台式焊接变位机设计说明书.docx
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台式焊接变位机设计说明书
台式焊接变位机设计说明书
第一章焊接变位机械性能及结构
1.1焊接变位机械概述
焊接变位机械是改变焊件、焊机或焊工位置来完成机械化、自动化焊接的各种机械装置。
焊接变位机械可分为三大类：
（1）焊件变位机械：
包括焊接变位机、焊接滚轮架、焊接回转台和焊接翻转机。
（2）焊机变位机械：
包括焊接操作机和电渣焊立架。
（3）焊工变位机械：
包括焊工升降机等。
焊接变位机（positioner）是将工件回转、倾斜，使工件上的焊缝置于有利施焊位置的焊件变位机械。
它主要用于机架、机座、法兰、封头等非长形工件的翻转变位和焊接，也可用于装配、切割、检验等。
焊接滚轮架（turningrolls）是借助主动滚轮与工件之间的摩擦力带动筒形工件旋转的焊件变位机械。
它主要用于筒形工件的装配与焊接，是锅炉容器生产中的常用工艺装备。
焊接回转台（weldingturntable）是一种简化的变位机，它将工件绕垂直轴回转或者固定某一角度倾斜回转，主要用于回转体工件的焊接、堆焊与切割。
焊接翻转机（weldingtilter）是将工件绕水平轴转动或倾斜，使之处于有利装焊位置的焊件变位机。
它主要适用于梁柱、框架、椭圆容器等的焊接。
焊接操作机（manipulator）的作用是将焊机机头准确地送到并保持在待焊位置，或以选定的焊接速度沿规定的轨迹移动焊机机头。
焊接操作机与变位机、滚轮架等配合使用，可完成纵缝、环缝、螺旋缝的焊接，还可以用于自动堆焊、切割、探伤、打磨、喷漆等作业。
1.2焊接变位机械具有的性能
1）焊件变位机械和焊机变位机械要有较宽的调速范围，稳定的焊接运行速度，以及良好的结构刚度。
2）对尺寸和形状各异的焊件，要有一定的适用性。
3）在传动链中，应具有一级反行程自锁传动，以免动力源突然切断时，焊件因重力作用而发生事故。
4）与焊接机器人和精密焊接作业配合使用的焊件变位机械，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。
5）回程速度要快，但应避免产生冲击和振动。
6）有良好的接电、接水、接气设施，以及导热和通风性能。
7）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、药皮等赃物，应易被清除。
8）焊接变位机械要有联动控制接口和相应的自保护功能，以便集中控制和相互协调动作。
9）工作台面上应刻有安装基线，并设有安装槽孔，能方便地安装各种定位器和夹紧机构。
10）兼做装配用的焊件变位机械，其工作台面要有较高的强度和抗冲击性能。
11）用于电子束焊、等离子弧焊、激光焊和钎焊的焊件变位机械，应满足导电、隔磁、绝缘等方面的要求。
第二章焊接变位级的方案设计
2.1设计方案
1）设计要求，技术要求
工作台回转
工作台倾斜
载重量
回转速度
工作台倾斜角度
允许工件最大尺寸
电动机驱动
手动
10kg
15-500r/min
oo-450
350mm-350mm
2）回转机构的确定
由于工作台回转速度低，额定功率低，故可取手柄传动;因传动比比较大，由直流电动机经一级皮带和一级锥齿轮传动。
3）倾斜机构的确定
工作台的倾斜是为了使工件定位，其倾斜运动一般是电动机经减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜。
因此次设计的载重量不是很大，故采用人工手柄带动，通过旋转机构在OO-45O范围调节，以适应工件在倾斜位置施焊。
4）机构预期寿命估算
机构预期使用寿命为5年，由于变位机上面焊件不可能总是在全自动化条件下焊接及安装和取放，即不是连续工作，则按运行时间按工作时间的50%计算。
以每天两班制，全年工作300个工作日记则其使用寿命为5x300x2x8x50%=12000小时。
据《焊接工装夹具及变位机械图册》初步设计焊接变位机简图,如图1-2所示
传动简图
图1-2台式焊接变位机简图
2.2回转机构设计
1）方案确定
焊接变位机工作台的回转运动，多采用直流电动机驱动。
工作台的回转运动应具有较宽的调速范围，国产变位机的调速比一般为1:
33左右；国外产品一般为1:
40，有的甚至达1:
200。
工作台回转时，速度应平稳均匀，在最大载荷下的速度波动不得超过5%。
本设计主要针对10kg焊接变位机机构进行设计，该设计要求焊接变位机的载重量为10kg，工作台回转速度为15～500r/min，工作台倾斜角度00～450。
2）原始数据
载重量
10kg
回转电机功率
38w
工作台回转速度
15～500r/min
3）工作条件
每天工作8小时，环境温度30度，一年工作300天使用寿命5年，载荷平稳，环境清洁，有较好的通风条件。
4）电机的选择
根据此焊接变位机的特点，选用直流电动机SYL-5，额定功率为38W,满载转速为500r/min。
5）V带的设计及计算
a.确定计算功率PC由表9.21[1]查得KA=1.2
PC=KAP=1.2×38×10-3Kw=0.0456KW
b.选取普通V带型号
根据PA=0.0456KW和n1=500r/min,由图9.13[2]确定为Y型带
c.确定带轮基准直径
小带轮的基准直径为d1＝42mm，小带轮的转速n1=500r/min
大带轮的基准直径d2＝72mm，大带轮的转速n2=291.67r/min
实际传动比i＝＝1.71
从动轮的转速为n2＝＝500／1.71＝292.40r/min
误差：
△n2所以＝-0.2%
所以误差在±5%之内，为允许值。
d.验算带速V
V=
d1n1/60×1000=
×42×500/60×1000m/s=10.99m/s
带速在5-25m/s范围内。
e.确定带的基准长度Ld和传动中心距a
由于此焊接变位机具有升降运动。
摇动升降机构手柄，使得升降锥齿轮副转动，由于大锥齿轮以螺母的方式与升降丝杠想啮合，故带动旋转机构沿导向轴和燕尾槽垂直升降。
顶针的升降可通过转动顶针机构省的小手柄，带动与齿条想啮合的齿轮转动，从而使得顶针机构沿导杆上下升降。
所以带的基准长度和传动中心距根据升降高度来更换带长，从而确定带长。
按结构设计要求初定中心距为a0=220mm
0.7（d1+d2）
a0
2（d1+d2）
故79.8
a0
228
带长L0
L0=
+
=620mm
由表9.4[3]选取基准长度Ld=630mm
实际中心距a
此结构中心距距可调整
a
a0+
=[220+
]mm
=225mm
f.验算小带轮包角
演算小带轮包角a1=172.6﹥120
g.计算带的根数Z
由d1=72mmn1=500r/min得
P0=0.36kw
由表9.18[4]，图9.12[5]查的Kb=0.0204x10-3Ka=0.97
Z=1.03
所以圆整后z取1根
h.计算对轴的压力
由表9.6查得q=0.02kg/m
所以带根带的初拉力FQ为
FQ=
（
）+qv2
=5.69N
i.带的结构设计
小带轮基准直径d1=42mm
大带轮基准直径d2=72mm
画出带的结构示意图
2.3回转轴的设计及计算
1）轴的设计方案
旋转轴主要是在卸去螺钉9，加附件20,21,22,23,24，使得旋转机构绕此轴（件5）在450范围内进行调节，，以适应工件在倾斜位置的施焊。
由于整个旋转机构可以倾斜又可以升降，所以该机可认为是一台可升降的焊接变位机。
2）设计轴的工艺选择
在一般情况下，轴的工作能力取决于它的强度，刚度。
对于高速轴，有时还取决于它的振动稳定性。
由于各种机械对轴的工作要求不同，设计时要解决的主要问题也往往有所不同，对一般的轴都要求其有足够的强度、刚度、合理的结构和良好的工艺性。
因此，在轴的设计中应对轴进行强度计算，以防止断裂；对于有刚度要求的轴还要进行刚度计算，以防止工作时产生不必要的变形。
此外，对于高速轴还要进行振动稳定性计算，以防止发生共而破坏。
3）轴的材料选择
轴的材料首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低；还必须能满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性要求；并具有良好的加工性能，且价格低廉，易于获得。
轴的常用材料主要是碳钢和合金钢，其中以经过锻造的45钢为最常用，其次是球墨铸铁和高强度铁。
碳钢有足够的强度，对应力集中的敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格较低，应用最广。
一般机器中的轴，采用30、40、45及50等优质中碳钢制造，通常要进行调质或正火处理。
不重要或受力较小的轴采用Q235、Q255、Q275等普通碳素钢制造。
合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的热处理性能，但对应力集中比较敏感，价格较高，常用于制造强度、耐磨性要求高或有其他特殊要求的轴，如高速、重载的轴或受力3大而又要求尽量减小尺寸和重量的轴等。
常用的合金钢有20Cr、40Cr、20CrMnTi等。
由于合金钢对应力集中较敏感，在结构设计中尽可能低减小集中和降低表面粗糙度值。
否则，疲劳强度降低，失去了采用合金钢的意义。
在此焊接变位机中，对于旋转轴的选择采用45钢。
便于进行机械加工制造，应用最为广泛。
4）轴的结构设计
a.轴的材料选择以及确定许用应力
由已知条件可知，在此焊接变位机中，对于旋转轴的选择采用45钢。
查得强度极限σb=598MPa，再查得[σ-1b]=50MPa.
b.计算轴的最小直径
查得C=118～107
d≥C
=（107～118）
=31.3～35.4mm
考虑到轴的最小直径上有键槽的存在，故需要将估算的轴直径加大3%～5%，取为32.65～36.86mm。
由设计手册取标准直径d1=35mm。
c.
轴的设计示意图
作图时必须以轴承位中心，并考虑到传动零件的安装和固定。
在对于轴的设计时，即可按此确定轴上主要零件的安装位置。
并且考虑到箱体可能有铸造误差，故使齿轮距离箱体内壁有一定的距离，轴承内侧与箱体内壁间有一定的距离。
d.确定各段轴的直径
如上图所示，轴段直径最小d1=10mm，轴段4上安装轴承，可算得d2=14mm，d3=12mm，d4=16mm，d5=20mm。
e.确定各轴段的长度
为了保证齿轮端面与箱体内壁不相碰，齿轮端面与箱体内壁间应有一定的间距，为保证轴承安装在箱体中，具有一定的润滑。
各个轴段的长度计算所得L1=13mm,L2=5mm,L3=9mm,L4=28mm,L5=132mm.
f.选定轴的结构细节，圆角，倒角等尺寸如图所示。
5）轴的强度校核
在进行轴的强度计算时，通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点。
支点反力的作用点一般可以近似取在轴承宽度的中点上。
由于此轴为实心轴，取
W=
．
≈0.1
，其计算截面上的强度为
σe=
=
=45MPa≤[σ-1b]=60MPa
2.4锥齿轮的传动设计
1）设计方案
锥齿轮示意图
锥齿轮有直齿、斜齿和曲线齿之分，其中直齿轮锥齿轮最常用，斜齿锥齿轮已经逐渐被曲线锥齿轮代替。
与圆柱齿轮相比，直齿锥齿轮的制造精度较低，工作时振动和噪声都较大，适用于低速轻载传动；曲线齿锥齿轮传动平稳，承载能力强，常用于高速重载传动，但设计上复杂。
因此，在次焊接变位机中主要使用标准直齿锥齿轮。
2）主要的几何尺寸（ha*=1,c*=0.25）
分锥角δ：
δ1=arctan（
）=26.60
δ2=900-δ1=63.40
齿顶高ha：
ha=ha*m=1
齿根高hf：
hf=（ha*+c*）m=1.25
分度圆直径d：
d1=mz1=30
d2=mz2=60
齿顶圆直径da：
da1=d1+2hacosδ1=31.80
da2=d2+2hacosδ2=60.90
齿根圆直径df：
df1=d1-2hfcosδ1=27.76
df2=d2-2hfcosδ2=58.88
锥距R：
R=
=33.54
齿根角θf：
tanθf=
=0.037（θf=2.12）
顶锥角δa：
δa1=δ1+θf=28.71
δa2=δ2+θf=65.52
根锥角δf：
δf1=δ1-θf=24.48
δf2=δ2-θ2=61.28
顶隙c：
c=c*m=0.25
分度圆齿厚s：
s=
πm=1.57
3）锥齿轮的啮合传动
由于锥齿轮的模数m≤1，故取齿顶高因数ha*=1,顶隙因数c*=0.25
，传动比i=
=1.97
2.4轴承的选择
滚动轴承的摩擦阻力小，载荷、转速以及工作温度的适用范围广。
润滑、维修方便。
由于滚动轴承的机械效率较高，对轴承的维护要求较低，因此在中、地转速以及精度要求较高的场合广泛应用。
滚动轴承的疲劳寿命是相当离散的，即同一批轴承在同样的工作条件下，各轴承的寿命并不相同。
基本额定寿命用L10（或L10h）表示。
那么此焊接变位机的中轴承的寿命为
L10=
=15000h
小结
本次毕业设计的课题是小型台式焊接变位机，它通过一些机械传动机构，用来实现焊接工件的回转、倾斜，使得焊工操作的更加方便快捷，提高工作效率。
它主要包含三个运动：
弹簧夹头的转动、水平移动、升降运动。
旋转机构使得工件在合适的位置，便于焊接。
这次设计的是一个纯机械产品，所以对机械设计和机械原理的基础知识要求较高，我在认真分析所选课题和手头资料后，从传动方案的设计入手。
进行运动学和动力学设计，主要是设计传动机构。
通过本次毕业设计，使我对过去所学知识进行了系统的回顾，并且独立地完成了传动机构的设计。
初步具备了设计简单机械的能力，设计的焊接变位机因为生产效率高，加工精度稳定，设计研制周期较短，所以特别适用于大批量生产。
由于技术水平有限，加上时间仓促，设计中存在着一些不足之处，还有待于改进。
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