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哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院（論文）
摘 要
重型壓力容器馬鞍形自動焊機是用來焊接筒體與接管的智能化焊接設(shè)備。很多重大技術(shù)裝備，如百萬千瓦級核電機組設(shè)備、超超臨界火力發(fā)電機組的成套設(shè)備、百萬噸級大型乙烯的成套設(shè)備等，都要實現(xiàn)大厚度、大直徑的筒體與接管焊接。其中它們之間的馬鞍形曲線焊縫的焊接是制造這些裝備的關(guān)鍵所在。馬鞍形自動焊機就是針對現(xiàn)有焊接裝備難以實現(xiàn)大筒體與接管的自動化焊接而開發(fā)研制的，它能夠?qū)崿F(xiàn)大厚度、窄坡口三維復雜焊縫的焊接。
本文根據(jù)國內(nèi)外焊接技術(shù)的實際應(yīng)用情況，在深入了解和分析國內(nèi)外現(xiàn)有大型焊接裝備的前提下，借鑒它們的成功經(jīng)驗，提出了對于窄坡口馬鞍形焊縫多層多道循環(huán)焊接技術(shù)方案。
關(guān)鍵詞 重型壓力容器；馬鞍形曲線；自動焊機；運動仿真
Abstract
The heavy pressure vessel saddle automatic welding machine is used for welding of tube and intelligent pipe welding equipment. A lot of major technical equipment, such as the million kilowatt class nuclear power generating equipment, ultra supercritical thermal power generating units, complete sets of equipment megaton large ethylene equipment, want to realize cylinder thickness, diameter and pipe welding. The welding of saddle shaped seam between them is the key equipment of producing these. Saddle automatic welding machine for welding equipment is available to the cylinder body and the control of automatic welding and welding is developed, it can achieve large thickness, narrow groove weld of 3D complex.
In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. Based on this scheme is determined the overall design, the heavy pressure vessel for saddle shaped curve automatic welding machine kinematic and dynamic parameters, and complete the detailed design of each part of the mechanical structure.
Automatic welding machine for saddle shaped curve of heavy pressure vessel designed by this paper has good versatility, high control precision, stable operation, compact structure, simple operation, convenient maintenance, can be very good to meet the large cylinder and pipe welding requirements. Automatic heavy pressure vessel welding, improve production efficiency, to fill the gaps in domestic related fields.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme.
重型壓力容器的研制
- I -
-
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目 錄
摘 要 I
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 4
1.3本文研究內(nèi)容 6
第2章 總體設(shè)計 8
2.1設(shè)計要求 8
2.2 設(shè)計原則與總體布置 10
2.1.1 設(shè)計原則 10
2.1.2 總體布置 10
2.3 主要參數(shù)的確定 13
2.3.1 傳動原理 13
2.3.2 運動參數(shù)確定 14
2.3.3動力參數(shù)確定 15
2.4 本章小結(jié) 17
第3章 主要部件設(shè)計 18
3.1 電動機選擇 18
3.2 集電裝置 19
3.3 進給裝置 22
3.4 非任務(wù)的主要部件的設(shè)計 25
1.1 本章小結(jié) 32
結(jié) 論 33
參考文獻 34
致 謝 37
附錄I 38
附錄II 46
INDEX
域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行
- 1 -
第1章 緒論
1.1 課題背景
隨著社會的發(fā)展和焊接技術(shù)的進步，對核電與石化設(shè)備等筒體與接管的焊接自動化程度的需求日益提高。因而迫切要求焊接設(shè)備快速發(fā)展，以滿足不斷增長的生產(chǎn)力發(fā)展的需求。一方面在電力、石油、化工、鍋爐等行業(yè)中,經(jīng)常遇到筒體與相應(yīng)的接管焊成的相貫線接縫。而這類零件的加工大多采用手工焊接,這使結(jié)構(gòu)制造周期長、成本高、生產(chǎn)效率低、勞動強度大,焊接質(zhì)量難以保持穩(wěn)定。有些廠家從國外引進管、板自動焊機、機器人等，但這些機器人價格非常昂貴,同時對零部件的備料,要求綜合尺寸精度高、形位公差小,往往由于幾個尺寸不合格就使得焊槍偏離焊縫,嚴重影響了焊縫的內(nèi)部和外部質(zhì)量。還有的廠家由于機器人出現(xiàn)故障無法修復,使我國引進的機器人中有60%以上不能很好地用于生產(chǎn)。為了降低成本,縮短生產(chǎn)周期,需要研制專用的焊接裝備。另一方面馬鞍形曲線焊機也是加工各種具有筒體與接管焊接的重要技術(shù)裝備，而重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化作為提升裝備制造業(yè)的重點是黨中央國務(wù)院的戰(zhàn)略決策，是國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重點領(lǐng)域。在國家發(fā)改委提出的“十一五”國家重大技術(shù)裝備中明確提出“百萬千瓦級核電機組與超臨界火力發(fā)電機組成套設(shè)備”、“大型煤制氣成套設(shè)備”、“百萬噸級大型乙烯成套設(shè)備”,等重大技術(shù)裝備的國產(chǎn)化。在這些大、重型裝備中，如大型火力發(fā)電的鍋爐汽包，核電設(shè)備中的壓力殼、大型煤制氣成套設(shè)備中煤液（汽）化反應(yīng)器、大型乙烯設(shè)備中的加氫反應(yīng)器等，焊接是主要制造技術(shù)手段。而且裝備的關(guān)鍵零部件制造中均涉及三維規(guī)則或復雜焊縫的自動化焊接。一個重型壓力容器需要焊接上幾十個甚至上百個接管，焊縫為空間馬鞍形（包括標準馬鞍形與非標準馬鞍形），且根據(jù)不同的坡口形式，需要多層多道連續(xù)焊接。這些焊縫往往成為整個產(chǎn)品制造質(zhì)量的關(guān)鍵與瓶頸。要實現(xiàn)此類焊縫的自動化焊接，具有一定的技術(shù)難度。因此提高焊接自動化水平是保證產(chǎn)品質(zhì)量與提高生產(chǎn)效率，進而提升企業(yè)國際市場競爭力的根本所在。
目前，我國在上述重型壓力容器的生產(chǎn)制造中，其主環(huán)縫和筒體內(nèi)壁堆焊已實現(xiàn)自動焊接，而對于接口管的馬鞍形焊接和90°彎管內(nèi)壁堆焊，尚無現(xiàn)成的自動焊設(shè)備可以采用, 主環(huán)縫的焊接自動化與智能化水平還較低。國內(nèi)大多數(shù)廠家還在采用手工焊接，個別廠家雖然采用了焊接專機，但自動化程度不高，焊接過程中需要人工調(diào)節(jié)，且焊槍沿馬鞍形運動軌跡靠機械方式調(diào)節(jié)，效率低，焊接質(zhì)量難以保證，而且一旦發(fā)生焊接缺陷，大厚度截面難以修復。因而研制重型壓力容器馬鞍形自動焊機對滿足我國鍋爐、核電及石化設(shè)備制造的需求，提高其自動焊接水平，具有重要的現(xiàn)實意義。
哈爾濱工業(yè)大學華德應(yīng)用技術(shù)學院（論文）
摘 要
重型壓力容器馬鞍形自動焊機是用來焊接筒體與接管的智能化焊接設(shè)備。很多重大技術(shù)裝備，如百萬千瓦級核電機組設(shè)備、超超臨界火力發(fā)電機組的成套設(shè)備、百萬噸級大型乙烯的成套設(shè)備等，都要實現(xiàn)大厚度、大直徑的筒體與接管焊接。其中它們之間的馬鞍形曲線焊縫的焊接是制造這些裝備的關(guān)鍵所在。馬鞍形自動焊機就是針對現(xiàn)有焊接裝備難以實現(xiàn)大筒體與接管的自動化焊接而開發(fā)研制的，它能夠?qū)崿F(xiàn)大厚度、窄坡口三維復雜焊縫的焊接。
本文根據(jù)國內(nèi)外焊接技術(shù)的實際應(yīng)用情況，在深入了解和分析國內(nèi)外現(xiàn)有大型焊接裝備的前提下，借鑒它們的成功經(jīng)驗，提出了對于窄坡口馬鞍形焊縫多層多道循環(huán)焊接技術(shù)方案。
關(guān)鍵詞 重型壓力容器；馬鞍形曲線；自動焊機；運動仿真
Abstract
The heavy pressure vessel saddle automatic welding machine is used for welding of tube and intelligent pipe welding equipment. A lot of major technical equipment, such as the million kilowatt class nuclear power generating equipment, ultra supercritical thermal power generating units, complete sets of equipment megaton large ethylene equipment, want to realize cylinder thickness, diameter and pipe welding. The welding of saddle shaped seam between them is the key equipment of producing these. Saddle automatic welding machine for welding equipment is available to the cylinder body and the control of automatic welding and welding is developed, it can achieve large thickness, narrow groove weld of 3D complex.
In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. Based on this scheme is determined the overall design, the heavy pressure vessel for saddle shaped curve automatic welding machine kinematic and dynamic parameters, and complete the detailed design of each part of the mechanical structure.
Automatic welding machine for saddle shaped curve of heavy pressure vessel designed by this paper has good versatility, high control precision, stable operation, compact structure, simple operation, convenient maintenance, can be very good to meet the large cylinder and pipe welding requirements. Automatic heavy pressure vessel welding, improve production efficiency, to fill the gaps in domestic related fields.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme.
重型壓力容器的研制
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目 錄
摘 要 I
第1章 緒論 1
1.1 課題背景 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀 4
1.3本文研究內(nèi)容 6
第2章 總體設(shè)計 8
2.1設(shè)計要求 8
2.2 設(shè)計原則與總體布置 10
2.1.1 設(shè)計原則 10
2.1.2 總體布置 10
2.3 主要參數(shù)的確定 13
2.3.1 傳動原理 13
2.3.2 運動參數(shù)確定 14
2.3.3動力參數(shù)確定 15
2.4 本章小結(jié) 17
第3章 主要部件設(shè)計 18
3.1 電動機選擇 18
3.2 集電裝置 19
3.3 進給裝置 22
3.4 非任務(wù)的主要部件的設(shè)計 25
1.1 本章小結(jié) 32
結(jié) 論 33
參考文獻 34
致 謝 37
附錄I 38
附錄II 46
INDEX
域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行
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第1章 緒論
1.1 課題背景
隨著社會的發(fā)展和焊接技術(shù)的進步，對核電與石化設(shè)備等筒體與接管的焊接自動化程度的需求日益提高。因而迫切要求焊接設(shè)備快速發(fā)展，以滿足不斷增長的生產(chǎn)力發(fā)展的需求。一方面在電力、石油、化工、鍋爐等行業(yè)中,經(jīng)常遇到筒體與相應(yīng)的接管焊成的相貫線接縫。而這類零件的加工大多采用手工焊接,這使結(jié)構(gòu)制造周期長、成本高、生產(chǎn)效率低、勞動強度大,焊接質(zhì)量難以保持穩(wěn)定。有些廠家從國外引進管、板自動焊機、機器人等，但這些機器人價格非常昂貴,同時對零部件的備料,要求綜合尺寸精度高、形位公差小,往往由于幾個尺寸不合格就使得焊槍偏離焊縫,嚴重影響了焊縫的內(nèi)部和外部質(zhì)量。還有的廠家由于機器人出現(xiàn)故障無法修復,使我國引進的機器人中有60%以上不能很好地用于生產(chǎn)。為了降低成本,縮短生產(chǎn)周期,需要研制專用的焊接裝備。另一方面馬鞍形曲線焊機也是加工各種具有筒體與接管焊接的重要技術(shù)裝備，而重大技術(shù)裝備國產(chǎn)化作為提升裝備制造業(yè)的重點是黨中央國務(wù)院的戰(zhàn)略決策，是國家中長期科學與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要的重點領(lǐng)域。在國家發(fā)改委提出的“十一五”國家重大技術(shù)裝備中明確提出“百萬千瓦級核電機組與超臨界火力發(fā)電機組成套設(shè)備”、“大型煤制氣成套設(shè)備”、“百萬噸級大型乙烯成套設(shè)備”,等重大技術(shù)裝備的國產(chǎn)化。在這些大、重型裝備中，如大型火力發(fā)電的鍋爐汽包，核電設(shè)備中的壓力殼、大型煤制氣成套設(shè)備中煤液（汽）化反應(yīng)器、大型乙烯設(shè)備中的加氫反應(yīng)器等，焊接是主要制造技術(shù)手段。而且裝備的關(guān)鍵零部件制造中均涉及三維規(guī)則或復雜焊縫的自動化焊接。一個重型壓力容器需要焊接上幾十個甚至上百個接管，焊縫為空間馬鞍形（包括標準馬鞍形與非標準馬鞍形），且根據(jù)不同的坡口形式，需要多層多道連續(xù)焊接。這些焊縫往往成為整個產(chǎn)品制造質(zhì)量的關(guān)鍵與瓶頸。要實現(xiàn)此類焊縫的自動化焊接，具有一定的技術(shù)難度。因此提高焊接自動化水平是保證產(chǎn)品質(zhì)量與提高生產(chǎn)效率，進而提升企業(yè)國際市場競爭力的根本所在。
目前，我國在上述重型壓力容器的生產(chǎn)制造中，其主環(huán)縫和筒體內(nèi)壁堆焊已實現(xiàn)自動焊接，而對于接口管的馬鞍形焊接和90°彎管內(nèi)壁堆焊，尚無現(xiàn)成的自動焊設(shè)備可以采用, 主環(huán)縫的焊接自動化與智能化水平還較低。國內(nèi)大多數(shù)廠家還在采用手工焊接，個別廠家雖然采用了焊接專機，但自動化程度不高，焊接過程中需要人工調(diào)節(jié)，且焊槍沿馬鞍形運動軌跡靠機械方式調(diào)節(jié)，效率低，焊接質(zhì)量難以保證，而且一旦發(fā)生焊接缺陷，大厚度截面難以修復。因而研制重型壓力容器馬鞍形自動焊機對滿足我國鍋爐、核電及石化設(shè)備制造的需求，提高其自動焊接水平，具有重要的現(xiàn)實意義。
本課題根據(jù)馬鞍形曲線的數(shù)學模型，利用CAD/CAE等計算機技術(shù)，研發(fā)穩(wěn)定可靠的焊縫自動跟蹤、多層多道焊接的焊道自動規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，研制和開發(fā)重型壓力容器馬鞍形自動焊接設(shè)備以及復雜曲面三維焊縫自動化焊接工藝，并應(yīng)用于生產(chǎn)實際，提高了我國重型壓力容器自動化焊接水平和制造水平。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國焊接裝備制造業(yè)起步較晚，五六十年代我國重點企業(yè)的大型焊接裝備大部分從原蘇聯(lián)引進，部分由使用廠自行設(shè)計制造。到了70年代，我國陸續(xù)組建一批專門生產(chǎn)焊接裝備的制造廠，如上海、成都相繼成立了成套焊接設(shè)備廠，在“六五”期間，原機械工業(yè)部撥?？顚㈤L春第二機床廠改建成我國第一家具有批量生產(chǎn)能力，制造專用摩擦焊機和焊接裝備的長春焊機制造廠。進入80年代，隨著國內(nèi)焊接裝備需求量的增長，各地相繼建立了多家中小型成套焊接裝備生產(chǎn)廠。迄今為止，我國已有10多家焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)，某些企業(yè)已具有相當大的規(guī)模，已實現(xiàn)焊接裝備的批量生產(chǎn)。例如無錫陽通機械設(shè)備有限公司等。在發(fā)展初期，我國生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡單的焊接操作機、滾輪架、變位機、翻轉(zhuǎn)機和回轉(zhuǎn)平臺等，成套性較差，自動化程度低。焊接操作機與配套設(shè)備基本上不能聯(lián)動控制，用戶必須自行改造。進入80年代以后，加快了焊接自動化技術(shù)的研究，國內(nèi)幾所重點大學與研究院所相繼開展了研究工作，但由于國內(nèi)在電子技術(shù)與元器件性能方面落后發(fā)達國家較多，所以較多的研究集中在技術(shù)原理的試驗研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，而工程化設(shè)備的研制很少。由于國外先進成套焊接設(shè)備的大量引進，促使國產(chǎn)的焊接裝備無論在成套性和自動化程度，還是設(shè)備精度和制造質(zhì)量方面都有不同程度的提高。能夠批量生產(chǎn)H型鋼和箱形梁焊接生產(chǎn)線以及各種類型的按用戶需要定制的專用成套焊接設(shè)備，并大量采用交流電機變頻調(diào)速技術(shù)、PLC控制技術(shù)、伺服驅(qū)動及數(shù)控系統(tǒng)，焊接裝備的自動化程度有了很大的提高，某些操作機還配備了焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)。但從整體水平來說，與先進國家的同行業(yè)相比，尚有較大的差距。
近10年來在世界范圍內(nèi)，焊接技術(shù)的發(fā)展日新月異，焊接新方法、新設(shè)備、新材料和新工藝層出不窮。焊接技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于造船、鍋爐、壓力容器、管道、重型機械、冶金設(shè)備、汽車、鐵路車輛、橋梁和金屬結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)制造工業(yè)部門，而且迅速擴大應(yīng)用于大型建筑結(jié)構(gòu)、食品加工機械、醫(yī)療機具、輕工機械、家用電器、半導體和微電子器件等新興加工行業(yè)。我國焊接裝備制造行業(yè)的技術(shù)水平有了長足的進步。焊接裝備的成套性、自動化程度、制造精度和質(zhì)量明顯提高，應(yīng)用范圍正逐步擴大，尤其是國家制定了拉動內(nèi)需的政策，進一步促進了焊接裝備制造行業(yè)的發(fā)展。盡管我國成套焊接裝備的年總產(chǎn)值不足5億元，但對我國焊接結(jié)構(gòu)制造行業(yè)的發(fā)展卻起著舉足輕重的作用?？梢灶A(yù)計，今后幾年內(nèi)，隨著世界制造業(yè)中心逐漸向著中國轉(zhuǎn)移，我國傳統(tǒng)制造業(yè)必將加快技術(shù)改造，大量采用高度自動化的加工設(shè)備，促使我國焊接裝備制造業(yè)產(chǎn)生根本性的變革。隨著社會的進步，一些公司更是采用了先進的焊接工藝，如東方鍋爐廠采用先進的熱絲TIG焊接技術(shù)、來焊接大型鍋爐設(shè)備，推廣了CO2氣體保護焊在鍋爐受壓和非受壓部件上焊接的使用。為了滿足《蒸汽鍋爐安全監(jiān)察規(guī)定》中大的規(guī)定，采用集箱管座內(nèi)孔氬弧焊來實現(xiàn)全焊透這一要求，解決了集箱管座內(nèi)孔直徑小添絲較困難、不采用內(nèi)孔添絲焊容易產(chǎn)生根部凹陷和咬邊的缺陷。我國在重型壓力容器焊接設(shè)備方面也有了長足的進步。重型壓力容器泛指能承受超高溫和高壓的壓力容器，是油、氣、煤大型化工、火電站、核電站、核裝置、重型礦山機械等工業(yè)行業(yè)的核心關(guān)鍵設(shè)備。以前，國內(nèi)用于重型壓力容器行業(yè)的重型焊接裝備一直依賴于進口如ESAB公司和美國浪神公司等。為適應(yīng)重型壓力容器行業(yè)快速發(fā)展的需要我國焊接界把重型壓力容器焊接設(shè)備實現(xiàn)機械化和自動化作為了戰(zhàn)略目標。為此很多焊接設(shè)備公司投入了很大精力來研究。并取得了一定的成績，如成都焊研威達自動焊接設(shè)備有限公司在容器焊接所需的成套設(shè)備領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。改變了厚壁壓力容器焊接依賴進口的局面。該公司生產(chǎn)的最大防竄滾輪架為1200噸，超大噸位防竄滾輪架用于重型容器的窄坡口焊接和普通環(huán)縫埋弧焊或氣保焊。其200噸以上的滾輪架，用于重型容器的組對，滾輪架具有上下、左右調(diào)節(jié)機構(gòu)，能對容器筒節(jié)的垂直、左右錯位進行有效調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對中，便于組對，防竄滾輪架的重要參數(shù)防竄精度達到了±1mm以內(nèi)。以前各廠家采用天車吊裝調(diào)整，對中精度低。而它們生產(chǎn)的最大重型操作機14×10米，包括十字架式操作機、懸臂式操作機和龍門式操作機三種形式，該操作機的技術(shù)特點是端頭承載500公斤以上，需載人2-3名，操作機的穩(wěn)定性和下?lián)隙仁切枰浞直ＷC的參數(shù)，這種重型操作機的下饒度控制在2mm/m以內(nèi)。而威達公司能成產(chǎn)用于重型容器封頭的帶極堆焊的最大變位機為150噸，分為雙支座下沉式變位機和單支座變位機兩種形式，能對4600mm的封頭進行堆焊。
進入新世紀以來，我國焊接結(jié)構(gòu)制造業(yè)當中一個引人注目的動向是向多參數(shù)、高精度、重型化和大型化發(fā)展。其中包括1000MW以上火力、水力和核能發(fā)電設(shè)備，年產(chǎn)量60萬t以上的化工煉油設(shè)備，10萬t以上的遠洋貨輪，大型建筑結(jié)構(gòu)，大跨度橋梁，跨省跨國得出輸油輸氣管線，海洋建筑，冶金設(shè)備，重型機構(gòu)，航空航天工程，大型客車和高速鐵路車輛等。2002年我國焊接結(jié)構(gòu)的鋼耗量已超過8000萬t。特別是2008年我國最大的體育場館鳥巢的完工，更加顯示了我國對焊接技術(shù)的需求和迅猛發(fā)展。
1.2.2 國外研究現(xiàn)狀
國外的焊接技術(shù)起步比我國早，發(fā)展速度也比我國快。在1887年,俄國的別納爾多斯就發(fā)明碳極電弧焊鉗、1900年又出現(xiàn)了鋁熱焊。19世紀初，英國的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫熱源開拓了焊接技術(shù)的新局面。20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應(yīng)用，同時還出現(xiàn)了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩(wěn)定，焊接熔池受到熔渣保護，焊接質(zhì)量得到大大提高，使手工電弧焊進入實用階段。而到1951年，蘇聯(lián)的巴頓電焊研究所創(chuàng)造電渣焊，成為大厚度工件的高效焊接法。為焊接重型壓力容器打下基礎(chǔ)。而在20世紀50-60年代，相繼出現(xiàn)了等離子弧焊、電子束焊、激光焊等現(xiàn)代焊接方法、電子束和激光焊接方法的出現(xiàn)，標志著高能量密度熔焊技術(shù)的新發(fā)展，大大改善了材料的焊接性，使許多難以用其他方法焊接的材料和結(jié)構(gòu)得以焊接。到了20世紀末焊接技術(shù)開始了的飛迅發(fā)展，各種焊接工藝紛紛問世。特別是近年來，在世界工業(yè)發(fā)達國家，當代焊接技術(shù)與裝備的發(fā)展速度更是驚人。在英、美、德、法、意和日本等國均有相當規(guī)模、開發(fā)能力很強的焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)。2001年的第十五屆世界焊接與切割博覽會上參展的焊接裝備廠商近百家，近期生產(chǎn)的自動化焊接裝備的設(shè)備精度和制造質(zhì)量已接近現(xiàn)代金屬切削機床。最值得注意的是，大多數(shù)焊接裝備采用了最先進的自動控制系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等。廣泛采用焊接機器人作為操作單元，組成焊接中心、焊接生產(chǎn)線、柔性制造系統(tǒng)和集成制造系統(tǒng)。而且早在80年代，國外的焊接裝備已向大型化和精密化發(fā)展。
對于重型壓力容器的焊接技術(shù)和裝備國外也較我國先進。目前國外生產(chǎn)的用于承載壓力容器筒體的重型焊接滾輪架最大的承載能力達1600t，自動防竄滾輪架的最大承載能力達800t，采用PLC和高精度位移傳感器控制，防竄精度為±0.5mm。變位機的最大的承載能力達400t，轉(zhuǎn)矩可450kN·M。框架式焊接翻轉(zhuǎn)機和頭尾架翻轉(zhuǎn)機的最大承載能力達160t。焊接回轉(zhuǎn)平臺的最大承載能力達500t。立柱橫梁操作機和門架式操作機的最大行程達12M。龍門架操作機的最大規(guī)格為8m×8m。另外隨著自動控制和信息技術(shù)發(fā)展的，國外的重型壓力容器焊接也發(fā)生了根本的變化，向自動化智能化方向發(fā)展。焊接生產(chǎn)過程的全自動化已成為一種迫切的需求，它不僅可大大提高焊接生產(chǎn)率，更重要的是可確保焊接質(zhì)量，改善操作環(huán)境。隨著整個制造業(yè)水平的提高，企業(yè)的經(jīng)營理念發(fā)生了很大變化，高產(chǎn)量已讓位于高質(zhì)量，勞動密集型已逐步被知識密集型所取代。大量采用自動化焊接專機、機器人工作站、生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)已成為一種不可阻擋的趨勢。如大型化計算機集成制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)是將焊接機器人或焊接操作機、焊接電源、工件變位機械、輸送輥道、半成品庫、零件庫和原材料庫等生產(chǎn)設(shè)備和物料供應(yīng)系統(tǒng)的工作程序的編制、工作參數(shù)的設(shè)置、生產(chǎn)過程的監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理、人機界面和通訊網(wǎng)絡(luò)集成在1臺商用或工業(yè)PC機上，通過現(xiàn)場總線profibus和ET-200分布式I/0 模塊等聯(lián)結(jié)成完整的集成自動化系統(tǒng)。利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM計算機軟件可以實現(xiàn)產(chǎn)品圖紙設(shè)計、制造工藝編制、生產(chǎn)計劃安排、生產(chǎn)過程監(jiān)控、生產(chǎn)和物料管理等一體化。計算機集成制造系統(tǒng)可以是一條生產(chǎn)線，也可以是整個車間的生產(chǎn)設(shè)備，甚至是整個工廠的生產(chǎn)過程和物料的管理。
縱觀當今世界焊接裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢，可以概括為如下幾個特點：
1.高精度、高質(zhì)量和高可靠性 如與焊接機器人配套的焊接變位機，最高的重復定位精度為±0.05mm，機器人和焊接操作機行走機構(gòu)的定位精度為±0.1mm，移動速度的控制精度為±0.1%。
2.數(shù)字化、集成化和智能化控制 過程的數(shù)字化控制比傳統(tǒng)的金屬切削加工要復雜得多，它必須考慮焊件幾何形狀的偏差和接縫裝配間隙誤差以及焊件焊接過程中的熱變形，廣泛采用各種高級別傳感技術(shù)，開發(fā)先進的自適應(yīng)控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)焊接過程的全自動化。某些形狀復雜和質(zhì)量要求高的焊件，還必須采用智能化的計算機軟件控制。
3.大型化和組體化 重型厚壁容器焊接中心、集裝箱外殼整體組裝焊接中心、汽輪機導流隔板柔性制造系統(tǒng)、箱型梁焊接生產(chǎn)線、機車車箱總裝組焊中心等。某些大型焊接中心和生產(chǎn)線占地面積可達整個車間。如焊接操作機、配套焊件變位機械、搬運機械和傳輸輥道組合聯(lián)動，形成制造系統(tǒng)或焊接生產(chǎn)線。
4.多功能化 為發(fā)揮大型自動化焊接裝備的效率，通常設(shè)計成適用于多種焊接方法和焊接工藝，如單絲、多絲埋弧焊，單絲雙絲窄間隙焊，MIG/MAG焊和帶極堆焊等。
5.管控一體化 通過企業(yè)的局域網(wǎng)，利用CAD/CAE/CAPP/PDM等計算機軟件，將生產(chǎn)管理與制造系統(tǒng)實行集成全自動化控制，實現(xiàn)脫機編程，遠程監(jiān)控，診斷和檢修。
1.3本文研究內(nèi)容
本文在充分了解了國內(nèi)外自動焊接技術(shù)和裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)之上，結(jié)合重型壓力容器的焊接工藝特點，提出了對馬鞍形焊縫采用窄坡口、多層多道循環(huán)焊接的方案，克服傳統(tǒng)手工焊接工作效率低、焊接質(zhì)量差、工人勞動強度大的弊端，達到操作方便、數(shù)字化控制、質(zhì)量穩(wěn)定、精度高和速度調(diào)節(jié)靈活等特點，實現(xiàn)重型壓力容器筒體與接管的自動焊接要求。具體研究內(nèi)容如下。
1.前期調(diào)研和收集相關(guān)資料，了解國內(nèi)外現(xiàn)有焊接技術(shù)及焊接裝備的發(fā)展狀況，掌握國內(nèi)、外重型壓力容器筒體與接管焊接的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀。
2.根據(jù)重型壓力容器筒體與接管的焊接工藝要求，擬定馬鞍形自動焊機的設(shè)計方案，確定總體配置和主要設(shè)計參數(shù)，完成自動焊機的總體設(shè)計。
3.對馬鞍形自動焊機主要部件進行詳細設(shè)計，包括電動機的選擇、集電裝置設(shè)計進給裝置設(shè)計等。
第2章 總體設(shè)計
總體設(shè)計是機電產(chǎn)品設(shè)計的關(guān)鍵，它對產(chǎn)品的技術(shù)性能、經(jīng)濟指標和外觀造型均具有決定性意義。對于自動焊機的總體設(shè)計應(yīng)始終貫徹了“簡單實用、操作方便、安全可靠、技術(shù)先進”的原則。本文在詳細分析重型壓力容器筒體與接管焊接工藝的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外同類產(chǎn)品的成功經(jīng)驗，提出了重型壓力容器馬鞍形自動焊機的總體設(shè)計方案。
2.1設(shè)計要求
由于產(chǎn)品設(shè)計要求既是設(shè)計、制造、試驗和鑒定的依據(jù)，同時又是用戶衡量的尺度，所以在進行設(shè)計前必須對所設(shè)計產(chǎn)品提出詳細、明確的設(shè)計要求。
研制的馬鞍形自動焊機，主要針對核電、大型石化設(shè)備中大厚度、窄坡口的馬鞍形曲線焊接。由幾何知識可知，所謂的“馬鞍形”曲線就是指接管與筒體相貫而形成的相貫線，見圖2-1。
圖2-1 馬鞍形曲線焊縫
目前用于焊接筒體與接管的坡口的角度多為30-60°的普通坡口，它存在坡口加工時間長、焊接工時多、浪費材料和焊接質(zhì)量低等缺點。而本設(shè)計采用如圖2-2所示的角度α=4°的窄坡口焊縫結(jié)構(gòu)，采用窄破口焊縫結(jié)構(gòu)可以節(jié)約15%-45%的焊料，并能夠節(jié)省大量的機械加工和焊接工時，同時也會大幅度地提高焊接質(zhì)量，降低制造成本。
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圖2-2 馬鞍形曲線焊縫窄間隙坡口截面圖
自動焊機的焊槍應(yīng)具有左右轉(zhuǎn)角功能，焊槍的馬鞍形運動軌跡要與實際相吻合，并能夠時時修正運動軌跡，實現(xiàn)焊道的自動排列。減少焊接工序，降低勞動強度，提高工作效率。要使焊縫均勻合理，滿足產(chǎn)品質(zhì)量的大前提下，減少焊接材料的消耗。據(jù)此提出大型筒體馬鞍形自動焊機的設(shè)計要求。
1.馬鞍形曲線自動焊機主要用于接管直徑為500-1800mm、接管高度小于600mm、筒體厚度小于300mm、馬鞍形最大落差小于300mm坡口形式為窄間隙的場合，要求其焊接速度可調(diào)，范圍為300-500 mm/min。
2..采用數(shù)字控制，焊槍的馬鞍形運動軌跡，依據(jù)一定的數(shù)學模型，通過兩軸協(xié)調(diào)運動合成。具有自動排列焊道功能，可實現(xiàn)多層多道連續(xù)焊接。具有三套程序，可分別實現(xiàn)內(nèi)馬鞍、外馬鞍及水平環(huán)焊縫三種焊接方式。
3.焊槍具有擺角功能，可實現(xiàn)不同的擺角位置，且擺角幅度可調(diào)?？紤]到理論上與實際上的馬鞍形運動軌跡可能出現(xiàn)誤差，具有方便的調(diào)整環(huán)節(jié)，在焊接過程中，可以及時修正馬鞍的落差量。
4.設(shè)備具有旋轉(zhuǎn)導電、導氣裝置, 旋轉(zhuǎn)導電裝置采用雙線、雙電刷結(jié)構(gòu)，確保導電良好。且進行多層多道連續(xù)焊接時導線不纏繞。為防止導電環(huán)數(shù)量過多，控制系統(tǒng)安裝在設(shè)備本體上，隨設(shè)備一起轉(zhuǎn)動。
5.設(shè)備具有方便、快捷的連桿式夾緊定位裝置，適應(yīng)的接管范圍大。同時可互換三爪卡盤。
2.2 設(shè)計原則與總體布置
2.1.1 設(shè)計原則
明確、簡單、安全可靠是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計應(yīng)遵守的三項基本原則。由于這三項基本原則的共同目標都是為了保證實現(xiàn)總系統(tǒng)(產(chǎn)品)的預(yù)期功能、降低成本及保障人和環(huán)境安全的，所以，在整個設(shè)計階段應(yīng)將這三項基本原則貫徹到底。
1.明確原則 包括功能明確、工作情況明確和結(jié)構(gòu)的工作原理明確。功能明確，所選擇的結(jié)構(gòu)應(yīng)能明確無誤地、可靠地實現(xiàn)預(yù)期的功能。對于可實現(xiàn)的功能來說，要做到既不疏漏又不冗余；工作情況明確，被設(shè)計的產(chǎn)品所處的工作狀況必須明確。因為結(jié)構(gòu)和零部件的材料、形狀、尺寸、磨損及腐蝕是根據(jù)其工況來確定。若設(shè)計時缺少準確的使用工況說明，且不得不做出一些假設(shè)的話，應(yīng)隨時檢查有關(guān)假設(shè)的正確性；結(jié)構(gòu)的工作原理明確，設(shè)計結(jié)構(gòu)時所依據(jù)的工作原理必須明確，從而才能可地實現(xiàn)能量流、物料流和信號流的轉(zhuǎn)換或傳導。
2.簡單原則 簡單原則是指要在滿足總功能的前提下，盡量使整機、部件、零件的結(jié)構(gòu)簡單，且數(shù)目少；同時還要求操作與監(jiān)控簡便；制造與測量容易、快速、準確；安裝與調(diào)試簡易而快亦就是說這里所指的“簡單”，同時具有簡化、簡便、簡明、簡易、減少等多重含義。
3.安全可靠原則 一個產(chǎn)品的安全可靠性主要指：在規(guī)定外載荷下，在規(guī)定的時間內(nèi)，構(gòu)件不發(fā)生斷裂、過度變形、過度磨損且不喪失穩(wěn)定性；要保證操作者的人身安全；不造成不允許的環(huán)境污染，同時也要保證整個產(chǎn)品對環(huán)境的適應(yīng)性。
2.1.2 總體布置
一個機械系統(tǒng)是由若干個子系統(tǒng)按照總功能的要求相互匹配而組成的?？傮w布置設(shè) 計就是確定機械系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相對位置關(guān)系及相對運動關(guān)系，并使總系統(tǒng)具有一個協(xié)調(diào)完善的造型。一個功能目標可以由不同的功能原理來實現(xiàn)；不同的功能原理方案對應(yīng)著不同的技術(shù)物理效應(yīng)或物理學原理；不同的效應(yīng)和原理決定著機械系統(tǒng)的總體布置、性能、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。同一效應(yīng)或原理在采用不同的總體布置時，又會對機械系統(tǒng)本身的設(shè)計制造和使用產(chǎn)生很大的影響，因此，總體布置設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的重要環(huán)節(jié)。
機械系統(tǒng)的總體布置設(shè)計是帶有全局性的一個重要問題，不但要考慮系統(tǒng)本身的設(shè)計內(nèi)容，而且，還應(yīng)考慮系統(tǒng)與外部各因素之間的關(guān)系，即人—機關(guān)系、系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)等等。
布置形式
機械系統(tǒng)總體布置的基本類型：按主要工作機構(gòu)的空間幾何位置可分為平面式、空間式等；按主要工作機械的布置方向可分為水平式（臥式）、傾斜式、直立式和圓弧式等。根據(jù)筒體與接管的焊接特點和結(jié)構(gòu)，同時考慮到裝夾、安裝、拆卸的方便，以及在其工作時操作控制的便利，本設(shè)計的自動焊機采用直立回轉(zhuǎn)式布置形式。直立回轉(zhuǎn)式占用空間小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于工作人員操作，安裝與調(diào)試方便，如果采用臥式回轉(zhuǎn)的形式，由于待加工的零件尺寸比較龐大，重量也很笨重，因此給裝夾和加工非常困難，而且焊接精度由于受到重力的干擾，相對于直立回轉(zhuǎn)式來說也較差。臥式結(jié)構(gòu)與直立回轉(zhuǎn)式特點見表2-1。可見，選擇直立回轉(zhuǎn)式布置較為合理，其結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。
表2-1 臥式布置與直立回轉(zhuǎn)式布置對比
臥式結(jié)構(gòu)
直立回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)
占用空間大
占用空間小
安裝調(diào)試不便
安裝調(diào)試方便
裝夾困難
裝夾易
剛度較好
剛度能滿足要求
精度較差
精度較好
工作原理
大型筒體馬鞍形埋弧自動焊機總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，它由主機體、夾緊裝置、徑向進給裝置、橫向進給裝置1、橫向進給裝置2、導絲機構(gòu)、焊槍、焊絲盤、集電裝置等部分組成。夾緊裝置將自動焊機固定到接管體上，通過手柄、齒輪和絲杠螺母帶動3組反平行四邊形機構(gòu)伸縮，完成夾緊和松開動作。徑向進給裝置和軸向進給裝置1用于焊槍啟始點的確定及自動焊接過程中對焊槍進行微調(diào)，同時徑向進給裝置完成在焊接過程中的徑向進給運動。主機體內(nèi)設(shè)計有回轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和軸向進給裝置2，依據(jù)一定的數(shù)學模型，回轉(zhuǎn)運動和軸向進給裝置2驅(qū)動的上下往復運動協(xié)調(diào)運動完成焊槍馬鞍形運動軌跡。焊接開始前，首先通過人機界面輸入接管直徑、筒體直徑、焊接速度、焊接層數(shù)及每層焊接道數(shù)等工藝參數(shù)，在手動狀態(tài)下，將焊槍調(diào)整到啟始點位置上，自動焊機從馬鞍形焊縫的最低點開始，由里向外排列焊道，焊槍每旋轉(zhuǎn)一周并搭接一段距離后，向外側(cè)移動一個焊道寬度，當一層焊道完成后，焊槍自動提高一個焊道高度，再由外向里排列焊道，以此循環(huán)往復，完成設(shè)定的焊接層數(shù)。這樣就完成了整個坡口的焊接。
10
9
8
5
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3
2
1
7
6
1．焊槍 2.導絲機構(gòu) 3.徑向進給裝置 4.軸向進給裝置1 5.軸向進給裝置2 6.集電裝置 7.焊絲盤 8.主機體 9.手動裝置 10.夾具裝置
圖2-3 馬鞍形曲線自動焊機總體結(jié)構(gòu)
2.3 主要參數(shù)的確定
2.3.1 傳動原理
傳動系統(tǒng)不僅是連接動力源與執(zhí)行件的橋梁，而且要完成將動力源的速度或力矩轉(zhuǎn)換為符合執(zhí)行件所要求的力矩和速度。而且傳動系統(tǒng)直接影響到整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是機械設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。各種運動是由相應(yīng)的傳動鏈完成的。通常機械系統(tǒng)有幾種成形運動，就有幾條傳動鏈。根據(jù)傳動聯(lián)系的性質(zhì)不同，傳動鏈可分為內(nèi)聯(lián)系傳動鏈和外聯(lián)系傳動鏈。
要實現(xiàn)馬鞍形曲線焊縫的焊接，就得實現(xiàn)焊機焊槍的馬鞍形曲線的運動，而這個焊槍的運動是由主機體的回轉(zhuǎn)運動、軸向進給裝2提供的上下往復運動以及徑向進給裝置、軸向進給裝置1的微調(diào)進給運動的合運動。重型壓力容器馬鞍形自動焊機傳動系統(tǒng)見圖2-4。
圖2-4 馬鞍形自動焊機傳動系統(tǒng)
回轉(zhuǎn)運動電機通過減速器、齒輪把運動傳遞給整個焊機，使其旋轉(zhuǎn)，同時軸向進給裝置2電機也驅(qū)動，依據(jù)一定的數(shù)學模型帶動徑向進給、軸向進給1以及焊槍上下往復運動。徑向進給用來完成一個馬鞍形焊道的焊接后驅(qū)動電機運動進行一個徑向進給，使其能夠進行下一馬鞍形焊道的焊接，如果在焊接的過程中，焊槍在其焊接軌跡的徑向上出現(xiàn)偏差，那么徑向進給裝置也可來進行微調(diào)。而軸向進給裝置1主要是如果焊槍在焊接軌跡的縱向上出現(xiàn)偏差，則調(diào)整它使焊槍處于正確的位置。
2.3.2 運動參數(shù)確定
交流調(diào)速電動機的功率和轉(zhuǎn)矩特性如圖2-5所示，自動焊機的回轉(zhuǎn)進給運動、徑向進給運動以及2個軸向進給運動裝置的電動機均要求恒轉(zhuǎn)距輸出，即應(yīng)使得電動機的工作轉(zhuǎn)速n電小于等于額定轉(zhuǎn)速nd，且大于最低轉(zhuǎn)速nmin。
nmin
功率P（kW），轉(zhuǎn)矩T（N·m
電動機轉(zhuǎn)速（r/min）
P
T
nmax
nd
圖2-5交流調(diào)速電動機的功率和轉(zhuǎn)矩特性
根據(jù)大型筒體自動焊機的工作要求，其基本參數(shù)確定為：
1.回轉(zhuǎn)進給 是由回轉(zhuǎn)裝置電機通過行星減速器輸出，用齒輪傳動。所以回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)速為：
(2-1)
式中：為回轉(zhuǎn)運動電機轉(zhuǎn)速()；Z1為小齒輪齒數(shù)(齒)；Z2為大齒輪齒數(shù)(齒)；i為行星減速器傳動比。
2.徑向進給運動 徑向進給運動是由徑向進給運動電機通過齒輪、絲杠傳動，把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成所需的直線運動，所以進給速度VS為：
(2-2)
式中：為進給運動電機轉(zhuǎn)速(r/min)；i為減速器傳動比；T為絲杠螺距(mm)。
3.軸向進給運動1 同理可得縱向進給速度：
(2-3)
式中：為進給運動電機轉(zhuǎn)速(r/min)；T為絲杠螺距(mm)。
4．軸向進給運動2 提升運動是由提升電機通過行星減速機輸出，用絲杠螺母傳動。所以提升運動的速度為為：
(2-4)
式中：為軸向進給裝置電機轉(zhuǎn)速(r/min)；i為減速器傳動比；T為絲杠螺距(mm)。
2.3.3動力參數(shù)確定
各種傳動件的參數(shù)都是根據(jù)動力參數(shù)設(shè)計計算的。如果動力參數(shù)選得過大，將使機床過于笨重，浪費材料和電力；如果參數(shù)定得過小，又將影響機床的性能。動力參數(shù)可以通過調(diào)查、試驗和計算的方法進行確定。
傳動效率
根據(jù)圖2-4傳動系統(tǒng)可知，回轉(zhuǎn)運動傳動系統(tǒng)的總傳動效率可表示為：
(2-5)
式中：為行星減速器傳動效率，取=0.97；為軸承傳動效率(一對)，取=0.98；為齒輪副傳動嚙合效率，可取=0.97。
將上式代入各參數(shù)可求得。
電機功率
由圖2-5可知，有4條傳動鏈。即回轉(zhuǎn)運動、徑向進給運動、軸向進給運動1、軸向進給運動2。由于馬鞍形曲線自動焊機無外載荷，只是克服自身重量載荷運動，因此只要能夠產(chǎn)生帶動自身運動的功率的電機即可。
1.回轉(zhuǎn)運動裝置電機 整個焊機重量 。
①轉(zhuǎn)動慣量的確定 整個裝置的轉(zhuǎn)動慣量設(shè)為可表示為：
(2-6)
式中：m為重量()；r為有效半徑(mm)。
②整個機構(gòu)的角速度 通過減速器和齒輪傳動，角速度可表示為：
== (2-7)
式中：為整個機構(gòu)角速度；為總傳動比。
③克服慣性的扭矩 M1計算如下：
(2-8)
式中：t為電機起動加速過程的時間。對于中小型機床取t=0.5s，對于大型機床取t=1s。
④功率的計算 即為克服慣性扭矩的功率，計算式為：
(2-9)
式中：為傳動機構(gòu)的機械效率。
即選用動力源的功率P應(yīng)不小于0.68kw。所以選擇回轉(zhuǎn)電機的功率為0.75kw。
2.徑向進給裝置電動機 由于整個焊機在工作不承受載荷，所以整個運動過程都相當于空行程運轉(zhuǎn)。因此徑向進給裝置所需電機功率P2為：
(2-10)
式中：m為移動部件的質(zhì)量(kg)；g為重力加速度；為當量摩擦系數(shù)；為移動件的速度。
3.軸向進給裝置電動機 軸向進給裝置1電動機功率P3為：
(2-11)
式中：m為移動部件的質(zhì)量（kg）；g為重力加速度；為當量摩擦系數(shù)；F為由于重心與升降機構(gòu)不同心而引起在導軌上的擠壓力；為移動件的速度。
同理可得軸向進給裝置2電機功率P4=0.36(kw)
2.4 本章小結(jié)
本章在介紹重型壓力容器筒體與接管馬鞍形焊縫焊接工藝要求基礎(chǔ)上，提出了自動焊機的工作原理和總體設(shè)計方案，確定焊機的組成、總體布置和主要技術(shù)參數(shù)，完成了自動焊機的總體設(shè)計。
第3章 主要部件設(shè)計
3.1 電動機選擇
本課題的設(shè)計要求馬鞍形曲線自動焊要求速度輸出在一定范圍內(nèi)可調(diào)，為了使用變速系統(tǒng)減化，易于控制，因此采用速度可調(diào)的電動機。直流電阻調(diào)速與交流變頻調(diào)速是兩種常用的調(diào)速方法，下面是這兩種調(diào)速電動機的比較。
1.可靠性 直流電動機轉(zhuǎn)子上因為有線圈和易磨損的換向銅頭、碳刷等，故障率高、維修費用大。交流電動機可靠性高，其轉(zhuǎn)子上沒有線圈和換向銅頭，而是由鑄鋁和硅鋼片壓制成的鐵滾子，故可稱為永不損壞。
2.調(diào)速器維修量性 直流調(diào)速器凸輪控制觸頭的通、斷時產(chǎn)生的電弧經(jīng)常燒壞觸頭，所以維修量很大。變頻調(diào)速器沒有觸頭，接點基本無維修。
3.節(jié)能性 由于直流調(diào)速器電動機帶有電阻器運行，因此電能白白消耗在電阻上，同時由于電阻發(fā)熱導致電阻瓷架和電阻片燒壞。變頻調(diào)速電動機不用高耗能降壓電阻，節(jié)電率可達35％。
4.平穩(wěn)性 直流調(diào)速器電動機為有級分檔調(diào)速，不可能均勻調(diào)；變頻調(diào)速電動機為無級均勻調(diào)速，最低可調(diào)至頻率為0.1Hz。
通過上述比較，根據(jù)運動和動力計算的結(jié)果，考慮到設(shè)計要求，及電動機市場的實際情況，選用三菱HC-KFS73作為回轉(zhuǎn)進給驅(qū)動電動機，HC-KFS43作為徑向進給裝置和軸向進給裝置2的驅(qū)動電動機，以及選擇103H7523步進電動機作為軸向進給裝置1的驅(qū)動電動機。以HC-KFS73為例，電動機特性見表3-1。
表3-1 電動機特性
變頻專用電機型號
HC-KFS73
額定功率（kW）
0.75
額定轉(zhuǎn)矩（N.m）
18
瞬間最大轉(zhuǎn)矩（N.m）
36
額定轉(zhuǎn)速(r/min)
3000
轉(zhuǎn)子慣量（kg.m2.10-4）
0.0109
調(diào)頻范圍
2Hz～100Hz
3.2 集電裝置
集電裝置是動力源與自動焊機的橋梁，是給自動焊機提供動力的裝置。集電裝置的作用就是將外部電源導入到電動機內(nèi)，為焊接過程提供穩(wěn)定的電力。整個自動焊機與電源之間通過導線連接，焊機的工作時需要旋轉(zhuǎn)，所以，在設(shè)計集電裝置時，需要考慮箱體旋轉(zhuǎn)時導線的接入方式，要避免導線的纏繞，為此增加了集電裝置。
關(guān)于集電裝置我有些想法并試著思考和驗證其可行性。
（1）采用線圈通過電磁感應(yīng)來供電：
圖3-1 簡單示意圖
該方案采取電磁感應(yīng)供電這樣可以避免傳統(tǒng)電刷的摩擦與耗損不會出現(xiàn)由于電刷磨損造成的接觸不良，同時也減小了回轉(zhuǎn)運動的的負載。但是由于自動焊機輸入的是低電壓高電流那么由于
(2-11)
因為線圈的材料主要是細銅絲電阻大，I很大因此會有巨大的發(fā)熱消耗，這是不經(jīng)濟的，同時如果改變線圈采用粗的線圈和降低電流的話又必須在
焊機上增加變壓器和穩(wěn)壓裝置會加大焊機的重量這與本焊機可由人力進行移動運輸?shù)某踔圆环?
（2）微波和激光等新技術(shù)，通過相關(guān)資料和網(wǎng)絡(luò)的查詢，采用這些新技術(shù)的話將完全不存在靈活性的限制而且焊機的體積也能進一步縮小但是，
首先這些新技術(shù)還不成熟遠遠不到應(yīng)用的階段，其次本焊機使用的場所不適合假設(shè)上述新技術(shù)的傳輸裝置，再次成本會過高而不實際，最后這些新技術(shù)帶來的新污染和問題尚未解決。
經(jīng)過上述考慮后決定采用傳統(tǒng)可靠譜的電刷結(jié)構(gòu)集電裝置。
集電裝置由絕緣環(huán)I、導電環(huán)I、絕緣環(huán)II、導電環(huán)II、蓋板、尼龍鍵、電刷等組成。其結(jié)構(gòu)如圖3-2。電刷結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。
6
4
10
11
9
8
5
7
2
1
3
1. 主軸 2. 絕緣套 3. 絕緣環(huán)I 4. 導電環(huán)I 5. 絕緣環(huán)II 6. 導電環(huán)II 7. 蓋板
8. 尼龍鍵 9. 平鍵 10. 大電刷 11. 彈簧
圖3-2 集電環(huán)裝置
電動機既要旋轉(zhuǎn)，又要引入或引出電流，為了防止導線因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生導線纏繞，為此，就把電動機轉(zhuǎn)子線圈的兩端接到導電刷上，導電刷、電動機隨箱體一起旋轉(zhuǎn)。同時，電源的接入導線從絕緣套與導電環(huán)的空隙引入，和固定不動的導電環(huán)相連。一個旋轉(zhuǎn)，一個不動，兩者之間有滑動摩擦，所以，電刷用又滑又導電的石墨制成。設(shè)計利用電刷結(jié)構(gòu)，箱體與電刷一起旋轉(zhuǎn)，導線從導電環(huán)接入，電刷與不旋轉(zhuǎn)的導電環(huán)之間通過石墨塊連接，這樣就解決了導線隨箱體旋轉(zhuǎn)纏繞的問題了。
石墨用作導電環(huán)材料，摩擦阻力小，導電性能好，設(shè)計的多導電環(huán)結(jié)構(gòu)又避免了由于斷路而產(chǎn)生的斷電現(xiàn)象，使機器能夠正常的工作。而在導電環(huán)之間裝入尼龍材料的絕緣環(huán)，這就避免了“聯(lián)電”現(xiàn)象的產(chǎn)生，確保焊機能夠安全的運行。
1
2
3
4
5
1. 小電刷 2. 電刷套 3. 頂絲 4. 電刷罩 5. 絕緣座
圖3-3 集電極裝置小電刷結(jié)構(gòu)
3.3 進給裝置
過齒輪傳動給絲杠，通過絲杠的轉(zhuǎn)動，帶動套在絲杠上的絲母做左右直線運動。工作時套在伺服電機上的齒輪轉(zhuǎn)動，通過齒輪傳動傳到套在絲杠上的齒輪使其轉(zhuǎn)動，這樣，絲杠也轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的絲杠使絲母能夠左右移動，絲母帶動滑座在線性滑軌上左右移動。由于焊接機頭是安裝在滑座上的，通過滑座的移動，焊接機頭也相應(yīng)的向左和向右移動，從而實現(xiàn)了徑向的進給過程。
徑向進給裝置由電動機、齒輪、絲杠、絲母、導軌等組成。采用齒輪和絲杠傳動，實現(xiàn)從回轉(zhuǎn)運動到直線運動的轉(zhuǎn)換，電機平行于絲杠的布置節(jié)省了焊機在水平上的占用空間，使其結(jié)構(gòu)更加緊湊。使用HGW系列四列式15CC2R880ZAH直線滾動導軌，摩擦阻力小，耐磨性能好，該導軌又具有自動調(diào)心能力，確保徑向進給裝置運動的平穩(wěn)性，防止自動焊機的低速進給運動出現(xiàn)的爬行現(xiàn)象，保證精確的徑向進給。而且使用HGW系列導軌實現(xiàn)了模塊化設(shè)計，為后續(xù)的軸向進給設(shè)計提供了方便，節(jié)約了設(shè)計時間。大量使用同規(guī)格的標準件，如螺栓、絲母等實現(xiàn)了自動焊機零件使用的通用化，為維修和設(shè)計其他裝置提供條件。采用絲杠傳動的結(jié)構(gòu)能保證徑向進給裝置傳動比精確、調(diào)節(jié)速度均勻、壽命長等優(yōu)點。
絲杠螺母傳動的特點及應(yīng)用
（1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠（或螺母）可使螺母（或絲杠）獲得較大的牽引力。
（2）可達到較高的降速傳動比，使降速機構(gòu)大為簡化，傳動鏈得以縮短。
（3）能達到較高的傳動精度，用于進給機構(gòu)還可用作測量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小讀數(shù)值可達0.001mm。
（4）傳動平穩(wěn)，無噪聲。
（5）在一定條件下能自鎖，即絲杠螺母不能進行逆?zhèn)鲃?，此特點特別適用于作部件升降傳動，可防止部件因自重而自動降落。
螺距（mm）
絲杠(mm)
絲杠螺母
絲杠螺母
絲杠斷面積A
螺紋升角
絲杠斷面極慣性矩
絲杠斷面慣性矩I
外徑d
內(nèi)徑d1
中徑d2
（mm）
外徑
內(nèi)徑
4
20
15.5
18
20.5
16
1.89
4°
0.5667
0.3341
????由表3-1初選絲杠螺母副絲杠螺母副的基本參數(shù)如
???????????????表3-1
絲杠的傳動效率
查得?=0.7
一、選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1、選定直齒圓柱齒輪示的傳動傳動。移動部件為一般機構(gòu)，速度不高，故齒輪選定8級精度。
2、齒輪選用便于制造且價格便宜的材料，由參考文獻表3-2選取小齒輪材料為45號鋼（調(diào)質(zhì)），HBS1=240,大齒輪材料為45號鋼（?；〩BS2=200.
3、選取小齒輪數(shù)Z1=20,大齒輪數(shù)Z2=iZ1=4×20=80。因齒面硬度小于350HBS的閉式傳動，所以按齒面接觸疲勞強度設(shè)計，然后校核齒根彎曲疲勞強度。
二、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計
由參考文獻式得設(shè)計公式為:??
1、確定公式內(nèi)各參數(shù)的數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)Kt=1.3
（2）計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩,按高速軸的最低轉(zhuǎn)速計算
T1=95.5×105p/n1=13614.5Nmm=13.6Nm????
（3）選取齒寬系數(shù)???φd=0.8
（4）查得彈性影響系數(shù)ZE=189.8
（5）查得接觸疲勞強度極限σHlim1=590Mpa;由
查得接觸疲勞強度極限σHlim2=470Mpa
（6）由式3-29計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
???N1=60?=60×500×1×16×300×15=21.6×108
??=?=21.6×108/4=5.4×108
（7）由圖3—57查的壽命系數(shù)
（8）計算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概論為1%，安全系數(shù)為S=1，由
式3—30得：σHlim2=590MPa?σHlim1=470MPa
2.計算
（1）計算小齒輪分度圓直徑?：
d=38.3mm
（2）計算圓周速度：
???????V=?=1m/s
（3）計算載荷系數(shù)。
故載荷系數(shù)為
（4）按實際的載荷系數(shù)校正所計算的分度圓直徑，由3—27B得
??????d =37.4mm
（5）計算模數(shù)：
??1.87mm
由參考文獻取模數(shù)為標準值，m=2mm
（6）計算分度圓直徑：
（7）計算中心矩：a=(d1+d2)/2=(40+160)/2=100mm
（8）計算齒輪寬度：
????b=φd×d1=0.8×40=32mm
圓整，取B2=35mm,B1=40mm
三、校核齒根彎曲疲勞強度
由式（16-4）得校核公式為：?
????MPa
?1、確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值
⑴計算圓周力
????Ft=2T1/d1=2×13614.5/40=680.7N
⑵查取應(yīng)力校正系數(shù)。由表3-8查得：
????YFa1=2.8???YSa1=1.55;???YFa2=2.22;???YSa2=1.77
⑶計算載荷系數(shù)：
????K=KA×KV×Ka×KFβ=1×1.08×1×1.25=1.35
⑷查取彎曲疲勞強度極限及壽命系數(shù)。由圖3-58查得σFlim1=450Mpa;由圖3-58查得σFlim2=390Mpa;由圖3-56查得KFN1=KFN2=1.
⑸計算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=SF=1.4，得：
????[σ]F1= 236MPa
4
2
3
1
????[σ]F2= 456MPa
6
5
1.小齒輪 2.大齒輪3.電動機 4.絲杠5.絲母 6.導軌
圖3-4 徑向進給裝置圖
3.4 非任務(wù)的主要部件的設(shè)計
利用軸的回轉(zhuǎn)運動來完成執(zhí)行任務(wù)的情形很多很多，如機床中主軸帶動工件或刀具，可完成工件表面的成形加工運動；軋鋼機中通過軋輥(相當于機床中的主軸)對鋼材的軋制，以獲得不同形狀、尺寸的型鋼及一些自動裝配線上使用的各種不等速或間歇回轉(zhuǎn)機構(gòu)的軸等。這些主軸由于功用不同，故各自具體結(jié)構(gòu)及主軸機構(gòu)的組成及布置也不一樣。但歸結(jié)起來主軸機構(gòu)一般主要由主軸、安裝在其上的傳動件(齒輪、皮帶輪等)、密封件、軸承、軸承間隙調(diào)整及固定元件(螺母)等組成，因此，設(shè)計主軸機構(gòu)時主要是各組成元件的布置及設(shè)計軸本身。
因為自動焊機的運動軌跡是馬鞍形曲線，是縱向運動和回轉(zhuǎn)運動的和運動，所以要想是焊機實現(xiàn)馬鞍形曲線的軌跡就要求有回轉(zhuǎn)進給?；剞D(zhuǎn)進給裝置由主軸、電動機、行星減速器、齒輪、連接座等組成。如圖3-5所示。伺服電機連接行星減速器提供動力，通過主動齒輪傳動給套在主軸上的從動齒輪，從動齒輪固定在主軸上，而主軸固定不動，形成反向作用力，使連接電機的整個箱體繞軸做回轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)進給過程。它結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，占用空間小，因為選用了行星減速器更加節(jié)約了空間，減輕了整個焊機的重量，而又實現(xiàn)了大傳動比。主軸居中布置避免由于偏心而產(chǎn)生的彎矩，使焊機受力均勻合理?；剞D(zhuǎn)裝置中的齒輪均采用定位銷來定位，這種定位方法結(jié)構(gòu)簡單又便于裝配。
4
5
6
8
7
1
2
3
1. 連接座 2. 銷 3. 箱體 4. 銷 5.主軸 6.電機與減速器 7.大齒輪 8. 小齒輪
圖3-5 回轉(zhuǎn)進給裝置結(jié)構(gòu)
軸向進給裝置 軸向像進給裝置1與徑向進給裝置相似，都是作直線運
動的機構(gòu)，是當焊槍在縱向上位置不準確時用來調(diào)整其縱向位置的裝置。為使設(shè)計過程簡單，加工制造方便，便于以后自動焊機的系列化發(fā)展、實現(xiàn)其模塊化設(shè)計。因此也采用齒輪、絲杠傳動，利用導軌來導向和承載，選擇其規(guī)格和徑向進給裝置相同的零件，如絲杠、絲母、導軌、螺栓等。其結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。它和徑向進給裝置的不同之處在于電動機與絲杠直線布置，直接用聯(lián)軸器與電動機連接。這樣即節(jié)約了空間又受力合理，實現(xiàn)其微調(diào)的作用。
軸向進給裝置2結(jié)構(gòu)更為簡單，它也是做直線運動的機構(gòu)，不同之處在于它是用于焊機的軸向進給，速度范圍要與回轉(zhuǎn)運動相協(xié)調(diào)，因此減速機構(gòu)選擇行星減速器、絲杠、絲母。結(jié)構(gòu)見圖3-7。
圖3-6 軸向進給裝置1 圖3-7 軸向進給裝置2
夾緊裝置
定位基準
定位的作用是要使自動焊機與被焊接筒體之間具有準確和固定不變的工作位置，在保證工作要求的情況下，限制足夠的自由度。
用來確定加工對象上幾何要素間的幾何關(guān)系所依據(jù)的那些點、線、面成為基準。按照其作用的不同，基準可以分為：設(shè)計基準和工藝基準兩大類。工藝基準又可以分為：工序基準、定位基準、測量基準和裝配基準。該自動焊機的裝夾定位基準有兩種定位方案。第一種采取接管的外圓柱面和端面為定位基準平面，這種定位形式要求接管有足夠的伸出長度已便于定位。第二種采用接管的內(nèi)圓柱面和端面為定位基準平面，工件以圓柱外表面為基準進行定位時常采用V形鐵定位器，同時保證其加工精度。
夾具裝置設(shè)計
1.三爪卡盤 對大型圓筒夾具體選擇三爪卡盤外夾式進行夾緊，以工件的外圓面平面為基準進行定位時，其限制OX、OY、OZ三個方向的平動自由度和OX、OY兩個方向的旋轉(zhuǎn)自由度，共限制5個自由度。如下圖3-8所示。
Z
X
Y
圖3-8 三爪卡盤的裝夾
2.反四邊行夾具 采用連桿機構(gòu)，對夾具進行內(nèi)擴式夾緊。利用定位工件的定位，夾具的固定桿限制了OX兩個方向的旋轉(zhuǎn)自由度和OX、OY、OZ三個方向的平動自由度，夾具的頂端固定塊限制了OY方向的平動自由度，共限制5個自由度，如圖3-9所示。
6
5
4
X
Z
3
2
1
Y
1.夾具 2