiFf2c a 2c o s-2 _,ECOSi +.a , a . as i nbc o-s s i n-2 2 22CO$+.as i n-2bc os -s i n-2 2 一(3.4)(3.5)当F0时Ffi = Ff22cos2 ILasin2bcos 兰-si n 上2 2 一(3.6)经过数据代入计算：可以得出 b=25mm, Ffi=Ff2=5584.5N, Fi=F2=222N驱动圆周力与支反力的分析及中心角的确定0 2060 1 00 )40 ISO图3.6 Kf与a的关系曲线1圆锥滚子轴承2 滑动轴承如图3.6所示是单位焊 件重量 圆周力Kf与中心角a的

32、关系 曲线。两条曲线都是 用滚轮直径 Dr =410mm ,滚轮轴径d 70mm的标准组合 式滚轮 架作出的，但曲线 1是用圆锥滚子轴承进行试验和计算最后用计算机软件进行分析得出的， 其中轴承的 诱导因数f =0.02，滚轮和轴的滚动摩擦因数J = 3mm ;而曲线2是用滑动轴承进 行试验和计算最后用计算机软件分析得出的， 其中f=0.1,卩=3mm圆周力F1是根据 公式e130度时，经计算机处理分析发现，支座 反力和 驱动圆周力变大的速 度非常之快，a在160- 165度时达到奔溃值，因此a角的许用上限应小于130度, 一般不超过120度。4） 在同一 a值情况下，选用的轴承的形式对驱动圆周

33、力的影响非常的大，但是 支反力变化不大。那么，考虑到经费和环保的问题，在设计中应该选用的轴承为滚动轴承的焊接 滚轮架。另外，在中心 角的确 定方面最好小于120度。中心角的使 用下限，主要受焊件 静载稳定性的制约。如图所示，当a角给定后， 偏心距只有满足14D , :/ 小、e sin（3.7）2 2焊件才能平稳的运行。根据实际的情况和现实的条件，考虑到焊件的窜动和打滑等问题的存在，为了 让焊件能稳定在滚轮上面，通常就会限制中心角a在40度之上。本次设计的0.6t的滚轮架，它的滚轮直径为选定的是 200mm，焊件的直径大小 在200 1000mm。当中心角a 130度时，有上面的分析可知，工件

34、会严重的失稳； 对应的，当a角太小时，工件会有窜动和滚落等问题。因此，在实际应用中为使焊 件能在滚轮上保持平稳，a应小于40度。根据焊接滚轮架的行业标准规定，中心角 般在a应在45 110度范围内选取。由中心角a的取值范围，工件直径的确定区间，经过三 角函数 关系计算得出：当工 件直径 为200mm时，两滚 轮间距 在152mm 328mm之间合适。当工 件直径 为1000mm时，两 滚轮间 距在456mm 984mm之间合适。因此两滚 轮间距 的调节范围选 定为：205mm 600mm。在计算时选取a的最大允许值110度。滚轮轴上的载荷在经过上述公式的计算之后，已经算出公式（3.2）和（3.

35、6）的值，那么再根据 这些值可以算出每个滚 轮和轴径上的计算载荷为Ffi +F12R=Kp（3.8）JF：2 卄22P2Kp（3.9）ip式中R 作用在一个主动轮上的载荷；F2 作用在一个从动轮上的载荷；ip 同一列上的滚轮座数量；Kp 载荷作用不均匀系数，当ip =2时，Kp =1 ；当ip3时，Kp=1.2-1.3。 经过计算得出F1=F2=2794.5N根据公式（3.8 ）和（3.9 ）算出F1和F2的值后，应根据F2的作用对从动轮弯15曲强度进行计算；对 于主动轴，则应按Pl作用下的弯曲力矩Mw和传递扭矩Mn来计算。公式如下所示_ Dr Mn 二 FlrJf时 F12Kp2(3.10)

36、式中Mn轮轴的扭矩；Fl滚轮切向摩擦力；Dr滚轮直径；f滚轮与滚轮轴摩擦因数;Ffi主动滚轮上的支反力； Kp载荷作用 不均匀系数； ip同一列上滚轮座数量。经过计算得出：Mn=122.88轴的设计及附着力的验算根据此次设计中对轴的设计可知， 两轴承中心点间的距离L=800mm,那么在P 的作用下，主动滚 轮轴的弯 曲力矩为- P*L 2794.5*800“*5“M w5.59* 10 N m44又因为每一轮轴的扭矩 Mn=122.88N m ,所以主动滚轮所受的当量弯矩 M M2w M： =5.7 105N m按以下公式进行计算，即按纯扭矩并降低许用扭矩切应力确定轴径d:dmin = 310

37、M = 26.8mm在这次的设计中主动滚轮轴选用 45钢制成，ob=590Mpa，许用安全系数nb=2, 那么Q = ob/nb=590Mpa/2=295Mpa,这就意味着主动滚轮轴的轴径只要大于 26.8mm， 就满足安全需求。附着力验算：对摩擦因素进行校核，焊件在滚轮上的有效摩擦因数f应满足：f p 一 fp 丨(3.11)F f116式中:f在滚轮架上的有效摩擦因数；fp焊件在滚轮上的许用摩擦因数，采用橡胶轮时，取fp=0.3因为f=222/5584.5=0.04 fp，所以附着力满足设计要求。轴承的选用与校核按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承 和滑动轴承两大类。滑动轴 承，在

38、滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。这种轴承用液体进行润滑，在它的表面形 成的油膜可以很好的保护，减少表面的破坏。它的缺点是维护复杂，对润滑条件高。 滚动轴承产生的摩擦性质主要是滚动摩擦，这种轴承可以非常好的避免磨损的发生， 从而对工件起到保护的作用。阿图3.8滚动轴承图与滑动轴承相对照，滚动轴承使用维护相当的便利，工作可靠，起动性能好， 在中等速度下承载能力较高。此次设计的0.6t的焊接滚轮架，根据其滚轮轴径45mm，决定选用圆柱滚子轴 承，型号为N209E。轴承的寿命计算：轴承预期寿命选择如下表所示：17表3.3轴承寿命表使用场合Lioh不常使用的设备500短期或间断使用

39、的机械，中断不致引起 严董后果40CKT8000间断使用的机械，中斷会引起严重的后 果i8Q001400Q每天8小时工作的机械和不经常满载工 作的机械140003000024小时连续工作的机械&0000-60000(3.12)因为是0.6t的焊接滚轮架，设滚轮架上工件为0.6T计算 当量动载荷：P 二 Kp（XR YA）式中:Kp动载荷系数（查机械设计 基础知，平稳或轻 微冲击时，Kp为1.01.2, 取Kp =1.2进行设计）；R 径向载荷；A轴向载荷；X 径向载荷系数（查机械设计基础知， X = 1）；丫轴向载荷系数；因为采用的是圆 柱滚子轴承，所以轴 向力为0。则 P=KpR=KpFf1

40、轴承寿命为:106(C 屮(3.13)I60n 14000- 30000h。所以，轴承的使用寿命足够，满足要求。18轴承的强度校核:为了防止轴承有比较大的塑性变形，应进行静强度计算。P0 =XoR+YoA（ 3.14）式中：R、A轴承所受径向 载荷和轴向 载荷；X。、Yo径向载荷系 数和轴向载荷系 数（查机械设计课 程设计知，X。=1，丫。= 0）0经计算，Po =5584.5N当量 静载荷应满足：Po 半（3.15）S0式中：Co 基本额定静 载荷（查简明机械设 计手册知，Co二63.8KN ）;So 静载荷安全系数（查机械设计基础知，So =o.9 ）o 经计算，Co/So =70888.

41、9, Po : Co/So，所以轴 强度满 足要求。轴承端盖的设计查资料得知轴承座孔的直径为 85mm，根据这个值再从机械综合课程设计附 表-._1中查得，轴承端盖螺钉的直径d3 =8mm，螺钉的数目是4个。根据机械综合课程设计附表-5，可知：D4 = D -10-15得 D4 - 70mm ;Do = D 2.5d3Do = 105mm ;e=1.2d3e=9.6mm；D2 = Do 2.5d3D2 = 125mm。滚轮处键的校核因为 Mn=122.88Nm,所以轴处受力 ，又键的截面积为 S=b*h=14*10-3*9*10 -3=1.26*10-4，该键在截面积上许用剪切应54力 F=2

42、*10 *1.26*10- =25.2N, 3.66N25.2N，因此键的强度符合要求。193.2焊接滚轮架的电动机驱动功率的确定及型号选择电动机的驱动功率:(3.16)M nn9950式中M n主动滚轮轴 的传递扭矩；n主动滚轮的 转速，即许用最 高转速（r/min）；传动机构总 效率，若有一级蜗杆传动时， =0.4。由于我国在1990年颁布了焊 接滚轮架的行业标准（ZB/T33003-1990），该标 准对滚轮架和滚 轮形式进行了分类，并规 定主动滚 轮的圆周速 度应在6-60m/h范 围内无级可调。所以，主动滚 轮按最大 线速度进行计算：主动滚轮转速：(3.17)60m/h n 二60

43、二 R式中n主动滚轮的转速;R滚轮半径；经计算：n = 0.159 1.59 r / min所以N=0.048KW因为是一根轴带动两个滚轮，所以取 N=0.096KW。上面计 算的电动 机的功率为0.096KW，但是 根据实 际情况，需 对电动 机的功 率进行放大。应根据下表进行放大和选择，来确定电机的最小功率。表3.4不同吨位焊接滚轮架电动机最小功率表额定载重量（ X1）/t0.626102560100160250电机最小功率/kW0.40.7511.41.42.22.82.85.6根据上述情况，又考虑到对转速的控制与反馈，决定选用伺服电动机:20型号：SM13010015 LFB，功率：1

44、.5KW，转速：1500r/min根据公式i 二匹=943n滚轮式中：i传动比；n电电动机转速 ;n滚轮滚轮转速。根据总传动 比i =943，决定选用两 台蜗杆减速 器进行减速，两台减速器的传 动 比都为30。3.3减速器的选择这次设计中，减速器是从减速器技术手册中直接选取的成品。考虑到最后 整体的安装和匹配，决 定选定中 心距为120mm。再根据工作条 件：工作平稳无 冲击，低速，小扭矩，每天工作10小时。根据减速器实用技术手册：与滚轮相连的减速器选用型号： WD 12030 I，外形尺寸查看了减速器实 用技术手册表212,是蜗杆在蜗轮之 下的圆柱蜗 杆减速 器。与电动机相 联的减速 器选用

45、型号：WS 120 30 I，外形尺寸查看了减速器 实用技术手册表216,是蜗杆在蜗轮之上的蜗杆减速器。减速器的适用条件是：蜗轮滑动速度应不大于7.5m/s，高速轴的转速应不大于1500r/min,工作的环境温度在-4040度之间9。根据传动比，确定蜗杆和蜗轮的尺寸，比如模数、分度圆、齿根圆等的值，然 后是外壳的设计，查阅了机械工程设计类的书籍，确定了厚度是10mm。还有蜗杆和 蜗轮轴上的键槽的位置和大小的确定，都参考了机械综合课程设计。蜗杆和涡轮轴 的长度为自行设计，各段的直径也是参考后自行设计的。蜗杆在下的减速器和蜗杆 在上的减速器，两者的蜗杆和蜗轮的尺寸大小都一样，所不同的是在外形和尺寸

46、上。 蜗杆在下的减速器蜗杆如图3.9所示，蜗轮如图3.10所示，涡轮轴如图3.11所示， 整体的装配图如图3.12所示。蜗杆在上的减速器如图3.13所示。21图3.9蜗杆图图3.10蜗轮图22图3.11涡轮轴图图3.12蜗杆在下减速器装配图23图3.13蜗杆在上减速器图3.4联轴器的选择此次设计中联轴器的选用，主要考虑了其在扭矩和弯矩上的性能特点，参考了 机械设计与制造简明手册，综合考虑后决定选用以下的联轴器10。与电动机相 连的联轴器采用NZ挠性爪形联 轴器,再根据轴径大 小查机械设 计与制造 简明手册选用代号为 ，型号NZ4。与滚轮相连的联轴器采用凸缘联轴器再根据轴径大小查机械设计与制造简

47、明 手册选用YL9型。两蜗杆减速器之间采用凸缘联轴器，根据轴径大小查机械设 计与制造简明手册选用YL9型凸缘联轴器。24表3.5联轴器选择表公称扭矩轴径范最大转速范名称特点应用条件范围围围凸缘连轴器 1020000NZ挠性爪型联 25600轴器十字滑块联车由 12020000器10180140013000156538001000015150100250结构简单，成本低 可传动较大扭距， 但不等消除冲击。对所连两轴间的 偏移缺乏补偿能 力外形尺寸小，飞轮力矩小结构紧凑，尺寸小，寿命长。但制造比较复杂经常用于荷载平 稳有轻度冲击的 条件下，链接低速 和刚性不大的两 轴。用于小功率，高转速，没用急剧

48、冲击载荷的情况下无较大冲击，转速 不高的，存在两轴 径向相对位移时 采用图3.14联轴器3.5键的设计在此次的设计中键的联接采用普通平键11的联接，因为这种键的应用最广。此 次设计中采用圆头键，在尺寸方面参考了机械综合课程设计附表 C-17。3.6丝杆的设计所谓丝杠传动就是由丝杠副 联接相邻构件而组 成的传动机构。在机 械传动中,丝杠副是较常用的机构之一。最常见的丝杠副为滑动丝杠副和滚珠丝杠副25滑动丝杠副有以下特点：1）结构简单，制造容易。由于滑动丝 杠副为一般的丝杠、螺 母所组成，故其结构简单，制造容易。2）减速传动比大由于当丝杠转过一圈 时，螺母只移动 一个导程，而导 程可以做 的很小。

49、因此， 可以做到很大的减速比。3）运转平稳由于丝杠与螺 母的啮合是连续的而 且同时啮合的圈 数较多，所以其运转平 稳、 无噪声。但低 速或微 调时可能出现爬行。滑动丝杠副的材料：考虑到此次设计的焊接专机所适用的是小管的焊接，因为它的重量不是很大， 摩擦力也不是很大，所以在设计丝杠的时候只要考虑强度和耐磨性就可以了。根据 设计经验和计算，最后选定用 调质处理 的45号中碳钢来做丝杠。如图所示，螺母的螺纹分两段设计，左段螺纹左旋，右段螺纹右旋。这样才 可以保证调节滚轮间距的功能。对螺纹的技术要求是：初车螺纹后，时效处理。一 个螺距误差不大于0.025，螺距最大积累误差：在小于25时，不大于0.03

50、5，在小于 100时不大于0.05。图3.15丝杠设计图26最终的滚轮架草图如图3.16所示，滚轮架的主动滚轮座如图3.17所示，从动滚图3.16滚轮架草图27图3.17主动滚轮座图3.18从动滚轮座283.7焊枪的设计因为这一次是自动化焊接专机的设计，所以对焊枪的设计就尤为重要。这次设 计的焊接专机，在工作时，焊枪要往管件里面运动，所以需要焊枪在水平方向上能 够移动。因此，在设计中，将齿条和焊枪系统联系在一起，利用步进电机带动齿条 运动来使焊枪系统在水平方向上运动。同时，用步进电机给焊枪系统送丝。把整个焊枪和送丝机构装在十字滑架上，这样就可以对焊枪的高度方向和垂直方向进行调 节，有利于焊枪初始位置的调整。焊枪系统的图如图3.19所示。图3.19焊枪系统图3.8机架的设计这次设计的机架主要是用来对焊接专机的各个部分，焊枪系统、滚轮架、减速 器、电机起到支撑和定位的作用，使得整个系统在相对位置上能够协调工作。机架 如图3.19所示。左边安装焊枪系统和滚轮架，焊枪系统和滚轮架的相对位置可以调 整，这样有利于适应不同长度的管件的焊接。右边安