自動(dòng)焊機(jī),自動(dòng) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院（論文） 摘 要 重型壓力容器馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)是用來焊接筒體與接管的智能化焊接設(shè)備。很多重大技術(shù)裝備，如百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組設(shè)備、超超臨界火力發(fā)電機(jī)組的成套設(shè)備、百萬噸級(jí)大型乙烯的成套設(shè)備等，都要實(shí)現(xiàn)大厚度、大直徑的筒體與接管焊接。其中它們之間的馬鞍形曲線焊縫的焊接是制造這些裝備的關(guān)鍵所在。馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)就是針對(duì)現(xiàn)有焊接裝備難以實(shí)現(xiàn)大筒體與接管的自動(dòng)化焊接而開發(fā)研制的，它能夠?qū)崿F(xiàn)大厚度、窄坡口三維復(fù)雜焊縫的焊接。 本文根據(jù)國內(nèi)外焊接技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況，在深入了解和分析國內(nèi)外現(xiàn)有大型焊接裝備的前提下，借鑒它們的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了對(duì)于窄坡口馬鞍形焊縫多層多道循環(huán)焊接技術(shù)方案。 關(guān)鍵詞　重型壓力容器；馬鞍形曲線；自動(dòng)焊機(jī)；運(yùn)動(dòng)仿真 Abstract The heavy pressure vessel saddle automatic welding machine is used for welding of tube and intelligent pipe welding equipment. A lot of major technical equipment, such as the million kilowatt class nuclear power generating equipment, ultra supercritical thermal power generating units, complete sets of equipment megaton large ethylene equipment, want to realize cylinder thickness, diameter and pipe welding. The welding of saddle shaped seam between them is the key equipment of producing these. Saddle automatic welding machine for welding equipment is available to the cylinder body and the control of automatic welding and welding is developed, it can achieve large thickness, narrow groove weld of 3D complex. In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. Based on this scheme is determined the overall design, the heavy pressure vessel for saddle shaped curve automatic welding machine kinematic and dynamic parameters, and complete the detailed design of each part of the mechanical structure. Automatic welding machine for saddle shaped curve of heavy pressure vessel designed by this paper has good versatility, high control precision, stable operation, compact structure, simple operation, convenient maintenance, can be very good to meet the large cylinder and pipe welding requirements. Automatic heavy pressure vessel welding, improve production efficiency, to fill the gaps in domestic related fields.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. - II - - 目 錄 摘 要 I 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 4 1.3本文研究內(nèi)容 6 第2章 總體設(shè)計(jì) 8 2.1設(shè)計(jì)要求 8 2.2 設(shè)計(jì)原則與總體布置 10 2.1.1 設(shè)計(jì)原則 10 2.1.2 總體布置 10 2.3 主要參數(shù)的確定 13 2.3.1 傳動(dòng)原理 13 2.3.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定 14 2.3.3動(dòng)力參數(shù)確定 15 2.4 本章小結(jié) 17 第3章 主要部件設(shè)計(jì) 18 3.1 電動(dòng)機(jī)選擇 18 3.2 集電裝置 19 3.3 進(jìn)給裝置 22 3.4 非任務(wù)的主要部件的設(shè)計(jì) 25 1.1 本章小結(jié) 32 結(jié) 論 33 參考文獻(xiàn) 34 致 謝 37 附錄I 38 附錄II 46 INDEX 域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - IV - 第1章 緒論 1.1 課題背景 隨著社會(huì)的發(fā)展和焊接技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)核電與石化設(shè)備等筒體與接管的焊接自動(dòng)化程度的需求日益提高。因而迫切要求焊接設(shè)備快速發(fā)展，以滿足不斷增長的生產(chǎn)力發(fā)展的需求。一方面在電力、石油、化工、鍋爐等行業(yè)中,經(jīng)常遇到筒體與相應(yīng)的接管焊成的相貫線接縫。而這類零件的加工大多采用手工焊接,這使結(jié)構(gòu)制造周期長、成本高、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,焊接質(zhì)量難以保持穩(wěn)定。有些廠家從國外引進(jìn)管、板自動(dòng)焊機(jī)、機(jī)器人等，但這些機(jī)器人價(jià)格非常昂貴,同時(shí)對(duì)零部件的備料,要求綜合尺寸精度高、形位公差小,往往由于幾個(gè)尺寸不合格就使得焊槍偏離焊縫,嚴(yán)重影響了焊縫的內(nèi)部和外部質(zhì)量。還有的廠家由于機(jī)器人出現(xiàn)故障無法修復(fù),使我國引進(jìn)的機(jī)器人中有60%以上不能很好地用于生產(chǎn)。為了降低成本,縮短生產(chǎn)周期,需要研制專用的焊接裝備。另一方面馬鞍形曲線焊機(jī)也是加工各種具有筒體與接管焊接的重要技術(shù)裝備，而重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化作為提升裝備制造業(yè)的重點(diǎn)是黨中央國務(wù)院的戰(zhàn)略決策，是國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重點(diǎn)領(lǐng)域。在國家發(fā)改委提出的“十一五”國家重大技術(shù)裝備中明確提出“百萬千瓦級(jí)核電機(jī)組與超臨界火力發(fā)電機(jī)組成套設(shè)備”、“大型煤制氣成套設(shè)備”、“百萬噸級(jí)大型乙烯成套設(shè)備”,等重大技術(shù)裝備的國產(chǎn)化。在這些大、重型裝備中，如大型火力發(fā)電的鍋爐汽包，核電設(shè)備中的壓力殼、大型煤制氣成套設(shè)備中煤液（汽）化反應(yīng)器、大型乙烯設(shè)備中的加氫反應(yīng)器等，焊接是主要制造技術(shù)手段。而且裝備的關(guān)鍵零部件制造中均涉及三維規(guī)則或復(fù)雜焊縫的自動(dòng)化焊接。一個(gè)重型壓力容器需要焊接上幾十個(gè)甚至上百個(gè)接管，焊縫為空間馬鞍形（包括標(biāo)準(zhǔn)馬鞍形與非標(biāo)準(zhǔn)馬鞍形），且根據(jù)不同的坡口形式，需要多層多道連續(xù)焊接。這些焊縫往往成為整個(gè)產(chǎn)品制造質(zhì)量的關(guān)鍵與瓶頸。要實(shí)現(xiàn)此類焊縫的自動(dòng)化焊接，具有一定的技術(shù)難度。因此提高焊接自動(dòng)化水平是保證產(chǎn)品質(zhì)量與提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而提升企業(yè)國際市場競爭力的根本所在。 目前，我國在上述重型壓力容器的生產(chǎn)制造中，其主環(huán)縫和筒體內(nèi)壁堆焊已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接，而對(duì)于接口管的馬鞍形焊接和90°彎管內(nèi)壁堆焊，尚無現(xiàn)成的自動(dòng)焊設(shè)備可以采用, 主環(huán)縫的焊接自動(dòng)化與智能化水平還較低。國內(nèi)大多數(shù)廠家還在采用手工焊接，個(gè)別廠家雖然采用了焊接專機(jī)，但自動(dòng)化程度不高，焊接過程中需要人工調(diào)節(jié)，且焊槍沿馬鞍形運(yùn)動(dòng)軌跡靠機(jī)械方式調(diào)節(jié)，效率低，焊接質(zhì)量難以保證，而且一旦發(fā)生焊接缺陷，大厚度截面難以修復(fù)。因而研制重型壓力容器馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)對(duì)滿足我國鍋爐、核電及石化設(shè)備制造的需求，提高其自動(dòng)焊接水平，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本課題根據(jù)馬鞍形曲線的數(shù)學(xué)模型，利用CAD/CAE等計(jì)算機(jī)技術(shù)，研發(fā)穩(wěn)定可靠的焊縫自動(dòng)跟蹤、多層多道焊接的焊道自動(dòng)規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，研制和開發(fā)重型壓力容器馬鞍形自動(dòng)焊接設(shè)備以及復(fù)雜曲面三維焊縫自動(dòng)化焊接工藝，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，提高了我國重型壓力容器自動(dòng)化焊接水平和制造水平。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國焊接裝備制造業(yè)起步較晚，五六十年代我國重點(diǎn)企業(yè)的大型焊接裝備大部分從原蘇聯(lián)引進(jìn)，部分由使用廠自行設(shè)計(jì)制造。到了70年代，我國陸續(xù)組建一批專門生產(chǎn)焊接裝備的制造廠，如上海、成都相繼成立了成套焊接設(shè)備廠，在“六五”期間，原機(jī)械工業(yè)部撥專款將長春第二機(jī)床廠改建成我國第一家具有批量生產(chǎn)能力，制造專用摩擦焊機(jī)和焊接裝備的長春焊機(jī)制造廠。進(jìn)入80年代，隨著國內(nèi)焊接裝備需求量的增長，各地相繼建立了多家中小型成套焊接裝備生產(chǎn)廠。迄今為止，我國已有10多家焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)，某些企業(yè)已具有相當(dāng)大的規(guī)模，已實(shí)現(xiàn)焊接裝備的批量生產(chǎn)。例如無錫陽通機(jī)械設(shè)備有限公司等。在發(fā)展初期，我國生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡單的焊接操作機(jī)、滾輪架、變位機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)和回轉(zhuǎn)平臺(tái)等，成套性較差，自動(dòng)化程度低。焊接操作機(jī)與配套設(shè)備基本上不能聯(lián)動(dòng)控制，用戶必須自行改造。進(jìn)入80年代以后，加快了焊接自動(dòng)化技術(shù)的研究，國內(nèi)幾所重點(diǎn)大學(xué)與研究院所相繼開展了研究工作，但由于國內(nèi)在電子技術(shù)與元器件性能方面落后發(fā)達(dá)國家較多，所以較多的研究集中在技術(shù)原理的試驗(yàn)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，而工程化設(shè)備的研制很少。由于國外先進(jìn)成套焊接設(shè)備的大量引進(jìn)，促使國產(chǎn)的焊接裝備無論在成套性和自動(dòng)化程度，還是設(shè)備精度和制造質(zhì)量方面都有不同程度的提高。能夠批量生產(chǎn)H型鋼和箱形梁焊接生產(chǎn)線以及各種類型的按用戶需要定制的專用成套焊接設(shè)備，并大量采用交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)、PLC控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)及數(shù)控系統(tǒng)，焊接裝備的自動(dòng)化程度有了很大的提高，某些操作機(jī)還配備了焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)。但從整體水平來說，與先進(jìn)國家的同行業(yè)相比，尚有較大的差距。 近10年來在世界范圍內(nèi)，焊接技術(shù)的發(fā)展日新月異，焊接新方法、新設(shè)備、新材料和新工藝層出不窮。焊接技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于造船、鍋爐、壓力容器、管道、重型機(jī)械、冶金設(shè)備、汽車、鐵路車輛、橋梁和金屬結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)制造工業(yè)部門，而且迅速擴(kuò)大應(yīng)用于大型建筑結(jié)構(gòu)、食品加工機(jī)械、醫(yī)療機(jī)具、輕工機(jī)械、家用電器、半導(dǎo)體和微電子器件等新興加工行業(yè)。我國焊接裝備制造行業(yè)的技術(shù)水平有了長足的進(jìn)步。焊接裝備的成套性、自動(dòng)化程度、制造精度和質(zhì)量明顯提高，應(yīng)用范圍正逐步擴(kuò)大，尤其是國家制定了拉動(dòng)內(nèi)需的政策，進(jìn)一步促進(jìn)了焊接裝備制造行業(yè)的發(fā)展。盡管我國成套焊接裝備的年總產(chǎn)值不足5億元，但對(duì)我國焊接結(jié)構(gòu)制造行業(yè)的發(fā)展卻起著舉足輕重的作用。可以預(yù)計(jì)，今后幾年內(nèi)，隨著世界制造業(yè)中心逐漸向著中國轉(zhuǎn)移，我國傳統(tǒng)制造業(yè)必將加快技術(shù)改造，大量采用高度自動(dòng)化的加工設(shè)備，促使我國焊接裝備制造業(yè)產(chǎn)生根本性的變革。隨著社會(huì)的進(jìn)步，一些公司更是采用了先進(jìn)的焊接工藝，如東方鍋爐廠采用先進(jìn)的熱絲TIG焊接技術(shù)、來焊接大型鍋爐設(shè)備，推廣了CO2氣體保護(hù)焊在鍋爐受壓和非受壓部件上焊接的使用。為了滿足《蒸汽鍋爐安全監(jiān)察規(guī)定》中大的規(guī)定，采用集箱管座內(nèi)孔氬弧焊來實(shí)現(xiàn)全焊透這一要求，解決了集箱管座內(nèi)孔直徑小添絲較困難、不采用內(nèi)孔添絲焊容易產(chǎn)生根部凹陷和咬邊的缺陷。我國在重型壓力容器焊接設(shè)備方面也有了長足的進(jìn)步。重型壓力容器泛指能承受超高溫和高壓的壓力容器，是油、氣、煤大型化工、火電站、核電站、核裝置、重型礦山機(jī)械等工業(yè)行業(yè)的核心關(guān)鍵設(shè)備。以前，國內(nèi)用于重型壓力容器行業(yè)的重型焊接裝備一直依賴于進(jìn)口如ESAB公司和美國浪神公司等。為適應(yīng)重型壓力容器行業(yè)快速發(fā)展的需要我國焊接界把重型壓力容器焊接設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化作為了戰(zhàn)略目標(biāo)。為此很多焊接設(shè)備公司投入了很大精力來研究。并取得了一定的成績，如成都焊研威達(dá)自動(dòng)焊接設(shè)備有限公司在容器焊接所需的成套設(shè)備領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。改變了厚壁壓力容器焊接依賴進(jìn)口的局面。該公司生產(chǎn)的最大防竄滾輪架為1200噸，超大噸位防竄滾輪架用于重型容器的窄坡口焊接和普通環(huán)縫埋弧焊或氣保焊。其200噸以上的滾輪架，用于重型容器的組對(duì)，滾輪架具有上下、左右調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能對(duì)容器筒節(jié)的垂直、左右錯(cuò)位進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中，便于組對(duì)，防竄滾輪架的重要參數(shù)防竄精度達(dá)到了±1mm以內(nèi)。以前各廠家采用天車吊裝調(diào)整，對(duì)中精度低。而它們生產(chǎn)的最大重型操作機(jī)14×10米，包括十字架式操作機(jī)、懸臂式操作機(jī)和龍門式操作機(jī)三種形式，該操作機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)是端頭承載500公斤以上，需載人2-3名，操作機(jī)的穩(wěn)定性和下?lián)隙仁切枰浞直ＷC的參數(shù)，這種重型操作機(jī)的下饒度控制在2mm/m以內(nèi)。而威達(dá)公司能成產(chǎn)用于重型容器封頭的帶極堆焊的最大變位機(jī)為150噸，分為雙支座下沉式變位機(jī)和單支座變位機(jī)兩種形式，能對(duì)4600mm的封頭進(jìn)行堆焊。 進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國焊接結(jié)構(gòu)制造業(yè)當(dāng)中一個(gè)引人注目的動(dòng)向是向多參數(shù)、高精度、重型化和大型化發(fā)展。其中包括1000MW以上火力、水力和核能發(fā)電設(shè)備，年產(chǎn)量60萬t以上的化工煉油設(shè)備，10萬t以上的遠(yuǎn)洋貨輪，大型建筑結(jié)構(gòu)，大跨度橋梁，跨省跨國得出輸油輸氣管線，海洋建筑，冶金設(shè)備，重型機(jī)構(gòu)，航空航天工程，大型客車和高速鐵路車輛等。2002年我國焊接結(jié)構(gòu)的鋼耗量已超過8000萬t。特別是2008年我國最大的體育場館鳥巢的完工，更加顯示了我國對(duì)焊接技術(shù)的需求和迅猛發(fā)展。 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 國外的焊接技術(shù)起步比我國早，發(fā)展速度也比我國快。在1887年,俄國的別納爾多斯就發(fā)明碳極電弧焊鉗、1900年又出現(xiàn)了鋁熱焊。19世紀(jì)初，英國的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫?zé)嵩撮_拓了焊接技術(shù)的新局面。20世紀(jì)初，碳極電弧焊和氣焊得到應(yīng)用，同時(shí)還出現(xiàn)了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩(wěn)定，焊接熔池受到熔渣保護(hù)，焊接質(zhì)量得到大大提高，使手工電弧焊進(jìn)入實(shí)用階段。而到1951年，蘇聯(lián)的巴頓電焊研究所創(chuàng)造電渣焊，成為大厚度工件的高效焊接法。為焊接重型壓力容器打下基礎(chǔ)。而在20世紀(jì)50-60年代，相繼出現(xiàn)了等離子弧焊、電子束焊、激光焊等現(xiàn)代焊接方法、電子束和激光焊接方法的出現(xiàn)，標(biāo)志著高能量密度熔焊技術(shù)的新發(fā)展，大大改善了材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結(jié)構(gòu)得以焊接。到了20世紀(jì)末焊接技術(shù)開始了的飛迅發(fā)展，各種焊接工藝紛紛問世。特別是近年來，在世界工業(yè)發(fā)達(dá)國家，當(dāng)代焊接技術(shù)與裝備的發(fā)展速度更是驚人。在英、美、德、法、意和日本等國均有相當(dāng)規(guī)模、開發(fā)能力很強(qiáng)的焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)。2001年的第十五屆世界焊接與切割博覽會(huì)上參展的焊接裝備廠商近百家，近期生產(chǎn)的自動(dòng)化焊接裝備的設(shè)備精度和制造質(zhì)量已接近現(xiàn)代金屬切削機(jī)床。最值得注意的是，大多數(shù)焊接裝備采用了最先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。廣泛采用焊接機(jī)器人作為操作單元，組成焊接中心、焊接生產(chǎn)線、柔性制造系統(tǒng)和集成制造系統(tǒng)。而且早在80年代，國外的焊接裝備已向大型化和精密化發(fā)展。 對(duì)于重型壓力容器的焊接技術(shù)和裝備國外也較我國先進(jìn)。目前國外生產(chǎn)的用于承載壓力容器筒體的重型焊接滾輪架最大的承載能力達(dá)1600t，自動(dòng)防竄滾輪架的最大承載能力達(dá)800t，采用PLC和高精度位移傳感器控制，防竄精度為±0.5mm。變位機(jī)的最大的承載能力達(dá)400t，轉(zhuǎn)矩可450kN·M?？蚣苁胶附臃D(zhuǎn)機(jī)和頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)的最大承載能力達(dá)160t。焊接回轉(zhuǎn)平臺(tái)的最大承載能力達(dá)500t。立柱橫梁操作機(jī)和門架式操作機(jī)的最大行程達(dá)12M。龍門架操作機(jī)的最大規(guī)格為8m×8m。另外隨著自動(dòng)控制和信息技術(shù)發(fā)展的，國外的重型壓力容器焊接也發(fā)生了根本的變化，向自動(dòng)化智能化方向發(fā)展。焊接生產(chǎn)過程的全自動(dòng)化已成為一種迫切的需求，它不僅可大大提高焊接生產(chǎn)率，更重要的是可確保焊接質(zhì)量，改善操作環(huán)境。隨著整個(gè)制造業(yè)水平的提高，企業(yè)的經(jīng)營理念發(fā)生了很大變化，高產(chǎn)量已讓位于高質(zhì)量，勞動(dòng)密集型已逐步被知識(shí)密集型所取代。大量采用自動(dòng)化焊接專機(jī)、機(jī)器人工作站、生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)已成為一種不可阻擋的趨勢。如大型化計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將焊接機(jī)器人或焊接操作機(jī)、焊接電源、工件變位機(jī)械、輸送輥道、半成品庫、零件庫和原材料庫等生產(chǎn)設(shè)備和物料供應(yīng)系統(tǒng)的工作程序的編制、工作參數(shù)的設(shè)置、生產(chǎn)過程的監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)界面和通訊網(wǎng)絡(luò)集成在1臺(tái)商用或工業(yè)PC機(jī)上，通過現(xiàn)場總線profibus和ET-200分布式I/0 模塊等聯(lián)結(jié)成完整的集成自動(dòng)化系統(tǒng)。利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM計(jì)算機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、制造工藝編制、生產(chǎn)計(jì)劃安排、生產(chǎn)過程監(jiān)控、生產(chǎn)和物料管理等一體化。計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)可以是一條生產(chǎn)線，也可以是整個(gè)車間的生產(chǎn)設(shè)備，甚至是整個(gè)工廠的生產(chǎn)過程和物料的管理。 縱觀當(dāng)今世界焊接裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢，可以概括為如下幾個(gè)特點(diǎn)： 1.高精度、高質(zhì)量和高可靠性 如與焊接機(jī)器人配套的焊接變位機(jī)，最高的重復(fù)定位精度為±0.05mm，機(jī)器人和焊接操作機(jī)行走機(jī)構(gòu)的定位精度為±0.1mm，移動(dòng)速度的控制精度為±0.1%。 2.數(shù)字化、集成化和智能化控制 過程的數(shù)字化控制比傳統(tǒng)的金屬切削加工要復(fù)雜得多，它必須考慮焊件幾何形狀的偏差和接縫裝配間隙誤差以及焊件焊接過程中的熱變形，廣泛采用各種高級(jí)別傳感技術(shù)，開發(fā)先進(jìn)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)焊接過程的全自動(dòng)化。某些形狀復(fù)雜和質(zhì)量要求高的焊件，還必須采用智能化的計(jì)算機(jī)軟件控制。 3.大型化和組體化 重型厚壁容器焊接中心、集裝箱外殼整體組裝焊接中心、汽輪機(jī)導(dǎo)流隔板柔性制造系統(tǒng)、箱型梁焊接生產(chǎn)線、機(jī)車車箱總裝組焊中心等。某些大型焊接中心和生產(chǎn)線占地面積可達(dá)整個(gè)車間。如焊接操作機(jī)、配套焊件變位機(jī)械、搬運(yùn)機(jī)械和傳輸輥道組合聯(lián)動(dòng)，形成制造系統(tǒng)或焊接生產(chǎn)線。 4.多功能化 為發(fā)揮大型自動(dòng)化焊接裝備的效率，通常設(shè)計(jì)成適用于多種焊接方法和焊接工藝，如單絲、多絲埋弧焊，單絲雙絲窄間隙焊，MIG/MAG焊和帶極堆焊等。 5.管控一體化 通過企業(yè)的局域網(wǎng)，利用CAD/CAE/CAPP/PDM等計(jì)算機(jī)軟件，將生產(chǎn)管理與制造系統(tǒng)實(shí)行集成全自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)編程，遠(yuǎn)程監(jiān)控，診斷和檢修。 1.3本文研究內(nèi)容 本文在充分了解了國內(nèi)外自動(dòng)焊接技術(shù)和裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)之上，結(jié)合重型壓力容器的焊接工藝特點(diǎn)，提出了對(duì)馬鞍形焊縫采用窄坡口、多層多道循環(huán)焊接的方案，克服傳統(tǒng)手工焊接工作效率低、焊接質(zhì)量差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大的弊端，達(dá)到操作方便、數(shù)字化控制、質(zhì)量穩(wěn)定、精度高和速度調(diào)節(jié)靈活等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)重型壓力容器筒體與接管的自動(dòng)焊接要求。具體研究內(nèi)容如下。 1.前期調(diào)研和收集相關(guān)資料，了解國內(nèi)外現(xiàn)有焊接技術(shù)及焊接裝備的發(fā)展?fàn)顩r，掌握國內(nèi)、外重型壓力容器筒體與接管焊接的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀。 2.根據(jù)重型壓力容器筒體與接管的焊接工藝要求，擬定馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)方案，確定總體配置和主要設(shè)計(jì)參數(shù)，完成自動(dòng)焊機(jī)的總體設(shè)計(jì)。 3.對(duì)馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)主要部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括電動(dòng)機(jī)的選擇、集電裝置設(shè)計(jì)進(jìn)給裝置設(shè)計(jì)等。 第2章 總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)是機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和外觀造型均具有決定性意義。對(duì)于自動(dòng)焊機(jī)的總體設(shè)計(jì)應(yīng)始終貫徹了“簡單實(shí)用、操作方便、安全可靠、技術(shù)先進(jìn)”的原則。本文在詳細(xì)分析重型壓力容器筒體與接管焊接工藝的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)品的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了重型壓力容器馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案。 2.1設(shè)計(jì)要求 由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求既是設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和鑒定的依據(jù)，同時(shí)又是用戶衡量的尺度，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)前必須對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品提出詳細(xì)、明確的設(shè)計(jì)要求。 研制的馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)，主要針對(duì)核電、大型石化設(shè)備中大厚度、窄坡口的馬鞍形曲線焊接。由幾何知識(shí)可知，所謂的“馬鞍形”曲線就是指接管與筒體相貫而形成的相貫線，見圖2-1。 圖2-1 馬鞍形曲線焊縫 目前用于焊接筒體與接管的坡口的角度多為30-60°的普通坡口，它存在坡口加工時(shí)間長、焊接工時(shí)多、浪費(fèi)材料和焊接質(zhì)量低等缺點(diǎn)。而本設(shè)計(jì)采用如圖2-2所示的角度α=4°的窄坡口焊縫結(jié)構(gòu)，采用窄破口焊縫結(jié)構(gòu)可以節(jié)約15%-45%的焊料，并能夠節(jié)省大量的機(jī)械加工和焊接工時(shí)，同時(shí)也會(huì)大幅度地提高焊接質(zhì)量，降低制造成本。 4o 圖2-2 馬鞍形曲線焊縫窄間隙坡口截面圖 自動(dòng)焊機(jī)的焊槍應(yīng)具有左右轉(zhuǎn)角功能，焊槍的馬鞍形運(yùn)動(dòng)軌跡要與實(shí)際相吻合，并能夠時(shí)時(shí)修正運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)焊道的自動(dòng)排列。減少焊接工序，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。要使焊縫均勻合理，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的大前提下，減少焊接材料的消耗。據(jù)此提出大型筒體馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)要求。 1.馬鞍形曲線自動(dòng)焊機(jī)主要用于接管直徑為500-1800mm、接管高度小于600mm、筒體厚度小于300mm、馬鞍形最大落差小于300mm坡口形式為窄間隙的場合，要求其焊接速度可調(diào)，范圍為300-500 mm/min。 2..采用數(shù)字控制，焊槍的馬鞍形運(yùn)動(dòng)軌跡，依據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，通過兩軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)合成。具有自動(dòng)排列焊道功能，可實(shí)現(xiàn)多層多道連續(xù)焊接。具有三套程序，可分別實(shí)現(xiàn)內(nèi)馬鞍、外馬鞍及水平環(huán)焊縫三種焊接方式。 3.焊槍具有擺角功能，可實(shí)現(xiàn)不同的擺角位置，且擺角幅度可調(diào)。考慮到理論上與實(shí)際上的馬鞍形運(yùn)動(dòng)軌跡可能出現(xiàn)誤差，具有方便的調(diào)整環(huán)節(jié)，在焊接過程中，可以及時(shí)修正馬鞍的落差量。 4.設(shè)備具有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電、導(dǎo)氣裝置, 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電裝置采用雙線、雙電刷結(jié)構(gòu)，確保導(dǎo)電良好。且進(jìn)行多層多道連續(xù)焊接時(shí)導(dǎo)線不纏繞。為防止導(dǎo)電環(huán)數(shù)量過多，控制系統(tǒng)安裝在設(shè)備本體上，隨設(shè)備一起轉(zhuǎn)動(dòng)。 5.設(shè)備具有方便、快捷的連桿式夾緊定位裝置，適應(yīng)的接管范圍大。同時(shí)可互換三爪卡盤。 2.2 設(shè)計(jì)原則與總體布置 2.1.1 設(shè)計(jì)原則 明確、簡單、安全可靠是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)應(yīng)遵守的三項(xiàng)基本原則。由于這三項(xiàng)基本原則的共同目標(biāo)都是為了保證實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)(產(chǎn)品)的預(yù)期功能、降低成本及保障人和環(huán)境安全的，所以，在整個(gè)設(shè)計(jì)階段應(yīng)將這三項(xiàng)基本原則貫徹到底。 1.明確原則 包括功能明確、工作情況明確和結(jié)構(gòu)的工作原理明確。功能明確，所選擇的結(jié)構(gòu)應(yīng)能明確無誤地、可靠地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。對(duì)于可實(shí)現(xiàn)的功能來說，要做到既不疏漏又不冗余；工作情況明確，被設(shè)計(jì)的產(chǎn)品所處的工作狀況必須明確。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和零部件的材料、形狀、尺寸、磨損及腐蝕是根據(jù)其工況來確定。若設(shè)計(jì)時(shí)缺少準(zhǔn)確的使用工況說明，且不得不做出一些假設(shè)的話，應(yīng)隨時(shí)檢查有關(guān)假設(shè)的正確性；結(jié)構(gòu)的工作原理明確，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)所依據(jù)的工作原理必須明確，從而才能可地實(shí)現(xiàn)能量流、物料流和信號(hào)流的轉(zhuǎn)換或傳導(dǎo)。 2.簡單原則 簡單原則是指要在滿足總功能的前提下，盡量使整機(jī)、部件、零件的結(jié)構(gòu)簡單，且數(shù)目少；同時(shí)還要求操作與監(jiān)控簡便；制造與測量容易、快速、準(zhǔn)確；安裝與調(diào)試簡易而快亦就是說這里所指的“簡單”，同時(shí)具有簡化、簡便、簡明、簡易、減少等多重含義。 3.安全可靠原則 一個(gè)產(chǎn)品的安全可靠性主要指：在規(guī)定外載荷下，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，構(gòu)件不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損且不喪失穩(wěn)定性；要保證操作者的人身安全；不造成不允許的環(huán)境污染，同時(shí)也要保證整個(gè)產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。 2.1.2 總體布置 一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)是由若干個(gè)子系統(tǒng)按照總功能的要求相互匹配而組成的。總體布置設(shè) 計(jì)就是確定機(jī)械系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相對(duì)位置關(guān)系及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并使總系統(tǒng)具有一個(gè)協(xié)調(diào)完善的造型。一個(gè)功能目標(biāo)可以由不同的功能原理來實(shí)現(xiàn)；不同的功能原理方案對(duì)應(yīng)著不同的技術(shù)物理效應(yīng)或物理學(xué)原理；不同的效應(yīng)和原理決定著機(jī)械系統(tǒng)的總體布置、性能、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。同一效應(yīng)或原理在采用不同的總體布置時(shí)，又會(huì)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)制造和使用產(chǎn)生很大的影響，因此，總體布置設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的重要環(huán)節(jié)。 機(jī)械系統(tǒng)的總體布置設(shè)計(jì)是帶有全局性的一個(gè)重要問題，不但要考慮系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)內(nèi)容，而且，還應(yīng)考慮系統(tǒng)與外部各因素之間的關(guān)系，即人—機(jī)關(guān)系、系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)等等。 布置形式 機(jī)械系統(tǒng)總體布置的基本類型：按主要工作機(jī)構(gòu)的空間幾何位置可分為平面式、空間式等；按主要工作機(jī)械的布置方向可分為水平式（臥式）、傾斜式、直立式和圓弧式等。根據(jù)筒體與接管的焊接特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮到裝夾、安裝、拆卸的方便，以及在其工作時(shí)操作控制的便利，本設(shè)計(jì)的自動(dòng)焊機(jī)采用直立回轉(zhuǎn)式布置形式。直立回轉(zhuǎn)式占用空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于工作人員操作，安裝與調(diào)試方便，如果采用臥式回轉(zhuǎn)的形式，由于待加工的零件尺寸比較龐大，重量也很笨重，因此給裝夾和加工非常困難，而且焊接精度由于受到重力的干擾，相對(duì)于直立回轉(zhuǎn)式來說也較差。臥式結(jié)構(gòu)與直立回轉(zhuǎn)式特點(diǎn)見表2-1。可見，選擇直立回轉(zhuǎn)式布置較為合理，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。 表2-1 臥式布置與直立回轉(zhuǎn)式布置對(duì)比 臥式結(jié)構(gòu) 直立回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 占用空間大 占用空間小 安裝調(diào)試不便 安裝調(diào)試方便 裝夾困難 裝夾易 剛度較好 剛度能滿足要求 精度較差 精度較好 工作原理 大型筒體馬鞍形埋弧自動(dòng)焊機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，它由主機(jī)體、夾緊裝置、徑向進(jìn)給裝置、橫向進(jìn)給裝置1、橫向進(jìn)給裝置2、導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)、焊槍、焊絲盤、集電裝置等部分組成。夾緊裝置將自動(dòng)焊機(jī)固定到接管體上，通過手柄、齒輪和絲杠螺母帶動(dòng)3組反平行四邊形機(jī)構(gòu)伸縮，完成夾緊和松開動(dòng)作。徑向進(jìn)給裝置和軸向進(jìn)給裝置1用于焊槍啟始點(diǎn)的確定及自動(dòng)焊接過程中對(duì)焊槍進(jìn)行微調(diào)，同時(shí)徑向進(jìn)給裝置完成在焊接過程中的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。主機(jī)體內(nèi)設(shè)計(jì)有回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸向進(jìn)給裝置2，依據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給裝置2驅(qū)動(dòng)的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成焊槍馬鞍形運(yùn)動(dòng)軌跡。焊接開始前，首先通過人機(jī)界面輸入接管直徑、筒體直徑、焊接速度、焊接層數(shù)及每層焊接道數(shù)等工藝參數(shù)，在手動(dòng)狀態(tài)下，將焊槍調(diào)整到啟始點(diǎn)位置上，自動(dòng)焊機(jī)從馬鞍形焊縫的最低點(diǎn)開始，由里向外排列焊道，焊槍每旋轉(zhuǎn)一周并搭接一段距離后，向外側(cè)移動(dòng)一個(gè)焊道寬度，當(dāng)一層焊道完成后，焊槍自動(dòng)提高一個(gè)焊道高度，再由外向里排列焊道，以此循環(huán)往復(fù)，完成設(shè)定的焊接層數(shù)。這樣就完成了整個(gè)坡口的焊接。 10 9 8 5 4 3 2 1 7 6 1．焊槍 2.導(dǎo)絲機(jī)構(gòu) 3.徑向進(jìn)給裝置 4.軸向進(jìn)給裝置1 5.軸向進(jìn)給裝置2 6.集電裝置 7.焊絲盤 8.主機(jī)體 9.手動(dòng)裝置 10.夾具裝置 圖2-3 馬鞍形曲線自動(dòng)焊機(jī)總體結(jié)構(gòu) 2.3 主要參數(shù)的確定 2.3.1 傳動(dòng)原理 傳動(dòng)系統(tǒng)不僅是連接動(dòng)力源與執(zhí)行件的橋梁，而且要完成將動(dòng)力源的速度或力矩轉(zhuǎn)換為符合執(zhí)行件所要求的力矩和速度。而且傳動(dòng)系統(tǒng)直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。各種運(yùn)動(dòng)是由相應(yīng)的傳動(dòng)鏈完成的。通常機(jī)械系統(tǒng)有幾種成形運(yùn)動(dòng)，就有幾條傳動(dòng)鏈。根據(jù)傳動(dòng)聯(lián)系的性質(zhì)不同，傳動(dòng)鏈可分為內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈和外聯(lián)系傳動(dòng)鏈。 要實(shí)現(xiàn)馬鞍形曲線焊縫的焊接，就得實(shí)現(xiàn)焊機(jī)焊槍的馬鞍形曲線的運(yùn)動(dòng)，而這個(gè)焊槍的運(yùn)動(dòng)是由主機(jī)體的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、軸向進(jìn)給裝2提供的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及徑向進(jìn)給裝置、軸向進(jìn)給裝置1的微調(diào)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)。重型壓力容器馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)見圖2-4。 圖2-4 馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng) 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)通過減速器、齒輪把運(yùn)動(dòng)傳遞給整個(gè)焊機(jī)，使其旋轉(zhuǎn)，同時(shí)軸向進(jìn)給裝置2電機(jī)也驅(qū)動(dòng)，依據(jù)一定的數(shù)學(xué)模型帶動(dòng)徑向進(jìn)給、軸向進(jìn)給1以及焊槍上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。徑向進(jìn)給用來完成一個(gè)馬鞍形焊道的焊接后驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一個(gè)徑向進(jìn)給，使其能夠進(jìn)行下一馬鞍形焊道的焊接，如果在焊接的過程中，焊槍在其焊接軌跡的徑向上出現(xiàn)偏差，那么徑向進(jìn)給裝置也可來進(jìn)行微調(diào)。而軸向進(jìn)給裝置1主要是如果焊槍在焊接軌跡的縱向上出現(xiàn)偏差，則調(diào)整它使焊槍處于正確的位置。 2.3.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定 交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性如圖2-5所示，自動(dòng)焊機(jī)的回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及2個(gè)軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)均要求恒轉(zhuǎn)距輸出，即應(yīng)使得電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速n電小于等于額定轉(zhuǎn)速nd，且大于最低轉(zhuǎn)速nmin。 nmin 功率P（kW），轉(zhuǎn)矩T（N·m 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min） P T nmax nd 圖2-5交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩特性 根據(jù)大型筒體自動(dòng)焊機(jī)的工作要求，其基本參數(shù)確定為： 1.回轉(zhuǎn)進(jìn)給 是由回轉(zhuǎn)裝置電機(jī)通過行星減速器輸出，用齒輪傳動(dòng)。所以回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速為： 　(2-1) 式中：為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速()；Z1為小齒輪齒數(shù)(齒)；Z2為大齒輪齒數(shù)(齒)；i為行星減速器傳動(dòng)比。 2.徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是由徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電機(jī)通過齒輪、絲杠傳動(dòng)，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需的直線運(yùn)動(dòng)，所以進(jìn)給速度VS為： (2-2) 式中：為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；i為減速器傳動(dòng)比；T為絲杠螺距(mm)。 3.軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)1 同理可得縱向進(jìn)給速度： (2-3) 式中：為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；T為絲杠螺距(mm)。 4．軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)2 提升運(yùn)動(dòng)是由提升電機(jī)通過行星減速機(jī)輸出，用絲杠螺母傳動(dòng)。所以提升運(yùn)動(dòng)的速度為為： 　 (2-4) 式中：為軸向進(jìn)給裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；i為減速器傳動(dòng)比；T為絲杠螺距(mm)。 2.3.3動(dòng)力參數(shù)確定 各種傳動(dòng)件的參數(shù)都是根據(jù)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算的。如果動(dòng)力參數(shù)選得過大，將使機(jī)床過于笨重，浪費(fèi)材料和電力；如果參數(shù)定得過小，又將影響機(jī)床的性能。動(dòng)力參數(shù)可以通過調(diào)查、試驗(yàn)和計(jì)算的方法進(jìn)行確定。 傳動(dòng)效率 根據(jù)圖2-4傳動(dòng)系統(tǒng)可知，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)效率可表示為： (2-5) 式中：為行星減速器傳動(dòng)效率，取=0.97；為軸承傳動(dòng)效率(一對(duì))，取=0.98；為齒輪副傳動(dòng)嚙合效率，可取=0.97。 將上式代入各參數(shù)可求得。 電機(jī)功率 由圖2-5可知，有4條傳動(dòng)鏈。即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)1、軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)2。由于馬鞍形曲線自動(dòng)焊機(jī)無外載荷，只是克服自身重量載荷運(yùn)動(dòng)，因此只要能夠產(chǎn)生帶動(dòng)自身運(yùn)動(dòng)的功率的電機(jī)即可。 1.回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置電機(jī) 整個(gè)焊機(jī)重量 。 ①轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定 整個(gè)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量設(shè)為可表示為： (2-6) 式中：m為重量()；r為有效半徑(mm)。 ②整個(gè)機(jī)構(gòu)的角速度 通過減速器和齒輪傳動(dòng)，角速度可表示為： == (2-7) 式中：為整個(gè)機(jī)構(gòu)角速度；為總傳動(dòng)比。 ③克服慣性的扭矩 M1計(jì)算如下： (2-8) 式中：t為電機(jī)起動(dòng)加速過程的時(shí)間。對(duì)于中小型機(jī)床取t=0.5s，對(duì)于大型機(jī)床取t=1s。 ④功率的計(jì)算 即為克服慣性扭矩的功率，計(jì)算式為： (2-9) 式中：為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率。 即選用動(dòng)力源的功率P應(yīng)不小于0.68kw。所以選擇回轉(zhuǎn)電機(jī)的功率為0.75kw。 2.徑向進(jìn)給裝置電動(dòng)機(jī) 由于整個(gè)焊機(jī)在工作不承受載荷，所以整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程都相當(dāng)于空行程運(yùn)轉(zhuǎn)。因此徑向進(jìn)給裝置所需電機(jī)功率P2為： (2-10) 式中：m為移動(dòng)部件的質(zhì)量(kg)；g為重力加速度；為當(dāng)量摩擦系數(shù)；為移動(dòng)件的速度。 3.軸向進(jìn)給裝置電動(dòng)機(jī) 軸向進(jìn)給裝置1電動(dòng)機(jī)功率P3為： (2-11) 式中：m為移動(dòng)部件的質(zhì)量（kg）；g為重力加速度；為當(dāng)量摩擦系數(shù)；F為由于重心與升降機(jī)構(gòu)不同心而引起在導(dǎo)軌上的擠壓力；為移動(dòng)件的速度。 同理可得軸向進(jìn)給裝置2電機(jī)功率P4=0.36(kw) 2.4 本章小結(jié) 本章在介紹重型壓力容器筒體與接管馬鞍形焊縫焊接工藝要求基礎(chǔ)上，提出了自動(dòng)焊機(jī)的工作原理和總體設(shè)計(jì)方案，確定焊機(jī)的組成、總體布置和主要技術(shù)參數(shù)，完成了自動(dòng)焊機(jī)的總體設(shè)計(jì)。 第3章 主要部件設(shè)計(jì) 3.1 電動(dòng)機(jī)選擇 本課題的設(shè)計(jì)要求馬鞍形曲線自動(dòng)焊要求速度輸出在一定范圍內(nèi)可調(diào)，為了使用變速系統(tǒng)減化，易于控制，因此采用速度可調(diào)的電動(dòng)機(jī)。直流電阻調(diào)速與交流變頻調(diào)速是兩種常用的調(diào)速方法，下面是這兩種調(diào)速電動(dòng)機(jī)的比較。 1.可靠性 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上因?yàn)橛芯€圈和易磨損的換向銅頭、碳刷等，故障率高、維修費(fèi)用大。交流電動(dòng)機(jī)可靠性高，其轉(zhuǎn)子上沒有線圈和換向銅頭，而是由鑄鋁和硅鋼片壓制成的鐵滾子，故可稱為永不損壞。 2.調(diào)速器維修量性 直流調(diào)速器凸輪控制觸頭的通、斷時(shí)產(chǎn)生的電弧經(jīng)常燒壞觸頭，所以維修量很大。變頻調(diào)速器沒有觸頭，接點(diǎn)基本無維修。 3.節(jié)能性 由于直流調(diào)速器電動(dòng)機(jī)帶有電阻器運(yùn)行，因此電能白白消耗在電阻上，同時(shí)由于電阻發(fā)熱導(dǎo)致電阻瓷架和電阻片燒壞。變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)不用高耗能降壓電阻，節(jié)電率可達(dá)35％。 4.平穩(wěn)性 直流調(diào)速器電動(dòng)機(jī)為有級(jí)分檔調(diào)速，不可能均勻調(diào)；變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)為無級(jí)均勻調(diào)速，最低可調(diào)至頻率為0.1Hz。 通過上述比較，根據(jù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力計(jì)算的結(jié)果，考慮到設(shè)計(jì)要求，及電動(dòng)機(jī)市場的實(shí)際情況，選用三菱HC-KFS73作為回轉(zhuǎn)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，HC-KFS43作為徑向進(jìn)給裝置和軸向進(jìn)給裝置2的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，以及選擇103H7523步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為軸向進(jìn)給裝置1的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。以HC-KFS73為例，電動(dòng)機(jī)特性見表3-1。 表3-1 電動(dòng)機(jī)特性 變頻專用電機(jī)型號(hào) HC-KFS73 額定功率（kW） 0.75 額定轉(zhuǎn)矩（N.m） 18 瞬間最大轉(zhuǎn)矩（N.m） 36 額定轉(zhuǎn)速(r/min) 3000 轉(zhuǎn)子慣量（kg.m2.10-4） 0.0109 調(diào)頻范圍 2Hz～100Hz 3.2 集電裝置 集電裝置是動(dòng)力源與自動(dòng)焊機(jī)的橋梁，是給自動(dòng)焊機(jī)提供動(dòng)力的裝置。集電裝置的作用就是將外部電源導(dǎo)入到電動(dòng)機(jī)內(nèi)，為焊接過程提供穩(wěn)定的電力。整個(gè)自動(dòng)焊機(jī)與電源之間通過導(dǎo)線連接，焊機(jī)的工作時(shí)需要旋轉(zhuǎn)，所以，在設(shè)計(jì)集電裝置時(shí)，需要考慮箱體旋轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)線的接入方式，要避免導(dǎo)線的纏繞，為此增加了集電裝置。 關(guān)于集電裝置我有些想法并試著思考和驗(yàn)證其可行性。 （1）采用線圈通過電磁感應(yīng)來供電： 圖3-1 簡單示意圖 該方案采取電磁感應(yīng)供電這樣可以避免傳統(tǒng)電刷的摩擦與耗損不會(huì)出現(xiàn)由于電刷磨損造成的接觸不良，同時(shí)也減小了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的的負(fù)載。但是由于自動(dòng)焊機(jī)輸入的是低電壓高電流那么由于 (2-11) 因?yàn)榫€圈的材料主要是細(xì)銅絲電阻大，I很大因此會(huì)有巨大的發(fā)熱消耗，這是不經(jīng)濟(jì)的，同時(shí)如果改變線圈采用粗的線圈和降低電流的話又必須在 焊機(jī)上增加變壓器和穩(wěn)壓裝置會(huì)加大焊機(jī)的重量這與本焊機(jī)可由人力進(jìn)行移動(dòng)運(yùn)輸?shù)某踔圆环? （2）微波和激光等新技術(shù)，通過相關(guān)資料和網(wǎng)絡(luò)的查詢，采用這些新技術(shù)的話將完全不存在靈活性的限制而且焊機(jī)的體積也能進(jìn)一步縮小但是， 首先這些新技術(shù)還不成熟遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到應(yīng)用的階段，其次本焊機(jī)使用的場所不適合假設(shè)上述新技術(shù)的傳輸裝置，再次成本會(huì)過高而不實(shí)際，最后這些新技術(shù)帶來的新污染和問題尚未解決。 經(jīng)過上述考慮后決定采用傳統(tǒng)可靠譜的電刷結(jié)構(gòu)集電裝置。 集電裝置由絕緣環(huán)I、導(dǎo)電環(huán)I、絕緣環(huán)II、導(dǎo)電環(huán)II、蓋板、尼龍鍵、電刷等組成。其結(jié)構(gòu)如圖3-2。電刷結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。 6 4 10 11 9 8 5 7 2 1 3 1. 主軸 2. 絕緣套 3. 絕緣環(huán)I 4. 導(dǎo)電環(huán)I 5. 絕緣環(huán)II 6. 導(dǎo)電環(huán)II 7. 蓋板 8. 尼龍鍵 9. 平鍵 10. 大電刷 11. 彈簧 圖3-2 集電環(huán)裝置 電動(dòng)機(jī)既要旋轉(zhuǎn)，又要引入或引出電流，為了防止導(dǎo)線因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生導(dǎo)線纏繞，為此，就把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的兩端接到導(dǎo)電刷上，導(dǎo)電刷、電動(dòng)機(jī)隨箱體一起旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，電源的接入導(dǎo)線從絕緣套與導(dǎo)電環(huán)的空隙引入，和固定不動(dòng)的導(dǎo)電環(huán)相連。一個(gè)旋轉(zhuǎn)，一個(gè)不動(dòng)，兩者之間有滑動(dòng)摩擦，所以，電刷用又滑又導(dǎo)電的石墨制成。設(shè)計(jì)利用電刷結(jié)構(gòu)，箱體與電刷一起旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)線從導(dǎo)電環(huán)接入，電刷與不旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)電環(huán)之間通過石墨塊連接，這樣就解決了導(dǎo)線隨箱體旋轉(zhuǎn)纏繞的問題了。 石墨用作導(dǎo)電環(huán)材料，摩擦阻力小，導(dǎo)電性能好，設(shè)計(jì)的多導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)又避免了由于斷路而產(chǎn)生的斷電現(xiàn)象，使機(jī)器能夠正常的工作。而在導(dǎo)電環(huán)之間裝入尼龍材料的絕緣環(huán)，這就避免了“聯(lián)電”現(xiàn)象的產(chǎn)生，確保焊機(jī)能夠安全的運(yùn)行。 1 2 3 4 5 1. 小電刷 2. 電刷套 3. 頂絲 4. 電刷罩 5. 絕緣座 圖3-3 集電極裝置小電刷結(jié)構(gòu) 3.3 進(jìn)給裝置 過齒輪傳動(dòng)給絲杠，通過絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)套在絲杠上的絲母做左右直線運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)套在伺服電機(jī)上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪傳動(dòng)傳到套在絲杠上的齒輪使其轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，絲杠也轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的絲杠使絲母能夠左右移動(dòng)，絲母帶動(dòng)滑座在線性滑軌上左右移動(dòng)。由于焊接機(jī)頭是安裝在滑座上的，通過滑座的移動(dòng)，焊接機(jī)頭也相應(yīng)的向左和向右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了徑向的進(jìn)給過程。 徑向進(jìn)給裝置由電動(dòng)機(jī)、齒輪、絲杠、絲母、導(dǎo)軌等組成。采用齒輪和絲杠傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)從回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到直線運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換，電機(jī)平行于絲杠的布置節(jié)省了焊機(jī)在水平上的占用空間，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊。使用HGW系列四列式15CC2R880ZAH直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，摩擦阻力小，耐磨性能好，該導(dǎo)軌又具有自動(dòng)調(diào)心能力，確保徑向進(jìn)給裝置運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，防止自動(dòng)焊機(jī)的低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象，保證精確的徑向進(jìn)給。而且使用HGW系列導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，為后續(xù)的軸向進(jìn)給設(shè)計(jì)提供了方便，節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間。大量使用同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件，如螺栓、絲母等實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)焊機(jī)零件使用的通用化，為維修和設(shè)計(jì)其他裝置提供條件。采用絲杠傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)能保證徑向進(jìn)給裝置傳動(dòng)比精確、調(diào)節(jié)速度均勻、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。 絲杠螺母傳動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用 （1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠（或螺母）可使螺母（或絲杠）獲得較大的牽引力。 （2）可達(dá)到較高的降速傳動(dòng)比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡化，傳動(dòng)鏈得以縮短。 （3）能達(dá)到較高的傳動(dòng)精度，用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)還可用作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小讀數(shù)值可達(dá)0.001mm。 （4）傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪聲。 （5）在一定條件下能自鎖，即絲杠螺母不能進(jìn)行逆?zhèn)鲃?dòng)，此特點(diǎn)特別適用于作部件升降傳動(dòng)，可防止部件因自重而自動(dòng)降落。 螺距（mm） 絲杠(mm) 絲杠螺母 絲杠螺母 絲杠斷面積A 螺紋升角 絲杠斷面極慣性矩 絲杠斷面慣性矩I 外徑d 內(nèi)徑d1 中徑d2 （mm） 外徑 內(nèi)徑 4 20 15.5 18 20.5 16 1.89 4° 0.5667 0.3341 ????由表3-1初選絲杠螺母副絲杠螺母副的基本參數(shù)如 ???????????????表3-1 絲杠的傳動(dòng)效率 查得?=0.7 一、選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1、選定直齒圓柱齒輪示的傳動(dòng)傳動(dòng)。移動(dòng)部件為一般機(jī)構(gòu)，速度不高，故齒輪選定8級(jí)精度。 2、齒輪選用便于制造且價(jià)格便宜的材料，由參考文獻(xiàn)表3-2選取小齒輪材料為45號(hào)鋼（調(diào)質(zhì)），HBS1=240,大齒輪材料為45號(hào)鋼（常化）HBS2=200. 3、選取小齒輪數(shù)Z1=20,大齒輪數(shù)Z2=iZ1=4×20=80。因齒面硬度小于350HBS的閉式傳動(dòng)，所以按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，然后校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 二、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由參考文獻(xiàn)式得設(shè)計(jì)公式為:?? 1、確定公式內(nèi)各參數(shù)的數(shù)值 （1）試選載荷系數(shù)Kt=1.3 （2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩,按高速軸的最低轉(zhuǎn)速計(jì)算 T1=95.5×105p/n1=13614.5Nmm=13.6Nm???? （3）選取齒寬系數(shù)???φd=0.8 （4）查得彈性影響系數(shù)ZE=189.8 （5）查得接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=590Mpa;由 查得接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=470Mpa （6）由式3-29計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ???N1=60?=60×500×1×16×300×15=21.6×108 ??=?=21.6×108/4=5.4×108 （7）由圖3—57查的壽命系數(shù) （8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概論為1%，安全系數(shù)為S=1，由 式3—30得：σHlim2=590MPa?σHlim1=470MPa 2.計(jì)算 （1）計(jì)算小齒輪分度圓直徑?： d=38.3mm （2）計(jì)算圓周速度： ???????V=?=1m/s （3）計(jì)算載荷系數(shù)。 故載荷系數(shù)為 （4）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所計(jì)算的分度圓直徑，由3—27B得 ??????d =37.4mm （5）計(jì)算模數(shù)： ??1.87mm 由參考文獻(xiàn)取模數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值，m=2mm （6）計(jì)算分度圓直徑： （7）計(jì)算中心矩：a=(d1+d2)/2=(40+160)/2=100mm （8）計(jì)算齒輪寬度： ????b=φd×d1=0.8×40=32mm 圓整，取B2=35mm,B1=40mm 三、校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 由式（16-4）得校核公式為：? ????MPa ?1、確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值 ⑴計(jì)算圓周力 ????Ft=2T1/d1=2×13614.5/40=680.7N ⑵查取應(yīng)力校正系數(shù)。由表3-8查得： ????YFa1=2.8???YSa1=1.55;???YFa2=2.22;???YSa2=1.77 ⑶計(jì)算載荷系數(shù)： ????K=KA×KV×Ka×KFβ=1×1.08×1×1.25=1.35 ⑷查取彎曲疲勞強(qiáng)度極限及壽命系數(shù)。由圖3-58查得σFlim1=450Mpa;由圖3-58查得σFlim2=390Mpa;由圖3-56查得KFN1=KFN2=1. ⑸計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=SF=1.4，得： ????[σ]F1= 236MPa 4 2 3 1 ????[σ]F2= 456MPa 6 5 1.小齒輪 2.大齒輪3.電動(dòng)機(jī) 4.絲杠5.絲母 6.導(dǎo)軌 圖3-4 徑向進(jìn)給裝置圖 3.4 非任務(wù)的主要部件的設(shè)計(jì) 利用軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來完成執(zhí)行任務(wù)的情形很多很多，如機(jī)床中主軸帶動(dòng)工件或刀具，可完成工件表面的成形加工運(yùn)動(dòng)；軋鋼機(jī)中通過軋輥(相當(dāng)于機(jī)床中的主軸)對(duì)鋼材的軋制，以獲得不同形狀、尺寸的型鋼及一些自動(dòng)裝配線上使用的各種不等速或間歇回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的軸等。這些主軸由于功用不同，故各自具體結(jié)構(gòu)及主軸機(jī)構(gòu)的組成及布置也不一樣。但歸結(jié)起來主軸機(jī)構(gòu)一般主要由主軸、安裝在其上的傳動(dòng)件(齒輪、皮帶輪等)、密封件、軸承、軸承間隙調(diào)整及固定元件(螺母)等組成，因此，設(shè)計(jì)主軸機(jī)構(gòu)時(shí)主要是各組成元件的布置及設(shè)計(jì)軸本身。 因?yàn)樽詣?dòng)焊機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡是馬鞍形曲線，是縱向運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的和運(yùn)動(dòng)，所以要想是焊機(jī)實(shí)現(xiàn)馬鞍形曲線的軌跡就要求有回轉(zhuǎn)進(jìn)給?；剞D(zhuǎn)進(jìn)給裝置由主軸、電動(dòng)機(jī)、行星減速器、齒輪、連接座等組成。如圖3-5所示。伺服電機(jī)連接行星減速器提供動(dòng)力，通過主動(dòng)齒輪傳動(dòng)給套在主軸上的從動(dòng)齒輪，從動(dòng)齒輪固定在主軸上，而主軸固定不動(dòng)，形成反向作用力，使連接電機(jī)的整個(gè)箱體繞軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)進(jìn)給過程。它結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，占用空間小，因?yàn)檫x用了行星減速器更加節(jié)約了空間，減輕了整個(gè)焊機(jī)的重量，而又實(shí)現(xiàn)了大傳動(dòng)比。主軸居中布置避免由于偏心而產(chǎn)生的彎矩，使焊機(jī)受力均勻合理?；剞D(zhuǎn)裝置中的齒輪均采用定位銷來定位，這種定位方法結(jié)構(gòu)簡單又便于裝配。 4 5 6 8 7 1 2 3 1. 連接座 2. 銷 3. 箱體 4. 銷 5.主軸 6.電機(jī)與減速器 7.大齒輪 8. 小齒輪 圖3-5 回轉(zhuǎn)進(jìn)給裝置結(jié)構(gòu) 軸向進(jìn)給裝置 軸向像進(jìn)給裝置1與徑向進(jìn)給裝置相似，都是作直線運(yùn) 動(dòng)的機(jī)構(gòu)，是當(dāng)焊槍在縱向上位置不準(zhǔn)確時(shí)用來調(diào)整其縱向位置的裝置。為使設(shè)計(jì)過程簡單，加工制造方便，便于以后自動(dòng)焊機(jī)的系列化發(fā)展、實(shí)現(xiàn)其模塊化設(shè)計(jì)。因此也采用齒輪、絲杠傳動(dòng)，利用導(dǎo)軌來導(dǎo)向和承載，選擇其規(guī)格和徑向進(jìn)給裝置相同的零件，如絲杠、絲母、導(dǎo)軌、螺栓等。其結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。它和徑向進(jìn)給裝置的不同之處在于電動(dòng)機(jī)與絲杠直線布置，直接用聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)連接。這樣即節(jié)約了空間又受力合理，實(shí)現(xiàn)其微調(diào)的作用。 軸向進(jìn)給裝置2結(jié)構(gòu)更為簡單，它也是做直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，不同之處在于它是用于焊機(jī)的軸向進(jìn)給，速度范圍要與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，因此減速機(jī)構(gòu)選擇行星減速器、絲杠、絲母。結(jié)構(gòu)見圖3-7。 圖3-6 軸向進(jìn)給裝置1 圖3-7 軸向進(jìn)給裝置2 夾緊裝置 定位基準(zhǔn) 定位的作用是要使自動(dòng)焊機(jī)與被焊接筒體之間具有準(zhǔn)確和固定不變的工作位置，在保證工作要求的情況下，限制足夠的自由度。 用來確定加工對(duì)象上幾何要素間的幾何關(guān)系所依據(jù)的那些點(diǎn)、線、面成為基準(zhǔn)。按照其作用的不同，基準(zhǔn)可以分為：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)兩大類。工藝基準(zhǔn)又可以分為：工序基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)、測量基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)。該自動(dòng)焊機(jī)的裝夾定位基準(zhǔn)有兩種定位方案。第一種采取接管的外圓柱面和端面為定位基準(zhǔn)平面，這種定位形式要求接管有足夠的伸出長度已便于定位。第二種采用接管的內(nèi)圓柱面和端面為定位基準(zhǔn)平面，工件以圓柱外表面為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時(shí)常采用V形鐵定位器，同時(shí)保證其加工精度。 夾具裝置設(shè)計(jì) 1.三爪卡盤 對(duì)大型圓筒夾具體選擇三爪卡盤外夾式進(jìn)行夾緊，以工件的外圓面平面為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時(shí)，其限制OX、OY、OZ三個(gè)方向的平動(dòng)自由度和OX、OY兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度，共限制5個(gè)自由度。如下圖3-8所示。 Z X Y 圖3-8 三爪卡盤的裝夾 2.反四邊行夾具 采用連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)夾具進(jìn)行內(nèi)擴(kuò)式夾緊。利用定位工件的定位，夾具的固定桿限制了OX兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)自由度和OX、OY、OZ三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，夾具的頂端固定塊限制了OY方向的平動(dòng)自由度，共限制5個(gè)自由度，如圖3-9所示。 6 5 4 X Z 3 2 1 Y 1.夾具 2.固定桿 3.固定板 4.連桿I 5.連桿II 6.接管