毕业设计（论文）-两轴焊接变位机设计

1/25届学生毕业论文（设计）存档编号：毕业论文（设计）论文题目（英文）学院专业姓名学号指导教师年月日目录30109_WPSOffice_Level1第一章绪论 431985_WPSOffice_Level21.1课题研究的背景 56581_WPSOffice_Level21.2课题研究的目的和意义 627098_WPSOffice_Level21.3课题设计的初始参数 62572_WPSOffice_Level1第二章焊接变位机的方案设计 711206_WPSOffice_Level22.1焊接变位机械的分类 725363_WPSOffice_Level22.2焊接变位机的功能及结构形式确定 815727_WPSOffice_Level1第三章驱动系统的分析与介绍 1127777_WPSOffice_Level23.1液压驱动系统的介绍 1110246_WPSOffice_Level23.2电机驱动系统的介绍 1220918_WPSOffice_Level23.3减速电机的介绍 1423705_WPSOffice_Level23.4回转台的设计与计算 143594_WPSOffice_Level23.5倾斜台的设计与计算 181431_WPSOffice_Level1第四章主要零件的校核与计算 2113505_WPSOffice_Level24.1旋转主轴计算与校核 2131104_WPSOffice_Level24.2轴承选型与计算 2314719_WPSOffice_Level24.3变位机底座的结构设计 251_WPSOffice_Level1总结 2717771_WPSOffice_Level2致谢 2825872_WPSOffice_Level1参考文献 29

H型两轴焊接变位机设计摘要：服电机搭载关键词：焊接变位机、伺服电机、DesignofHtypetwoaxisweldingpositionerAbstract：WeldingpositionchangermainlyUSESthefieldiscoordinatestherobottorealizetheautomaticwelding.Themainpartoftheweldingpositionerisarotarymechanism,aturningmechanismandabase.ThegraduationdesignforHtwoaxialdisplacementofweldingmachineiscalculatedandmodeling,mainlyelaboratedthefunctionofthedisplacementofweldingmachine,andmeetthefunctionforstructuredesign,adetailedanalysisofthedisplacementofweldingmachinedriveunit,determinetheservomotorwithreducerasthemaindrivesystem,andthedesignofthesystematicanalysistogeneratecalculationreport,theelectriccontrolunitselectionofservomotor,reducer,andthroughtherelevantmodelingsoftware,usingtop-downdesignprincipleofdisplacementmachinestructuremodelingandassembly,intuitiveshowmodelingstructure,byintegratingtheorywithpractice,Strengthentheirownstructuralanalysisanddesignofthecalculationandlearningability.Systematizedthroughthedesign,learnmechanicaldesignindustrystandardsintheactualproductionofthetheoreticalapplication,andprovideatheoreticalbasisforthedevelopmentofthelateintothemachine.Keyword:Weldingpositionchanger,servomotor,reducer第一章绪论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。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。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，都生产与机器人配套伺服控制的焊接变位机。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11kg～1810吨。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，还生产卧式单坐单回转WPV、立式单回转RR502以及各种多轴焊接机器人配套的变位机，如立式多工位2×卧式单回转R-WPV2型（3轴）、立式多工位2×C型双回转式R-WPV2-CD（5自由度）、立式多工位2×倾翻-回转GR-WPK2（5轴）、立式多工位2×倾翻-回转×单回移动转式GR-WPK2-CD（9轴）等。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、夹具体等作成了标准模块，集合而成产品系列。80年代初期我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差、自动化程度低，只能算作机械化的焊接设备。目前焊接变位机已系列化生产，最大承载能力达100t，每年都有各种汽车、机车、工程机械部件焊接用大、中型单面回转和双面回转翻转机投运。现在我国生产焊接变位机的厂家已经不少，但大都不成规模。以变位机为主导产品发展起来的企业，尚未形成，企业应用焊接变位机也较少。天津鼎盛工程机械有限公司、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。可见，国内焊接变位机的发展空间还很大，主要向精密化、大型化、功能多样化、智能化和集成化方向发展。1.1课题研究的背景1.2课题研究的目的和意义1.3课题设计的初始参数第二章焊接变位机的方案设计2.1焊接变位机械的分类2.2焊接变位机的功能及结构形式确定按照机械结构形式可分为三种：伸臂式焊接变位机：2.2.1伸缩式焊接变位机的功能及结构形式确定伸臂式焊接变位机伸臂式焊接变位机一般使用时、求旋转比较稳定，因此伸臂式焊接变位机在设计时大多使用电机进行伸臂式焊接变位机多应用在工程机械行业中产品焊缝较多位置较为特殊且空间比较受限制的产品，比如挖掘机的挖斗、装载机的行走架等多采用此类焊接变位机。图2-2焊接变位机分类图2.2.2座式焊接变位机功能及结构形式确定座式焊接变位机一共有两个自由度，一个是一定角度倾斜的自由度，360座式焊接变位机的140座式焊接变位机图2-3焊接变位机分类图2.2.3座式焊接变位机功能及结构形式确定其可以用于尺寸较大的产品进行焊接。双座式焊接变位机由于基架占地面积较大所以整体稳定性好，倾斜轴设计时可以采用弯曲结构，通过设计计算将倾斜运动的重心50t式焊接操作机配合使用[1][2]。图2-4焊接变位机分类图简易，具体的设计过程将在下面展示。图2-5座式变位机结构图驱动系统的分析与介绍传动系统主要同伺服电机通过减速器进行减速并提升扭矩，驱动X主轴的回转工作台旋转，Z向传动系统与X向同理，也是通过伺服电机和减速器实现回转传动。本章节主要针对X向位移负载进行选择计算，确定传动系统的主要标注件：伺服电机、减速器。服电机驱动和液压马达驱动。步进电机，伺服电机也分为直流伺服电机和交流伺服电机。常见的变位机上倾斜运动也有两种驱动方式，一种是电动机+减速器减速+扇形齿轮副减速后带动工作台倾斜；另一种是直接采用液压站驱动液压缸推动工作台倾斜。以上两种驱动方式存在不同一下时对比内容。3.1液压驱动系统的介绍液压系统使用油液作为工作介质，液压系统是通过控制阀门等附件操纵液压油推动执行机构工作的整套装置。\h液压系统可以通过改变油泵功率来增大作压力。一般完整的液压系统主要由以下五个部分组成，动力元件、\h执行元件、控制元件、辅助元件和\h液压油。对液压系统进行合理的系统设计是最重要的一部分，是影响液压系统好坏的主要原因，然而液压系统中的系统元件的性能也同样是影响液压系统的一个重要原因，其次还有系统的污染防护和处理。随着我国液压技术的提高，液压系统已经越来越完善，其利用效率也在不断提高，并且我国逐渐摆脱了对国外液压技术的依赖[17]。液压系统的优点1、体积小和重量轻；2、刚度大、精度高、响应快；3、驱动力大，适合重载直接驱动；4、调速范围宽，速度控制方式多样；5、自润滑、自冷却和长寿命；6、易于实现安全保护。[21]液压系统的缺点1、油液抗污染能力差；2、对温度变化敏感；3、存在泄漏隐患；4、制造难，成本高；5、不适于远距离传输且需液压能源。[21]3.2电机驱动系统的介绍3.1.1步进电机步进电机是一种将数字脉冲信号转化为角位移的执行机构。在额定负载条件下，电机的转速、停止的位置只取决于步进电机驱动器给出的脉冲信号的频率和脉冲个数，不受负载变化的影响。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，驱动器就会控制步进电机沿着设定的方向转动一个固定的角度，这个角度称为步距角。步进电机的旋转是以固定的角度一次一次的旋转完成的。可以通过PLC控制脉冲数量和电机旋转加速度，从而达到高速移动的目的。图3-1步进电机3.1.2伺服电机伺服电机在自动控制系统中用作执行元件，把收到PLC的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。也就是说伺服电机本身具备反馈脉冲信号的功能，它每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样伺服驱动器和伺服电机编码器的脉冲形成了呼应，所以它是闭环控制，步进电机是开环控制。图3-2伺服电机4、步进电机与伺服电机的区别伺服电机步进电机在低速时易出现低频振动现象。伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。矩频特性不同；交流伺服电机的输出力矩是恒定的，而步进电机会随转速的变化而变化，转速升高，力矩下降。过载能力不同；伺服电机有过载能力当超出额定负载其输出扭矩将会降低。而步进电机没有，当超出负载电机无法正常使用，所以选型时要注意核算。运行性能不同；步进电机的控制为开环控制，而伺服电机的控制为闭环控制，因此其控制能力更好，不会出现丢步和过冲，所以精度更加高。速度响应性能不同；步进电机加速慢，然而伺服电机加速快。前者需要100毫秒，后者只需要几毫秒。本次设计为小型变位机，所以使用电机进行驱动为最佳，然后通过步进电机和伺服电机相比，伺服电机在精度以及控制方面明显优于步进电机，但是价格相对高一点，根据需要选择伺服电机作为驱动源。3.3减速电机的介绍减速器是连接机电机和工作机之间的独立的闭式传动机构。主要功能是实现降低转速和增大扭矩，以满足设备工作需要条件。在某些特点的场合也可以用来增加转速。减速器种类很多，根据本课题的工作转速和电机额定转速可以确定，需要选择大传动比的减速器。[22]减速器的种类繁多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器。按照传动级数不同可分为单级和多级减速器。按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥－圆柱齿轮减速器，按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。[22]蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。齿轮减速机具有体积小，传递扭矩大的特点。齿轮减速机在模块组合体系基础上设计制造，有极多的电机组合、安装形式和结构方案，传动比分级细密，满足不同的使用工况，实现机电一体化。齿轮减速机传动效率高，耗能低，性能优越。摆线针轮减速机是一种采用摆线针齿啮合行星传动原理的传动机型，是一种理想的传动装置，具有许多优点，用途广泛，并可正反运转。3.4回转台的设计与计算控制反应速度快。但是也存在着一些缺点如：直流伺服电动机的电刷和换向器容易磨损，需要经常维护保养，由于换向器工作的时会产生火花，而使最高转速受到不能太高；直流伺服电动机结构比较复杂，生产制造比较困难，制造成本高。因此多选用交流伺服电动机为执行元件。3.4.1回转工作台的功率计算回转轴的驱动功率计算公式：式中：——回转抽的驱动电机功率（kw）——回转轴的设计最大转速（r/min）——回转系统的传动效率——综合重量——综合中心的偏心矩，即产品允许偏离工作台回转中心的距离。——产品重量（1000kg）——回转部分重量（图纸预估测算126kg，按照150kg计算） 回转台上最大扭矩计算公式：3.4.2回转轴驱动电机的选择本次设计负载为，变位机旋转式存在偏心，电机选定为西门子子系列私服电机。,,而电机出轴的扭矩，额定输出扭矩大于回转轴上最大负载扭矩，因此满足设计使用需求。图3-3伺服电机参数表3.4.3减速机的选型本次现有蜗轮减速机，考虑到减速机设计和选型简单采用RV减速机，这类型减速机在自动化机器人行业中应用较为广泛摆线齿轮和针齿的百分之百的持续啮合设计，可实现较大冲击负载能力以及较小齿隙，因为力被均匀分散到了整个减速机齿轮。专利的两级减速机制降低了震动，因为两个摆线齿轮在以较低的速度旋转，同时缩小了的输入轴尺寸降低了惯量。只需简单地改变阶段平齿轮组合即可获得各种各样的减速比。减速器内全部使用滚动接触部件有益于实现优异的启动效率；降低磨损获得更长使用寿命并减小齿隙，高定位准确度倾斜轴上的最大力矩：经计算回转台的最大扭矩安全系数按，则安全扭矩许要根据最大数值最终寻找最接近数值，扭矩本次回转和倾斜选用减速机型号分别是：其主要的电机端输入扭矩为：(在计算数值基础上增加部分，确保安全系数。）即电机满足需用需求。图3-4伺服电机尺寸图图3-5回转台的结构示意图3.5倾斜台的设计与计算倾斜轴上的功率计算倾斜轴的驱动功率计算公式:，,通过计算得：倾斜轴上的最大倾斜力矩：轴颈工作部分的弯曲力矩：式中：通过计算可得：倾斜轴的扭矩：3.5.1倾斜台伺服电机的选型与计算，初选电机选,图3-5西门子90V系列高惯量电机选型手册3.5.2倾斜台减速机的选型本次现有蜗轮减速机，考虑到减速机设计和选型简单采用RV减速机，这类型减速机在自动化机器人行业中应用较为广泛纳博特斯克减速器包含一个专利的两级减速设计，可提供更大扭矩，以及在保证高精密度和轻量的前提下提供高减速比和高耐冲击荷载能力。RV使用滚动接触部件以摆线设计的独特针齿和RV齿轮结构减少磨损、延长使用寿命、降低背隙，使其比传统的减速机具有更强的耐冲击能力，并进一步降低背隙。减速器同样搭载了一套大型内角轴承，以实现更大的负荷能力，以便减少外部支撑设备的需求——从而减少了设计时间和安装成本。实际对称齿轮设计以及滚珠轴承支撑的所有轴，均保证使用期内的恒定性能，并允许在短时间内峰值达到额定扭矩的5倍（比如，紧急停止时）。设计优势：集成式角轴承增加了减速机的刚度，并实现了减速机支持更大外部负荷的能力。因此减少了外部支撑设备的需求，降低了所需的零件数，增加了可靠性并且降低了总成本。倾斜轴上的最大力矩：安全系数按，则安全扭矩许要根据最大数值最终寻找最接近数值，扭矩本次回转和倾斜选用减速机型号分别是：其主要的电机端输入扭矩为：(在计算数值基础上增加部分，确保安全系数。）即电机满足需用需求。图3-6伺服电机尺寸图图3-7倾斜工作台示意图主要零件的校核与计算轴的材料主要采用碳钢和45#，也可采用球墨铸铁。碳钢有足够的强度，芯部有一定韧性，淬火调制之后对能承受一定的弯矩应力，对应力集中不太敏感，便于进行机械加工和表面加硬处理，价格低廉，应用广泛。根据具体设计使用一般轴，可用30#、45#、50#等牌号的优质中碳钢（数字主要代表含碳量），其中最常用的为45号钢。其加工方便、性能优良，但缺少一定抗剪强度，因此可进行淬火调制处理，淬火不应太高一般28-32°即可，温度处理过高，加强硬度的同时降低抗弯能力易断裂，对于轻载或承载能力比较轻的轴，可不必采用此工序，对于钢板的取材一般A3(Q235)、A4等普通碳素钢。特殊强度、抗拉、抗剪场合的轴可采用合金钢，合金钢的主要作用是加入少量的稀有元素用提高合金钢的耐磨性、表面硬度等，而淬火调制的原理主要降低含碳量和改变金属内部的组织形式，合金钢性能强，主要用于转速高、受力比较大的场合，而且同比尺寸大小的轴，合金钢的质量比45#要轻很多。而且正是加入的少量的稀有金属，合金钢不仅强度上更好而且更能适应一些特殊场合：酸碱环境下、高低温环境，则更宜用合金钢来制造。在具体设计要充分考虑相关使用工况、价格、加工难度，更应合理的进行综合考量。4.1旋转主轴计算与校核①回转轴的强度计算2.12AAyMx和My合成的：Mx=G1h+G2esinβ,My=G2ecosβ考虑到1=sin,2=osαMw=M2+M2+M2xy=Gh2sinα+e2cos2α+2hesinαcosαsinβ式中G——综合重量；h——Aα——回转轴倾斜角，即相对机座中垂线的夹角；e——综合重心的偏心矩；β——回转轴的转角。A点截面所受的扭矩：n=osβ=sinαosβ按第三强度理论折算的当量弯矩[2]：Mxd=M2+M2+M2xy=Gh2sinα+e2cos2α+2hesinαcosαsinβ由上式知，当量弯矩是β的二元函数，根据计算和分析，当β满足：cotcot=G=G+代入数据得:h=1+2=0.4+0.2=0.m则Mxdmax=9.5kN•m。本次设计轴为短轴，但是在验算时按照长轴进行验算，轴的最小部分尺寸：外径50mm，内径30mm。通过轴扭转强度计算以及轴弯曲强度计算得出结论时符合设计要求。材料牌号热处理毛坯直径(mm)硬度（HBS）拉伸强度极限δB拉伸屈服极限δs弯曲疲劳极限δ-1剪切疲劳极限ζ-1备注45号钢调制≦200217-255（MPa）应用最为广泛650360300155图4-1弯矩结构示意图4.2轴承选型与计算\t"/item/%E8%BD%B4%E6%89%BF%E5%BA%A7/_blank"转盘轴承座引是一种将普通轴承与安装支架集成在一起的使用件，其机构紧凑，转动灵活，拆装使用方便，减少设计工作量。轴承座的材料选择可分为多种形式：工程塑料、灰铸铁、球磨铸铁、不锈钢等图4-2轴承座示意图根据主要的使用方式，主要可以分为以下几种：、立式、整体式、法兰式轴承的内圈与轴过渡配合的，精度等级参见国标的具体形式，通过整体锻压铸造加工轴承座。主轴支撑的主要方式是采用轴承座，其内部带有深沟球轴承，具体可参见，轴承座外径安装孔的大小根据相应轴承外径大小按照加工等级进行精密加工。根据其承载能力及工作条件来确定轴承座的轮毂大小进而得出外框架的安装方式，根据前面计算可知，转动轴主要受到径向力不受轴向力，因此对于轴向定位的使用可采用锁紧螺母，轴端采用轴卡的设计进行轴向间隙的调节。根据相应的使用工况和转速载荷要求来选用相应的轴承和轴承座，其作为一款标准件具体的选用方式可参见机械设计手册进行选取。本课程设计采用中等承载能力的轴承。具体的尺寸规格为为。图4-2轴承座选型示意图此次选的的轴承时国标带座轴承，在设计时其3D模型可以直接从麦迪设计宝里面调取。其加工件根据这些调取的标准件进行设计。4.3变位机底座的结构设计变位机底座采用焊接框架，主体材料使用Q235刚才。框架焊接完成后需要使用去除残余应力，然后上双头堂床上进行轴承座安装面加工。以确保两个安装面平面度以及同轴度要求。框架焊接加工完成后表面喷涂黄色油漆，以示安全提醒（在安标要求中旋转转动设备应有明显警示色。）。焊接变位机的旋转底座如图2.18所示。整体采用Q235钢材焊接完成。焊接后需要对结构件进行去除残余应力。待参与应力去除后使用龙门铣床加工上部旋转轴安装基面。加工完成后以此加工面工作为双头镗床的定位基准面加工左右倾斜轴安装面。以达到平行度、垂直度、同轴度等相关工艺精度尺寸。图4-3轴承座选型示意图总结。贺老师渊博的知识，严谨的态度，丰富的生产实践经验，积极乐观的工作态度总是很好的激在本次设计过程中学习了很多的专业知识也打开了很多的眼界。比如私服电机、步进电机优缺点对比、私服电机选型以及模型下载、私服电机驱动器选型标准、RV减速机选型以及实际应用、SOLIDWORKS3D设计软件的应用等。也让我知道了什么叫做学以致用。只有参与社会生产活动中才能体现出人生价值。在以后的社会工作中我讲保持这种坚持学习的精神持续的提高自身能力。致谢四年的时间转瞬即逝，在这四年的学习和生活过程中，有艰辛也有快乐，感谢所有老师们对我的教诲。在毕业论文即将完成之际，我要向所有帮助过我的人表达深深的谢意。首先，我要感谢我的指导老师，从论文题目的选择确定到论文的写作，老师在整个过程中，对我进行认真的指导，并对我的论文进行了详细的修改，这些都使我