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畢業(yè)設計 第一章 文獻綜述 焊接是一種制造技術，它是適應工業(yè)發(fā)展的需要，以現(xiàn)代工業(yè)為基礎發(fā)展起來的，并且直接服務于機械制造工業(yè)。焊接技術的發(fā)展與制造工業(yè)的需要緊密相關，一般工業(yè)先進國家，鋼產量的50%左右需采用焊接工藝才能形成產品，在石油化工，礦山冶金，金屬結構，起重運輸，水陸交通，航天航空，橋梁建筑，電力能源等機械設備制造部門，焊接都有這廣泛的應用。許多設備中的大型結構，幾乎都是焊接結構?，F(xiàn)在，隨著科學技術的進步，生產規(guī)模的日益擴大，焊接結構正朝著超大型，高容量，高參數(shù)，耐磨，耐低溫，耐動載的方向發(fā)展，這就不僅需要為焊接生產提供質量更高，性能更好的各種焊機，焊接材料和焊接工藝，而且要求提供各種性能優(yōu)異的焊接工裝設備，使焊接生產實現(xiàn)機械化和自動化，減少人為因素干擾，達到保證和穩(wěn)定焊接質量，改善焊工勞動條件，提高生產率，促進文明生產的目的。 焊接工藝裝備就是在焊接結構生產的裝配與焊接過程中起配合及輔助作用的夾具、機械裝置或設備的總稱，簡稱為焊接工裝。焊接工裝主要用來安裝和夾持待焊工件，使焊接時便于施焊，以保證焊縫的質量，并提高生產效率 大多數(shù)焊接工裝是為某種焊接組合件的裝配焊接工藝而專門設計的，屬于非標準裝置，往往需要個制造廠根據(jù)本廠的產品結構特點、生產條件和實際需要自行設計制造或者定做。焊接工裝也在汽車、摩托車、飛機、造船及航天等國民經濟的各個領域中發(fā)揮著重要的作用。 焊接工裝在焊接自動化及機械化的過程中也扮演著重要的角色： 在裝配定位焊件時，如果不使用工裝夾具，即使焊接組合件盡由兩三個零件組成的，欲保證各零件精確的相對位置，也是不可能的。此外，在焊接過程中，焊接件一般會由于受熱不均等原因而發(fā)生焊接變形，尤其是復雜的焊接結構，其變形有時會無法消除，這樣就會影響以后的裝配工作。采用工裝夾具，不僅可以保證焊接時工件間的相對正確位置，而且可以防止和減少工件的焊接變形。批量生產的時候，這種優(yōu)點就更加明顯，可以穩(wěn)定焊接件的質量，減少次品的產生 焊接結構生產過程一般包括：下料，裝配，焊接，清理，檢驗及焊后熱處理等工藝工序。一般來說焊前的下料，開坡口，清理工件表面等準備工作一般都要占據(jù)整個焊接時間的大部分，有時候焊接過程占用的時間反而很少。在這種情況下如果使用高效率的焊接工裝夾具，那么就可以極大的縮短焊接前裝配時間，從而縮短了整個生產周期，提高勞動效率，縮短了單位產品的生產時間而降低了成本。 采用工裝夾具，工件定位迅速，裝夾方便，省力，減輕了焊件裝配定位和夾緊時的繁重體力勞動；焊件的反轉可以實現(xiàn)機械化，變位迅速，使焊接條件較差的空間位置焊縫變?yōu)楹附訔l件較好的平焊位置焊縫，勞動條件改善，同時也有利于提高焊縫的質量。 焊接工裝的分類 焊接結構件的種類繁多，形狀尺寸各異，焊接過程的要求也不盡相同，與之相匹配的焊接工裝為適應焊件的需要在形式，工作原理及技術要求上也有很大的差別。為了適應技術管理工作的需要，便于掌握各類焊接工裝的工作特點和設計基本方法，就必須先對焊接工裝進行分類。 焊接機械裝備可分為四大類：1.焊接工裝夾具 2.焊接變位機械 3.焊接輸送機械 4.其他從屬裝置 1）焊接工裝夾具（按動力源分類）可分為：手動夾具 氣動夾具 液壓夾具 磁力夾具 電動夾具 真空夾具 混合式夾具 2）焊接變位機械可分為：焊工變位機械 焊機變位機械 焊件變位機械 其中焊件變位機械可分為：焊接變位機 焊接回轉臺 焊接翻轉機 焊接滾輪架 3）焊件輸送機械可分為：上料裝置 配料裝置 卸料裝置 傳送裝置 各種專用吊具 4）其他從屬裝置可分為： 導電裝置 焊劑輸送與回收裝置 焊絲清理及盤絲裝置 埋弧焊焊劑墊等 還可以按 1.用途 2.應用范圍 3.常見焊接機械進行分類 按用途分類 1）裝配用工藝裝備。這類工裝的主要任務是按照工藝要求，把待焊工件的零部件按照相互之間的位置準確的固定下來，然后再進行定位點焊，而不直接參與正式的焊接工作。這類工裝稱為裝配定位焊夾具，它包括各位定位器，夾緊器，推拉裝置，組合夾具和裝配臺架。 2）焊接用工藝裝備。這類工裝專門用來焊接已經經過點焊固定好的工件。如各類焊接專機，龍門式，懸臂式，平臺式，爬行式等。 3）裝配焊接工藝裝備。著類工裝既能完成整個焊件的裝配，又能完成焊縫的焊接工作。這類工裝通常是專用焊接機床或自動焊接裝置，或者是裝配焊接的綜合機械化裝置，如一些自動焊接生產線。 實際生產中一個焊件如果要完成焊接工作，單單依靠一個工裝一般是難于完成的，而是需要許多種焊接工裝的配合使用，這樣才能達到焊接過程的機械化和自動化。 按應用范圍分類 1）通用焊接工裝。目前國家針對焊接工藝中的需求已經指定了很多的標準，如滾輪架行業(yè)的JB/T 9187標準等。所謂通用焊接工裝，既是指已經標準化且有較大適用范圍的工裝。這類工裝一般無須調整或稍加調整，就能適用與不同工件的裝配或焊接工件。 2）專用焊接工裝。只適用與某一特定類型的工件的裝配或焊接，一般不能通用。這類焊接工裝一般應按需求來設計，或者在專門廠家協(xié)商定作。 3）柔性焊接工裝。指可以通過調整自身的尺寸來適應一定形狀和尺寸變化的焊接工裝。 此外還有按動力裝置分類，按焊接方法分類等，再次就不詳細說明了。 三.常見的焊接機械 焊接機械是改變焊件，焊機或焊工位置來完成機械化，自動化焊接的各種機械裝備。 使用焊接機械可縮短焊件翻轉變位的輔助時間，提高勞動生產率，減輕工人的勞動強度，改善焊接質量，并可充分發(fā)昏各種焊接方法的效果。 焊接機械可以分為以下三大類。 1）焊接變位機 焊接變位機是將工件回轉，傾斜以便使所有的焊縫置于水品和船形位置的機械裝置。 焊接變位機主要用于機架，機座，機殼等非長形工件的焊接。 焊接變位機按結構形式可分為三種 1，伸臂式焊接變位機：適用與輕小焊件的翻轉空位，載重量一般不超過1噸。 2，座式焊接變位機，是目前應用最廣泛的一種焊接變位機械，載重量一般為1至50噸之間。 3，雙座式焊接變位機，有較高的穩(wěn)定性，試用與大型和重型工件的翻轉變位，載重量一般都在50噸以上。 2）焊接滾輪架 焊接滾輪架按結構形式分為兩類： 第一類是長軸式滾輪架。滾輪沿兩平行軸排列，與驅動裝置相連的一排為主動滾輪，另一排為從動滾輪。長軸式滾輪多是用戶根據(jù)焊件特點自行設計制造的，市場可采用的定型產品很少 第二類是組合式滾輪架，它的主動滾輪架，從動滾輪架，混合式滾輪架都是獨立的，使用時可根據(jù)焊件的重量和長度進行任意組合，其組合比例也不僅是1與1的組合。因此，使用方便靈活，對焊件的適應性很強，是目前應用最廣泛的結構形式。 3）焊接翻轉機 焊接變位翻轉機是一種可以實現(xiàn)大型回轉零件在焊接時變位、翻轉、旋轉位置，以便獲得更佳焊接位置的焊接輔助設備，可配用熔化極氣體保護焊機(CO2/MAG焊機)。下圖產品主要由立柱提升機構、翻轉機構、回轉機構以及控制器組成。 4）焊接操作機 ? 焊接操作機作為一種焊接輔助機械，被廣泛地應用于鍋爐、壓力容器、管道和金屬結構行業(yè)。與滾輪架、變?yōu)闄C或翻轉機相配，可焊接大直徑管道內外縱、環(huán)縫?？筛鶕?jù)用戶工藝要求選配焊接系統(tǒng)，還可選配焊接系統(tǒng)，還可選配焊接跟蹤系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，焊劑自動輸送回收系統(tǒng)或擺動器。? 焊接操作機是將焊件準確地送到并保持在待焊接位置或以選定的焊速沿規(guī)定的軌跡移動焊機的機械裝置。 焊接操作機與焊接變位機。焊接滾輪架等焊件邊為裝置配合使用，可完成多種焊縫的焊接，也可以進行工件表面的自動焊接。 西 南 交 通 大 學 本科畢業(yè)設計（論文） 4T焊接滾輪架機械設計 年 級: 2003 級 學 號: 20033935 姓 名: 楊兆青 專 業(yè): 材料成型及控制工程 指導老師: 周友龍 2007 年 6 月 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 I 頁 院 系 材料科學與工程學院 專 業(yè) 材料成型及控制工程 年 級 2003 級 姓 名 楊兆青 題 目 4T 焊接滾輪架機械設計 指導教師 評 語 指導教師 (簽章) 評 閱 人 評 語 評 閱 人 (簽章) 成 績 答辯委員會主任 (簽章) 年 月 日 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 II 頁 畢 業(yè) 論 文 任 務 書 班 級 2003 級 學生姓名 楊兆青 學 號 20033935 發(fā)題日期： 07 年 02 月 16 日 完成日期：畢業(yè)當年的 06 月 29 日 題 目 4T 焊接滾輪架機械設計 本論文的目的、意義 目前常用的焊接滾輪架有長軸式和組合式兩種常見形式，組合式滾 輪架可根據(jù)焊件的重量和長度進行任意組合，其組合比例也不僅是 1 與 1 的組 合。因此，使用方便靈活，對焊件的適應性很強。在本次設計的組合式滾輪架 中充分考慮了滾輪架的合理性及經濟型等因素，通過這次畢業(yè)設計了解了焊接 滾輪架的結構，用途等。并對焊接機械在生產中的促進作用有了更深刻的認識。 鞏固了四年來學到的知識，為今后工作打下了結實的基礎。 1、 學生應完成的任務 1）完成焊接滾輪架 CAD 當量圖紙大于 3 張， 2）設計焊接滾輪架論文 1 份 大于 24000 字 3）關于滾輪架軸向竄動的英文翻譯大于 10000 字符 4）論文日志 5）設計論文光盤一個 2、 論文各部分內容及時間分配：（共 15 周） 第一部分 閱讀有關焊接滾輪架設計、CAD 方面的文獻資料，并進行了小結 ( 2 周) 第二部分 滾輪架設計方案制定，并進行了關于軸、軸承、鍵的計算校核 ( 2 周) 第三部分 繪制焊接滾輪架的總裝圖及零件圖 ( 7 周) 第四部分 導師審閱論文 ( 1 周) 第 部分 撰寫論文 ( 1 周) 評閱其答辯 ( 1 周) 修改論文 ( 1 周) 3、 參考文獻 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 III 頁 1）各類機械設計手冊 2）王政編，焊接工裝夾具及變位機械圖冊 3）前幾屆畢業(yè)學生的畢業(yè)論文 等等 備 注 指導教師： 年 月 日 審 批 人： 年 月 日 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 IV 頁 摘 要 焊接裝備就是在焊接生產中與焊接工序相配合，有利于實現(xiàn)焊接生產機械化， 自動化，有利于提高裝配焊接質量，促使焊接生產過程加速進行的各種輔助裝置和 設備。焊接滾輪架是借助主動滾輪與焊件之間的摩接力帶動焊接旋轉的變位機械。 焊接滾輪架主要用于筒形焊件的裝配與焊接。焊接滾輪架按結構形式分為兩類：第 一類是長軸式滾輪架。第二類是組合式滾輪架。本文主要對組合式 4T 焊接滾輪架進 行設計，并對軸、鍵等主要構件進行了校核。結果表明各主要部件符合要求。該滾 輪架結構簡單，使用方便靈活，對焊件的適應性很強。設計中充分的考慮了滾輪架 的合理性和經濟性等因素。 關鍵詞：焊接；工裝夾具；滾輪架 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 V 頁 Abstract Welding equipment is a machine which is used in welding production and welding processes, and it is conducive to welding production mechanization and automation, to improving assembly welding-quality. Then it could prompte to speed up the process of welding production of the various assistive devices and equipment. Welding roller is used initiative and welding pieces of the wheel between the Mount relay driven welding rotating mechanical deformation. Welding roller stands for the main pieces of tube welding and welding assembly. Welding roller standing by structural form is divided into two categories : the first category is long axis-wheel frame., the second category is modular roller frame. In this paper, four pairs of modular T-welded wheel for the design, as well as axial, bond and other main component of checking. The results showed that the main components to meet the requirements. The roller frame structure is simple, flexible, adaptive welded pieces of a strong, which is the most widely used form of the structure. And it could be fully considered the roller frame reasonable and economic, and other factors. 【Key words 】：weld, frock clamp, turning rolls 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 VI 頁 目 錄 第一章 文獻綜述 .1 1.1 焊接的應用 .1 1.2 焊接機械裝備 .1 1.2.1 焊接機械設備的分類 .2 1.2.2 焊接機械裝備對焊接生產的作用 .2 1.3 焊接自動化： .3 1.4 焊接工裝夾縣 .4 1.4.1 焊接工裝夾具的特點 .5 1.4.2 焊接工裝夾具的分類 .6 1.4.3 對焊接工裝夾具的設計要求 .6 1.4.4 焊件在焊接工裝夾具中的定位方法 .7 1.5 焊接變位機械 .8 1.5.1 焊接變位機械的分類 .8 1.5.2 焊接變位機械應具 備的性能 .9 1.6 幾類焊接機械設備的具體介紹 .10 1.6.1 焊接變位機 .10 1.6.2 焊接翻轉機 .11 1.6.3 焊接操作機 .12 1.6.4 焊接滾輪架 .13 1.6.5 關于滾輪架 軸向 竄動的問題 .16 第二章 方案的選擇與確定 .18 2.1 組合式滾 輪架的特點： .18 2.2 滾輪驅動 方案 .20 2.3 減速器的選擇： .20 2.4 連軸器的 選用： .21 2.5 滾輪架滾輪的設計 .21 2.6 軸的設計 .23 2.7 軸承的選用 .24 2.8 軸承端蓋的設計 .25 2.9 絲杠的 設計 .26 2.10 鍵的設計 .27 2.11 機架的設計 .27 2.12 表面粗糙度 .29 第三章 計算與 校核 .30 3.1 焊接滾輪架的設計計算 .30 3.1.1 驅動圓周力與支反力的分析及中心角的確定 .30 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 VII 頁 3.1.2 焊接滾輪架的 受力分析 .33 3.1.3 滾輪支反力的計算 .34 3.2 電動機的選定 .36 3.3 軸的校核 .37 3.4 滾輪處鍵的校核 .38 3.5 軸承壽命計算 .38 3.6 軸承的強度計算 .39 結論 .41 致謝 .42 參考文獻 .43 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 1 頁 第一章 文獻綜述 1.1 焊接的應用 焊接是一種制造技術，它是適應工業(yè)發(fā)展的需要，以現(xiàn)代工業(yè)為基礎發(fā)展起來 的，并且直接服務于機械制造工業(yè)。焊接技術的發(fā)展與制造工業(yè)的需要緊密相關， 一般工業(yè)先進國家，鋼產量的 50%左右需采用焊接工藝才能形成產品，在石油化工、 礦山冶金、金屬結構、起重運輸、水陸交通、航天航空、橋梁建筑、電力能源等機 械設備制造部門，焊接都有著廣泛的應用。許多設備中的大型結構，幾乎都是焊接 結構。現(xiàn)在，隨著科學技術的進步，生產規(guī)模的日益擴大，焊接結構正朝著超大型， 高容量，高參數(shù)，耐磨，耐低溫，耐動載的方向發(fā)展，這就不僅需要為焊接生產提 供質量更高，性能更好的各種焊機，焊接材料和焊接工藝，而且要求提供各種性能 優(yōu)異的焊接工裝設備，使焊接生產實現(xiàn)機械化和自動化，減少人為因素干擾，達到 保證和穩(wěn)定焊接質量，改善焊工勞動條件，提高生產率，促進文明生產的目的。但 是，焊接生產是綜合性生產，在焊接制造過程中，除了焊接工序本身外，前后還有 很多工序的配合，如備料、輸送、裝配、檢驗、校正等工序。因此，焊接生產的機 械化自動化不僅僅局限于焊接工序本身，而且包括了與焊接工序相銜接的上下各工 序的機械化，自動化。只有各工序實現(xiàn)了機械化，自動化，才能實現(xiàn)焊接生產的綜 合機械化，自動化。 1.2 焊接機械裝備 焊接機械裝備就是在焊接生產中與焊接工序相配合，有利于實現(xiàn)焊接生產機械 化，自動化，有利于提高裝配焊接質量，促使焊接生產過程加速進行的各種輔助 裝置和設備。這里稱之為輔助裝置和設備是為了與焊機相區(qū)別。焊機是焊接過程中 的核心裝備，它包括焊接電源，焊接控制箱，焊接機頭等，有自己的獨立系統(tǒng)，不 屬于焊接機械裝備的范疇。而焊接機械裝備相對焊機處于輔助的地位，是配合焊機 進行焊接生產的裝置和設備。它包括的范圍較廣，按用途分，主要有焊接工裝夾具、 焊接變位機械和焊接輸送機械三個方面，其次還有導電裝置、焊劑輸送與回收裝置、 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 2 頁 坡口準備及焊縫清理精整裝置等。他們又是焊接機械裝備的從屬裝置 1 從使用范圍來分，焊接機械裝備又分為通用和專用兩大類。 通用焊接機械裝備通用性強、適應性廣，整臺機械能適應產品結構的變化重復 使用。它們可以組合在一起使用，也可以組裝在焊接生產線上，成為焊接生產線的 一個組成部分。由于這種裝備通用性強，所以機械化、自動化水平不是很高，主要 滿足多品種、小批量焊接生產的需要。 。 專用焊接機械裝備是為了適應單品種、大批量焊接生產的需要專門設計制造的。 這種裝備專業(yè)性強、生產率高、控制系統(tǒng)先進，能很好地滿足產品結構、裝焊工藝、 生產批量的要求。例如：專用焊接工裝夾具、專用焊接機床就屬于這類裝備。 1.2.1 焊接機械設備的分類 焊接機械裝備可分為四大類：1.焊接工裝夾具 2.焊接變位機械 3.焊接輸送機械 4.其 他從屬裝置。其中， 1）焊接工裝夾具（按動力源分類）可分為：手動夾具 氣動夾具 液壓夾具 磁力 夾具 電動夾具 真空夾具 混合式夾具 2）焊接變位機械可分為：焊工變位機械 焊機變位機械 焊件變位機械 其中焊件變位機械可分為：焊接變位機 焊接回轉臺 焊接翻轉機 焊接滾輪架 3）焊件輸送機械可分為：上料裝置 配料裝置 卸料裝置 傳送裝置 各種專用吊 具 4）其他從屬裝置可分為： 導電裝置 焊劑輸送與回收裝置 焊絲清理及盤絲裝置 埋弧焊焊劑墊等 1.2.2 焊接機械裝備對焊接生產的作用 焊接機械裝備對焊接生產的有利作用有以下幾個方面： 1）采用焊接工裝夾具，零件由定位器定位，不用劃線，不用測量就能得到準確 的裝配位置，從而保證裝配精度加快了裝配作業(yè)的進程。此外焊接工裝夾具上大多 都采用磁力、液壓、氣動夾具，即使采用手動夾具， 也都有擴力機構，因此可減 輕工人的體力勞動，提高裝配效率 2）由于焊接在夾具中可強行夾固或預先給于反變形，所以可以控制或消除反變 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 3 頁 形 3）采用焊接工裝夾具后，由于保證了裝配精度，控制了焊接變形，所以可提高 焊件互換性能；焊接上的配合孔配合槽可由原來的先焊接后加工改為加工后焊接從 而避免了大型焊接焊后加工的困難。有利于縮短焊件生產周期 4）采用焊接變位機械，可縮短裝配施焊過程中焊接翻轉變位的時間，減少輔助 工時提高焊機利用率和焊接生產力 5）采用焊接變位機械可使焊件處于最有利的施焊位置水平及船型位置上進行 焊接，有利于操作，保證焊接質量，而且可加大焊接工藝規(guī)程，充分發(fā)揮焊接方法 的效能 6）采用焊接變位機械可擴大焊機的焊接范圍。例如，埋弧焊機配合相應的焊接 設備后可完成內外環(huán)縫、空間曲線焊縫的焊接和空間曲面的堆焊 7）采用焊接機械裝備后，可使手工操作變?yōu)闄C械操作。人處于控制機械的地位， 減少人為因素對焊接質量的影響，也可降低對焊工操作技術水平的要求 8）采用焊接機械裝備后，可使裝配和焊接集中在一個工位上完成。減少工序數(shù) 量，節(jié)約車間使用面積。 9）只有與焊接機械裝配相配合，才能在條件困難、環(huán)境危險、不宜由人工直接 操作的場合實現(xiàn)焊接作業(yè)。例如在高溫、深水、劇毒、有放射性的環(huán)境進行焊接作 業(yè)。 總之，焊接機械設備對焊接生產的有利作用是多方面的。不但保證了焊接質量， 提高了焊接生產率，改善工人工作條件，還使焊接實現(xiàn)了機械化，自動化提高了生 產精度。因此，無論在焊接車間或是施工現(xiàn)場，焊接機械裝備已成為焊接生產中不 可缺少的機械裝備之一，從而獲得廣泛的應用。 1 1.3 焊接自動化： 焊接機器人的應用：進入 20 世紀如年代以來，隨著我國改革步伐的加快和國民 經濟的高速發(fā)展，一些企業(yè)也相應地以“更新裝備，加強技術改造，適應市場需求， 生產有競爭力的產品，穩(wěn)定提高企業(yè)效益”作為企業(yè)求生存、發(fā)展的關鍵措施之一。 在此背景下，在機械制造業(yè)中使用焊接機器人的數(shù)量也急劇增加。據(jù) 1996 年的統(tǒng)計， 我國使用焊接機器人進行生產的工廠已有 70 家，包括少量教學科研用焊接機器人在 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 4 頁 內，我國當時擁有的焊接機器人已達 5 百多臺，其中，弧焊機器人占 53，點焊機 器人占 46，其余為其他焊接方法用的機器人。 國內當時使用的機器人，主要是從德國、日本、奧地利、意大利、瑞典等國引 進的，其中以德國、日本生產的最多，分別占 39和 30。這些引進的焊接機器人， 94以上都是五軸或六軸的關節(jié)式球坐標焊接機器人，它們代表了國際 20 世紀 90 年代初、中期的水平。其中，特別是工程機械制造行業(yè)所引進的五條焊接柔性生產 線(FMs)，性能尤為先進，幾乎全部配備了接觸尋位、電弧跟蹤系統(tǒng)，有的還具有機 器人與焊件變位機械同步協(xié)調運動的功能。 9 國內使用焊接機器人較多的主要是汽車、摩托車和工程機械三個行業(yè)。其中， 在汽車及其零部件制造業(yè)中所擁有的焊接機器人占全部焊接機器人的 65，在摩托 車行業(yè)和工程機械行業(yè)分別占 15和 16，分布在電器、自行車、機車、航天航空 等行業(yè)的機器人僅占 4。 在我國，有高達 98的點焊機器人使用在汽車及其零部件制造行業(yè)中。這是因 為點焊機器人僅適用于薄板非密封結構的焊接，在汽車制造業(yè)中主要用于駕駛室、 車箱、車身等薄板沖壓件的組對焊接。 綜上所述可以預料，隨著我國經濟的進一步發(fā)展和市場需求的進一步開拓，焊 接機器人及其配套的焊件變位祝械，在我國機械制造業(yè)中的應用，也會越來越多， 越來越廣泛。 1.4 焊接工裝夾縣 焊接工裝夾具是將焊件準確定位并夾緊用于裝配和焊接的工藝裝備。 在焊接結構生產中，裝配和焊接是兩道重要的生產工序，根據(jù)工藝通常以兩種 方式完成這兩道工序，一種是先裝配后焊接；一種是邊裝配邊焊接。我們把用來裝 配以進行定位焊的央具稱做裝配夾具；專門用來焊接焊件的夾具稱做焊接夾具；把 既用來裝配又用來焊接的夾具稱做裝焊夾具。它們統(tǒng)稱為焊接工裝夾具。 焊接工裝夾具按動力源分為七類：電動夾具、真空夾具、磁力夾具、液壓夾具、 氣動夾具、手動夾具 一個完整的夾具，是由定位器、夾緊機構、夾具體三部分組成的。在裝焊作業(yè) 中，多使用在夾具體上裝有多個不同夾緊機構和定位器的復雜夾具(又稱為胎具或專 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 5 頁 用夾具)。其中，除夾具體是根據(jù)焊件結構形式進行專門設計外，夾緊機構和定位器 多是通用的結構形式。 1.4.1 焊接工裝夾具的特點 焊接工裝夾具的特點，是由裝配焊接工藝和焊接結構的形式決定的，與機床夾 具比較有如下特點： 1)由于焊件一般由多個簡單零件組焊而成，而這些零件的裝配和定位焊，在焊 接工裝夾具上是按順序進行的，因此，它們的定位和夾緊是一個個單獨進行的。而 機床夾具是對一個待機械加工的整體毛坯進行一次定位和夾緊。 2)在焊接過程中，零件會因焊接加熱而伸長或因冷卻而縮短，為了減少或消除 焊接變形，要求工裝夾具能對某些零件給予反變形或者作剛性的夾固；為了減少焊 接應力，又要允許某些零件在某一方向可以自由伸縮。因此，焊接工裝夾具不是對 所有的零件都作剛性的夾固。 機床夾具則不然，除少數(shù)加工長件的夾具，如加工光桿用的頂尖，要考慮工件 機械加工時的熱變形對其作游動夾固外，夾具均對工件作剛性夾固。 3)對機床夾具而言，加工后的工件，尺寸減小，重量減少，更便于從夾具上取 下。對焊接工裝夾具而言，裝焊完的結構，尺寸增大，重量增加，形狀變得復雜， 增加了從工裝夾具上卸下的難度。 4)對用于熔焊的夾具，工作時主要承受焊件的重力、焊接應力和央緊力，有的 還要承受裝配時的錘擊力；用于壓焊的夾具還要承受頂鍛力。而機床夾具主要承受 工件的部分重力和切削力，且此切削力遠遠小于焊接工裝夾具所承受的各種力。 5)與機床夾具不同，焊接工裝夾具往往是焊接電源二次回路的一個組成部分， 因此絕緣和導電是設計中必須注意的一個問題。例如，在設計電阻焊用的夾具時， 如果絕緣處理不當，將引起分流，使接頭強度降低。但對機床夾具而言，除電加工 所用夾具外，不存在導電的問題。 焊接結構件的種類繁多，形狀尺寸各異，焊接過程的要求也不盡相同，與之相 匹配的焊接工裝為適應焊件的需要在形式，工作原理及技術要求上也有很大的差別。 為了適應技術管理工作的需要，便于掌握各類焊接工裝的工作特點和設計基本方法， 就必須先對焊接工裝進行分類。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 6 頁 1.4.2 焊接工裝夾具的分類 可以按用途與應用范圍對常見焊接機械進行分類 按用途分類： 1）裝配用工藝裝備。這類工裝的主要任務是按照工藝要求，把待焊工件的零部 件按照相互之間的位置準確的固定下來，然后再進行定位點焊，而不直接參與正式 的焊接工作。這類工裝稱為裝配定位焊夾具，它包括各位定位器，夾緊器，推拉裝 置，組合夾具和裝配臺架。 2）焊接用工藝裝備。這類工裝專門用來焊接已經經過點焊固定好的工件。如各 類焊接專機，龍門式，懸臂式，平臺式，爬行式等。 3）裝配焊接工藝裝備。這類工裝既能完成整個焊件的裝配，又能完成焊縫的焊 接工作。這類工裝通常是專用焊接機床或自動焊接裝置，或者是裝配焊接的綜合機 械化裝置，如一些自動焊接生產線。 實際生產中一個焊件如果要完成焊接工作，單單依靠一個工裝一般是難于完成的， 而是需要許多種焊接工裝的配合使用，這樣才能達到焊接過程的機械化和自動化。 按應用范圍分類 1）通用焊接工裝。目前國家針對焊接工藝中的需求已經指定了很多的標準，如 滾輪架行業(yè)的 JB/T 9187 標準等。所謂通用焊接工裝，既是指已經標準化且有較大 適用范圍的工裝。這類工裝一般無須調整或稍加調整，就能適用與不同工件的裝配 或焊接工件。 2）專用焊接工裝。只適用與某一特定類型的工件的裝配或焊接，一般不能通用。 這類焊接工裝一般應按需求來設計，或者在專門廠家協(xié)商定做。 3）柔性焊接工裝。指可以通過調整自身的尺寸來適應一定形狀和尺寸變化的焊 接工裝。 此外還有按動力裝置分類，按焊接方法分類等，再次就不詳細說明了。 1.4.3 對焊接工裝夾具的設計要求 1)焊接工裝夾具應動作迅速、操作方便，操作位置應處在工人容易接近、最宜 操作的部位。特別是手動夾具，其操作力不能過大，操作頻率不能過高，操作高度 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 7 頁 應設在工人最易用力的部位，當夾縣處于夾緊狀態(tài)時，應能自鎖。 2)焊接工裝夾具應有足夠的裝配、焊接空間，不能影響焊接操作和焊工觀察， 不妨礙焊件的裝卸。所有的定位元件和夾緊機構應與焊道保持適當?shù)木嚯x，或者布 置在焊件的下方或側面。夾緊機構的執(zhí)行元件應能夠伸縮或轉位。 3)夾緊可靠，剛性適當。夾緊時不破壞焊件的定位位置和幾何形狀，夾緊后既不 使焊件松動滑移，又不使焊件的拘束度過大而產生較大的應力。 4)為了保證使用安全，應設置必要的安全連鎖保護裝置。 5)夾緊時不應損壞焊件的表面質量，夾緊薄件和軟質材料的焊件時，應限制夾緊 力，或者采取壓頭行程限位、加大壓頭接觸面積、加添銅、鋁襯墊等措施。 6)接近焊接部位的夾具，應考慮操作手把的隔熱和防止焊接飛濺物對夾緊機構和 定位器表面的損傷。 7)夾具的施力點應位于焊件的支承處或者布置在靠近支承的地 方，要防止支承反力與夾緊力、支承反力與重力形成力偶。 8)注意各種焊接方法在導熱、導電、隔磁、絕緣等方面對夾具提出的特殊要求。 例如，凸焊和閃光焊時，夾具兼作導電體；釬焊時夾具兼作散熱體，因此要求夾具 本身具有良好的導電、導熱性能。再如，真空電子束焊所使用的夾具，為了不影響 電子束聚焦，在槍頭附近的夾具零件，不能用磁性材料制作，夾具也不能帶有剩磁。 9)用于大型板焊結構的夾具，要有足夠的強度和剛度，特別是夾具體的剛度， 對結構的形狀精度、尺寸精度影響較大，設計時要留有較大的裕度。 10)在同一個夾具上，定位器和夾緊機構的結構形式不宜過多，并且盡量只選用 一種動力源。 11)工裝夾具本身應具有較好的制造工藝性和較高的機械效率。 12)盡量選用已通用化、標準化的夾緊機構以及標準的零部件來制作焊接工裝夾 具。 1.4.4 焊件在焊接工裝夾具中的定位方法 前已述及，在裝焊作業(yè)中，焊件按圖樣要求，在夾具中得到確定位置的過程稱 為定位。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 8 頁 焊件在夾具中要得到確定的位置，必須遵循物體定位的“六點定則”。但對焊 接金屬結構件來說，被裝焊的零件多是些成形的板材和型材，未組焊前剛度小、易 變形，所以常以工作平臺的臺面作為焊件固定面。另外、對焊接金屬結構的每個零 件，不必都設六個定位支承點來確定其位置，因為各零件之間都有確定的位置關系， 可利用先裝好的零件作為后裝配零件某一基面上的定位支承點，這樣，就可以簡化 夾具結構，減少定位器的數(shù)量。 為了保證裝配精度，應將焊件幾何形狀比較規(guī)則的邊和面與定位器的定位面接 觸，并得到完全的覆蓋。 在夾具體上布置定位器時，應注意不妨礙焊接和裝卸作業(yè)的進行，同時要考慮 焊接變形的影響。如果定位器對焊接變形有限制作用、則多做成拆卸式或退讓式的。 操作式定位器應設置在便于操作的位置上。 在批量生產中使用的專用夾具，其夾具體是根據(jù)焊件形狀、尺寸、定位及夾緊 要求、裝配施焊工藝等專門設計的。夾具體上安裝著定位器以保證零件 2 相對零件 1 的垂直度和相對高度。零件定位后，用圓偏心杠桿夾緊機構夾緊，以保證施焊 時零件的相互位置不發(fā)生改變。 對夾具體的要求是：有足夠的強度和剛度；便于裝配和焊接作業(yè)的實施； 能將裝焊好的焊件方便地卸下；滿足必要的導電、導熱、通水、通氣及通風條 件；容易清理焊渣、銹皮等臟物；有利于定位器、夾緊機構位置的調節(jié)與補償； 必要時，還應具有反變形的功能。 通常，作為通用夾具體的裝焊平臺多為鑄造結 構，而專用夾具體多為板焊結構。 1.5 焊接變位機械 焊機變位機械是改變焊接機頭空間位置進行焊接作業(yè)的機械設備。它主要包括焊 接操作機和電渣焊立架。 焊接操作機的結構形式很多，使用范圍很廣，常與焊件變 位機械相配合，完成各種焊接作業(yè)。若更換作業(yè)機頭，還能進行其他的相應作業(yè)。 1.5.1 焊接變位機械的分類 焊接變位機械是改變焊件、焊機或焊工空間位置來完成機械化、自動化焊接的 各種機械設備。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 9 頁 使用焊接變位機械可縮短焊接輔助時間，提高勞動生產卒，減輕工人勞動強度， 保證和改善焊接質量，并可充分發(fā)揮各種焊接方法的效能。 焊接變位機械的分類及各類所屬設備如下（如圖 1-1）： 圖 11 焊接變位機械的分類 各種焊接變位機械都可單獨使用，但在多數(shù)場合是相互配合使用的，它們不僅用于 焊接作業(yè)，也可用于裝配、切割、檢驗、打磨、噴漆等作業(yè)。 1.5.2 焊接變位機械應具備的性能 一般，通用的焊接變位機械應具備的性能是： 1)焊件變位機械和焊機變位機械要有較寬的調速范圍焊接運行速度，以及良好 的結構剛度。 2)對尺寸和形狀各異的焊件，要有一定的適用性。 3)在傳動鏈中，應具有一級反行程自鎖傳動，以免動力源突然切斷時，焊件應 重力作用而發(fā)生事故。 焊件變位機械是在焊接過程中改變焊件空間位置，使其有利于焊接作業(yè)的各種 機械設備。 焊件變位機械按功能不同，分為焊接變位機、焊接滾輪架、焊接回轉臺和焊接 翻轉機四類。 在手工焊作業(yè)中，經常使用各種焊件變位機械，但在多數(shù)場合，焊件變位機械 是與焊機變位機械相互配合使用的，用來完成縱縫、橫縫、環(huán)縫、空間曲線焊縫的 焊接以及堆焊作業(yè)。焊件變位機械也是機械化、自動化裝焊生產線上的重要組成都 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 10 頁 分。焊接機械是改變焊件，焊機或焊工位置來完成機械化，自動化焊接的各種機械 裝備。使用焊接機械可縮短焊件翻轉變位的輔助時間，提高勞動生產率，減輕工人 的勞動強度，改善焊接質量，并可充分發(fā)揮各種焊接方法的效果。 1.6 幾類焊接機械設備的具體介紹 1.6.1 焊接變位機 (一)功能及結構形式 焊接變位機，是在焊接作業(yè)中將焊件回轉并傾斜置于有利施焊位置的焊件變位機 械。焊接變位機主要用于機架，機座，機殼等非長形工件的焊接。 焊接變位機按結構形式可分為三種： 1，伸臂式焊接變位機：適用與輕小焊件的翻轉空位，載重量一般不超過 1 噸。 圖 12 伸臂式焊接變位機 2，座式焊接變位機 如圖 13 所示，其工作臺連同回轉機構通過傾斜軸支承在機 座上，工作臺以焊速回轉，傾斜軸通過扇形齒輪或液壓缸，多在 110 一 140 度的范 圍內恒速或變速傾斜。該機穩(wěn)定性好，一般不用固定在地基上，搬移方便，適用于 0.5100 噸焊件的翻轉變位。是目前產量最大、規(guī)格最全、應用最廣的結構形式。常 與伸縮臂式焊接操作機或弧焊機器人配合使用。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 11 頁 圖 13 座式焊接變位機 1回轉工作臺 2傾斜軸 3扇形齒輪 4機座 3，雙座式焊接變位機，有較高的穩(wěn)定性，適用于大型和重型工件的翻轉變位，載重 量一般都在 50 噸以上。 圖 14 雙座式焊接變位機 1工作臺 2凹形架 3機座 4回轉裝置 5傾斜機構 1.6.2 焊接翻轉機 焊接變位翻轉機是一種可以實現(xiàn)大型回轉零件在焊接時變位、翻轉、旋轉位置，以 便獲得更佳焊接位置的焊接輔助設備，可配用熔化極氣體保護焊機(CO2/MAG 焊機)。 如圖 1-5、圖 1-6。產品主要由立柱提升機構、翻轉機構、回轉機構以及控制器組 成。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 12 頁 圖 15 輕型焊接翻轉臺 圖 16 焊接翻轉機 1.6.3 焊接操作機 焊接操作機作為一種焊接輔助機械，被廣泛地應用于鍋爐、壓力容器、管道和 金屬結構行業(yè)。與滾輪架、變?yōu)闄C或翻轉機相配，可焊接大直徑管道內外縱、環(huán)縫。 可根據(jù)用戶工藝要求選配焊接系統(tǒng)，還可選配焊接系統(tǒng)，還可選配焊接跟蹤系統(tǒng)、 監(jiān)控系統(tǒng)，焊劑自動輸送回收系統(tǒng)或擺動器。 焊接操作機是將焊件準確地送到并保持在待焊接位置或以選定的焊速沿規(guī)定的軌 跡移動焊機的機械裝置。 焊接操作機與焊接變位機、焊接滾輪架等焊件變位裝置配合使用，可完成多種焊 縫的焊接，也可以進行工件表面的自動焊接。 9 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 13 頁 焊接操作機可分為：平臺式焊接操作機、伸縮臂式操作機（圖 1-7）、門式操 作機（圖 1-8）、橋式操作機、臺式操作機 圖 17 伸縮臂式操作機 圖 18 固定門式操作機 1.6.4 焊接滾輪架 焊接滾輪架是借助主動滾輪與焊件之間的摩接力帶動焊接旋轉的變位機械。焊 接滾輪架主要用于筒形焊件的裝配與焊接。若對主、從動滾輪的高度作適當調整， 也可進行錐體、分段不等徑回轉體的裝配與焊接。對于一些非圓長形焊件，若將其 裝卡在特制的環(huán)形卡箍內，也可在焊接滾輪架上進行裝焊作業(yè)。為了焊接不同直徑 的焊件，焊接滾輪架的滾輪間距應能調節(jié)。調節(jié)方式有兩種：一種是自調式的；一 種是非自調式的。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 14 頁 自調式的可根據(jù)焊件的直徑自動調整滾輪的間距（如圖 1-9）； 圖 19 自調式焊接滾輪架 非自調式滾輪架是通過調節(jié)支架上的滾輪座來調節(jié)滾輪的間距的（如圖 1-10）。 圖 110 非自調式焊接滾輪架 焊接滾輪架按結構形式分為兩類： 第一類是長軸式滾輪架。滾輪沿兩平行軸排列，與驅動裝置相連的一排為主動 滾輪，另一排為從動滾輪。長軸式滾輪多是用戶根據(jù)焊件特點自行設計制造的，市 場可采用的定型產品很少 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 15 頁 圖 111 長軸式滾輪架 第二類是組合式滾輪架（如圖 1-12），它的主動滾輪架，從動滾輪架，混合式 滾輪架都是獨立的，使用時可根據(jù)焊件的重量和長度進行任意組合，其組合比例也 不僅是 1 與 1 的組合。因此，使用方便靈活，對焊件的適應性很強，是目前應用最 廣泛的結構形式。 圖 112 組合式滾輪架 對于重型滾輪架（如圖 1-13），多采用車間起重設備挪動滾輪架座進行分段調 節(jié)。對輕型滾輪架，多采用手動或電動絲杠螺母機構來移動滾輪座進行連續(xù)調節(jié)。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 16 頁 圖 113 200 噸重型焊接滾輪架 1.6.5 關于滾輪架軸向竄動的問題 如果滾輪和焊件都是理想的圓柱體，且各滾輪尺寸一致，并且其轉動軸線都在 同一水平面內并與焊件軸線平行時，放在滾輪架上的焊件是不會產生軸向竄動的， 這是理想情況。但實際上是不可能做到的，尤其是焊件就不可能做到理想中的圓柱 體。 多次試驗證明將主、從滾輪架在水平和軸向上的位置找好，固定下來，下次再 用時仍會竄動。即便是同一個焊件，此時調整后已不再竄動，但換個方向旋轉或將 該焊件吊起移動位置后再放到滾輪架上，該焊件又會竄動了，更不用說換另外一個 焊件了。 國內一些工廠采用在焊件端頭硬頂?shù)霓k法，這種辦法對設備和焊件都有損害， 實屬無奈。國外制作的防竄滾輪架，雖能滿足要求，可惜價格較昂貴。 理論和實踐都證明：影響焊件做軸向竄動的主要原因是滾輪各軸線與焊件軸線 的平行度。因此，在制造和使用焊接滾輪架時，首先要盡量做到：主、從滾輪架 都位于同一中心線上。各滾輪的軸線都在一個水平面內且相互平行。滾輪間距 相等。 實際上，焊件在滾輪架上的軸向竄動，其焊件本身是在作螺旋運動，如能采取措施， 把焊件的左旋及時地改為右旋或將右旋改為左旋，直至焊件不再作螺旋運動為止。 9 目前，已有三種執(zhí)行機構可完成此任務： （1）頂升式執(zhí)行機構從動滾輪架的一側滾輪可以做升降運動，使焊件軸線發(fā) 生偏移，同時也使焊件自重產生的軸向分量發(fā)生變化。這種調節(jié)方式其優(yōu)點是調節(jié) 靈敏度較高，缺點是制造成本高，體積大。 （2）偏移式執(zhí)行機構從動滾輪架的兩側滾輪沿其垂直中心線可做同向偏移， 以此改變滾輪與焊件的軸向摩擦分力。這種調節(jié)方式其優(yōu)點是靈敏度高，但最大的 缺點是對滾輪的磨損太大。 （3）平移式執(zhí)行機構從動滾輪架的兩側滾輪可以同時垂直于焊件軸心線做水 平移動，從而達到調節(jié)焊件軸心線以及調節(jié)滾輪軸線夾角的目的。這種調節(jié)方式其 優(yōu)點是穩(wěn)定性好，制造成本低，結構簡單，不占用額外的安裝空間。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 17 頁 主動輪轉速控制 我們的目的是要檢測出焊件在軸線方向上的竄動位移，從原理上說，可以采取 在焊件筒壁側面檢測方式和在焊件端面檢測方式。筒壁側面檢測方式可以不受焊件 端面誤差的影響，但這種檢測方式由于要去除筒壁的垂直旋轉分量，再加上打滑、 筒體表面粗糙、污物的影響，因此要制造出可靠的傳感器來是不容易的。在焊件端 面檢測方式是目前貫用的檢測方式，這種檢測凡是不可避免地受到焊接焊件端面與 其軸心線垂直方向上凹凸不平的影響，因此要求對焊件的受測端面進行加工。但對 大型焊件來講，這種加工要求的精度越高，其困難和費用也就越大。能否降低對端 面加工的要求，就顯得重要起來。比如，工藝要求焊件的軸向竄動量不大于2mm， 可是焊件的受測端面不平度卻大于2mm，在這種條件下能否做到防止焊件的軸向竄 動是衡量防竄滾輪架是否實用的重要指標之一。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 18 頁 第二章 方案的選擇與確定 確定焊接滾輪架方案時，其合理性和經濟性是主要考慮的因素。當焊件的焊接 方法及工藝確定后，所選夾具結構，首先要能保證焊接工藝的實施。同時，焊件結 構尺寸以及組成焊件坯料的制作工藝和制造精度，則是確定夾具定位方法、定位基 準和夾緊機構方案的重要依據(jù)。除此之外，還應考慮經濟上的因素，使夾具的制造、 使用費用最低而取得的經濟效益最大。由于上述各因素都不是孤立存在的，它們之 間往往有聯(lián)系又有制約，所以在確定夾具方案時要對上述各因素進行綜合分析，只 有通盤考慮，才能制定出最佳的設計方案具體確定設計方案時，應聯(lián)系以下幾個方 面進行考慮： 1)焊件的整體尺寸和制造精度以及組成焊件的各個坯件的形狀、尺寸和精度。其 中形狀和尺寸是確定夾具設計方案、夾緊機構類型和結構形式的主要依據(jù)，并且 直接影響其幾何尺寸的大小；制造精度是選擇定位器結構形式和定位器配置方案以 及確定定位器本身制造精度和安裝精度的主要依據(jù)。 2)裝焊工藝對夾具的要求。例如與裝配工藝有關的定位基面裝配次序、夾緊方向 對夾具結構提出的要求。再如，不同的焊接方掃對夾具提出的要求，像埋弧焊，可 能要求在夾具上設置焊劑墊；電渣焊要求夾具保證能在垂直位置上施焊；電阻焊要 求夾具本身就是電極之一等。 3)裝、焊作業(yè)能否在同一夾具上完成，或是需要單獨設計裝固夾具和焊接夾具。 本次設計采用組合式滾輪架進行設計 2.1 組合式滾輪架的特點： 1)主從動滾輪架各自獨立，可根據(jù)焊件的重量，長度任意組合，使用方便靈活 滾輪架靠滾輪對的自由擺動或靠絲杠的調節(jié)作用在規(guī)定范圍內調節(jié)滾輪中心距，適 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 19 頁 用不同直徑的焊件，圓筒體焊件放置平穩(wěn) 2)可無級調速，焊速范圍大，速度穩(wěn)定。 3)為了便于調節(jié)滾輪架之間的距離，以適應不同長度焊件的裝焊要求，有的滾輪 架上還安有機動或飛機動行走機構，沿軌道行走，調節(jié)相互之間的距離。 焊接滾輪架多采用直流電動機驅動，降壓調速。這種方式沿用已久，技術很成熟， 電動機的機械特性較硬，啟動力矩較大，是目前滾輪架使用最廣的拖動調速方式。 缺點是電動機結構復雜，調速范圍較窄，一般恒轉矩的調速范圍為 1：10 左右低速 時的速度不夠穩(wěn)定，有爬行現(xiàn)象。也有滾輪架是采用交流異步電動機拖動，變頻調 速。 近幾年隨著晶體管變頻器性能的完善以及價格的下降，采用交流電動機驅動，變 頻調速的滾輪架也日趨增多。其優(yōu)點是調速范圍寬，可達 1：20，轉動平滑性好， 低速特性硬。缺點是低速段過載倍數(shù)降低較大，變頻電源的價格也較高。但隨著電 動機額定功率的增加，價格上升則相對平緩，所以在重型焊接滾輪架上，采用交流 異步電動機拖動和變頻調速較為適合。本次設計的焊接滾輪架噸為 4 噸，采用直流 電動機。 為是焊接滾輪架的滾輪間距離調節(jié)更為方便，機動性更強，組合更加便利，采用 單獨驅動的焊接滾輪架日益增多。但是每一主動滾輪均由一臺電動機驅動時，應解 決好個滾輪之間的同步問題。由于制造工藝，材料性能等因素的影響，其額定轉速 實際上并不一致，因此，要把實測數(shù)據(jù)較為接近的一組電動機做為焊接滾輪架的拖 動電動機。另外，對重型焊接滾輪架，還應考慮以測速發(fā)電機為核心的速度反饋裝 置來保證各滾輪轉速的同步。 焊接滾輪架的金屬滾輪多采用鑄鐵和合金球磨鑄鐵制作，其表面熱處理硬度約為 50HRC，滾輪直徑多在 200700mm 之間。 國外滾輪架品種很多，系列較全，承載量 11500t，使用焊件直徑 18m 的標準 組合式滾輪架（即兩個主動輪座與兩個從動輪座的組合）均成系列供應。其滾輪線 速度多在 690mh 之間無極可調有的還有防止焊件軸向竄動的功能。 我國已有不少廠家生產焊接滾輪架，最大承載量已達 400t，適用焊件直徑可達 6m，滾輪線速度多在 660mh 之間無級調速。防軸向竄動的滾輪架已有生產，但 性能質量尚待提高。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 20 頁 我國在 1990 年頒布了焊接滾輪架的行業(yè)標準（ZBJ/T33003-1990）中規(guī)定：主動 滾輪的圓周速度應在 660m/h 范圍內無級可調，速度波動量按不同的焊接工藝要求， 要低于5 10，滾輪轉速應穩(wěn)定、均勻，不允許有爬行現(xiàn)象。按 GB150 規(guī)定 制造的筒體類工件在防軸向竄動滾輪架上進行焊接時，在整個焊接過程中允許工件 的軸向竄動量為3mm。傳動機構中渦輪副齒輪副等傳動零件，應符合國標中的 8 級 精度等級。 2.2 滾輪驅動方案 為使焊接滾輪架的滾輪間距調節(jié)方便可靠，組合便利，采用主動輪單獨驅動的 設計方案，即每個主動輪單獨利用一臺電動機和減速機構驅動。不過要注意解決好 各主動輪的同步問題，在選用電動機和減速機結構上要盡量選用特性一致且經過實 測的使用。 因為長軸式滾輪架是用戶根據(jù)焊件特點自行設計制造的，市場可供選用的定型產 品很少，已不常用，所以本次設計的 4 噸級滾輪架采用組合式設計它的主動滾輪架， 從動滾輪架，混合式滾輪架都是獨立的，使用時可根據(jù)焊件的重量和長度進行任意 組合，其組合比例也不僅是 1 與 1 的組合。因此，使用方便靈活，對焊件的適應性 很強，是目前應用最廣泛的結構形式。 2.3 減速器的選擇： 蝸桿減速器按蝸桿外形結構分為圓柱蝸桿減速器，環(huán)面蝸桿減速器，錐蝸桿減 速器三大類。 本次采用圓弧圓柱蝸桿減速器。蝸桿傳動是傳遞交錯軸之間的動力常用的交錯 角=90 。它具有單級轉動比大工作平穩(wěn)，振動小，噪音低及可做成自鎖形式等特 點。 圓弧蝸桿傳動除具有普通蝸桿傳動的優(yōu)點外，還有以下特點：齒形優(yōu)良，蝸桿 渦輪齒面為凹凸共軛嚙合，當量曲率小，齒面間潤滑油膜容易形成，齒面接觸應力 低具有良好的強度和潤滑集合條件。接觸線及形狀分布合理。蝸桿和渦輪嚙合時瞬 間接觸線相對滑動方向形成的夾角近于直角。 減速器選用標準件，其型號的選定是根據(jù)傳動比和中心距綜合考慮選定的。中心距 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 21 頁 不能超過滾輪安裝的高度，即滾輪中心軸離地面的距離。選定中心距為 100。 再根據(jù)工作條件：工作荷載平穩(wěn)無沖擊，每日工作 8 小時，每小時啟動 10 次， 啟動轉矩為輸出轉矩的 2.5 倍。 4 根據(jù)機械傳動裝置選用手冊： 與滾輪相連的減速器選擇型號： CWU 10030 JB/T793595 外形尺寸 查看了機械傳動裝置選用手冊表 3.11，是蝸桿在渦輪之下的圓柱蝸桿減速器。 與電動機相連的減速器選擇型號：SCWO 10025 JB/T793595 外形尺 寸參看機械傳動裝置選用手冊表 3.111，是蝸桿在渦輪之上的圓柱蝸桿減速器。 減速器第一次使用時當運轉 150300h 后需更換潤滑油，在以后的使用中應定期 檢查油的質量。對于混入雜質或變質的油需及時更換。一般情況下，對于長期連續(xù) 工作的減速器，每 5001000h 必須換油一次。應加入與原來牌號相同的油，不得不 同品牌混用。牌號相同而粘度不同的油允許混合使用 工作中，當發(fā)現(xiàn)油溫溫升超過 80 度或油池溫度超過 100 度及產生不正常噪音時， 應停止使用，檢查原因。 減速器應定期檢修如發(fā)現(xiàn)膠合或顯著磨損，必須采取有效措施予以制止或排除， 備件必須按標準制造。 2.4 連軸器的選用： 聯(lián)軸器的類型很多根據(jù)其是否包含彈件元件，可以劃分為剛性聯(lián)軸器和彈性 聯(lián)軸器兩大類。剛性聯(lián)軸器根據(jù)正常工作時是否允許兩個半聯(lián)軸器軸線產生相對位 移又分為固定式剛性聯(lián)袖器和可移式剛性聯(lián)袖器。固定式剛性聯(lián)軸器，要求被聯(lián)接 兩軸軸線嚴格對中，因為它不能補償兩軸的相對位移。其常用類型有夾殼聯(lián)軸器和 凸緣聯(lián)軸器等?？梢剖絼傂月?lián)軸器可以通過兩半聯(lián)軸器間的相對運動來補償被聯(lián)接 兩軸的相對位移。其常用類型有十字滑塊聯(lián)軸器、齒輪聯(lián)軸器和萬向聯(lián)軸器等。 彈性聯(lián)軸器包含有彈性元件，不僅具有吸收振動和緩解沖擊的能力，而且能夠 通過彈性元件助變形來補償兩軸的相對位移。其常用類型有彈性套柱銷聯(lián)軸器、 彈性柱銷聯(lián)軸器和輪胎式聯(lián)軸器等。 4 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 22 頁 根據(jù)以上特點: 與電動機相連的聯(lián)軸器采用 NZ 撓性爪型聯(lián)軸器,再根據(jù)軸徑大小查機械設計與 制造簡明手冊選用代號為 QZB110.2.00 型號 NZ2 （兩個） 。 與滾輪相連的聯(lián)軸器采用凸緣連軸器再根據(jù)軸徑大小查機械設計與制造簡明手 冊選用 YL8 型 （一個） 。 兩蝸桿減速器之間采用十字滑塊聯(lián)軸器，根據(jù)軸徑大小查機械設計與制造簡明 手冊選用 JBZQ438486 KL 型 十字滑塊聯(lián)軸器 （兩個） 。 表 21 聯(lián)軸器選擇 名稱 公稱扭矩 范圍 軸徑范 圍 最大轉速范 圍 特點 應用條件 凸緣連 軸器 1020000 10180 140013000 結構簡單，成本低可傳 動較大扭距，但不等消 除沖擊。對所連兩軸間 的偏移缺乏補償能力 經常用于荷載平穩(wěn) 有輕度沖擊的條件 下，鏈接低速和剛 性不大的兩軸。 NZ 撓 性爪型 聯(lián)軸器 25600 1565 380010000 外形尺寸小，飛輪力矩 小 用于小功率，高轉 速，沒用急劇沖擊 載荷的情況下 十字滑 塊聯(lián)軸 器 12020000 15150 100250 結構緊湊，尺寸小，壽 命長。但制造比較復雜 無較大沖擊，轉速 不高的，存在兩軸 徑向相對位移時采 用 2.5 滾輪架滾輪的設計 滾輪架的滾輪結構主要有四種類型，其特點和使用范圍見表 2-2。 表 22 滾輪形式選擇 類型 特點 使用范圍 鋼輪 承載能力強，制造簡單 一般用于重型焊件和需預熱處理的焊件以及額 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 23 頁 定在和大于 60t 的滾輪架 膠輪 鋼輪外包橡膠，摩擦力大，傳動平 穩(wěn)但橡膠易壓壞 一般用于 10t 以下的焊件和有色金屬容器 組合輪 鋼輪與橡膠輪相結合，承載能力比 橡膠輪高，傳動平穩(wěn) 一般多用于 1060t 的焊件 履帶輪 大面積履帶和焊件接觸，有利于防 止薄壁工件的變形，傳動平穩(wěn)但結 構較復雜。 用于輕型，薄壁大直徑的焊件及有色金屬容器 由于滾輪架的額定載荷是 4t，所以選用膠輪結構。橡膠輪緣的滾輪常因結構不合 理，或橡膠質量不佳或掛膠工藝不完善，使用不久就會發(fā)生擠裂，脫膠而破壞。為 此，設計滾輪時，常常在橡膠輪緣兩側開出 15 度的倒角，以留出承載后橡膠變形的 空間，避免擠裂。另外，常在橡膠輪輞與金屬的結合部，將金屬輪面開出多道溝槽， 以增加橡膠與金屬的接觸面積，強化結合牢度，避免脫膠。至于橡膠成分和掛膠工 藝，在美國是一項專利，國內蘭州石油化工機器廠，將國產橡膠輪緣的坦克支重輪 用在焊接滾輪架上，取得了很好的效果，使?jié)L輪壽命延長了許多。 1 圖 21 滾輪的設計 如圖 21 所示。滾輪直徑為 250mm，寬 150mm。滾輪邊緣采用橡膠來增大摩擦力。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 24 頁 2.6 軸的設計 圖 22 軸的設計 軸主要是用來支承轉動的機械零件，如齒輪、帶輪等，并傳遞運動和動力。根 據(jù)軸所受載荷的不同，可分為心軸、傳動軸和轉軸三種。 只承受彎距作用的軸稱為心軸。心軸可以是轉動的，如火車的輪軸。也可以是 固定的，如自行車的輪軸。傳動軸是只傳遞轉矩的軸。如聯(lián)接汽車變速箱與后橋的 軸。既承受彎矩又傳遞轉矩的軸稱為轉軸。轉軸是機器中最常見的軸，如齒輪減速 箱中的軸均是轉軸。此次設計的軸為轉軸，即承受彎矩又傳遞轉矩。 軸在工作時常受到變應力的作用，其失效形式多為疲勞斷裂。因此軸的材料首 先應具有一定的疲勞強度，同時還應滿足工藝性和經濟性方面的要求。鈾的常用材 料主要是碳素鋼和合金鋼。碳素鋼分普通碳素鋼和優(yōu)質碳素鋼。常用的有 35，40，45，50 號優(yōu)質碳素鋼，其中以 45 號鋼應用最普遍。與合金鋼相比，碳素 鋼價廉，對應力集中的敏感性小。并且經過正火或調質等熱處理后，其綜合機械性 能都會有很大改善相提高。本次設計的軸采用 45 號碳素鋼，并進行調質處理。 軸的結構設計就是要確定軸的合理外形和全部結構尺寸。影響軸結構的因素很 多，如軸上載荷的大小、分布及性質，軸上零件的數(shù)目、類型、布置及固定方式， 軸的加工和裝配方法等。所以在設計時，要根據(jù)具體的工作情況，綜合考慮各種影 響因素，經濟合理地確定軸的結構。 如圖 22，這次設計的軸分三段，中間段與滾輪通過鍵鏈接在一起。左右段 各安裝一個滾動軸承。同時左段還與聯(lián)軸器通過鍵鏈接在一起。 中間軸段軸徑尺寸為 50mm 與滾輪的間隙配合采用 的優(yōu)先配合，中段軸長76Hg 150mm，左段軸長 138mm，右段軸長 58mm。 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 25 頁 2.7 軸承的選用 軸承分為滾動軸承，滑動軸承兩類 12 滑動軸承工作時，軸與軸承之間存在滑動摩擦。其缺點是摩擦損耗較大，使用 維護也較復雜。而滑動軸承的優(yōu)點是： (1)結構簡單，制造、裝拆方便。 (2)具有良好的耐沖擊性和良好的吸振性能， (3)承載能力大，使用壽命長。 因此滑動軸承在高速、精密機構和低速重載、床、沖壓機械和農業(yè)機械中如高 速精密機、沖壓機械和農業(yè)機械中應用較多。 圖 23 滾動軸承 滾動軸承是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉動零件的。其基本結構如圖 23 所示，它一般是由內圈 1、外圈 2、滾動體 3 和保持架 4 等組成。內圈安裝在 軸頸上并一起轉動，外圈安裝在軸承座上。滾動軸承的內、外圈上加工有滾道，當 內、外圈相對轉動時，滾動體即在內、外因的滾道中滾動。常用的滾動體有球、圓 柱滾子、滾針、圓錐滾子、球面滾子、非對稱球面滾子等。保持架用于將滾動體彼 此分開，以免它們之間相互接觸產生摩擦 與滑動軸承相比，滾動軸承具有摩擦阻力小、功耗少、啟動靈活、互換性好等 優(yōu)點，因而獲得了廣泛的應用，其缺點是抗沖擊能力差，轉速過高時易出現(xiàn)噪音等。 滾動軸承已標準化，并由專業(yè)廠家生產。此次設計的 4 噸焊接滾輪架，根據(jù)軸徑 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 26 頁 50mm 選用圓柱滾子軸承 ，型號 2309 2.8 軸承端蓋的設計 首先，根據(jù)軸承座孔（外圈）直徑 100mm 由機械設計課程設計表 46 查 得軸承端蓋螺釘直徑為 d3=10mm，螺釘數(shù)目為 4 個。 如圖 24 所示，由機械設計課程設計表 47 可知， D4=D-(1015mm) 得 D4=85mm D0=D+2.5D3 D0=125 e=1.2d3 e=12 D2=D0+2.5D3 D2=150 軸承端蓋、軸承透蓋都是按照此尺寸設計。 圖 24 軸承端蓋 2.9 絲杠的設計 所謂絲杠傳動就是由絲杠副聯(lián)接相鄰構件而組成的傳動機構。在機械傳動中， 絲杠副是較常用的機構之一。 絲杠傳動（或稱螺旋傳動）可以把旋轉運動變成直線運動，也可以把直線運動 變成旋轉運動。絲杠傳動即可以傳遞能量或動力，也可以用來傳遞運動或用來調整 西南交通大學本科畢業(yè)設計(論文) 第 27 頁 零件的相互位置。因此，在機床、起重設備、鍛壓機械、測量儀器、船舶等傳動機 構中都廣泛的應用了絲杠副。最常見的絲杠副為滑動絲杠副和滾珠絲杠副兩種 滑動絲杠副有以下特點: 1) 結構簡單，制造容易。 由于滑動絲杠副為一般的絲杠、螺母所組成故其結構簡單。制造容易 2）減速傳動比大 由