摘 要焊接變位機是一種焊接輔助設備，它與焊接操作機、焊接滾輪架并稱為焊接輔助設備中三大機。焊接變位機是應焊接行業(yè)的機械化、自動化發(fā)展需要而產生的。焊接變位機作為一種焊接配套設備，用于管子橫向對接焊接，管子與法蘭內外環(huán)縫焊接，管子對管子全位置焊接。焊接變位機可水平翻轉角度，通過工作臺的回轉及翻轉運動使工件上焊縫處于最理想的位置進行焊接，從而大大提高焊縫質量，減輕焊工勞動強度，尤其是適合焊接各種軸類、盤類、筒體等回轉工件的理想設備。本設計分析了解國內外焊接變位機的發(fā)展狀況、以及焊接變位機在焊接機器人中的應用，設計了一種 60 噸座式焊接變位機。主要內容是關于焊接時機械的回轉翻轉的控制、電機的選擇、減速器的選擇、各個軸和齒輪軸承的確定以及校核等等。設計的具體過程是根據(jù)預定的載荷和要求的焊接速度從而確定設備所需要的電機類型，包括:電機的轉速、額定功率、電壓電流等，在此基礎上計算軸的尺寸和相應配件的型號，并且對其進行相關的強度、使用壽命等的校核，然后對一些外購件也進行選擇。選用的方法主要是機械設計的相關知識，使用到的有材料力學，CAD 等。關鍵詞： 焊接變位機； 機械設計； 焊接輔機AbstractWelding positioner is a kind of welding auxiliary equipment, it was known as the three planes in welding auxiliary equipment with welding manipulator, welding roller bed. Welding positioner was designed with the development of welding industry mechanization, and automation. As a welding auxiliary machine, welding positioner was used in pipe′s landscape orientation welding, pipe and flange′s inside and outside central linking welding, pipe welding in all location. Though the gyration and retroflexion of the workbench, the welding positioner can make the welding line to an ideal position, which can improve the quality of the welded joint, reduce welder’s workload. It is ideal equipment especially fit to weld the kinds of workpiece, just like the shaft, tray, canister, and so on.By understanding the welding positioner′ s development in domestic and overseas, and the positioner used in welding robot is described in the paper. A block 60 ton s of welding positioner is designed.Mainly on the subject of welding ,mechanical rotation turnover of control, the electrical options, reducer selection, various axle and the wheel bearings and determine accuracy ,and so on.The design process is based on specific target load and speed requirements of welding equipment to determine the type of electrical needs, including: the rotational speed electrical, rated power, voltage, current and on the basis of the calculation of axle size and corresponding accessories models, and their associated intensity, and the useful life of accuracy, then for some purchases were also chosen. The method chosen mainly mechanical design relevant knowledge, the use of the material mechanics, CAD.Key words: welding conjugation mechanical; mechanical design; welding auxiliary machine.目 錄摘 要 .IIIABSTRACT IV目 錄 .V1 緒論 .11.1 立題依據(jù) .11.2 焊接輔機的作用和分類 .11.3 焊接變位機的功能及結構形式 .22.1 設計的基本參數(shù) .42.2 變位機的總體方案設計 .42.3 驅動系統(tǒng)方案 .42.3.1 工作臺回轉方案 42.3.2 工作臺翻轉方案 42.4 導電裝置方案 .53 回轉機構設計 .63.1 工作臺回轉機構 .63.2 回轉支承的選擇 .63.2.1 回轉系統(tǒng)承載的總重量 .63.2.2 計算回轉支承的最大傾覆力矩 73.2.3 齒輪 1 的參數(shù)（即與回轉支承嚙合的小齒輪） 83.3 選擇工作臺的回轉電機 .103.4 減速器的選擇 .114 工作臺傾斜機構設計 .124.1 傾斜機構 .124.2 選擇傾斜機構的電機 .124.3 蝸桿減速器 .134.3.1 蝸桿和蝸輪的設計 144.3.2 蝸桿軸和蝸輪軸的初步設計 164.4 扇形齒輪傳動設計 164.5 傾斜機構中軸的設計 .194.5.1 傾斜軸的最小直徑 194.5.2 翻轉小齒輪軸的最小直徑 244.6 聯(lián)軸器的選用計算 .274.6.1 減速器與減速器之間的聯(lián)軸器 274.7 軸承的選用和校核 .275 安裝調試與操作使用 .295.1 安裝 .295.2 調試與檢測 .295.3 操作與使用 .296 結論與展望 .306.1 結論 306.2 不足之處及未來展望 30致謝 .31參考文獻 .3260 噸焊接變位機設計1 緒論1.1 立題依據(jù)目前機械行業(yè)，特別是鍋爐行業(yè)有大量的管和板的焊接，管子和板的接合處為環(huán)縫焊接，為適應自動焊接，管和板要自轉，同時要傾斜 45°，滿足船形焊接。鋼結構技術的蓬勃發(fā)展,推動了工程結構體系的不斷進步。在橋梁、電站、高層鋼結構建筑、大型造船等行業(yè)日益繁榮的今天，要求焊接自動化的增多，焊接輔機也越來越受到重視。我國目前中小噸位焊接變位機，基本能滿足要求。但無論品種規(guī)格還是性能質量，與國外相比仍有很大差距，尤其是大噸位焊接變位機在速度平穩(wěn)性、變位精度、驅動功率指標、與焊接操作機的聯(lián)機動作等方面，存在較大差距。1.2 焊接輔機的作用和分類焊接輔機指所有同焊接相關的周邊輔助設備，具體定義是指焊接結構裝配和焊接過程中起配合和輔助作用的的工夾具\變位機械、焊劑輸送裝置等的總稱。如：各類焊接夾具、船舶焊接專機、汽車底板焊接生產線、各類龍門焊接機、焊接機器人及周邊設施等。其中最常見的通用配置有操作機、滾輪架、變位機等焊接變位機械。如圖 1.1焊接變位機械指是在焊接過程中改變焊件、焊機及焊工空間位置來完成機械化，使其有利于減少焊接時間，提高勞動效率，減輕工人勞動強度，提高焊件質量，并能充分發(fā)揮各種焊接方法的機械設備。焊接變位機械可分為焊件變位機械、焊機變位機械和焊工變位機械。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。其中滾輪架、變位機、翻轉機、回轉臺就是焊接變位機械。在多數(shù)場合下，焊件變位機械和焊機變位機械相互配合使用，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)。在以弧焊機器人為中心的柔性加工單元（FMC）和加工系統(tǒng)（FMS）中，焊件變位機械也是組成設備之一。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、空間曲面的帶極焊接等，都需要焊接變位機械的配合，才能完成作業(yè)。其中焊件變位機械最多也最常用。本論文主要是設計了 60 噸焊接變位機的整體機構和主要零件。(a)焊接滾輪架 (b)焊接變位機(c)焊接翻轉機 (d)焊接操作機圖 1.1 焊接變位機械1.3 焊接變位機的功能及結構形式焊接變位機是將工件回轉、傾斜使焊件上的焊縫置于有利于施焊位置的焊接變位機械。焊接變位機的幾種常見形式 [7]：（如圖 1.2）：(1)座式焊接變位機。是應用最廣泛的一種焊接變位機,其穩(wěn)定性比伸臂式焊接變位機要高。工作臺有一個整體翻轉的自由度，可以將工作翻轉至理想的焊接位置進行焊接，另外工作臺還有一個回轉的自由度。其適合工程機械的小型焊接件及一些管類、軸類、盤類等中小型復雜結構的焊接。 (2)Ｌ型雙回轉焊接變位機。其工作裝置Ｌ型，有兩個方面的回轉自由度，且兩個方向都可以±360°任意回轉。此變位機與其它類型變位機相比，開敞性好，容易操作。(3)雙立柱單回轉式變位機。其主要特點是立柱一端電機驅動工作裝置沿一個回 轉方向運轉，另一端隨主動端從動。兩側立柱可設計成可升降式，以適應不同規(guī)格產品。該種變位機結構簡單適合裝載機的后車架、壓路機機架等工程機械長方形結構件的焊接。這種型式變位機的缺點只能在一個圓周方向回轉，選擇時要注意焊縫形式是否適合。(4)Ｕ型雙座式頭尾雙回轉型式。在單回轉變位機的基礎上被焊結構件在另外一個空間又增加一個旋轉自由度。這種型式的變位機焊接空間大，工件可被旋轉到需要的位置。有較高的穩(wěn)定性,適用于大型和重型工件的翻轉變位,能較好地滿足焊接質量的要求。(5) Ｃ型雙回轉焊接變位機。Ｃ型回轉形式與Ｌ型機相同，只是為了方便夾具體的設計，根據(jù)結構件的外形，變位機的工作裝置稍作變動。該種型式焊接變位機，適合裝載機的鏟斗、挖掘機的挖斗等焊接。焊接變位機要具備的性能有：60 噸焊接變位機設計（1）焊接變位機械要有較寬的調速范圍，穩(wěn)定的電流和功率。（2）在動力傳動行程中要有自鎖傳動，以免動力源切斷時，焊件因重力作用而發(fā)生事故。（3）與焊接機器人和精密焊接作業(yè)配合使用的焊接變位機，視焊件大小和工藝方法的不同，其到位精度（點位控制）和運行軌跡精度（輪廓控制）應控制在 0.1—2mm 之間，最高精度應可達 0.01mm。（4）有良好的接電、接水、接氣設施，以及導熱和通風性能。（5）整個結構要有良好的密閉性，以免焊接飛濺物的損傷，對散落在其上的焊渣、藥皮等臟物，應易被清除。（6）工作臺面上應設有安裝槽孔，能方便地安裝各種定位器件和夾緊機構。(a)座式焊接變位機 (b)Ｌ型雙回轉焊接變位機 (c)雙立柱單回轉式變位機 (d)Ｕ型雙座式頭尾雙回轉型式圖1.2 變位機種類60 噸焊接變位機設計2 方案設計2.1 設計的基本參數(shù)基本承載能力 60 噸工作臺直徑 3000mm工件偏心距 500 mm回轉角度 0°—180°翻轉角度 0°—90°焊接速度 250mm/min—2500mm/min2.2 變位機的總體方案設計圖 2.1 變位機的總體圖采用座式焊接變位機，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，傾斜軸在 0°—90°的范圍內恒速傾斜。該機為座式焊接變位機，穩(wěn)定性好，一般不用固定在地上，搬移方便。2.3 驅動系統(tǒng)方案2.3.1 工作臺回轉方案工作臺的回轉運動應有較寬的調速范圍，從 0.027r/min—0.27r/min 調速平穩(wěn)均勻，要有雙向回轉功能和自鎖功能。第一種方案：電動機驅動，經過減速器減速后通過齒輪傳動帶動工作臺回轉，要求無級變速。第二種方案：在全液壓變位機，采用液壓馬達來驅動及控制工作臺回轉的速度和角度。2.3.2 工作臺翻轉方案工作臺的傾斜速度恒定，運動要自如平穩(wěn)并有多重自鎖功能。第一種方案：電動機經過減速器減速后通過扇形齒輪帶動工作臺傾斜，該方案目前應用很廣。第二種方案：在全液壓變位機中采用液壓缸直接推動工作臺傾斜，對液壓驅動方面的要求較高。第三種方案：電動機經過減速器減速后通過螺旋副使工作臺傾斜，該方案應用很少。2.4 導電裝置方案焊接變位機作為焊接電源二次回路的組成部分，必須設有導電裝置。焊接時，強大的焊接電流通過工件和工作臺經導電裝置傳至工作臺傾斜軸，再由位于傾斜軸返回到焊機的負極。導電裝置提供了一個順暢的電流回路，有效地防止了焊接電流直接通過齒輪副和軸承，既保證足夠的焊接電流，又使機構免遭電流損壞。第一種方案：采用外接導電裝置，主要是采用電刷式的，它由電刷、電刷盒、刷架組成，結構形式多樣，在焊接變位機中應用最廣。第二種方案：采用自身導電。必須采用以下措施：①使用帶有石墨成分的潤②在軸向力的作用下，各傳動副之間、軸承內外圈之間要接觸緊密。自身導電然省去了專用的導電裝置，但對變位機各傳動副的裝配間隙要求較嚴，使用中又需經常檢查和調整，比較麻煩，采用不多。60 噸焊接變位機設計3 回轉機構設計3.1 工作臺回轉機構工作臺帶動 60 噸工件以焊速 250mm/min—2500mm/min 在 0°—180°內回轉。其回轉系統(tǒng)的如圖 3.1 所示。其傳動路線大致為：驅動電機——回轉減速機——回轉支承——工作臺。工作臺固定于回轉支承上，回轉支承固定在支承梁上?；剞D支承外圍上的大齒輪與減速器輸出軸小齒輪嚙合，通過與減速器輸入軸連接的電機的驅動，形成工作臺的回轉運動。電機和減速器輸出軸直聯(lián)，利用電機的失電制動器來對回轉運動進行制動和自鎖。圖 3.1 回轉機構傳動簡圖3.2 回轉支承的選擇在回轉系統(tǒng)中，工作臺是固定在回轉支承上，通過回轉支承將工作臺與支承梁連接，這樣不僅提高了工作臺的回轉精度，也提高了工作臺的剛性。參照相關樣品的選型計算，我選擇單排四點接觸球式回轉支承，JB2300—84 標準中的單排四點接觸球式回轉支承，回轉中心大，支承面積大。是由兩個座圈組成，結構緊湊、重量輕，鋼球與圓弧軌道四點接觸，能同時承受軸向力、徑向力、顛覆力矩。外圈為齒輪，外圈與工作臺用螺栓固聯(lián)，內圈與鋼梁聯(lián)接。動力從齒輪副傳入，帶動工作臺旋轉。我選取的回轉支承型號為 012. 60. 2000。查《機械設計手冊》P7 —453 表 7—2—112，其主要的參數(shù)如下 [4]：回轉中心直徑為 2000mm 滾子直徑為 60mm總高 h 承=144 mm 參考重量為 M=1100kg外齒輪模數(shù) m=18 mm 齒數(shù) Z=123外齒輪 De=2264.4 mm 外齒輪 b=120mm3.2.1 回轉系統(tǒng)承載的總重量圖 3.2 偏心距和重心距示意圖h 件—工件的高度假設工件為圓柱形，材料為鋼，則密度為 7.8×103 kg/m3，直徑為 3000 mm。V = 60×103 / 7.8×103= 7.6923 m3h 件 = 7.6923 / ( ∏×1.5 2 )= 1.088m = 1088 mmh 臺—工作臺高度 假設工作臺高度為 80mmh—綜合重心高h =（ h 件＋ h 臺＋h 承）/2＝（1088＋100＋144）/2 ＝666mmm 臺—工作臺的重量工作臺材料為 Q235—A，密度為 7.8×103 kg/m3 （采用肋板增加強度減少重量） 。m 臺 = 7.8×103×∏×1.5 ×1.5×0.08＝4.4×10 3kgG—綜合重量60 噸焊接變位機設計G =（ 4.4×103＋60×10 3＋1.1×10 3）×9.8＝641.9 ×103 N3.2.2 計算回轉支承的最大傾覆力矩已知條件:G=5.88×105N——工件重量（60t）Emax = 500mm——允許最大偏心距β=0 °—180°——回轉軸轉角α=0 °—90°——回轉傾斜角變位機的回轉支承受力狀態(tài)如圖 3.2 所示，在焊件和夾具的綜合重量作用下，回轉支承的傾覆力矩 Mω 是由繞 X 軸和 Y 軸的彎矩 Mx， My 合成，Mx=G1h+G2 e sinβ (3.1)My=G2 e cosβ (3.2) 考慮到 G1=Gsinα G2=Gcosαββ ββα向圖 3.3 回轉支承傾覆力矩圖則 A 點截面所受的彎矩為：Mω =（M x2+ My2） 1/2 (3.3) = G（h 2sinα + e2cos2α +2hesinα cosα sinβ） 1/2 由式(3.1) 和(3.2) 知，彎矩 Mω 是 α， β 的二元函數(shù)，其值是變化的?，F(xiàn)需要求出最大值，以便校核。令：N= h 2sinα + e2cos2α +2hesinα cosα sinβ (3.4)對上式進行求偏導并令其為零,求出 N 的最大值，即可求出彎矩 Mω 的最大值。N′ α = h 2 cosα -e2 sin2α +2he cos2α sinβ=0 N′ β =hesin2α cosβ=0 因為上式是關于三角函數(shù)的代數(shù)式，由于它的周期性，所以上式結果為多個解。結合已知條件，解如下：(α =90° β=0 °，180 ° )最大值出現(xiàn)在 α =90°時， 代入求 Mω 得：M ω max = G h = 4.3×105 N·m 3.2.3 齒輪 1 的參數(shù)（即與回轉支承嚙合的小齒輪）該齒輪是和回轉支承上的外齒輪嚙合，其模數(shù)是確定的。這里只校核其強度。經過減速器減速后，回轉支承之間的傳動比：i2=2778÷450=6.2表 3-1 齒輪的參數(shù)計算項目 計算內容 計算結果確定主要尺寸齒數(shù) z1=123÷6.2=19.8 取 z1=20傳動比 i=123÷20=6.15分度圓直徑 d1=m z1=18×20=360mm d1=360mmd2=m z2=18×123=2214mm d2=2214mm齒寬 b1= 130 mm小齒輪的校核 小齒輪用 20 Cr，滲碳淬火，硬度 56HRC—62HRC。表 3-2 小齒輪的校核 計算項目 計算內容 計算結果轉矩 T1 =9.55×106×P/n=9.55×106×9.9/1.7=55.615×106 N·mmT1=55.615×106 N·mm接觸疲勞極限 查 P224，圖 12.17（e） ① σ Hlim1=1200Mpa圓周速度 v=∏d 1n1 /(60×1000)= ∏×360×1.7/60/1000=0.032m/s精度等級 由 P207 表 12.6 選 9 級精度使用系數(shù) 由 P215 表 12.9 KA=1.0動載系數(shù) 由圖 12.9 KV=1.01齒間載荷分配系數(shù)由表 12.10，先求Ft=2 T1 / d1 =2×55.615×106 /360=3.09×105NKA Ft /b=1.0×3.09×105/130=2377N/mm 100N/mm60 噸焊接變位機設計ε α =［1.88－3.2(1/z 1+1/z2)］cosβ=1.88－3.2×(1/20+1/123)=1.6940Zε =(4－ε α )/3 =(4－1.6940)/3=0.7687KHα =1/ Zε 2=1/0.76872=1.6925齒向載荷分布系數(shù)由 P218 表 12.11KHβ =A+B［1+6.7(b/ d 1)2］(b/ d 1)2+C·10-3 b=1.09+0.16×［1+6.7×（130/360） 2］×（130/360） 2+0.31×10-3×120=1.3037KHβ =1.3037載荷系數(shù)K= KA KV KHα KHβ=1.0×1.01×1.6925×1.3037=2.228K=2.228彈性系數(shù) 由 P221 表 12.12 ZE=188.9 Mpa1/2節(jié)點區(qū)域系數(shù) 由圖 12.16 ZH=2.5續(xù)表 3-2接觸最小安全系數(shù)由表 12.14 SHmin=1.01應力循環(huán)次數(shù)由表 12.15，估計 106 1.5 ［S ］4.5.2 翻轉小齒輪軸的最小直徑忽略聯(lián)軸器的效率，最小直徑取為和蝸輪軸直徑的最小值一致。d=220 mm小齒輪的分度圓直徑 d1=360 mm 1.8×230 mm ，所以采用齒軸式。表 4-5 校核小齒輪軸計算項目 計算內容 計算結果計算齒輪受力轉矩 T2= 95.5×106 N·mm圓周力 Ft=2×95.5×106/360 Ft =5.3×105N徑向力 Fr= Ft tan20°=5.3×105×tan20° Fr =1.93×105N畫出軸受力 見圖 4.5(b)計算支承反力水平,垂直面反力 計算略水平面受力圖 見圖 4.5 (c)垂直面受力圖 見圖 4.5 (d)畫軸彎矩圖水平面彎矩圖 見圖 4.5 (e)垂直面彎矩圖 見圖 4.5 (f)續(xù)表 4-5合成彎矩圖 見圖，合成彎矩 4.5 (g)畫軸轉矩圖 軸受轉矩T= T1 95.5×106 N·mm轉矩圖 見圖 4.5 (h)許用應力許用應力值 ［σ 0b］=150 Mpa［σ -1b］=90 Mpa應力校正系數(shù) α= ［σ -1b］/［σ 0b］=90/150 α=0.6畫當量彎矩圖當量轉矩αT=0.6×95.5×106 αT =55.2×106 N·mm當量彎矩 在小齒輪中間截面處MI=（M 2＋αT 2） 1/2=0+55.2×106MI=55.2×106 N·mmMv=157.3×106