自调式焊接滚轮架设计 毕业设计

自调式焊接滚轮架设计 毕业设计 说明书 摘 要 焊接装备就是在焊接生产中与焊接工序相配合，有利于实现焊接生产机械化，自动化，有利于提高装配焊接质量，促使焊接生产过程加速进行的各种辅助装置和设备。焊接滚轮架是借助主动滚轮与焊件之间的摩接力带动焊接旋转的变位机械。焊接滚轮架主要用于筒形焊件的装配与焊接。焊接滚轮架按结构形式分为两类:第一类是长轴式滚轮架。第二类是组合式滚轮架。本文主要对自调式式20T焊接滚轮架进行设计，并对轴、键等主要构件进行了校核。结果表明各主要部件符合要求。该滚轮架结构简单，使用方便灵活，对焊件的适应性很强。设计中充分的考虑了滚轮架的合理性和经济性等因素。 关键词:焊接;工装夹具;滚轮架;校核;合理性 1 说明书 Abstract Welding equipment is a machine which is used in welding production and welding processes, and it is conducive to welding production mechanization and automation, to improving assembly welding-quality. Then it could prompte to speed up the process of welding production of the various assistive devices and equipment. Welding roller is used initiative and welding pieces of the wheel between the Mount relay driven welding rotating mechanical deformation. Welding roller stands for the main pieces of tube welding and welding assembly. Welding roller standing by structural form is divided into two categories : the first category is long axis-wheel frame., the second category is modular roller frame. In this paper, twenty pairs of modular T-welded wheel for the design, as well as axial, bond and other main component of checking. The results showed that the main components to meet the requirements. The roller frame structure is simple, flexible, adaptive welded pieces of a strong, which is the most widely used form of the structure. And it could be fully considered the roller frame reasonable and economic, and other factors. Key words:weld, frock clamp, turning rolls; check; rationality 2 说明书 目 录 摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„I Abstract„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„II 目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„III 第1章绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 第2章焊接机械概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.1 焊接的应用 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2 焊接机械装备 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2.1焊接机械装备的分类 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 2.2.2焊接机械设备在焊接生产中的作用 „„„„„„„„„„„„„3 2.3焊接工装夹具 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.3.1焊接工装夹具的分类 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 „„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.3.2 焊接工装夹具的特点 „ 2.3.3焊接工装夹具的设计要求 „„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.3.4焊接工装夹具设计的确定 „„„„„„„„„„„„„„„7 2.3.5焊件在夹具中的定位 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.4 焊接变位机械„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.4.1 焊接变位机械的分类 „„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2.4.2焊接变位机械应具备的性能 „„„„„„„„„„„„„„„„11 2.5 几类焊接机械设备的具体介绍„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.5.1 焊接变位机„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 2.5.2焊接翻转机„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13 2.5.3焊接操作机„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2.5.4焊接滚轮架„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2.5.5关于滚轮架轴向窜动的问题„„„„„„„„„„„„„„„„16 第3章方案的选择与确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.1自调式滚轮架的特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.2滚轮驱动方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.3减速装置的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3.4联轴器的选用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.5滚轮架滚轮的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.6轴的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 3.7轴承的选用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3.8键的选用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 第4章计算和校核 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 3 说明书 4.1焊接滚轮架的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4.1.1驱动圆周力与摩擦阻力的计算„„„„„„„„„„„„„„„26 4.1.2 滚轮支反力的计算 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„28 4.1.3驱动圆周力与支反力及中心角的确定„„„„„„„„„„„„29 4.2 轴的校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 4.3滚轮处键的校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 4.4轴承寿命计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 第5章 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41 附件1„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42 附件2„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„62 4 说明书 第1章 绪论 本次设计是在我们学完了大学的全部基础课，技术基础课以及专业课之后进行的。这是我们对所学的各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。因此，它在我们的大学生活中占有重要的地位。另外在做完这次毕业设计之后，我得到一次在毕业工作前的综合性训练，我在想我能在下面几方面得到锻炼: (1)运用机械设计课程中的基本理论以及在生产实习中学到的实践知识，根据此装置的作用，通过现实中的要求完成此装置的设置，使其达到设计的要求。 (2)提高结构设计能力。通过设计焊接滚轮架的训练，获得设计某一装置的设计理念，设计出高效，省力，经济合理而能保证加工质量的装置的能力。 (3)学会使用以及图表资料。掌握与本设计有关的各种资料的名称，出处，能够做到熟练的运用。 就我个人而言，我希望通过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己发现问题、分析问题和解决问题的能力。 5 说明书 第2章 焊接机械概述 2.1 焊接的应用 焊接是一种制造技术，它是适应工业发展的需要，以现代工业为基础发展起来的，并且直接服务于机械制造工业。焊接技术的发展与制造工业的需要紧密相关，一般工业先进国家，钢产量的50,左右需采用焊接工艺才能形成产品;在石油化工、矿山冶金、金属结构、起重运输、水陆交通、航天航空、桥梁建筑、电力能源等机械设备制造部门，焊接都有着重要而广泛的应用。许多设备中的大型结构，几乎都是焊接结构。现在，随着科学技术的进步，生产规模的日益扩大，焊接结构正朝着超大型、高容量、高参数、耐磨、耐蚀、耐低温、耐动载的方向发展，这就不仅需要为焊接生产提供质量更高、性能更好的各种焊机、焊接材料和焊接工艺，而且要求提供各种性能优异的焊接工装设备，使焊接生产实现机械化和自动化，减少人为因素干扰，达到保证和稳定焊接质量、改善焊工劳动条件、提高生产率、促进文明生产的目的。但是，焊接生产是综合性生产，在焊件制造过程中，除了焊接工序本身外，前后还有许多工序的配合，如备料、输送、装配、检验、矫正等工序。因此，焊接生产的机械化、自动化不仅仅局限于焊接工序本身，而且包括与焊接工序衔接的上下各工序的机械化、自动化，只有各个工序机械化、自动化了，才能实现焊接生产的综合机械化和自动化。 2.2 焊接机械装备 2.2.1焊接机械装备的分类 焊接机械装备就是在焊接生产中与焊接工序相配合(有利于实现焊接生产机械化、自动化，有利于提高装配一焊接质量，促使焊接生产过程加速进行的各种辅助机械装置和设备。这里称之为辅助机械装置和设备，是为了和焊机相区别。焊机是焊接生产过程中的核心设备，它包括焊接电源、焊接控制箱、焊接机头等，有自己的独立系统，不属于焊接机械装备的范畴。而焊接机械装备相对于焊机是处于辅助地位的，是配合焊机进行焊接生产的机械装置和设备。它包括的范围较广，按用途分，主要有焊接工装夹具、焊接变位机械、焊件输送机械三个方面，其次还有导电装置、焊剂输送与回收装置、坡口准备及焊缝清理与桔整装置等。它们又是焊接机械装备的从属装置。 6 说明书 焊接机械装备分为(1)焊接工装夹具(按动力源分类):手动夹具，气动夹具，液压夹具，磁力夹具，电动夹具，真空夹具，混合式夹具(2)焊接变位机械:焊工变位机械(焊工升降台)，焊机变位机械(焊接操作机，电焊渣立架)，焊件变位机械(焊接变位机，焊接回转台，焊接翻滚机，焊接滚轮架)，(3)焊接输送机械:上料装置，配料装置，卸料装置，传送装置，各种专用吊具(4)其他从属装置:导电装置，焊剂输送与回收装置，焊丝清理及盘丝装置，埋弧焊焊剂垫，坡口准备及焊缝清理与精整装置，吸尘及通风装置。 从使用范围来分，焊接机械装备又分为通用和专用两大类。 通用焊接机械装备通用性强、适应性广，整台机械能适应产品结构的变化重复使用。它们可以组合在一起使用，也可以组装在焊接生产线上，成为焊接生产线的一个组成部分。由于这种装备通用性强，所以机械化、自动化水平不是很高，主要满足多品种、小批量焊接生产的需要。 专用焊接机械装备是为了适应单品种、大批量焊接生产的需要专门设计制造的。这种装备专业性强、生产宰高、控制系统先进，能很好地满足产品结构、装焊工艺、生产批量的要求。例如:专用焊接工装夹具、专用焊接机床就用于这类装备 2.2.2焊接机械设备在焊接生产中的作用 焊接机械装备对焊接生产的有利作用有如下几个方面: 1)采用焊接工装央具，零件由定位器定位，不用划线，不用测量就能得到准确的装配位置(从而保证了装配精度，加快了装配作业的进程。此外，在焊接工装夹具上大都采用磁力、液压、气动夹具，即使采用手动夹具，也都有扩力机构，因此可减轻工人的体力劳动，提高装配效率。 2)由于焊件在央具中可强行夹固或预先给予反变形，所以能控制或消除焊接变形。 3)采用焊接工装夹具后，由于保证了装配精度，控制了焊接变形，所以可提高焊件的互换性能;焊件上的配合孔、配合槽等机械加工要素可由原来的先焊接后加工改为先加工后焊接，从而避免了大型焊件烬后加工所带来的困难，有利于缩短焊件的生产周期。 4)采用焊接变位机械，可缩短装配和施焊过程中焊件翻转变位的时间，减 7 说明书 少了辅助工时，提高了焊机利用率和焊接生产率。 5)采用焊接变位机械可使焊件处于员有利的施焊位置--水平及船形位置上进行焊接。这有利于操作，有利于保证焊接质量，而且可加大焊接工艺，充分发挥焊接方法的效能。 6)采用焊接变位机械可扩大焊机的焊接范围。例如，埋弧焊机配合相应的焊接装备后，可完成内外环缝、空间曲线焊经的焊接和空间曲面的堆焊。 7)采用焊接机械装备后，可使手工操作变为机械操作，人仅处于控制机械的地位，减少了人为因素对焊接质量的影响，也可降低对焊工操作技术水平的要求。 8)采用焊接机械装备后、可便装配和焊接集中在一个工位上完成，可减少工序数量(节约车间使用面积。 9)只有与焊接机械装备相配合，才能在条件困难、环境危险、不宜由人工直接操作的场合实现焊接作业。例如在高温、深水、剧毒、有放射性的环境中进行焊接作业，都需要与相应的焊接机械装备相配合才能实现。 10)欲使焊接工序本身实现机械化和自动化，或者使焊接生产过程实现综合机械化、自动化，都需要焊接机械装备舶配合才能实现。 总之(焊接机械装备对焊接生产的有利作用是多方面的。总括而言，就是保证焊接质量，提高焊接生产串，改善工人的作业条件，实现机械化、自动化焊接生产过程四个方面。因此，无论在焊接车间或是在施工现场，焊接机械装备已成为焊接生产中不可缺少的装备之一，从面获得了广泛的应用。 2.3焊接工装夹具 2.3.1焊接工装夹具的分类 焊接工装夹具是将焊件准确定位并夹紧，用于装配和焊接的工艺装备。 在焊接结构生产中，装配和焊接是两道重要的生产工序，根据工艺通常以两种方式完成这两道工序，一种是先装配后焊接;一种是边装配边焊接。我们把用来装配以进行定位焊的夹具称做装配夹具;专门用来焊接焊件的夹具称做焊接夹具;把既用来装配又用来焊接的夹具称做装焊夹具。它们统称为焊接工装夹具。 焊接工装夹具按动力源分为七类:手动夹具，气动夹具，液压夹具，磁力夹具，真空夹具，电动夹具，混合式夹具。 一个完整的夹具，是由定位器、夹紧机构、夹具体三部分组成的。在装 8 说明书 焊作业中，多使用在夹具体上装有多个不同夹紧机构和定位器的复杂夹具(又称为胎具或专用夹具)。其中，除夹具体是根据焊件结构形式进行专门设计外，夹紧机构和定位器多是通用的结构形式。 定位器大多数是固定式的，也有一些为了便于焊件装卸，做成伸缩式或转动式的，并采用手动、气动、液压等驱动方式。夹紧机构是夹具的主要组成部分，其结构形式很多，且相对复杂，驱动方式也多种多样。在一些大型复杂的夹具上，夹紧机构的结构形式有多种，而且还使用多种动力源，有手动加气动的、气动加电磁的等等。这种多动力源夹具(称做混合式夹具。在先进工业国家里，对广泛采用的一些夹紧机构已经化、系列化(在工艺设计时进行选用即可。我国焊接工作者，正进行着这方面的研究开发工作，相信不久也会有我们自己的系列化、标准化的夹紧机构出现。 2.3.2 焊接工装夹具的特点 焊接工装夹具的特点，是由装配焊接工艺和焊接结构的形式决定的，与机床夹具比较有如下特点; 1)由于焊件一般由多个简单零件组焊而成，而这些零件的装配和定位焊，在焊接工装夹具上是按顺序进行的，因此，它们的定位和夹紧是一个个单独进行的。而机床夹具是对一个待机械加工的整体毛坯进行一次定位和夹紧。 2)在焊接过程中，零件会因焊接加热而伸长或因冷却而缩短，为了减少或消除焊接变形，要求工装夹具能对某些零件给予反变形或者作刚性的夹固;为了减少焊接应力，又要允许某些零件在某一方向可以自由伸缩。因此，焊接工装夹具不是对所有的零件都作刚性的夹固。 机床夹具则不然，除少数加工细长件的夹具，如加工光杠、丝杠用的顶尖，要考虑工件机械加工时的热变形对其作游动夹固外，其他夹具均对工件作刚性夹固。 3)对机床夹具而言，加工后的工件，尺寸减小，重量减少(更便于从夹具上取下。对焊接工装夹具而言，装焊完的结构，尺寸增大，重量增加，形状变得复杂，增加了从工装夹具上卸下的难度。 4)对用于熔焊的夹具，工作时主要承受焊件的重力、焊接应力和夹紧力，有的还要承受装配时的锤击力;用于压焊的夹具还要承受顶锻力。面机床夹具主要 9 说明书 承受工件的部分重力和切削力，且此切削力远远小于焊接工装夹具所承受的各种力。 5)与机床夹具不同，焊接工装夹具往往是焊接电源二次回路的一个组成部分，因此绝缘和导电是设计中必须注意的一个问题。例如，在设计电阻焊用的夹具时，如果绝缘处理不当，将引起分流，使接头强度降低。但对机床夹具而言，除电加工所用夹具外，不存在导电和绝缘的问题。 6)焊接工装夹具一般比机床夹具大。装配夹具和装焊夹具上的夹紧点、定位点比机床夹具上的多达几倍甚至十几倍，因此，设计难度较大，特别是定位点、夹紧点的数量、选位和两者的对应关系，都会影响夹具的功能和质量。 7)焊接工装夹具主要用来保证焊接结构各连接件的相对位置精度和整体结构的形状精度，而机床夹具主要用来保证零件的加工精度。 8)除精密焊件所用的夹具外，一般焊接工装夹具本身的制造精度，以及对焊件的定位精度均低于机床夹具的相应指标。 以上八点是焊接工装夹具与机床夹具的主要不同之处，设计焊接工装夹具时，要充分考虑这些区别，使设计出来的夹具，能满足使用要求。 2.3.3焊接工装夹具的设计要求 1)焊接工装夹具应动作迅速、操作方便，操作位置应处在工人容易接近、最宜操作的部位。特别是手动夹具，其操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设在工人最易用力的部位，当夹具处于夹紧状态时，应能自锁。 2)焊接工装夹具应有足够的装配、焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸。所有的定位元件和夹紧机构应与焊道保持适当的距离，或者布置在焊件的下方或侧面。夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。 3)夹紧可靠，刚性适当。夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，夹紧后既不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大而产生较大的应力。 4)为了保证使用安全，应设置必要的安全连锁保护装置。 5)夹紧时不应损坏焊件的表面质量，夹紧薄件和软质材料的焊件时，应限制夹紧力，或者采取压头行程限位、加大压头接触面积、加添铜、铝村垫等措施。 6)接近焊接部位的夹具(应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅物对夹紧机构和定位器表面的损伤。 10 说明书 7)夹具的施力点应位于焊件的支承处或者布置在靠近支承的地方，要防止支承反力与夹紧力、支承反力与重力形成力偶。 8)注意各种焊接方法在导热、导电、隔磁、绝缘等方面对夹县提出的特殊要求。例如，凸焊和闪光焊时，夹具兼作导电体;钎焊时夹具兼作散热体，因此要求夹具本身具有良好的导电、导热性能。再如，真空电于束焊所使用的夹具，为了不影响电子束聚焦，在枪头附近的夹具零件，不能用磁性材料制作，夹具也不能带有剩磁。 9)用于大型板焊结构的夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具体的刚度，对结构的形状精度、尺寸精度影响较大，设计时要留有较大的裕度。 10)在同一个夹具上，定位器和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量只选用一种动力源。 11)工装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率。 12)尽量选用已通用化、标准他的夹紧机构以及标准的零部件来制作焊接工装夹具。 2.3.4焊接工装夹具设计方案的确定 确定工装夹具方案时，夹具的合理性和经济性是主要考虑的因素。当焊件的焊接方法及工艺确定后，所选夹具结构，首先要能保证焊接工艺的实施。同时，焊件结构尺寸以及组成焊件坯料的制作工艺和制造精度，则是确定夹具定位方法、定位基准和夹紧机构方案的重要依据。除此之外(还应考虑经济上的因素，使夹具的制造、使用费用最低而取得的经济效益最大。由于上述各因素都不是孤立存在的(它们之间往往有联系又有制约，所以在确定夹具方案时要对上述各因 素进行综合分析，只有全盘考虑，才能制定出最佳的设计方案。具体确定设计方案时，应联系以下几个方面进行考虑: 1)焊件的整体尺寸和制造精度以及组成焊件的各个坯件的形状、尺寸和精度。其中，形状和尺寸是确定夹具设计方案、夹紧机构类型和结构形式的主要依据，并且直接影响其几何尺寸的大小;制造精度是选择定位器结构形式和定位器配置方案以及确定定位器本身制造精度和安装精度的主要依据。 2)装焊工艺对夹具的要求。例如与装配工艺有关的定位基面、装配次序、夹紧方向对夹具结构提出的要求。再如，不同的焊接方法对夹具提出的要求，像 11 说明书 埋弧焊，可能要求在夹具上设置焊剂垫;电渣焊要求夹具保证能在垂直位置上施焊;电阻焊要求夹具本身就是电极之一等。 3)装、焊作业可否在同一夹具上完成，或是需要单独设计装配夹具和焊接夹具。这往往与下述因素有关: (1)在装焊夹具上，焊件的所有焊缝能否在最有利的施焊位置上焊完。 (2)从装配夹具上取下由装配点定好位的部件时，是否会破坏各零件的相互位置。若部件刚性不好，则会发生整体变形，甚至定位焊点发生开裂，使已装配好的零件发生位置变化。 (3)装配时不需要使焊件翻转变位，而在焊接时，则需要使焊件翻转变位，这样，若采用装焊夹具方案，是否会使夹具结构复杂化。 (4)装配夹具，其定位器和夹紧机构较多，若用于焊接，是否影响焊接机头的焊接可达性;焊接夹具，为了防止焊件变形，虽具有较大的刚度和强度，但用于装配时，能否承受装配时的锤击力。 (5)装、焊作业若在同一夹具上完成，能否合理地组织装配工人、焊接工人相互协调作业。 )车间的作业面积和起重运输设备的负荷能力是否允许装配和焊 (6 接作业分别在各自的夹具上进行。 4)焊件酌产量。例如，在大批量生产中，应选用专用、高效、省力的夹具结构，像各种有动力源的夹具和联动夹具就属此类。在中小批量生产中，夹具主要以保证装焊质量为主，效率的高低是较为次要的问题，因此应选用结构简单、适应性广的通用夹具，使夹具的结构方案与焊件的产量相匹配。 2.3.5焊件在夹具中的定位 (一)物体定位原则--六点定则 在进行装焊作业时，首先应使焊件在夹具中得到确定的位置，并在装配、焊接过程中一直将其保持在原来的位置上。我们把焊件按图样要求得到确定位置的过程称为定位;把焊件在装好作业中一直保持在确定位置上的过程称为夹紧。 为了使焊件在夹具中得到要求的确定位置，应先研究一下物体在空间的位置 12 说明书 图2-1 物体的定位 是怎样被确定下来的。一个物体A如果在空间不与任何其他物体发生联系，那么相对于空间互相垂直的三个坐标轴就有六种活动的可能性，见图1-1a，其中三种是分别沿x、y、z轴的移动，另三种是分别统x、y、z轴的转动。物体的这种活动可能性叫做自由度。因此一个物体有六个自由度，这六个自由度被消除了，则物体在空间的位置就完全被确定了，所以自由度也是决定物体空间位置的独立参数。 如图2-1b所示，如果我们在xOy面上放一块平板B来支承物体A，这时物体A在这个平面上只能沿Ox轴和Oy轴移动和绕Oz轴旋转，而不能沿Oz轴移动和绕Ox轴和Oy轴旋转，否队物体A将脱离平板B。这说明文承扳B消除了物体A的三个自由度。如果我们再在物体A的xOz平面上放置两块挡铁1和2(图2-1c)(物体A也就不能沿Oy轴移动和绕Oz轴旋转了，从而又消除了两个自由度。最后，只要在物体A的zOy平面上再设置一块挡铁3，消除物体沿Ox轴移 13 说明书 动的自由度，则物体A的空间位置就被完全确定下来(图2-1d)。从几何学中知道，三点可以决定一平而，我们可以用三个定位支承点4、5、6(图2-1e)代替图2-1d中的支承平板B，同时也把挡铁1、2、3当做定位支承点，从而一个定位支承点平均消除了一个自由度。因此，确定物体的空间位置，就需要按图2-1e布置的六个支承点消除物体活动的六个自由度，这就是物体定位的“六点定则”。 由图2-1e可知，三个文承点在xOy平面上(二个支承点在xOz平面上(一个支承点在zOy平面上。我们把有三个支承点的平面称做安装基面。在这个面上，三个支承点不能在一条直线上，被支承工件的重心必须落在这三个支承点作为顶点所构成的三角形内。这三个定位支承点之间的距离越远，则安装基面越大，焊件的安装稳定性和相关位置精度就越高，因此，应选择焊件轮廓尺寸最大的表 面与安装基面接触。有两个定位支承点的平面称做导向基面。这两个支承点的连线应平行于安装基面，而且两点间的距离越远越有利于提高安装精度，因此应选焊件尺寸最长的表面与导向基面接触。有一个定位支承点的平面称做定程基面。显然，安装一个定位支承点就不需要很大的面积与长度，因此，通常是选择焊件较小的表面与定程基面接触。 2.4 焊接变位机械 2.4.1 焊接变位机械的分类 焊接变位机械是改变焊件、焊机或焊工空间位置来完成机械化、自动化焊接的各种机械设备。使用焊接变位机械可缩短焊接辅助时间(提高劳动生产率，减轻工人劳动强度，保证和改善焊接质量，并可充分发挥各种焊接方法的 效能。 焊接变位机械的分类及各类所属设备如下: 14 说明书 图2-2 焊接变位机械的分类 各种焊接变位机械都可单独使用，但在多数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。 2.4.2焊接变位机械应具备的性能。 一般，通用的焊接变位机械应具备的性能是: 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集中控制和相互协调动作。 9)工作台面上应刻有安装基线，井设有安装槽孔，能方便的安装各种定位器件和夹紧机构。 15 说明书 10)兼作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、绝缘等方面的特殊要求。 2.5 几类焊接机械设备的具体介绍 焊件变位机械是在烬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。焊件变位机械按功能不同，分为焊接变位祝、焊接滚轮架、焊接 回转台和焊接翻转机四类。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 续、环缝、空间曲线焊缝的焊接以及堆焊作业。焊件变位机械也是机械化、自动化装焊生产线上的重要组成部分在以弧焊机器人为中心的柔性加工(Mc)和加工系统(Fk)中，焊件变位机械也是组成设备之一。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。 2.5.1 焊接变位机 焊接变位机是在焊接作业中将焊件回转并倾斜，使焊件上的焊缝置于有利施焊位置的焊件变位机械。 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。 焊接变位机按结构形式可分为三种: (1)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，而此转轴的位置多是固定的，但有的也可在 0100小于的范围内上下倾斜。这两种运动都改变了工作台而回转轴的位置，从而使该机变位范围大，作业适应性好，但这种形式的变位机，整体稳定性较差。该机多为电动机驱动，承载能力在0.5t以下，适用于小型焊件的翻转变位。也有液压驱动的，承载能力多在10t左右，适用于结构尺寸不大，但自重较大的焊件。伸臂式的焊接变位机在手工焊中应用较多。 (2)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 00110140 焊速回转，倾斜轴通过扇形齿轮或液压缸，多在的围内恒速或变速倾 0.550 t斜。该机稳定性好，一般不用固定在地基上，搬移方便，适用于焊件的 16 说明书 翻转变位。是目前产量最大、规格最全、应用员广的结构形式。常与伸缩营式焊接操作机或弧焊机器人配合使用。 (3)双座式焊接变位机 工作台安装在机座上，以所需的焊接速度回转;形架座在两例的机座上，多以桓速或所需的焊接速度绕水平轴线转动。该机不仅稳定性好，而且如果设计得当，可使焊件安放在工作台上后，随形架倾斜的综合重心位于或接近倾斜机构的轴线，从而使倾斜驱动力短大大减小。因此(重型焊接变位机多采用这种结构。 焊接变位机的基本结构形式虽只有上述三种，但其派生形式很多，有些变位机的工作台还具有升降功能。 2.5.2焊接翻转机 焊接翻转机是将焊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械。焊接翻转机的种类较多，常见的有框架式、头层架式、链式、环式和推举式等翻转机。头尾架式翻转机，其头架可单独使用，在头部装上工作台及相应夹具后，可用于短小焊件的翻转变位。有的翻转机尾架做成移动式的以适应不同长度焊件的翻转变位，其中对应用在大型构件上的翻转机，工作台做成升降式的。 目前，我国还未对各种形式的焊接翻转机制定出系列标准(但已有厂家生产头尾架式的焊接翻转机，并已成系列。 配合机器人使用的框架式、头尾架式翻转机，国内外均有生产，它们都是点 0018090位控制的，控制点数以使用要求而定，但多为2点(每隔)、4点(每隔)、 0458点(每隔)控制。翻转速度以恒速为多。翻转机与机器人联机，按程序动作，载重量多在20~3000kg之间。 我国汽车、摩托车制造行业使用的弧焊机器人加工中心，已成功地使用了国产头尾架式和框架式焊接翻转机。由于是恒速翻转，点位控制，并辅以电磁制动和气缸锥销强制定位，所以多采用交流电动机驱动和普通齿轮副减速，其机械传动系统的制造精度比轨迹控制的低1-2级，使产品造价大大降低。 2.5.3焊接操作机 焊机变位机械是改变焊接机头空间位置进行焊接作业的机械设备。它主要包括焊接操作机和电渣焊立架。焊接操作机的结构形式很多，使用范围很广，常与焊件变位机械相配合，完成各种焊接作业。若更换作业机头，还能进行其他的相 17 说明书 应作业。电渣焊立架的结构形式和功能相对单一，主要用于厚壁焊件立缝的焊接。 焊接操作机是能将焊接机头(焊枪)准确送到待焊位置，并保持在该位置或以选定焊速沿设定轨迹移动的焊接机头的变位机械。 2.5.4焊接滚轮架 焊接滚轮架是借助主动滚轮和工件之间的摩擦力带动筒形工件旋转的焊接变位机械。 焊接滚轮架主要用于筒形焊件的转配与焊接。若对主、从动滚轮的高度作适当的调整，也可以进行锥体、分段不等径回转体的装配于焊接。对于一些非圆长焊件，若将其装卡在特制的环形卡箍内，也可以在焊接滚轮架上进行装焊作业。 焊接滚轮架按结构形式分为两类: 第一类是长轴式滚轮架。滚轮沿两平行轴排列，与驱动装置相连的一排为主动滚轮，另一排为从动滚轮架，也有两排均为主动滚轮的，主要用于细长薄形焊件的组队与焊接。有的长轴式滚轮架其滚轮为一长形滚柱，直径0.30.4m、长 度15m。筒体置于其上不易轴向变形，适用于薄壁、小直径、多筒节焊件的组 对喝环缝的焊接。 长轴式滚轮架多是用户根据焊件特点自行设计制造的，市场上可供选用的定型产品很少。 第二类是组合式滚轮架，它的主动滚轮架从动滚轮架(图混合式滚轮架(即在一个支架上有一个主动滚轮座和一个从动滚轮座)都是独立的，使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，其组合比例也不仅是1与1的组合。因此，使用方便灵活，对焊件的适应性很强，是目前应用员广泛的结构形式。国内外有关生产厂家(均有各自的系列产品供应市场。 为了焊接不同直径的焊件，焊接滚轮架的滚轮间距应能调节。调节方式有两种:一种是自调式;一种是非自调式的。自调式可根据焊件的直径自动调整滚轮间距;非自调式的是靠移动支架上的滚轮座来调节滚轮的间距的，但调节范围有限。 对重型滚轮架，多采用车间起重设备挪动滚轮座进行分段调节。对轻滚轮架型，多采用手动或电动丝杆--螺母机构来移动滚轮座进行连续调节。 为了便于调节滚轮架之间的距离，以适应不同长度焊件的装焊需要，有的滚 18 说明书 轮架上还安有机动或非机动的行走机构，沿轨道移行，以调节相互之间的距离。焊接滚轮架多采用直流电电动机驱动，降压调速。但用于装配作业的滚轮架则采用交流电动机驱动，恒速运行。近年来，随着晶体闸流管变频性能的完善以及价格的下降，采用交流电动机驱动。变频调速的焊接滚轮架也日趋增多。 焊接滚轮架的滚轮结构主要有四种类型，其特点和适用范围见表1-1。 表2-1 滚轮架的结构特点和适用范围 类型 特点 适用范围 一般用于重型焊件和需要预热处理 钢轮 承载能力强，制造简单 的焊件以及额定载荷大于60t的滚 轮架 胶轮 钢轮外包橡胶、摩擦力大、传动平一般多用于10t以下的焊件和有色 稳但橡胶易压坏 金属容器 组合轮 钢轮和橡胶轮相组合，承载能力比一般多用于10t-60t的焊件 橡胶轮高，传动平稳。 腹带轮 大面积履带和焊件接触，有利于防用于轻型、薄壁大直径的焊件及有 止薄壁工件的变形，传动平稳但结色金属容器 构较复杂 金属滚轮多用铸钢和合金球墨铸铁制作，其表面热处理硬度约为50HRC，滚轮直径多在200 700mm之间。国外焊接滚轮架的品种很多，系列较全，承载量1 1500t、适用焊件直径18m的标准组合式滚轮架(即两个主动轮座与两 个从动轮座的组合)均为系列供应。其滚轮速度多在690m/h之间无级可调，有的还有防止焊件轴向攒动功能。我国已有不少厂家生产焊接滚轮架，最大承载 量已达400t、适用焊件直径可达6m，滚轮线速度多在640m/h之间无级调速。防轴向窜动的焊接滚轮架已有生产，但性能尚待提高。 2.5.5关于滚轮架轴向窜动的问题 (1)问题的提出 焊接滚轮架驱动焊件绕其自身轴线旋转时，往往伴有轴向的窜动，从而影响焊接质量和焊接过程的正常进行，严重时会导致焊接过程的中断，甚至发生焊件 19 说明书 倾覆等设备人身事故。因此，国内一些工厂常采用在焊件端头硬顶的办法，强行制止焊件的窜动。这种办法，对稳定性要求很高的带极堆焊和窄间隙焊等作业时采用硬性阻挡的办法往往效果不佳。因为焊件重量大，旋转时轴向窜动力也大，强行阻挡，则势必使焊件旋转阻力增大，引起转速不稳定，产生焊接缺陷，并可能使焊件端部已加工好的坡口因挤压而破坏，有时甚至还会发生电动机过载烧坏事故。在此背景下，国外开发了防铀向窜动技术，并于20世纪80年代中期推出 ,2mm了防止焊件轴向窜动的焊接滚轮架，将焊件的窜动量控制在以内，满足了各种焊接方法对施焊位置精度的要求。 第3章 方案的选择与确定 3.1自调式滚轮架的特点 为了焊接不同直径的焊件，焊接滚轮架的滚轮间距应能调节。调节方式有两种:一种是自调式的;一种是非自调式的。自调式的可根据焊件的直径自动调整滚轮的间距;非自调式的是靠移动支架上的滚轮座来调节滚轮的间距。 若装焊壁厚剧、而长度很长的筒形焊件时，宜用几台混合式滚轮架的组合。这样，沿简体长度方向均有主动滚轮驱动，使焊件不致打滑和扭曲。若装焊壁厚较大、刚性较好的简形焊件时，则常采用主动滚轮架和从动滚轮架的组合，这样即使是主动滚轮架在简体一端驱动焊件旋转，但因焊件刚性较好，仍能保持转速均匀，也不致发生扭曲变形。 3.2滚轮驱动方案 20 说明书 为使焊接滚轮架的滚轮间距调节更为方便，机动性更强，组合更加便利，采用单独驱动的焊接滚轮架日益增多。但是，每一主动滚轮均由一台电动机驱动时，应解决好各滚轮转速的同步问题。由于制造工艺、材料性能等因素的影响，同一型号规格的电动机，其额定转速实际上并不一致，因此(要把实测数据最相近的一组电动机作为滚轮架的拖动电动机。 焊接自调式滚轮架的驱动运动，多采用三相异步电动机驱动。对于20t自调式焊接滚轮架设计，我们选用调速式三相异步电动机，型号YHT51。另外，在驱动系统的控制回路中，应有行程保护、过载保护、断电保护及工作台倾斜角度指示等功能。 3.3减速装置的选择 由工作条件可知滚轮圆周速度是20~60m/h，滚轮的直径为450mm，有步骤二可知,我们选择的电动机为换向器式调速异步电动机YHT51转速为470~1410r/min,计算如下 设 涡轮齿数为传动比大，工作平稳，噪声低，机构紧凑，可以自锁。主要缺点:效 率低，需要贵重的减摩性有色金属。 在焊接滚轮架设计中，涡轮蜗杆在第二级减速上，我们已经选择蜗杆的头数 z,41z,1，涡轮的齿数为，从机械设计手册第2版表35.5-6(普通圆柱螺杆21 传动的基本参数及其匹配)中我们选择相应的装置，选择如下，中心距a=160mm， o'''d,63m=6.3,螺杆分度圆直径为， ,,542381 3 齿轮的选择 齿轮传动类型的选择原则 1)满足使用要求，如传动结构尺寸、重量、功率、速度、传动比、寿命、可靠性的要求，对以上要求应作全面的、深入的分析、满足主要的要求兼顾其他。 2)考虑工艺条件，如制造厂的工艺水平、设备条件、生产批量等。 21 说明书 3)考虑合理性、先进性和经济性等。 这里我们选择渐开线圆柱齿轮， 传动的效率和功率范围大;传动效率高，一对齿轮可达98%~99%，精度愈高，效率愈高;对中心距的敏感性小，装配和维修比较简便;可以进行交位切削及各种修形、俢缘，以适用提高传动质量的要求;易于进行精确加工。 由传动比计算可知，齿轮的齿数分别为23，23，29，在减速器中，通常取m=(0.007~0.02)a,其中a为中心距，对于传递动力的传动模数m应不小于2mm,这里选择模数均取8mm。 涡轮蜗杆及齿轮的校核在下一章中进行叙述。 有关参数参考文献[14] 3.4 联轴器的选用 联轴器的类型应根据使用要求和工作条件来确定。 具体选择是可以考虑以下几点; (1)机械类型和传动系统的配置情况。 (2)所需传递转矩的大小和性质以及对缓冲和减震方面的要求，包括在稳定工况下云装的最大转矩，转矩的时间特性(瞬时的和连续的)。 (3)联轴器的工作转速高低和引起的离心力的大小，对于高速传动轴，应选用平衡精度高的联轴器。 (4)两轴相对位移的大小和方向，当安装调整后，难以保持两轴严格精确对中，应选用挠性联轴器。 (5)联轴器的可靠性、适用寿命和工作环境，通常由金属元件制成不需要润滑的联轴器比较可靠，需要润滑的联轴器，其性能易受润滑完整程度的影响，而且可能污染环境。 (6)联轴器的制造、安装、维护和成本，在满足适用性能的前提下，用选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。 在此焊接滚轮架中，电动机和减速器之间需要一个联轴器连接，由于电动机的速度比较快，冲击比较大，因此我们选择弹性联轴节。这类联轴器都两轴线的位移有一定的补偿作用，又由于我们电动机启动比较频繁，传递的扭矩不是很大，所以我们选择弹性套柱销联轴器，这类联轴器的结构与刚性凸缘联轴器相似，只是 22 说明书 3用套有橡胶弹性套的柱销代替连接螺栓。柱销中心分布圆直径 DT,1516.5 c1 Nm 其中是联轴器的计算转矩()。联轴器外径 其中 TDd,(3.5~4)c1 1 误差分析和接触有限元模型 2.1 误差分析 为了考察误差产生的原因，文中从热和力的作用两方面对小截面方管焊接过程模拟的误差进行了分析。 就热作用而言，焊接过程中，方管不仅与周围场环境进行辐射和对流， 更与胎具接触进行热传导，在接触面其传热能力是辐射对流的1/100-1/10，而模拟中却用总换热系数统一处理，因此温度误差较大。 就力作用而言，焊接过程中，方管向下挠曲将受到胎具的阻碍作用，而向上则可自由挠曲，没有接触的模型无法解决这种复杂的受力情况，所以当夹紧装置的拘束还没有去除时，方管已经表现出向下的挠曲了，与实际情况出现较大的差异。因此，有必要采用接触模型来进行数值模拟。 图6是冷却125s各种拘束条件未去除时所得到的变形图，可以看出，冷却过程中，在夹紧装置未去除的情况下，模拟结果出现了向下的挠曲，这与实际的焊接情况严重不符，因为胎具和夹紧装置相配合，将阻止其向下挠曲。综合以上模拟结果和分析，有必要对无接触模型进行修正。 23 说明书 2.2 接触有限元模型的建立 小截面方管的有限元模型和焊接方向如图7所示，模拟时所焊方管长度l=120mm，引弧点和熄弧点与两端面分别相距10mm。 从力学分析角度看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，需要准确追踪接触物体之间的运动以及相互作用，包括正确模拟接触面之间的摩擦行 为和可能存在的接触间隙传热。 由于材料具有热胀冷缩的属性，焊接过程中，两端受拘束的方管在能量集中的热源作用下，上部焊缝附近金属温度急剧升高，导致该部分金属急剧伸长，而此时，对应的下部金属温度却相对较低，导致上下伸缩不一致，使方管中部向上挠曲 24 说明书 25