自动电焊机机械结构设计

要 随着电焊机的应用需求，手动电焊机因为其劳动强度大，焊接效率低，工作环境恶劣，对人体伤害大等缺点，逐渐被自动电焊机所取代。自动电焊机的主要体现在自动送丝机构，焊接工位自动转换机构，工件自动装卡机构，工件焊接自动化系统，系统集成控制等，其中自动送丝机构是实现自动化的重要环节。 因此，本设计针对自动电焊机的主要传动部件，与送丝机构而进行设计，设计中完成了自动电焊机丝杠传动零部件的设计计算与选型，以及自动电焊机自动送丝机构的设计计算，实现各传动零部件的良好运行，使其不动时实现自锁功能在焊接过程中，自动电焊机实现自动送丝功能。 关键词： 自动电焊机；丝杠传动；送丝机构 of to by in is an of s of as as of so t in of 录 第 1 章 绪 论 .焊机的发展背景和特点 .焊机自动送丝机构 . 自动送丝机构的现状与特点 . 设计的目标要求与内容 . 2 章 总体方案设计 .动电焊机总体设计 .动电焊机自动送丝机构方案设计 . 3 章 关键零部件的设计 .杠和导轨选型 . 自动电焊机 z 向结构设计 . Z 向电机选择 . 向丝杠传动设计 . 丝杠设计 . X 向电动机选择 . 联轴器的选择 .焊机自动送丝机构设计 . 自动送丝机结构从动轮设计 . 自动送丝机构主动轮设计 . 送丝电动机选择 . 主动轮轴的设计 . 键的选择与校核 . 轴承的选择 . 轴与电机连接 . 自动送丝机构图 . 4 章 自动电焊机整体装配图 .动电焊机主视图 .动电焊机左视图 .动电焊机俯视图 . 论 . 谢 .考文献 .第 1 章 绪 论 焊机的发展背景和特点 随着社会和科学技术的发展，电焊机的应用需求也发生着变化从手动电焊机到半自动电焊机，再到自动电焊机，不断响着自动化方向发展。 手动电焊机设备简单，价格便宜，使用手工电焊机劳动强度大，焊接环境差，对人身体伤害大，焊接焊缝质量依靠焊工的技术与经验同时，手动电焊机的 生 产效率低，不适合特殊焊接于薄板焊接。逐渐手动电焊机跟不上生产的要求，只是在生活中焊接小零件时使用较多，在生产中逐渐出现半自动电焊机，将手动电焊机取代。 半自动电焊机是在原有的电焊机的基础上在某个方面，做出改进，实现电焊机半自动。如原有电焊机焊接时焊丝需要焊工手动安装，有自动送丝的设备，焊枪在焊件上工作时，焊枪的移动等都是靠手工完成的常见到的半自动焊机有 ， 体保护焊，他们都是在原有电焊机上加以改进，实现半自动，但这些改进还是跟不上生产的要求，还是在用人力来完成，因此自动电焊机就发展起来了。 自动电焊机是利用控制技术，将焊接技术与其它技术相关联，实现集中控制，使电焊机的焊接实现自动化。自动电焊机包括自动送丝机构，焊接工位自动转换机构，工件自动装卡机构，攻击焊接工程自动化系统，系统集成控制等。自动电焊机种类不断变多，用得较多的是气焊，钎焊，有埋弧焊自动电焊机；气体保护自动焊机，电渣焊自动焊机，激光焊接自动焊机，焊接机器人自动焊接机。 体保护自动焊接机用于焊接低碳钢、不锈钢、铝等材料，而且生产质量与焊接质量都很高。焊接时电弧很集中，焊接快；可用多种方式控制，焊机操作方便。埋弧焊自动焊机，是随着我国造船业、航空航天业、钢结构行业的发展，逐渐发展起来并广泛应用。它被应用于碳钢不锈钢等，拌脚后、焊缝较长的焊接中，他可以实现自动连接， ，故生产效率高，质量好，焊缝美观。埋弧焊在使用时电弧产生的场强高，对薄的焊件不能焊接，而且埋弧焊焊接时采用颗粒状旱剂进行保护 ,只适用于平焊和角焊位置的焊接。 现代自动电焊机发展相当迅速，应用于越来越广泛 接质量好，适应焊接环境能力强，对特殊焊件的焊接满足要求。并且现代自动电焊机焊接性能高，材料成本低，焊机更是向环保方向靠近。节约劳动力，很大程度上降低劳动强度，使用更广泛。 2总之，电焊机的发展已经适应了时代发展的要求，只要有需要就会有相应的电焊机诞生。使得我国的电焊机总体水平在不断的上升，实现机械化，自动化，智能化，将我国电焊机发展到一个新的阶段。 焊机自动送丝机构 动送丝机构的现状与特点 自动送丝机构的发展是随着控制方式的发展不断变化的，从最开始的模拟电路控制，然后到了单片机控制，发展到了现代化的智能控制。目前使用较多的自动送丝机构采用的是推丝式、拉丝式、推 拉式。 推丝式送丝机构在气体保护焊中应用广泛，送丝轮位于焊接软管的后半段，通过电动机带动来驱动焊丝，使焊丝在软管内运动。推丝式送丝机构的优点是焊枪构造简单，焊枪使用轻便，操作便利，缺点是焊丝在焊丝管中运动一段距离后才能到达焊枪位置，运动过程中焊丝受到阻力较大，送丝不稳定。 拉丝式送丝系统，送丝机构在焊枪头中，位于软管的前端，是利用电机的扭矩运送焊丝。优点是焊丝在焊丝管中受到拉力，送丝阻力较小，灵活稳定，焊丝卡住的现象极少发生，在细直焊丝的焊接中应用广泛。缺点是送丝机构在焊枪上，焊枪较重，设计要求高。 推 拉式送丝系统是这两种送丝机构的联合应用。在靠近焊丝软管末端安装一个推丝式送丝机构，在软管前段即在焊枪中再安装一个拉丝式送丝机构，利用两个送丝机构的电机运动实现焊丝的运输。推 拉式送丝系统中，推式电机主要提供动力使焊丝平稳运行，拉丝式电机可以将焊丝管仲焊丝拉直，便于运输，在送丝距离不大于 5m 时，它可稳定送丝。缺点是这种送丝机构结构较为复杂，同时焊枪较重，不利于调整，应用于长距离送丝。 总的来说，送丝机构在不断地改进中，从它的送丝动力系统到送丝软管都有不断的创新。为不同焊机设计的送丝机构也在广泛的使用，目前国内的送丝机构还在不断尝试新的设计。 计的目标要求与内容 自动电焊机的使用是为了更快更高效的完成工作，同时降低劳动强度，本文自动电焊机设计主要是电焊机传动部分与送丝机构的设计，要求电焊机能实现良好的传动效果，具有很好的稳定性，同时在原有送丝机构中进行很好的完善，可以使送丝更加平稳，不会出现打滑现象。 具体设计内容如下： 1. 通过阅读文献及参考资料，了解电焊机的原理及自动送料工作原理，分析其结构和组成。 2. 方案设计，根据查阅的资料提出设计方案，并说明方案的可行性。 33. 根据设计方案进行必要的计算，对电焊机机械结构及自动送料装置进行设计。 4. 完成设计总图 1 张，零、部件图 2 张。 5. 编写设计说明书一份。 4第 2 章 总体方案设计 动电焊机总体设计 设计的自动电焊机能够实现两向运动，分别为 X 向与 Z 向，自动电焊机使用滑动丝杠传动，通过电机带动丝杠左右运动。 Z 向丝杠在 X 向丝杠上面，竖直放立，也由电动机带动丝杠进行上下运动。 X 向丝杠通过平台与 Z 向丝杠连接实现两向运动。 Z 向丝杠平台上与焊枪连接，平面上有送丝机构，将焊丝送往焊枪嘴部。其中 X 向丝杠行程 360Z 向丝杠行程 320台厚度为40 710 660丝机构放置于平台后半段，方便送丝。 图 2体设计方案 动电焊机自动送丝机构方案设计 送丝机构是通过电机驱动将焊丝从丝盘运送到送丝嘴焊枪的位置，用电动带动主动轮旋转，为送丝提供动力，利用从动轮将焊丝压入主动轮的送丝槽中，增大主动轮与焊丝之间的摩擦力，将焊丝平稳送出，通过送丝软管将焊丝送到送丝嘴，之后用于焊接。其中送丝轮主动中国设为 v 型槽，便于放焊丝，防止焊丝滑动，如下图： 5 从动轮 主动轮 送丝软管 焊丝 图 2丝机构原理图 V 型槽 图 2动轮剖面图 6第 3 章 关键零部件的设计 杠和导轨选型 丝杠可以将回转运动转化为直线运动，或者将直线运动转化为回转运动，它是很常见的一种传动元件，其主要功能是将回转运动转化为线性运动，将扭矩转化成轴向反复作用力，它具有高精度高效率的特点。丝杠有滑动丝杠和滚珠丝杠，但是在自动电焊机的设计中要使电焊机在运动停止后，能使运动部件实现自锁，不能继续滑动，与滚珠丝杠相比，滑动丝杠能实现自锁，因此设计中采用的是滑动丝杠。 导轨主要是起到支承与引导运动部件在规定运动轨迹内运动的部件，形式有多种，大多采用的是滑动导轨，滚动导轨和静压导轨，这里选择导轨为滑动导轨，它结构简单，易于制造，刚性度好，抗震能力强，在各种机床中广泛应用。这里的运动是直线运动，导轨的截面形状主要有矩形，三角形，燕尾形和圆柱形，这里选择双圆柱形导轨，他制造简单，工艺性好，导向性好，但它磨损快，因此要提高导轨的精度，刚度及耐磨性。导轨采用淬火钢和氮化钢的镶钢长导轨，采用润滑油润滑，减少摩擦你，减少磨损，防止生锈，延长使用寿命。同时双圆柱形导轨与滑块相连导向性好。 动电焊机 z 向结构设计 Z 向传动采用滑动丝杆，使用梯形螺纹，大径 d=20距 p=4杆采用中等精度、经过调质处理的 45 钢，螺母采用铸铁。 (1)按耐磨性设计计算 采用整体式螺母 =里取 =算螺杆中径： (32= 式中： N） N. ） Pp 查表 3知，按国家标准选取参数 p=4mm,d=20=17.5 母 2高度： H （ 3-=22） 217螺纹旋和圈数： Z= （ 3 =纹工作高度： h= 3旋副摩擦因数 值（定期润滑条件下） 螺杆和螺母材料 值 淬火钢对青铜 对青铜 对耐磨铸铁 对灰铸铁 对钢 3动螺旋副材料的许用比压 p牙面滑行速度 螺杆速度 螺母材料 许用比压 低速 钢 钢 青铜 3 25 m/ 因此，满足条件。 Z 向滑动丝杠所有校核都满足强度要求 。 表 3数 螺杆端部结构 系数 c 一端固定，一端自由 端固定 端固定，一端铰支 端铰支 Z 向电机选择 丝杠所需功率 由工作阻力和摩擦系数计算确定。丝杠最大正压力为2000N；转速为 1500 2000r/杠直径为 20 丝杠功率： （ 3 =9550式中： ( 丝杠转速（ r/ 电机的计算扭矩 参考机械设计手册中常见材料摩擦副的动摩擦系数 在 间，取常用值 。 =)摩擦力计算 : (3=11式中 N） F=200N 则加载于电机上的扭矩最大为： (3Tf=fR=00=算轴承阻尼对电机的扭矩影响 ,由于 Z 向滑动丝杠为水竖直安装，轴向载荷为其主要载荷，径向载荷亦很大，因此选角接触系列轴承，参考机械设计手册得：角接触轴承的摩擦系数 在 间，由轴承摩擦力矩近似计算公式： (3=2=以电机计算转矩： (3=+=里取电动机转速为 2000r/ (2)电动机所需功率为： =9550= =0003)确定电机的额定功率 则取电机额定功率： （ 3 =据设定的滑动丝杠转速为 1500于联轴器不具有调速作用，故选取转速大于等于 2000r/可调速电机。 参照电动机输出功率，电机转速，结构形式，性能标准，选取 三相异步电机。它具有设计新颖、结构紧凑、维修方便的特点，采用 F 级绝缘，安全可靠，有良好的启动、运行性能，整体性能指标高、体积小、噪音低。 12表 3机参数 型号 输出功率（ w） 电压（ v） 转速（ r/ 电流（ A） 效率（ %） 00 380 2800 5 (4)轴承选择与轴承座设计 由于电焊机采用滑动丝杠传动，径向载荷与轴向载荷同时存在，用角接触轴承，它双向能承受很大的力，经计算采用角接触轴承，在传动中要是轴承与轴承座紧密结合，因此采用自己设计轴承座。这里设计的轴承座是整体式的。 (5)联轴器的选择 在电机启动时和工作中可能会出现过载现象，所以按滑动丝杠上最大转矩为联轴器的计算转矩 计算式如下 : 3 式中： 表 3 轴器的使用工况系数 工作机 原动机 工作情况及举例 电动汽轮机 双杠内燃机 单杠内燃机 四缸及以上 内燃机 转矩变化很小 矩变化很大 称转矩： T=106106算转矩： = =虑到纵向电机为竖放，不宜过高，根据设计要求，因此选择连轴器型为销柱联轴器。 向丝杠传动设计 杠设计 X 向传动也采用滑动丝杠，使用梯形螺纹，大径 d=32距 p=6杆材料采用中等精度、经热处理调质处理的 45 钢。 (1)按耐磨性设计计算 轴向派生力： F= 式中： 轴所受径向力（ N） F=2732N 采用整体式螺母 =里取 =算螺杆中径： 2= 1=中 F轴向载荷（ N） 许用压力（ N. ） 查表 3知按国家标准选取参数 P=6d=32=29母2 H=4=纹旋合圈数： Z= =2(2)自锁性验算 导程角： = 2=式中 当量摩擦角： = 式中 摩擦因数（查表 3 1） 螺纹牙型角（ ） 14因为导程角 ，所以满足自锁要求。 小于 当量摩擦角 (3)螺杆许用应力计算 由于螺杆材料 45 钢，采用梯形螺纹单线 n=1，由表 3此满足载荷条件。 向电动机选择 丝杆所需功率由工作阻力和摩擦系数计算确定。丝杆最大正压力为4000N；转速为 1500 2000r/杆最大直径为 20 (1)丝杆功率： =9550式中 电机的计算转矩（ 参考机械设计手册中常见材料摩擦副在 间，取常用值 =2)摩擦力计算公式： =式中 :N） =000 = =400N 则加载于电机上的扭矩最大值为： Tf=f =此可以估算轴承阻尼对电机的扭矩的影响，由于 X 向滑动丝杠为水平安装，轴向载荷与径向载荷同时存在，选用角接触球轴承，参考机械设计手17册得，角接触轴承的摩擦系数在 间。由轴承摩擦力矩近似计算公式： =2=000= f+000r/ 电动机所需功率为： (3)确定电机的额定功率 取电机额定功率： =根据设定的滑动丝杆转速为 1500 2000r/于联轴器不具有调速作用，故选取转速大于等于 2000r/可调速电机。 根据电机输出功率，电机转速，结构形式，性能指标，选取 三相异步电机。雅的外形新颖，整体结构紧凑，维修方便的特点，采用 F 级绝缘，安全可靠，有良好的启动 /运行性能，性能指标高 /体积小噪音低。参数如下： 表 3机参数 型号 输出功（ w） 电压（ v） 转速（ r/ 电流（ A） 效率（ %） 700 380 2800 5 轴器的选择 因为启动时和工作中可能会出现过载现象，所以按轴上的最大转矩为联轴器的计算转矩 算式如下： 18(3 T= = N =132 = = N 焊机自动送丝机构设计 动送丝机结构从动轮设计 送丝结构从动轮主要是依靠自身的重量来给焊丝一个压力，使焊丝压紧在主动轮上，设计中从动轮材料是 45 钢，直径为 60度为 2045 钢密度为 ，计算的质量为 上轮的重量，为 g。焊丝与2轮之间的摩擦因数 此摩擦力约为 动轮设计中直接使轴和轮作为一个整体。 动送丝机构主动轮设计 送丝机构主动轮是与电机相连的，通过电动机带动主动轮为焊丝提供动力，带动焊丝前进。主动轮的送丝力是依靠与从动轮、焊丝之间的摩擦产生的摩擦力，来实现焊丝的运送，要想使焊丝运动更平稳就要使焊丝在主动轮上被压紧，但力不能太大，不然会压坏焊丝，使它在焊丝管内的阻力变大。 主动轮也采用 45 钢，直径 100 20了使送丝力有所增加，在主动轮上开一个 V 型槽，可以固定焊丝位置，保证焊丝不会滑动，向一个方向运动，如图： 图 3动轮设计截面图 丝电动机选择 电动机带动主动轮实现焊丝的运输，设定送丝速度 v s，通过角速度可得到电机转速： (3=30=30=扭矩： T=F R =F V (3=3 =过选择，送丝机构电动机选择的是直流电机，为 J 列直流减速电机，数据如下表 : 表 3减速电动机 输出转速(r/输出转矩(N/m) 型号 额定功率 (w) 额定转速(r/减速比 47 59 3000 64 动轮轴的设计 (1)轴尺寸的确定 根据计算轴的最小直径，考虑到安装键，设计最小直径为 20小轴部分要与电动机相连，然后两端用滚动轴承支撑 , 设计为直径 25间是通过键与主动轮相连，设计直径为 40端直径与右边设计一样。 最右段是轴的最小部分，外部要与电机相联，还要与轴承配合，设计长度53承选择深沟球轴承，可承受轴向与径向载荷，尺寸 dDb305513度为 37间安装轮子长度为 20左安装另一个轴承，宽度为 37左端使用深沟球轴承支撑，宽度为 16长为164图： 20图 3的设计 (2)轴的校核 轴材料是 45 钢，扭转强度 = = =. ,远远小于轴的许用 扭剪应力，所以按弯扭合成强度计算。第三强度理论，计算应力： (3=2+42考虑到弯曲应力为对称循环变应力，引入折合系数 ，公式为： (3=2+4(t)2弯曲应力 : = (3 = (3 w=6400； 12800 d2 (3=()2+4(1式中： 计算得 : = 48016002+4( =140以弯曲应力满足要求。 121(3)按疲劳强度校核 危险截面安全系数 s 的校核公式： S= s (3SSS2+S2式中： SS(3S=1+(3S=1+式中： 材料弯曲疲劳强度 (表 31材料扭转疲劳极限 (表 31、 弯曲和扭转时的尺寸影响系数 、 、 表 3的常用材料及主要力学性能 材料 直径 抗拉强度极限 屈服疲劳极限 弯曲疲劳极限 剪切疲劳极限 许用曲应力 S,所以满足要求。 的选择与校核 轴的直径为 20连接轴与送丝轮，使轴的转矩传给送丝轮，根据情况，键主要是两个侧面受到力，主要失效形式是工作面被压溃，平键对中性好，因此选择 A 型普通平键。材料为 45 钢，选择键尺寸 b h L=8 168挤压强度： = (321000 22计算得 = =110以满足强度要求。 承的选择 轴既有轴向力，又有径向力，选择轴承能承受的轴向力和径向力，要考虑到轴承必须耐用，摩擦小，所以选择深沟球轴承，尺寸大小如下表： 表 3接触轴承尺寸 轴承代号 d/(a(0040 42 10 37 25 与电机连接 传动轴的直径为 20计中直接在传动轴内部打孔，加工出键槽来，与电机轴直接连接。键采用 8 8 键，键强度满足要求，电机使用 16直流减速电机。 动送丝机构图 自动送丝机构是自动电焊机关键的一部分，它有电动机、主动轮、从动轮、轴主要零件，键、轴承、端盖等相关零件组成。装配关系如下图： 图 3动送丝机构装配图 23第 4 章 自动电焊机整体装配图 动电焊机主视图 下图是自动电焊机主视图，图中水平方向，电动机与联轴器相连，联轴器与丝杆相连，两端使用角接触轴承与轴承座配合，再通过螺栓与底座相连。竖直方向，滑动螺母与滑块通过螺栓连接，再与平台相连。平台上安装两导轨与滑动丝杠，竖直滑块也是通过螺栓与丝杠螺母相连，实现竖直上下运动。上面是采用销柱联轴器将电机与丝杠连接在一起。 图 4动电焊机主视图 动电焊机左视图 下图是自动电焊机左视图，图中竖直方向滑块上连接的是焊枪，他有两个孔，用于安放焊丝与送气管。右边是自动送丝机构，电机连接主动轮轴，轴通过键与主动轮相连接，两端用深沟球轴承支撑与底座相连。主动轮上开有 V 型槽，槽中安放焊丝，上面是从动轮，压紧焊丝 。 图 4动电焊机左视图 动电焊机俯视图 图 4动电焊机俯视图 26结 论 本文是以自动电焊机为设计目标，通过对各个零部件进行科学选型，认真校核，考虑装配关系，使自动电焊机能够实现两向移动，并且在焊接过程中实现自动选择。具体完成的有： (1)自动电焊机总体装配设计； (2)自动电焊机传动部件丝杠的选型计算； (3)自动电焊机电机的选择； (4)自动电焊机自动送丝机构设计及其它部件的选型计算。 通过了这么多零件的装配组合，我将各个部件的装配关系调整好后，完成了要求的大图制作，