0.1t普通座式焊接变位机设计-机械毕业论文【答辩优秀】

西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文） 0.1t 普通座式焊接变位机 年 级 :2002 级 学 号 :20023237 姓 名 :贺有旭 专 业 :材料加工工程 指导老师 :周友龙 2006 年 6 月 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 I 页 院 系 材料科学与工程学院 专 业 材料加工工程 年 级 2002 级 姓 名 贺 有 旭 题 目 0.1t 普通座式焊接变位机 指导教师 评 语 指导教师 (签章 ) 评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章 ) 成 绩 答辩委员会主任 (签章 ) 年 月 日 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 II 页 毕业设计（论文）任务书 班 级 材料 02 5 班 学生姓名 贺 有 旭 学 号 20023237 发题日期： 2006 年 3 月 10 日 完成日期： 6 月 15 日 题 目 0.1t 普通座式焊接变位机 1、本论文的目的、意义 焊接变位机是将工件回转、倾斜，以便使工件上的焊缝至于水平和船形位置的机械装置，主要用于机架、机座、机壳等非长形工件的焊接。 座式焊接变位机是应用最广的一种焊接变位机，载重量一般为 1 50 吨，本设计主要进行 0.1t 的普通座式焊接变位机的设计，该装备是以电动机 减速机驱动工作台回转并倾斜的焊接变位机械，是适应相关工件焊接需要而出现的焊接设备。 2、学生应完成的任务： （ 1） 设计图纸 A0 当量大于 3 张； （ 2） 设计说明书一份； （ 3） 英文翻译一份； （ 4） 设计日志一份 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 III 页 3、论文各部分内容及时间分配：（共 15 周） 第一部分 查阅文献及调研 (1 周 ) 第二部分 总体设计方案的比较论证及拟定 (2 周 ) 第三部分 传动机构的设计及计算校核、修改 (3 周 ) 第四部分 绘制设备机构及零部件图 (8 周 ) 第五部分 毕业论文的撰写 (2 周 ) 评阅及答辩 ( 周 ) 备 注 指导教师： 年 月 日 审 批 人： 年 月 日 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 IV 页 摘 要 焊接变位机是一种焊接辅助设备，它与焊接操作机、焊接滚轮架并称为焊接辅助设备中三大机。焊接变位机是应焊接行业的机械化、自动化发展需要而产生的。 焊接变位机 作 为一种焊接配套设备，用于管子横向对接焊接，管子与法兰内外环缝焊接，管子对管子全位置焊接。 焊接变位 机可水平翻转角度，通过工作台的 回 转及翻转运动使工件 上 焊缝 处 于最 理 想的位置进行焊接， 从而 大大提高 焊缝质量，减轻焊工劳动强度，尤其是适合焊接各种轴类 、 盘类 、 筒体等回转工件的理想设备。 本设计分析了解国内外焊接变位机的发展状况、以及焊接变位机在焊接机器人中的应用，设计了一种 0.1 吨小型座式焊接变位机。该变位机具有两个自由度，有两套独立的驱动和传动装置。可以方便实现工件的旋转和倾斜翻转，从而能使焊缝变化到平焊位置或“船形”位置。文中对驱动力的计算、机架的设计进行了说明，尤其是对传动装置的设计进行了重点说明。 本焊接变位机采用直流电机 减速机驱动工作台回转并倾斜，具有运动精度高、惯量小、制动性和稳定性好，可实 现无级调速，方便实现正反转等优点。批量生产可获得比较高的经济效益。 关键词 ： 焊接变位机； 变位自由度； 焊接辅机； 焊接自动化设备； 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 V 页 Abstract Welding 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 pipes landscape orientation welding, pipe and flanges 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 welders 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 small block 0.1 ton s of welding positioner is designed. The positioner has two freedoms of motions and two unattached formula driving device and gearing. It can easily achieve the gyration and the inclination of the workpiece, thereby changing welding seam to downhand position or “ship form” position. the count of driving power is calculated, the framework of the welding positioner is designed, especially the gearing. This welding positioner used DC motor and slowdown plane to drive the workbench to gyration or inclination. It has some advantages, such as a high-precision movement, inertia small, good braking and stability. It also can easily achieve stepless speed regulation, positive or negative turns. Because of its notables economic benefit, if it would been produced largely. Key words: welding positioner， freedom of deflection， welding auxiliary machine， welding automatic equipment. 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 VI 页 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 设计焊接变位机的意义 . 7 1.2 国内外焊接变位机发展简介 . 8 1.3 我国焊接辅助设备简介 . 9 1.3.1 我国焊接辅助设备的发展历程 . 9 1.3.2 焊接辅助设备的发展趋势 . 10 1.4 关于焊接机器人 . 11 1.4.1 国内焊接机器人技术的发 展 . 11 1.4.2 我国焊接机器人的应用状况 . 12 1.4.3 应用焊接机器人的意义 . 13 1.4.4 我国焊接机器人应用工程 . 13 1.4.5 焊接机器人的最新应用技术 . 14 1.5 关于焊接变位机的几个基本定义 . 15 1.5.1 焊接变位机的定义 . 15 1.5.2 主自由度及全功能焊接变位机 . 15 1.5.3 焊接变位机的变位自由度 . 16 1.5.4 变位机的第一主参数 - 额定负荷 . 16 1.6 焊接变位机的分类 . 17 1.6.1 焊件变位机的类型 . 18 1.6.2 焊机变位机械的类型 . 19 1.6.3 焊工变位机的类型 . 20 1.7 几种常见的焊件变位机的类型及特点 . 20 1.8 设计本焊接变位机的目的和意义 . 23 第 2 章 总体设计 . 23 2.1 本焊接变位机总体设计及适用范围 . 23 2.2 设计方案的确定 . 24 第 3 章 传动部分设计 . 27 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 VII 页 3.1 传动部分的总体设计要求 . 27 3.2 传动系统的分析和拟定 . 28 3.3 本焊接变位机传动系统的确 定 . 29 3.3.1 工作台回转系统 . 29 3.3.2 工作台倾斜系统 . 30 3.4 电动机的选择 . 31 3.4.1 电动机类型的选择 . 31 3.4.2 电动机功率的确定 . 34 3.4.3 电动机转速的验证 . 40 3.5 传动比的拟定及确定 . 41 3.5.1 总传动比的确定 . 41 3.5.2 各级传动装置传动比的分配 . 41 3.5.3.计算传动装置的运动和动力参数 . 43 3.6 蜗轮、蜗杆的选择及校核 . 45 3.6.1 蜗杆传动的特点 . 45 3.6.2 蜗杆头数和蜗轮齿数的选择 . 46 3.6.3 蜗杆传动的强度计算 . 47 3.7 齿轮的设计与校核 . 49 3.7.1 工作台倾 斜机构中的齿轮的设计与校核 . 49 3.8 谐波齿轮减速器的选择 . 51 3.9 轴的设计与校核 . 54 3.9.1 轴的结构设计原则 . 54 3.9.2 轴的初估 . 54 3.9.3 轴的强度校核 . 55 3.10 轴承的选择与校核 . 59 3.10.1 轴承的选择 . 59 3.10.2 轴承的校核 . 59 第 4 章 机架的设计 . 62 4.1 机架的设计 . 62 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 VIII 页 4.2 机架焊接结构设计 . 63 4.2.1 机架应用焊接结构存在的问题 . 63 4.2.2 焊 接结构的设计措施 . 64 结论 . 65 致 谢 . 66 参考文献 . 67 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 1 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 2 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 3 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 4 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 5 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 6 页 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 7 页 第一章 绪论 1.1 设计焊接变位机的意义 焊接技术自发明至今已有百余年的历史，工业生产中的一切重要产品，如航空、航天及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术。其焊接质量的好坏直接影响产品质量的好坏， 直接影响整机性能 。所以改进焊接技术，提高焊接质量对工业现代化起着重要的作用，其中 提高焊接机械化、自动化水平，实现焊接工艺及装备的现代化 是改进焊接质量的一个重要方面，一般来说焊件的质量比较重，靠人工改变焊缝位置很不容易，且效率十分低下。这样在焊接生产中，就会遇到焊接变位及选择合适的焊接位置 的情况，针对这一实际需要，人们就设计研制了焊接变位机， 选择合适的变位机能将被焊工件的各类焊缝转动到最佳位置 ,从而避免立焊、仰焊 ， 提高焊接质量及生产效率。 变位机可以使工件上的接缝处于理想的船形位置或平焊位置进行焊接，是提高焊接效率和质量，降低劳动强度的有效廉价工具。 另外 ,选择合适的变位机能降低工人的劳动强度及生产成本 ,加强安全文明生产 ,有利于现场管西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 8 页 理。 在我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把它划为焊接辅机，它与 焊接操作机、滚轮架 并称为焊接辅机中三大机。 近十年来，这一产品在我国 工程机械行业，有了较大的发展，获得了广泛的应用。就型式系列和品种规格而言，已问世的，约有十余个系列，百余品种规格，正在形成一个小行业。 1.2 国内外焊接变位机发展简介 一般说来，生产焊接操作机、滚轮架、焊接系统及其他焊接设备的厂家，大都生产焊接变位机，生产焊接机器人的厂家，大都生产机器人配套的焊接变位机。但是，以焊接变位机为主导产品的企业，非常少见。 德国 Severt 公司，美国 Aroson公司，我国天津鼎盛工程机械有限公司等， 算是 比较 典型的 生产 焊接变位机的 企业。德国的 CLOOS、奥地利 Igm、日本松下机器人 公司等，都生产 与机器人配套伺服控制的焊接变位机。 美国 Aroson 公司生产的焊接设备有焊接变位机、操作机、滚轮架等，可称世界之最。这个公司生产的焊接变位机，主要类型为倾翻 回转式、倾翻 回转升降式、双座双回转式，双座单回转式和双座单回转升降式。其承载能力范围为 11 kg 1810吨。 德国 LCOOS 公司是国际上生产焊接设备的大型公司之一。生产焊接机器人、焊机等产品。也生产作为焊接机器人外部轴的焊接变位机。在我国，除可见到与焊接机器人系统配套进口的 L 型双回转式、倾翻 -回转式和单回转式变位机外，还生产卧式单坐单 回转 WPV、立式单回转 RR502 以及各种多轴焊接机器人配套的变位机，如立式多工位 2卧式单回转 R-WPV 2 型（ 3轴）、立式多工位 2 C型双回转式 R- WPV2-CD（ 5 自由度）、立式多工位 2倾翻 -回转 GR-WPK 2（ 5 轴）、立式多工位 2倾翻 -回转单回移动转式 GR-WPK 2-CD（ 9 轴）等。 日本松下公司也是机器人制造公司。这个公司生产的机器人外部设备 焊接变位机有 12 个系列。他们把传动装置、机座、夹具体等作成了标准模块，集合而成产品系列。 80 年代初期我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、 滚轮架、变位机、翻转机和西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 9 页 回转平台等，成套性较差、自动化程度低，只能算作机械化的焊接设备。目前焊接变位机已系列化生产，最大承载能力达 100t，每年都有各种汽车、机车、工程机械部件焊接用大、中型单面回转和双面回转翻转机投运 。 现在我国生产焊接变位机的厂家已经不少，但大都不成规模。以变位机为主导产品发展起来的企业，尚未形成，企业应用焊接变位机也较少。 天津鼎盛 工程机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、长沙海普公司、威达自动化焊接设备公司等单位生产的变位机在国内占有较大市场。到 2000 年，国内已开发的变位机产品约 70 余品种规格。可见，国内焊接变位机的发展空间还很大，主要向精密化、大型化、功能多样化、智能化和集成化方向发展 1。 1.3 我国焊接辅助设备简介 1.3.1 我国焊接辅助设备的发展历程 焊接辅助设备与器具制造行业自设立以来在整个焊接行业中占有重要地位，并受到业内人士的高度重视。十五年来我国焊接辅助设备与器具制造行业在原有基础上有了较快的发展，焊接辅助设备品种已从传统的三大机焊接操作机、变位机、滚轮架扩大到各种焊接专用成套设备，机器人工作站配套设备、焊接生产线和柔性焊接生产系统等。从事焊接装备设计和生产 的企业规模不断扩大，技术水平、产品质量不断提高。 焊接辅助设备确切的名称应为焊接工艺装备。凡生产焊接结构的加工设备和装置均属于焊接工艺装备，其中包括备料设备，焊接装配工夹具，焊接变位机械、焊件后处理设备等。与焊接工序直接有关的焊接工艺装备主要有坡口加工设备，焊接装配工夹具、焊接变位机，焊接操作机、专用成套焊接设备，机器人工作站和焊接生产线等。 我国焊接工艺装备制造行业起步较晚，直到二十世纪 70 年代初才在上海、成都、长春等地陆续建成一批专门生产焊接工艺装备的制造厂。进入 80 年代，随着国内焊接工艺装备需用量的日 益增长，各地又相继成立了多家中小型焊接装备生产厂。近期又新建成或改建具有一定规模的焊接装备生产企业。迄今，我国已有 24家焊接装备生产企业，年产量 2000 万元以上的已有 10 多家。有些企业发展速度较快 ,并已具有较大的规模，某些焊接装备已实现批量生产。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 10 页 在焊接装备的品种、技术特性方面， 80 年代初期我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差、自动化程度低。 80 年代后期，由于大量引进了国外较先进的成套焊接装备，促进了国产焊接装备的技术进步，无论是装备的成套性、自动化程 度还是设备的精度和制造质量都有不同程度的提高。在焊接装备的驱动和控制系统中广泛采用了当代较先进的交流电机变频调速、直流电机的可控硅调速， PLC 可编程控制器、伺服电机及其驱动系统、微机和工业计算机控制等。焊接装备的自动化程度有了较大的提高。焊接操作机可按用户的需要配备焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。 1.3.2 焊接辅助设备的发展趋势 为适应世界焊接辅助设备行业的发展，提高我国焊接辅助设备的技术水平，焊接辅助设备将要向如下五个方向发展 2： 1精密化 精密化的内涵包括高精度、高质量和高可靠性。从设备外 观上看有些焊接装备几乎接近于精密金属切削机床，在精度要求上，以焊接机器人配套的焊接变位机为例，最高的重复定位精度为 0.05mm，机器人和精密操作机的行走机构定位精度为 0.1mm，移动速度的控制精度为 0.1。 2大型化 焊接装备的大型化是焊接结构向高参数、重型化和大型化发展的需要。如重型厚壁容器焊接中心的立柱横梁操作机的最大规格已达 12.5m 10m。龙门式操作机的规格为 8m 8m。大型造船厂使用的门架式钢板纵缝焊机最大行程为 12m。集装箱外壳整体组装焊接中心门架式操作机的工作行程达 16m。重型 H 型 钢和箱型梁生产线占地面积可达整个车间。 3多功能化 为充分发挥自动化焊接设备的效率，一台焊接装备可按工艺要求装备各种焊头，如单丝和多丝埋弧焊，单丝或双丝窄间隙埋弧焊头， MIG MAG 焊头和带极堆焊头等，与滚轮架，变位器或翻转机配套可以完成筒体内外纵环缝，封头拼接缝，内壁堆焊、大直径接管环缝焊接等。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 11 页 4数字化 焊接装备的数字化控制虽然比传统的金属切削加工复杂得多，但实施数字控制的意义则更为重要，不仅提高了效率而且确保了批量生产过程中稳定的焊接质量还改善了操作环境。目前在焊接装备控制系统中，采用 PLC 可编程 控制器已成为最普通的控制器件，为提高焊接装备自动控制的功能和精度已开始采用基于 PC 机的自动控制系统和直接数字控制系统，同时也为焊接装备的网络化控制和管控一体化提供了可能。 5智能化和集成化 焊接装备的智能化控制是焊接过程自动控制的高级形式，通过各种专用的计算机软件可按原始工件和焊接参数对焊接工艺参数进行优化选择。对于厚壁接头、智能化控制可根据实测接头的几何尺寸自动编制焊接程序和焊接工艺参数，以实现焊接过程的全自动化。 1.4 关于焊接机器人 1.4.1 国内焊接机器人技术的发展 我国开发工业机器人晚于美国 和日本，起于 20 世纪 70 年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到 80 年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家 “七五 ”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986 年将发展机器人列入国家 “863”高科技计划。在国家 “863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了 “发展高科技，实现产业化 ”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上， 863 主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家 “八五 ”和 “九五 ”中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 12 页 控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 1.4.2 我国焊接机器人的应用状况 我国焊接机器 人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在 70 年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。 “一汽 ”是我国最早引进焊接机器人的企业， 1984 起先后从KUKA 公司引进了 3 台点焊机器人，用于当时 “红旗牌 ”轿车的车身焊接和 “解放牌 ”车身顶盖的焊接。 1986 年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于 1988 年开发了机器人车身总焊线 。 80 年代末和 90 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立 合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说 90 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露 头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势 。 进入 21 世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加， 2002、 2003、 2004 年每年都有近千台的数量增长。 目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、 FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奥地利的 IGM 公司。国产机 器人主要是沈阳新松机器人公司产品。 目前在我国应用的工业机器人中，国产机器人的数量不足 100 台，特别是近两年新安装的机器人焊接系统中已经看不到中国机器人的身影，虽然我国已经具有西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 13 页 自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模 2。 1.4.3 应用焊接机器人的意义 焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的 40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业 “裁缝 ”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品 质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义： (1) 稳定和提高焊接质量 ,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小 ,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。 (2) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬 运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 (3) 提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可 24 小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 (4) 产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 (5) 可缩短产品改型换代的周期 ， 减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。 1.4.4 我国焊接机器人应用工程 焊接机器 人应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越的特性，取决于人们对上述技术的融合程度。经过近 10 年的努力，我国在机器人焊装夹具设计方面积累了较丰富的经验，机器人周边设备实现了标准化，具有年产 300 余套焊接机器人工作站的能力。西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 14 页 可以说国内的系统集成商在机器人工作站及简单的焊装线的设计开发方面具有了与国外系统集成商抗衡的能力，近几年为国内汽车零部件等企业提供了大量的机器人焊接系统。但是另外一个严重的事实是，我们还不具备制造高水平的机器人成套焊装线的能力。国内几 大汽车厂的车身焊装线都是由国外机器人系统集成商设计制造的。 作为焊接机器人的最大用户，预计未来的 10 年我国汽车年产量要达到千万辆，现在的焊接装备远远满足不了生产需求，对焊接装备的需求量将大幅增加，焊装生产线要求更加自动化和柔性化，以适应多品种、小批量的生产要求，机器人将大量应用于焊接生产线中。 1.4.5 焊接机器人的最新应用技术 (1) TCP(tool center point 工具中心点 )自动校零技术 TCP 自动校零是用在机器人焊接中的一项新技术，它的硬件设施是由一梯形固定支座和一组 激光传感器组成。当焊枪以不同姿态经过 TCP 支座时，激光传感器都将记录下的数据传递到 CPU 与最初设定值进行比较与计算。当 TCP 发生偏离时，机器人会自动运行校零程序，自动对每根轴的角度进行调整，并在最少的时间内恢复 TCP 零位。 (2) 双丝焊接技术 近年来由于我国汽车、集装箱、机车车辆、工程机械等行业的高速发展，对高速焊和高熔敷效率焊接的需求越来越多。双丝焊是近年来发展起来的一种高速高效焊接方法，焊接薄板时可以显著提高焊接速度，达到 3 6m/min，焊接厚板时可以提高熔敷效率。除了高速高效外 ，双丝焊接还有其它的工艺特点：在熔敷效率增加时保持较低的热输入，热影响区小，焊接变形小，焊接气孔率低等。 由于焊接速度非常高，特别适合采用机器人焊接，因此可以说机器人的应用也推动了这一先进焊接技术的发展。 (3) 激光 /电弧复合焊接技术 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 15 页 激光 /电弧复合焊接技术是激光焊接与气体保护焊的联合，两种焊接热源同时作用于一个焊接熔池。该技术的研究最早出现在上世纪 70 年代末，但由于激光器的昂贵价格，限制了其在工业中的应用。随着激光器和电弧焊设备性能的提高，以及激光器价格的不断降低，同时为了 满足生产的迫切需求，激光 /电弧复合焊接技术近年来成为焊接领域最重要的研究课题之一 2。 1.5 关于焊接变位机的几个基本定义 1.5.1 焊接变位机的定义 在我国，焊接变位机是一个年青的产品。由于制造业之间发展水平的差异，很多企业的焊接工位，还没有装备焊接变位机；同时，相关的研究也比较薄弱。迄今为止，没有专门著作去研究它的定义和分类。对它的称呼也就不可能规范化了。同一种设备，不同的企业和不同的人可能有不同的称呼。如：转胎、转台、翻转架、变位器、变位机等。为此，我们需要赋予它一个定义。我们称： 用来拖动待焊 工件，使其待焊焊缝运动至理想位置进行施焊作业的设备，称焊接变位机 。也就是说，把工件装夹在一个设备上，进行施焊作业。焊件待焊焊缝的初始位置，可能处于空间任一方位。通过回转变位运动后，使任一方位的待焊焊缝，变为船角焊、平焊或平角焊施焊作业。完成这个功能的设备称焊接变位机。它改变了可能需要立焊、仰焊等难以保证焊接质量的施焊操作。从而，保证了焊接质量，提高了焊接生产率和生产过程的安全性 1。 1.5.2 主自由度及全功能焊接变位机 可以肯定的讲，如果一台变位机拖动焊件，仅做直线运动，哪怕是三维的，也不可能改变焊缝 的姿态，满足施焊要求。也就是说，变位运动是回转运动， 称此回转运动为变位机的主自由度 。还可以做这样一个假设：在 X、 Y、 Z 直角坐标系下，设有一空间直线焊缝，绕 Z 轴可在 360范围内回转，且这个 Z 轴连同这一焊缝又可绕 X（或 Y）轴在 180范围内回转，那么，经此变位的焊缝，便可变到船角焊位置进行施焊作业。换言之，一个焊口由两个面的共线 MN 和夹角组成，在上西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 16 页 述两个回转范围内，经恰当的回转，便可使其共线 MN 与水平面平行，且这两个面与水平面的夹角相等，各为 /2，即变为船角焊位置。这个假设是说，任何复杂焊件，只要装 在主自由度为一个全回转和一个半回转的焊接变位机上，即可实现船焊要求。我们称这种双回转式焊接变位机为 全功能变位机 。 1.5.3 焊接变位机的变位自由度 涉及到用户对设备装备的理念，以及考虑用于手把焊和自动焊的不同用途，选择和设计焊接变位机时，除主变位自由度外，还要考虑增加辅助变位自由度。如大件焊接，可增加升降运动自由度，如上述美国、德国这种产品很多。 另外，某些焊件，由于焊缝分布简单，用一个回转自由度就可以解决焊件中大部分和重要焊缝的船焊要求，其余少量非重要焊缝，虽然，不能实施船角焊，但可以实施平角焊。这样， 为简化设备造价，工艺上便考虑采用单自由度或功能退化的焊接变位机，即单回转式变位机。根据使用要求，同样也可以增加辅助自由度。例如，升降式和尾架移动式等等。 还有一些工位变位机，为适用于焊接工位的工艺要求，这种焊接变位机的某些自由度，与施焊无关。还有从工位设计和稳定性考虑，两台或多台焊接变位机合并设计，这样就出现了多种工位变换和组合式多自由度焊接变位机产品。 1.5.4 变位机的第一主参数 - 额定负荷 本文把最能描述焊接变位机工作能力的参数，称 第一主参数。 焊接变位机不同于其他加工设备，它的基本负荷就是焊件的 “重量”。各国的焊接变位机，都是由此给定第一主参数的。 在国际上，第一主参数的量纲没有统一。对这一问题，需要做些讨论。在欧洲，如德国 Severt 公司、 CLOOS 公司，瑞典 ESAB 公司等，用重力单位 N 表示；美国Aroson 公司用英美制质量单位 Lbs（磅）表示；日本某些公司用国际质量单位 kg表示；我国的焊接变位机行业标准，采用了国际质量单位 kg，但鼎盛公司采用了重力单位 kN。如此可见，在我国乃至国际上，焊接变位机第一主参数的量纲还没有统一。其次，对这一主参数的称呼也不统一。最大负荷 kg、最大负荷 N（ Max load 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 17 页 N）、基本承载能力 Lbs（ Base load capacity in pounds）、承重能力 Lbs（ Weight capacity Lbs）、许用载荷 kg（许容荷载）、最大有效负荷（ Max. payload）等等。 从量纲发展的历史分析，用力和质量两种单位，各有个的道理。但是，无论是从行业管理的角度考虑，还是从科学计算的角度考虑，都应统一。量纲的确定，在于一个概念，如果衡量焊接变位机的能力，选择负荷单位，即第一主参数用重力表示，那么，他的量纲应该用 N、 kN。与此相关的回转技术参数力矩，应该用 Nm、kNm表示，这样，与国际单位制就统一了。这是本文推荐的办法。 焊接变位机是涉及人身安全的产品。对用户选择产品负荷等级，应该是明确的。诸如上述的最大负荷（ kg、 N）或许用载荷（ kg、 N），都不能说准确的表达了这个量。见公式（ 1-1）。 F = kd m g n （ 1-1） 式中： m 焊件质量； G 重力加速度，即 mg 为重力； kd 动荷系数； n 安全系数。 F 额定承载能力或额定负荷。 动荷系数 kd、安全系数 n，应在产品设计时确定。在样本或使用说明书中给用户提供选择方法。 1.6 焊接变位机的分类 在焊接生产中使用的各种变位机械可归纳为焊件变位机、焊机变位机和焊工变位机三大类，每一类又按其结构特点或作用分成若干种类，其中焊件变位机的应用比较广泛，分述如下 3： 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 18 页 1.6.1 焊件变位机的类型 （ 1）翻转机 能实现焊件的翻转或倾斜，其运动特点是工件绕水平轴旋转。如图 1 1 所示。 图 1 1 翻转变位机 4 （ 2）回转台 它能使工件绕垂直轴或倾斜轴旋转，主要用于回转体工件上环形缝的焊接、堆焊或切割。其转速一般要求连续可调。为了传动平稳，减轻主轴受力， 常在大型垂直轴式回转平台的被（下）面设支承滚轮；倾斜轴式回转台夹持大型圆柱（锥）体工件时，则在工件表外面设支承滚轮。如图 1 2 所示。 图 1 2 大回转台变位机 4 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 19 页 3）滚轮架 是用两排滚轮支承回转体状工件并使其绕自身轴线旋转的机械装置。回转体的旋转是由主动滚轮带动，靠它们之间的摩擦力而实现的。除可用于回转体工件的装配和焊接外，还可用于非回转体工件的焊接和装配，这时工件需夹持在支承环内，由滚轮架带动支承环而实现旋转。如图 1 3 所示。 图 1 3 焊接滚轮架 4 图 1 4 焊接变位器 4 1.6.2 焊机变位机械的类型 焊机变位机又称为焊接操作机，其主要功能是实现焊机或焊接机头的水平移动和垂直升降，使其达到施焊部位，多在大型焊件或无法实现焊件移动的自动化焊接的场合下使用。其适应性决定于它在空间的活动范围。按其结构特征焊机变位机械可归纳为平台式、悬臂式和门桥式三种类型。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 20 页 （ 1） 平台式焊机变位机 由平台、立架（柱）和台车组成。焊接机头在平台式上可作水平移动，平台沿立架能垂直升降，立架安在台车上，台车沿轨道行走。 （ 2） 悬臂式焊机变位机 悬臂和立柱是基本构成部分，若增加台车，则活动范围加大摇臂式焊机变位机的臂 长不变，能绕立柱旋转和沿立柱升降，机头可沿臂上的导轨作水平移动；伸臂式操作机的机臂通过滑座能在水平方向伸缩其长度，又能绕立柱轴旋转和垂直升降。 （ 3） 门桥式焊机变位机 它分为桥式和门式两种类型。桥式焊机变位机是由梁和两个起支承和行走作用的台车组成，焊机接头可沿梁作横向移动，台车沿轨道可作纵向移动。门式焊机变位机比桥式多一门架，焊接机头可在门梁上作横向移动，或者在另设的可沿门柱上下升降的横梁作横向移动。 1.6.3 焊工变位机的类型 焊工变位机按其动作可分为水平移动和升降两类，以升降者居多。两者都是将人工（焊工、检 验工等）和施焊（或探伤）用的器材送到施工部位的机械装置。它们主要在高大的焊接结构施工时用，生产既安全又快速。 1.7 几种常见的焊件变位机的类型及特点 （ 1） 双立柱单回转式变位机： 该种变位机适合装载机的后车架、压路机机架等工程机械长方形结构件的焊接，形式如图示 1 5 两种样式，其主要特点是立柱一端电机驱动工作装置沿一个回转方向运转，另一端随主动端从动。两侧立柱可设计成可升降式，以适应不同规格产品。这种型式变位机的缺点只能在一个圆周方向回转，选择时要注意焊缝形式是否适合。 （ 2） 型双座式头尾双回转型式 ： 与第一种变位机型式相比，即在图 1 5 第二种的基础上被焊结构件在另外一西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 21 页 个空间又增加一个旋转自由度。 如图 1 6 这种型式的变位机焊接空间大，工件可被旋转到需要的位置，设计先进，目前已在工程机械许多厂家成功使用。该变位机可根据各厂的工艺情况在装载机、挖掘机、压路机等结构件焊接时应用。 图 1 5 双立柱单回转式变位机 3 图 1 6 型双座式头尾双回转 机型 3 （ 3） 型双回转焊接变位机 ： 该种变位机如图 1 7 所示，其工作装置型，有两个方面的回转自由度，且两个方向都可以 任 意回转。此变位机与其它类型变位机相比，开敞性好，容易操作。型变位机已在装载机前车架焊接中成功的使用，而且使用效果很好，深受现场操作工的欢迎 。 （ 4） 型双回转焊接变位机 ： 如图示 1 8，型回转形式与型机相同，只是为了方便夹具体的设计，根据结构件的外形，变位机的工作装置稍作变动。该种型式焊接变位机，适合装载机的铲斗、挖掘机的挖斗等焊接 。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 22 页 图 1 7 型双回转焊接变位机 3 图 1 8 型双回转焊接变位机 3 (5) 座式通用变位机： 如图 1 9， 座式焊接变位机工作台有 一个整体翻转的自由度，可以将工作翻转至理想的焊接位置进行焊接。另外工作台还有一个旋转的自由度。该种变位机已被多个厂家系列化生产，其适合工程机械的小型焊接件 以 及一些管类、轴类、盘类等中小型复杂结构的焊接 在选择变位机时要根据工件的形状、焊缝的形式及工艺现状选取，否则，有可能不好用或不能用。 以上基本型产品发展了 17 个系列，主要为普通型，用于手把焊。此外，还有调速型、联控型（ PLC、微机控制）和机器人配套型产品。与焊接机器人配套用的变位机，开发了十余个品种。包括：工位变换变位机（不参与焊接），如，立式双工位、四工 位、八工位变位机，双座单回转式八工位和倾翻回转式双工位变位机等；与机器人配套焊接变位机（机器人外部轴），如，倾翻 -回转伺服传动式、双座单回转伺服传动式、多轴单回转伺服传动式等。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 23 页 图 1 9 座式通用变位机 3 1.8 设计本焊接变位机的目的和意义 本焊接变位机设计的目的主要是为了实现重量在 100kg 范围内的工件在焊接时的焊缝位置的变位和实现自动焊接盘状工件。在焊接生产中经常会遇到 焊接各种轴类 、 盘类 、 筒体等回转工件 ，如果是手工操作焊枪以实现工件的环焊缝焊接，有很多的不便，焊缝质量差，工人劳动强度也大， 本焊接变位机可以很好的克服这一问题。 本焊接变位机是一种小型焊接变位机，尤其是适应中小型焊件的变位，相比大吨位焊接变位机可以节约能源，提高效率，尤其是大批量生产时本焊接变位机价格便宜，易于实现广泛的使用。 第 2 章 总体设计 2.1 本焊接变位机总体设计及适用范围 焊接变位机设计的出发点是满足系统的功能 ,从变位机械在该生产线中的功能入手分析 ,它主要包括以下几个方面的功能： （ 1） 对焊件的停放； （ 2） 能适应不同尺寸形状的焊件的焊接； 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 24 页 （ 3） 能够将待焊点沿着一定的运动轨迹移动到最佳焊接位置。 因此根据焊接变位机使用要求以及市场需求，本焊接变位机的总体设计要求如下： （ 1） 本焊接变位机为两个自由度的焊件变位机； （ 2） 其最大负载为 100kg； （ 3） 工作台倾斜角度为 0 135，工作台倾斜角速度 V 倾 0.31r/min； （ 4） 工作台回转角度为 0 360，工作台回转角速度 V 回 0.53.15r/min； （ 5） 能适应不同尺寸形状的焊件； （ 6） 尽量采用标准件，便于加工制造。 本焊接变位机适用于小焊件的焊接，一般是那种手工不易搬动或者搬起来比较费力的焊件，对手工焊和自动焊都适用，主要是用来把焊缝变到易于施焊的位置，比如平焊 和“船型”焊接位置。 2.2 设计方案的确定 在对焊接变位结构机械设计时 ,其设计依据是焊接工件及焊缝的形状特征信息 ,在设计过程中还需综合考虑多方面的因素 ,如工件的焊接方法及其工艺规范等。 本焊接变位机由工作平台、回转机构、倾斜机构、机座、控制装置、焊接导电装置等部分组成。 （ 1） 工作平台 它用于工件的停放。由于焊接变位机一般情况下需配合夹具工作，完成工件的翻转及焊接。因此在工作台表面开沟槽，用于固定工件的夹具的移动及固定。同时工作台面表面经网格状处理后增大了摩擦，便于工件在变位时位置的固定。 （ 2） 工作 台回转机构 工作台回转机构，用于实现工作台面上被焊接件回转运动的实现。该部分主要是传动部分的设计。包括传递动力、改变运动方向、改变运动速度。 2 1 1 传动机构类型选择的一般原则 ： 小功率传动，宜选用结构简单、价格便宜、标准化程度高的传动机构，以降低制造成本。 大功率传动，应优先选用传动效率高的传动机构，如齿轮传动，以降低能西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 25 页 耗。 工作中可能出现过载的工作机，应选用具有过载保护作用的传动机构，如带传动。但在易 爆 、易燃场合，不能选用摩擦传动，以防止静电引起火灾。 载荷变化较大，换向 频繁 的工作机， 应选用具有缓冲吸振能力的传动机构，如带传动。 工作温度较高、潮湿、多粉尘、易爆、易燃场合，宜选用链、闭式齿轮或蜗杆传动。 要求两轴保持准确的传动比时，应选用齿轮或蜗杆传动 6。 由于各种传动的单级传动比均有相应的容许极限值，故对传动比很大或较大的机械需用二级或二级以上的多级传动。多级传动可 全由 啮合传动组成，或全由摩擦传动组成，也可用摩擦传动和啮合传动组成，还可由常规的普通传动和非常规的行星传动组成。 在多级传动中，各类传动机构的布置顺序不仅影响传动的平稳性和传动效率，而且对整个传动装置的结构尺寸 也有很大影响。因此，应根据各类传动机构的特点合理布置，使各类传动机构得以充分发挥其优点。 2 1 2 常用传动机构的一般布置原则是： 摩擦传动 (例如带传动 )的承载能力一般较低，在传递相同的扭矩时其结构尺寸大于啮合传功，故在多级传动中宜置于高速级，又因其工作平稳性好，故置于高速级还能起吸震缓冲作用。 啮合传动中的蜗杆传动多用于大传动比和中小功率场合，其承载能力一般较齿轮传 动低 ，为获得较小的结构尺寸，宜置于高速级。这时，虽然齿面相对滑动速度较高，却有利于建立流体润滑油膜， 能 为提高承载能力和效率带来好处。 考 虑到大尺寸、大模数的圆锥齿轮加工比较困难，故在多级传动中宜置于高速级，但这时圆周速度较大，需提高制造精度，导致成本提高。 斜齿传动的工作平稳性优于直齿传动，相对来说应置于高速级。 链传动具有固有的运转不均匀特性，冲击甚大，故宜置于低速级。 开式齿轮传动的工作环境一般甚差，润滑条件不良，故宜置于低速级。 改变运动形式的传动和机构 (如螺旋传动、连杆机构、凸轮机构 )，应西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 26 页 布置在多级传动中的最后一级。 对于 NGW(2K H)型和 N(K H V)型内啮合行星传动，因具有承裁能力高而结构尺寸小、效率高而传动比大 的特性，故在多级传动中可考虑置于低速级。 若机械中有制动装置，则其后不应采用摩擦传动。顺便指出，机械中的制动装置通常置于高速级 6。 此外，设计多级传动时，运动链越简短越好。运动链越简短，机构和零件的数量就越少，能量消耗也少，制造、装配、使用、维修和保养费用也低并利于提高整机的效率和运转精度。 因此根据以上设计准则以及设计要求，工作台回转机构由电机驱动，通过一级带轮传动，然后经过一个蜗杆减速器减速，最后一级蜗轮轴输出至工作台。传动路线为：直流电机 一级带轮传动 蜗杆减速器，从而实现工作台的回转。此机构的优点在于传动比大而结构尺寸较小，易于吸收振动，当传动部分被卡住时，不会烧坏电机，同时造价比较低。 （ 3） 工作台倾斜机构 同样根据设计准则以及设计要求，用电机驱动，通过大传动比减速器（谐波齿轮减速器），蜗轮蜗杆，以及齿轮的多级减速，以获得连续稳定的工作台倾斜速度。传动路线为：直流带减速电机 谐波减速器 齿轮传动，从而实现工作台的倾斜。 选用 蜗轮蜗杆减速装置除了利用蜗轮蜗杆减速装置的传动比大及结构尺寸小的特点外， 还 利用蜗轮蜗杆减速装置的自锁功能，同时采用齿轮辅助锁定，通过控制操作使回转机构能够准确平 稳 地停留在指定位置，安全可靠。 （ 4） 控制装置 由工作台回转控制系统和倾斜控制系统组成。 （ 5） 焊接导电装置 焊接时，强大的焊接电流通过工件和工作台回转轴，经导电装置 (位于回转轴中部的碳刷 )传至工作台，再由焊机机构返回到焊机负极，导电装置提供了一个畅通的电流回路，有效地防止了焊接电流直接通过齿轮副和轴承。既保证足够的焊接西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 27 页 电流，又 使上述回转机构免遭电流损坏。 第 3 章 传动部分设计 3.1 传动部分的总体设计要求 （ 1） 根据焊接速度需要，预设定： 工作台回转角速度 V回转 0.53.15r/min ； 工作台倾斜角速度 V倾斜 0.31r/min ； （ 2） 结构简单，重量轻，成本低； （ 3） 尽量采用标准件，便于加工制造。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 28 页 3.2 传动系统的分析和拟定 工作机需由原动机输入动力才能工作。一般来说，原动机与工作机直接相联的情况极为少见，通常是在二者之间设置一中间装置，此中间装置称为传动装置，简称传动；在机械中，传动装置的功用是根据工作机的工作要求实现某种减速、增速、变速或改变运动形式得功能。工程实践表明 ，传动装置常是机械中的重要组成部分，在整机的成本和重量中占有很大的比重，并在很大程度上决定整机的技术性能和运转费用。因此，正确设计传动装置对保证整机的技术性能和质量指标具有相当重要的意义。 大家知道，原动机有电动机、内燃机、汽轮机、燃气轮机等各种类型。迄今为止，工业中应用最广的原动机是电动机。根据工作原理的不同，传动分两大类：机械传动和电传动。在机械传动中，又分摩擦传动、啮合传动、液压传动和气压传动。 设计传动装置时，首先必需拟定传动方案 (或称传动系统、传动 简团 或运动链 )，即选定传动型式。所以，必须了解、掌 握、分析和比较各种有关传动的性能、特点和适应范围合理选定传动型式及其组成的传动 方式 以满足整机的运动、动力和其他要求。 选择传动型式时，应当考虑的主要指标是：功率；效率；运动性能；外形尺寸；重量；生产率和成本等。现分别简要阐述如下： （ 1） 功率 每种传动所能传递的功率大小与该传动的工作原理、承载能力、工作速度、效率、材料和制造精度等因素有关。一般来说，啮合传动传递的功率高于摩擦传动，但是啮合传动中的蜗杆传动则因齿面相对滑动速度较大，导致发热量大和效率较低而不宜传递较大的功率；同步齿形带传动则因材料 关系亦不能传递大的功率。 （ 2） 效率 效率是评定传动质量指标的一个重要参数。高的效率意味着节约动力和节约运行费用。效率低的传动一般不用于传递大的功率。通常啮合传动的效率高于摩擦传动，但普通圆柱蜗杆的传动效率可能低于摩擦传动。 （ 3） 速度 速度是传动装置的一个主要运动特性。提高传动的速度是机械的主要发展方向之一。影响速度的因素有动载荷和制造精度等。在常规传动中，除螺旋传动和链传西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 29 页 动外，啮合传动的容许速度一般高于摩擦传动。 （ 4） 传动比 传动比是传动装置的又一运动特性。每种传动因受外形尺寸或承载能力等因素的 限制，均有各自适用的最大传动比值。此外，还应考虑传动比值的精确性问题。对于要求精确传动比的机械，不能采用摩擦传动而应采用啮合传动。 （ 5） 外廓尺寸、重量及成本 传动装置的外廓尺寸和重量与传动零件材料的机械性能、容许传递速度、容许传递功率等密切有关。在上述条件确定情况下，单级传动的外廓尺寸和重量主要取决于传动型式。一般说来，啮合传动比摩擦传动轻巧，但成本较高。在啮合传动中，蜗杆传动和一些内啮合行星传动的尺寸和重量通常最小。 采用何种传动型式较为相宜，应根据具体情况进行具体分析，不仅考虑技术性能指标，同时考虑 经济成本，对提出的各种方案应在综合比较它们的技术经济指标后才可 作出 决策 5。 3.3 本焊接变位机传动系统的确定 3.3.1工作台回转系统 首先考虑到焊接速度的要求，工作台的回转速度比较小，因此需要的减速比比较大，为了尽量减少传动部分的体积，同时造价比较低，所以主要采用两级蜗杆减速器，同时在高速端采用一级带轮减速，既可以实现所需要的传动比，还可以吸收振动。用第二级蜗轮轴作为输出轴连接到工作台，从而实现工作台的低速回转。具体传动的简单示意图如图 4 1 所示。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 30 页 图 3 1 工作台回转系统 1 直流电机 2 小带轮 3 大带轮 4 第一级蜗杆轴 5 第一级蜗轮 6 第二级蜗杆轴 7 第二级蜗轮 8 工作台 3.3.2 工作台倾斜系统 由于工作台的倾斜速度比较小，因此减速比也是很大，采用三级减速。为了尽量减少传动部分的体积 ， 先采用直流减速电机减速。即电动机本身带有减速器， 然后由单级谐波齿轮减速器减速，最后再通过齿轮减速，输出至工作台，从而达到所需的工作台倾斜速度。由于结构的需要在一级齿轮减速中加入一个传递齿轮。具体传动示意简图如图 3 2 所示。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 31 页 图 3 2 工作台倾斜系统 1 直流减速电机 2 联轴器 3 谐波齿轮减速器 4 联轴器 5 底座 6 小齿轮 7 机架 8 传递齿轮 9 扇形齿轮 10 倾斜转动轴 3.4 电动机的选择 3.4.1 电动机类型的选择 电动机为系列化产品。需要根据工作机的工作情况和运动、动力参数，合理选择电动机的类型、结构形式、容量和转速。 根据本焊接变位机的功率较小，而且需要高精度自动化控制，所以选用直流伺服电机来作为动力源。博山直流伺服电机有如下优点： 控制 精度 高 体积小 ，重量轻 动作响应灵敏 承载能力大 调速范围宽，低速波动小 可以模块化设计 运行性能稳定等 所以在回转机构中选用博山 SZ 系列微型直流伺服电动机 ， SZ 系列微型直流伺服电动机广泛应用于自动控制等系统中用作执行元件，也可用作驱动元件。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 32 页 本系列电动机是我国自行设计的新系列产品，同老系列 S 系列产品相比，具有体积小、重量轻、力能指标高等特点，且产品系列化程度高，零部件通用化程度强。 按激磁方式本系列电动机分为他激（并激）、串激、复激三种。 按使用环境条件本系列电动机分为普通型和湿热带型两类。 本系列电机 与 WK、 SK 系列直流调速电源相匹配，可实现无级调速、张力控制、正反运行等功能。 型号说明： 使用条件： 海拔不超过 4000m； 允许温升：不超过 75K（海拔为 1000m时） ； 环境温度： -40C +55C 任意安装位置：对湿热带型电动机 空气相对湿度 95%（ 25C时）； 还允许在下列条件下工作 振动：振频 10 150Hz，加速度 2.5g； 有凝露； 冲击： 7g（峰值）；有霉菌。 博山 SZ系列微型直流伺服电动机 技术数据如表 3 1。 由于倾斜 机构中需要更加大的传动比，所以选用博山 J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流减速电动机 ， 分别由 SZ(ZYT)系列直流电动机与 PX型普精度行星减速器构成，且配带电源，可实无级调速。调整范围宽、体积小、重量轻、效率高、结构紧凑、输出转矩大，广泛使用于引进设备及国产机械。电源采用脉宽调制技术，具有先进的短路保护功能 ， 连续可调的直流稳压电源，使电动机转速实现无级变速等优点 。 表 3 1直流伺服电动机 技术数据 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 33 页 直流减速电机 型号说明： 总型号： 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 34 页 减速器型号 ： 博山 J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流减速电 动机 技术数据如表 3 2所示。 3.4.2 电动机功率的确定 电动机的功率选的合适与否，对电动机的工作和经济性都有很大的影响。 所选的电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率 7。 由 3 1式计算： (1 1 . 3 ) dPP额 定 （ 3 1） 式中 P 额定 电动机的额定功率（ kW）； Pd 机械要求电动机输出的功率（ kW）； 机械要求电动机的输出功率按 3 2式计算 wdPP （ 3 2） 式中 wP 机械所需输入的功率（ kW）； 电机至工作机之间传动装置的总效率。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 35 页 表 3 2直流减减速电动机 技术数据 工作机所需功率 Pw 由工作机的工作阻力 (F 或 T)和运动参数 (v 或 n)， 按式（ 3-3）和（ 3-4）进行计算。 当直线运动时， 1000wFvPw （ 3 3） 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 36 页 当回转运动时， 9550wTnPw （ 3 4） 式中 F 工作机阻力 (N)； v 工作机线速度 (m/s )； T 工作机阻力矩 (N m)； n 工作机转速 (r/min)； w 工作机效率，根据工作机的类型确定，本焊件变位机取 w 0.8。 1.本焊机传动装置总效率的确 定 电动机至工作机的传动装置总效率可按 3 5式计算： 1n 2 （ 3 5） 式中 1， 2， n 分别为传动装置中每一传动副 (如齿轮、蜗杆、带或链传动等 )、每一对轴承及每一个联轴器的效率，其概略值可由参考文献 5中， 表 5 35 选取。 得 联 0.98 齿 0.98 蜗 0.8 轴承 0.99 谐波 0.97 带 =0.96 2.计算总效率 a 时应注意的几个 问题： （ 1） 所取传动副效率中是否包括其支承轴承的效率，如已包括，则不再计人该对轴承的效率。轴承效率均指一对轴承而言。 （ 2） 同类型的几对传动副、轴承或联轴器，要分别计入各自的效率。 （ 3） 蜗杆传动啮合效率与蜗杆参数、材料等因素有关，设计时可先初估蜗杆头数其效率值，待蜗杆传动参数确定后再精确地计算效率，并校核传动功 （ 4） 资料推荐的效率一般有一个范围，可根据传动副、轴承和联轴器等的工作条件、精度等要求选取具体值。例如，工作条件差、精度低、润滑不良的齿轮传西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 37 页 动取小值，反之中间值。 综合考虑到以上提到的注 意问题和根据传动装置总效率的计算式得 7： （ 1） 工作台回转机构 传动装置总效率： 62 带 蜗 蜗轴 承 0. （ 3 6） （ 2） 工作台倾斜机构 传动装置总效率： 0 8 6 8 a 联 谐 波 联 齿 齿轴 承 . （ 3 7） 3. 工作机阻力矩驱动功率的确定 由焊接回转台驱动力矩的计算式，由参考文献 7可得如下公式计算工作阻力矩： 图 3 3 焊接变位机回转机构的受力状态 7 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 38 页 ,abG e G eFFll （ 3 8） 0 . 5 ( )f a a b bM f F d F d （ 3 9） fT G e M （ 3 10） ()9 5 5 0 9 5 5 0fG e MTnP （ 3 11） 式中 P 回转轴的驱动功率（ kW）； Mf 轴