1、 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
2、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
3、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 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 mechani
4、zation, 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 mak
5、e 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
6、and overseas, and the positioner used in welding robot is described in the paper. A block 60 ton s of welding positioner is designed.Mainly on the subject of welding ,mechanical rotation turnover of control, the electrical options, reducer selection, various axle and the wheel bearings and determine
7、 accuracy ,and so on. The design process is based on specific target load and speed requirements of welding equipment to determine the type of electrical needs, including: the rotational speed electrical, rated power, voltage, current and on the basis of the calculation of axle size and correspondin
8、g accessories models, and their associated intensity, and the useful life of accuracy, then for some purchases were also chosen. The method chosen mainly mechanical design relevant knowledge, the use of the material mechanics, CAD.Key words: welding conjugation mechanical; mechanical design; welding
9、 auxiliary machine.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
10、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
11、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
12、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）型双回转焊接变位机。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
13、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）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） 型双回转焊接变位机。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
14、，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0.12mm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
15、夹紧机构。 （a）座式焊接变位机 （b）型双回转焊接变位机 （c）双立柱单回转式变位机 （d）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500 mm回转角度 0180翻转角度 090焊接速度 250mm/min2500mm/min2.2 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
16、转运动应有较宽的调速范围，从0.027r/min0.27r/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。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。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
17、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。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。采用自身导电。必须采用以下措施：使用带有石墨成分的润在轴向力的作用下，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
18、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/min2500mm/min在0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
19、的选型计算，我选择单排四点接触球式回转支承，JB230084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P7453表72112，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=144 mm 参考重量为 M=1100kg外齿轮模数m=18 mm 齿数Z=123外齿轮De=2264.4 mm 外齿轮b=120mm
20、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7.8103 kg/m3，直径为3000 mm。V = 60103 / 7.8103= 7.6923 m3h件 = 7.6923 / （ 1.52 ） = 1.088m = 1088 mmh台工作台高度 假设工作台高度为80mmh综合重心高h =（ h件h台h承）/2（1088100144）/2666mmm台工作台的重量工作台材料为Q235A，密度为7.8103 kg/m3 （采用肋板增加强度减少重量）。m台 = 7.81031.50.084.4103kgG综合重量G =（ 4.41
21、03601031.1103）9.8641.9103 N 3.2.2 计算回转支承的最大倾覆力矩已知条件: G=5.88105N工件重量（60t） Emax = 500mm允许最大偏心距 =0回转轴转角=0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M是由绕X轴和Y轴的弯矩Mx，My合成，Mx=G1h+G2 e sin （3.1） My=G2 e cos （3.2） 考虑到 G1=Gsin G2=Gcos图3.3 回转支承倾覆力矩图则A点截面所受的弯矩为： M=（Mx2+ My2）1/2 （3.3） = G（h 2sin+ e2cos2+2h
22、esincossin）1/2 由式（3.1）和（3.2） 知，弯矩M是，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= h 2sin+ e2cos2+2hesincossin （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M的最大值。 N= h 2 cos-e2 sin2+2he cos2sin=0 N=hesin2cos=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： （=90，180 ） 最大值出现在=90时， 代入求M得：Mmax = G h = 4.3105 Nm 3.2.3 齿轮1的参数（即与回
23、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=2778450=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=1236.2=19.8取z1=20传动比i=12320=6.15分度圆直径d1=m z1=1820=360mmd1=360mmd2=m z2=18123=2214mmd2=2214mm齿宽b1= 130 mm小齿轮的校核 小齿轮用20 Cr，渗碳淬火，硬度56HRC62HRC。 表3-2小齿轮的校核 转矩T1 =9.55106P/n=9.559.9/1.7=55.61510
24、6 NmmT1=55.615接触疲劳极限查P224，图12.17（e）Hlim1=1200Mpa圆周速度v=d1n1 /（601000）= 3601.7/60/1000=0.032m/s精度等级由P207表12.6选9级精度使用系数由P215表12.9KA=1.0动载系数由图12.9KV=1.01齿间载荷分配系数由表12.10，先求Ft=2 T1 / d1 =255.615106 /360=3.09105NKA Ft /b=1.03.09105/130=2377N/mm 100N/mm=1.883.2（1/z1+1/z2）cos =1.883.2（1/20+1/123）=1.6940Z=（4）
25、/3 =（41.6940）/3=0.7687KH=1/ Z2=1/0.76872=1.6925齿向载荷分布系数由P218表12.11KH=A+B1+6.7（b/ d1）2（b/ d1）2+C10-3 b=1.09+0.161+6.7（130/360）2（130/360）2+0.3110-3120=1.3037KH=1.3037 载荷系数K= KA KV KHKH=1.01.011.69251.3037=2.228K=2.228弹性系数由P221表12.12ZE=188.9 Mpa1/2节点区域系数由图12.16ZH=2.5 续表3-2接触最小安全系数由表12.14SHmin=1.01 应力循环
26、次数由表12.15，估计106 NL 108接触寿命系数由图12.18ZN1=1.5许用接触应力H1=Hlim1 ZN1 / SHlim=12001.5 /1.01=1782MpaH1 =1782Mpa验算H= ZE ZH Z 2K T1 / bd12（u+1）/u =188.92.50.7687 22.228106 / 130/3602（7.15）/6.15 1/2=1501.2Mpa H1H=1501.2Mpa计算表明，接触疲劳强度较为合适。注：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=25003000 = 0.27r/min nmin=2503000 = 0.027r/min=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/9550 = G Emax nmax/9550 （3.5） =641.90.270.5 /（ 95500.900.97） =10.39 KW 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，焊缝的回转直径也是改变，所以要求工作台的回转速度必须是无级调
