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河南科技大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 　　　　 500公斤數(shù)控座式焊接變位機 摘　要 座式焊接變位機是通過工作臺的回轉(zhuǎn)或傾斜，使焊縫處于水平或船形位置的裝置，它可以實現(xiàn)與操作機或焊機聯(lián)控，可應(yīng)用于各種軸類、盤類、筒體等回轉(zhuǎn)體工件的焊接。本次設(shè)計題目是設(shè)計一臺500公斤數(shù)控座式焊接變位機，可實現(xiàn)焊接工件的回轉(zhuǎn)、傾斜，而且工作臺的回轉(zhuǎn)和傾斜運動采用數(shù)控控制，以便與機器人配合聯(lián)動，實現(xiàn)工件上的各類焊縫的自動焊接。 本次設(shè)計采用步進電動機進行驅(qū)動，直接與無級變速器及渦輪蝸桿減速器機構(gòu)相連接，以帶動工作臺轉(zhuǎn)動。所以控制進入步進電動機的脈沖數(shù)量，就可控制工作臺轉(zhuǎn)角的大??；控制進入步進電動機的脈沖頻率，就可控制工作臺的轉(zhuǎn)動速度；改變步進電機中各繞組的通電順序，便是工作臺正傳或反轉(zhuǎn)。因此 ，該變位機可實現(xiàn)點位控制，并有較高的到位精度。步進驅(qū)動系統(tǒng)采用開環(huán)控制，傳動機構(gòu)比較簡單，從而設(shè)計、調(diào)整、維修都很方便。 　　本次設(shè)計的主要內(nèi)容包括:數(shù)控座式焊接變位機的底座、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、傾斜機構(gòu)等的機械設(shè)計、裝配圖和零件圖設(shè)計，數(shù)控步進電機的選型等。整個機械系統(tǒng)應(yīng)簡單可靠，操作方便。編寫相應(yīng)的設(shè)計說明書。 關(guān) 鍵 詞：焊接、步進電機、變位機 1 　　　　DESIGN OF 500 kg CNC WELDING 　　DISPLACEMENT MACHINE 　　　　　　　　ABSTRACT 　 　　Seat type welding machine is through the displacement worktable turn or tilt, the weld seam in horizontal or boat form position of the device, which can realize Manipulator or welding machine with but connected controlling, can be applied to various axial, plate, barrel etc of axially symmetrical workpiece welding. This design topic is to design a 500 kilograms NC seat type welding displacements machine, It can realize the fluctuation on turn, tilt, and the rotary and tilt table adopts CNC control, in order to exercise with robot cooperate linkage, realize the of all kinds of workpiece weld automatic welding. 　　This design adapts the stepping motor driven directly and variator and worm and worm reducer institutions, to drive workbench is connected to rotate. So control into stepping motor pulse quantity, can control the size of workbench corner; Control into stepping motor pulse frequency, it can control the rotation speed worktable; Change stepping motor of the winding electrify sequence, days or reverse is workbench. Therefore, this shift machine can realize position control and have higher in position precision. Stepping driving system USES the open loop control, transmission mechanism is simpler, thus design, adjustment, maintenance is very convenient. 　　The design of the main content includes NC seat type welding displacements machine base, such as swing mechanism, the tilt institution of mechanical design, assembly and parts graph design, NC stepping motor selection, etc. The mechanical system should be simple, reliable and convenient operation. Write the corresponding design specification. KEY WORDS：Welding, Stepping motor, Displacements machine 目 錄 前 言 2 第1章 總體方案擬定 8 §1.1 焊接變位機概述 8 §1.1.1 焊接變位機定義 8 §1.1.2　焊接變位機的類型和特點 8 §1.1.3 驅(qū)動系統(tǒng) 11 §1.2 總體方案的確定 12 第2章 電動機的選擇及傳動比的分配 13 §2.1 電動機的選擇 13 §2.1.1 主要技術(shù)參數(shù) 13 §2.1.2 電動機的選擇 13 §2.2.1　回轉(zhuǎn)軸總傳動比的計算及其分配 16 第3章 零件設(shè)計和選用 18 §3.1 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 18 §3.2　回轉(zhuǎn)軸的強度校核 19 §3.2.1　軸上的受力分析及計算 19 §3.2 回轉(zhuǎn)軸齒輪強度校核 23 §3.3 鍵強度校核 24 §3.4 軸承的選用 24 參考文獻 27 致　謝 28 　　 27 　　　　　　　　　　前 言　　　 焊接是一種制造技術(shù)，它是適應(yīng)工業(yè)發(fā)展的需要，以現(xiàn)代工業(yè)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，并且直接服務(wù)于機械制造工業(yè)。焊接技術(shù)的發(fā)展與制造工業(yè)的需要緊密相關(guān)。許多設(shè)備中的大型結(jié)構(gòu)，幾乎都是焊接結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，隨著科學技術(shù)的進步，生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，焊接結(jié)構(gòu)正朝著超大型、高容量、高參數(shù)、耐磨、耐蝕、耐低溫、耐動載的方向發(fā)展。這就不僅需要為焊接生產(chǎn)提供各種性能優(yōu)異的焊接工裝設(shè)備，使焊接生產(chǎn)實現(xiàn)機械化和自動化，減少人為因素的干擾，達到保證和穩(wěn)定焊接質(zhì)量、改善焊工勞動條件、提高生產(chǎn)率、促進文明生產(chǎn)的的目的。 在現(xiàn)代加工和制造過程中，焊接變位機已悄然成為一種不可缺少的設(shè)備，其作用越來越突出。特別是近十年來，這一產(chǎn)品在我國工程機械行業(yè)有了較大的發(fā)展，獲得了廣泛的應(yīng)用。焊接變位機的種類主要有伸臂式焊接變位機 、座式焊接變位機 、雙座式焊接變位機。而數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，讓這一技術(shù)又迎來了新的發(fā)展。各種機械產(chǎn)品和機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)件大多數(shù)都很復雜，尤其是各種機械的主要關(guān)鍵部件，其焊接質(zhì)量的好壞直接影響整機性能。而數(shù)控式焊接變位機的應(yīng)用就解決了這些后顧之憂，數(shù)控式焊接變位機能提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強度和生產(chǎn)成本，加強安全文明生產(chǎn)和自動化，有利于現(xiàn)場管理。選擇合適的變位機能將被焊工件的各類焊縫轉(zhuǎn)動到最佳位置,從而避免立焊、仰焊,提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率。特別是入世的沖擊，機械市場競爭將會越來越激烈，數(shù)控技術(shù)在焊接中的應(yīng)用是國內(nèi)企業(yè)應(yīng)對挑戰(zhàn)的新選擇。因此，近年來焊接變位機得到國內(nèi)工程機械行業(yè)的廣泛共識，對這方面的投入都在加大。 一、國內(nèi)外同類設(shè)計的發(fā)展情況 現(xiàn)在我國生產(chǎn)焊接變位機的廠家已經(jīng)不少，大都不成規(guī)模。以變?yōu)闄C為主導產(chǎn)品發(fā)展起來的企業(yè)，尚未形成。天津鼎盛公司工程機械有限公司、無錫市利達焊接機械有限公司、濟南優(yōu)科數(shù)控設(shè)備網(wǎng)、威達自動化設(shè)備有限公司等單位生產(chǎn)的變位機在國內(nèi)占有較大市場。到2000年，國內(nèi)已開發(fā)的變位機產(chǎn)品約70余種規(guī)格。以下簡單介紹這些變位機的基本型式。以上基本型產(chǎn) 品發(fā)展了17個系列，主要為普通型，用于手把焊。此外還有調(diào)速型、聯(lián)控型 和機器人配套型產(chǎn)品?！? 但是，在我國焊接變位機時一個年輕的產(chǎn)品，由于制造業(yè)之間發(fā)展水平的差異，很多企業(yè)的焊接工位還沒有裝備焊接變位機；同時相關(guān)的研究也比較薄弱。在人們眼中仍然認為焊接變位機是一個無足輕重的產(chǎn)品。然而在國際上，包括各種功能的產(chǎn)品在內(nèi)，有百余系列。在技術(shù)上有普通型的，有無隙傳動私服控制型的；產(chǎn)品的額定負荷范圍達到0.1KN~18000KN。我國對于焊接變位機的研究還處于一個低級階段。 德國Severt公司，美國Aroson公司，我國天津鼎盛公司工程機械有限公等，算是比較典型的生產(chǎn)焊接變位機的企業(yè)。德國的CLOOS、奧地利igm、日本松下機器人公司等，都生產(chǎn)伺服控制與機器人配套的焊接變位機。Severt公司：該公司就生產(chǎn)8中類型的產(chǎn)品，其中7種是焊接變位機。每種型式的焊接變位機，按其功能講，均包括基本型、調(diào)速型、CNC程控型和機器人配套型等4種產(chǎn)品；德國的CLOOS是國際生產(chǎn)焊接設(shè)備的大型公司之一。生產(chǎn)焊接機器人和焊接變位機等產(chǎn)品。也生產(chǎn)作為焊接機器人外部軸的焊接變位機。在我國，除可見與焊接機器人系統(tǒng)配套進口的L型雙回轉(zhuǎn)式、傾翻-回轉(zhuǎn)式和單回轉(zhuǎn)式變位機外，還生產(chǎn)臥式單座單回轉(zhuǎn)WPV、立式單回傳RR502以及各種多軸焊接機器人配套的變位機。美國Aroson公司生產(chǎn)的焊接設(shè)備有焊接變位機、操作機、滾輪架等，可稱世界之最。這個公司生產(chǎn)的焊接變位機，主要類型為傾翻-回轉(zhuǎn)式、傾翻-回轉(zhuǎn)升降式。雙座雙回轉(zhuǎn)式，雙座單回轉(zhuǎn)式和雙座單回轉(zhuǎn)升降式。其承載能力范圍為11Kg~18Kg噸。日本松下機器人公司。這個公司生產(chǎn)的機器人外部設(shè)備-焊接變位機有12個系列。他們把傳動裝置、機座、夾具體等做成了標準模塊，集合而成這些產(chǎn)品系列[1,7,8]。 焊接變位機以其獨特的性能，在工業(yè)發(fā)達的國家已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。焊接變位機在實際應(yīng)用中呈現(xiàn)出如下主要特點： 1) 焊件變位機械和焊機變位機械有較寬的調(diào)速范圍,穩(wěn)定的焊接運行速度,以及良好的結(jié)構(gòu)剛度 2) 對尺寸和形狀各異的焊件，有一定的適用性。 3) 在傳動鏈中，具有一級反行程自鎖傳動，以免動力源突然切斷時，焊 件因重力作用而發(fā)生事故。 4) 與焊接機器人和精密焊接作業(yè)配合使用的焊件機械，視焊件大小和工 藝方法的不同，其到位精度和運行軌跡精度能控制在0.1～2mm之間，最高精度可達0.01mm。 5) 回程速度快，能避免產(chǎn)生沖擊和振動。 6) 有良好的接電、接水、接氣設(shè)施，以及導熱和通風性能。 7) 整個結(jié)構(gòu)有良好的密閉性，以免焊接飛濺物的損傷，對散落在其上的焊渣、藥皮等應(yīng)易清除。 8) 焊接機械有聯(lián)動控制接口和相應(yīng)的自保護功能，以便集中控制和相互協(xié)調(diào)動作。 9) 工作臺面上刻有安裝基線，并設(shè)有安裝槽孔，能方便地安裝各種定位器件和夾緊機構(gòu)。 10) 兼作裝配用的焊件機械，其工作臺面有較高的強度和搞沖擊性能。 11) 用于電子束焊、等離子焊弧焊、激光焊和釬焊的焊件機械，能滿足導電、隔磁、絕緣等方面的特殊要求。 2、 典型企業(yè)的具體介紹 德國Severt公司 該公司主要生產(chǎn)8種類型的產(chǎn)品，其中7種是焊接變位機。每種型式的焊接變位機，按其功能講，均包括基本型、調(diào)速型、CNC程控型和機器人配套型等4種產(chǎn)品。 ⑴S10型，包括S10.1、2、3、4型等4個產(chǎn)品系列。即：①L型雙回轉(zhuǎn)式、L型雙回轉(zhuǎn)升降式；② L型雙回轉(zhuǎn)-傾翻式、L型雙回轉(zhuǎn)-傾翻升降式；③2×L型雙回轉(zhuǎn)式、2×L型雙回轉(zhuǎn)升降式；④2×L型雙回轉(zhuǎn)-傾翻式、2×L型雙回轉(zhuǎn)-傾翻升降式。 ⑵S20型，包括S20.1、2型2個產(chǎn)品系列。即：①單座單回轉(zhuǎn)式、單座單回轉(zhuǎn)升降式；②C型雙回轉(zhuǎn)式。 ⑶S30型，包括S30.1、2型2個產(chǎn)品系列。即：①立式單回轉(zhuǎn)；②立式 單回轉(zhuǎn)雙工位。 ⑷S40型，包括S40.1、2、3、4、5、6、7等7個產(chǎn)品系列。即：①雙 座單回轉(zhuǎn)分體式；②雙座首尾單回轉(zhuǎn)式；③H型雙座雙回轉(zhuǎn)式；④雙座首尾單回轉(zhuǎn)尾架移動式；⑤雙座首尾傾翻尾架移動式；⑥雙座3軸單回轉(zhuǎn)式；⑦ 單座滾圈單回轉(zhuǎn)式、雙座滾圈單回轉(zhuǎn)尾架移動式。 ⑸S50型：包括S50.1、2、3、4、5、6、7型，7個多軸（自由度）產(chǎn)品系列。即：①立式3軸單回轉(zhuǎn)雙工位式；②立式單回轉(zhuǎn)雙工位2×傾翻--回轉(zhuǎn)式（5軸）；③立式單回轉(zhuǎn)多工位2×L型雙回轉(zhuǎn)式（5軸）；④立式單回轉(zhuǎn)雙工位2× L型雙回轉(zhuǎn)傾翻式（7軸）；⑤立式單回轉(zhuǎn)雙工位2×雙座單回轉(zhuǎn)式（3軸）；⑥立式單回轉(zhuǎn)雙工位2×C型雙回轉(zhuǎn)式（5軸）；⑦立式單回轉(zhuǎn)雙工位2×臥式單座單回轉(zhuǎn)（3軸）。 ⑹S60型：包括S60.1、2型2個產(chǎn)品系列。即：①傾翻--回轉(zhuǎn)式（0°～90°）；②傾翻--回轉(zhuǎn)式（±90°）。 ⑺S70型：包括S70.1、2、3型3個產(chǎn)品系列。即：①立式多工位式4軸（4自由度）單回轉(zhuǎn)；②立式多工位2×傾翻--回轉(zhuǎn)式（6自由度）；③立式4工位立式4軸單回轉(zhuǎn)。 以上共33個產(chǎn)品型式，每種型式都包括上述四種功能的產(chǎn)品，相當于132個產(chǎn)品系列。額定負荷為100dN～10kdN。 美國Aroson公司 美國Aroson公司生產(chǎn)的焊接設(shè)備有焊接變位機、操作機、滾輪架等，可稱世界之最。這個公司生產(chǎn)的焊接變位機，主要類型為傾翻—回轉(zhuǎn)式、傾翻—回轉(zhuǎn)升降式、雙座雙回轉(zhuǎn)式，雙座單回轉(zhuǎn)式和雙座單回轉(zhuǎn)升降式。其承載能力范圍為11 kg～1810噸。 ⑴手動雙回式。C 系列，型號C1000、2000、4000。承載能力25磅～4000磅。 ⑵小型傾翻-回轉(zhuǎn)式。LD系列，型號LD 60N、150N、300N，承載能力分別為132磅、330磅、660磅。 ⑶傾翻-回轉(zhuǎn)式，傾翻角度135°。D、HD系列，承載能力314磅～7萬 磅。 ⑷傾翻-回轉(zhuǎn)（換銷）定位升降式，傾翻角度135°。AB系列（30～ AB1200），承載能力4300磅～12萬磅。 　?、蓛A翻-回轉(zhuǎn)（齒輪齒條）無級升降式，GE系列，傾翻角度135°，型號（GE25～GE3500，承載能力2500磅～35萬磅。 　?、蕛A翻-回轉(zhuǎn)式，傾翻角度90°，G系列，G400～G4-MEGA型，承載能力4000磅～400萬磅。 ⑺雙座雙回轉(zhuǎn)式，DCG系列，最大產(chǎn)品承載能力為500噸。 ⑻單回轉(zhuǎn)式HTS 系列，HTS5、9、12、20、32、40、50、60、90、160、240，承載能力為500磅～24萬磅。 ⑼單回轉(zhuǎn)（齒輪齒條）升降式，HTS- GE系列，HTS5 GE、HTS 240GE，承載能力為500磅～24萬磅。 德國CLOOS公司 德國CLOOS公司是國際上生產(chǎn)焊接設(shè)備的大型公司之一。生產(chǎn)焊接機器人、焊機等產(chǎn)品。也生產(chǎn)作為焊接機器人外部軸的焊接變位機。在我國，除可見到與焊接機器人系統(tǒng)配套進口的L型雙回轉(zhuǎn)式、傾翻-回轉(zhuǎn)式和單回轉(zhuǎn)式變位機外，還生產(chǎn)臥式單坐單回轉(zhuǎn)WPV、立式單回轉(zhuǎn)RR502以及各種多軸焊接機器人配套的變位機，如立式多工位2×臥式單回轉(zhuǎn)R-WPV 2型（3軸）、立式多工位2×C型雙回轉(zhuǎn)式R- WPV2-CD（5自由度）、立式多工位2×傾翻-回轉(zhuǎn)GR-WPK 2（5軸）、立式多工位2×傾翻-回轉(zhuǎn)×單回移動轉(zhuǎn)式GR-WPK 2-CD（9軸）等。這些產(chǎn)品的主參數(shù)，最大允許承載能（max. admissible load capacity）用N表示。 日本松下（Panasonic）公司 日本松下公司也是機器人制造公司。這個公司生產(chǎn)的機器人外部設(shè)備—焊接變位機有12個系列。他們把傳動裝置、機座、夾具體等作成了標準模塊，集合而成這些產(chǎn)品系列。按軸數(shù)和結(jié)構(gòu)型式分類。1軸變位機3個系列，即： 立式單回轉(zhuǎn)、臥式單座單回轉(zhuǎn)、雙座單回轉(zhuǎn)式；2軸變位機有5個系列，即：C、L、H、準L型雙回轉(zhuǎn)式及2×臥式單座單回轉(zhuǎn)式；3軸變位機有3個系列，即：立式多工位2×立式單回轉(zhuǎn)、臥式多工位2×雙座單回轉(zhuǎn)式、2×臥式單座單回轉(zhuǎn)式；5軸變位機有1個系列，立式多工位2×L型雙回轉(zhuǎn)式。最大有效負荷（Max. payload）200kg、500kg、1000kg。 三、任務(wù)來源 在焊接作業(yè)中，經(jīng)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(chǎn)線上的重要組成部分。在以弧焊機器人為中心的柔性化加工單元（FMC）和加工系統(tǒng)（FMS）中，焊件變位機械也是組成設(shè)備之一。在復雜焊件焊接和要求施焊位置精度較高的焊接作業(yè)中，例如窄間隙焊接、空間曲面的帶極堆焊等。都需要焊件變位機械的配合，才能完成其作業(yè)[1-2,7-8]。 故本課題便來源于生產(chǎn)，以便用自己大學幾年所學的專業(yè)知識位社會敬獻一份微薄的力量。 四、研究內(nèi)容 設(shè)計一臺500公斤數(shù)控座式焊接變位機，可實現(xiàn)焊接工件的回轉(zhuǎn)、傾斜，而且工作臺的回轉(zhuǎn)和傾斜運動采用數(shù)控控制，以便與機器人配合聯(lián)動，實現(xiàn)工件上的各類焊縫的自動焊接。主要包括： 1．數(shù)控座式焊接變位機的底座、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、傾斜機構(gòu)等的機械設(shè)計、裝配圖和零件圖設(shè)計，數(shù)控步進電機的選型等； 2．設(shè)計參數(shù)：載重量500kg；最大回轉(zhuǎn)力矩500N·m；最大傾斜力矩500N·m；工作臺回轉(zhuǎn)速度0～1 r/min；工作臺傾斜速度0～0.5 r/min；工作臺傾斜角度0°～90°；工作臺尺寸Φ700mm。 3．整個機械系統(tǒng)應(yīng)簡單可靠，操作方便。 4．編寫相應(yīng)的設(shè)計說明書。 五、研究意義 焊接變位機械是改變焊件、焊機或焊工的空間位置來完成機械化、自動化焊接的各種機械設(shè)備。焊接變位機應(yīng)用的意義在于，可以縮短焊接輔助時間，提高勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度，保證和改善焊接質(zhì)量，并可充分發(fā)揮各種焊接方法的效能。焊接變位技術(shù)是針對傳統(tǒng)的焊接行業(yè)的一次革命，具有劃時代的意義[7]。 6、 進度計劃 第 1 周：調(diào)查研究、獲取資料信息，編寫開題報告。 第2–3周：繼續(xù)學習，進行本專業(yè)外文閱讀和翻譯的工作。 第4－5周：進行設(shè)計方案的論證、分析和比較工作。 第6－7周：設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計。 第8－9周：進行機械裝配圖、零件圖設(shè)計。 第10－11周：撰寫設(shè)計說明書。 第12－13周：修改和打印論文、圖紙，準備進行答辯工作。 第1章 總體方案擬定 §1.1 焊接變位機概述 §1.1.1 焊接變位機定義 在焊接過程中，我們經(jīng)常會遇到焊接變位以及選擇合適的焊接位置的情況，為了解決這一問題，焊接變位機也就理所應(yīng)當?shù)某霈F(xiàn)了。它可以通過工作臺的回轉(zhuǎn)和翻轉(zhuǎn)，使待焊處置于合適位置，很好的和焊接設(shè)備結(jié)合使用，實現(xiàn)焊接的自動化，機械化，提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。概括來講，焊接變位機就是移動工件，使之待焊部位處以合適易焊接的位置的焊接輔助設(shè)備。選擇合適的焊接變位機能提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強度及生產(chǎn)成本，加強安全文明生產(chǎn)，有利于現(xiàn)場管理。特別是入世的沖擊，工程機械市場競爭將會越來越激烈，國內(nèi)企業(yè)必須適應(yīng)形勢，通過焊接變位機等基礎(chǔ)設(shè)備投入達到生產(chǎn)能力的革命[7]。 §1.1.2　焊接變位機的類型和特點 焊接變位機按結(jié)構(gòu)形式可分為三類： 1.伸臂式焊接變位機 圖1-1 伸臂式焊接變位機 1-回轉(zhuǎn)工作臺 2-伸臂 3-傾斜軸 4-轉(zhuǎn)軸 5-機座 　　回轉(zhuǎn)工作臺安裝在伸臂一端，伸臂一般相對于某傾斜軸成角度回轉(zhuǎn)，而此傾斜軸的位置多是固定的，但有的也可小于100°的范圍內(nèi)上下傾斜。該機變位范圍大，作業(yè)適應(yīng)性好，但整體穩(wěn)定性差。其適用范圍為1t以下中小工件的翻轉(zhuǎn)變位。在手工焊中應(yīng)用較多。多為電動機驅(qū)動，承載能力在0.5t以下，適用于小型罕見的翻轉(zhuǎn)變位。也有液壓驅(qū)動的，承載能力多，適用于結(jié)構(gòu)尺寸不大，但自重較大的焊件。 2.座式焊接變位機 圖1-2 座式焊接變位機 1-回轉(zhuǎn)工作臺 2-傾斜軸 3-扇形齒輪 4-機座 座式焊接變位機工作臺有一個整體翻轉(zhuǎn)的自由度?？梢詫⒐ぷ鞣D(zhuǎn)到理想的焊接位置進行焊接。另外工作臺還有一個旋轉(zhuǎn)的自由度。該種變位機已經(jīng)系列化生產(chǎn)，主要用于一些管，盤的焊接。工作臺邊同回轉(zhuǎn)機構(gòu)支承在兩邊的傾斜軸上，工作臺以焊速回轉(zhuǎn)，傾斜邊通過扇形齒輪或液壓油缸，多在140°的范圍內(nèi)恒速傾斜。該機穩(wěn)定性好，一般不用固定在地地基上，搬移方便。其適用范圍為1至50t工件的翻轉(zhuǎn)變位，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式，常與伸縮臂式焊接操作機配合使用。座式變位機座式變位機通過工作臺的回 轉(zhuǎn)或傾斜，使焊縫處于水平或船形位置的裝置。工作臺旋轉(zhuǎn)采用變頻無級調(diào)速，工作臺通過扇形齒輪或液壓油缸驅(qū)動傾斜。它可以實現(xiàn)與操作機或焊機 聯(lián)控?？刂葡到y(tǒng)可選裝三種配置：按鍵數(shù)字控制式、開關(guān)數(shù)字控制式和開關(guān) 繼電器控制式。該產(chǎn)品應(yīng)用于各種軸類、盤類、筒體等回轉(zhuǎn)體工件的焊接。是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。 座式變位機根據(jù)載重不同，可分為座式變位機和小型座式變位機。該機穩(wěn)定性好，一般不用固定在地基上，搬移方便，適用于0.5~50t焊件的翻轉(zhuǎn)變位。是目前產(chǎn)量最大、規(guī)格最全、應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)形式。常與伸縮臂式焊接操作機或弧焊機器人配合使用。 3.雙座式焊接變位機 　　雙座式焊接變位機是集翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)功能于一身的變位機械。翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)分別由兩根軸驅(qū)動，夾持工件的工作臺除能繞自身軸線回轉(zhuǎn)外，還能繞另一根軸做傾斜或翻轉(zhuǎn)，它可以將焊件上各種位置的焊縫調(diào)整到水平的或“船型”的易焊位置施焊，適用于框架型，箱型，盤型和其他非長型工件的焊接。工作臺座在“U”形架上，以所需的焊速回轉(zhuǎn)，“U”形架座在兩側(cè)的機座上，多以恒速成或所需焊速繞水平軸線轉(zhuǎn)動。該機不僅整體穩(wěn)定性好，而且如果設(shè)計得當，工件安放在工作臺上以后，傾斜運動的重心將通過或接近傾斜軸線，而使傾斜驅(qū)動力矩大大大減少，因此，重型變位機多采用這種結(jié)構(gòu)。其適用范圍為50t以上重型大尺寸工件的翻轉(zhuǎn)變位，多與大型門式焊接操作機或伸縮臂式焊接操作機配合使用。 　　雙座式焊接變位機適用于50t以上大尺寸焊件的翻轉(zhuǎn)變位。在焊接作業(yè)中，常與大型門式焊接操作機或伸縮臂式焊接操作機配合使用。 圖1-3 雙座式焊接變位機 　　　　　1-工作臺 2-型架 3-機座 4-回轉(zhuǎn)機構(gòu) 5-傾斜機構(gòu) 　　　　　　　　　　圖1-4 變位器的派生形式示意圖 1—工作臺 2—軸承 3—機座 4—推舉液壓缸 5—伸臂 焊接變位機的基本結(jié)構(gòu)形式雖只有上述三種，但其派生形式很多，有些變位機的工作臺還具有升降功能，如圖1-4。 §1.1.3 驅(qū)動系統(tǒng) 焊接變位機工作臺的回轉(zhuǎn)運動，多采用直流電動機驅(qū)動，無級變速。工作臺的傾斜方式有兩種，一種是電動機經(jīng)減速器減速后通過扇形齒輪帶動工作臺傾斜或通過螺旋副使工作臺傾斜;另一種是采用液壓缸直接推動工作臺傾斜。這兩種方式都有應(yīng)用，在小型變位機以電動機驅(qū)動為多。工作臺的傾斜速度多是恒定的，但對應(yīng)用于空間曲線焊接及空間曲面的堆焊的變位機，則是無級調(diào)速的。工作臺的升降運動，幾乎都采用液壓驅(qū)動，通過柱塞式或活塞式液壓缸進行。 在電動機驅(qū)動的工作臺回轉(zhuǎn)、傾斜系統(tǒng)中，常設(shè)有一級蝸桿傳動，使其具有自鎖功能。有的為了精確到位，還設(shè)有制動裝置，在變位機系統(tǒng)中，當工作臺在創(chuàng)作位置以及焊件重心偏離工作臺回轉(zhuǎn)中心時，工作臺在轉(zhuǎn)動過程中，重心形成的力矩在數(shù)值和性質(zhì)上是周期變化的，為了避免因齒側(cè)間隙在存在在力矩性質(zhì)改變時產(chǎn)生沖擊，導致焊接缺陷，在用于堆焊或重要焊縫施焊的大型變位上，設(shè)置了搞齒隙機構(gòu)或裝置。 工作臺的回轉(zhuǎn)運動應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍，國產(chǎn)變位調(diào)速比一般為1:33左右。國外產(chǎn)品一般為1:40, 有的甚至達1:200。工作臺回轉(zhuǎn)時，速度應(yīng)平穩(wěn)均勻，在最大載荷下的速度波動不得超過5%。另外，工作臺傾斜時，特別是向上傾斜時，運動應(yīng)自如，即使在最大的載荷下，也不應(yīng)產(chǎn)生抖動。 §1.2 總體方案的確定 　 圖1-5 傳動方案總體框圖 機器通常由原動機、傳動裝置和工作機等三部分組成。傳動裝置位于原動機和工作機之間，用來傳遞運動和動力，并可用改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的大小或改變運動形式，以適應(yīng)工作機功能要求。傳動裝置的設(shè)計對整臺機器的性能、尺寸、重量和成本都有很大的影響，因此應(yīng)當合理地擬定傳動方案。 方案中，通過電動機輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，通過第一級蝸輪蝸桿傳動減速，第二級齒輪傳動減速，最終帶動工作臺回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，來滿足機器的性能和使用。 　 　　　　 第2章 電動機的選擇及傳動比的分配 §2.1 電動機的選擇 §2.1.1 主要技術(shù)參數(shù) 回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計參數(shù) 工作臺尺寸 700 允許最大荷重 500kg 工作臺回轉(zhuǎn)速度 0～1r/min 工作臺傾斜速度 0～0.5r/min 工作臺最大回轉(zhuǎn)力矩 500N?m 工作臺最大傾斜力矩 500N?m 工作臺傾斜角度 0°～90° §2.1.2 電動機的選擇 　　本設(shè)計選用了步進電機。 　　結(jié)構(gòu)形式，按安裝位置取為臥式封閉型電動機。 1、 外形和安裝形式見表2-1，2-2，圖2-1，2-2。 表2-1電動機規(guī)格及性能 型號 減速比 步距角 配用絲杠 脈沖當量 配用電機 JBF-4 5:2 0.6 6 0.01 110BC-380C JBF-5 25:12 0.36 10 0.01 110BC-380C JBF-6 1:1 0.6 6 0.01 110BYG-5502 JBF-7 5:3 0.45 4 0.005 110BF-003 JBF-8 5:4 0.6 6 0.01 110BC-380C JBF-12 2:1 0.3 12 0.01 130BC-3100A 表2-2電動機外形和安裝形式 型號 D D1 D2 D3 L1 L2 L3 L4 H 電機型號 JBF-4 110 20 40 285 215 90 28 185 110BC380C JBF-5 110 20 40 285 215 90 28 185 110BC380C JBF-6 130 20 40 335 250 90 28 190 130BC3100 JBF-7 110 20 70 90 253 195 5 28 175 110BF003 JBF-8 110 20 40 285 215 90 28 185 110BC380C JBF-12 130 20 40 335 250 90 28 190 130BC3100A 圖2-1短出軸電機安裝尺寸 圖2-2長出軸電機安裝尺寸 2、 選擇電動機容量 1、回轉(zhuǎn)軸步進電機 a.工作機所需功率 　　工作臺的最大靜轉(zhuǎn)矩T＝500Nm，轉(zhuǎn)速為＝1r/min，故工作機所需功 率　　　　　　　　　 　　　 (2-1) b.電動機的輸出功率 　 從電動機到工作軸間的總效率，則 　 其中、、、分別為聯(lián)軸器，渦輪減速器，齒輪，滾動軸承副的傳動效率。 　　電動機的輸出功率，則 　　　　　 　　　 　　　　　(2-2) c.電動機轉(zhuǎn)速的選擇 同一類型、功率相同的電動機具有多種轉(zhuǎn)速。如選用轉(zhuǎn)速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。故選用。 2、傾斜軸步進電動機 a.傾斜軸所需功率 已知傾斜軸轉(zhuǎn)速為，最大靜轉(zhuǎn)矩為，則有公式(2-1)得，　　　　　　　　 b.電動機的輸出功率 從電動機到翻轉(zhuǎn)軸的總效率，則 其中為滑動軸承的傳動效率；則有公式(2-2)可得電動機的輸出功率 c.選擇電動機轉(zhuǎn)速 選擇電動機轉(zhuǎn)速為。 §2.2 傳動鏈的總傳動比及其分配 §2.2.1　回轉(zhuǎn)軸總傳動比的計算及其分配 1.回轉(zhuǎn)軸總傳動比的計算 由電動機的滿載轉(zhuǎn)速和工作機主動軸的轉(zhuǎn)速可確定傳動裝置應(yīng)有的總傳動比　　 2.合理分配各級傳動比 傳動裝置總傳動比是各級傳動比的連乘積，即 其中、分別為回轉(zhuǎn)軸減速器傳動比和齒輪傳動比；因回轉(zhuǎn)軸上的渦輪減速器采用外購件，型號為WHT08-50-I，其外形尺寸如下表，其速比有：8、10、12.5、16、20、25、35、40、50九種，本減速器取，故。 表2-3 WHT型渦輪減速器的型號及其外形尺寸 型號 A B B1 B2 B3 C C1 H H1 H2 H3 h L WHT04 41 145 125 35 25 120 105 71 190 77 173 12 118.5 WHT06 65 180 156 40 30 155 126 63 233 105 315 15 144 WHT08 80 240 206 *182 55 34 205 *210 172 *148 90 *88 278 110 *122 277 *279 20 175 *180 WHT10 100 292 *290 238 *216 68 42 250 *256 196 *176 105 *100 336 135 *142 335 *331 25 210 *215 §2.2.2　翻轉(zhuǎn)軸總傳動比的計算及其分配 1.翻轉(zhuǎn)軸總傳動比的計算 由電動機的滿載轉(zhuǎn)速和工作機主動軸的轉(zhuǎn)速可確定傳動裝置應(yīng)有的總傳動比　 2.合理分配各級傳動比 　　傳動裝置總傳動比是各級傳動比的連乘積，即 其中分別為翻轉(zhuǎn)軸渦輪減速器和齒輪的傳動比；因渦輪減速器采用外購件，其型號為WHT80-50-I，同回轉(zhuǎn)軸減速器，其傳動比取為，則 第3章 零件設(shè)計和選用 §3.1 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計中，渦輪減速器采用外購件，不需結(jié)構(gòu)設(shè)計，故這里只對帶動工作臺回轉(zhuǎn)的軸進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。 1. 選擇軸的材料 該軸無特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45鋼，而且通過查表12-2知，。 2. 初步估算軸的最小直徑：　 其中由《機械設(shè)計》中表15-3查得，對45鋼其取值范圍為126~103，取，則　　　　 因存在鍵槽，故鍵槽處為了安全，軸徑應(yīng)加大5%~7%，故 　　3.確定各軸段直徑 初步選擇軸承型號為圓錐滾子軸承30212，其內(nèi)經(jīng)為，又定位軸肩一般單邊高度為3~5mm,因此軸的結(jié)構(gòu)如圖3-1。 各段軸徑從左到右分別為： ，各段長度應(yīng)根據(jù)所在處裝配零件的寬度而定；選用30212軸承；考慮到箱體的鑄造誤差及裝配時留有必要的間隙，取齒輪端面至箱體間的距離取a=10mm，滾動軸承蓋的厚度為10mm。 考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的上端與下端均制成倒角，兩端裝軸承處為磨削加工，為便于加工，工作臺安裝處的鍵槽布置在同一母線上，并取同一截面尺寸。 圖3-1 軸的整體結(jié)構(gòu)及其各段尺寸 §3.2　回轉(zhuǎn)軸的強度校核 §3.2.1　軸上的受力分析及計算 圖3-2 回轉(zhuǎn)軸的受力分析 軸上受力分析如上圖，下面就水平和豎直面的受力計算如下 水平面： 圖3-3 軸在水平面內(nèi)的受力 分別對兩軸承作用點取矩，得 　　　　　　　 解得：　　， 豎直面： 圖3-4 圖在豎直面內(nèi)的受力 分別對兩軸承作用點取矩，得 　　　　　　　 解得：　　， §3.1.2　軸的強度校核 a. 軸所受彎矩的計算 計算危險截面處的彎矩： 　　H面：　 　　V面：　 合成彎矩： b.軸的強度校核 按彎扭組合強度校核： 式中：－軸所受彎矩，； 　　?。S所受扭矩，； 　　?。S的計算應(yīng)力，； 　　?。S的抗彎截面系數(shù)，； 　　　－對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力； 　　　 　　　－折合系數(shù)，當扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，其值為；當扭轉(zhuǎn)　　　　　　　切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，其值為；當扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對　　　　　　稱循環(huán)變應(yīng)力時，其值為；此處軸上的變應(yīng)力取為對稱循環(huán)，　　　　　　即。 圖3-5 軸上所受彎矩和扭矩圖 　　由《機械設(shè)計》中表15-4查得：，其中b、t分別為鍵的寬度和鍵槽深度，由《機械設(shè)計課程設(shè)計》表14-1查得：，；危險截面處的軸徑為，帶入公式得： 　　　　　　　　　　　　　　　　　 將以上數(shù)據(jù)分別帶入強度校核公式，得： 軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由《機械設(shè)計》中表15-1查得，顯然，故軸滿足安全要求。 §3.2 回轉(zhuǎn)軸齒輪強度校核 a.按齒面彎曲疲勞強度計算 公式為：　　　　 式中：－計算彎曲應(yīng)力，； －載荷系數(shù)，，由《機械設(shè)計》中表10-2，表 10-3，圖10-8，圖10-13分別查得，， ，故 ； 　　　　　－其值為； 　　　　?。S用彎曲應(yīng)力，，為安全系數(shù)，此處為，　　　　　　由《機械設(shè)計》圖10-20c查得，　　　　　　　　　　　　　　　　，由圖10-18查得，， 　　　　　　　故，　。 　　　　　、－為齒型系數(shù)，由《機械設(shè)計》表10-5查得，　　　　　　，，； 故　　　　　　， 可見兩齒輪的計算彎曲應(yīng)力均滿足安全要求。 b.按接處疲勞強度計算 強度條件為：　　　 式中：－接處計算應(yīng)力，； 　　　－彈性影響系數(shù)，由《機械設(shè)計》表10-6查得； 　　?。X數(shù)比，此處為，當為內(nèi)嚙合時取“－”，當為外嚙合時取　　　　　　　　“＋”。 　　　－許用接觸應(yīng)力，公式同，由《機械設(shè)計》圖10-19查　　　　　　　得　，，由圖10-21d查得　　　　　　　　　　　　　　　　，，所以，，　　　　　　　　　，故　??； 所以，將以上數(shù)據(jù)帶入強度條件得： 　　　　　　　　　　　　　　　　 可見兩齒輪計算接觸應(yīng)力均小于許用接觸應(yīng)力，故均滿足安全要求。　 　　經(jīng)過以上校核可見齒輪強度滿足設(shè)計要求。 §3.3 鍵強度校核 　　假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，普通平鍵的強度條件為 其中：－傳動的轉(zhuǎn)矩，此處為500Nmm; －鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，為鍵高； 　　?。ǖ墓ぷ鏖L度，，圓頭平鍵，平頭平鍵，為 鍵的公稱長度，,為鍵寬，單位均為； 　　?。S的直徑，； 　　?。I、軸、輪轂中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，，由《機 械設(shè)計》表6-2，查得　。 在回轉(zhuǎn)軸上有兩處用到了鍵，分別在齒輪軸處和工作臺處。 齒輪軸處：，，，，則 　　　　　 工作臺處：，，，，則 　　　　　 可見兩處鍵均滿足安全要求。 §3.4 軸承的選用 　　軸承所受載荷的大小、方向與性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。 1.鑒于承受較大載荷和波動，且徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用，所以選用圓錐滾子軸承。 2.轉(zhuǎn)速較低、載荷較大且有沖擊時，宜選用滾子軸承。 3.安裝和拆卸方便。（內(nèi)外圈可分離） 圓錐滾子軸承的特點是： 1.摩擦系數(shù)小，啟動力矩小，效率高。 2.能同時承受徑向和軸向載荷，因此可使機器結(jié)構(gòu)簡化、緊湊。 3.能承受較大的徑向載荷和單向的軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較低。 4.內(nèi)外圈可分離，故軸承游隙可在安裝時調(diào)整，通常成對使用，對稱安裝。 5.適用于轉(zhuǎn)速不太高，軸的剛性較好的場合。 根據(jù)各軸段的軸徑確定選用軸承的型號： Φ60mm段選用軸承30212 對于普通工作的短軸，（跨距<400mm），滾動軸承的軸向固定學采用較簡單的兩端固定的方法。由于兩個支承各限制軸沿一個方向軸向移動，合起來就限制軸的雙向移動[4,10]。 軸承30212內(nèi)圈用軸肩定位，外圈用軸承端蓋夾緊。 由于本設(shè)計中軸的轉(zhuǎn)速較低，此處對軸承壽命不在進行驗算。 總　結(jié) 　　本次設(shè)計主要完成了焊接變位機的工作原理、結(jié)構(gòu)以及傳動方式的設(shè)計，以及總體方案的確定，合理地選擇傳動類型，完成了電動機的選擇和總傳動比分配，其中電機的選擇包括選擇電動機容量、選擇電動機的轉(zhuǎn)速和取外形以及安裝形式等；完成了回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核，包括回轉(zhuǎn)軸軸徑初步計算和回轉(zhuǎn)軸的定位及其尺寸的確定；完成了對部分零件強度校核，包括回轉(zhuǎn)軸、齒輪以及鍵；完成了整個零件組的裝配設(shè)計，包括其中的裝配公差分析，裝配方法尺寸和結(jié)構(gòu)分析等；最后根據(jù)任務(wù)要求繪制了設(shè)計總體圖、 裝配圖和零件圖，并撰寫了設(shè)計說明書?？傮w而言，基本上完成了這次的設(shè)計任務(wù)。 　　本次設(shè)計是我在校期間的最后一次設(shè)計，對我來說是很重要的，我很慶幸能夠參加并完成了這次設(shè)計任務(wù)。通過本次設(shè)計，我學到了很多知識，增加了我的實踐經(jīng)驗，開拓了視野；同時，在本次設(shè)計中，我也看到了自己的很多不足之處，在以后的道路上我會不斷的去完善自己。 參考文獻 [1] 王政．焊接工裝夾具及變位機械［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2001年． [2] 王政．焊接工裝夾具及變位機械圖冊［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2001年． [3] 王昆，何小柏，汪信遠．機械設(shè)計（基礎(chǔ)）課程設(shè)計［M］．北京：高等教育出版社，2006年． [4] 彭文生，李志明，黃華梁．機械設(shè)計［M］．北京：高等教育出版社，2002年． [5] 陳殿云．工程力學［M］．蘭州：蘭州大學出版社，2000年． [6] 成大先等．機械設(shè)計手冊［M］．北京：化學工業(yè)出版社，1997． [7] 鄭永強等．焊接變位機型式與系列的論述［R］．天津：天津工程機械研究院，2005年． [8] 工程機械結(jié)構(gòu)件焊接變位機淺析［R］．中國焊接采購網(wǎng)，2004年． [9] 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最后，還要感謝這四年中，指導、教育過我的各位老師和領(lǐng)導，通過這四年教育和指導，使我掌握了不少新的知識，以及明白了許多做人道理。最后，還提供了這次畢業(yè)設(shè)計的機會。使我能進一步的學習并掌握更多的知識，同時也使自己對這四年的學習做了一次檢驗。它必將為我以后步入社會，踏上工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)，在此再次表示衷心的感謝！ 學生：崔新力 2013年6月6日