《变位器工装设计》doc版.docx

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《变位器工装设计》doc版西南交通大学本科毕业设计（论文）第I页本科毕业设计（论文）0.1t普通座式焊接变位机年级:

2002级学号:

姓名专业:

材料加工工程指导老师:

2006年6月院系材料科学与工程学院专业材料加工工程年级2002级姓名贺有旭题目0.1t普通座式焊接变位机指导教师评语指导教师（签章）评阅人评语评阅人（签章）成绩答辩委员会主任（签章）年月日西南交通大学本科毕业设计（论文）第62页毕业设计（论文）任务书班级材料02—5班学生姓名贺有旭学号20023237发题日期：

2006年3月10日完成日期：

6月15日题目0.1t普通座式焊接变位机1、本论文的目的、意义焊接变位机是将工件回转、倾斜，以便使工件上的焊缝至于水平和船形位置的机械装置，主要用于机架、机座、机壳等非长形工件的焊接。

座式焊接变位机是应用最广的一种焊接变位机，载重量一般为1～50吨，本设计主要进行0.1t的普通座式焊接变位机的设计，该装备是以电动机—减速机驱动工作台回转并倾斜的焊接变位机械，是适应相关工件焊接需要而出现的焊接设备。

2、学生应完成的任务：

（1）设计图纸A0当量大于3张；

（2）设计说明书一份；（3）英文翻译一份；（4）设计日志一份3、论文各部分内容及时间分配：

（共15周）第一部分查阅文献及调研（1周）第二部分总体设计方案的比较论证及拟定（2周）第三部分传动机构的设计及计算校核、修改（3周）第四部分绘制设备机构及零部件图（8周）第五部分毕业论文的撰写（2周）评阅及答辩（周）备注指导教师：

年月日审批人：

年月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0.1吨小型座式焊接变位机。

该变位机具有两个自由度，有两套独立的驱动和传动装置。

可以方便实现工件的旋转和倾斜翻转，从而能使焊缝变化到平焊位置或“船形”位置。

文中对驱动力的计算、机架的设计进行了说明，尤其是对传动装置的设计进行了重点说明。

本焊接变位机采用直流电机—减速机驱动工作台回转并倾斜，具有运动精度高、惯量小、制动性和稳定性好，可实现无级调速，方便实现正反转等优点。

批量生产可获得比较高的经济效益。

关键词：

焊接变位机；变位自由度；焊接辅机；焊接自动化设备；AbstractWeldingpositionerisakindofweldingauxiliaryequipment,itwasknownasthethreeplanesinweldingauxiliaryequipmentwithweldingmanipulator,weldingrollerbed.Weldingpositionerwasdesignedwiththedevelopmentofweldingindustrymechanization,andautomation.Asaweldingauxiliarymachine,weldingpositionerwasusedinpipe′slandscapeorientationwelding,pipeandflange′sinsideandoutsidecentrallinkingwelding,pipeweldinginalllocation.Thoughthegyrationandretroflexionoftheworkbench,theweldingpositionercanmaketheweldinglinetoanidealposition,whichcanimprovethequalityoftheweldedjoint,reducewelder’sworkload.Itisidealequipmentespeciallyfittoweldthekindsofworkpiece,justliketheshaft,tray,canister,andsoon.Byunderstandingtheweldingpositioner′sdevelopmentindomesticandoverseas,andthepositionerusedinweldingrobotisdescribedinthepaper.Asmallblock0.1tonsofweldingpositionerisdesigned.Thepositionerhastwofreedomsofmotionsandtwounattachedformuladrivingdeviceandgearing.Itcaneasilyachievethegyrationandtheinclinationoftheworkpiece,therebychangingweldingseamtodownhandpositionor“shipform”position.thecountofdrivingpoweriscalculated,theframeworkoftheweldingpositionerisdesigned,especiallythegearing.ThisweldingpositionerusedDCmotorandslowdownplanetodrivetheworkbenchtogyrationorinclination.Ithassomeadvantages,suchasahigh-precisionmovement,inertiasmall,goodbrakingandstability.Italsocaneasilyachievesteplessspeedregulation,positiveornegativeturns.Becauseofitsnotableseconomicbenefit,ifitwouldbeenproducedlargely.Keywords:

weldingpositioner，freedomofdeflection，weldingauxiliarymachine，weldingautomaticequipment.目录第一章绪论11.1设计焊接变位机的意义11.2国内外焊接变位机发展简介11.3我国焊接辅助设备简介31.3.1我国焊接辅助设备的发展历程31.3.2焊接辅助设备的发展趋势41.4关于焊接机器人51.4.1国内焊接机器人技术的发展51.4.2我国焊接机器人的应用状况51.4.3应用焊接机器人的意义61.4.4我国焊接机器人应用工程71.4.5焊接机器人的最新应用技术81.5关于焊接变位机的几个基本定义91.5.1焊接变位机的定义91.5.2主自由度及全功能焊接变位机91.5.3焊接变位机的变位自由度101.5.4变位机的第一主参数--额定负荷101.6焊接变位机的分类111.6.1焊件变位机的类型111.6.2焊机变位机械的类型131.6.3焊工变位机的类型141.7几种常见的焊件变位机的类型及特点141.8设计本焊接变位机的目的和意义16第2章总体设计172.1本焊接变位机总体设计及适用范围172.2设计方案的确定17第3章传动部分设计213.1传动部分的总体设计要求213.2传动系统的分析和拟定213.3本焊接变位机传动系统的确定233.3.1工作台回转系统233.3.2工作台倾斜系统233.4电动机的选择243.4.1电动机类型的选择243.4.2电动机功率的确定273.4.3电动机转速的验证333.5传动比的拟定及确定343.5.1总传动比的确定343.5.2各级传动装置传动比的分配343.5.3.计算传动装置的运动和动力参数363.6蜗轮、蜗杆的选择及校核383.6.1蜗杆传动的特点383.6.2蜗杆头数和蜗轮齿数的选择393.6.3蜗杆传动的强度计算403.7齿轮的设计与校核423.7.1工作台倾斜机构中的齿轮的设计与校核423.8谐波齿轮减速器的选择443.9轴的设计与校核473.9.1轴的结构设计原则473.9.2轴的初估473.9.3轴的强度校核483.10轴承的选择与校核523.10.1轴承的选择523.10.2轴承的校核52第4章机架的设计554.1机架的设计554.2机架焊接结构设计564.2.1机架应用焊接结构存在的问题564.2.2焊接结构的设计措施57结论58致谢59参考文献60第一章绪论1.1设计焊接变位机的意义焊接技术自发明至今已有百余年的历史，工业生产中的一切重要产品，如航空、航天及核能工业中产品的生产制造都离不开焊接技术。

其焊接质量的好坏直接影响产品质量的好坏，直接影响整机性能。

所以改进焊接技术，提高焊接质量对工业现代化起着重要的作用，其中提高焊接机械化、自动化水平，实现焊接工艺及装备的现代化是改进焊接质量的一个重要方面，一般来说焊件的质量比较重，靠人工改变焊缝位置很不容易，且效率十分低下。

这样在焊接生产中，就会遇到焊接变位及选择合适的焊接位置的情况，针对这一实际需要，人们就设计研制了焊接变位机，选择合适的变位机能将被焊工件的各类焊缝转动到最佳位置,从而避免立焊、仰焊，提高焊接质量及生产效率。

变位机可以使工件上的接缝处于理想的船形位置或平焊位置进行焊接，是提高焊接效率和质量，降低劳动强度的有效廉价工具。

另外,选择合适的变位机能降低工人的劳动强度及生产成本,加强安全文明生产,有利于现场管理。

在我国，焊接变位机也已悄然成为制造业的一种不可缺少的设备，在焊接领域把它划为焊接辅机，它与焊接操作机、滚轮架并称为焊接辅机中三大机。

近十年来，这一产品在我国工程机械行业，有了较大的发展，获得了广泛的应用。

就型式系列和品种规格而言，已问世的，约有十余个系列，百余品种规格，正在形成一个小行业。

1.2国内外焊接变位机发展简介一般说来，生产焊接操作机、滚轮架、焊接系统及其他焊接设备的厂家，大都生产焊接变位机，生产焊接机器人的厂家，大都生产机器人配套的焊接变位机。

但是，以焊接变位机为主导产品的企业，非常少见。

德国Severt公司，美国Aroson公司，我国天津鼎盛工程机械有限公司等，算是比较典型的生产焊接变位机的企业。

德国的CLOOS、奥地利Igm、日本松下机器人公司等，都生产与机器人配套伺服控制的焊接变位机。

美国Aroson公司生产的焊接设备有焊接变位机、操作机、滚轮架等，可称世界之最。

这个公司生产的焊接变位机，主要类型为倾翻—回转式、倾翻—回转升降式、双座双回转式，双座单回转式和双座单回转升降式。

其承载能力范围为11kg～1810吨。

德国LCOOS公司是国际上生产焊接设备的大型公司之一。

生产焊接机器人、焊机等产品。

也生产作为焊接机器人外部轴的焊接变位机。

在我国，除可见到与焊接机器人系统配套进口的L型双回转式、倾翻-回转式和单回转式变位机外，还生产卧式单坐单回转WPV、立式单回转RR502以及各种多轴焊接机器人配套的变位机，如立式多工位2×卧式单回转R-WPV2型（3轴）、立式多工位2×C型双回转式R-WPV2-CD（5自由度）、立式多工位2×倾翻-回转GR-WPK2（5轴）、立式多工位2×倾翻-回转×单回移动转式GR-WPK2-CD（9轴）等。

日本松下公司也是机器人制造公司。

这个公司生产的机器人外部设备—焊接变位机有12个系列。

他们把传动装置、机座、夹具体等作成了标准模块，集合而成产品系列。

80年代初期我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差、自动化程度低，只能算作机械化的焊接设备。

目前焊接变位机已系列化生产，最大承载能力达100t，每年都有各种汽车、机车、工程机械部件焊接用大、中型单面回转和双面回转翻转机投运。

现在我国生产焊接变位机的厂家已经不少，但大都不成规模。

以变位机为主导产品发展起来的企业，尚未形成，企业应用焊接变位机也较少。

天津鼎盛工程机械有限公司、无锡市阳通机械设备有限公司、长沙海普公司、威达自动化焊接设备公司等单位生产的变位机在国内占有较大市场。

到2000年，国内已开发的变位机产品约70余品种规格。

可见，国内焊接变位机的发展空间还很大，主要向精密化、大型化、功能多样化、智能化和集成化方向发展[1]。

1.3我国焊接辅助设备简介1.3.1我国焊接辅助设备的发展历程焊接辅助设备与器具制造行业自设立以来在整个焊接行业中占有重要地位，并受到业内人士的高度重视。

十五年来我国焊接辅助设备与器具制造行业在原有基础上有了较快的发展，焊接辅助设备品种已从传统的三大机－焊接操作机、变位机、滚轮架扩大到各种焊接专用成套设备，机器人工作站配套设备、焊接生产线和柔性焊接生产系统等。

从事焊接装备设计和生产的企业规模不断扩大，技术水平、产品质量不断提高。

焊接辅助设备确切的名称应为焊接工艺装备。

凡生产焊接结构的加工设备和装置均属于焊接工艺装备，其中包括备料设备，焊接装配工夹具，焊接变位机械、焊件后处理设备等。

与焊接工序直接有关的焊接工艺装备主要有坡口加工设备，焊接装配工夹具、焊接变位机，焊接操作机、专用成套焊接设备，机器人工作站和焊接生产线等。

我国焊接工艺装备制造行业起步较晚，直到二十世纪70年代初才在上海、成都、长春等地陆续建成一批专门生产焊接工艺装备的制造厂。

进入80年代，随着国内焊接工艺装备需用量的日益增长，各地又相继成立了多家中小型焊接装备生产厂。

近期又新建成或改建具有一定规模的焊接装备生产企业。

迄今，我国已有24家焊接装备生产企业，年产量2000万元以上的已有10多家。

有些企业发展速度较快,并已具有较大的规模，某些焊接装备已实现批量生产。

在焊接装备的品种、技术特性方面，80年代初期我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等，成套性较差、自动化程度低。

80年代后期，由于大量引进了国外较先进的成套焊接装备，促进了国产焊接装备的技术进步，无论是装备的成套性、自动化程度还是设备的精度和制造质量都有不同程度的提高。

在焊接装备的驱动和控制系统中广泛采用了当代较先进的交流电机变频调速、直流电机的可控硅调速，PLC可编程控制器、伺服电机及其驱动系统、微机和工业计算机控制等。

焊接装备的自动化程度有了较大的提高。

焊接操作机可按用户的需要配备焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。

1.3.2焊接辅助设备的发展趋势为适应世界焊接辅助设备行业的发展，提高我国焊接辅助设备的技术水平，焊接辅助设备将要向如下五个方向发展[2]：

1．精密化精密化的内涵包括高精度、高质量和高可靠性。

从设备外观上看有些焊接装备几乎接近于精密金属切削机床，在精度要求上，以焊接机器人配套的焊接变位机为例，最高的重复定位精度为±0.05mm，机器人和精密操作机的行走机构定位精度为±0.1mm，移动速度的控制精度为±0.1％。

2．大型化焊接装备的大型化是焊接结构向高参数、重型化和大型化发展的需要。

如重型厚壁容器焊接中心的立柱横梁操作机的最大规格已达12.5m×10m。

龙门式操作机的规格为8m×8m。

大型造船厂使用的门架式钢板纵缝焊机最大行程为12m。

集装箱外壳整体组装焊接中心门架式操作机的工作行程达16m。

重型H型钢和箱型梁生产线占地面积可达整个车间。

3．多功能化为充分发挥自动化焊接设备的效率，一台焊接装备可按工艺要求装备各种焊头，如单丝和多丝埋弧焊，单丝或双丝窄间隙埋弧焊头，MIG／MAG焊头和带极堆焊头等，与滚轮架，变位器或翻转机配套可以完成筒体内外纵环缝，封头拼接缝，内壁堆焊、大直径接管环缝焊接等。

4．数字化焊接装备的数字化控制虽然比传统的金属切削加工复杂得多，但实施数字控制的意义则更为重要，不仅提高了效率而且确保了批量生产过程中稳定的焊接质量还改善了操作环境。

目前在焊接装备控制系统中，采用PLC可编程控制器已成为最普通的控制器件，为提高焊接装备自动控制的功能和精度已开始采用基于PC机的自动控制系统和直接数字控制系统，同时也为焊接装备的网络化控制和管控一体化提供了可能。

5．智能化和集成化焊接装备的智能化控制是焊接过程自动控制的高级形式，通过各种专用的计算机软件可按原始工件和焊接参数对焊接工艺参数进行优化选择。

对于厚壁接头、智能化控制可根据实测接头的几何尺寸自动编制焊接程序和焊接工艺参数，以实现焊接过程的全自动化。

1.4关于焊接机器人1.4.1国内焊接机器人技术的发展我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。

到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。

而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。

鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。

与此同时于1986年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。

在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。

在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中。

经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。

1.4.2我国焊接机器人的应用状况我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。

汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。

早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。

“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。

1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线。

80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。

随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。

可以说90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。

由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。

近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。

铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。

进入21世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千台的数量增长。

目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。

日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。

欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。

国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。

目前在我国应用的工业机器人中，国产机器人的数量不足100台，特别是近两年新安装的机器人焊接系统中已经看不到中国机器人的身影，虽然我国已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模[2]。

1.4.3应用焊接机器人的意义焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。

归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：

（1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。

焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。

采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。

而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。

（2）改善了工人的劳动条件。

采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。

（3）提高劳动生产率。

机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。

（4）产品周期明确，容易控制产品产量。

机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

（5）可缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。

可实现小批量产品的焊接自动化。

机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。

1.4.4我国焊接机器人应用工程焊接机器人应用技术是机器人技术、焊接技术和系统工程技术的融合，焊接机器人能否在实际生产中得到应用，发挥其优越的特性，取决于人们对上述技术的融合程度。

经过近10年的努力，我国在机器人焊装夹具设计方面积累了较丰富的经验，机器人周边设备实现了标准化，具有年产300余套焊接机器人工作站的能力。

可以说国内的系统集成商在机器人工作站及简单的焊