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畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ）任 務 書
（指導教師填表）
填表時間：2013 年 4 月2 日
學生姓名
孔祥歌
專業(yè)班級
國教
機電092
指導教師
韓紅彪
課題類型
工程設計
設計（論文）題目
500公斤液壓伸臂式焊接變位機設計
主要研
究內(nèi)容
設計一臺500公斤液壓伸臂式焊接變位機設計，可實現(xiàn)焊接工件的回轉(zhuǎn)、傾斜（通過液壓實現(xiàn)），以便使工件上的所有焊縫通過回轉(zhuǎn)和傾斜后都能處于水平和船形焊位置，以便于焊工操作進行焊接。主要包括：
1．焊接變位機的底座、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、傾斜機構(gòu)等的機械設計、裝配圖和零件圖設計；
2．設計參數(shù)：載重量500kg；最大回轉(zhuǎn)力矩100N·m；工作臺回轉(zhuǎn)速度0～1r/min；工作臺傾斜速度0.7r/min；工作臺回轉(zhuǎn)角度360°；工作臺傾斜角度130°。
3．整個機械系統(tǒng)應簡單可靠，操作方便。
4．編寫相應的設計說明書。
主要技
術指標(或研究目標)
1．應在老師的指導下獨立進行調(diào)查研究，選定合理的設計方案，機械設計要完成不少于3張零號圖紙的結(jié)構(gòu)設計圖、裝配圖和零件圖，其中應包含一張以上用計算機繪制的具有中等難度的1號圖紙，同時至少有折合1號圖幅以上的圖紙用手工繪制。
2．需獨立完成10000個以上印刷符號的外語譯文，查閱到15篇以上與課題相關的文獻，按要求格式獨立撰寫不少于12000字的設計說明書。
3．通過設計使學生進一步鞏固和加深對所學的基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學生的獨立工作、獨立思考和綜合運用已學知識解決實際問題的能力，尤其注重培養(yǎng)學生開發(fā)創(chuàng)造能力和獨立獲取新知識的能力。
進度計劃
第 1 周： 調(diào)查研究、獲取資料信息，編寫開題報告。
第2 –3 周： 繼續(xù)學習，進行本專業(yè)外文閱讀和翻譯的工作。
第4 - 5 周： 進行設計方案的論證、分析和比較工作。
第 6-7 周：進行設備的機械結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設計。
第 8-9 周：進行機械裝配圖、零件圖設計。
第10-11周：撰寫設計說明書。
第12-13周：修改和打印論文、圖紙，準備進行答辯工作。
主要參
考文獻
〔1〕王政 焊接工裝夾具及變位機械（性能設計選用） 機械工業(yè)出版社 2000年
〔2〕甘肅工業(yè)大學焊接教研室 焊接機械裝備 機械工業(yè)出版社 1992
〔3〕王政 焊接工裝夾具及變位機械圖冊 機械工業(yè)出版社 2006年
研究所（教研室）主任簽字： 2013 年 4 月3 日
河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 0.5 噸液壓伸臂式焊接變位機設計 摘 要 焊接變位機運動系統(tǒng)的設計是焊接變位機方案設計的核心內(nèi)容，而焊接變位 機運動自由度的確定是其前提條件。焊接變位機的關鍵是對變位機進行最佳位置 焊接所需要的運動自由度的設計，如平動或轉(zhuǎn)動的設計。 伸臂式焊接變位機是將工件回轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)，以便使工件上的焊縫置于水平和船 形位置的機械裝置。伸臂式焊接變位機是應用最廣泛的一種焊接變位機，載重量 一般不超過 1 噸。伸臂式焊接變位機的主體部分是翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、底座。 其設計的主要內(nèi)容包括：0.5 噸液壓伸臂式焊接變位機的機械結(jié)構(gòu)、箱體、 回轉(zhuǎn)機構(gòu)等的機械設計、裝配圖和零件圖設計。對傾斜和轉(zhuǎn)動方式、傳動方式等 可采用不同的設計方案。整個機械系統(tǒng)應簡單可靠，操作方便、經(jīng)濟適用。編寫 相應的設計說明書。 關 鍵 詞：伸臂式、焊接、變位機、液壓。 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） DESIGN OF 0.5 TONS OF HYDRAULIC OUTRIGGERS WELDING POSITIONER ABSTRACT Abstract is The welding dislodgement machine kinematic scheme design is the core content of the welds dislodgement machine plan design. But the welds dislodgement machine movement degree of freedom is the prerequisite situation. The key of welding dislodgement machine is the design of movement degree in the best position welding,such as plate or rotation design. Stretching arm-the welding dislodgement machine is rotating and turning over the specimens, in order to set the welded joint to the horizontal and the hull shape position mechanism. Stretching arm-welding dislodgement machine is one kind of the most applied widespread welding dislodgement machine, the load-carrying capacity generally does not surpass one ton. the stretching arm-welding dislodgement machine main body part is turning over the organization, rotation organization, foundation. The design of the main contents include: 0.5 tons of hydraulic outriggers welding positioner mechanical structure, cabinet, rotating mechanism such as mechanical design, assembly and part design plans. Tilt and rotation on the way, transmission methods can be a different design. The mechanical system should be simple, reliable, easy, affordable. The preparation of the corresponding design specification. KEY WORD: Cantilever ,Welding ,Positioner, Hydraulic. 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 目 錄 前 言 ...........................................................................................................1 第 1 章 課題簡介及焊接變位機發(fā)展史 .....................................................5 1.1 焊接變位機械的分類 ..................................5 1.2 焊件變位機械 ........................................5 第 2 章 焊接變位機的總體方案設計 .......................................................10 2.1 總體方案的確定 .....................................10 2.2 選擇傳動機構(gòu)類型 ...................................10 2.3 傳動方案框圖 ......................................11 第 3 章 液壓馬達、電機的和傳動裝置動力參數(shù)計算 ...........................12 3.1 液壓馬達的選用 .....................................12 3.1.1 回轉(zhuǎn)工作臺設計參數(shù) .............................12 3.1.2 液壓馬達的計算 .................................12 3.1.3 液壓馬達的輸出功率 .............................13 3.1.4 選擇液壓馬達的轉(zhuǎn)速 .............................13 3.2 電動機的選用 .......................................13 3.3 傳動機構(gòu)的總傳動比及其分配 .........................14 第 4 章 回轉(zhuǎn)軸與傾斜軸的設計 .............................................................15 4.1 回轉(zhuǎn)軸的設計及校核 ................................15 4.1.1.選擇軸的材料 ...................................15 4.1.2.回轉(zhuǎn)軸的強度計算 ...............................16 4.2 回轉(zhuǎn)軸上的軸承壽命校核 ............................19 4.2 .1 回轉(zhuǎn)軸上軸承的選擇 ............................19 4.2 .2 回轉(zhuǎn)軸上軸承的校核 ............................19 4.3 傾斜軸的設計及校核 ................................20 4.3.1 選擇軸的材料 ...................................20 4.3.2. 軸的強度計算 ..................................21 第 5 章 傾斜軸上鍵的選擇及校核 .........................................................24 河南科技大學畢業(yè)設計（論文） 結(jié) 論 .........................................................................................................25 致 謝 .........................................................................................................27 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 1 前 言 焊接作為一種制造技術，是適應工業(yè)發(fā)展的需要，以現(xiàn)代工業(yè)為基礎發(fā)展起 來的，并且直接服務于機械制造工業(yè)。焊接技術的發(fā)展與制造工業(yè)的需要緊密相 關。一般工業(yè)先進國家，鋼產(chǎn)量的 50%左右需采用焊接工藝才能形成產(chǎn)品，在石 油化工、礦山冶金、金屬結(jié)構(gòu)、起重運輸、水陸交通、航天航空、橋梁建筑、電 力能源等機械制造部門，焊接都有重要而廣泛的應用。許多設備中的大型結(jié)構(gòu)， 幾乎都是焊接結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在，隨著科學技術的進步，生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，焊接結(jié) 構(gòu)正朝著超大型、高容量、高參數(shù)、耐磨、耐蝕、耐低溫、耐動載的方向發(fā)展。 這就不僅需要為焊接生產(chǎn)提供各種性能優(yōu)異的焊接工裝設備，使焊接生產(chǎn)實現(xiàn)機 械化和自動化，減少人為因素的干擾，達到保證和穩(wěn)定焊接質(zhì)量、改善焊工勞動 條件、提高生產(chǎn)率、促進文明生產(chǎn)的的目的 1,2。 在人類社會步入二十一世紀的今天，焊接已經(jīng)進入了一個嶄新的發(fā)展階段。 當今世界的許多最新科研成果、前沿技術和高新技術，諸如：計算機、微電子、 數(shù)字控制、信息處理、工業(yè)機器人、激光技術等，已經(jīng)被廣泛地應用于焊接領域， 這使得焊接的技術含量得到了空前的提高，并在制造過程中創(chuàng)造了極高的附加值。 焊接已成為最流行的連接技術 3-4 。 在焊接生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到焊接變位機及選擇合適的焊接位置的情況，針對 這些實際需要，我們設計研制了焊接變位機，它可以通過工作臺的回轉(zhuǎn)和傾斜， 使焊縫處于易焊位置。焊接變位機與焊接操作機配合使用，可以實現(xiàn)焊接的機械 化、自動化，提高焊接的效率和焊接質(zhì)量。焊接變位機可以應用于化工、鍋爐、 壓力容器、電機電器、鐵路交通、冶金等工業(yè)部門的自動焊接系統(tǒng)。 在現(xiàn)代加工和制造過程中，焊接變位機已悄然成為了一種不可或缺的設備， 其作用越來越突出。特別是近十年來，這一產(chǎn)品在我國工程機械行業(yè)有了大的發(fā) 展，獲得了廣泛地應用。各種機械產(chǎn)品和機械設備的結(jié)構(gòu)件大多數(shù)都很復雜，尤 其是各種機械的主要關鍵不為，其焊接質(zhì)量的好壞直接影響整機性能。而選擇合 適的變位機能提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強度及生產(chǎn)成本，加強 安全文明生產(chǎn)，有利于現(xiàn)場管理。特別是入世的沖擊，機械市場競爭已經(jīng)變得越 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 2 來越激烈，國內(nèi)企業(yè)必須適應形勢，通過對焊接變位機等基礎設備加大投入以達 到生產(chǎn)能力的革命性成長。因此，近年來焊接變位機得到國內(nèi)工程機械行業(yè)的廣 泛共識，對這方面的投入都在加大 2-3。 一、國內(nèi)外同類設計（或同類研究）的概況綜述： 在我國，焊接變位機的地位越來越重要，在焊接領域把它劃為焊接輔機。近 十年來，這一產(chǎn)品在我國工程機械行業(yè)，有了較大的發(fā)展，獲得了廣泛的應用。 就型式系列和品種規(guī)格而言，已問世的約有十余個系列，百余品種規(guī)格，正在形 成一個小行業(yè)。在國際上，焊接變位機包括各種功能的產(chǎn)品在內(nèi)，有百余系列。 在技術上有普通型的，有無隙傳動伺服控制型的；產(chǎn)品的額定負荷范圍，達到 0.1kN18000kN?？梢哉f，焊接變位機是一個品種多，技術水平不低，小、中、 大發(fā)展齊全產(chǎn)品。 現(xiàn)在我國生產(chǎn)焊接變位機的廠家已經(jīng)不少，大都不成規(guī)模。以變?yōu)闄C為主導 產(chǎn)品發(fā)展起來的企業(yè)，尚未形成。天津鼎盛公司工程機械有限公司、無錫市陽通 機械設備有限公司、長沙海普公司、威達自動化設備有限公司等單位生產(chǎn)的變位 機在國內(nèi)占有較大市場。到 2000 年，國內(nèi)已開發(fā)的變位機產(chǎn)品約 70 余種規(guī)格。 以下簡單介紹這些變位機的基本型式。 以上基本型產(chǎn)品發(fā)展了 17 個系列，主要為普通型，用于手把焊。此外還有 調(diào)速型、聯(lián)控型和機器人配套型產(chǎn)品。 與焊接機器人配套用的變位機，開發(fā)了十余個品種。包括：工位變換機，如， 立式雙工位、四工位、八工位變位機，雙座單回轉(zhuǎn)式八工位和傾翻回轉(zhuǎn)式雙工位 變位機等；與機器人配套焊接變位機，如，傾翻-回轉(zhuǎn)伺服傳動式、雙座單回轉(zhuǎn)伺 服傳動式。多軸單回轉(zhuǎn)伺服傳動式等。 一般來說生產(chǎn)焊接操作機、滾輪架、焊接系統(tǒng)及其他焊接設備的廠家，大都 生產(chǎn)焊接變位機；生產(chǎn)焊接機器人的廠家，大都生產(chǎn)機器人配套的焊接變位機。 但是以焊接變位機為主導產(chǎn)品的企業(yè)，非常少見。德國 Severt 公司，美國 Aroson 公司，我國天津鼎盛公司工程機械有限公司等，算是比較典型的生產(chǎn)焊接變位機 的企業(yè)。德國的 CLOOS、奧地利 Igm、日本松下機器人公司等，都生產(chǎn)伺服控制 與機器人配套的焊接變位機。他們的產(chǎn)品，我國都有引進，其中以 ESAB 公司的 較多，蘭州石油化工機器廠為了核電站反應容器的生產(chǎn)的 30T 焊接變位機；四川 東方鍋爐廠為了核電站反應容器的生產(chǎn)，1997 年也從該公司引進了 100T 的焊接 變位機，長春焊機廠還從日本引進了生產(chǎn)焊接變位機的技術 1,4-5。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 3 焊接變位機以其獨特的性能，在工業(yè)發(fā)達的國家已經(jīng)得到了廣泛的應用。焊 接變位機在實際應用中呈現(xiàn)出如下主要特點： 1) 焊件變位機械和焊機變位機械有較寬的調(diào)速范圍,穩(wěn)定的焊接運行速度, 以及良好的結(jié)構(gòu)剛度。 2) 對尺寸和形狀各異的焊件，有一定的適用性。 3) 在傳動鏈中，具有一級反行程自鎖傳動，以免動力源突然切斷時，焊件 因重力作用而發(fā)生事故。 4) 與焊接機器人和精密焊接作業(yè)配合使用的焊件機械，視焊件大小和工藝 方法的不同，其到位精度和運行軌跡精度能控制在 0.12mm 之間，最高精度可 達 0.01mm。 5) 回程速度快，能避免產(chǎn)生沖擊和振動。 6) 有良好的接電、接水、接氣設施，以及導熱和通風性能。 7) 整個結(jié)構(gòu)有良好的密閉性，以免焊接飛濺物的損傷，對散落在其上的焊 渣、藥皮等應易清除。 8) 焊接機械有聯(lián)動控制接口和相應的自保護功能，以便集中控制和相互協(xié) 調(diào)動作。 9) 工作臺面上刻有安裝基線，并設有安裝槽孔，能方便地安裝各種定位器 件和夾緊機構(gòu)。 10) 兼作裝配用的焊件機械，其工作臺面有較高的強度和搞沖擊性能。 11) 用于電子束焊、等離子焊弧焊、激光焊和釬焊的焊件機械，能滿足導電、 隔磁、絕緣等方面的特殊要求 1,6。 二、任務來源 在焊接作業(yè)中，經(jīng)常使用各種焊件變位機械，但在多數(shù)場合，焊件變位機械 是與焊機變位機械相互配合使用的，用來完成縱縫、橫縫、環(huán)縫、空間曲線焊縫 的焊接以及堆焊作業(yè)。焊件變位機械也是機械化、自動化裝焊生產(chǎn)線上的重要組 成部分。在以弧焊機器人為中心的柔性化加工單元（FMC）和加工系統(tǒng)（FMS） 中，焊件變位機械也是組成設備之一。在復雜焊件焊接和要求施焊位置精度較高 的焊接作業(yè)中，例如窄間隙焊接、空間曲面的帶極堆焊等。都需要焊件變位機械 的配合，才能完成其作業(yè) 1-2,7-8。 故本課題便來源于生產(chǎn)，以便用自己大學幾年所學的專業(yè)知識位社會敬獻一 份微薄的力量。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 4 三、研究內(nèi)容 設計一臺 0.5 噸液壓伸臂式焊接變位機設計，可實現(xiàn)焊接工件的回轉(zhuǎn)、傾斜 （通過液壓實現(xiàn)） ，以便使工件上的所有焊縫通過回轉(zhuǎn)和傾斜后都能處于水平和 船形焊位置，以便于焊工操作進行焊接。主要包括： 1焊接變位機的底座、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、傾斜機構(gòu)等的機械設計、裝配圖和零件 圖設計； 2設計參數(shù)：載重量 500kg；最大回轉(zhuǎn)力矩 100Nm；工作臺回轉(zhuǎn)速度 01r/min ；工作臺傾斜速度 0.7r/min；工作臺回轉(zhuǎn)角度 360；工作臺傾斜角度 130。 3整個機械系統(tǒng)應簡單可靠，操作方便。 4編寫相應的設計說明書。 四、設計的依據(jù)與意義 （一） 、設計的目的及依據(jù) 為了更好地滿足人們對焊件行業(yè)存在的問題進行解決，縮短焊接輔助時間， 提高勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度，保證和改善焊接質(zhì)量，并可充分發(fā)揮各 種焊接方法的效能的不斷需求，讓其更好地為人類提供更優(yōu)的服務，為此，我們 設計了此課題 9。 數(shù)控式焊接變位機，主要用于筒形工件的環(huán)縫自動焊。工作臺能以穩(wěn)定的焊 接速度回轉(zhuǎn)，以便獲得優(yōu)良的焊縫成形。伸臂旋轉(zhuǎn)時，其空間軌跡為圓錐面，在 改變工件的傾斜位置的同時將伴隨著工件的升高或下降，以滿足獲得最佳施焊位 置的需求。因其優(yōu)點和特點和應用較多，因此，也形成了我們這次設計的依據(jù)。 （二） 、設計的意義 焊接變位機械是改變焊件、焊機或焊工的空間位置來完成機械化、自動化焊 接的各種機械設備。焊接變位機應用的意義在于，可以縮短焊接輔助時間，提高 勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度，保證和改善焊接質(zhì)量，并可充分發(fā)揮各種焊 接方法的效能。焊接變位技術是針對傳統(tǒng)的焊接行業(yè)的一次革命，具有劃時代的 意義 10。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 5 第 1 章 課題簡介及焊接變位機發(fā)展史 1.1 焊接變位機械的分類 焊接變位機械是改變焊件、焊機或焊式空間位置來完成機械化、自動化焊接 的各種機械設備。 焊接變位機械是改變焊件、焊機或焊工的空間位置來完成機械化、自動化焊 接的各種機械設備。焊接變位機應用的意義在于，可以縮短焊接輔助時間，提高 勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動強度，保證和改善焊接質(zhì)量，并可充分發(fā)揮各種焊 接方法的效能。 焊接變位機械的分類及各類所屬設備如下圖 1-1 所示： 圖 1-1 焊接變位機的分類及各類所屬設備 各種變位機械都可單獨使用，但在多數(shù)場合是相互配合使用的，它們不僅用 于焊接作業(yè)，也可用于裝配、切割、校驗、打磨、噴漆等作業(yè)。 1.2 焊件變位機械 焊件變位機械是在過程中改變焊件空間位置，使其有利于作業(yè)的各種機械設 備。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 6 焊件變位機械按功能不同，分為變位機、焊接滾輪架、焊接回轉(zhuǎn)臺和焊接翻 轉(zhuǎn)機四類。 在手工焊接作業(yè)中，經(jīng)常使用各種焊件變位機械，但在多數(shù)場合，焊件變位 機械是與焊機變位機械相互配合使用的，用來完成縱縫、橫縫、環(huán)縫、空間曲線 焊縫的焊接以及堆焊作業(yè)。焊件變位機械也是機械化、自動化裝焊生產(chǎn)線上的重 要組成部分。在以弧焊機器人為中心的柔性化加工單元（FMC）和加工系統(tǒng) （FMS ）中，焊件變位機械也是組成設備之一。在復雜焊件焊接和要求施焊位置 精度較高的焊接作業(yè)中，例如窄間隙焊接、空間曲面的帶極堆焊等。都需要焊件 變位機械的配合，才能完成其作業(yè)。 一、焊接變位機 （一）功能及結(jié)構(gòu)形式 焊接變位機, 是在焊接作業(yè)中將焊件回轉(zhuǎn)并傾斜，使焊件上的焊縫置于有利 于施焊位置的焊件變位機械。 變位機主要用于機架、機座、機殼、法蘭、封頭等非長形焊件的翻轉(zhuǎn)變位。 焊接變位機按結(jié)構(gòu)形式可分為三種： （1）伸臂式機，如圖 1-2 所示，其回轉(zhuǎn)工作臺繞回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)并安裝在伸臂的 一端，伸臂一般相對于某一旋轉(zhuǎn)軸成角度回轉(zhuǎn)，而此旋轉(zhuǎn)軸的位置多是固定的， 但有的也可在小于 100 度的范圍內(nèi)上下傾斜。這兩種運動都改變了工作臺面回轉(zhuǎn) 軸的位置，從而使該機范圍大，作業(yè)適應性好，但這種形式的變位機，整體性能 較差。 該機多為電動機驅(qū)動，承載能力在 0.5t 以下，適用于小型焊件的翻轉(zhuǎn)。也有 液壓驅(qū)動的，承載能力多在 10t 左右，適用于結(jié)構(gòu)尺寸不大，但自重較大的。 伸臂式的焊接變位機在手工焊中應用較多。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 7 圖 1-2 伸臂式焊接變位機 1-回轉(zhuǎn)工作臺 2-伸臂 3-傾斜軸 4-轉(zhuǎn)軸 5-機座 （2）座式焊接變位機 如圖 1-3 所示，其工作臺連同回轉(zhuǎn)機構(gòu)通過傾斜軸支 承在機座上，工作臺以焊速回轉(zhuǎn)，傾斜軸通過扇形齒輪或液壓缸，多在 的范圍 內(nèi)恒速度或變速傾斜。該機穩(wěn)定性好，一般不用固定在地基上，搬移方便，適用 于 0.550T 焊件的翻轉(zhuǎn)變位。是目前產(chǎn)量最大、規(guī)格最全、應用最為廣泛的結(jié)構(gòu) 形式。常與伸縮臂式焊接操作機或弧焊機器人配合使用。 圖 1-3 座式焊接變位機 1-回轉(zhuǎn)工作臺 2-傾斜軸 3-扇形齒輪 4-機座 （3）雙座式焊接變位機 如圖 1-4 所示。工作臺安裝在 “凹”形架上，以所 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 8 需的焊接速度回轉(zhuǎn)；“凹”形架座在兩側(cè)的機座上，多以恒速度或所需的焊接速 度繞水平軸線轉(zhuǎn)動。該機不僅穩(wěn)定性好，而且如果設計得當，可使焊件安放在工 作臺上后，隨“凹”形架傾斜的綜合重心位于或接近傾斜機構(gòu)的軸線，從而使傾 斜驅(qū)動力矩大大地減小。因此，重型焊接變位機多采用這種結(jié)構(gòu)。 雙座式焊接變位機適用于 50T 以上大尺寸焊件的翻轉(zhuǎn)變位。在焊接作業(yè)中， 常與大型門式焊接操作機或伸縮臂式焊接操作機配合使用。 焊接變位機的基本結(jié)構(gòu)形式雖然只有上述三種，但其派生形式很多，有些變 位機的工作臺還具有升降功能。 圖 1-4 雙座式焊接變位機 1-工作臺 2-“凹”形架 3-機座 4-回轉(zhuǎn)機構(gòu) 5-傾斜機構(gòu) （二）驅(qū)動系統(tǒng) 焊接變位機工作臺的回轉(zhuǎn)運動，多采用直流電動機驅(qū)動，無級變速。工作臺 的傾斜方式有兩種，一種是電動機經(jīng)減速器減速后通過扇形齒輪帶動工作臺傾斜 或通過螺旋副使工作臺傾斜;另一種是采用液壓缸直接推動工作臺傾斜。這兩種方 式都有應用，在小型變位機以電動機驅(qū)動為多。工作臺的傾斜速度多是恒定的， 但對應用于空間曲線焊接及空間曲面的堆焊的變位機，則是無級調(diào)速的。工作臺 的升降運動，幾乎都采用液壓驅(qū)動，通過柱塞式或活塞式液壓缸進行。 在電動機驅(qū)動的工作臺回轉(zhuǎn)、傾斜系統(tǒng)中，常設有一級蝸桿傳動，使其具有 自鎖功能。有的為了精確到位，還設有制動裝置，在變位機系統(tǒng)中，當工作臺在 創(chuàng)作位置以及焊件重心偏離工作臺回轉(zhuǎn)中心時，工作臺在轉(zhuǎn)動過程中，重心形成 的力矩在數(shù)值和性質(zhì)上是周期變化的，為了避免因齒側(cè)間隙在存在在力矩性質(zhì)改 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 9 變時產(chǎn)生沖擊，導致焊接缺陷，在用于堆焊或重要焊縫施焊的大型變位上，設置 了搞齒隙機構(gòu)或裝置。 工作臺的回轉(zhuǎn)運動應具有較寬的調(diào)速范圍，國產(chǎn)變位調(diào)速比一般為 1：33 左 右。國外產(chǎn)品一般為 1：40, 有的甚至達 1：200。工作臺回轉(zhuǎn)時，速度應平穩(wěn)均 勻，在最大載荷下的速度波動不得超過 5%。另外，工作臺傾斜時，特別是向上 傾斜時，運動應自如，即使在最大的載荷下，也不應產(chǎn)生抖動。 本次設計中，因為采用液壓系統(tǒng)，所以在工作臺的回轉(zhuǎn)、傾斜系統(tǒng)中，均采 用液壓驅(qū)動，其中回轉(zhuǎn)由液壓馬達提供動力，經(jīng)減速器、齒輪副驅(qū)動工作臺回轉(zhuǎn)； 傾斜由三組液壓缸驅(qū)動 1。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 10 第 2 章 焊接變位機的總體方案設計 2.1 總體方案的確定 接到一個機構(gòu)結(jié)構(gòu)的設計任務后，首先必須擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體裝 配草圖，才能決定各種設計參數(shù)和機構(gòu)，然后再就機械傳動部分進行設計計算。 機械傳動部分的總體方案的擬定應包括：系統(tǒng)運動方式的確定、電動機的選擇、 執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和傳動方式的確定。 一個好的傳動方案，除了首先應滿足機器的功能要求外，還應當工作可靠、 結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動效率高、成本低廉及使用維護方便等。當然，要完全 滿足這些要求是困難的。 0.5 噸液壓伸臂式焊接變位機主要有以下幾部分組成：底座、伸臂（主臂與 副臂） 、液壓系統(tǒng)、電動機、工作臺、工作臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)、箱體。其中，底座、箱 體、工作臺與伸臂各部件采用焊件；電動機采用外購件 Y112M-4 型；液壓系統(tǒng) 中液壓泵、液壓缸、液壓馬達、液壓閥等均為外購件。所以主要研究工作臺回轉(zhuǎn) 機構(gòu)。 工作臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)內(nèi)部包含電動機、減速機構(gòu)和導電裝置。減速機構(gòu)中的減速 器采用外購件 WHT80 型。導電裝置可以防止焊接電流通過軸承、齒輪等傳動零 件時起弧，產(chǎn)生“咬傷”零件的現(xiàn)象 11。 在設計過程中，主要內(nèi)容是確定齒輪副的各項參數(shù)，軸（回轉(zhuǎn)機構(gòu)中的長軸 和傾斜臂中的短軸）及其軸承的校核及電動機的選擇。 2.2 選擇傳動機構(gòu)類型 合理地選擇傳動類型是擬定傳動方案時的重要環(huán)節(jié)，參考機械設計課程設 計 ，得到常用的傳動機構(gòu)的類型、性能和適用范圍。 選擇傳動類型時，應綜合考慮各有關要求和工作條件，例如工作機的功能， 對尺寸、重量的限制，制造能力以及經(jīng)濟性等。選擇類型的基本原則為： 1. 對于傳遞功率不大，在滿足功能條件下，考慮采用齒輪傳動方式，因為其 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 11 結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小。 2. 傳動比要求較嚴格、無嚴格尺寸要求，所以采用齒輪傳動。 3. 考慮到其工作環(huán)境，采用半開式齒輪傳動 12,13。 2.3 傳動方案框圖 圖 2-1 傳動方案回轉(zhuǎn)機構(gòu)框圖 機器通常由原動機、傳動裝置和工作機等三部分組成。傳動裝置位于原動機 和工作機之間，用來傳遞運動和動力，并可用改變轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的大小或改變運動 形式，以適應工作機功能要求。傳動裝置的設計對整臺機器的性能、尺寸、重量 和成本都有很大的影響，因此應當合理地擬定傳動方案。 方案中，電動機為液壓泵提供動力，液壓泵驅(qū)動液壓馬達，通過液壓馬達輸 出轉(zhuǎn)速和扭矩，經(jīng)由減速器減速，最終帶動工作臺回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，來滿足機器的性 能和使用 3,14。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 12 第 3 章 液壓馬達、電機的和傳動裝置動力參數(shù)計算 3.1 液壓馬達的選用 3.1.1 回轉(zhuǎn)工作臺設計參數(shù) 回轉(zhuǎn)工作臺設計參數(shù)1,2 工作臺尺寸 100mm 允許最大荷重 500kg 工作臺回轉(zhuǎn)速度 01r/min 工作臺傾斜速度 00.7r/min 工作臺最大回轉(zhuǎn)力矩 100Nm 工作臺傾斜角度 130 3.1.2 液壓馬達的計算 液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)速的計算公式為 （3-1）VM TMqQn 式中： 馬達排量；q 總效率；M 容積效率。V 液壓馬達的輸出轉(zhuǎn)矩的計算公式為 （3-2）VMmMMqPqPT22 式中： 馬達排量；q 總效率；M 容積效率；V 馬達入口壓力與出口壓力之差。P 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 13 3.1.3 液壓馬達的輸出功率 工作臺回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要求為 100 ，由此得到馬達輸出轉(zhuǎn)矩。mN 查參考文獻9公式 2-1，得 （3-3）kwTnPW950 =1.5r/minN.24n 式中： 工作機的輸出轉(zhuǎn)矩；T 工作機的輸出轉(zhuǎn)速。wn 代入公式得 kWPW01.95mN10 此為當已知輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速時，工作機主動軸所需功率。 考慮傳動裝置的功率損耗，液壓馬達輸出功率為 （3-4）kkPwd016.4. 式中， 為電動機至工作機主動軸之間的總效率，即 = 12 n （3-5 ） 其中 1、 2、、 n 分別為傳動系統(tǒng)中聯(lián)軸器傳動、各對軸承、各傳動副的 效率乘積 64.021n 3.1.4 選擇液壓馬達的轉(zhuǎn)速 同一類型、功率相同的液壓馬達具有多種轉(zhuǎn)速。如選用轉(zhuǎn)速高的液壓馬達， 其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結(jié)構(gòu)尺寸和重量增加。 選用 n=250r/min 。 3.2 電動機的選用 因為電動機只為液壓泵提供動力，而泵的流量可以由流量閥控制，所以無嚴 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 14 格要求。 選用 Y112M-4 型電動機。 3.3 傳動機構(gòu)的總傳動比及其分配 此時，齒輪副傳動比 （3-6）5201zi 減速器 WHT80 型的傳動比為 850 的一個系列，選擇傳動比為 50，于是總 傳動比 （3-7）2501i 則工作臺回轉(zhuǎn)速度 （3-8）min/1501rinw 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 15 第 4 章 回轉(zhuǎn)軸與傾斜軸的設計 4.1 回轉(zhuǎn)軸的設計及校核 4.1.1.選擇軸的材料 1.該軸無特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的 45 鋼，由查參考文獻9表 12-2 知 。 MPaB640 2.初步估算軸徑 由表查參考文獻912-4，按 45 鋼，取 C=110；輸出功率 = 0.016kW；3 輸出軸的轉(zhuǎn)速 =1r/min；n ； （4-1）mpcd28106.33min 軸徑最細處為 70mm，故滿足要求。軸的具體尺寸如圖： 圖 4-1 回轉(zhuǎn)軸 從左至右軸長度依次為： 653417036 從左至右軸徑依次為： 70749010090 定位軸肩高度按表取，非定位的高度一般取 12.5mm，為保證強度取 5mm， 所以對于軸徑，從工作臺處向下如圖增減。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 16 4.1.2.回轉(zhuǎn)軸的強度計算 1）回轉(zhuǎn)軸上的作用力的大小 軸向力 （4-NdTFta 36101294021 2） 圓周力 （4-dat 540.80211 3） 徑向力 （4-NFtr 132tan360n21 4） 2）求軸承的支反力 圖 4-2 受力簡圖 水平面上支反力 （4-5）1542071tABFN 垂直面上的支反力 7.6140323614072 taAFdF NdtaB 237140323614072 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 17 圖 4-3 水平面上的受力和彎矩圖 圖 4-4 垂直面上的受力和彎矩圖 3）畫彎矩圖（圖 4-5a） 截面 C 的彎矩為 水平面上的彎矩 7.1892017031M 垂直面上的彎矩 316.5.CNm 2701278 合成彎矩 （4-2221119.53.19.4CCM 6） 2222 189.768.5CCNm 4）畫轉(zhuǎn)矩圖（圖 4-4b ） 40TNm 5）畫計算彎矩圖（圖 4-4c ） 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 18 因雙向回轉(zhuǎn)，視轉(zhuǎn)矩為脈動循環(huán)， ，則截面 C 的當量彎矩10.6b （4-7）2 211489.VCMTNm2 2245.C 圖 4-5 彎矩圖 6)按彎扭合成應力校核軸的強度 (1)截面 C 當量彎矩最大，故截面 C 可能危險截面，已知：215VMNm 查參考文獻9表 12-2，得 =100b1MPa （4-8） 3320670.1.45ccWd =67 < =100Paba 式中： 軸的抗彎截面系數(shù)； 該截面軸徑。d (2). 截面 B 受轉(zhuǎn)矩且直徑最小也可能為危險截面 對于截面 B 41256MTNm 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 19 31152060.bMMPaPaW 計算出的應力與許用應力相較小，可以滿足強度要求。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 20 4.2 回轉(zhuǎn)軸上的軸承壽命校核 4.2 .1 回轉(zhuǎn)軸上軸承的選擇 軸承所受載荷的大小、方向與性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。 1.鑒于承受較大載荷和波動，且徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用，所以選用圓 錐滾子軸承。 2.轉(zhuǎn)速較低、載荷較大且有沖擊時，宜選用滾子軸承。 3.安裝和拆卸方便（內(nèi)外圈可分離） 。 圓錐滾子軸承的特點是： 1.摩擦系數(shù)小，啟動力矩小，效率高。 2.能同時承受徑向和軸向載荷，因此可使機器結(jié)構(gòu)簡化、緊湊。 3.能承受較大的徑向載荷和單向的軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較低。 4.內(nèi)外圈可分離，故軸承游隙可在安裝時調(diào)整，通常成對使用，對稱安裝。 5.適用于轉(zhuǎn)速不太高，軸的剛性較好的場合。 根據(jù)軸和箱體的結(jié)構(gòu)，長軸上軸承均選用 7218 圓錐滾子軸承 15。 4.2 .2 回轉(zhuǎn)軸上軸承的校核 1. 求內(nèi)部軸向力 （4-9） NYFFRRvS 14082627.10211 vS 5.32 圖 4-6 回轉(zhuǎn)軸軸承受力簡圖 2.求當量動載荷 P （1）求軸承 1 的當量動載荷 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 21 軸承 1： （4-NFNaSA 5.4201365.180421 10） 取 ；FA5.401 ；45tan.19.362Rv 查參考文獻9表 15-10，x=1，Y=0 ； 查參考文獻9 表 15-11， fp=1； （4-11）NYFxfpAR 36201)1()( （2）求軸承 2 的當量動載荷 軸承 2： SaA 34791083625.802 取 FA2=34793N tan5.9.034792RvA 查參考文獻9 表 15-10，x=0.4，Y=0.4 =1.099；20cot 查參考文獻9 表 15-11， fp=1； NYFxfpAR 571)349.136204.(1)( 3.求軸承的壽命： 圓錐滾子軸承 ；查查參考文獻8表 5-1-54， C=38.5 。30 k 機器壽命。319825)5271.8(61)(01306 pCnLh 所以軸承滿足要求。 4.3 傾斜軸的設計及校核 4.3.1 選擇軸的材料 該軸無特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的 45 鋼，由查參考文獻9表 12-2 知， 。MPaB640 （1）.初步估算軸徑 由參考文獻9表 12-4，按 45 鋼，取 C=110；輸出功率： kWP329.04 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 22 輸出軸的轉(zhuǎn)速 r/min； （4-12）5.1360482n ；為了保證軸的強度，可以適當?shù)剡x擇mpcd..913min 直徑稍微大一點軸徑，取 =30mm 。ind （2）. 確定各段軸徑和長度 軸設計如下： 圖 4-7 傾斜軸 從左至右軸長度依次為： 1410508528 從左至右軸徑依次為： 70100726760 定位軸肩高度按表取，非定位的高度一般取 12.5mm，為保證強度取 5mm 和 3.5mm，所以對于軸徑，從箱體處向右如圖增減。 4.3.2. 軸的強度計算 （1）先作出軸的受力簡圖如下圖 4-8 由前面已知 NFff 5.24181 ；06 轉(zhuǎn)矩：T= mnp.971.395 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 23 齒輪圓周力 NdTFt 3610124902 齒輪徑向力 tr tan36an N54 （2）求軸承的支反力 水平面的受力計算 0854cos854cos60 5.924sin.92in.1.5.9 8isi20327 045i3113FF FFFfa frrrfa frrr f 解得 ； ； ;,.71NrNr3.297Nr17603 彎矩圖 4-8b 垂直面的受力分析 019274064193ttt tttt FF 解得 , 15667.8N,.1Nt Nt7.523tF 彎矩圖 4-8c （3）合成彎矩圖 4-8d 合成彎矩最大 ；mM18.20 （4）當量彎矩：圖 4-8e NT35)(22 （5）按彎扭合成校核軸的強度 查表 12-2，得 Pab60149.25.2313bWM 因此滿足要求。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 24 圖 4-8 傾斜軸強度校核 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 25 第 5 章 傾斜軸上鍵的選擇及校核 1).鍵的選擇 鍵的類型可根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)特點、使用要求和工作條件選定。鍵的尺寸（鍵 寬 b 和鍵高 h ）按軸的直徑 d 由標準中選定；鍵的長度可根據(jù)搖臂寬度確定，搖 臂寬度取 90mm，鍵長應小于搖臂寬度。鍵的長度還須符合標準規(guī)定的長度系列 15。 2).鍵連接的強度校核 查參考文獻9表 110-1， ；MPap120 則傾斜軸上鍵的選擇及校核為： 軸上有兩鍵一鍵型號 A1470， 長度 60 ； 寬度 20 ； 高度 9 。 （5-pp PadlkTl 04.57022 1） 因此滿足要求。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 26 結(jié) 論 我這次設計的主要內(nèi)容包括：0.5 噸液壓伸臂式焊接變位機的機械結(jié)構(gòu)、箱 體、回轉(zhuǎn)機構(gòu)等的機械設計、裝配圖和零件圖設計。對傾斜和轉(zhuǎn)動方式、傳動方 式等可采用不同的設計方案。整個機械系統(tǒng)應簡單可靠，操作方便、經(jīng)濟適用。 編寫相應的設計說明書。 總結(jié)出此次焊接變位機的結(jié)構(gòu)模塊設計和總結(jié)構(gòu)的設計：液壓馬達的選擇； 電動機的選擇；回轉(zhuǎn)軸的設計及校核；傾斜軸的設計及校核，軸承的選取及校核。 軸的設計時先根據(jù)經(jīng)驗試選一個軸徑，然后對其進行校核，確定其是否滿足裁量 的強度剛度要求和設計任務書的要求，不滿足要求，再選擇更大的軸徑校核，直 到選擇到合適的軸徑為止；軸徑的大小要考慮到軸承的選擇。 本次設計采用液壓泵驅(qū)動，液壓泵則由電動機提供動力。液壓泵帶動的液壓 馬達與減速機構(gòu)相連接，以帶動齒輪轉(zhuǎn)動，完成工作臺的回轉(zhuǎn)運動。減速器為外 購件，采用 WHT80 型。液壓泵通過 3 個三位電磁換向閥驅(qū)動 5 個液壓缸，完成主 臂、副臂與工作臺的傾斜運動。采用液壓缸控制傾斜，有效防止動力源突然切斷 時，焊件因重力作用而發(fā)生事故。 而在焊接變位機的總體設計方案時，就要考慮到各零部件之間的配合，不能 夠孤立的考慮問題，而且要盡量做到焊接變位機的經(jīng)濟性,實用性，方便性，進 行總體設計，而繪制總體裝配圖時，要以表示清楚零部件之間的配合為主。 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 27 參考文獻 1 王政.焊接工裝夾具及變位機械（性能設計選用）M.北京：機械工業(yè)出版 社，2000 年 2 甘肅工業(yè)大學焊接教研室.焊接機械裝備M.北京：機械工業(yè)出版社，1992 3 曹泗秋,楊魏.機械原理M.湖北：湖北科學技術出版社,1994 年 4 月 4 華中理工大學等校編.畫法幾何及機械制圖M.北京：高等教育出版社 5 吳宗澤.機械設計手冊M.北京：機械工業(yè)出版社,2002 年 1 月 6 朱龍根,黃雨華.機械系統(tǒng)設計M.北京：機械工業(yè)出版社，1997 年 5 月 7 王昆,何小柏,汪信遠.機械設計課程設計M.北京：高等教育出版社, 1995 年 12 月 8 黃靖遠,龔劍霞.機械設計學M.北京：機械工業(yè)出版社,1997 年 10 月 9 邱宣懷.機械設計M.北京：高等教育出版社，1965 年 1 月 10 王先逵.制造技術的歷史回顧與面臨的機遇和挑戰(zhàn)J. 2003 年 10 月 11 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研組.理論力學M.北京：高等教育出版社， 1961 年 8 月 12 薛炎，王祥伸.AUTO CAD2004 基礎教程M.北京：清華大學出版社， 2003 年 7 月 13 Welding Technology Roadmap (September 2000) Energetics, Inc. 14 尚揚，關橋.我國制造業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展戰(zhàn)略研究J. 2003 年 12 月 15 徐灝，邱宣懷，蔡春源.機械設計手冊.第五版.北京：機械工業(yè)出版社， 1992 年 河南科技大學畢業(yè)設計(論文) 28 致謝 通過這一階段的努力，我的畢業(yè)設計終于完成了， 這意味著大學生活即將 結(jié)束。在大學階段，我在學習上和思想上都受益非淺，這除了自身的努力外，與 各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的。在本論文的寫作過程中， 我的導師韓老師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從寫作提綱，到一遍又 一遍地指出設計中的具體問題，嚴格把關，循循善誘，在此我表示衷心感謝。 由于條件的限制，此課題是在借助于前人的理論成果，認真聽取導師的教誨， 廣泛搜集有關論文和文獻，并熟悉已有 500 公斤液壓伸臂式焊接變位機的基礎上， 進行一些理論知識的探討和機械結(jié)構(gòu)的改造創(chuàng)新。 還要感謝這四年中，指導、教育過我的各位老師和領導，通過這四年教育和 指導，使我掌握了不少新的知識，以及明白了許多做人道理。最后，還提供了這 次畢業(yè)設計的機會。使我能進一步的學習并掌握更多的知識，同時也使自己對這 四年的學習做了一次檢驗。它必將為我以后步入社會，踏上工作崗位打下了良好 的基礎，在此再次表示衷心的感謝！ 感謝河南科技大學對我的教育和培養(yǎng)！ 最后，感謝參與設計評審的各位老師在百忙之中抽出寶貴時間對我的設計進 行評閱審議！ 由于水平有限，設計中缺點錯誤在所難免，我誠懇地希望各位老師和讀者批 評指正。