毕业设计（论文）-管道外圆自动焊接机的结构设计

-5-摘要野外焊接环境十分恶劣，焊工劳动强度大，技术难度高，因此，工程上迫切需要实现管道的自动焊接，用以提高生产率、保证焊接质量、降低劳动强度和施工成本，而且自动焊接还能大幅度降低操作技术难度，解决焊工培养困难，流失严重等问题。本文是对管道建设野外作业的管道外圆自动焊接机进行结构设计以达到体积小、重量轻、加工成本低、运动精度高、操作简便并且满足各项性能指标的要求。本文首先，通过对管道外圆自动焊接机现状进行全方位调研，在此基础上提出了该自动焊接机方案；然后，设计并校核了各主要构成件的结构及强度；最后，通过AutoCAD制图软件绘制了机械手装配图、主要零件图并采用Pro/E软件进行三维设计及运动仿真。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图及Pro/E软件进行三维设计软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键字：管道，焊接，设计，仿真Abstractordertoachievesmallvolume,lightweight,lowprocessingcost,highprecisionofmovement,easyoperationandmeettherequirementsofvariousperformanceindicators.Firstofall,throughacomprehensivesurveyofthecurrentsituationoftheautomaticpipeweldingmachine,theschemeoftheautomaticweldingmachineisputforward.Then,thestructureandstrengthofthemaincomponentsaredesignedandchecked.Finally,theAutoCADdrawingsoftwareisusedtodrawthedrawingsofthemechanicalhandassembly,themainpartsandthePro/Esoftware.Three-dimensionaldesignandmotionsimulationarecarriedout.Throughthisdesign,wehaveconsolidatedtheprofessionalknowledgeoftheUniversity,suchasmechanicalprinciple,mechanicaldesign,materialmechanics,toleranceandinterchangeabilitytheory,mechanicaldrawing,andsoon.IthasmasteredthedesignmethodofmechanicalproductsandisabletouseAutoCADdrawingandPro/Esoftwaretocarryoutthree-dimensionaldesignsoftwareskillfully.Itisofgreatsignificance.Keywords:Orbitalweldingmachine;pipeline;constructiondesign;Manipulator目录24707摘要 I30250Abstract II19651第1章绪论 -1-202851.1课题背景及意义 -1-36331.2国内外的研究现状 -1-129581.2.1国内研究现状 -1-174521.2.2国外研究现状 -2-273771.3发展及应用 -2-72991.3.1发展历程 -2-116791.3.2国内外应用现状 -3-6421.3.3技术展望 -4-15905第2章总体结构方案设计 -5-91162.1设计要求 -5-52692.2基本参数及功能选定 -5-240972.3结构方案设计 -5-271442.3.1小车行走机构 -5-48312.3.2焊枪X、Y向调整机构 -6-246122.3.3焊丝送进机构 -6-226962.3.4焊接轨道 -7-263922.4总体方案确定及原理分析 -8-18693第3章主要构件设计及校核 -9-235413.1电动机的选择 -9-60603.2传动比计算 -10-273603.3齿轮传动的设计 -10-292923.3.1高速级圆柱齿轮设计 -10-234823.3.2低速级圆柱齿轮设计 -13-219333.4轴的设计 -17-259073.4.1尺寸与结构设计计算 -17-86263.4.2强度校核计算 -18-167483.5送丝机构设计 -19-24392第4章基于Pro/E的三维设计及仿真 -21-226634.1Pro/E三维设计软件概述 -21-221474.2三维设计 -22-145514.2.1小车行走机构 -22-288474.2.2总体装配模型 -23-45074.3运动仿真 -23-262874.4本章小结 -24-19545总结 -25-1879参考文献 -26-605致谢 -27-第1章绪论1.1课题背景及意义现代工业的飞速发展，不断对焊接技术提出更新更高层次的要求，而现代工业和科学技术取得的新成就又为焊接方式和焊接设备的发展提供了雄厚的技术基础。焊接设备和焊接工艺就是在科学技术和现代工业的推动下迅速发展起来的。而管道运输是油气运输中最主要的也是最经济、快捷、可靠的运输方式，也可用于输送水、天然气、原油、成品油等，具有输送量大、距离远、安全性高、成本低等优点，在各国油气运输业中发展迅速。据有关统计，国外一些发达国家油气运输业中管道运输方式的输油量约占油气运输总量的2/3之多，油气的管道运输对从原油、天然气的生产、精炼、储存及到用户的全过程起到了重要作用。目前管道施工已逐渐从手工焊接方式向全自动焊接方向发展。管道建设地区跨度大沿线施工环境恶劣，加之管道输送逐步向大口径、高压方向发展，这对管道环焊缝的焊接要求提出了更高的标准，管道环焊缝的焊接质量成为制约整个工程质量和建设周期的关键因素。野外焊接环境非常恶劣，焊工劳动强度大，技术难度高；因此，工程上迫切需要实现管道的自动化焊接要求，以提高生产率、降低劳动强度、保证焊接质量和施工成本。而且自动化焊接还能大幅度降低操作技术难度，解决焊工技术培养困难，人员流失严重等问题。本设计的目的是针对管道建设野外作业的管道外圆自动焊接机进行结构设计以达到重量轻、体积小、加工成本低、运动精度高、操作简便快捷并且满足各项性能指标的要求。1.2国内外的研究现状1.2.1国内研究现状近年来，工业管道在不同的部门如化工、石化和石油中均起到了重要性的作用。我国管道建设起始于20世纪70年代，管道焊接施工方式很长一段时间都只是停留在手工焊、半自动焊的水平上。这种焊接机没有自动搜寻焊缝位置的功能，这就需要操作者必须时刻观察焊接位置并调整焊枪角度。如果操纵者操作方法不正确就会导致焊缝缺陷，所以焊缝位置跟踪全自动焊接机就应运而生。虽然我国管道事业发展较快，但具有自主知识产权的管道外圆自动焊机还比较少。国内典型的管道自动焊接机在引进国外先进的自动焊接机经验的基础上，国内一些单位也成功地研制开发出适用长输管道环焊缝施工的外圆自动焊接机，其中以中国天然气集团公司工程技术研究院研制的石油管道特种施工机具研究所研制的PAW2000管道外圆自动焊机和APW-Ⅱ型外圆自动焊机为代表。APW-Ⅱ型外圆自动焊机采用以直流脉宽调速为基础，位移传感检测闭环控制为核心的硬件控制电路，在管道外圆自动焊接过程中，焊接参数如电压、电流、焊枪摆动速度、摆动幅度、焊速、两端停留时间等既可以预先设定又可以分别实时调节。焊机的这一特点，使之更加适用长输管线现场施工的复杂情况，在坡口存在错边、宽窄不一等工作情况下，通过实时调节，均可获得优良的焊接焊缝。PAW2000管道外圆自动焊机整套设备由焊接小车、手操作盒、计算机自动控制柜、环形可拆卸轨道、计算机和其他一些辅助配件组成。APW-Ⅱ型外圆自动焊机，主要用于中大口径管道外环填充焊道、焊缝热焊道、盖面焊道的焊接。每台焊接工程车均具有根焊、热焊、填充焊和盖面焊的功能。1.2.2国外研究现状管道焊接机广泛应用于各个工程领域当中，比如：油气工业、化工厂与热能工厂和核能。管道外圆自动焊接机，采用熔化极外圆焊接技术，最早出现于20世纪60年代末期。MIG金属焊丝惰性气体保护焊是美国制造业四十多种焊接中的一种，它是一种连接两个相同材料尤其是碳钢材料的方法。美国CRC公司率先研制成功了一种高效管道焊接系统，即CRC多头气保护管道自动焊系统，并于1972年将该项技术应用于管道施工获得成功。起初只是焊接小车带动焊枪行走，焊接参数（焊接电压、电流、焊接速度等）均为手动控制。目前，生产外圆自动焊接设备的除了美国CRC公司外，还有美国MAGNATECH公司、德国VIETZ公司、荷兰VERAWELD公司、法国SERIMERDASA公司、英国Noreast公司、意大利PWT公司等。CRC公司智能化的P-500、P-600型以及SERIMERDASA公司的双枪焊接系统在世界范围内具有很高的技术水平。法国SERIMERDASA公司生产的Satur2naxBug双焊头外焊机，采用了风冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和专用的脉冲焊接电源，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元分置，可进行在线编程，可完成根焊、窄间隙叠焊或宽间隙排焊。总体性能与CRC的P500和P600类似。其缺点是双焊头的摆动不能单独控制，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元体积偏大。到目前为止，CRC公司生产了P300，P400，P500和P6004个型号的管道外圆自动焊接机。其中P500和P600是双焊炬管道外圆自动外焊接机,它采用了水冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和带有熔滴过渡单元(CDT)的脉冲焊接电源，焊接参数可编程并储存在可方便更换的控制卡上，并根据焊接工艺以及焊接材质的变化要求，随时离线编程。P500和P600适用于窄间隙叠焊或宽间隙排焊，还可完成根焊。生产效率比单焊头自动外焊机提高40%～50%。缺点是焊枪采用强迫水冷却，给实际应用带来许多不便。其中，CRC公司生产的自动焊接机已焊接了长达50000km的管道。这些厂家的设备虽然外形各具特点，但在控制方面，不外乎是计算机控制焊接参数和人工调控焊接参数两种方法。1.3发展及应用1.3.1发展历程自1959年美国推出世界上第一台Ultimate型机器人以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增长，通常他们用在焊接、拾取搬运、变薄拉伸、喷涂、装配、检测和测量中，其中有半数为焊接机器人。在重工业的很多领域中，大直径管道环缝焊需要高劳动强度的手工焊，这对操作者来说需要有严格的技能要求和集中力。由于人们对焊接柔性和焊接产量的高需求和高要求，自动焊接机器人就为很多工业领域提高焊接速度尤其是提高焊接质量提供极大的可能。到目前为止，焊接机器人大致可分为三代：第一代是基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于操作简便，不需要环境模型，示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代是基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人；第三代是指装有多种传感器，接受作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应智能机器人。焊接机器人主要从事弧焊和点焊工作。弧焊机器人大多采用二氧化碳或二氧化碳与氩、氮混合气体保护焊。焊接机器人的结构型式，主要有多关节型、直角坐标型、极坐标型和圆柱坐标型四种。点焊机器人以直角坐标型较多；弧焊机器人以多关节型居多。弧焊机器人工作机构一般较点焊的复杂，通常具有五个以上的自由度。目前功能较完善的焊接机器人已具有七个自由度。我国目前研制的焊接机器人，一般均为五个自由度。国外为了提高工件（特别是大型工件）的焊接生产率，十分重视辅助设备的自动化水平，如配备自动更换喷嘴，供应焊丝，监视电弧和过程异常等功能的机构。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。1.3.2国内外应用现状最近20年来，现代焊接科学技术的发展十分显著。在世界范围内焊接是一种能产生数万亿美元效益的制造工业，广泛用于建筑、桥梁、汽车、航空航天、能源、造船和电子工业。而越来越多的商业性工业机器人广泛应用于制造业和装配任务，比如材料工艺、点/弧焊、零件装配、油漆喷涂、机械装卸以及太空和海底，从而促进了焊接业的飞速发展。近十年来，日、美、俄、英、法等国都投入了大量的人力、物力从事焊接机器人的开发工作，其中日本焊接机器人的进展速度尤为惊人。日本从1978年开始研制点焊机器人，1980年研制成功第一个弧焊机器人。1981年日本生产了1500个焊接机器人，产值达到了145亿日元，由日本工业机器人的第六位跃居为第二位。目前有10家工厂具有年产1000多个焊接机器人的能力。日本为发展和普及焊接机器人，于1982年成立了全国机器人焊接研究委员会。此外，许多日本大公司，如大阪变压器公司先后在大阪、东京、名古屋等地设立了焊接机器人培训学校。1984年丰田汽车公司已在其作业线上安排了1300个机器人。2000年庆应义塾大学M.Muramatsu等人研制了管内微型焊接机器人，可在90°的弯管内行走完成焊接操作。日本原子能研究中心和东芝公司联合研制出了内管道激光焊接与切割机。台湾国立大学研制了一种用于维修防护金属弧焊视觉传导移动焊接机器人。它装有CCD摄像头，能够检测出焊缝的位置，根据所测数据来指导焊接操作。目前世界上已有七十多种数万个焊接机器人在各种生产线上从事焊接操作。从数量和智能化的程度来看，日本的焊接机器人在世界上占明显优势，并已向美国和英国等国大量出口。预计在未来几年中，日本焊接机器人的产值将迅速增长。我国在20世纪70年代末开始研究焊接机器人，起步比较晚。经过20多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长足的进步，对国民经济的发展起到了积极的推动作用。据不完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40%，焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但是仅占亚洲新增数量的6%，远小于韩国所占的15%，更远小于日本所占的69%。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。1.3.3技术展望为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，发达国家都在加大力度，对机器人技术进行深入研究。从技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。目前焊接机器人正从第一代反复操作型机器人向第二代带有传感器的知觉判断机器人发展，也即由目前的固定式机器人逐渐向具有肌肉一样的调节器、具有感觉和识别机能的双足行走的活动式机器人发展。多传感器信息智能融和技术将广泛应用于焊接机器人上。早在1981年，美国的HILARE是第一个应用多传感器信息来创建世界模型的可移动机器人，它充分利用视觉、听觉、激光测距传感器所获得的信息，以确保其能稳定地工作在未知环境中。韩国的ParkJoong-Jo研制出来的智能传感器能同时处理6个自由度数据，与传统传感器只能测量一个自由度数据的功能相比，性能大为提高。韩国汉阳大学研制出了激光视觉传感器自由焊缝示教式自动焊接机器人。随着海洋石油和天然气工业的发展以及我国海洋工程向深海的挺进,发展水下干法焊接技术势在必行。挪威Sintef高压焊接中心研制了一套水下高压干法管道维修系统，可从事1000m水深的焊接，能焊补直径为8～42英寸的管道，采用全自动的轨道TIG焊机，目前已完成在334m水深的管道焊接。英国的OTTO系统主要由焊接舱和轨道TIG焊机组成，整个系统采用光纤传导和计算机进行监控，在135m水深进行试验，取得了较为满意的焊接质量，焊缝断裂强度达到550Mpa。焊缝跟踪系统焊接机器人发展迅速，越来越多地应用于去毛刺加工、胶合和焊接等。视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、虚拟现实技术、神经网络控制技术、嵌入式控制技术等是未来焊接机器人发展所要解决的一些关键技术。第2章总体结构方案设计2.1设计要求设计一管道外圆自动焊接机的结构进行设计，焊接机应满足的基本要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、重量轻、成本低，在预定使用期限内安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观等。2.2基本参数及功能选定本次设计的管道外圆自动焊机根据设计要求设定如下功能：①焊接小车:焊接小车带动焊枪自动行走，于其上可实现焊枪位置的上下、左右调整以及焊枪角度调整。②导向轨道:焊接小车依靠导向轨道实现自动行走。轨道装拆简便易行，安装时定位准确。③焊接机械手:焊接机械手夹持焊枪实现焊接。拆装方便，稳定性好。基于上述功能，选定基本参数如下：（1）焊接速度范围：200mm/min～2000mm/min；（2）焊枪X向调整量：0～100mm；（3）焊枪Y向调整量：0～100mm；（4）适用圆管直径：300～500mm；（5）送丝机构速度范围：5000～15000mm/min；2.3结构方案设计2.3.1小车行走机构（1）基本工作原理行走机构采用齿轮传动方式。由伺服电机驱动主齿轮旋转，再通过介轮与导轨上的齿啮合，导轨是固定于待焊管道的外径上，从而使行走小车沿管道外径滚动行走。为了确保行走小车在导轨上行走时，始终与导轨端面平行，将其滚轮接触面轴向尺寸设计为与导轨上接触面宽度尺寸相同，并为间隙配合方式。这样一旦导轨与待焊管道的坡口位置确定，行走小车也相对坡口位置固定。夹紧机构用以使行走小车与导轨动态连接布一起。如图1所示，夹紧机构上的压紧轴将压紧轮和滑块与车体连接，再通过螺母和定位套将高度尺寸固定，使之成为一个组件，用紧定螺钉通过挡板块顶住滑块，从而使滑块带动压紧轮做轴向运动，进而使它与导轨端面的内锥面始终处于压紧状态。图2-1夹紧机构示意图（2）车体小车有前、后两套滚轮在导轨上同时滚动，假设后面一套滚轮是与导轨紧密接触的，那么前面一套滚轮就有可能离开导轨滚动面(因为三点确定一个平面)，基于这点分析，安装前轮部分的车体设计为活动车体，如图2所示。当前轮确实没有与导轨滚动面接触时，可以调整前轮部分的活动车体，从而使前、后轮都接触良好，既保证齿轮间隙，又满足设计要求。图2-2行走机构示意（3）滚动组件为便于装配，小车行走机构的滚动组件采取图3所示的结构形式。这样在组装时，可首先将滚轮、滚轮轴、间隔套及一侧轴承装配成一个组件，将另一侧轴承饢在车体上，然后，对准轴承孔将其组件压入(注意：滚轮的最大直径不能超过轴承的外径)。采用这种装配方式，容易保证前、后轮的位置精度；避免对车体的轴承仓造成损坏(车体的材料选定为铝合金)；降低了劳动强度；简化了装配工艺。图2-3行走机构滚动组件示意2.3.2焊枪X、Y向调整机构考虑到调整量为X向调整量：0～100mm，Y向调整量：0～100mm；调整量较小，用滑轨加紧定螺栓的形式即可。2.3.3焊丝送进机构一般可分为两轮送进机构和四轮送进机构，由于受整体空间的限制，采用两轮送丝机构。陔机构主要南送丝电机、压紧机构、焊丝导向管等组成。其工作原理为：送丝电机驱动主送丝轮及其主齿轮旋转，通过主、从动卤轮啮合传到压紧轮上，焊丝经导向管从两轮之间通过，使进入焊枪的焊丝被修整得比较直，以便在焊接过程中不会出现卡丝现象。焊丝送进机构如图4所示。图2-4焊丝送进结构示意根据焊接工艺要求，一般送丝速度v=12．5m／min；初步选送丝电机输入转速n1=9390r／min；额定功率P=11kW；假定走丝轮直径D=20mm；则减速箱减速比i=n1／n2=n1／v／(πD)=9390r／min÷[12500mm／min÷(π×20mm)]≈47.2电机说明书上所配减速箱的减速比比较接近的规格只有1：33和1：53。若选用i=1：53的减速箱，则实际送丝速度v=n1／i／(πD)=9390r／min+[53÷(π×20mm)≈11132mm／min≈11．1m／min，满足使用要求。2.3.4焊接轨道轨道沿管子外圆周装卡在管口处，其作用为支承焊接小车、导向并利用齿轮传动原理使焊接小车运动。轨道装卡在管子上，是焊接小车行走和定位的专用机构。因此轨道的结构直接影响到焊接小车行走的平稳度和位置度，进而也就影响到焊接质量，轨道的结构应满足下列要求:(l)装拆方便，易于定位;(2)结构合理，重量较轻;(3)有一定的强度和硬度，耐磨，耐腐蚀。目前，国内外的轨道设计不外乎两种;刚性轨道和柔性轨道。刚性轨道是指轨道的本体刚度较大，不易变形。柔性轨道则是相对刚性轨道而言。刚性轨道定位准确，装卡时变形小，可以确保焊接小车行走平稳，焊接时焊枪径向调整较小，但重量较大，装拆不方便。而柔性轨道装拆方便，重量较轻，精度相对而言没有刚性轨道高。焊接小车与轨道的传动方式有齿轮传动、链传动、摩擦传动。一般链传动由于链的抖动而造成运动的平稳性不好;而摩擦传动不能保证定比传动，容易丢转。这两种传动均不能满足要求，所以以使用齿轮传动为宜。在具体结构设计时，可以将轨道上的齿加工成侧齿，这样相当于齿轮齿条传动，还可以将其加工成外齿，轨道就如同一个直径较大的固定齿轮。基于上述分析和实际工程需要，选择柔性轨道较为适宜，传动方式选择齿轮齿条(侧齿)传动。这样，轨道上的侧齿易于加工与安装，也与行走机构的方案选择相吻合。以上设计均是依据结构功能作出的。本研究设计的轨道采用分体式环形轨道，其结构形式如图2-5示。轨道是装卡在管子上供焊接小车行走和定位的专用机构，因此轨道的结构直接影响到焊接小车行走的平稳性和位置度，从而影响到焊接质量。为此轨道的基本要求是：装拆方便、易于定位；结构合理、质量轻；有一定的强度和硬度，耐磨、耐腐蚀。轨道通过对称的三个定位块支撑在待焊管径上，行走小车通过齿轮啮合使滚轮卡在导轨上，以保证焊圆管同心，又为了适应不同的管径。轨道由两个半环组成，其连接方式如图5所示。考虑到两个半环组对时定位必须准确，分别在结合面处距离两端面轴向距离26mm的圆周上制作有定位销，分别在距两端丽轴向距离14mm的圆周上用内六角螺钉连接。这样既易于加工，又保证装卡方便。图2-5轨道结构简图2.4总体方案确定及原理分析本管道外圆自动焊接机采用模块化设计，包括焊接小车和轨道两部分，其中焊接小车包括以下模块：行走机构、横向调整机构、高度调整机构、送丝机构。焊接小车通过夹紧机构安装在焊接轨道上，带动焊枪沿管壁外径作圆周运动，小车上的横向与高度调整机构用以实现焊枪的横向和上下移动。送丝装置可外挂在焊接小车上，并与焊接小车绝缘，这样可方便换丝，提高工作效率。其方案见图2-6图示：图2-6总体结构方案简图第3章主要构件设计及校核3.1电动机的选择在设计焊车时要求其与轨道的装拆较为便利，这样，焊车的质量自然就要求轻，如果考虑到一个焊工能够较为轻松地搬运焊车，则其本身质量以不超过l0kg为宜，加上考虑到焊丝盘的质量(中1.0mm的焊丝，每一盘质量为5kg)因此，焊车的总质量约在15kg左右。电机减速各行走齿轮图3-1行走机构示意图在前面己叙述过焊车的行走靠其行走齿轮与轨道上的齿圈啮合来实现，因此上整个行走机构最后的动力输出部件为齿轮。选定齿轮的模数为m=1.5mm(利用齿轮传动的强度理论，这一模数绝对满足使用要求)，在满足不发生根切的前提下可任意选定齿轮的齿数，这里选为Z=20，则齿轮的分度圆直径为:do=mz=30mm若最大的焊接速度为30m而S，那么行走齿轮的转速为n=60v/πd=19.1r/min。v——焊耐接速度(mm/s)假如焊接时，整个焊车的质量完全由行走齿轮带动，而且需克服摩擦阻力以及电缆的重力，那么行走齿轮的输出力矩为:k———安全系数取k=2d0———行走轮分度圆直径(mm)G一一一焊车质量(kg)g—重力加速度，9.8m/s²因此上行走齿轮的输出力矩为4.41N·m，转速为19.lr/min，行走齿轮与减速器的输出轴相联，则减速器的输出转速为19.lr/min，输出力矩为4.4lN·m。电机的输出轴与减速器相联。一般的交、直流电机的转速较高，中间需要配有较大降速比的减速器。交流步进电机一般体积较小，价格低，工作可靠，可做成全密封式，之所以在工业领域得以大量应用，还在于交流变频技术取得了长足的进步。直流电机控制简单，低速性能好，但结构复杂，体积较大，存在碳刷需要经常的维护。基于交流伺服电机的优点，在设计时选用了松下生产的交流伺服电机，通过查产品样本，符合要求的交流伺服电机功率为50W，额定转速为3000r/min，额定输出力矩为0.16N·m。3.2传动比计算由上述计算知，减速器的输出转速为19.lr/min，而电机转速为3000r/min。若选择减速器的传动比为i=100:1，那么减速器的输入转速为1900r/min，所以对电机需进行变频调速控制，使其工作转速在1000r/min一2000r/min之间。减速器的传动比为100:1，又要求其体积较小，可选择美国贝塞德公司生产的行星轮减速器。电机的输出力矩为0.16Nm，那么减速器的输出力矩为:η——减速器传动效率，选90%i——传动比M——电机的输出力矩，M电机=0.16N·mM=0.9×0.16×100=14.4N·m，远远大于4.41N·m。3.3齿轮传动的设计3.3.1高速级圆柱齿轮设计1、选精度等级、材料和齿数采用7级精度由表6.1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。选小齿轮齿数，大齿轮齿数，取2、按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩（3）小齿轮相对两支承非对称分布，选取齿宽系数（4）由表6.3查得材料的弹性影响系数（5）由图6.14按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限（6）由式6.11计算应力循环次数（7）由图6.16查得接触疲劳强度寿命系数（8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为1％，安全系数为S=1，由式10-12得（9）计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h模数齿高计算载荷系数K根据，7级精度，查得动载荷系数假设，由表查得由表5.2查得使用系数由表查得查得故载荷系数（10）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得（11）计算模数ｍ3、按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为（1）确定公式内的计算数值由图6.15查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限由图6.16查得弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为1％，安全系数为S=1.3，由式10-12得计算载荷系数（2）查取齿形系数由表6.4查得（3）查取应力校正系数由表6.4查得（4）计算大小齿轮的，并比较大齿轮的数据大（5）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数1.24mm，于是取标准值m＝1.5mm。并按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数取大齿轮齿数取4、几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿宽宽度取25mm3.3.2低速级圆柱齿轮设计1、选精度等级、材料和齿数采用7级精度由表6.1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。选小齿轮齿数，大齿轮齿数，取2、按齿面接触疲劳强度设计由设计计算公式进行试算，即确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩（3）小齿轮相对两支承非对称分布，选取齿宽系数（4）由表6.3查得材料的弹性影响系数（5）由图6.14按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限（6）由式6.11计算应力循环次数（7）由图6.16查得接触疲劳强度寿命系数（8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为1％，安全系数为S=1，由式10-12得（9）计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽b计算齿宽与齿高之比b/h模数齿高计算载荷系数K根据，7级精度，查得动载荷系数假设，由表查得由于载荷中等振动，由表5.2查得使用系数由表查得查得故载荷系数（10）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式可得（11）计算模数ｍ3、按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为（1）确定公式内的计算数值由图6.15查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限由图6.16查得弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为1％，安全系数为S=1.3，由式１０－１２得计算载荷系数（2）查取齿形系数由表6.4查得（3）查取应力校正系数由表6.4查得（4）计算大小齿轮的，并比较大齿轮的数据大（5）设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数1.53mm，圆整取标准值m＝1.5mm并按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数大齿轮齿数取4、几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（2）计算中心距（3）计算齿宽宽度取25mm3.4轴的设计3.4.1尺寸与结构设计计算（1）高速轴上的功率P1,转速n1和转矩T1，，（2）初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径。选取轴的材料45钢，调质处理。根据机械设计表11.3，取，于是得：（3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度该处开有键槽故轴径加大5％～10％，且这是安装大带轮的直径，取12mm。轴的结构设计：为了满足带轮的轴向定位，Ⅰ-Ⅱ轴段右端要有一轴肩，故取Ⅱ-Ⅲ段直径为dⅡ-Ⅲ=14mm。初步选定滚动轴承，因轴承受径向力和轴向力，根据dⅡ-Ⅲ=14mm，取用6202型深沟球轴承，其尺寸为d×D×T=15mm×28mm×10mm，则有dⅢ-Ⅳ=dⅤ-Ⅵ=15mm，LⅡ=10mm，轴承中间处用轴肩定位，这段取直径dⅣ-Ⅴ=17mm。右端轴承与齿轮之间应有一套同固定，Ⅴ-Ⅵ长应为：取套同长12mm，则LⅤ-Ⅵ=32mm。齿轮为齿轮轴此轴段长LⅥ-Ⅶ=40mm。取轴承端盖总宽为32mm，外端面与大带轮右端面间距离为10mm，故取LⅡ-Ⅲ=42mm。结合箱体结构，取LⅣ-Ⅴ=76mm。（4）轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位：联轴器与轴的周向定位均用平键联接。按dⅥ-Ⅶ=18mm查得平键截面b×h=8mm×7mm，键槽用铣刀加工，长56mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴配合为H6/n5。3.4.2强度校核计算（1）求作用在轴上的力已知高速级齿轮的分度圆直径为=，根据《机械设计》（轴的设计计算部分未作说明皆查此书）式(10-14)，则（2）求轴上的载荷（详细过程以轴2为例，其他轴类似不一一复述）首先根据轴的结构图作出轴的计算简图。在确定轴承支点位置时，从手册中查取a值。对于6206型深沟球轴承，由手册中查得a=16mm。因此，轴的支撑跨距为L1=172mm。根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图可以看出截面C是轴的危险截面。先计算出截面C处的MH、MV及M的值列于下表。载荷水平面H垂直面V支反力F，，C截面弯矩M总弯矩扭矩（3）按弯扭合成应力校核轴的强度根据式(15-5)及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力，取，轴的计算应力已选定轴的材料为45Cr，调质处理。由表15-1查得。因此，故安全。3.5送丝机构设计这里选择送丝机构安装在焊车上，随焊车一同相对于管口运动，送丝机构的平稳性直接影响焊接电弧的稳定。图3-2送丝机构示意图焊接电流电压的大小与焊丝直径有关，目前市场上常见的实心焊丝直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm。焊丝直径大，所需的焊接电压高，焊接电流相对较大，滴状过渡，熔滴过大，熔深大，不易控制。焊丝直径较小时，低电压，小电流，矩路过渡，电弧处于不断地起弧、燃弧、熄弧的循环中，焊接熔池同时也处于不断的熔化、扩展、凝固的交替循环中，因此，熔池不易流淌，且细丝有自身调节作用，有利于起弧和电弧的重复燃烧，焊接操作容易掌握，可实现全位置焊接。但若焊丝过细，则线能量较低，可能会出现局部未熔的现象。因此上，选用1.omm直径的焊丝较为适宜。选用φ1.0mm的焊丝，若焊接电流为220一230A时，则送丝速度约为8m/min。送丝轮直径若选为d=30mm(直径太小易磨损)，而丝速为V二sn口min，那么送丝轮的转速为焊丝在行进过程中，会受到来自于送丝管、导电嘴、送丝盘的摩擦阻力，一般情况下整个阻力之和约为ΣF=12N，考虑到还有其它不可遇见的因素，那么阻力矩M—阻力矩KK—安全系数，K=2ΣF—阻力和d一送丝轮直径这样可以计算出，送丝轮的转速为84.88r/min，转矩为0.36N·m，从控制的角度出发，同样选择松下50W，额定转速为3000r/mln，额定转矩0.16N·m的电机。因为减速器输出端与送丝轮相联，输入端与电机相联，那么若要使电机工作在恒转矩区，通过变频调速技术，电机的转速应达到1000r/min。因此上初定减速器的传动比为i=12.5:l这样传动比的减速机既要满足使用要求又要体积不大，只有自行设计，没有定型产品可选。选择二级齿轮传动，齿轮的模数选o.5mm(满足强度要求)这样设计出的减速器传动比12.5:1。就整个送丝机构而言，要求焊接时避免出现干扰，因此整个系统必须与焊接电源绝缘，这在进行机械结构设计时必须加以重视。第4章基于Pro/E的三维设计及仿真4.1Pro/E三维设计软件概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的软件名称，但在中国用户所使用的名称中，并存着多个说法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer软件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指软件的版本。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。（1）参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。但是无法在零件模块下隐藏实体特征。（2）基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。（3）单一数据库（全相关）Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。Pro/Engineer是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其他相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。Pro/Engineer还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上Pro/Engineer软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括ANSI，ISO，DIN或JIS标准），并且支持符合工业标准的绘图仪（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer功能如下：（1）特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）；（2）参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）；（3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计；（4）支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM的各种能用零件设计的程序化方法等）。（5）贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动）。其它辅助模块将进一步提高扩展Pro/ENGINEER的基本功能。4.2三维设计4.2.1小车行走机构小车行走机构的装配就是在所有零件都都用软件绘制出来后，将他们进行组装，装配一般从上到下从里到外，而装配也是通过零件与零件之间的约束完成的，一般运用频繁的约束条件有对齐、匹配、插入、相切，其他的约束有坐标系、线上点、曲面上的点、曲面上的边。在装配过程中，可以依据不同的零件和设计要求，来选择合适的装配约束类型，想要使一个零件处于完全约束状态，需要使用几个约束条件。有的时候你会发现“匹配”不了，那是因为你的尺寸不对，需要修改，然后装配，具体步骤如下：1．先将小车的车架画好，把车轮，轴安装好。2．将电机的行星齿轮，中间齿轮啮合和轨道上的测齿相啮合。3．将夹紧机构与轨道安装好，是联接小车和轨道的主要部件。．小车行走机构的三维造型，如图4-1所示。图4-1小车行走机构4.2.2总体装配模型本次设计的纸箱捆扎机捆扎部分的总体装配模型如下图示：图4-2总体装配模型4.3运动仿真在进行机械设计时，建立模型后设计者往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟的环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率降低成本有很大的作用。Pro/E中“机构”模块是专门用来进行运动仿真和动态分析的模块。PROE的运动仿真与动态分析功能集成在“机构”模块中，包括Mechanismdesign（机械设计）和Mechanismdynamics（机械动态）两个方面的分析功能。使用“机械设计”分析功能相当于进行机械运动仿真，使用“机械设计”分析功能来创建某种机构，定义特定运动副，创建能使其运动起来的伺服电动机，来实现机构的运动模拟。使用“机械动态”分析功能可在机构上定义重力，力和力矩，弹簧，阻尼等等特征。可以设置机构的材料，密度等特征，使其更加接近现实中的结构，到达真实的模拟现实的目的。本次仅做运动仿真，即采用Pro/E“机构”模块中机械设计功能进行，首先在装配时设置好约束类型（包括对齐、同轴、销连接、滑动连接等），接着定义运动副，然后在各运动副处定义伺服电机，最后进行运动模拟并生成运动仿真视频。4.4本章小结本章是进行三维设计及仿真，在三维设计时主要零部件是焊接小车和焊接轨道还有焊枪，焊接小车带动焊枪装夹在轨道上，在设计小车时考虑好，小车内的空间是否能满足要求，合理装配，电机，齿轮，还有轴。装配时设定出约束的类型，比如对齐、同轴、销连接、滑动连接等方面，接着设定运动副，然后在各运动副处设置伺服电机，指定好各个特征后，最终运动模拟后可以生成运动的仿真视频。结论本文通过对管道外圆自动焊接机的基本机理的研究，在设计过程中选择不同型号的零部件对管道焊接的性能有显著的影响。在分析的过程中得到了如下结果。1．焊接小车跟轨道的传动方式，因为链传动中会产生抖动，平稳性不好，摩擦传动中容易丢转，所以选择齿轮传动。送丝装置外挂在小车上和外挂在合适的环境中，其原理是方便换丝，减轻重量，还能使工作效率大大提升。2．在电动机的选型时，直流电机虽然控制简单，低速性能好，但结构比较复杂，体积比较大，所以选交流伺服电机，体积小，价格低。工作安全可靠。3．齿轮设计时要求高速级和低速级齿轮这两级传动比尽可能大，电机端的行星齿轮减速器就可以小，那小车的体积就会减小，焊接质量更好，通过轴的校核得出该轴是安全符合要求。在本文结束之际，总结自己所做的工作，受时间和研究水平所限，认为在以下及方面工作还应进一步深入研究：1．由于焊接小车的行走齿轮与齿圈啮合实际上等于焊接小车的行走齿轮固定不动，那么此时，当量齿圈的转动惯量应检验能否满足需求。2．在实际焊接过程中，送丝电机的输出力矩希望不起弧时，焊丝正面接触到管壁后能够正常弯卷而送丝机正常工作，应通过实验测得推力矩。

总结本文设计了管道外圆自动焊接机，整机采用模块化设计，包括焊接小车和运行轨道。焊接小车由行走驱动机构和送丝机构组成。轨道由两个半环组成，通过四周固定支座固定在被焊管上，以适应不同管径和不同形状的管道，其装拆方便。焊接小车与轨道采用齿轮传动形式，大大提高了焊接小车在轨道上运行的稳定性和精确性。毕业设计即将结束，在这一阶段的紧张学习中，使我的综合能力得到了很大的提高。在这一段的设计中，我几乎用上了大学四年所学的所有专业知识，同时，在阅读了大量的有关机器人方面的书籍之后，对该课题有了更进一步的认识。在该设计中，融入了我的很多新的构想，也就是在原有的基础上有了创新，这是值得欣慰的。当然，由于缺乏实践经验，该设计还有许多的不足之处，例如驱动程序等，这些工作都有待进一步的完善。参考文献[1]机械设计手册编委会．机械设计手册．北京：机械工业出版社，2004．[2]成大先．机械设计手册（机械传动）．北京：化学工业出版社，2004．[3]焦向东等.球罐外圆焊接机器人智能控制系统.焊接学报，2000,21(4):1~4．[4]朱进满．焊接机器人的应用[J]．现代制造，2005，12：42~47．[5]刘鸿文.材料力学[M].第六版.北京：高等教育出版社，2017：1-200.[6]成大先.机械设计图册（1-5卷）[M].北京:化学工业出版社，2016.[7]罗红专.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社，2016：1-260.[8]张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社,2012[9]黄继昌,徐巧鱼,张海贵等.实用机械机构图册[B][M].人民邮电出版社，2016[10]王政，焊接工装夹具及变位机械——性能设计选用，机械工业出版社，2001[11]王云鹏，焊接结构生产(焊接专业)，机械工业出版社，2007[12]邹增大，焊接材料、工艺及设备手册，化学工业出版社，2001[13]杜君文，机械制造技术装备及设计[M]，天津大学出版社，1998[14]曾志新，机械制造技术基础[M]，武汉理工大学出版社，2001[15]王伯平，互换性与测量技术基础[M]，机械工业出版社，2007[16]成大先，机械设计手册（第二卷）[M]，化学工业出版社，2003[17]成大先，机械设计手册（第三卷）[M]，化学工业出版社，2003[18]曾昭奇．管道全位置自动焊接机的研究[D]．哈尔滨工业大学，2008[19]濮良贵等．机械设计[M]．高等教育出版社，2015[20]孙桓等，陈作模，葛文杰．机械原理[M]．高等教育出版社，2014[21]TieWeiBu．DevelopmentofAutomobileDriveShaftAutomaticWeldingMachine[J]．AdvancedMaterialsResearch，2013，2592(779)：1098-1101[22]TransientfiniteelementanalysisofultrasonicweldingofPEEK，2006[23]TheAnalysisandSimulationofWeldingDeformationaboutSAF2205[24]ColeThompsonAssociates．“DirectoryofIntelligentBuildings”1999.[25]W.-SYoo，J.-D.Kim，S.-J.Na．AStudyonAMobilePlatform-manipulatorWeldingSystemforHorizontalFilletJoints[J]．Mechatronics，2001，11：853~868.致谢值此本文提交之际，首先要向我的指导老师表示由衷的感谢。本文的全部设计工作都是在老师的悉心指导和谆谆教诲下完成的。老师学识渊博、治学求实严谨、待人处事平和温雅，在整个课题研究和论文撰写的过程中给予了我极大的关怀帮助，支持和督导我的论文工作的完成。老师自信豁达的人生态度也使我受益匪浅，并将激励我在今后的工作、学习和生活中，时刻保持勤奋刻苦的工作态度和积极向上的生活信念。感谢答辩组委员会各位老师对我的指导和帮助，正因为老师们及时地纠正了我在设计过程中的一些错误，才使得我的论文工作能够按时顺利地完成。感谢所有关心、支持、帮助和鼓励过我的老师、同学、亲戚和朋友们。最后，感谢我的母校为我提供了一个勤于钻研、规格严格的学习氛围和团结友好的生活环境，这使我终生难忘。机械设计理论机械设计是一门通过设计新产品或者改进老产品来满足人类需求的应用技术科学。它涉及工程技术的各个领域，主要研究产品的尺寸、形状和详细结构的基本构思，还要研究产品在制造、销售和使用等方面的问题。进行各种机械设计工作的人员通常被称为设计人员或者机械设计工程师。机械设计是一项创造性的工作。设计工程师不仅在工作上要有创造性，还必须在机械制图、运动学、工程材料、材料力学和机械制造工艺学等方面具有深厚的基础知识。如前所诉，机械设计的目的是生产能够满足人类需求的产品。发明、发现和科技知识本身并不一定能给人类带来好处，只有当它们被应用在产品上才能产生效益。因而，应该认识到在一个特定的产品进行设计之前，必须先确定人们是否需要这种产品。应当把机械设计看成是机械设计人员运用创造性的才能进行产品设计、系统分析和制定产品的制造工艺学的一个良机。掌握工程基础知识要比熟记一些数据和公式更为重要。仅仅使用数据和公式是不足以在一个好的设计中做出所需的全部决定的。另一方面，应该认真精确的进行所有运算。例如，即使将一个小数点的位置放错，也会使正确的设计变成错误的。一个好的设计人员应该勇于提出新的想法，而且愿意承担一定的风险，当新的方法不适用时，就使用原来的方法。因此，设计人员必须要有耐心，因为所花费的时间和努力并不能保证带来成功。一个全新的设计，要求屏弃许多陈旧的，为人们所熟知的方法。由于许多人墨守成规，这样做并不是一件容易的事。一位机械设计师应该不断地探索改进现有的产品的方法，在此过程中应该认真选择原有的、经过验证的设计原理，将其与未经过验证的新观念结合起来。新设计本身会有许多缺陷和未能预料的问题发生，只有当这些缺陷和问题被解决之后，才能体现出新产品的优越性。因此，一个性能优越的产品诞生的同时，也伴随着较高的风险。应该强调的是，如果设计本身不要求采用全新的方法，就没有必要仅仅为了变革的目的而采用新方法。在设计的初始阶段，应该允许设计人员充分发挥创造性，不受各种约束。即使产生了许多不切实际的想法，也会在设计的早期，即绘制图纸之前被改正掉。只有这样，才不致于堵塞创新的思路。通常，要提出几套设计方案，然后加以比较。很有可能在最后选定的方案中，采用了某些未被接受的方案中的一些想法。心理学家经常谈论如何使人们适应他们所操作的机器。设计人员的基本职责是努力使机器来适应人们。这并不是一项容易的工作，因为实际上并不存在着一个对所有人来说都是最优的操作范围和操作过程。另一个重要问题，设计工程师必须能够同其他有关人员进行交流和磋商。在开始阶段，设计人员必须就初步设计同管理人员进行交流和磋商，并得到批准。这一般是通过口头讨论，草图和文字材料进行的。为了进行有效的交流，需要解决下列问题：（1）所设计的这个产品是否真正为人们所需要？（2）此产品与其他公司的现有同类产品相比有无竞争能力？（3）生产这种产品是否经济？（4）产品的维修是否方便？（5）产品有无销路？是否可以盈利？只有时间能对上述问题给出正确答案。但是，产品的设计、制造和销售只能在对上述问题的初步肯定答案的基础上进行。设计工程师还应该通过零件图和装配图，与制造部门一起对最终设计方案进行磋商。通常，在制造过程中会出现某个问题。可能会要求对某个零件尺寸或公差作一些更改，使零件的生产变得容易。但是，工程上的更改必须要经过设计人员批准，以保证不会损伤产品的功能。有时，在产品的装配时或者装箱外运前的试验中才发现设计中的某种缺陷。这些事例恰好说明了设计是一个动态过程。总是存在着更好的方法来完成设计工作，设计人员应该不断努力，寻找这些更好的方法。近些年来，工程材料的选择已经显得重要。此外，选择过程应该是一个对材料的连续不断的重新评价过程。新材料不断出现，而一些原有的材料的能够获得的数量可能会减少。环境污染、材料的回收利用、工人的健康及安全等方面经常会对材料选择附加新的限制条件。为了减轻重量或者节约能源，可能会要求使用不同的材料。来自国内和国际竞争、对产品维修保养方便性要求的提高和顾客的反馈等方面的压力，都会促使人们对材料进行重新评价。由于材料选用不当造成的产品责任诉讼，已经产生了深刻的影响。此外，材料与材料加工之间的相互依赖关系已经被人们认识得更清楚。因此，为了能在合理的成本和确保质量的前提下获得满意的结果，设计工程师的制造工程师都必须认真仔细地选择、确定和使用材料。制造任何产品的第一步工作都是设计。设计通常可以分为几个明确的阶段：（a）初步设计；（b）功能设计；（c）生产设计。在初步设计阶段，设计者着重考虑产品应该具有的功能。通常要设想和考虑几个方案，然后决定这种思想是否可行；如果可行，则应该对其中一个或几个方案作进一步的改进。在此阶段，关于材料选择唯一要考虑的问题是：是否有性能符合要求的材料可供选择；如果没有的话，是否有较大的把握在成本和时间都允许的限度内研制出一种新材料。在功能设计和工程设计阶段，要做出一个切实可行的设计。在这个阶段要绘制出相当完整的图纸，选择并确定各种零件的材料。通常要制造出样机或者实物模型，并对其进行试验，评价产品的功能、可靠性、外观和维修保养性等。虽然这种试验可能会表明，在产品进入到生产阶段之前，应该更换某些材料，但是，绝对不能将这一点作为不认真选择材料的借口。应该结合产品的功能，认真仔细地考虑产品的外观、成本和可靠性。一个很有成就的公司在制造所有的样机时，所选用的材料应该和其生产中使用的材料相同，并尽可能使用同样的制造技术。这样对公司是很有好处的。功能完备的样机如果不能根据预期的销售量经济地制造出来，或者是样机与正式生产的装置在质量和可靠性方面有很大不同，则这种样机就没有多大的价值。设计工程师最好能在这一阶段完全完成材料的分析、选择和确定工作，而不是将其留到生产设计阶段去做。因为，在生产设计阶段材料的更换是由其他人进行的，这些人对产品的所有功能的了解不如设计工程师。在生产设计阶段中，与材料有关的主要问题是应该把材料完全确定下来，使它们与现有的设备相适应，能够利用现有设备经济地进行加工，而且材料的数量能够比较容易保证供应。在制造过程中，不可避免地会出现对使用中的材料做一些更改的情况。经验表明，可采用某些便宜材料作为替代品。然而，在大多数情况下，在进行生产以后改换材料要比在开始生产前改换材料所花费的代价要高。在设计阶段做好材料选择工作，可以避免多数这样的情况。在生产制造开始后出现了可供使用的新材料是更换材料的最常见的原因。当然，这些新材料可能降低成本、改进产品的性能。但是，必须对新材料进行认真的评价，以确保其所有性能都满足要求。应当记住，新材料的性能和可靠性很少像现有材料那样为人们所了解。大部分的产品失效和产品责任事故案件是由于在选用新材料作为替代材料之前，没有真正了解它们的长期使用性能而引起的。产品的责任诉讼迫使设计人员和公司在选择材料时，采用最好的程序。在材料过程中，五个最常见的问题为：（a）不了解或者不会使用关于材料应用方面的最新最好的信息资料；(b)未能预见和考虑擦黑年品可能的合理用途（如有可能，设计人员还应进一步预测和考虑由于产品使用方法不当造成的后果。在近年来的许多产品责任诉讼案件中，由于错误地使用产品而受到伤害的原告控告生产厂家，并且赢得判决）；(c)所使用的材料的数据不全或是有些数据不确定，尤其是当其长期性能数据是如此的时候；(d)质量控制方法不适当和未经验证；(e)由一些完全不称职的人员选择材料。通过对上述五个问题的分析，可以得出这些问题是没有充分理由存在的结论。对这些问题的研究分析可以为避免这些问题的出现指明方向。尽管采用最好的材料选择方法也不能避免发生产品责任诉讼，设计人员和工业界按照适当的程序进行材料选择，可以大大减少诉讼的数量。从以上的讨论可以看出，选择材料的人们应该对材料的性质，特点和加工方法有一个全面而基本的了解。MachinedesigntheoryThemachinedesignisthroughdesignsthenewproductorimprovestheoldproducttomeetthehumanneedtheapplicationtechnicalscience.Itinvolvestheprojecttechnologyeachdomain,mainlystudiestheproductthesize,theshapeandthedetailedstructurebasicidea,butalsomuststudytheproductthepersonnelwhichinaspecttheandsoonmanufacture,saleandusequestion.Carriesoneachkindofmachinedesignworktobeusuallycalleddesignsthepersonnelormachinedesignengineer.Themachinedesignisacreativework.Projectengineernotonlymusthavethecreativityinthework,butalsomustinaspectandsoonmechanicaldrawing,kinematics,engineerigmaterial,materialsmechanicsandmachinemanufacturetechnologyhasthedeepelementaryknowledge.Iffrontsues,themachinedesigngoalistheproductioncanmeetthehumanneedtheproduct.Theinvention,thediscoveryandtechnicalknowledgeitselfcertainlynotnecessarilycanbringtheadvantagetothehumanity,onlyhaswhentheyareappliedcanproduceontheproductthebenefit.Thus,shouldrealizetocarriesonbeforethedesigninaspecificproduct,mustfirstdeterminewhetherthepeopledoneedthiskindofproductMustregardasthemachinedesignisthemachinedesignpersonnelcarriesonusingcreativeabilitytheproductdesign,thesystemanalysisandaformulationproductmanufacturetechnologygoodopportunity.Graspstheprojectelementaryknowledgetohavetomemorizesomedataandtheformulaismoreimportantthan.Themerelyservicedataandtheformulaisinsufficienttothecompletelydecisionwhichmakesinagooddesignneeds.Ontheotherhand,shouldbeearnestpreciselycarriesonalloperations.Forexample,evenifplaceswrongadecimalpointposition,alsocancausethecorrectdesigntoturnwrongly.Agooddesignpersonnelshoulddaretoproposethenewidea,moreoveriswillingtoundertakethecertainrisk,whenthenewmethodisnotsuitable,useoriginalmethod.Therefore,designsthepersonneltohavetohavetohavethepatience,becausespendsthetimeandtheendeavorcertainlycannotgu