吨焊接变位机设计不含全套CAD图纸.docx

吨焊接变位机设计不含全套CAD图纸.docx

《吨焊接变位机设计不含全套CAD图纸.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《吨焊接变位机设计不含全套CAD图纸.docx（47页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

吨焊接变位机设计不含全套CAD图纸

编号

无锡太湖学院

毕业设计（论文）

题目：

60吨焊接变位机设计

信机系机械工程及自动化专业

学号：

学生姓名：

指导教师：

2013年5月25日

无锡太湖学院本科毕业设计（论文）

诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）60吨焊接变位机设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班级：

机械95

学号：

0923237

作者姓名：

2013年5月25日

无锡太湖学院

　信机　系　机械工程及自动化　专业

毕业设计论文任务书

一、题目及专题：

1、题目　60吨焊接变位机设计

2、专题　　

二、课题来源及选题依据

本课题来自无锡华联精工机械有限公司的生产实际。

目前机械行业，特别是锅炉行业有大量的管和板的焊接，管子和板的接合处为环缝焊接，为适应自动焊接，管与板要自转，同时要倾斜45度，满足船形焊接，要求设计该焊接变位机。

我国引进的焊机器人柔性加工单元中的变位机，也是针对特定产品研制的，因此价格较昂贵，而技术培训及售后服务却不理想。

在技术方面，我国许多工厂引进的弧焊机器人系统己具有机器人与变位机协调运动的功能。

这对一些空间曲线或较复杂的焊缝可以始终保持在最佳位置下进行焊接，以提高焊接质量，并能一次起弧就焊完整条焊缝，以提高效率。

但是有关技术却往往为外方厂家所垄断，我们并不掌握。

从提高我国焊接生产机械化与自动化水平的角度出发，必须加大科研投入，研制高性能的焊接机器人与配套变位设备，力求在自动化焊接领域在国际上占有一席之地。

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

①分析并了解焊接变位机的基本结构，熟悉焊接变位机的具体工作原理；

②完成整机的具体方案设计；

③完成各个零部件的结构设计，并绘制相应的三维模型及二维图纸；

④将三维模型进行装配，并绘制相应的二维装配图。

四、接受任务学生：

机械95班　　姓名朱斌

五、开始及完成日期：

自2012年11月12日至2013年5月25日

六、设计（论文）指导（或顾问）：

指导教师　　　　　　　签名

签名

　　　　　　　签名

教研室主任

　　　　　　〔学科组组长研究所所长〕　　　　　　　签名

　　　　系主任　　　　　　签名

2012年11月12日

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60吨座式焊接变位机。

主要内容是关于焊接时机械的回转翻转的控制、电机的选择、减速器的选择、各个轴和齿轮轴承的确定以及校核等等。

设计的具体过程是根据预定的载荷和要求的焊接速度从而确定设备所需要的电机类型，包括:

电机的转速、额定功率、电压电流等，在此基础上计算轴的尺寸和相应配件的型号，并且对其进行相关的强度、使用寿命等的校核，然后对一些外购件也进行选择。

选用的方法主要是机械设计的相关知识，使用到的有材料力学，CAD等。

关键词：

焊接变位机；机械设计；焊接辅机

Abstract

Weldingpositionerisakindofweldingauxiliaryequipment,itwasknownasthethreeplanesinweldingauxiliaryequipmentwithweldingmanipulator,weldingrollerbed.Weldingpositionerwasdesignedwiththedevelopmentofweldingindustrymechanization,andautomation.Asaweldingauxiliarymachine,weldingpositionerwasusedinpipe′slandscapeorientationwelding,pipeandflange′sinsideandoutsidecentrallinkingwelding,pipeweldinginalllocation.Thoughthegyrationandretroflexionoftheworkbench,theweldingpositionercanmaketheweldinglinetoanidealposition,whichcanimprovethequalityoftheweldedjoint,reducewelder’sworkload.Itisidealequipmentespeciallyfittoweldthekindsofworkpiece,justliketheshaft,tray,canister,andsoon.

Byunderstandingtheweldingpositioner′sdevelopmentindomesticandoverseas,andthepositionerusedinweldingrobotisdescribedinthepaper.Ablock60tonsofweldingpositionerisdesigned.Mainlyonthesubjectofwelding,mechanicalrotationturnoverofcontrol,theelectricaloptions,reducerselection,variousaxleandthewheelbearingsanddetermineaccuracy,andsoon.

Thedesignprocessisbasedonspecifictargetloadandspeedrequirementsofweldingequipmenttodeterminethetypeofelectricalneeds,including:

therotationalspeedelectrical,ratedpower,voltage,currentandonthebasisofthecalculationofaxlesizeandcorrespondingaccessoriesmodels,andtheirassociatedintensity,andtheusefullifeofaccuracy,thenforsomepurchaseswerealsochosen.

Themethodchosenmainlymechanicaldesignrelevantknowledge,theuseofthematerialmechanics,CAD.

Keywords:

weldingconjugationmechanical;mechanicaldesign;weldingauxiliarymachine.

1绪论

1.1立题依据

目前机械行业，特别是锅炉行业有大量的管和板的焊接，管子和板的接合处为环缝焊接，为适应自动焊接，管和板要自转，同时要倾斜45°，满足船形焊接。

钢结构技术的蓬勃发展,推动了工程结构体系的不断进步。

在桥梁、电站、高层钢结构建筑、大型造船等行业日益繁荣的今天，要求焊接自动化的增多，焊接辅机也越来越受到重视。

我国目前中小吨位焊接变位机，基本能满足要求。

但无论品种规格还是性能质量，与国外相比仍有很大差距，尤其是大吨位焊接变位机在速度平稳性、变位精度、驱动功率指标、与焊接操作机的联机动作等方面，存在较大差距。

1.2焊接辅机的作用和分类

焊接辅机指所有同焊接相关的周边辅助设备，具体定义是指焊接结构装配和焊接过程中起配合和辅助作用的的工夹具\变位机械、焊剂输送装置等的总称。

如：

各类焊接夹具、船舶焊接专机、汽车底板焊接生产线、各类龙门焊接机、焊接机器人及周边设施等。

其中最常见的通用配置有操作机、滚轮架、变位机等焊接变位机械。

如图1.1

焊接变位机械指是在焊接过程中改变焊件、焊机及焊工空间位置来完成机械化，使其有利于减少焊接时间，提高劳动效率，减轻工人劳动强度，提高焊件质量，并能充分发挥各种焊接方法的机械设备。

焊接变位机械可分为焊件变位机械、焊机变位机械和焊工变位机械。

焊件变位机械是在焊接过程中改变焊件空间位置，使其有利于焊接作业的各种机械设备。

其中滚轮架、变位机、翻转机、回转台就是焊接变位机械。

在多数场合下，焊件变位机械和焊机变位机械相互配合使用，用来完成纵缝、横缝、环缝、空间曲线焊缝的焊接以及堆焊作业。

在以弧焊机器人为中心的柔性加工单元（FMC）和加工系统（FMS）中，焊件变位机械也是组成设备之一。

在复杂焊件焊接和要求施焊位置精度较高的焊接作业中，例如窄间隙焊接、空间曲面的带极焊接等，都需要焊接变位机械的配合，才能完成作业。

其中焊件变位机械最多也最常用。

本论文主要是设计了60吨焊接变位机的整体机构和主要零件。

（a）焊接滚轮架（b）焊接变位机

（c）焊接翻转机（d）焊接操作机

图1.1焊接变位机械

1.3焊接变位机的功能及结构形式

焊接变位机是将工件回转、倾斜使焊件上的焊缝置于有利于施焊位置的焊接变位机械。

焊接变位机的几种常见形式[7]：

（如图1.2）：

（1）座式焊接变位机。

是应用最广泛的一种焊接变位机,其稳定性比伸臂式焊接变位机要高。

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回转的自由度。

其适合工程机械的小型焊接件及一些管类、轴类、盘类等中小型复杂结构的焊接。

（2）Ｌ型双回转焊接变位机。

其工作装置Ｌ型，有两个方面的回转自由度，且两个方向都可以±360°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。

（3）双立柱单回转式变位机。

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。

该种变位机结构简单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。

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。

（4）Ｕ型双座式头尾双回转型式。

在单回转变位机的基础上被焊结构件在另外一个空间又增加一个旋转自由度。

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。

有较高的稳定性,适用于大型和重型工件的翻转变位,能较好地满足焊接质量的要求。

（5）Ｃ型双回转焊接变位机。

Ｃ型回转形式与Ｌ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。

焊接变位机要具备的性能有：

（1）焊接变位机械要有较宽的调速范围，稳定的电流和功率。

（2）在动力传动行程中要有自锁传动，以免动力源切断时，焊件因重力作用而发生事故。

（3）与焊接机器人和精密焊接作业配合使用的焊接变位机，视焊件大小和工艺方法的不同，其到位精度（点位控制）和运行轨迹精度（轮廓控制）应控制在0.1—2mm之间，

最高精度应可达0.01mm。

（4）有良好的接电、接水、接气设施，以及导热和通风性能。

（5）整个结构要有良好的密闭性，以免焊接飞溅物的损伤，对散落在其上的焊渣、药皮等脏物，应易被清除。

（6）工作台面上应设有安装槽孔，能方便地安装各种定位器件和夹紧机构。

（a）座式焊接变位机（b）Ｌ型双回转焊接变位机

（c）双立柱单回转式变位机（d）Ｕ型双座式头尾双回转型式

图1.2变位机种类

2方案设计

2.1设计的基本参数

基本承载能力60吨

工作台直径3000mm

工件偏心距500mm

回转角度0°—180°

翻转角度0°—90°

焊接速度250mm/min—2500mm/min

2.2变位机的总体方案设计

图2.1变位机的总体图

采用座式焊接变位机，工作台连同回转机构通过倾斜轴支承在机座上，工作台以焊速回转，倾斜轴在0°—90°的范围内恒速倾斜。

该机为座式焊接变位机，稳定性好，一般不用固定在地上，搬移方便。

2.3驱动系统方案

2.3.1工作台回转方案

工作台的回转运动应有较宽的调速范围，从0.027r/min—0.27r/min调速平稳均匀，要有双向回转功能和自锁功能。

第一种方案：

电动机驱动，经过减速器减速后通过齿轮传动带动工作台回转，要求无级变速。

第二种方案：

在全液压变位机，采用液压马达来驱动及控制工作台回转的速度和角度。

2.3.2工作台翻转方案

工作台的倾斜速度恒定，运动要自如平稳并有多重自锁功能。

第一种方案：

电动机经过减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜，该方案目前应用很广。

第二种方案：

在全液压变位机中采用液压缸直接推动工作台倾斜，对液压驱动方面的要求较高。

第三种方案：

电动机经过减速器减速后通过螺旋副使工作台倾斜，该方案应用很少。

2.4导电装置方案

焊接变位机作为焊接电源二次回路的组成部分，必须设有导电装置。

焊接时，强大的焊接电流通过工件和工作台经导电装置传至工作台倾斜轴，再由位于倾斜轴返回到焊机的负极。

导电装置提供了一个顺畅的电流回路，有效地防止了焊接电流直接通过齿轮副和轴承，既保证足够的焊接电流，又使机构免遭电流损坏。

第一种方案：

采用外接导电装置，主要是采用电刷式的，它由电刷、电刷盒、刷架组成，结构形式多样，在焊接变位机中应用最广。

第二种方案：

采用自身导电。

必须采用以下措施：

①使用带有石墨成分的润②在轴向力的作用下，各传动副之间、轴承内外圈之间要接触紧密。

自身导电然省去了专用的导电装置，但对变位机各传动副的装配间隙要求较严，使用中又需经常检查和调整，比较麻烦，采用不多。

3回转机构设计

3.1工作台回转机构

工作台带动60吨工件以焊速250mm/min—2500mm/min在0°—180°内回转。

其回转系统的如图3.1所示。

其传动路线大致为：

驱动电机——回转减速机——回转支承——工作台。

工作台固定于回转支承上，回转支承固定在支承梁上。

回转支承外围上的大齿轮与减速器输出轴小齿轮啮合，通过与减速器输入轴连接的电机的驱动，形成工作台的回转运动。

电机和减速器输出轴直联，利用电机的失电制动器来对回转运动进行制动和自锁。

图3.1回转机构传动简图

3.2回转支承的选择

在回转系统中，工作台是固定在回转支承上，通过回转支承将工作台与支承梁连接，这样不仅提高了工作台的回转精度，也提高了工作台的刚性。

参照相关样品的选型计算，我选择单排四点接触球式回转支承，JB2300—84标准中的单排四点接触球式回转支承，回转中心大，支承面积大。

是由两个座圈组成，结构紧凑、重量轻，钢球与圆弧轨道四点接触，能同时承受轴向力、径向力、颠覆力矩。

外圈为齿轮，外圈与工作台用螺栓固联，内圈与钢梁联接。

动力从齿轮副传入，带动工作台旋转。

我选取的回转支承型号为012.60.2000。

查《机械设计手册》P7—453表7—2—112，其主要的参数如下[4]：

回转中心直径为2000mm滚子直径为60mm

总高h承=144mm参考重量为M=1100kg

外齿轮模数m=18mm齿数Z=123

外齿轮De=2264.4mm外齿轮b=120mm

3.2.1回转系统承载的总重量

图3.2偏心距和重心距示意图

h件—工件的高度

假设工件为圆柱形，材料为钢，则密度为7.8×103kg/m3，直径为3000mm。

V=60×103/7.8×103=7.6923m3

h件=7.6923/（∏×1.52）

=1.088m=1088mm

h台—工作台高度

假设工作台高度为80mm

h—综合重心高

h=（h件＋h台＋h承）/2＝（1088＋100＋144）/2＝666mm

m台—工作台的重量

工作台材料为Q235—A，密度为7.8×103kg/m3（采用肋板增加强度减少重量）。

m台=7.8×103×∏×1.5×1.5×0.08＝4.4×103kg

G—综合重量

G=（4.4×103＋60×103＋1.1×103）×9.8＝641.9×103N

3.2.2计算回转支承的最大倾覆力矩

已知条件:

G=5.88×105N——工件重量（60t）

Emax=500mm——允许最大偏心距

β=0°—180°——回转轴转角

α=0°—90°——回转倾斜角

变位机的回转支承受力状态如图3.2所示，在焊件和夹具的综合重量作用下，回转支承的倾覆力矩Mω是由绕X轴和Y轴的弯矩Mx，My合成，

Mx=G1h+G2esinβ（3.1）

My=G2ecosβ（3.2）

考虑到G1=GsinαG2=Gcosα

图3.3回转支承倾覆力矩图

则A点截面所受的弯矩为：

Mω=（Mx2+My2）1/2（3.3）

=G（h2sinα+e2cos2α+2hesinαcosαsinβ）1/2

由式（3.1）和（3.2）知，弯矩Mω是α，β的二元函数，其值是变化的。

现需要求出最大值，以便校核。

令：

N=h2sinα+e2cos2α+2hesinαcosαsinβ（3.4）

对上式进行求偏导并令其为零,求出N的最大值，即可求出弯矩Mω的最大值。

N′α=h2cosα-e2sin2α+2hecos2αsinβ=0

N′β=hesin2αcosβ=0

因为上式是关于三角函数的代数式，由于它的周期性，所以上式结果为多个解。

结合已知条件，解如下：

（α=90°β=0°，180°）

最大值出现在α=90°时，代入求Mω得：

Mωmax=Gh=4.3×105N·m

3.2.3齿轮1的参数（即与回转支承啮合的小齿轮）

该齿轮是和回转支承上的外齿轮啮合，其模数是确定的。

这里只校核其强度。

经过减速器减速后，回转支承之间的传动比：

i2=2778÷450=6.2

表3-1齿轮的参数

计算项目

计算内容

计算结果

确定主要尺寸

齿数

z1=123÷6.2=19.8

取z1=20

传动比

i=123÷20=6.15

分度圆直径

d1=mz1=18×20=360mm

d1=360mm

d2=mz2=18×123=2214mm

d2=2214mm

齿宽

b1=130mm

小齿轮的校核小齿轮用20Cr，渗碳淬火，硬度56HRC—62HRC。

表3-2小齿轮的校核

计算项目

计算内容

计算结果

转矩

T1=9.55×106×P/n=9.55×106×9.9/1.7

=55.615×106N·mm

T1=55.615×106N·mm

接触疲劳极限

查P224，图12.17（e）①

σHlim1=1200Mpa

圆周速度

v=∏d1n1/（60×1000）

=∏×360×1.7/60/1000=0.032m/s

精度等级

由P207表12.6

选9级精度

使用系数

由P215表12.9

KA=1.0

动载系数

由图12.9

KV=1.01

齿间载荷分配系数

由表12.10，先求

Ft=2T1/d1=2×55.615×106/360

=3.09×105N

KAFt/b=1.0×3.09×105/130

=2377N/mm>100N/mm

εα=［1.88－3.2（1/z1+1/z2）］cosβ

=1.88－3.2×（1/20+1/123）=1.6940

Zε=（4－εα）/3=（4－1.6940）/3=0.7687

KHα=1/Zε2=1/0.76872=1.6925

齿向载荷分布系数

由P218表12.11

KHβ=A+B［1+6.7（b/d1）2］（b/d1）2+C·10-3b=1.09+0.16×［1+6.7×（130/360）2］×（130/360）2+0.31×10-3×120=1.3037

KHβ=1.3037

载荷系数

K=KAKVKHαKHβ

=1.0×1.01×1.6925×1.3037=2.228

K=2.228

弹性系数

由P221表12.12

ZE=188.9Mpa1/2

节点区域系数

由图12.16

ZH=2.5

续表3-2

接触最小安全系数

由表12.14

SHmin=1.01

应力循环次数

由表12.15，估计106

接触寿命系数

由图12.18

ZN1=1.5

许用接触应力

[σH1]=σHlim1ZN1/SHlim

=1200×1.5/1.01=1782Mpa

[σH1]=1782Mpa

验算

σH=ZEZHZε[2KT1/bd12·（u+1）/u]

=188.9×2.5×0.7687×[2×2.228×55.615×106/130/3602·（7.15）/6.15]1/2

=1501.2Mpa<[σH1]

σH=1501.2Mpa

计算表明，接触疲劳强度较为合适。

注：

①表中图和表查看参考书[3]。

3.3选择工作台的回转电机

电机的驱动功率N

已知条件：

焊接点最大线速度Vmax=2500mm/min

Vmin=250mm/min

回转最大转速nmax=2500÷∏÷3000=0.27r/min

nmin=250÷∏÷3000=0.027r/min

η=0.873—回转系统的传动效率

（考虑到减速器效率为0.9，回转支承的齿轮传动效率为0.97）

由《焊接工装夹具与变位机械》P127式（2-4）[1]

功率计算公式N=mmax×nmax/9550η=GEmax×nmax/9550η（3.5）

=641.9×103×0.27×0.5/（9550×0.90×0.97）

=10.39KW

当对工件实行自动焊接时，焊接线速度是一定的。

随着工件的大小及焊缝位置的改变，焊缝的回转直径