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1、毕业设计（论文）摘 要本文介绍了电焊机自动进给工作台的结构设计。根据工作台要完成的功能，工作台需要具有4个自由度，即3个平动加1个转动，才能实现对半筒的进给，为此提出了3种可行方案。通过分析对比，每一种方案都有自己的优缺点，考虑到进出焊接系统容易、拆卸方便、易于搬迁这一方面，最终确定采用主工作台和辅助工作台相结合的总体结构。在总体结构基础上，进行了标准件的选型和对具体机械部分的详细设计，同时完成某些零件的强度和刚度校核。关键词：自动进给；工作台；平动；转动AbstractThis paper discusses the structure design process of automatic
2、-feed work table of spot welding machine. According to the function accomplished by the work table, the work table has 4 DOF (degree of freedom), with 3 translations and 1 rotation, and then the feed motion of semi-tube is available. Then this paper puts forward 3 feasible schemes, after analyzing a
3、nd comparing, each scheme has its good point and bad point ,from the aspect to consider, the easiness of entrance to the system and dismount and transfer ,the scheme consists of a main work table and a subsidiary work table is selected as the general structure scheme. Detail design of the specific m
4、echanism and the choose of main standard components is processed on the base of the general structure .This paper calculates the strengthen and stiffness of some components.Keywords: Automatic feed motion; Work table; Translation; Rotation目 录摘 要IABSTRACTII绪 论1 1.1课题来源及研究的目的和意义11.2国内外发展的现状11.3功能要求和主要
5、研究内容2 第2章 车载平台的总体设计3 2.1 焊接过程3 2.2车载平台的结构总体方案32.3车载平台的工作原理简介42.4各部分结构作用设计52.4.1导轨52.4.2一层运动平台52.4.3二层运动平台52.4.4一层辅助运动平台52.4.5气动62.5车载平台电机的选择62.6本章小结6第3章 车载平台各器件的选取和校核73.1车载平台整体计算设计73.2对一层工作台的计算分析73.2.1 确定滚珠丝杠的导程83.2.2 确定当量转速与当量载荷83.2.3预期额定动载荷93.2.4 确定允许 的最小螺纹底径103.2.5 确定滚珠丝杠的规格代号103.2.6 确定滚珠丝杠的预紧力11
6、3.2.7 行程补偿值与拉伸力113.2.8 确定滚珠丝杠支撑用的轴承代号、规格113.2.9 滚珠丝杠工作图设计123.2.10 电机选择123.2.11 传动系统刚度13 3.2.12 刚度盐酸及精度选择14 3.2.13 验算临界压缩载荷15 3.2.14 验算临界转速16 3.2.15 验算16 3.2.16 电机转矩验证163.2.17 滚珠丝杠寿命校核173.2.18 轴承寿命校核173.3对二层工作台计算分析183.3.1 确定滚珠丝杠的导程183.3.2 确定当量转速与当量载荷193.3.3 预期额定动载荷203.3.4 确定允许的最小螺纹底径213.3.5 确定滚珠丝杠的规格
7、代号213.3.6 确定滚珠丝杠的预紧力213.3.7 行程补偿值与拉伸力223.3.8 确定滚珠丝杠支撑用的轴承代号、规格223.3.9 滚珠丝杠工作图设计23 3.3.10 电机选择233.3.11 传动系统刚度243.3.12 刚度盐酸及精度选择253.3.13 验算临界压缩载荷263.3.14 验算临界转速263.3.15 验算273.3.16 电机转矩验证273.3.17 滚珠丝杠寿命校核273.3.18 轴承寿命校核283.4车载平台运载电机的计算分析293.4.1 水平摩擦力293.4.2 选择电机及减速器传动比293.4.3 功率校核29 3.4.4 转矩校核303.5本章小结
8、30第4章 优化与经济分析314.1车载平台的结构优化314.2车载平台的经济型分析314.3本章总结32总 结33致 谢34参考文献35附 录136附录240V毕业设计（论文）绪 论1.1课题来源及研究的目的和意义某导弹的发射筒的点焊过程中，工件的进给目前仍采用人工来完成，工作时需要5个人同时进行，焊接效率低，焊点的质量难于控制。为了适应现代化生产的需要，开发一套实现自动进给的焊接工作台已是当务之急。某导弹发射筒上、下半筒的现在的焊接过程及焊点数量、点焊过程十分复杂，既有双层板焊接，也有三层板焊接；既有圆周方向的焊接，也有沿轴向的焊接。并且焊点数量多，焊接过程中不能一次完成，需要两次装卡。为
9、减轻半筒组合点焊的劳动强度，提高生产效率，保证焊点的质量，适应现代化生产的需要，故提出开发一套能实现半筒组合自动进给定位的焊接工作台。点焊机自动进给工作台的应用不仅能够提高效率，减轻工人的劳动强度，而且能够保证焊点的质量。通过对自动进给工作台的结构设计，进一步认识几点产品的设计过程，不但提高了自身的设计能力，也为将来更好地工作奠定了良好的基础。1.2国内外发展的现状点焊机器人是用于点焊自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊接于1965年开始使用，是美国Unimation公司推出的Unimate机器人。中国在1987年自行研制成第一台电焊机器人华宇-型点焊机器人。电焊机器人由机器人本体、计算机控
10、制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常点焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。点焊机器人能按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行进行点焊作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算的控制命令进行工作。点焊机器人国外已经进入产业化的阶段，而我国这方面起步比较晚。点焊方法还是主要依靠人工来操作完成，不仅效率低下而且不能保证质量。我
11、国的点焊机器人和自动点焊设备将进入一个崭新的发展阶段。1.3功能要求和主要研究内容技术要求:：（1）实现沿 X、Y、Z 轴 3 个方向的平动，绕工件轴线的转动。 （2）应当能够柔性适应点焊瞬间下电极臂的下沉。 （3）应当实现焊点达到级焊接接头质量要求。 （4）应当具有一定的通用性。 外形尺寸：X 轴方向3.2 m；Y 轴方向1.8m；Z 轴方向1.2m。性能参数：每个焊点位置误差0.4；行程：X方向：2800；Y方向：600；Z方向：350；自转：360。移动速度：X 向10 m/min；Y 向5 m/min；Z 向5 m/min；自转10 r/min。主要内容：完成自动进给工作台的结构设计，
12、强度校核。为了更好地完成本设计，要掌握工作台的设计方法，车载系统的结构设计，导轨滑道的选择与加工，伺服系统的应用等。第2章 车载平台的总体设计2.1 焊接过程半筒的焊接过程十分复杂，上半筒有571个焊点，下半筒有394个焊点，由于焊极的结构限制，半筒的焊接不可能一次装卡完成。首先进行加强框与蒙皮的焊接，每个加强框两端各焊两个点，由于机构上的限制，半筒只能口朝下安装，口朝上时半筒与焊极干涉。一次焊接完成一侧的26个点后，必须将工件翻转180再焊接另一侧的26个点。当完成加强框的初固定后，开始剩余点的焊接。其中靠近加强框初始26个焊点处的26个焊点无法焊接，必须将半筒再翻转180，才能完成加强框与
13、蒙皮的焊接。当这些点全部焊完以后，将半筒拆下来，安装大侧板、小侧板等，然后再完成剩余点的焊接。剩余的焊点靠完全的直线进给还不能达到理想的位置，因此需要在焊接过程中有小角度的转动，这进一步的加大了焊接的难度。通过对焊接过程的分析，可以看出：由于焊机电极的机构限制，给焊接过程增加了两次水平翻转运动，而工件的长度又过大，所以对自动机械来说，实现这样的运动，在结构上必然要非常复杂，因此在进行工作台的设计时，半筒的翻转运动将由人工来完成。在设计时考虑将卡具与工作台转配、调整好后，完成一批工件该工序的焊接后，再更换下一工序的卡具，这样每次只将半筒装上即可。为了获得质量好的焊点，必须保证焊极轴线与焊点处的法
14、线重合，这是对工作台的最基本要求。由于存在多种制造误差，因此要保证半筒上每个焊点处的法线与焊极的轴线重合的难度是非常大的。2.2车载平台的结构总体方案通过对点焊过程的详细分析与理解，考虑采用半自动进给工作台来实现半筒的点焊， 车载平台可以实现两个平动和一个小角度转动，因此车载平台至少应具有三个自由度。在横向（X轴）、纵向（Z轴）两个方向上实现2个平动，采用电机加滚珠丝杠的传动方式，实现半筒的平动；绕Z轴的偏转运动采用双滑块机构来实现这样可以保证半筒上任意一点都能到达焊极处。实现焊点的定位；焊点的“姿态”控制是关键，焊点的最佳“姿态”是当上、下的轴线同时通过焊点处的法线时所处的位置。车载平台由导
15、轨、一层工作台、二层工作台、一层辅助工作台等主要部分组成。2.3车载平台的工作原理简介导轨固定在基础的四块平板上，一层运动平台在导轨上的进给运动由伺服电动机驱动，经减速器减速带动链轮在导轨上移动。一层工作平台的运动是整个工作台在X轴反向的主驱动。二层运动平台通过直线导轨固定在一层运动平台上，通过装在一层平台上的伺服电动机与丝杠轴用联轴器连接，丝母刚性连接在二层工作台的丝母座上，带动平台在直线导轨上移动。一层辅助工作台通过连接杆与一层工作台连接，一层工作台带动一层辅助工作台移动。二层工作台为左右立柱提供运动辅助，在电机的驱动下，通过丝杠的转动在一层辅助工作台上移动。2.4各部分结构作用设计2.4
16、.1导轨机床导轨为4根22kgm组成，4根为一组安装在基础的一侧。在导轨的一侧安装有楔形块，限制导轨的左右自由度，在调整导轨精度时，可以进行微调。2.4.2一层运动平台一层运动平台为焊接结构，在其上方安装之下导轨，用于二层运动平台的进给。在一层运动平台下方装有四个轮子，在电机、减速器的驱动下，通过链条的传动，使其在导轨上平稳的传动。2.4.3二层运动平台二层运动平台为焊接件结构，在其上方安装有直线导轨，用于左侧立柱的进给运动，在其下方安装有直线导轨的滑块，用于二层运动平台在一层运动平台上的移动。2.4.4一层辅助运动平台一层辅助运动平台的大件为焊接件，在其上方装有直线导轨，用于右侧立柱的进给运
17、动，在其下方装有两个轮子，用于一层辅助运动平台在导轨上的进给运动。一层运动平台与一层辅助平台通过连接杆连接，一层运动平台带动一层辅助运动平台移动。2.4.5气动气动用来实现一层运动平台与一层辅助辅助运动平台的制动。工厂气源来气，通过气动三联件，经过三通分别去一层运动平台与一层辅助运动平台，通过平台上的换向阀作用在气缸里，推动活塞来实现运动平台的夹紧与松开。2.5车载平台电机的选择伺服电机和其他电机相比的特点(1) 精度：实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服步进电机失步的问题。(2) 转速：高转速性能好，一般额定转速能够达到20003000转。(3) 适应性：抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩
18、的负载，有瞬间负载波动和要求快速启动的场合特别适用。(4) 稳定：低速运动平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象，适用于高速响应要求的场合。(5) 及时性：电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒间。舒适性：发热和噪声明显较低。简单点说就是：我们平常看到的那种普通电机断电后它还会因为自身惯性再转一会儿后停下，而伺服电机和步进电机说走就走，说停就停，但是步进电机有失步现象。应用领域很多，只要是要动力源的，而且对精度有要求的一般都可能涉及到伺服电机。考虑在半筒点焊平台的作用和相关技术要求，选择私服电机作为驱动电机，具体型号由具体情况而定。2.6本章小结这一章对车载平台进行了总体的设
19、计，采用两端固定的轴承支撑方式，并用交流私服电机驱动所有框架。还对各结构组成部分做了系统的设计，并对工作原理做了简单的介绍。第3章 车载平台各器件的选取和校核3.1车载平台整体计算设计由于车载平台承载着包括工件在内的所有点焊机工作台的质量，所以各部分重量见表3-1表3-1车载工作台各部分质量工作台各部分重量（）焊接工装卡具50半筒自重20一层工作台1100一层辅助工作台640左右立柱2*650二层工作台2*540配重体2*35可以经过以上数据对工作台、伺服电机、滚珠丝杠、轴承的选择进行估算和校核，最终确定尺寸和型号。步骤：通过整体结构估算出一层工作台、一层辅助工作台、左右立柱、二层工作台四个部
20、分的质量（由各自的大概尺寸算出各自体积，然后由钢的密度算出各自质量），然后由前面给定的技术参数，X、Y、Z三个方向的平均速度和运行过程中的摩擦阻力，继而大概确定电机的驱动功率，可以确定伺服电机的功率和转速。然后对丝杠、减速器的的型号进行确定，最终进行校核，看是否满足要求（功率、寿命），然后进行结构辅助设计。3.2对一层工作台的计算分析半筒长度约为2500，为了减小主工作台的长度可以将其分为三个工位，这样既保证了每个工作焊点的位置精度，同时也缩短了主工作台的长度。由于军工产品满足Lh=2160h。直线滚珠导轨摩擦系数为0.0020.003，1=0.003，直线导轨取2=0.2得轴向面阻力为F=（
21、650+540+70）9.80.003+（640+540+650+70）9.80.2=3761N3.2.1 确定滚珠丝杠的导程初取伺服电机3000r/min，减速比1:3 Ph=Vmaxinmax （3-1）式中 Ph-滚珠丝杠导程 m； Vmax-工作台最高移动速度 m/min nmax-电机最高转速 r/min i-传动比因为电机与减速器相连，所以i=1:3已知Vmax=10 m/minnmax=3000 r/min带入得Ph=10mm现取Ph=10mm3.2.2 确定当量转速与当量载荷（1） 各种切削方式下，丝杠转速 n1=V1Ph (3-2)式中 n1-丝杠转速 r/min； V1-进
22、给速度 m/min。水平最大速度为10 m/min带入得n1=1000010=1000r/min（2）丝杠轴向载由于进给状态不变所以有F1=3761N（3）当量转速nm=n1t1100+n12t2100+nntn100 （3-3）式中 nm-当量转速 r/min； t1， t2， tn-工作时百分比。 可得一直只有一种状态，有t1=100带入得nm=1000 r/min（4）当量载荷Fm=3F13n1t1nm100+F23n2t2nm100+F33n3t3nm100+Fn3nntnnm100 (3-4)式中 Fm-当量载荷 N。带入得Fm=3761N3.2.3预期额定动载荷（1）按预期工作时间
23、估算Cam=360nmLhFmfw100fafc (3-5) 式中 Cam-预期额定动载荷 N； fa-精度系数； fc-可靠度系数； fw-载荷性质系数。按表得：可靠度系数fc=1044按表得：Cam-预期额定动载荷 N按表得：精度系数fa=1。已知：Lh=2160h代入得Cam=61856.9N（2）拟采用预紧滚珠丝杠，按最大负载Fmax计算：Cam=feFmax (3-6）式中fe-预加载荷系数按表得：预加载荷系数fe=6.7。带入得 Cam=25198.7N取以上两种结果的最大值Cam=61856.9N3.2.4 确定允许 的最小螺纹底径（1）估算丝杠允许的最大轴向变形量m（1415）
24、定位精度 (3-7)式中m-最大轴向变形量m。已知定位精度0.2m=40m取两种结果的最小值m=20m（2）估算最小螺纹底径丝杠要求预拉伸，取两端固定的支撑形式d2m=1010F0LmE=0.039F0Lm (3-8)式中d2m-最小螺纹底径 。L（1.11.2）行程+（1014Ph）动静摩擦系数不同取0=0.6既可取近似动摩擦力的三倍。由于行程较大可分两段，每段1400得L=1640F0=11283Nd2m=26.53.2.5 确定滚珠丝杠的规格代号选择内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形式，由计算出的 Ph、Cam、d2m在样本中取规格的滚珠丝杠FFZD2005-3。 Ph=10Ca=
25、66300Cam=61856.9d2=34.3d2m=26.53.2.6 确定滚珠丝杠的预紧力Fp=13Fmax (3-9)其中Fmax=F0（静摩擦力）Fp1253.7N3.2.7 行程补偿值与拉伸力（1）行程补偿值C=11.8tLu10-3 （3-10）式中Lu=行程+（810） Ph=1500t温差取2.5C44.25m（2）预拉伸力Ft=1.95td22 (3-11)(3)带入得Ft1392.3N3.2.8 确定滚珠丝杠支撑用的轴承代号、规格（1）轴承所承受的最大轴向载荷FBmax=Ft+Fmax （3-12）带入得FBmax=9496.4N（2）轴承类型两端固定的支撑形式，选背对背6
26、00角接触推力球轴承（3）轴承内径d略小于d2=34.3，FBP=13FBmax （3-13）取d=30带入得FBmax=3165N（4）轴承预紧力预加负荷FBP（5）按样本选择轴承型号规格当d=30，预加载和为3500N所以选择7206C轴承预加载和为3500FBP=3165N3.2.9 滚珠丝杠工作图设计（1）丝杠螺纹长度Ls=1984（2）两固定支撑距离L1按样本查出螺母安装连接尺寸丝杠全长L（3）行程起点离固定支撑距离L0由工作图得L1=1980L=2225 L0=2903.2.10 电机选择有由之前选取3000 r/min，运行功率为Pm=FV=37611060=626.8W考虑传递
27、过程中有能量损失，所以有=12234 （3-14）1为减速器，2为轴承，3为丝杠，4为联轴器经查表得1=0.85，2=0.97，3=0.85，4=0.97。代入得=0.66得P=Pm=626.80.66=949.7W （3-15）考虑到型号与数值大小取P=1KW既电机型号为SGMGH10A3.2.11 传动系统刚度（1）丝杠抗压刚度.丝杠最小抗压刚度Ksmin=6.6d22L1102 （3-16）式中 Ksmin-最小抗压强度N/m； d2-丝杠底径； L1-固定支撑距离。代入得Ksmin=392.16N/m.丝杠最大抗压刚度Ksmax=6.6d22L14L0（L1-L0）102 （3-17）
28、式中 Ksmax-最大抗压刚度N/m；Ksmax=784.25N/m（2）支撑轴承组合刚度.一对预紧轴承的组合刚度KBO=22.343dQZ2FamaxSin5 （3-18）式中 KBO-对预紧轴承的组合刚度N/m； dQ-滚珠丝杠直径 ；Z-滚珠数； Famax-最大轴向工作载荷N； -轴承接触角。可得轴承Famax是正常平动工作载荷的3倍。经查得dQ=7.144，Z=17，=600Famax=11283NKBO=1051.7N/m.丝杠最大抗压刚度由表查得两端固定支撑Kb=2KBO （3-19）Kb=2103.4 N/m式中 Kb-支撑轴承组合刚度N/m。.滚珠丝杠滚珠和滚道的接触强度Kc
29、=Kc(Fp0.1Ca)13 (3-20)式中 Kc-滚珠和滚道的接触刚度N/m； Kc-查样本上的刚度N/m； Fp-滚珠丝杠预紧力N； Ca-额定动载荷N。由样本查得Kc=805.5N/m；Ca=66300N；Fp=3761N带入得Kc=805.5N/m3.2.12 刚度盐酸及精度选择（1） 1Kmin=1Ksmin+1Kb+1Kc （3-21）1Kmin=1234N/m1Kmax=1Ksmax+1Kb+1Kc （3-22）1Kmax=1334N/m（2）验算传动系统刚度Kmin=1.6F0反向差值式中 Kmin-传动系统刚度N。已知反向差值或定位精度为200Kmin=90.2满足条件（3
30、）传动系统刚度变化引起的定位误差K=F0（1Kmin-1Kmax） （3-24）K=14.4m（4）确定精度V300P：任意300内的行程变动量对半封闭系统而言，V300P0.8定位精度-K （3-25）定位精度为200m/300V300P145.6m查表查得丝杠精度为7级V300P=52mnmax=10003.2.15 验算Dn=DDWnmax式中 DDW-滚珠丝杠的节圆直径； nmax-滚珠丝杠最高转速r/min。DDW41.4nmax=1000r/min41400700003.2.16 电机转矩验证可知电机功率P=1KW丝杠正常转动为nm=1000r/min可知正常运转转矩M。P=mM
31、（3-28）其中m=2nm Mm=Mi i为传动比带入得Mm=3.1852160h故满足条件。3.3对二层工作台计算分析F=（540+35+50）9.80.003+（540+35+50）9.80.2=1243N3.3.1 确定滚珠丝杠的导程初取伺服电机3000r/min，减速比1:3 Ph=Vmaxinmax (3-1)式中 Ph-滚珠丝杠导程 ； Vmax-工作台最高移动速度 m/min nmax-电机最高转速 r/min i-传动比因为电机与减速器相连，所以i=1:3已知Vmax=5m/minnmax=3000 r/min带入得Ph=5mm现取Ph=5mm3.3.2 确定当量转速与当量载荷
32、（1） 各种切削方式下，丝杠转速 n1=V1Ph (3-2)式中 n1-丝杠转速 r/min； V1-进给速度 m/min。水平最大速度为5 m/min带入得n1=1000010=1000r/min（2）丝杠轴向载由于进给状态不变所以有F1=1243N（3）当量转速nm=n1t1100+n12t2100+nntn100 （3-3）式中 nm-当量转速 r/min； t1， t2， tn-工作时百分比。 可得一直只有一种状态，有t1=100带入得nm=1000 r/min（4）当量载荷Fm=3F13n1t1nm100+F23n2t2nm100+F33n3t3nm100+Fn3nntnnm100 (3-4) 式中 Fm-当量载荷 N。带入得Fm=1243N3.3.3 预期额定动载荷（1）按预期工作时间估算Cam=360nmLhFmfw100fafc (3-5) 式中 Cam-预期额定动载荷 N； fa-精度系数； fc-可靠度系数； fw-载荷性质系数。按表3-2查得：可靠度系数fc=1044按表查得：Cam-预期额定动载荷 N按表查得：精度系数fa=1。已知：Lh=2160h代入得Cam=25554.4N（2）拟采用预紧滚珠丝杠，按最大负载Fmax计算：Cam=feFmax （3-6）式中 fe-