毕业设计（论文）-伸臂式焊接变位机设计.doc

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1、目 录题 目 1摘 要11 引 言11.1 开发焊接变位机的意义和目的11.2 焊接变位机目前的发展状况11.2.1 国内焊接变位机的产品简介11.2.2 国外焊接变位机的产品简介11.3 本次设计的意义和工作内容22 伸臂式焊接变位机总体方案设计22.1 设计要求22.2 总体方案的确定23 伸臂式焊接变位机的设计33.1 伸臂旋转减速器的设计33.1.1 伸臂旋转减速器的传动方案简图33.1.2 选择电动机33.1.3 确定传动比43.1.4 计算传动装置的运动和动力参数53.1.5 V带轮的设计计算63.1.6 高速级蜗轮蜗杆设计93.1.7 低速级蜗轮蜗杆设计113.1.8 轴的校核1

2、23.1.9 轴承寿命的计算153.1.10 较核轴上的键的强度163.2 工作台回转机构的设计173.2.1 总体传动方案简图173.2.2 选择电机173.2.3 确定传动比183.2.4 计算传动装置的运动和动力参数183.2.5 V带轮的设计计算193.2.6 高速级蜗轮蜗杆设计223.2.7 低速级蜗轮蜗杆设计243.2.8 轴的校核263.2.9 轴承寿命的计算293.2.10 校核轴上的键的强度294 结 论 30致 谢 31参考文献 31伸臂式焊接变位机设计 学 生 专 业：机械设计制造及其自动化 指导教师：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

3、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、。以及个部分和零件的个参数的选择。伸臂式焊接变位机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；翻转机构；回转机构Style design of

4、welding positioner Name：hanqiudi Major：Machinery Automation Tutor：xiezhedongAbstract :Abstract is The welding dislodgement machine kinematic scheme design is the core content of the welds dislodgement machine plan design. But the welds dislodgement machine movement degree of freedom is the prerequis

5、ite situation. The key of welding dislodgement machine is the design of movement degree in the best position welding,such as plate or rotation design.Stretching arm-the welding dislodgement machine is rotating and turning over the specimens, in order to set the welded joint to the horizontal and the

6、 hull shape position mechanism. Stretching arm-welding dislodgement machine is one kind of the most applied widespread welding dislodgement machine, the load-carrying capacity generally does not surpass one ton. the stretching arm-welding dislodgement machine main body part is turning over the organ

7、ization, rotation organization, foundation. This design is mainly the design of the decelerating device in the turning over organization and rotating organization, as well as part and components parameter choice. Stretching arm- welding dislodgement machine is advantageous to the realization the bes

8、t position welding process, improves the working efficiency, reduces the fatigue strength and achieves the good welded joint shape.Key words:stretching arm-welding dislodgement machine;turning over organization; rotation organization1 引言1.1 开发焊接变位机的意义和目的在焊接生产中，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

9、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

10、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。因此，近年来焊接变位机得到国内工程机械行业的广泛共识，对这方面的投入都在加大。1.2 焊接变位机目前的发展状况在我国，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

11、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：1.2.1 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

12、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。1.2.2 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

13、，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。以下仅就变位机型式、第一主参数等做些介绍。(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

14、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。1.3 本次设计的意义和工作内容本次设计要完成的毕业设计题

15、目是“0.5吨伸臂式焊接变位机”。工作内容：(1) 伸臂式焊接变位机的机构设计。（2） 伸臂式焊接变位机的翻转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择、电动机型号的选择。 （3） 伸臂式焊接变位机回转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择、夹具结构的设计。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：(1)允许工件尺寸 300-1500mm(2)工作台面最大高度 1297

16、mm(3)工作台回转速度 0.05-1r/min(4)伸臂旋转速度 0.72 r/min(5)工作台最大回转力矩 750N.m(6)伸臂最大旋转力矩 1100N.m(7) 伸臂旋转锥角 452.2 总体方案的确定0.5t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、伸臂旋转减速器、旋转伸臂、工作台、工作台回转机构。其中底座、旋转伸臂、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、伸臂旋转减速器、工作台回转机构。其中皮带传动机构主要由皮带和两个皮带轮组成，在设计过程中采用皮带传动机构主要是为了实现过载保护。伸臂旋转减速器初步计划采用两级蜗轮蜗杆传动来实现减速。因

17、为两级蜗轮蜗杆传动有传动比大，结构紧凑的特点。工作台回转机构内部包含电动机和减速机构，电动机与减速机构通过皮带传动来实现过载保护。减速机构同样采用两级蜗轮蜗杆传动来实现减速。在工作台回转机构中安有测速发电机和导电装置，前者可以进行速度反馈，使工作台能以稳定的焊速回转，以便获得优良的焊缝成形。后者可防止焊接电流通过轴承、齿轮等传动零件时起弧，产生“咬伤”零件的现象。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。3 伸臂式焊接变位机的设计 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、伸臂旋转减速器的设计。2、工作台回转机构的设计

18、。下面针对这两个问题分别进行详细叙述：3.1 伸臂旋转减速器的设计。3.1.1 伸臂旋转减速器的传动方案简图： 3.1.2 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，或使电动机长期过载、发热而过早损坏。容量过大则电动机价格高，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。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

19、按照额定功率和转速的不同，具有一系列型号。对于长期连续运行的机械，要求所选电动机的额定功率应该大于等于电动机所需要的功率，即。电动机所需的输出功率为：其中：为工作机要求的输入功率，KW，为有电动机至工作机的总效率。 根据要求伸臂旋转速度为，伸臂最大回转力矩为。 由公式得：。由电动机至工作机的总效率按照下式计算：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。所以： 所以：查机械设计手册第五卷选得电动机，其额定功率，额定转速1500r/min，满载转速1380r/min。 3.1.3 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： 接

20、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。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、结构均匀合理，避免各零件的干涉及安装不便。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，甚至与机座相干涉。4、 应使传动装置的外廓尺寸尽可能紧凑。5、 传动比分配还要考虑载荷性质。综合考虑以上各因素，选带传动的

21、传动比。对于两级蜗杆减速器，为了使结构紧凑，应使，这时可取。所以取第一级蜗轮蜗杆的传动比为20.5，第二级蜗轮蜗杆的传动比为48。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（高速级）蜗轮蜗杆的传动比为，第二级（低速级）蜗轮蜗杆的传动比为。则工作机的实际转速而：所以此传动比选择合适。3.1.4 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、输入功率和输入转矩。它们是进行传动设计的重要依据。 （1）传动系统中各轴转速n（r/m

22、in）： （2）各轴输入功率P（kW）： ； （3）各轴转矩T（N）： ； 3.1.5 V带轮的设计计算:（1） 确定设计功率: 查工具书可知,则。（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。（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，所以：，符合工具书推荐的基准直径，故：带轮选择合适。（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 初选370mm，则带长：查工具书圆整于是中心距a+，A的调整范围：（5） 验算小带轮包角： 所以中心距选择合

23、适。（6） 确定V带根数z： 查工具书得： 查工具书得：0.3kW，, 查工具书得：0.173410，1.1373，则0.03kW。 查工具书得：0.96， 1.11， 带入计算公式得：，选z2， 符合推荐轮槽数。（7） 确定初拉力： 查工具书得： 查工具书得：q0.06kg/m,带入公式得：（8） 作用于轴上的压力：查工具书得：。（9） 带轮结构设计根据选择V带的类型（Z型）查工具书的得以下参数：项目符号参数值基准宽度（节宽）8.5基准线上槽深2.0基准线下槽深7.0槽间距第一槽对称面至端面的距离最小轮缘厚5.5带轮宽外径轮槽角以大带轮为例设计如图：3.1.6 高速级蜗轮蜗杆设计：（1） 材

24、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。（2） 确定许用应力： 应力循环次数：， 查工具书得，则 （3） 选择齿数 ：根据传动比参考工具书2，则。取，实际传动比（4） 按齿面接触疲劳强度设计：查工具书得： 查工具书得：载荷系数K查工具书得：。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， 而，查得 ，则按照接触强度要求: 查工具书可选出m3mm，37mm，q12.3，。 则 中心距。（5） 验算处设参数： 原估计，选合适。（6） 验算齿根弯曲疲劳强度： 查工具书得：

25、 蜗轮当量齿数，于是查得齿形系数2.38， 而，带入计算式可得 满足弯曲疲劳强度的要求，所以传动件选择合适。（7） 蜗轮蜗杆几何尺寸的计算 蜗杆齿顶圆直径：蜗杆齿根圆直径： 蜗杆齿宽： ； 蜗轮吼圆直径： 蜗轮齿根圆直径： 蜗轮齿宽： ，蜗轮咽喉母圆半径：，3.1.7 低速级蜗轮蜗杆设计：（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。（2） 确定许用应力： 应力循环次数：， 查工具书得，则 （3） 选择齿数 ：参考工具书1，则。（4）按齿面接触疲劳强度设计：查工具书得： 查工具书得：载荷系数K查工

26、具书得：。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， 而，查得 ，则 按照接触强度要求： 查工具书可选出m6mm，72mm，q12，。 则 中心距。（5） 验算处设参数： 原估计，选合适。（6） 验算齿根弯曲疲劳强度： 查工具书得： 蜗轮当量齿数，于是查得齿形系数2.33， 而，带入计算式可得 满足弯曲疲劳强度的要求，所以传动件选择合适。（7） 蜗轮蜗杆几何尺寸的计算 蜗杆齿顶圆直径：蜗杆齿根圆直径： 蜗杆齿宽： ； 蜗轮吼圆直径： 蜗轮齿根圆直径： 蜗轮齿宽： ，蜗轮咽喉母圆半径：，3.1.8 轴的校核：由上述计算可知对于伸臂旋转减速器的三根轴来说，输

27、出轴3轴承受的扭矩最大，而1轴和2轴所承受的扭矩远远小于3轴所承受的扭矩。所以，在轴的校核过程中只需校核3轴。设：为圆周力，为径向力，为轴向力。则查工具书得公式： 其中： 代入公式得：3轴受力如图：其中：单独考虑作用：对B点取矩建立平衡方程： 解得：对A点取矩建立平衡方程： 解得：验算、：弯矩图如图：单独考虑作用：对B点取矩建立平衡方程： 解得：对A点取矩建立平衡方程： 解得：验算、：弯矩图如图：由以上各图可知：危险截面处的最大弯矩：根据第四强度理论得：。其中：为抗弯截面系数。对于空心轴，其中代入公式得：所以3轴安全。3.1.9 轴承寿命的计算由于减速机构采用了蜗轮、蜗杆机构，所以轴承得能够承

28、受一定的轴向力，选用圆锥滚子轴承。（1）求轴承内部的派生力如图所示：求派生力的公式为：S=R/（2Y），由设计手册查得: Y1=1.4，e1=0.42，Y2=1.7，e2=0.35所以 （2）求轴承的轴向载荷：因为所以说轴承1放松=518.2N，轴承2压紧=3478.2N所以动量载荷（3）计算轴承寿命：所以轴承寿命足够。3.1.10 较核轴上的键的强度：在整个减速器的传动轴中，只有3轴受的扭矩最大，所以只需要校核此轴上的键的强度就足够了，此轴的轴径为85mm，键的规格为，键的受力如下图所示：首先校核键槽的剪切强度。将平键眼n-n截面分成两部分，并把n-n以下部分和轴作为一个整体来考虑如图所示，

29、因为假设在n-n截面上的剪切力均匀分布，所以n-n截面上的剪切力为:对轴心取矩，由平衡方程:得:所以有 由此可见平键满足剪切强度。其次校核键的挤压强度。考虑键在n-n截面以上部分的平衡，在n-n截面上的剪力为：，投影水平方向，由平衡方程得：因此求得：不满足挤压强度条件, 所以在此处用双键以增加强度。3.2 工作台回转机构的设计：3.2.1 总体传动方案简图：3.2.2 选择电机：对于长期连续运行的机械，要求所选电动机的额定功率应该大于等于电动机所需要的功率，即。电动机所需的输出功率为：为工作机要求的输入功率，KW，为有电动机至工作机的总效率。根据要求工作台回转速度为，工作台最大回转力矩为。 由

30、公式得：。由电动机至工作机的总效率按照下式计算：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。所以： 所以：查机械设计手册第五卷选的电动机，其额定功率，额定转速1500r/min。3.2.3 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：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，这时可取。所以取第一级蜗轮蜗杆的传动比为17，第二级蜗轮蜗杆的传动比为48。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

31、，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而： 所以该传动比选择合适。3.2.4 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、输入功率和输入转矩。它们是进行传动设计的重要依据。 （1）传动系统中各轴转速n（r/min）： （2）各轴输入功率P（kW）： （3）各轴转矩T（N）： ； 3.2.5 V带轮的设计计算:（1）确定设计功率: 查工具书可知,则。（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。（3）选

32、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，带轮择合适。 所以：（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 初选160mm，则带长查工具书圆整于是中心距a+，A的调整范围：。（5） 验算小带轮包角： ，所以中心距选择合适。（6） 确定V带根数z： 查工具书得： 查工具书得：0.38kW，, 查工具书得：0.173410，1.1373，则：0.0314kW。 查工具书得：0.96， 1.11， 带入计算公式得：，选z2， 又因为有测速发电机，所以选z3，符合推荐轮槽数。（7） 确定初拉力： 查

33、工具书得：查工具书得：q0.06kg/m,带入公式得：（8） 作用于轴上的压力：查工具书得：。（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：项目符号参数值基准宽度（节宽）8.5基准线上槽深2.0基准线下槽深7.0槽间距第一槽对称面至端面的距离最小轮缘厚5.5带轮宽外径轮槽角以小带轮为例设计如图：3.2.6 高速级蜗轮蜗杆设计：（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。（2） 确定许用应力： 应力循环次数：， 查工具书得，则 （3） 选择齿数 ：根据传动比参考工具书2，则。（4） 按齿面接触疲劳强度设计：查工具书得： 查工具书得：载荷系数K查工具书得：。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， 而，查得 ，则按