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河南科技大學畢業(yè)設計（論文）
500公斤數(shù)控座式焊接變位機
摘 要
座式焊接變位機是通過工作臺的回轉或傾斜，使焊縫處于水平或船形位置的裝置，它可以實現(xiàn)與操作機或焊機聯(lián)控，可應用于各種軸類、盤類、筒體等回轉體工件的焊接。本次設計題目是設計一臺500公斤數(shù)控座式焊接變位機，可實現(xiàn)焊接工件的回轉、傾斜，而且工作臺的回轉和傾斜運動采用數(shù)控控制，以便與機器人配合聯(lián)動，實現(xiàn)工件上的各類焊縫的自動焊接。
本次設計采用步進電動機進行驅動，直接與無級變速器及渦輪蝸桿減速器機構相連接，以帶動工作臺轉動。所以控制進入步進電動機的脈沖數(shù)量，就可控制工作臺轉角的大??；控制進入步進電動機的脈沖頻率，就可控制工作臺的轉動速度；改變步進電機中各繞組的通電順序，便是工作臺正傳或反轉。因此 ，該變位機可實現(xiàn)點位控制，并有較高的到位精度。步進驅動系統(tǒng)采用開環(huán)控制，傳動機構比較簡單，從而設計、調(diào)整、維修都很方便。
本次設計的主要內(nèi)容包括:數(shù)控座式焊接變位機的底座、回轉機構、傾斜機構等的機械設計、裝配圖和零件圖設計，數(shù)控步進電機的選型等。整個機械系統(tǒng)應簡單可靠，操作方便。編寫相應的設計說明書。
關 鍵 詞：焊接、步進電機、變位機
1
DESIGN OF 500 kg CNC WELDING
DISPLACEMENT MACHINE
ABSTRACT
Seat type welding machine is through the displacement worktable turn or tilt, the weld seam in horizontal or boat form position of the device, which can realize Manipulator or welding machine with but connected controlling, can be applied to various axial, plate, barrel etc of axially symmetrical workpiece welding. This design topic is to design a 500 kilograms NC seat type welding displacements machine, It can realize the fluctuation on turn, tilt, and the rotary and tilt table adopts CNC control, in order to exercise with robot cooperate linkage, realize the of all kinds of workpiece weld automatic welding.
This design adapts the stepping motor driven directly and variator and worm and worm reducer institutions, to drive workbench is connected to rotate. So control into stepping motor pulse quantity, can control the size of workbench corner; Control into stepping motor pulse frequency, it can control the rotation speed worktable; Change stepping motor of the winding electrify sequence, days or reverse is workbench. Therefore, this shift machine can realize position control and have higher in position precision. Stepping driving system USES the open loop control, transmission mechanism is simpler, thus design, adjustment, maintenance is very convenient.
The design of the main content includes NC seat type welding displacements machine base, such as swing mechanism, the tilt institution of mechanical design, assembly and parts graph design, NC stepping motor selection, etc. The mechanical system should be simple, reliable and convenient operation. Write the corresponding design specification.
KEY WORDS：Welding, Stepping motor, Displacements machine
目 錄
前 言 2
第1章 總體方案擬定 8
§1.1 焊接變位機概述 8
§1.1.1 焊接變位機定義 8
§1.1.2 焊接變位機的類型和特點 8
§1.1.3 驅動系統(tǒng) 11
§1.2 總體方案的確定 12
第2章 電動機的選擇及傳動比的分配 13
§2.1 電動機的選擇 13
§2.1.1 主要技術參數(shù) 13
§2.1.2 電動機的選擇 13
§2.2.1 回轉軸總傳動比的計算及其分配 16
第3章 零件設計和選用 18
§3.1 零件的結構設計 18
§3.2 回轉軸的強度校核 19
§3.2.1 軸上的受力分析及計算 19
§3.2 回轉軸齒輪強度校核 23
§3.3 鍵強度校核 24
§3.4 軸承的選用 24
參考文獻 27
致 謝 28
27
前 言
焊接是一種制造技術，它是適應工業(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。許多設備中的大型結構，幾乎都是焊接結構。現(xiàn)在，隨著科學技術的進步，生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，焊接結構正朝著超大型、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。
在現(xiàn)代加工和制造過程中，焊接變位機已悄然成為一種不可缺少的設備，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)有了較大的發(fā)展，獲得了廣泛的應用。焊接變位機的種類主要有伸臂式焊接變位機 、座式焊接變位機 、雙座式焊接變位機。而數(shù)控技術的應用，讓這一技術又迎來了新的發(fā)展。各種機械產(chǎn)品和機械設備的結構件大多數(shù)都很復雜，尤其是各種機械的主要關鍵部件，其焊接質量的好壞直接影響整機性能。而數(shù)控式焊接變位機的應用就解決了這些后顧之憂，數(shù)控式焊接變位機能提高焊接質量及生產(chǎn)效率，降低工人的勞動強度和生產(chǎn)成本，加強安全文明生產(chǎn)和自動化，有利于現(xiàn)場管理。選擇合適的變位機能將被焊工件的各類焊縫轉動到最佳位置,從而避免立焊、仰焊,提高焊接質量及生產(chǎn)效率。特別是入世的沖擊，機械市場競爭將會越來越激烈，數(shù)控技術在焊接中的應用是國內(nèi)企業(yè)應對挑戰(zhàn)的新選擇。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。
一、國內(nèi)外同類設計的發(fā)展情況
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、無錫市利達焊接機械有限公司、濟南優(yōu)科數(shù)控設備網(wǎng)、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?！?
但是，在我國焊接變位機時一個年輕的產(chǎn)品，由于制造業(yè)之間發(fā)展水平的差異，很多企業(yè)的焊接工位還沒有裝備焊接變位機；同時相關的研究也比較薄弱。在人們眼中仍然認為焊接變位機是一個無足輕重的產(chǎn)品。然而在國際上，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，有無隙傳動私服控制型的；產(chǎn)品的額定負荷范圍達到0.1KN~18000KN。我國對于焊接變位機的研究還處于一個低級階段。
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。Severt公司：該公司就生產(chǎn)8中類型的產(chǎn)品，其中7種是焊接變位機。每種型式的焊接變位機，按其功能講，均包括基本型、調(diào)速型、CNC程控型和機器人配套型等4種產(chǎn)品；德國的CLOOS是國際生產(chǎn)焊接設備的大型公司之一。生產(chǎn)焊接機器人和焊接變位機等產(chǎn)品。也生產(chǎn)作為焊接機器人外部軸的焊接變位機。在我國，除可見與焊接機器人系統(tǒng)配套進口的L型雙回轉式、傾翻-回轉式和單回轉式變位機外，還生產(chǎn)臥式單座單回轉WPV、立式單回傳RR502以及各種多軸焊接機器人配套的變位機。美國Aroson公司生產(chǎn)的焊接設備有焊接變位機、操作機、滾輪架等，可稱世界之最。這個公司生產(chǎn)的焊接變位機，主要類型為傾翻-回轉式、傾翻-回轉升降式。雙座雙回轉式，雙座單回轉式和雙座單回轉升降式。其承載能力范圍為11Kg~18Kg噸。日本松下機器人公司。這個公司生產(chǎn)的機器人外部設備-焊接變位機有12個系列。他們把傳動裝置、機座、夾具體等做成了標準模塊，集合而成這些產(chǎn)品系列[1,7,8]。
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,以及良好的結構剛度
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0.1～2mm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) 整個結構有良好的密閉性，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。
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。
2、 典型企業(yè)的具體介紹
德國Severt公司
該公司主要生產(chǎn)8種類型的產(chǎn)品，其中7種是焊接變位機。每種型式的焊接變位機，按其功能講，均包括基本型、調(diào)速型、CNC程控型和機器人配套型等4種產(chǎn)品。
⑴S10型，包括S10.1、2、3、4型等4個產(chǎn)品系列。即：①L型雙回轉式、L型雙回轉升降式；② L型雙回轉-傾翻式、L型雙回轉-傾翻升降式；③2×L型雙回轉式、2×L型雙回轉升降式；④2×L型雙回轉-傾翻式、2×L型雙回轉-傾翻升降式。
⑵S20型，包括S20.1、2型2個產(chǎn)品系列。即：①單座單回轉式、單座單回轉升降式；②C型雙回轉式。
⑶S30型，包括S30.1、2型2個產(chǎn)品系列。即：①立式單回轉；②立式
單回轉雙工位。
⑷S40型，包括S40.1、2、3、4、5、6、7等7個產(chǎn)品系列。即：①雙
座單回轉分體式；②雙座首尾單回轉式；③H型雙座雙回轉式；④雙座首尾單回轉尾架移動式；⑤雙座首尾傾翻尾架移動式；⑥雙座3軸單回轉式；⑦
單座滾圈單回轉式、雙座滾圈單回轉尾架移動式。
⑸S50型：包括S50.1、2、3、4、5、6、7型，7個多軸（自由度）產(chǎn)品系列。即：①立式3軸單回轉雙工位式；②立式單回轉雙工位2×傾翻--回轉式（5軸）；③立式單回轉多工位2×L型雙回轉式（5軸）；④立式單回轉雙工位2× L型雙回轉傾翻式（7軸）；⑤立式單回轉雙工位2×雙座單回轉式（3軸）；⑥立式單回轉雙工位2×C型雙回轉式（5軸）；⑦立式單回轉雙工位2×臥式單座單回轉（3軸）。
⑹S60型：包括S60.1、2型2個產(chǎn)品系列。即：①傾翻--回轉式（0°～90°）；②傾翻--回轉式（±90°）。
⑺S70型：包括S70.1、2、3型3個產(chǎn)品系列。即：①立式多工位式4軸（4自由度）單回轉；②立式多工位2×傾翻--回轉式（6自由度）；③立式4工位立式4軸單回轉。
以上共33個產(chǎn)品型式，每種型式都包括上述四種功能的產(chǎn)品，相當于132個產(chǎn)品系列。額定負荷為100dN～10kdN。
美國Aroson公司
美國Aroson公司生產(chǎn)的焊接設備有焊接變位機、操作機、滾輪架等，可稱世界之最。這個公司生產(chǎn)的焊接變位機，主要類型為傾翻—回轉式、傾翻—回轉升降式、雙座雙回轉式，雙座單回轉式和雙座單回轉升降式。其承載能力范圍為11 kg～1810噸。
⑴手動雙回式。C 系列，型號C1000、2000、4000。承載能力25磅～4000磅。
⑵小型傾翻-回轉式。LD系列，型號LD 60N、150N、300N，承載能力分別為132磅、330磅、660磅。
⑶傾翻-回轉式，傾翻角度135°。D、HD系列，承載能力314磅～7萬
磅。
⑷傾翻-回轉（換銷）定位升降式，傾翻角度135°。AB系列（30～ AB1200），承載能力4300磅～12萬磅。
?、蓛A翻-回轉（齒輪齒條）無級升降式，GE系列，傾翻角度135°，型號（GE25～GE3500，承載能力2500磅～35萬磅。
⑹傾翻-回轉式，傾翻角度90°，G系列，G400～G4-MEGA型，承載能力4000磅～400萬磅。
⑺雙座雙回轉式，DCG系列，最大產(chǎn)品承載能力為500噸。
⑻單回轉式HTS 系列，HTS5、9、12、20、32、40、50、60、90、160、240，承載能力為500磅～24萬磅。
⑼單回轉（齒輪齒條）升降式，HTS- GE系列，HTS5 GE、HTS 240GE，承載能力為500磅～24萬磅。
德國CLOOS公司
德國CLOOS公司是國際上生產(chǎn)焊接設備的大型公司之一。生產(chǎn)焊接機器人、焊機等產(chǎn)品。也生產(chǎn)作為焊接機器人外部軸的焊接變位機。在我國，除可見到與焊接機器人系統(tǒng)配套進口的L型雙回轉式、傾翻-回轉式和單回轉式變位機外，還生產(chǎn)臥式單坐單回轉WPV、立式單回轉RR502以及各種多軸焊接機器人配套的變位機，如立式多工位2×臥式單回轉R-WPV 2型（3軸）、立式多工位2×C型雙回轉式R- WPV2-CD（5自由度）、立式多工位2×傾翻-回轉GR-WPK 2（5軸）、立式多工位2×傾翻-回轉×單回移動轉式GR-WPK 2-CD（9軸）等。這些產(chǎn)品的主參數(shù)，最大允許承載能（max. admissible load capacity）用N表示。
日本松下（Panasonic）公司
日本松下公司也是機器人制造公司。這個公司生產(chǎn)的機器人外部設備—焊接變位機有12個系列。他們把傳動裝置、機座、夾具體等作成了標準模塊，集合而成這些產(chǎn)品系列。按軸數(shù)和結構型式分類。1軸變位機3個系列，即：
立式單回轉、臥式單座單回轉、雙座單回轉式；2軸變位機有5個系列，即：C、L、H、準L型雙回轉式及2×臥式單座單回轉式；3軸變位機有3個系列，即：立式多工位2×立式單回轉、臥式多工位2×雙座單回轉式、2×臥式單座單回轉式；5軸變位機有1個系列，立式多工位2×L型雙回轉式。最大有效負荷（Max. payload）200kg、500kg、1000kg。
三、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。
四、研究內(nèi)容
設計一臺500公斤數(shù)控座式焊接變位機，可實現(xiàn)焊接工件的回轉、傾斜，而且工作臺的回轉和傾斜運動采用數(shù)控控制，以便與機器人配合聯(lián)動，實現(xiàn)工件上的各類焊縫的自動焊接。主要包括：
1．數(shù)控座式焊接變位機的底座、回轉機構、傾斜機構等的機械設計、裝配圖和零件圖設計，數(shù)控步進電機的選型等；
2．設計參數(shù)：載重量500kg；最大回轉力矩500N·m；最大傾斜力矩500N·m；工作臺回轉速度0～1 r/min；工作臺傾斜速度0～0.5 r/min；工作臺傾斜角度0°～90°；工作臺尺寸Φ700mm。
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。
五、研究意義
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[7]。
6、 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：設備的機械結構圖、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。
第1章 總體方案擬定
§1.1 焊接變位機概述
§1.1.1 焊接變位機定義
在焊接過程中，我們經(jīng)常會遇到焊接變位以及選擇合適的焊接位置的情況，為了解決這一問題，焊接變位機也就理所應當?shù)某霈F(xiàn)了。它可以通過工作臺的回轉和翻轉，使待焊處置于合適位置，很好的和焊接設備結合使用，實現(xiàn)焊接的自動化，機械化，提高生產(chǎn)效率和焊接質量。概括來講，焊接變位機就是移動工件，使之待焊部位處以合適易焊接的位置的焊接輔助設備。選擇合適的焊接變位機能提高焊接質量及生產(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，工程機械市場競爭將會越來越激烈，國內(nèi)企業(yè)必須適應形勢，通過焊接變位機等基礎設備投入達到生產(chǎn)能力的革命[7]。
§1.1.2 焊接變位機的類型和特點
焊接變位機按結構形式可分為三類：
1.伸臂式焊接變位機
圖1-1 伸臂式焊接變位機
1-回轉工作臺 2-伸臂 3-傾斜軸 4-轉軸 5-機座
回轉工作臺安裝在伸臂一端，伸臂一般相對于某傾斜軸成角度回轉，而此傾斜軸的位置多是固定的，但有的也可小于100°的范圍內(nèi)上下傾斜。該機變位范圍大，作業(yè)適應性好，但整體穩(wěn)定性差。其適用范圍為1t以下中小工件的翻轉變位。在手工焊中應用較多。多為電動機驅動，承載能力在0.5t以下，適用于小型罕見的翻轉變位。也有液壓驅動的，承載能力多，適用于結構尺寸不大，但自重較大的焊件。
2.座式焊接變位機
圖1-2 座式焊接變位機
1-回轉工作臺 2-傾斜軸 3-扇形齒輪 4-機座
座式焊接變位機工作臺有一個整體翻轉的自由度?？梢詫⒐ぷ鞣D到理想的焊接位置進行焊接。另外工作臺還有一個旋轉的自由度。該種變位機已經(jīng)系列化生產(chǎn)，主要用于一些管，盤的焊接。工作臺邊同回轉機構支承在兩邊的傾斜軸上，工作臺以焊速回轉，傾斜邊通過扇形齒輪或液壓油缸，多在140°的范圍內(nèi)恒速傾斜。該機穩(wěn)定性好，一般不用固定在地地基上，搬移方便。其適用范圍為1至50t工件的翻轉變位，是目前應用最廣泛的結構形式，常與伸縮臂式焊接操作機配合使用。座式變位機座式變位機通過工作臺的回
轉或傾斜，使焊縫處于水平或船形位置的裝置。工作臺旋轉采用變頻無級調(diào)速，工作臺通過扇形齒輪或液壓油缸驅動傾斜。它可以實現(xiàn)與操作機或焊機
聯(lián)控?？刂葡到y(tǒng)可選裝三種配置：按鍵數(shù)字控制式、開關數(shù)字控制式和開關
繼電器控制式。該產(chǎn)品應用于各種軸類、盤類、筒體等回轉體工件的焊接。是目前應用最廣泛的結構形式。
座式變位機根據(jù)載重不同，可分為座式變位機和小型座式變位機。該機穩(wěn)定性好，一般不用固定在地基上，搬移方便，適用于0.5~50t焊件的翻轉變位。是目前產(chǎn)量最大、規(guī)格最全、應用最廣的結構形式。常與伸縮臂式焊接操作機或弧焊機器人配合使用。
3.雙座式焊接變位機
雙座式焊接變位機是集翻轉和回轉功能于一身的變位機械。翻轉和回轉分別由兩根軸驅動，夾持工件的工作臺除能繞自身軸線回轉外，還能繞另一根軸做傾斜或翻轉，它可以將焊件上各種位置的焊縫調(diào)整到水平的或“船型”的易焊位置施焊，適用于框架型，箱型，盤型和其他非長型工件的焊接。工作臺座在“U”形架上，以所需的焊速回轉，“U”形架座在兩側的機座上，多以恒速成或所需焊速繞水平軸線轉動。該機不僅整體穩(wěn)定性好，而且如果設計得當，工件安放在工作臺上以后，傾斜運動的重心將通過或接近傾斜軸線，而使傾斜驅動力矩大大大減少，因此，重型變位機多采用這種結構。其適用范圍為50t以上重型大尺寸工件的翻轉變位，多與大型門式焊接操作機或伸縮臂式焊接操作機配合使用。
雙座式焊接變位機適用于50t以上大尺寸焊件的翻轉變位。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。
圖1-3 雙座式焊接變位機
1-工作臺 2-型架 3-機座 4-回轉機構 5-傾斜機構
圖1-4 變位器的派生形式示意圖
1—工作臺 2—軸承 3—機座 4—推舉液壓缸 5—伸臂
焊接變位機的基本結構形式雖只有上述三種，但其派生形式很多，有些變位機的工作臺還具有升降功能，如圖1-4。
§1.1.3 驅動系統(tǒng)
焊接變位機工作臺的回轉運動，多采用直流電動機驅動，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，幾乎都采用液壓驅動，通過柱塞式或活塞式液壓缸進行。
在電動機驅動的工作臺回轉、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中心時，工作臺在轉動過程中，重心形成的力矩在數(shù)值和性質上是周期變化的，為了避免因齒側間隙在存在在力矩性質改變時產(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，設置了搞齒隙機構或裝置。
工作臺的回轉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。
§1.2 總體方案的確定
圖1-5 傳動方案總體框圖
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，并可用改變轉速、轉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，通過電動機輸出轉速和轉矩，通過第一級蝸輪蝸桿傳動減速，第二級齒輪傳動減速，最終帶動工作臺回轉軸轉動，來滿足機器的性能和使用。
第2章 電動機的選擇及傳動比的分配
§2.1 電動機的選擇
§2.1.1 主要技術參數(shù)
回轉工作臺設計參數(shù)
工作臺尺寸 700
允許最大荷重 500kg
工作臺回轉速度 0～1r/min
工作臺傾斜速度 0～0.5r/min
工作臺最大回轉力矩 500N?m
工作臺最大傾斜力矩 500N?m
工作臺傾斜角度 0°～90°
§2.1.2 電動機的選擇
本設計選用了步進電機。
結構形式，按安裝位置取為臥式封閉型電動機。
1、 外形和安裝形式見表2-1，2-2，圖2-1，2-2。
表2-1電動機規(guī)格及性能
型號
減速比
步距角
配用絲杠
脈沖當量
配用電機
JBF-4
5:2
0.6
6
0.01
110BC-380C
JBF-5
25:12
0.36
10
0.01
110BC-380C
JBF-6
1:1
0.6
6
0.01
110BYG-5502
JBF-7
5:3
0.45
4
0.005
110BF-003
JBF-8
5:4
0.6
6
0.01
110BC-380C
JBF-12
2:1
0.3
12
0.01
130BC-3100A
表2-2電動機外形和安裝形式
型號
D
D1
D2
D3
L1
L2
L3
L4
H
電機型號
JBF-4
110
20
40
285
215
90
28
185
110BC380C
JBF-5
110
20
40
285
215
90
28
185
110BC380C
JBF-6
130
20
40
335
250
90
28
190
130BC3100
JBF-7
110
20
70
90
253
195
5
28
175
110BF003
JBF-8
110
20
40
285
215
90
28
185
110BC380C
JBF-12
130
20
40
335
250
90
28
190
130BC3100A
圖2-1短出軸電機安裝尺寸
圖2-2長出軸電機安裝尺寸
2、 選擇電動機容量
1、回轉軸步進電機
a.工作機所需功率
工作臺的最大靜轉矩T＝500Nm，轉速為＝1r/min，故工作機所需功
率 (2-1)
b.電動機的輸出功率
從電動機到工作軸間的總效率，則
其中、、、分別為聯(lián)軸器，渦輪減速器，齒輪，滾動軸承副的傳動效率。
電動機的輸出功率，則
(2-2)
c.電動機轉速的選擇
同一類型、功率相同的電動機具有多種轉速。如選用轉速高的電動機，其尺寸和重量小，價格較低，但會使傳動裝置的總傳動比、結構尺寸和重量增加。故選用。
2、傾斜軸步進電動機
a.傾斜軸所需功率
已知傾斜軸轉速為，最大靜轉矩為，則有公式(2-1)得，
b.電動機的輸出功率
從電動機到翻轉軸的總效率，則
其中為滑動軸承的傳動效率；則有公式(2-2)可得電動機的輸出功率
c.選擇電動機轉速
選擇電動機轉速為。
§2.2 傳動鏈的總傳動比及其分配
§2.2.1 回轉軸總傳動比的計算及其分配
1.回轉軸總傳動比的計算
由電動機的滿載轉速和工作機主動軸的轉速可確定傳動裝置應有的總傳動比
2.合理分配各級傳動比
傳動裝置總傳動比是各級傳動比的連乘積，即
其中、分別為回轉軸減速器傳動比和齒輪傳動比；因回轉軸上的渦輪減速器采用外購件，型號為WHT08-50-I，其外形尺寸如下表，其速比有：8、10、12.5、16、20、25、35、40、50九種，本減速器取，故。
表2-3 WHT型渦輪減速器的型號及其外形尺寸
型號
A
B
B1
B2
B3
C
C1
H
H1
H2
H3
h
L
WHT04
41
145
125
35
25
120
105
71
190
77
173
12
118.5
WHT06
65
180
156
40
30
155
126
63
233
105
315
15
144
WHT08
80
240
206
*182
55
34
205
*210
172
*148
90
*88
278
110
*122
277
*279
20
175
*180
WHT10
100
292
*290
238
*216
68
42
250
*256
196
*176
105
*100
336
135
*142
335
*331
25
210
*215
§2.2.2 翻轉軸總傳動比的計算及其分配
1.翻轉軸總傳動比的計算
由電動機的滿載轉速和工作機主動軸的轉速可確定傳動裝置應有的總傳動比
2.合理分配各級傳動比
傳動裝置總傳動比是各級傳動比的連乘積，即
其中分別為翻轉軸渦輪減速器和齒輪的傳動比；因渦輪減速器采用外購件，其型號為WHT80-50-I，同回轉軸減速器，其傳動比取為，則
第3章 零件設計和選用
§3.1 零件的結構設計
本設計中，渦輪減速器采用外購件，不需結構設計，故這里只對帶動工作臺回轉的軸進行結構設計。
1. 選擇軸的材料
該軸無特殊要求，因而選用調(diào)質處理的45鋼，而且通過查表12-2知，。
2. 初步估算軸的最小直徑：
其中由《機械設計》中表15-3查得，對45鋼其取值范圍為126~103，取，則
因存在鍵槽，故鍵槽處為了安全，軸徑應加大5%~7%，故
3.確定各軸段直徑
初步選擇軸承型號為圓錐滾子軸承30212，其內(nèi)經(jīng)為，又定位軸肩一般單邊高度為3~5mm,因此軸的結構如圖3-1。
各段軸徑從左到右分別為：
，各段長度應根據(jù)所在處裝配零件的寬度而定；選用30212軸承；考慮到箱體的鑄造誤差及裝配時留有必要的間隙，取齒輪端面至箱體間的距離取a=10mm，滾動軸承蓋的厚度為10mm。
考慮軸的結構工藝性，在軸的上端與下端均制成倒角，兩端裝軸承處為磨削加工，為便于加工，工作臺安裝處的鍵槽布置在同一母線上，并取同一截面尺寸。
圖3-1 軸的整體結構及其各段尺寸
§3.2 回轉軸的強度校核
§3.2.1 軸上的受力分析及計算
圖3-2 回轉軸的受力分析
軸上受力分析如上圖，下面就水平和豎直面的受力計算如下
水平面：
圖3-3 軸在水平面內(nèi)的受力
分別對兩軸承作用點取矩，得
解得： ，
豎直面：
圖3-4 圖在豎直面內(nèi)的受力
分別對兩軸承作用點取矩，得
解得： ，
§3.1.2 軸的強度校核
a. 軸所受彎矩的計算
計算危險截面處的彎矩：
H面：
V面：
合成彎矩：
b.軸的強度校核
按彎扭組合強度校核：
式中：－軸所受彎矩，；
－軸所受扭矩，；
?。S的計算應力，；
?。S的抗彎截面系數(shù)，；
?。瓕ΨQ循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力；
?。酆舷禂?shù)，當扭轉切應力為靜應力時，其值為；當扭轉 切應力為脈動循環(huán)變應力時，其值為；當扭轉切應力為對 稱循環(huán)變應力時，其值為；此處軸上的變應力取為對稱循環(huán)， 即。
圖3-5 軸上所受彎矩和扭矩圖
由《機械設計》中表15-4查得：，其中b、t分別為鍵的寬度和鍵槽深度，由《機械設計課程設計》表14-1查得：，；危險截面處的軸徑為，帶入公式得：
將以上數(shù)據(jù)分別帶入強度校核公式，得：
軸的材料為45鋼，調(diào)質處理，由《機械設計》中表15-1查得，顯然，故軸滿足安全要求。
§3.2 回轉軸齒輪強度校核
a.按齒面彎曲疲勞強度計算
公式為：
式中：－計算彎曲應力，；
－載荷系數(shù)，，由《機械設計》中表10-2，表 10-3，圖10-8，圖10-13分別查得，， ，故 ；
?。渲禐?；
?。S用彎曲應力，，為安全系數(shù)，此處為， 由《機械設計》圖10-20c查得， ，由圖10-18查得，，
故， 。
、－為齒型系數(shù)，由《機械設計》表10-5查得， ，，；
故 ，
可見兩齒輪的計算彎曲應力均滿足安全要求。
b.按接處疲勞強度計算
強度條件為：
式中：－接處計算應力，；
?。瓘椥杂绊懴禂?shù)，由《機械設計》表10-6查得；
－齒數(shù)比，此處為，當為內(nèi)嚙合時取“－”，當為外嚙合時取 “＋”。
?。S用接觸應力，公式同，由《機械設計》圖10-19查 得 ，，由圖10-21d查得 ，，所以，， ，故 ??；
所以，將以上數(shù)據(jù)帶入強度條件得：
可見兩齒輪計算接觸應力均小于許用接觸應力，故均滿足安全要求。
經(jīng)過以上校核可見齒輪強度滿足設計要求。
§3.3 鍵強度校核
假定載荷在鍵的工作面上是均勻分布的，普通平鍵的強度條件為
其中：－傳動的轉矩，此處為500Nmm;
－鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，，為鍵高；
?。ǖ墓ぷ鏖L度，，圓頭平鍵，平頭平鍵，為 鍵的公稱長度，,為鍵寬，單位均為；
?。S的直徑，；
?。I、軸、輪轂中最弱材料的許用擠壓應力，，由《機 械設計》表6-2，查得 。
在回轉軸上有兩處用到了鍵，分別在齒輪軸處和工作臺處。
齒輪軸處：，，，，則
工作臺處：，，，，則
可見兩處鍵均滿足安全要求。
§3.4 軸承的選用
軸承所受載荷的大小、方向與性質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，因此可使機器結構簡化、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.適用于轉速不太高，軸的剛性較好的場合。
根據(jù)各軸段的軸徑確定選用軸承的型號：
Φ60mm段選用軸承30212
對于普通工作的短軸，（跨距<400mm），滾動軸承的軸向固定學采用較簡單的兩端固定的方法。由于兩個支承各限制軸沿一個方向軸向移動，合起來就限制軸的雙向移動[4,10]。
軸承30212內(nèi)圈用軸肩定位，外圈用軸承端蓋夾緊。
由于本設計中軸的轉速較低，此處對軸承壽命不在進行驗算。
總 結
本次設計主要完成了焊接變位機的工作原理、結構以及傳動方式的設計，以及總體方案的確定，合理地選擇傳動類型，完成了電動機的選擇和總傳動比分配，其中電機的選擇包括選擇電動機容量、選擇電動機的轉速和取外形以及安裝形式等；完成了回轉軸的結構設計和強度校核，包括回轉軸軸徑初步計算和回轉軸的定位及其尺寸的確定；完成了對部分零件強度校核，包括回轉軸、齒輪以及鍵；完成了整個零件組的裝配設計，包括其中的裝配公差分析，裝配方法尺寸和結構分析等；最后根據(jù)任務要求繪制了設計總體圖、
裝配圖和零件圖，并撰寫了設計說明書?？傮w而言，基本上完成了這次的設計任務。
本次設計是我在校期間的最后一次設計，對我來說是很重要的，我很慶幸能夠參加并完成了這次設計任務。通過本次設計，我學到了很多知識，增加了我的實踐經(jīng)驗，開拓了視野；同時，在本次設計中，我也看到了自己的很多不足之處，在以后的道路上我會不斷的去完善自己。
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致 謝
經(jīng)歷的三個月的畢業(yè)設計，雖然任務很艱巨，但我們從中得到了很好的鍛煉，把以前所學的東西都貫穿起來，使知識得到了鞏固和升華，可以說通過這次設計，我學到了許多以前所欠缺的東西，特別在設計制造裝配這塊，改掉了以前那種只求圖好看，不管能不能結構合理的陋習。
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公斤數(shù)控座式焊接變位機工作臺回轉機構結構的基礎上，進行一些理論知識的探討和機械結構的改造創(chuàng)新。
總之，通過設計我提高了自己的獨立思考和解決問題的能力。對我今后新的工作有了新的體會，為今后的學習打下了堅實的基礎，我非常感謝學校在我離開前給了我這樣一次鍛煉的機會，本次設計是在韓紅彪老師的指導下完成的，老師淵博的科學知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，活躍的學術思想和隨和的生活態(tài)度，使我受益匪淺。在此設計完成之際，學生向韓紅彪老師表示衷心的感謝，他除了扎實的專業(yè)知識和對學生無微不至的關懷，嚴謹、求實、細致、認真負責的工作態(tài)度也是我們學習的榜樣！同時，也對周圍同學的極大鼓勵和支持表示感謝！
最后，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！
學生：崔新力
2013年6月6日