wd焊接变位机的设计(全套图纸)

本次设计是以焊接变位机作为主要的研究对象。在焊接变位机中采用全液压系统，使之重量减轻，自动化程度增强，变位机中的传动部分是由一个油泵机组分别驱动油马达和三组油缸带动工作台进行回转和倾斜，并使主，副臂产生俯仰动作调节工作台的高低。本次设计对焊接变位机的传动机构的特点和组成都做了详细的介绍，对机构中的主要零部件做了具体的设计。本次设计采取了独特的设计，使得产品更为先进、实用，设计后制造出来的焊接变位机主要应用在焊接行业上，这样可以缩短焊接辅助时间，提高工人的劳动生产率，减轻工人劳动强度，改善焊接质量，并充分发挥各种焊接方法的效能。

在焊接生产中，经常会遇到焊接变位以及选择合适的焊接位置的情况，针对这一实际需要，我们设计的焊接变位机，它可通过工作台的回转和倾斜，使焊缝处于易焊位置。焊接变位机与焊接操作机配合使用，可实现焊接的机械化、自动化，提高了焊接的效率和焊接质量。焊接变位机可应用于化工、锅炉、压力容器、电机电器、铁路交通、冶金等工业部门的自动焊接系统。

关键词：

焊接变位机；液压系统；回转；倾斜；

The design is subject to weld change site equipment .The weld change site equipment，which the hydraulic system been used to lighten its weight and achieve highly automatically. The transmission part of the equipment is powered by one group of oil pump，several hydraulic motor and three hydrocylinder drive the work table to achieve rotation, incline and vice-arm to adjust work table height. The detailed system feature and components have been introduced in this design to emphasis the cutting edge and reality feature, which been enhanced by the specialty design of its major component. Weld change site equipment is mainly for welding industry to reduce the welds the assistance period, enhance work efficiency, reduce utility of labour and improve quality of welding. Most importantly, weld change site equipment could enhance the effect of almost every sort of welding。

In the welding production, it can meet the welding frequently to transition and to choose the appropriate welding position the situation, in view of this actual demand. This design the Weld change site Equipment. It has been possible through the work table rotation and incline. It causes the welded joint to be in easily to weld the position. The weld change site equipment and the welding operation machine coordination use, can realize the welding mechanization, the automation, enhanced the welding efficiency and the welding quality. Weld change site equipment can be applied in the industrial section of the chemical engineering, boiler, pressure container, electrical engineering electric appliances, rail communication, metallurgy to weld system automatically.

Keywords：

weld change site equipment；hydraulic system；rotation；incline

引言 (3)

1焊接变位机的总体设计 (5)

1.1焊接变位机的类型 (5)

1.2焊接变位机械应具有的性能 (5)

1.3焊件变位机械的功能 (6)

2焊接变位机工作台运动方案的拟定和选择 (8)

2.1工作台回转运动方案的拟定和选择 (8)

2.2工作台倾斜运动方案的拟定和选择 (9)

3回转机构的设计与计算 (10)

3.1减速器的选择 (10)

3.2液压马达的选择 (10)

3.3齿轮的设计与计算 (12)

3.4软件校核齿轮的强度 (16)

3.5 回转轴的强度计算 (18)

3.6 联轴器的选取和校核 (22)

3.7轴承的选取和校核 (23)

3.8键的选取和校核 (23)

3.9 导电与导气装置 (24)

4倾斜机构的设计与计算 (25)

4.1 液压缸的设计计算 (25)

4.2活塞杆稳定性校核 (26)

4.3选用的回路 (27)

5结论 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

引言

进入21世纪，我国的大部分企业还处在没有进入自动化焊接阶段，从调查资料中的115家各类企业的情况来看，总共只有焊接变位机750台，84%是国产的。可见，变位机在我国企业中应用还不普遍，但是，在调查的企业中也发现了一些应用变位机好的典型，如厦门的林德叉车厂，每个焊接工都配备一台变位机，一台小电葫芦吊车和一台CO2气体保护焊机，这样就充分利用了我国劳动力成本低的优势，同时用比较低廉的设备解决了生产效率，焊接质量和劳动强度的问题。所以应该在国内广泛的推广焊接变位机，这也是本课题设计的必要所在[1]。

在国际上，变位机的发展是非常全面的，包括各种功能的产品在内的有百余种系列，在技术上有普通型的，有无隙传动伺服控制型的，产品的额定负荷范围达到0.1KN~18000KN。德国的Severt公司，美国Aroson公司，和我国的天津鼎盛工程机械有限公司是比较典型的生产焊接变位机的企业。可以说我国焊接变位机发展的水平和国外发展水平相比较还是有差距的。

我国焊接行业的发展前景是非常好的，随着产品进入、资本进入、服务进入，将极大地增加我国的焊接行业的效益，扩大焊接市场，乃至机械行业。目前，我国的焊接技术已达到世界先进领域，我国的焊接行业已经并且正在发生着日新月异的变化，而且多方面领先与其他国家，拥有着先进的焊接技术，拥有着世界上最大和最具潜力的市场。无论是国外的厂家，还是国内的企业．进入中国的市场都要有更先进的焊接技术，因此研制新的全自动焊接机已成为焊接行业不可缺少的高新技术，如：德国、日本、美国等国正在进一步加大全自动焊接机的投入，不断的提高焊接技术。21年来我国焊接业的

年平均增长速度为37%。由于总额的基数加大，增长速度会放缓，但可以肯定的是中国的焊接行业在近千年之内会以两位数的百分比持续增长。焊接行业是我国的古老行业，其规模和水平是有限的。焊接公司是焊接行业的主体。2002年我国共有焊接公司许多家，焊接产品的比重日益加大，其增长速度都是可观的，但是与外国焊接权威机构披露的外国大型焊接企业的年产品的数字相比，差距是极为巨大的。我国焊接产品的年数量尚不及世界排名在前的外国厂家，还有一定的差距。

全自动焊接机的研制，以及技术的更新，取得了很明显的成果，焊接业发展的势头不断向前，并且趋向更合理和更符合长远发展要求，我国焊接业进入了正常的、高速的发展轨道，形成了不可限量的、持续发展的势头。多种形式的焊接机促进了焊接行业的不断发展，焊接行业得到蓬勃发展，全面创造历史最好水平。

焊接业的发展，不仅表现在焊接机的创新研制和焊接技术的提高，而且表现在焊接行业已成为一个国家机械行业的先进与否的标志。创新、设计、制作等方面的质的发展，都有了新突破，设计创新八仙过海，各显其能。焊接公司开始树立起以市场为导向、设计为中心、效率第一、创优质的产品为目标。

焊接理论研究日益活跃，呈现出“百家争鸣”气象。焊接的技术人员和从业人员纷纷从不同角度，借鉴国外及学科外其他理论来充实焊接理论，探索中国焊接行业的发展之路。焊接市场风风火火，竞争日趋于激烈，然而企业家由投标时的狂热到后期的冷静，反映了中国焊接行业走向成熟与理智。

1焊接变位机的总体设计方案

1.1 焊接变位机的类型

焊接变位机是改变焊件、焊机或焊工的空间位置来完成机械化，自动化焊接的各种机械设备。

焊接变位机的分类和各类所属的设备如图1所示：

图1 焊接变位机的分类

各种焊接变位机械都可以单独使用，但在多数的场合是相互配合使用的，它们不仅用于焊接作业，也可用于装配、切割、检验、打磨、喷漆等作业。

1.2焊接变位机械应具有的性能

一般，通用的焊接变位机应具备的性能是：

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，

焊件因自身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，其到位精度和运行轨迹精度应控制在0.1～2mm

之间，最高精度可达到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，以免导热和通风的性能。

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，药皮等脏物，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

和相互协调工作。

9.工作台面上刻有安装基线，并设有安装槽孔，能方便地安装各种定位

器件和夹紧机构。

10.兼作装配用地焊接变位机械，其工作台面要有较高地强度和抗冲击性

能。

11.用于电子束焊，等离子弧焊，激光焊，和钎焊的焊接变位机械，应满

足导电，隔磁，绝缘等方面的特殊要求。

1.3焊件变位机械的功能

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。

焊件变位机按功能的不同，分为焊接变位机，焊接滚轮架，焊接回转台，焊接翻转机四类。

在手工焊作业中，经常使用各种焊件变位机械，但在多数场合，焊件变位机械是与焊机变位机械相互配合使用的，用来完成纵缝，横缝，环缝，空间曲线焊缝的重要组成部分。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，焊件变位机也是组成的设备之一。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，空间曲面的带极堆焊等，都需要焊件变位机械的配合，才能完成其作业。焊接变位机主要用于机架、机座、机壳、法兰、封头等非长形焊件的翻转变位。焊接变位机按结构类型可分为三种：

⑴伸臂式焊接变位机：

其回转工作台绕回转轴旋转并安装在伸臂的一端，伸臂一般相对于某一转轴成角度回转，而此轴的位置多是固定的，但有的也可一在小于100°的范围内上下倾斜。这两种运动都改变了工作台回转轴的位置，从而使该机变位范围变大，作业适应性好。

⑵座式焊接变位机：

其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，倾斜轴通过扇形齿轮或液压缸，多在110°～140°的范围内恒速或变速倾斜。该机稳定性好，一般不用固定在地基上，搬移方便，使用于0.5～50t焊件的翻转变位。是目前产量最大，规格最全，应用最广的结构形式。常与伸缩臂式焊接操作机或弧焊机器人配合使用。

⑶双座式焊接变位机：

该机稳定性好，重型焊机变位机多采用这种结构。双座式焊接变位机适用于50t以上大尺寸焊件的翻转变位。在焊接作业中，常与大型门式焊接操作机或伸缩臂式焊接操作机配合使用。

本次设计的是第一种：伸臂式焊接变位机。

2 焊接变位机工作台运动方案的确定

2.1工作台回转运动方案的拟定

通过对现有的焊接变位机的观察和研究，在调查了大量的资料的前提下。现对焊接变位机的回转部分分析如下：

焊接变位机工作台的回转运动是利用回转轴带动工作台进行回转运动的，其驱动方式可以用两种方案来实施。

方案一：采用直流电动机驱动，无级变速，如图2所示，当电动机工作时，发出的转速经带轮传递给蜗杆，然后蜗杆通过与蜗轮啮合，将转速传递给蜗轮，经蜗轮转向并使回转轴开始转动，从而达到使工作台进行回转运动的目的。

图2 电机驱动简图

方案二：采用液压驱动工作台进行回转运动，如图3所示，液压马达首先通过减速器，再通过齿轮传动带动工作台进行回转运动。

图3 液压驱动简图

由于第二种方案采用液压传动，使得传动系统的重量减轻，结构也更为紧凑，惯性小，调速范围宽，并且运动平稳，所以本次设计回转部分采用第二种方案。

2.2工作台倾斜运动方案的拟定

焊接变位机的倾斜机构也有两种驱动方案，

方案一：电动机经过减速器减速后，通过扇形齿轮带动工作台倾斜，或通过螺旋副使工作台倾斜。

方案二：采用液压缸直接推动工作台倾斜。

由于其回转机构以确定为液压驱动，为了使整机的驱动方式更加合理，可靠，其倾斜机构采用方案二，即采用液压缸直接推动工作台进行倾斜，如图4所示。

图4 倾斜机构简图

本次设计的具体参数：

最大的工作载1000N;工作台的回转速度为0.2r/min;回转角度为360°；工作台倾斜速度为0.5r/min，倾斜角度为120°。工作台回转轴的转矩为200N·m。

3回转机构的设计与计算

3.1减速器的选择

根据工作台的驱动阻力矩，并考虑到功率，选取FGM 系列行星齿轮减速机，其传动比为i=500.

3.2 液压马达的选择

3.2.1选定系统压力

根据液压马达输出轴的最大扭矩并综合考虑系统性，可靠性，安全性等条件，初步选定液压系统最高工作压力为10MPa 。

3.2.2马达的选取及功率，扭矩校核

由减速机的选取可知

max n n n i =?=0.2×500×5＝500r/min

39.5510

p T n =? （3-1） 由于T=200 N·m ，所以P=

332000.2 4.188109.5510T n kw -?????回3＝＝9.5510 P η?马达总=P 总，35.5110Kw ?－马达P ＝

3

3

3 5.51109.55109.55100.105500P T n -??=??=马达＝ N·m 由公式 m a x m a x 6.28/m m q M p η=? （3-2） 式中： max m n 是马达最大的输出转速，单位：r/min

max M 是马达的最大输出扭矩，单位：N·m

max m q 是马达的最大排量, 单位：ml/r

p ? 是马达的进出口压差，即所选的系统压力 单位：MPa m η 是马达的机械效率, m η=0.9

max max 6.28/m m q M p η=?=6.28×0.105／0.9×10=0.073ml/r

根据以上计算的数据，可以选取1QJM001-0.08液压马达，排量为0.083ml/r ，最高转速为500r/min 。

马达的功率校核：

()/600P t p Q D N =?? （3-3） 式中 Q 为输入流量，单位为: L/min

p D 为马达压降, 单位为: MPa

Nt 为总效率 Nt=0.9

()/600P t p Q D N =??＝（0.083×500×100×0.9）／600＝6.15w

马达的扭矩校核：

(1.59)/100(1.590.083100.9)/1000.118g p mh M V D N =???=???=N ·m

确定系统实际工作压力：

由公式max max 6.28/m m q M p η=?得△p=8.35MPa

3.2.3传动系统的运动和动力参数计算

传动系统各轴的转速、功率和转矩计算如下：

0轴（液压马达轴）

0P =5.51w

0n =500r/min

3000 5.5110955095500.105

500P T N m n -?==?=? 1轴（减速器高速轴）

10p p η=?联=5.51×0.99=5.45w

1500/min o n n r ==

3

111 5.4510955095500.104500

P T N m n -?==?=? 2轴（减速器低速轴）

21P =P =4.142w η减

12n 500n =1/min i 500

r 减＝＝ 210.10450052T T i N m ==?=?减

3轴（回转轴）

32 4.1420.97 4.01P P w η==?=齿

2310.2/min 5

n n r i ===齿 325250.80208T T i N m η==??=?齿齿

3.3齿轮的设计与计算

齿轮机构可以用于传递两轴间的运动和动力，其特点是：传动准确可靠；效率高；可传递较高的扭矩。故齿轮成为机械中应用最广泛的一种传动机构。

选择常用的材料以及热处理。小齿轮，45钢，调质，1HB =235；大齿轮，45钢，正火，2HB =190，12HB HB -=235-190=45合适。

选出齿轮精度等级为8级精度，GB10095—88。

初选小齿轮齿数为1Z =20，大齿轮齿数为2121Z i Z ?==4.859×20=97.18，圆整齿数取2Z =100，实际齿数比21005120

Z u Z === （1）按齿面接触疲劳强度设计

1t d ≥ mm （3-4） ①确定计算参数

6651115.45

9.55109.55101.1310

500P T n =??=??=?N m m ? 按齿数1Z =20, 2Z =80得

1αε=0.735，2αε=0.946，则αε=12ααεε+=0.735+0.946=1.681

因是直齿轮，βε=0，故r ?εε==1.681

k α=1.16

因为载荷平衡， A K =1

不对称布置，取齿数宽系数d ψ=0.5

查得K β=1.08

查试选vt K =0.9

节点区域系数H Z =

（3-5） 标准直齿圆柱齿轮，α=20°，H Z =2.5

查得E Z

=189.8查得：

lim 1H σ=570Mpa

l i m 2

H σ=460Mpa 计算应力循环次数

911h N =60n jL =605001(2830016)=2.310???????次

9

912 2.310

0.46105N N u ?===?次

1N Z =1，2N Z =1.05，（允许一定量的点蚀）

取H S =1，W Z =1

许用接触应力

[]l i m 111H N W H H Z Z S σσ??==

570111

??=570MPa （3-6） []lim 222H N W H H Z Z S σσ??==460 1.0511??=480MPa

取最小值[]2H σ代入

查得Z ε=0.87。

式中A v K K K K K βα=???

②计算

1t d ≥ （3-7）

= =67.19mm

圆周速度

1160000t d n V π==

3.1467.1950060000

??=1.758m s （3-8） 1100VZ =1.75820100?=0.35 查得v K =0.81，与假设v K =0.9相符合，不需要修正，1d =67.19mm

模数 11d m Z ==67.1920

=3.359mm 取标准值 m =4mm

11d mZ ==4×20=80mm

22d mZ ==4×100=400mm

1d b d ψ==0.5×80=40mm

圆整取，2b =40mm ，1b =45mm

（2）校核齿根弯曲疲劳强度

[]112F F a S a F KT Y Y Y bd m εσσ=≤ （3-9）

取1Fa Y =2.80，2Fa Y =2.18 取1Sa Y =1.55，2

Sa Y =1.79

[]l i m H N X F F Y Y S σσ= （3-10）

m ＜6取F S =1，X Y =1 取lim 1F σ=430MPa ，lim 2F σ=370MPa

取1N Y =1.0，2N Y =1.0，

[]1F σ=430MPa ，[]2F σ=370MPa

[]111Fa Sa F Y Y σ==2.8 1.55430?0.010093 []22

2Fa Sa F Y Y σ=2.18 1.79370

?=0.01054 比较

∴大齿轮弱，应按大齿轮校核弯曲疲劳强度，查文献[3]图7-25得，

Y ε=0.69 5

1212210.9 1.08 1.16 1.1310 2.18 1.790.6940804

F Fa Sa KT Y Y Y b d m εσ??????==????? =53.602MPa ＜[]2

F σ=370MPa ∴弯曲疲劳强度足够

（4）主要设计结果

中心距：1212

d d a +==240mm 模数：m =4mm

齿数：1Z =20 2Z =100

分度圆直径：1d =80mm 2d =400mm

齿顶圆直径：1

12a d d m =+=80+2×4=88mm 2

22a d d m =+=400+2×4=408mm 齿根圆直径：1

1 2.5f d d m =-=80-2.5×4=70mm 2

22.5f d d m =-=400－2.5×4=390mm 齿宽： 1b =40mm 2b =45mm

3.4使用计算机软件验算齿轮的强度校核：

计算圆柱齿轮传动装置 (带有直齿和螺旋齿) 的尺寸。包括基于已转换的输出功率的模块设计。允许使用各种类型的更正，包括位移补偿更正。因为可以计算从动齿轮，所以将得到精确的轴距。可以执行强度检查。

图 5 选择齿轮的类型 图6 选择制作级别

图7 输入选择齿轮的传动类型图8 输入齿轮传动装置尺寸

图9 输入材料类别图10 外部系数对齿轮的影响

图11 输入齿轮设计参数

图12 输入校核信息图13 校核合格

3.5 回转轴的强度计算

3.5.1轴的结构设计

(1)在回转轴上的功率为1p ，转速为1n ，转矩为1T 。参考3.2.3的数据

得 32 4.1420.97 4.01P P w η==?=齿

2310.2/min 5

n n r i ===齿 （3-11） 325250.80208T T i N m η==??=?齿齿

(2)求作用在齿轮上的力：

已知大齿轮的分度圆直径为

2d =400mm

圆周力： 3222208 1.04400

t T F KN d ?=== 径向力： 1.0420 1.040.360.374r t F Ftg tg N KN α==??=?=

法向力： 1.04 1.106cos cos 20t n F F KN α===?

（3）轴的结构设计：

拟定轴的零件的装配方案见图14,由于回转轴的转速太小，并不适用最小轴径的计算公式，所以依照经验，和与同类设计的参数为依据，定最小轴径为65mm 。

图14 回转轴

根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。

70,86,90,100,90.,d mm d mm d mm d mm d mm I II III IV V

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