机械自动化毕业设计点焊机自动进给工作台的结构设计.docx
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机械自动化毕业设计点焊机自动进给工作台的结构设计
摘要
本文介绍了点焊机自动进给工作台的结构设计。
根据工作台所要完成的功能，工作台需要具有4个自由度，即3个平动加1个转动，才能实现对半筒的进给，为此提出了3种可行方案。
通过分析对比，每一种方案都有自己的优缺点，考虑到进出焊装系统容易、拆卸方便、易于搬迁这一方面，最终确定采用主工作台和辅助工作台相结合的形式为总体结构方案。
根据方案，按照工作台的外形尺寸和行程要求，确定了工作台的总体结构。
在总体结构基础上，进行了主要标准件的选型和对具体机械部分的详细设计，同时完成某些零件的强度和刚度校核。
关键词:
自动进给；工作台；平动；转动
Abstract
Thispaperdiscussesthestructuredesignprocessofautomatic-feedworktableofspotweldingmachine.Accordingtothefunctionaccomplishedbytheworktable,theworktablehas4DOF（degreeoffreedom）,with3translationsand1rotation,andthenthefeedmotionofsemi-tubeisavailable.Thenthispaperputsforward3feasibleschemes,afteranalyzingandcomparing,eachschemehasitsgoodpointandbadpoint,fromtheaspecttoconsider,theeasinessofentrancetothesystemanddismountandtransfer,theschemeconsistsofamainworktableandasubsidiaryworktableisselectedasthegeneralstructurescheme.Detaildesignofthespecificmechanismandthechooseofmainstandardcomponentsisprocessedonthebaseofthegeneralstructure.Thispapercalculatesthestrengthenandstiffnessofsomecomponents.
Keywords:
Automaticfeedmotion;Worktable;Translation;Rotation
第1章绪论
1.1课题背景
半筒的点焊工艺过程复杂，焊点数量大，半筒的进给如果采用人工来完成，不仅点焊效率低，而且焊点的质量也很难保证。
为了适应现代化生产的要求，需要一种能实现半筒自动进给的工作台。
1.2国内外研究现状和分析
数控XY工作台主要是对滚珠丝杠、滚珠导轨、步进电机的选择，使其满足数控XY工作台系统高速度、高精度、高效率的要求[1]。
XY工作台的X、Y方向的移动，可采用螺旋机械或齿轮齿条传动机构，这两种均可把旋转运动改为直线运动。
因为此机构以传递运动为主，要求有较高的传递精度，又要求结构紧凑，所以选用螺旋机构。
但常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿命短，效率低，不能满足高速度、高精度、高效率等传动要求。
为了使运动灵敏而由满足精度要求，选用滚珠螺旋机构。
采用间隙可调的滚珠丝杠传动[2-4]。
深圳市顺尚机械制造二维精密数控工作台数控精密工作台采用滚珠丝杠和直线导轨副传动,工作台材料一般为HT400,设计加工,铝合金,钢板,大理石均可以加工；数控工作台系列产品可以配置步进电机或伺服电机。
高精密XY工作台的机械主体部份采用日本THK公司的原装高精密直线导轨和滚珠丝杆,联轴器采用德国原装KTR公司专业联轴器,工作台面采用优质的合金材料，为配合与电气部份的关联性及传动装置的保护性,X轴及Y轴两端配有高质量的缓冲器，同时可选配在工作台的两端配有限位检测开关,部份工作台的配有原点检测开,并可提供光电编码装置以适于闭环控制，原点开关的位置可以大距离的调节[5]。
X—Y工作台是许多机电一体化系统的基本组成部分，是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台，如车床、铣床、钻床等数控设备和平面绘图仪的绘图系统等。
X、Y向均采用伺服电机，通过齿轮减速和丝杆传动后，带动工作台做X—Y向的运动[6]。
X—Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种，开环的伺服系统采用步进电机驱动，系统中不设置传感和检测设备系统的伺服驱动装置；半闭环的伺服系统一般采用交流和直流伺服电机驱动，并在电机输出轴端设置传感和检测设备；闭环的伺服系统也是采用直流和交流电机驱动，但检测和传感设备设置在工作台末端[7]。
本工作台主要是在X—Y工作台的基础上，又增加一维工作台，尽管结构和功能各不相同，但是基本原理相通。
1.3课题研究的目的和意义
点焊机自动进给工作台的应用不仅能够提高效率，减少工人的劳动强度而且能够保证焊点的质量。
通过对自动进给工作台的结构设计，进一步认识机电产品的设计过程，不但提高了自身的设计能力，也为将来更好地工作奠定了良好的基础。
1.4技术要求和主要研究内容
技术要求:
实现沿X、Y、Z轴3个方向的平动，绕工件轴线的转动。
外形尺寸：
X轴方向≤3.2m；Y轴方向≤1.8m；Z轴方向≤1.2m。
性能参数：
每个焊点位置误差φ0.4mm。
行程：
X方向：
≥2.8m；Y方向：
≥0.6m；Z方向：
≥0.35m；自转：
360°。
移动速度：
X向≤10m/min；Y向≤5m/min；Z向≤5m/min；自转≤10r/min。
主要内容：
完成自动进给工作台的结构设计，强度校核。
第2章总体方案设计
2.1机械结构分析
自动进给工作台至少应具有4个自由度，即3个平动加一个转动，才能实现工件的自动进给。
为了满足工作台传动系统高速度、高效率、高精度的要求，需要对传动机构、导向机构、伺服电机进行选择。
传动机构选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副。
导向机构选用摩擦系数小、不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑的直线滚动导轨。
伺服电机选用没有换向部件、过载能力强、体积小、重量轻的交流伺服电机[8-12]。
所以工作台的基本原理就是：
采用交流伺服电机加滚珠丝杠的传动方式，通过直线滚动导轨，实现工件的平动；步进电机通过减速装置和夹具，实现工件的转动。
2.2方案分析
由技术要求可知，X方向的行程和工作台尺寸较大，而工件又比较长。
如果只将3个方向的分平台简单叠加，工作台不仅占用空间大，而且浪费材料，增加成本。
基于这种考虑，在此有三种方案可以选择。
方案一见图2-1，这种方案是采用主工作台和辅助工作台相配合的形式。
在地面上铺设导轨，X工作台安装有滚轮，通过运载电机控制使其在导轨上滚动。
优点是进入和退出焊装系统容易，但是对点位控制精度要求高[13-16]。
方案二见图2-2，Z工作台为一桁架，其上装有夹着工件自转的两个立柱，工件的上下运动是由桁架上两端的立柱来实现的。
优点是工作台总体外形紧凑，但是对桁架的刚度要求高，另外X方向导轨加工难度大[17-18]。
图2-1方案一
图2-2方案二
方案三见图2-3，与前两种最大的不同是采用单立柱形式。
U形架直接连在立柱上，工件的上下运动，U形架要与之一起运动。
为了减少立柱电机的载荷，要在另一侧增加配重，来平衡U形架的重量。
工件的自转是通过装在U形架上的旋转电机来实现的。
优点是工作台结构紧凑，但由于U形架的重量大，对立柱的要求较高，另外X方向的导轨加工难度大[19-22]。
图2-3方案三
2.3方案确定
通过方案分析，选择方案一作为工作台总体结构方案。
为了进入和退出焊装系统容易，易于搬迁，在地面上铺设导轨使工作台可以移动；同时采用双立柱形式解决U形架难加工的问题；吸取方案三的优点：
立柱上设置配重来减轻立柱垂直电机的负担。
因为工件是被两个立柱的电机通过夹具来实现自转的，为了装卸和焊接方便，电机架应该水平往外伸出一部分。
要保证立柱外形尺寸≤1.8m,Y方向行程≥0.6m，必须将电机架的高度h、滚珠丝杠座之间的距离L、立柱的高度H放在一起进行综合考虑。
即L-h≥0.6m，L＜H≤1.8m。
由工件的重量和所需自转电机的外形尺寸，初步确定水平电机架的高度h=310mm。
进而L≥910mm，取L=1000mm。
丝杠座安放在立柱上，上丝杠连接联轴器、减速器、交流电机，立柱下方又安装底座。
H在允许的范围内应尽可能的大，以留下充裕的空间。
估算负载，初选所需要的电机、减速器等，将所有件的外形尺寸求和得到H=1800mm。
对于Z方向，立柱底座长度L1、中间平台丝杠座之间的距离L2、中间平台的外形尺寸L3之间的关系为：
L2-L1≥0.35m，L2＜L3≤1.2m。
L1=450mm，则L2≥800mm，同样考虑平台端部的电机、减速器的外形尺寸等，L2=800mm，L3=1200mm。
X方向分为两个工作台，由两个工作台共同完成技术要求，即X方向的行程≥2.8m，工作台外形尺寸≤3.2m。
X向工作台的控制应该是点到点的控制，而不是过程的控制，所以当主工作台在第一个极限点时，驱动电机，上方的平台通过滚珠丝杠移动进而通过推杆和夹具使辅助工作台移动。
完成的行程a1就是丝杠之间的距离S1-中间平台底座的长度S2。
S1=1950mm，S2=450mm，a1=1500mm。
工作台应再经至少1300mm到达第二个极限点才可满足条件，工件的长度为2273mm，所以底轨的长度应至少8100mm。
总体结构图见图2-4。
2.4本章小结
根据工作台所要实现的功能，对机械结构进行了分析，并以此得出的原理提出了结构上各有特点的3个方案。
通过对方案的分析和对比，确定了最终的工作台结构。
图2-4工作台总体结构
第3章主要件的选型和计算
3.1滚珠丝杠螺母副的选型和计算
3.1.1工作载荷Fm（N）的计算
已知移动部件总重量G=623.3N，工作行程≥350mm，工作台与滚动摩擦系数μ=0.005。
选用直线滚动导轨，查表取K=1.4，代入Fm=KG+μG,得工作载荷Fm≈872.48N。
3.1.2最大动负载FQ的计算
设本工作台Y向最快的进给速度v=5m/min,初选丝杠基本导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=1000v/Ph=1000r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L=60nT/106,得丝杠寿命系数L=900（单位为：
106r）。
查表取载荷系数fW=1.0,硬度系数fH =1.0,代入式﹙3-1﹚。
（3-1）
算得FQ=8423.7N。
3.1.3初选型号
根据计算出的最大动载荷，查表选2005-3型滚珠丝杠副。
其公称直径为20mm,基本导程为5mm，单螺母滚珠3圈，螺母长度L=80mm,刚度KC=467N/μm,精度等级取4级，额定动载荷为9366N，满足要求。
采用成对60º接触角推力角接触球轴承为固定端，轴承型号7202C。
其尺寸参数为：
d=15mm、D=35mm、B=10mm。
对于长丝杠、高转速、高拉压刚度的场合，滚珠丝杠的支承方式为两端固定的方式。
这种支承方式可以通过拧紧螺母来调整丝杠的预拉伸量，滚珠丝杠安装在丝杠座上，而丝杠座又固定在工作台上。
为了便于组织滚珠丝杠支承部件的专业生产，现在滚珠丝杠轴端结构和尺寸已标准化。
根据滚珠丝杠的公称直径来选型，三个方向的轴端结构均为一对组配好的角接触球轴承G型固定支承。
3.1.4传动效率计算
代入公式η=tanλ/tan（λ+φ），式中：
λ=arctan[Ph/пd]，Ph=5mm,公称直径d=20mm，φ为摩擦角取10′。
得传动效率η=96.5﹪。
3.1.5刚度的验算
Y向滚珠丝杠副的支承，采取两端固定的方式。
左右支承的中心距离约为a=1100mm,钢的弹性模量E=2.1×105MPa,丝杠底径d2=16.2mm,则丝杠截面积S=пd2²/4=206mm²。
丝杠在工作载荷的作用下产生的拉/压变形量δ1=Fma/ES=0.022mm。
根据公式Z=（пd0/Dw）-3,求得单圈滚珠数目Z=17，则滚珠总数量Z∑=51,算的δ2=0.0053mm，则δ总=0.0238mm。
轴向行程内的变动量允许34μm＞δ总,可见丝杠刚度足够。
3.1.6稳定性校核
滚珠丝杠两端采用推力球轴承,不会产生失稳现象,不需作稳定性校核。
同理得出其它两方向的滚珠丝杠副，见表3-1。
表3-1滚珠丝杠副参数表
方向
代号
公称直径
导程
安装方式
X
3205
32
5
两端固定
Y
2005
20
5
两端固定
Z
2005
20
5
两端固定
3.2伺服电动机的选择
3.2.1伺服电机的初选择
电动机的选择，首先是考虑电动机必须能够提供负载所需要的瞬时转矩和转速，其次必须考虑电动机的热定额问题。
如果要求电动机在峰值负载转矩下以峰值转速不断地驱动负载，则电动机功率由（3-2）式得到
（3-2）
式中
—负载峰值力矩（N·m）；
—电动机负载峰值转速（r/s）；
η—传动装置的效率，初步估算取η=0.7～0.9；
1.5～2.5—系数，属经验数据，考虑了初步估算负载力矩有可能取不全面或不精确，以及电动机有一部分负载功率要消耗在电动机转子上；
—折算到电动机轴上的等效负载转矩。
等效负载转矩计算：
移动体的重力W=1800N，滚动导轨的摩擦因数μ=0.005，摩擦力F1=μW滚珠丝杠传动副的效率η=0.9，螺母内部的摩擦因数μm=0.3，由于移动体的重量较大，滚珠丝杠传动副必须事先预紧，其预紧力为最大轴向载荷的1/3，F2=F1/3,根据机械效率公式（3-3），（3-4）。
，
（3-3）
（3-4）
换算到电动机轴上所需的转矩
=0.56N·m
=0.56N·m,
=16.67r/s,η=0.8,系数=2.5,
=0.18KW
选用ASM系列交流永磁伺服电动机，型号是ASM-4。
其基本参数为：
最高转速n=3000r/min、额定输出功率P=0.4KW、额定转矩M=2N·m、最大转矩为10N·m、转动惯量J=3.2×10-4kg·m²、重量7.5kg。
3.2.2发热校核
对于连续工作负载不变场合的电动机，要求在整个转速范围内，负载转矩在额定转矩范围内。
因此，选择电动机应满足式（3-5）。
＞
（3-5）
式中：
—电动机额定转矩（N·m）。
根据选用的电动机，求得
=1N·m＞
=0.56N·m，满足条件。
对于闭环系统，主要由驱动电动机的最高转速或转矩与机电装备要求的最大进给速度或负载转矩决定传动速比
（3-6）
式中
——驱动电动机最高转速（r/min）；
—滚珠丝杠的导程（mm）；
—工作台最大移动速度（mm/min）；
i=3。
3.2.3转矩过载校核
通过已知的总传动速比，将负载力矩向电动机轴折算，得到输出转矩的最大值，再与电动机的额定力矩进行比较。
（3-7）
式中：
—电动机输出转矩的最大值；
—电动机的额定力矩；
λ—对交流伺服电机，一般取λ≤1.5～3。
通过计算可知，λ=2.1，在规定的范围之内。
可选该型号交流伺服电动机，并具有一定的裕量。
3.2.4自转电机的选型和计算
已知自转工件的定位精度为Δ=0.03º,nrmax=10r/min,则试选αs=1.5º及δr=0.01º/p时，i1i2=αs/δr=150。
即减速器的总传动比i=150。
所需的电动机的最高运行频率fmax=6nrmax/δr=6000p/s,相应的电动机最大转速nm=αsfmax/6=1500r/min。
步进电动机转轴上的总转动惯量J的计算
（3-8）
式中:
J1—传动系统的转动惯量；
J2—工件及夹具的转动惯量；
JE—等效转动惯量。
求得JE=0.0173kg·m²。
步进电动机转轴上的等效负载转矩T的计算，T≈Tmax
（3-9）
式中：
J—步进电动机转轴上的总转动惯量，单位为kg.m²；
ε—电动机转轴的角加速度，单位为rad/s²；
n—电动机的转速，单位为r/min；
t—电动机加速所用时间，单位为s，一般在0.3～1s之间选取。
算得T=9.1N·m。
在选择步进电动机最大静转矩的时候，需要考虑安全系数K，对于开环控制，一般应在2.5～4之间选取，这里取K=4，4T＜T静。
所以选取130BYG3502型号的永磁感应式步进电机。
其基本参数为：
最大静转矩37N·m、转动惯量48kg/cm²、空载起动频率1500Hz等。
JE/Jm=3.6≤4,可选该型号的步进电机。
由此可以得到工作台所需伺服电机的参数表，见表3-2。
表3-2伺服电机参数表
方向
型号
电机功率
额定转矩
最高转速
减速比
X
ASM-15
1.5
10
3000
1:
1.5
Y
ASM-4
0.4
2
3000
1:
3
Z
ASM-11
1.1
7.5
3000
1:
3
运载电机
ASM-25
2.5
15
1500
1:
150
自转电机
130BYG3502
0.75
37
1500
1:
150
3.3直线滚动导轨副的选型和计算
因为丝杠竖直安装，为了减轻丝杠的工作压力和所受弯矩，应在立柱的另一侧配备平衡物。
即在立柱的两侧对称安装4根导轨。
根据外形尺寸的要求，从产品样本中选取GGB-AA规格B0=32mm型直线滚动导轨副，其基本尺寸参数为：
B1=100mm、K=40mm、d×D×h=9×14×12、最大长度L=1240mm、Ca=24.5kN等。
由垂直安装，立式导轨，滑块座移动的载荷计算公式求得各滑块的载荷P1=P2=P3=P4=m/2a=0.5kN
额定寿命的计算
（3-10）
式中：
L—距离额定寿命，单位为km；
Ca—额定动载荷，单位为kN；
P—滑块上的工作载荷，单位为kN；
fh—硬度系数,取1.0；
fc—接触系数，取0.66；
fa—精度系数，取0.9；
ft—温度系数，取1.00；
fw—载荷系数，取1.2。
L≥100km,100km—常见的滚子导轨距离期望寿命。
（3-11）
式中：
Lh—寿命时间，单位为h；
L—距离额定寿命，单位为km；
S—移动件行程长度，单位为m；
n—移动件每分钟往返次数。
Lh=89183.4h,按年工作日为300天，二班制工作，每班8小时，开机率0.8折算，预期寿命年限La=23年。
由上可知，可选该型号的直线滚动导轨副。
同理可以得到其它两向的直线滚动参数，见表3-3。
表3-3直线滚动导轨副参数表
方向
导轨规格
高度
滑块长度B1
最大长度
X
45
62
120
2050
Y
32
48
100
1240
Z
32
48
100
1240
3.4联轴器的选型和计算
3.4.1选择联轴器的类型
本联轴器用于对中精度较高，正反转变化多，起动频繁的高中速轴，所以选结构紧凑、易于装配维护的弹性套柱销联轴器。
3.4.2计算联轴器的转矩
传动轴上的公称转矩可用下式进行计算：
（3-12）
式中：
T—公称转矩（N·m）；
P—传递的功率（kW）；
n—轴的转速（r/min）。
计算转矩Tc=K×T，工况系数K=1.7,Tc=1.719×1.7=2.93N·m。
3.4.3确定联轴器的型号
根据计算转矩Tc及所选联轴器类型，在联轴器的标准中按照
（3-13）
的条件确定联轴器的型号。
式中[T]为所选联轴器的许用转矩。
经查表，选LT3联轴器
，联轴器参数见表3-4。
表3-4联轴器参数表
方向
型号
许用转速
高度D
轴空长度L
X
LT6
3800r/min
160mm
82mm
Y
LT3
6300r/min
95mm
42mm
Z
LT3
6300r/min
95mm
42mm
3.4.4滚轮的选择
根据所确定的轴径和所承受的吨位，选D1=180mm，D2=160mm，D=130mm，d1=66mm，d=40mm，B=40mm，B1=7mm，质量m=2.2kg。
3.4.5轨道的选择
点焊机工作台的重量相当大，为了可以经得起重量相当大的工作台施加的压力，钢轨的顶面必须有一定的宽度及厚度来承受这些压力。
为了提高钢轨的稳定性，钢轨的底面也必须有一定的宽度；并且为了适应带有轮缘的车轮，钢轨也要有相当的高度。
工字形的钢轨刚好可以满足这三方面的要求。
并且从材料力学的观点来看，这种形式的钢轨的强度相当高，恰好充分合理地利用了钢材，所以工字形断面，就被选定为最好的钢轨断面。
轨道型号P15，h=91mm，h1=19.5mm，b=37mm，b1=76mm，r=7mm。
轨道的固定方式采用楔块固定，即轨道与侧基准面靠上定位台阶后，用楔块从另一面顶紧后再固定。
固定方式示意图见图3-1。
图3-1轨道固定示意图
3.4.6制动器的选择
工作台在轨道上移动，为了保证当工作台停在某处时的点焊精度，需要在X方向进行制动。
选用电磁制动器，当需要制动时，通电后，电磁线圈吸住衔铁，通过杠杆机构使制动臂克服弹簧力，锁住轨道从而将工作台固定。
3.4.7链与链轮的选型
选择传动平稳，振动、噪音小的齿形链，链号为CL16。
节距p=25.4mm，链宽b=68mm，s=9.52mm，导向形式为内导向，片数为23片，每米重量q=8.15kg/m。
链轮齿数z=25，分度圆直径d=p/（sin180º/z）=120mm。
3.5本章小结
从上到下，依据负载的大小，对传动机构、导向机构、伺服电机分别进行了计算和选型，同时也对3个方向的其它标准件进行了选型。
第4章机械结构设计
4.1立柱的设计
4.1.1电机架的设计
工件被两个立柱的电机通过夹具夹紧水平放置，为了装卸和焊接方便，电机架应该水平往外伸出一部分。
电机架应带有4个滑块使其能在立柱的导轨上移动，考虑到Z方向外形尺寸和行程的影响，电机架呈“L”形，估算它的体积为0.014m³,密度为7.85×10³kg/m³,所以质量可取为109.9kg。
4.1.2支承件的设计
因为空心截面的惯性矩比实心的大，在工艺可能的情况下，立柱的截面一般做成中空形状；立柱所承受的载荷主要是弯矩，则截面一般取方形或矩形；封闭截面的刚度比不封闭截面的大，截面应设计成封闭的形状。
为了减轻机电装备的重量，节约材料，以及减少驱动力，节约能源，应在结构工艺可行的条件下，尽量减小支承件的壁厚。
支承件壁的内外两侧可设肋板或肋条，以加强支承件壁的稳定性。
铸铁支承件的外壁厚可根据当量尺寸C来选择。
当量尺寸C可由C=（2L+b+h）/3确定，式中L，b,h——支承件的长、宽、高。
L=1
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