摘 要
焊接变位机运动系统的设计是焊接变位机方案设计的核心内容，而焊接变位机运动自由度的确定是其前提条件。焊接变位机的关键是对变位机进行最佳位置焊接所需要的运动自由度的设计，如平动或转动的设计。
伸臂式焊接变位机是将工件回转，翻转，以便使工件上的焊缝置于水平和船形位置的机械装置。伸臂式焊接变位机是应用最广泛的一种焊接变位机，载重量一般不超过1吨。伸臂式焊接变位机的主体部分是翻转机构、回转机构、底座。本设计主要是设计翻转机构的减速装置、回转机构的减速装置、。以及个部分和零件的个参数的选择。伸臂式焊接变位机
焊接变位机有利于实现最佳位置的焊接过程。提高工作效率、降低疲劳强度并达到良好的焊缝成型。 关键词：伸臂式焊接变位机；翻转机构；回转机构
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. This design is mainly the design of the decelerating device in the turning over organization and rotating organization, as well as part and components parameter choice. Stretching arm- welding dislodgement machine is advantageous to the realization the best position welding process, improves the working efficiency, reduces the fatigue strength and achieves the good welded joint shape.
目 录
摘 要 .................................................................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................... 错误！未定义书签。 目 录 ................................................................................................................................................................ II
第1章 绪 论 .................................................................................................................................................. 1
1.1 课题的目的、意义 . ................................................................................................................................ 1
1.2 课题背景和文献综述 . ............................................................................................................................ 2
1.2.1 课题背景.......................................................................................................................................... 2
1.2.2 文献综述.......................................................................................................................................... 3
1.3 主要研究内容 ......................................................................................................................................... 7
第2章 伸臂式焊接变位机的机构、工作原理及其技术性能 . .................................................................. 8
2.1 伸臂式焊接变位机的结构 .................................................................................................................... 8
2.2 伸臂式焊接变位机的工作原理 . ........................................................................................................... 8
2.3 焊接变位机的技术性能 ........................................................................................................................ 9
第3章 伸臂式焊接变位机的设计 . .............................................................................................................. 11
3.1 伸臂式焊接变位机的总体设计 . ......................................................................................................... 11
3.1.1 伸臂式焊接变位机的设计依据 . ................................................................................................. 11
3.1.2 功率及传动比的分配[4] . ............................................................................................................... 11
3.2 主要工作部件的设计 . .......................................................................................................................... 12
3.2.1 工作台的机构设计[6] . ................................................................................................................... 12
3.2.2 翻转机构的设计 . .......................................................................................................................... 13
3.2.3 工作台回转机构的设计 .............................................................................................................. 22 结 论 . ......................................................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ................................................................................................................................ 错误！未定义书签。
参 考 文 献 . .................................................................................................................................................... 28
第1章 绪 论
1.1 课题的目的、意义
对复杂工件焊接，由于焊缝在工件各个面上都可能存在，且工件较大转位较为复杂、工人劳动强度较大、生产效率较低。针对这种情况，我们研制了通过工作台升降回转和翻转运动，使工件处于最佳焊接或装配位置的焊接变位机。
为了适应快速变化的市场需求 , 增强市场竞争力 , 频繁更换产品的品种和批量 , 这就对生产设备的自动化程度和柔性化程度提出了很高的要求。弧焊机器人柔性加工单元正是一种具有柔性化特点的高度自动化焊接设备。它不仅能提高焊接生产率、产品的焊接质量和可靠性、加工柔性和制造精度 , 而且还能改善工人的劳动环境 , 降低劳动强度 , 提高经济效益 。焊接生产系统柔性化的发展方向是以弧焊机器人为主体 , 配合多自由度变位机及相关的焊接传感控制器件 , 在中央计算机的综合控制之下实现对复杂工件焊接路径的离线编程与图形仿真、空间焊缝的实时精确跟踪及焊缝参数的在线调整 。
焊接结构产品在机械制造业中占很大的比重，要实现焊接结构产品生产的机械自动化，必须使用大量焊接操作机、焊接变位机等焊接生产机械。焊接结构产品多种多样，就要求焊接变位机来帮工人实现最佳位置的焊接。
从功能角度分析，焊接变位机可以分为主要功能部分、辅助功能部分、控制功能部分。
焊接变位机的主要功能部分包括以下两方面：①对焊接结构件进行装夹定位；②能够将待焊点沿着一定的轨迹移动到最佳位置。目前已有成形的焊接变位机如滚轮架、翻转机等焊接设备。
上面多说的最佳焊接位置是只最有利于施焊并且能保证焊接质量的位置，即通常所指的水平焊或船形焊位置（图1.1）。平焊缝的最佳焊接位置是指待焊点的外法向矢量方向同重力作用方向相反；角焊缝的最佳焊接位置是指待焊点处工件的夹角平分线外法向方向相反。
待焊道是对焊缝形状轨迹的一种抽象描述，他可以是参数方程描述的规则形状，也可以是有离散点组成复杂轨迹。待焊点是指位于待焊道上，处于焊枪下即将进行焊接的位置，待焊点随着焊枪与待焊道的相对位置和
焊接时间的变化而变化。
图1.1 最佳焊接位置示意图
焊接变位机的辅助功能是保证其他部分正常运做必须的辅助部分，例如焊接时焊接电流的传导部分、埋弧焊的焊剂垫和系统的支撑部分等。
焊接变位机的控制功能部分主要是控制结构运动的机电控制部分。
1.2 课题背景和文献综述
1.2.1 课题背景
焊接作为一种制造技术, 在机械制造工业中有着广泛的应用 。而焊接机械装备就是为保证焊接质量, 提高焊接生产率, 改善工人作业条件, 为实现机械化、自动化焊接生产过程的各种辅助装置和设备。其中焊件变位机械是在焊接过程中改变焊件空间位置, 使其有利于手工操作者或机器人作业的各种机械设备; 它在生产中的作用是其他焊接机械 如焊接操作机等 不可替代的。焊件变位机械已成为机械化、自动化焊接生产线上的重要组成部分。
焊件变位机按功能不同, 通常分为变位机、滚轮架、回转台、翻转机四类。但由于焊接结构产品形式多样, 因此对变位机的需求也必然多种多样, 传统现有的变位机结构简单、功能单一, 显然不能满足实际焊接生产的需要, 设计多功能、多种类的焊接变位机已势在必行。本文是根据现代生产方式下焊接变位机的功能、作用, 结合自动化装配生产线中的焊件变位机械进行设计、分析, 给出了一种不同于一般变位机械, 具有更多功能、更多自由度, 更为灵活的变位机械装置。
1.2.2 文献综述
现代化的工业身产，要求身产效率高，劳动强度低。产品质量优，价格低廉，有竞争力。焊接结构的生产，同样应具有这些特性，在整个生产过程中，充分应用工艺装备，实现生产的机械化，自动化。助于达到上述要求，在焊接结构生产中，焊接时间占全部时间的 10~30%。其余为备料、装配、及辅助工作时间。节约每一工序时间对缩短生产周期具有 重要的一样。另外，焊接产品质量的好坏，不仅取决于焊接工艺质量与其他工序的质量也有密切关系。因此，不论焊接产品的质量要求和批量的答谢，均应考虑使用采用生产工艺装备。
采用工艺装备并不以为要选用机构复杂、价格昂贵的设备。许多情况下对一些简单的定位器、压紧器或现有设备稍加改装。即可收到明显的技术和经济效益。
一、 焊接结构生产工艺装备功能为：
1、 减轻下了、画线、零部件安装的工作量。
2、 制品的几何尺寸一致，提高了精度和互换性。
3、 降低对装配、焊接二人技术水平的要求。
4、 减少搬运翻转时间，提高设备利用率和劳动生产率。
5、 使焊接工作处于最有利位置，提高焊接速度和焊接质量。
6、 减少焊接变形，免除或减少焊后矫正为便于在焊接生产中使用工艺装备，要求焊接制品具有以下特
征：
① 制品外形集合形状尽可能规则、形式简单，易于备料及实现机械化焊接。
② 制品品种应尽可能少，同一制品几何尺寸应规格化、模数化和系列化
二、 焊接生产工艺装备的分类：
焊接产品种类繁多，形状尺寸各异，但焊接生产工艺装备一般包括以下三种：
① 保持工件正确位置的
② 防止热变形的
③ 改善焊接操作相对位置的
习惯上，将定位、压夹、推拉等工艺装备称为夹具。装配、焊接台架，焊接变位机等称为胎架或装置，但在实际生产中，他们的功能往往不是单一的。并往往配合使用，成为专用焊接机床或生产流水线。
㈠按照工艺装备的功能有如下分类：
⒈装配用工艺装备：这类工装的主要任务的按产品图纸和工艺上的要求，把焊件中各零件或部件的相对位置，能准确的固定下来。工件只在它上面点固，而不完成整个焊接工作。
主要包括：定位器及定位装置、推拉装置、压夹器及装配装置、装配台架。
⒉ 焊接工艺装备：已点固好的焊件放在这类工装完成新有焊缝的焊接。它的只要任务是防止焊接变形，并使处在各种位置的焊缝尽可能调到最利于施焊的位置。主要包括：
①
②
③
④ 焊件操作机械（焊接变位机、焊接滚轮架、焊接翻转机） 焊接机械（各种焊接机及焊接机器人） 焊工操作机械 焊接辅助装置（焊丝处理装置、焊剂回收装置、焊剂垫）
⒊ 装配焊接组合工艺装备：在其上能完成整个罕见的装配和焊接工作，它兼具上述两种工装的性能。 ⒋ 装配焊接辅助装备
⒌ 检验用工艺装备：
主要包括——水压、气压试验台，运行试验台
㈡ 按应用范围分：
⒈ 通用夹具：又称万能夹具，这类工装无需调整或稍加调整就能适用不同工件的装配或焊接工作
⒉ 专用工装：只适用于某一工件的装配或焊接，产品变换后，该工装即不能再用。
㈢ 按动力来源分类：
⒈ 手动：靠人力推紧、夹紧机构，以及达到夹紧工件的目的。
⒉ 气动：又叫风动，利用压缩空气做动力推动夹紧机构，夹紧工件。
⒊ 电动：利用电、磁为动力来夹持带动工件。
㈣ 按结构形式分类：
⒈ 伸臂式焊接变位机：适用于轻小焊件的翻转变位，载重量一般不超过1t ( 图1.2A)
⒉ 座式焊接变位机：是应用最光的一种焊接变位机，载重量一般为1至50 t ( 图1. 2B )
⒊ 双座式焊接变位机：有较高的稳定性，使用于大型和重型工件的翻转变位，栽重量一般都在50 t 以
上。( 图1. 2C )
A B
C
图1.2 三种不同结构形式的变位机
三、焊接变位机
⒈ 变位机是焊接用工艺装备中的焊件操作机械，是一种最常见的支撑并带动工件改变位置的工艺装备。变位机一般可以实现两种基本的动作：
① 工作台带动工件饶工作台的旋转轴作正反360度的旋转。
② 工作台面可以倾斜，有时工作台的高度还可以升降，得到最佳的焊接高度。变位机的夹持工件用
的平面卡盘有各种运动方案。如下三种：
A B C
图1.3 变位机的三种运动方案
他们的共同特点是即能绕自身轴线回转，又能绕另一轴线回转。
图1.3A 是两根转轴互相垂直，并在一个平面内。本设计是采用此运动方案。
图1.3B 的两根转轴也在一个平面内，但相互不垂直。卡盘在较大的空间中旋转。
图1.3C 中两根转轴相互垂直，但不在一个平面内，卡盘可以在两个互相垂直的平面上回转。
⒉变位机的结构比较简单，工作可靠，占地面积小，而且可以移动，使用变位机可以焊简体法兰及各种开头的框架、壳体、支架等开头复杂，焊缝位置各异，在其他胎架上施焊困的零部件，从而可以大大提高劳动生产率和焊缝的质量，短焊缝多而且位置复杂的焊件，在变位机上施焊也十分有利，也可以在变位机从事分割、堆焊、喷涂等作业，配以支承架，还可以当做翻转机，焊接重量及长度较大的梁柱，构架及筒节等，大型变位机的承载能可达2000吨，而最小的只有几公斤，适用范围最广。
变位机的工作台一般是用电动机来驱动回转并能调节速度，以便适用不同焊接方法与焊接参数，近年来，变位机中已有用液压马达来回转工作台的，小型变位机可以用人力来驱动，但不易得到稳定的转速，不利于圆形焊缝的自动焊。
翻转机构可使焊缝处于俯焊或船形焊的位置，工作台一般是圆形的，上有沟槽，可以用螺丝及压板来固定工件，大型变位机的工作台为减轻自重常采用正方形的，特殊需要时也可以设计成十字开头或其他形状。
变位机的承载能力与工作的重心至工作台台面的高度以及重心相对于工作台旋轴心的偏心距有关，工件的重心越高，对转轴的偏心距越大，承载能力减小。
选用变位机应注意以下几点：
（1）应根据工件质量，固定在工作台上时重心的高度、重心的偏心距来选择适当吨位的变位机。
（2）在变位机上焊接圆环焊缝时，应根据工件直和焊接速度计算出工作台的回转速度，如变位机仅用于工件的变位，工作台回转速度，如变位机仅用于工件的变位，工作台回转速度及翻转速度应根据工件的几何尺寸和重量选择，对大重型的工件速度应慢些。
（3）工作台的翻转速度一般不能调节，如倾翻时要进行焊接工作，应对变位机提出特殊的要求。
（4）工作台上应该有连接焊接地线的装置，且不受工作台回转的影响，不允许半焊接地线接在变位机架
上，从而使焊接电流通过轴承等转动零件。
（5）批量生产定型工件时，可选用具有程序控制性能的变位机。
（6）变位机只能使工件回转，翻动，要使焊接过程自动化、机械化，还应考虑配用相应的焊接操作机械。 随着现代化科技的不断应用，焊接变位机目前已经发展到了一个比较高级的阶段，焊接变位机忆从简单的手动、发现到现在的机电一体化自动设备以及全液压的变位机，使变位机的适用性，精度、稳定性和操作的方便灵活有了很大的提高，从而得到了广泛的应有和，变位机可以配合各种自动焊、串自动焊和手工电焊，通过其稳定的运转，精确的调速和方便灵活的操作，使工作台实现各种预定动作，从而使焊缝处于最佳位置进行焊接，可以大大提高焊缝质量，减轻劳动强度，提高生产率，使许多原本施焊十分困难的焊缝，现在变得轻而易举。
1.3 主要研究内容
(1) 伸臂式焊接变位机的机构设计
(2) 伸臂式焊接变位机的翻转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择、电动机型号的选择
(3) 伸臂式焊接变位机回转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择、夹具结构的设计
第2章 伸臂式焊接变位机的机构、工作原理及其技术性能
2.1 伸臂式焊接变位机的结构
本设计的变位机为0. 5吨伸臂式焊接变位机，其具体结构如下图所示：
图2.1伸臂式焊接变位机的结构图
由上图可以看出，本变位机由机座、翻转机构、回转机构三大部分组成。翻转机构的主要组成为：一台电动机、一组二级蜗轮蜗杆减速器。回转机构的组成为：一台测速发电机、一台直流电动机、三级蜗轮蜗杆减速装置和方形回转工作台。机座是角钢、铁板焊接而成。
2.2 伸臂式焊接变位机的工作原理
本变位机可以实现两种预定动作，即工作台的回转和工作台的翻转，而且要求能够自锁，所以在变位机翻转机构和回转机构中都加了蜗轮，蜗杆机构以达自锁的目的[1]。
翻转机构的工作原理是这样的：电机转动时，通过皮带轮传到二级蜗轮蜗杆减速器，经减速后，再经过三
级蜗轮蜗杆速器，三级蜗轮所在的轴也就是翻转机构的最后输出轴。从而使工作台翻转机构，由于采用了三级
蜗轮杆减速器，即以本机构加以自锁。
工作台的回转工作原理如下：
电动机转动，经过O 型三角皮带传动，带动蜗杆，蜗轮转动（此蜗轮蜗杆传动兼有减速速和自锁两种作用），从而达到二级减速。再经过一对蜗轮蜗杆减速（三级减速），最后输出轴连接回转平台。台完成回转工作，工作台的转速是可调的、其调节是通过测速发电机调节电动朵的转速度来实现的。 2.3 焊接变位机的技术性能
在变位机为伸臂式焊接自动变位机，机器的自重为0. 563吨，允许工件的重量是0. 5吨，载物台的选择为边长为0.7米的正方形载物台，所以以可以承工件尺寸Ф300～Ф1500 mm，重量不超0. 5吨的工件。
变位机的承载能力与工件重心至工作台台面的距离和工件重心至工作台，回转轴线的偏心距有着密切关系，在变位机的设计额定载重量如下图
技术数据
1．工作台回转速度 0.034～1.03转/分 2. 工作台倾斜速度 0.05～1转/分 3. 工作台最大回转力矩 750 N•m 4．机重 0.563 Kg 5．伸臂旋转锥角 45º 6．伸臂旋转最大旋转力矩 1100 N•m 8．伸臂旋转速度 0.72转/分 9．载重量 500 Kg 10．工作台面最大高度 1297 m m
注：⒈ 伸臂式焊接变位机的臂旋转时在空间的轨迹为一锥面。因此，在改变工件倾斜位置时，将伴随有工件的升高或下降。
⒉伸臂式焊接变位机主要用于手工焊和筒形工件的环缝自动焊，为了防止侧向倾覆以及不使整个机构
尺寸过大。
⒊ 该焊接变位机在工作台回转机构中有测速发电机和导电装置，前者可进行速度反馈，使工作台能以稳定的焊速回转，以便获得优良的焊缝成型，后者可防止焊接电流通过轴承、齿轮等传动零件时起弧，产生“咬伤”零件的现象。
图2.2测速发电机
在本设计的变位中，工作台的回转机构采用了三级蜗轮蜗杆轮减速，整体结构，较为紧凑，并装有测速发电机和导电装置，有利于获得优良焊缝成型，保证设备的精度和使用寿命，在工作台倾斜机构上，装有两个行程开关，法工作台超过倾斜限极位置时，可以立即停工，以免发生事故，无论是回转机构还是翻转机构，都装有皮带传动和蜗杆传动，它们除可以减速外，皮带传动还有减震和过载保护的作用，蜗杆传动还有自锁作用，这对于保证变位机运转速度和平稳和安全作业，都很有利，该变位机的回转总成布局合理，在工作台上未安放工件时其重心位于倾斜轴线的一侧，安放工件后，综合重心将移近或移到倾斜轴线的另一侧，使工作台无论在有载还是无载的情况下，综合重心新形成的倾斜力矩变化不大，因此可以减小倾斜机构的驱动功
率，也有利于充分发挥民动机的效能，在使用时，要参考技术数据一览表，根据工件重心至工作台面的距离和工件重心，至工作台轴线的偏心距来标定位机的载重量，这样有利于使用，可以避免发生超载事故。
第3章 伸臂式焊接变位机的设计
3.1 伸臂式焊接变位机的总体设计
3.1.1 伸臂式焊接变位机的设计依据 一、设计依据
⒈ 产品的结构特点：
在焊接简形工件等焊缝位置复杂多变，短焊缝多的焊件时，不但施焊困难，需要频繁搬动，翻转焊件，而且焊缝质量差，工人劳动强度大，劳动生产率低，变位机可以很好地解决以上问题，使焊接操作方便易行，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，而且能使焊缝质量有很大提高。 ⒉ 主要技术指标：
本设计的自动焊接变位机对工作条件的要求并不严格，一般常规条件下使用即可，适用范围为直径范围为Ф300～Ф1500 mm，重量不超过0 . 5吨的中小型构件。 二、伸臂式焊接变位机的设计要求 ⒈ 变位机的操纵性能：
要求变位机的操纵要方便、灵活、简单、可靠。 ⒉ 变位机的启动和制动。
要求变位机的启动，制动迅速、平稳。 ⒊ 变位机的工作情况：
要求变位机在工作时间要运行平稳、安全 3.1.2 功率及传动比的分配[4]
⒈ 在翻转机构中，各级的传动比分配为： 总传动比 i 总 ≈ 984 带的传动比i 带 ≈ 1.75
减速器的传动比i 减 = i 1·i 2 = 14. 5×37 = 536 . 5 各级功率的分配为：（输出功率）
a. b. c. d. e.
减速器输入轴的功率：P 1=Pd ·η01 P d = 1.4 kw 所以 P 1 = 1. 354 kw 一级蜗轮轴：P 2 = 1.062 kw 减速器输出轴 P 3 = 0.841 kw Ⅰ轴 P 4 = 0.783 kw Ⅱ轴 P 5 = 0.729
⒉在工作台的回转机构中各级传动比分配为: 总传动比I 总=2912.6
a. b. c.
皮带的传动比为i 带 = 156 Ⅰ蜗轮涡杆的传动比为i = 31 Ⅱ蜗轮涡杆的传动比为i = 48
各级功率分配:Pd = 1.95 kw
a. b. c.
蜗杆：P 1 = 1.89 kw (输入功率) 涡轮轴：P 2 = 1. 5 kw (输入功率)
减速器输出轴：P 3 = 1. 325 kw (输入功率)
3.2 主要工作部件的设计
3.2.1 工作台的机构设计[6]
工作台的结构设计：
通常工作台的形状是圆形的，但是在本设计的焊接变位机中，为了减轻工作台的自重，工作台的形状设计为边长70㎝的正方形的。在槽的下面用槽钢加强，其形状如下图
图2 .3 回转平台的结构
3.2.2 翻转机构的设计 ㈠ 选择电动机：[9]
⒈选择电动机的容量：要求所选电动机的额定功率稍大与工作功率。即
P e d ≥ Pd
P d = Pw / η a （kw ） P w ：工作机所需功率 η a ：电动机至工作级总效率 Pw= FV / 100 ηw = T ηw / 9550 ηw F ：工作机阻力 ( N ) V ：工作机转速 ( m/s ) T ：工作机阻力矩 ( N·m ) ηw ：工作机效率
n w ：工作机转速 ( r/min) T= Tg+Tm = (1+2%)Tg Tg ：回转惯性力造成的力矩 Tg = TgQ + Tgn + Tgq
Tg Q ：载荷回转惯性力造成的力矩
Tg Q = IgQ ·ε = Ig Q π n / 30 · 1/ t (t：启动时间取4秒) = 830×[（50×10-3）2 + （750×10-3 + 220×10-3）² ]·0.25π/30×4 = 52 N· m
Tgn ：回转部分质量的回转惯性阻力矩 Tgn = Ign·ε= Ign·π n / 30·1/ t = ( Ign电机 + Ign传动 )·ε
= [30×(408×10) ² +150×(220×10-3) ² + 200×(230×10-3) ²+ 1/2×51×(442×10-3) ²] ×0.25π/30×4 = 1.76N·m
Tgq ：驱动装置中旋转零件的惯性阻力矩（电机轴上零件） Tgq = Igq·πn/30·1/t · i · n i : 总传动比 η：总效率
= [1/2×4×（0.08² + 0.054²）+ 1/2×2（0.08²）] ×1425π/（30×4）×5700×51.7% = 22008 N·m
η= η1·η2·η3·η4·η5 = 0.97×0.994×0.8²×0.98²×0.95² = 51.7%
η1 η2 η3 η4 η5 分别为皮带、滚动轴承、蜗轮蜗杆。滚动轴承、齿传动的效率。 重力造成的力矩：
载荷：T Q = 830×500×10-3 = 4150 N·m 电机：T 电机 = 30×408×10-3 = 122.4 N·m
T = Tg(1+2%) = 1.02×1.02×(52+1.76+22008+4150+122.4) = 26861 N· m Pw = T n/9550 n = (26861×0.25)/(9550×0.98) = 0.72 kw Pd = Pw/ηa = 0.72/51.7% 1.41 kw ⒉ 确定电机转速[11]
普通V 带传动比为2 - 4，二级蜗杆减速器i = 70-800，圆柱齿轮传动（一级开式）i = 3-7，共两个。总传动
比为i =1260 - 156800
工作台的电机转速为在315~39200转/分之间。
经综合比较，选取额定功率为1.5KW 。同步转速1500r/ min。满载转速为1410r/min的交流异步电动机（普通）比较适宜。型号为JO2-22-4。变位机满载是，电动机的转速为1425r/min。 （二）确定传动装置的总传动比和分配各级传动比： i 总 = 1425/0. 25=5700
i 带 = 1.75 i 减速器 = 536.5 i 减齿 = 2.39 i 齿 = 2.56 （三）计标传动装置的运动和动力参数。 1. 各轴的转速：n 1=nm / i0
a. 变速器输入轴：n a =1425/（7/4）= 814 r/min b ．一级涡轮：n b = na /(z2/z1)=814/14.5 = 56 r /min c ．二级涡轮：n c = nb / ( z2/z1 )=56/37 = 1.52 r/min d ．轴Ⅰ：n d = nc /( z2 / z1 ) = 1.52/( 43/18 ) = 0.636 r/min e ．轴Ⅱ：n e =nd /( z2 / z1 )=0.636/( 110/43 ) = 0.248 r/min 2. 各轴功率：p 1=pd η01
a. 减速器输入轴：p 1=pd η01 p d =1.4 KW
p 1=1.4×0.97×0.99=1.4×0.9603=1.354 KW b ．一级涡轮轴：p 2=p1η12=1.354×0.8×0.92=1.354×0.78408=1.062 KW c. 减速器输出轴：P 3 = P2·η23
= 1.062×0.8×0.99 = 0.841 KW d. 轴Ⅰ：P 4 = P3η34 = 0.841×0.95×0.98
= 0.783 KW
e. 轴Ⅱ P 5 = P4·η45
= 0.783×0.95×0.98 = 0.729 KW
以上各轴功率为输出功率，输入功率除0.99或0.98 ⒊ 各轴转矩：T = T＇·i·n T d = 9550·P d / nm 1.4/1425 = 9550× = 9.38 N·m
a. 减速器输入轴：T 1 = Td ·i 0·η01 = 9.38×(7/4)×0.97 = 15.9 N·m
b. 一级蜗轮轴：T 2 = T1×14.5×0.99×0.8 = 182.6 N·m c. 减速器输出轴：T 3 = T2×37×0.99²×0.8 = 5297 N·m d. 轴Ⅰ T4 = T3×(43/18)×0.99×0.95 = 11902 N·m e. 轴Ⅱ T5 = T4×(110/43)×0.98×0.95 = 28346 N·m
表3-1 [3]
㈣、皮带传动的设计 ⒈确定计算功率Pc:
Pc = KA P 查下表得 K A = 1.1 = 1.1×1.4 = 1.54 (kw) 表3-2 工作情况系数K A ⒉ 选取三角带型号：
由Pc 及n 查图得，选取 o 型带
⒊ 小带轮及大带轮节圆直径d 1和d 2的确定： 取 d 1 = 80mm
d 2 = n1/n2·(1-ε)
= 1425/814×80×(1-0.02) = 137 取d 2 = 140 允许
⒋ 验算带速：
v =πdn /(60×1000) π
= (3.14×80×1425)/(60×1000) = 5.97 m/s ⒌ 带内L i 和中心距a ：
0.7×(d1+d2)
由L 0 = 2a0 +π/2 ×(d1+d2)+ × (d2-d 1) ²/4a0 = 2×240 +π/ 2×(80+140) + (140-80) ²/4×240 = 829.15
对O 带取L d = 925 内周长L i = 900 由a ≈ a0 + ( Ld -L 0 )/2得实际中心距得 a ≈ 288 小带轮包角：
α= 180º-( d2-d 1 ) × 57.3º = 180º- ( 140-80 ) × 57.3º = 168º
⒎ 胶带根数
Z = Pc / [(P0+ΔP0)]·Kq·Ka·KL
由V = 5.97 m/s d 1 = 80㎜ 又P 0=0.675 KN 由上式得ΔP0 = Kb ·n 1(1-1/k) 传动比i = d2/[d1(1-ε)] = 140/80(1-0.02) = 1.79 查表得 可Kb = 0.39×10-3 又i = 1.7857 得Ki = 1.12 所以 ΔP0 = 0.39×10-3×1425×(1-1/1.12) = 1.79 由α= 168º Ka = 0.98
取 K L = 1.03
⒍
采用化纤强力层普通V 带 取Kq = 1 Z = 1.54 / [(0.675+0.059)×1×0.98×1.03] = 2.08 取2根 ⒏ 作用在带轮轴上压力Q
由F 0 = 500Pc/ZV×(2.5/Ka-1)+qV² 得单根V 带的预拉力 q = 0.06 Kg/m F 0 = [500×1.54/(2×5.97)]×(2.5/0.98-1)+0.06×5.97² = 102.2 N
⒐ 带轮： 小带轮采用实心，大带轮用幅板式 ㈤、 蜗杆传动的设计(减速器的设计) [12] A ．第一级蜗杆传动的设计 ⒈选择材料并确定许用英里
蜗杆选用40Cr HRC45～50 蜗轮选用ZQAl 9-4 估计Vs ：Vs = 5.2×10-4 n T21/3
= 5.2×10-4 ×814× 182.61/3
= 2.4 m/s 查下表得 [σH ]= 210
表3-3 铝青铜及铸铁蜗轮的许用接触应力[σH ] MPa
⒉ 选取蜗杆头数： i = 14.5 查表3-4取Z=2 Z 2=i Z =29
⒊ 确定蜗轮轴的转速和转矩 n 2 = n1/i = 814/14.5 = 56.1 r/min
KT2 = 9.55×106 K P1η/n2 K:载荷系数取1.2 = 9.55×106 ×1.2 ×1.354×0.8/56.1 = 2.19×105 N·㎜
⒋ 计算中心距和模数：
m·q -3
≥ [ 500/(Z2[σ 25H ])KT ] -2 = [ 500/(29×210) 2×2.19×10 ] -2
= 11.4
因为 i
a = 0.5m(q+Z2) = 0.5×6.3×(8.9+29) = 119.4 ⒍ 确定几何尺寸：
a. 蜗杆：
分度圆直径d 1 = q·m = 8.9×6.3 = 56
齿顶圆直径 d a1 = d1+2ha1 = d1+2m = 56+12.6 = 68.6 齿根圆直径 d f1 = d1- 2f1 = d1-2×1.2m = 56-2×1.2×6.3 =40.9
b. 蜗轮：
分度圆直径 d 2 = mz = 6.3×29 = 182.7
齿顶圆直径 d a2 = d2+2ha2 = d2+2m(1+x) = 182.7+2×6.3 = 195.3 齿根圆直径 d f2 = d2- 2hf2 = d2-2m(1.2-x) = 182.7-2×6.3×1.2
= 167.6
外圆直径 Dw = da2+1.5m = 1.95+1.5×6.3 = 204.8 蜗轮宽B = 0.75d a 1 = 0.75×68.6 = 51.45 B. 第二级蜗轮、蜗杆的传动的设计 ⒈选材、确定许用应力
蜗杆：40Cr 蜗轮：ZQAl 9-4 估计Vs = 5.2×10-4n 1T21/3
= 5.2×10-4×56.1×52971/3 = 0.51 m/s
查表3-3 [σH ] = 250 N/㎜ ⒉ 选蜗杆头数：
I = 37 查下表得 Z 1 = 1 Z 2 = i·Z 1 = 37 表3-4 蜗杆头数Z 1与蜗轮齿数Z 2的推荐用值
⒊ 确定蜗轮轴转速和转矩
n 2 = n1 / i = 56.1 / 37 = 1.52 r/min
KT 1 = (9.55×106×1.2×1.062×0.8)/1.52 = 6.4×106 ⒋ m·q ≥ [500/(37×250) 2×6.4×106] 1/3 = 26.5
1/3
因为i = 37 >20 所以 q =9.25 = 0.25Z m = 26.5/q1/3 = 26.5/9.251/3 = 12.6 取 m =12.5 d1 = qm = 9.25×12.5 = 115.6 取m =112 q = d1/m = 112/12.5 = 8.96 ⒌ 确定中心距： a = 0.5m( q+Z )
= 0.5×12.5×(8.96+37) = 287.25 ⒍ 确定几何尺寸：
a. 蜗杆
中心距a = 287.25 选取为290 x = aw-a/m = 2.75/12.5 = 0.22 分度圆直径：d 1 = qm = 112
节圆直径： d w1 = m(q+2x) = 12.5(8.96+2×0.22) = 114.75 齿顶圆直径： d f 1 = d1-2hf 1 = d1-2×1.2m = 82
b. 蜗轮分度圆直径 d2 = mz = 12.5×37 = 462.5
齿顶圆直径 d a 2 = d2+2ha 2 = d2+2m(1+x) = 462.5+2×12.5(1+0.02) = 493 齿根圆直径 d f2 = d2- 2hf2 = d2-2m(1.2-x) = 462.5-2×12.5×(1.2-0.22)
= 438
外圆直径 Dw = da2+1.5m = 511.75 蜗轮宽B = 0.75da1 = 0.75×137 = 102.75
3.2.3 工作台回转机构的设计
㈠、选择电动机： ⒈ 选择电动机的容量：
要求电动机额定功率稍大于电动机工作功率 即 Ped ≥ Pd
Pd = Pw/ηa (kw) Pw = Fv/1000ηw = Tηw/9550ηw (kw) T = Tg + Tm = (1+2%) Tg Tg = TgQ + Tgn + Tgq
TgQ = 830×500×10-3×π×1.03/(30×1.5) = 298 N·m Tgn = 1/12×130×(12+12) ×1.03/(30×1.5) = 15.6 N·m Tgq = [1/2×1.058×(42.52-272)×10-6+1/2×0.04×272×10-6]×π = 7463 N·m
TQ = 830×500×10-3 = 4150 N·m T = 1.02×Tg = 1216.5 N·m
Pw = T nw/9550ηw = 12165×1.03/9550×0.99 = 1.325 kw Pd = Pw/η = 1.325/0.97×0.993×0.8×0.95×0.95 = 1.95 kw ⒉ 确定电机的额定转速为1500转/分 适宜
综上计算，确定选取额定功率为2.2kw ，转速为1500转/分 的 Z2-12的直流电动机 ㈡、确定传动装置的总传动比和分配各级传动比。 i 总 = 15000/1.03 = 1456
皮带传动比i= 1.56 蜗杆的传动比i = 31 ㈢、计算传动装置的运动和动力参数 ⒈各轴的转速：
a ． 蜗杆： na = 1920 转/分 b ． 蜗轮轴：nb = 61.94 转/分 c ． 工作台：nc = 1.03 转/分
⒉ 各轴的功率（输入功率）：
a. 蜗杆： Pa = 1.89 kw
b. 蜗轮轴：Pb = Pa·η= 1.89×0.99×0.8 = 1.5 kw
c. 减速器输出轴：Pc = Pbη= 1.5×0.992×0.952 = 1.325 kw
⒊ 各轴转矩：Td = 9550×Pd/n = 6.21 N·m
a ． 蜗杆：Ta = Td·i·η01 = 6.21×1.56×0.97 = 9.41 N·m b ． 蜗轮：Tb = Ta·i·η12 = 9.41×31×0.99×0.8 = 231 N·m
c ． 减速器输出轴：Tc = Tc·i·η12 = 231×60×0.99×0.952 = 12385 N·m
表3-5 各轴的参数
㈣、皮带传动的设计 ⒈确定计算功率Pc ：
查表13-8 取 K A =1.1 Pc = KA ·P = 1.1×2.2 = 2.42 kw ⒉选取带的型号：查图13-15 确定选O 型带 ⒊确定小带轮节圆直径d1及大圆节圆d2 由表13-9取d 1=80
有d 2=n1/n2·d 1(1-ε)=3000/1920×80×(1-0.02)=122.5 由表13-9 取d 2 = 125㎜ ⒋验算带速：
V = πd1n 1/60×1000 =(π×80×3000)/(60×1000) = 12.56 m/s 在5～25 m/s 范围内适宜 ⒌胶带内周长Li 和中心距a ：
0.7(d1+d2) 〈 a 0〈 2(d1+d2) 143.5〈 a 〈 410 初选a 0 = 300
由L 0 = 2a 0+π/2(d1+d2)+(d2-d 1) 2/4a 0
= 2×300+π/2( 80+125)+(125-80) 2/4×300 = 923 ㎜ 取 L d =925，L i =900 确定中心距a=a0+（L d -L 0）/2=301 6. 小带轮包角α由式13-1得：
α1=180º-(d1-d 2)×57.3º/a=171.4º>120º 适宜 7 确定V 带根数
Z=PC /(P0+ΔP0)K q K a K 2
V=12.56m/s，d 1=80mm，查表13-4用内插法，得P 0=1.19 由式13-14 ΔP0=Kb n 1(1-/Ki )
i=d2/d1(1-0.02)=125/80×0.98=1.59 由表13-5得K b =0.39×10-3 由i=1.59，查表13-7得K i =1.12 所以 P 0=0.39×10-3×3000×(1-1/1.12)=0.125
由α=171.4º 查表13-7得 K a =0.98
Z=2.42/(1.19+0.125)×0.98×1.03×0.75=2.43 取3根 8 作用在带轮轴上的压力Q 单根带上的预拉力： F 0=500Pc ×(2.5/Ka -1)/ZV+qV2 查表13-1得 q=0.06Kg/m
F 0 = (500×2.42)/(3×12.56) ×(2.5/0.98-1)+0.06×12.562 = 59.3 作用在轴上的压力：
Q = 2×Z·F 0·sin(а/2) =2×3×59.3×sin(171.4/2) = 354.8 N 小带轮用实心，大带轮用辐板式 ㈤、蜗轮、蜗杆传动的设计： ⒈ 选择材料，确定许用应力 A ．第一级蜗杆传动的设计 ⒈选择材料并确定许用应力
蜗杆选用40Cr HRC45～50 蜗轮选用ZQAl 9-4 估计Vs ：Vs = 5.2×10-4 n T2
1/3
= 5.2×10-4 ×1920× 2311/3
= 6.1 m/s
查表3-3的[σH ]= 120 ⒉ 选取蜗杆头数： i= 31 查表3-4 取Z=1 Z 2=iZ=31×1
⒊ 确定蜗轮轴的转速和转矩 n 2 = n1/i = 1920/31= 61.94 r/min
KT 2 = 9.55×106 K P1η/n2 K:载荷系数取1.2
= 9.55×106 ×1.2 ×1.89×0.8/61.94 = 2.8×105 N·㎜
⒋ 计算中心距和模数：
m ·q -3 ≥ [ 500/(Z2[σH ]2KT ] -2 = [ 500/(31×120) 2×2.8×105 ] -2
= 17.2
q = 0.25·Z 2 = 7.75
m = 17.2/q1/3 = 11.4/7.751/3 = 8.7 查表12-1 取m = 80 d 1 = q·m = 7.75×10 = 77.5 取d 1 = 80 q = d1/m = 80/10 = 8 ⒌ 确定中心距：
a = 0.5m(q+Z2) = 0.5×10×(8+31) = 195 ⒍ 确定几何尺寸：
b. 蜗杆：
分度圆直径d 1 = q·m = 80 节圆直径 d = d1 = 80
齿顶圆直径 d a1 = d1+2ha1 = d1+2m = 80+2×10 = 100 齿根圆直径 d f1 = d1- 2f1 = d1-2×1.2m = 56
b. 蜗轮：
分度圆直径 d 2 = mz = 10×31 = 310
齿顶圆直径 d a2 = d2+2ha2 = d2+2m(1+x) = 310+2×10×(1+0) = 330 齿根圆直径 d f2 = d2- 2hf2 = d2-2m(1.2-x) = 310-2×10= 290 外圆直径 Dw = da2+1.5m = 330+1.5×10 = 290 蜗轮宽B = 0.75da1 = 0.75×100 = 75
结论
我设计的伸臂式焊接变位机具有如下功能 1． 焊接工件尺寸为Φ300～1500mm 。
2．工作台可任意角度回转或以焊接速度回转，回转速度为0.05～1r min 。
3．伸臂旋转时，其空间轨迹为圆锥，与回转台配合可将工件调整到水平或船形焊的位置。
致谢
本论文在指导老师曹永胜教授的精心指导和关怀下顺利完成。曹永胜教授严谨的治学态度，博大精深的学识以及对科学的远见卓识，使我终身受益。从选题、开展设计到论文修改，无不凝聚着曹永胜悉心的指导和关怀，曹永胜教授勤奋兢业的精神、渊博的知识和严于利己、宽以待人的为人处世方面都对我产生了深远的影响。
曹永胜教授在设计过程中对我无私的指导和帮助，以及他敏锐的科研思维和为人和善的作风，作者深表敬意。在此，谨向恩师表示深深的敬意和由衷的感谢。
参 考 文 献
[1] 郑文伟, 吴克坚．机械原理．第7版．北京：高等教育出版社,1997 [2] 丘宣怀．机械设计．第四版．. 北京：高等教育出版社,1997
[3] 机械工程手册编辑委员会．机械工程手册．第五卷, 第六卷等．北京：机械工业出版社,1976 [4] 吴泽群, 罗圣国．机械设计课程设计手册．北京：高等教育出版社,1991 [5] 汝元功, 唐照明．机械设计手册．北京：高等教育出版社,1995 [6] 杨可桢, 程光蕴．机械设计基础．北京：高等教育出版社,1999
[7] 杨可桢, 程光蕴．机械零件设计基础．第3版．北京：高等教育出版社,1990 [8] 陈祝年．焊接夹具．机械工业出版社,1988 [9] 秦曾煌．电工学．高等教育出版社．2004
[10] 周浩森．焊接结构生产及装备．上海交通大学．2003
[11] 龚桂义等．机械设计课程设计指导书．北京：机械工业出版社．1995
[12] 龚桂义等．机械设计课程设计图册．北京：机械工业出版社．1998
摘 要
焊接变位机运动系统的设计是焊接变位机方案设计的核心内容，而焊接变位机运动自由度的确定是其前提条件。焊接变位机的关键是对变位机进行最佳位置焊接所需要的运动自由度的设计，如平动或转动的设计。
伸臂式焊接变位机是将工件回转，翻转，以便使工件上的焊缝置于水平和船形位置的机械装置。伸臂式焊接变位机是应用最广泛的一种焊接变位机，载重量一般不超过1吨。伸臂式焊接变位机的主体部分是翻转机构、回转机构、底座。本设计主要是设计翻转机构的减速装置、回转机构的减速装置、。以及个部分和零件的个参数的选择。伸臂式焊接变位机
焊接变位机有利于实现最佳位置的焊接过程。提高工作效率、降低疲劳强度并达到良好的焊缝成型。 关键词：伸臂式焊接变位机；翻转机构；回转机构
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. This design is mainly the design of the decelerating device in the turning over organization and rotating organization, as well as part and components parameter choice. Stretching arm- welding dislodgement machine is advantageous to the realization the best position welding process, improves the working efficiency, reduces the fatigue strength and achieves the good welded joint shape.
目 录
摘 要 .................................................................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................... 错误！未定义书签。 目 录 ................................................................................................................................................................ II
第1章 绪 论 .................................................................................................................................................. 1
1.1 课题的目的、意义 . ................................................................................................................................ 1
1.2 课题背景和文献综述 . ............................................................................................................................ 2
1.2.1 课题背景.......................................................................................................................................... 2
1.2.2 文献综述.......................................................................................................................................... 3
1.3 主要研究内容 ......................................................................................................................................... 7
第2章 伸臂式焊接变位机的机构、工作原理及其技术性能 . .................................................................. 8
2.1 伸臂式焊接变位机的结构 .................................................................................................................... 8
2.2 伸臂式焊接变位机的工作原理 . ........................................................................................................... 8
2.3 焊接变位机的技术性能 ........................................................................................................................ 9
第3章 伸臂式焊接变位机的设计 . .............................................................................................................. 11
3.1 伸臂式焊接变位机的总体设计 . ......................................................................................................... 11
3.1.1 伸臂式焊接变位机的设计依据 . ................................................................................................. 11
3.1.2 功率及传动比的分配[4] . ............................................................................................................... 11
3.2 主要工作部件的设计 . .......................................................................................................................... 12
3.2.1 工作台的机构设计[6] . ................................................................................................................... 12
3.2.2 翻转机构的设计 . .......................................................................................................................... 13
3.2.3 工作台回转机构的设计 .............................................................................................................. 22 结 论 . ......................................................................................................................... 错误！未定义书签。 致 谢 ................................................................................................................................ 错误！未定义书签。
参 考 文 献 . .................................................................................................................................................... 28
第1章 绪 论
1.1 课题的目的、意义
对复杂工件焊接，由于焊缝在工件各个面上都可能存在，且工件较大转位较为复杂、工人劳动强度较大、生产效率较低。针对这种情况，我们研制了通过工作台升降回转和翻转运动，使工件处于最佳焊接或装配位置的焊接变位机。
为了适应快速变化的市场需求 , 增强市场竞争力 , 频繁更换产品的品种和批量 , 这就对生产设备的自动化程度和柔性化程度提出了很高的要求。弧焊机器人柔性加工单元正是一种具有柔性化特点的高度自动化焊接设备。它不仅能提高焊接生产率、产品的焊接质量和可靠性、加工柔性和制造精度 , 而且还能改善工人的劳动环境 , 降低劳动强度 , 提高经济效益 。焊接生产系统柔性化的发展方向是以弧焊机器人为主体 , 配合多自由度变位机及相关的焊接传感控制器件 , 在中央计算机的综合控制之下实现对复杂工件焊接路径的离线编程与图形仿真、空间焊缝的实时精确跟踪及焊缝参数的在线调整 。
焊接结构产品在机械制造业中占很大的比重，要实现焊接结构产品生产的机械自动化，必须使用大量焊接操作机、焊接变位机等焊接生产机械。焊接结构产品多种多样，就要求焊接变位机来帮工人实现最佳位置的焊接。
从功能角度分析，焊接变位机可以分为主要功能部分、辅助功能部分、控制功能部分。
焊接变位机的主要功能部分包括以下两方面：①对焊接结构件进行装夹定位；②能够将待焊点沿着一定的轨迹移动到最佳位置。目前已有成形的焊接变位机如滚轮架、翻转机等焊接设备。
上面多说的最佳焊接位置是只最有利于施焊并且能保证焊接质量的位置，即通常所指的水平焊或船形焊位置（图1.1）。平焊缝的最佳焊接位置是指待焊点的外法向矢量方向同重力作用方向相反；角焊缝的最佳焊接位置是指待焊点处工件的夹角平分线外法向方向相反。
待焊道是对焊缝形状轨迹的一种抽象描述，他可以是参数方程描述的规则形状，也可以是有离散点组成复杂轨迹。待焊点是指位于待焊道上，处于焊枪下即将进行焊接的位置，待焊点随着焊枪与待焊道的相对位置和
焊接时间的变化而变化。
图1.1 最佳焊接位置示意图
焊接变位机的辅助功能是保证其他部分正常运做必须的辅助部分，例如焊接时焊接电流的传导部分、埋弧焊的焊剂垫和系统的支撑部分等。
焊接变位机的控制功能部分主要是控制结构运动的机电控制部分。
1.2 课题背景和文献综述
1.2.1 课题背景
焊接作为一种制造技术, 在机械制造工业中有着广泛的应用 。而焊接机械装备就是为保证焊接质量, 提高焊接生产率, 改善工人作业条件, 为实现机械化、自动化焊接生产过程的各种辅助装置和设备。其中焊件变位机械是在焊接过程中改变焊件空间位置, 使其有利于手工操作者或机器人作业的各种机械设备; 它在生产中的作用是其他焊接机械 如焊接操作机等 不可替代的。焊件变位机械已成为机械化、自动化焊接生产线上的重要组成部分。
焊件变位机按功能不同, 通常分为变位机、滚轮架、回转台、翻转机四类。但由于焊接结构产品形式多样, 因此对变位机的需求也必然多种多样, 传统现有的变位机结构简单、功能单一, 显然不能满足实际焊接生产的需要, 设计多功能、多种类的焊接变位机已势在必行。本文是根据现代生产方式下焊接变位机的功能、作用, 结合自动化装配生产线中的焊件变位机械进行设计、分析, 给出了一种不同于一般变位机械, 具有更多功能、更多自由度, 更为灵活的变位机械装置。
1.2.2 文献综述
现代化的工业身产，要求身产效率高，劳动强度低。产品质量优，价格低廉，有竞争力。焊接结构的生产，同样应具有这些特性，在整个生产过程中，充分应用工艺装备，实现生产的机械化，自动化。助于达到上述要求，在焊接结构生产中，焊接时间占全部时间的 10~30%。其余为备料、装配、及辅助工作时间。节约每一工序时间对缩短生产周期具有 重要的一样。另外，焊接产品质量的好坏，不仅取决于焊接工艺质量与其他工序的质量也有密切关系。因此，不论焊接产品的质量要求和批量的答谢，均应考虑使用采用生产工艺装备。
采用工艺装备并不以为要选用机构复杂、价格昂贵的设备。许多情况下对一些简单的定位器、压紧器或现有设备稍加改装。即可收到明显的技术和经济效益。
一、 焊接结构生产工艺装备功能为：
1、 减轻下了、画线、零部件安装的工作量。
2、 制品的几何尺寸一致，提高了精度和互换性。
3、 降低对装配、焊接二人技术水平的要求。
4、 减少搬运翻转时间，提高设备利用率和劳动生产率。
5、 使焊接工作处于最有利位置，提高焊接速度和焊接质量。
6、 减少焊接变形，免除或减少焊后矫正为便于在焊接生产中使用工艺装备，要求焊接制品具有以下特
征：
① 制品外形集合形状尽可能规则、形式简单，易于备料及实现机械化焊接。
② 制品品种应尽可能少，同一制品几何尺寸应规格化、模数化和系列化
二、 焊接生产工艺装备的分类：
焊接产品种类繁多，形状尺寸各异，但焊接生产工艺装备一般包括以下三种：
① 保持工件正确位置的
② 防止热变形的
③ 改善焊接操作相对位置的
习惯上，将定位、压夹、推拉等工艺装备称为夹具。装配、焊接台架，焊接变位机等称为胎架或装置，但在实际生产中，他们的功能往往不是单一的。并往往配合使用，成为专用焊接机床或生产流水线。
㈠按照工艺装备的功能有如下分类：
⒈装配用工艺装备：这类工装的主要任务的按产品图纸和工艺上的要求，把焊件中各零件或部件的相对位置，能准确的固定下来。工件只在它上面点固，而不完成整个焊接工作。
主要包括：定位器及定位装置、推拉装置、压夹器及装配装置、装配台架。
⒉ 焊接工艺装备：已点固好的焊件放在这类工装完成新有焊缝的焊接。它的只要任务是防止焊接变形，并使处在各种位置的焊缝尽可能调到最利于施焊的位置。主要包括：
①
②
③
④ 焊件操作机械（焊接变位机、焊接滚轮架、焊接翻转机） 焊接机械（各种焊接机及焊接机器人） 焊工操作机械 焊接辅助装置（焊丝处理装置、焊剂回收装置、焊剂垫）
⒊ 装配焊接组合工艺装备：在其上能完成整个罕见的装配和焊接工作，它兼具上述两种工装的性能。 ⒋ 装配焊接辅助装备
⒌ 检验用工艺装备：
主要包括——水压、气压试验台，运行试验台
㈡ 按应用范围分：
⒈ 通用夹具：又称万能夹具，这类工装无需调整或稍加调整就能适用不同工件的装配或焊接工作
⒉ 专用工装：只适用于某一工件的装配或焊接，产品变换后，该工装即不能再用。
㈢ 按动力来源分类：
⒈ 手动：靠人力推紧、夹紧机构，以及达到夹紧工件的目的。
⒉ 气动：又叫风动，利用压缩空气做动力推动夹紧机构，夹紧工件。
⒊ 电动：利用电、磁为动力来夹持带动工件。
㈣ 按结构形式分类：
⒈ 伸臂式焊接变位机：适用于轻小焊件的翻转变位，载重量一般不超过1t ( 图1.2A)
⒉ 座式焊接变位机：是应用最光的一种焊接变位机，载重量一般为1至50 t ( 图1. 2B )
⒊ 双座式焊接变位机：有较高的稳定性，使用于大型和重型工件的翻转变位，栽重量一般都在50 t 以
上。( 图1. 2C )
A B
C
图1.2 三种不同结构形式的变位机
三、焊接变位机
⒈ 变位机是焊接用工艺装备中的焊件操作机械，是一种最常见的支撑并带动工件改变位置的工艺装备。变位机一般可以实现两种基本的动作：
① 工作台带动工件饶工作台的旋转轴作正反360度的旋转。
② 工作台面可以倾斜，有时工作台的高度还可以升降，得到最佳的焊接高度。变位机的夹持工件用
的平面卡盘有各种运动方案。如下三种：
A B C
图1.3 变位机的三种运动方案
他们的共同特点是即能绕自身轴线回转，又能绕另一轴线回转。
图1.3A 是两根转轴互相垂直，并在一个平面内。本设计是采用此运动方案。
图1.3B 的两根转轴也在一个平面内，但相互不垂直。卡盘在较大的空间中旋转。
图1.3C 中两根转轴相互垂直，但不在一个平面内，卡盘可以在两个互相垂直的平面上回转。
⒉变位机的结构比较简单，工作可靠，占地面积小，而且可以移动，使用变位机可以焊简体法兰及各种开头的框架、壳体、支架等开头复杂，焊缝位置各异，在其他胎架上施焊困的零部件，从而可以大大提高劳动生产率和焊缝的质量，短焊缝多而且位置复杂的焊件，在变位机上施焊也十分有利，也可以在变位机从事分割、堆焊、喷涂等作业，配以支承架，还可以当做翻转机，焊接重量及长度较大的梁柱，构架及筒节等，大型变位机的承载能可达2000吨，而最小的只有几公斤，适用范围最广。
变位机的工作台一般是用电动机来驱动回转并能调节速度，以便适用不同焊接方法与焊接参数，近年来，变位机中已有用液压马达来回转工作台的，小型变位机可以用人力来驱动，但不易得到稳定的转速，不利于圆形焊缝的自动焊。
翻转机构可使焊缝处于俯焊或船形焊的位置，工作台一般是圆形的，上有沟槽，可以用螺丝及压板来固定工件，大型变位机的工作台为减轻自重常采用正方形的，特殊需要时也可以设计成十字开头或其他形状。
变位机的承载能力与工作的重心至工作台台面的高度以及重心相对于工作台旋轴心的偏心距有关，工件的重心越高，对转轴的偏心距越大，承载能力减小。
选用变位机应注意以下几点：
（1）应根据工件质量，固定在工作台上时重心的高度、重心的偏心距来选择适当吨位的变位机。
（2）在变位机上焊接圆环焊缝时，应根据工件直和焊接速度计算出工作台的回转速度，如变位机仅用于工件的变位，工作台回转速度，如变位机仅用于工件的变位，工作台回转速度及翻转速度应根据工件的几何尺寸和重量选择，对大重型的工件速度应慢些。
（3）工作台的翻转速度一般不能调节，如倾翻时要进行焊接工作，应对变位机提出特殊的要求。
（4）工作台上应该有连接焊接地线的装置，且不受工作台回转的影响，不允许半焊接地线接在变位机架
上，从而使焊接电流通过轴承等转动零件。
（5）批量生产定型工件时，可选用具有程序控制性能的变位机。
（6）变位机只能使工件回转，翻动，要使焊接过程自动化、机械化，还应考虑配用相应的焊接操作机械。 随着现代化科技的不断应用，焊接变位机目前已经发展到了一个比较高级的阶段，焊接变位机忆从简单的手动、发现到现在的机电一体化自动设备以及全液压的变位机，使变位机的适用性，精度、稳定性和操作的方便灵活有了很大的提高，从而得到了广泛的应有和，变位机可以配合各种自动焊、串自动焊和手工电焊，通过其稳定的运转，精确的调速和方便灵活的操作，使工作台实现各种预定动作，从而使焊缝处于最佳位置进行焊接，可以大大提高焊缝质量，减轻劳动强度，提高生产率，使许多原本施焊十分困难的焊缝，现在变得轻而易举。
1.3 主要研究内容
(1) 伸臂式焊接变位机的机构设计
(2) 伸臂式焊接变位机的翻转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择、电动机型号的选择
(3) 伸臂式焊接变位机回转机构的设计。其中包括，减速机构的设计和参数的选择、夹具结构的设计
第2章 伸臂式焊接变位机的机构、工作原理及其技术性能
2.1 伸臂式焊接变位机的结构
本设计的变位机为0. 5吨伸臂式焊接变位机，其具体结构如下图所示：
图2.1伸臂式焊接变位机的结构图
由上图可以看出，本变位机由机座、翻转机构、回转机构三大部分组成。翻转机构的主要组成为：一台电动机、一组二级蜗轮蜗杆减速器。回转机构的组成为：一台测速发电机、一台直流电动机、三级蜗轮蜗杆减速装置和方形回转工作台。机座是角钢、铁板焊接而成。
2.2 伸臂式焊接变位机的工作原理
本变位机可以实现两种预定动作，即工作台的回转和工作台的翻转，而且要求能够自锁，所以在变位机翻转机构和回转机构中都加了蜗轮，蜗杆机构以达自锁的目的[1]。
翻转机构的工作原理是这样的：电机转动时，通过皮带轮传到二级蜗轮蜗杆减速器，经减速后，再经过三
级蜗轮蜗杆速器，三级蜗轮所在的轴也就是翻转机构的最后输出轴。从而使工作台翻转机构，由于采用了三级
蜗轮杆减速器，即以本机构加以自锁。
工作台的回转工作原理如下：
电动机转动，经过O 型三角皮带传动，带动蜗杆，蜗轮转动（此蜗轮蜗杆传动兼有减速速和自锁两种作用），从而达到二级减速。再经过一对蜗轮蜗杆减速（三级减速），最后输出轴连接回转平台。台完成回转工作，工作台的转速是可调的、其调节是通过测速发电机调节电动朵的转速度来实现的。 2.3 焊接变位机的技术性能
在变位机为伸臂式焊接自动变位机，机器的自重为0. 563吨，允许工件的重量是0. 5吨，载物台的选择为边长为0.7米的正方形载物台，所以以可以承工件尺寸Ф300～Ф1500 mm，重量不超0. 5吨的工件。
变位机的承载能力与工件重心至工作台台面的距离和工件重心至工作台，回转轴线的偏心距有着密切关系，在变位机的设计额定载重量如下图
技术数据
1．工作台回转速度 0.034～1.03转/分 2. 工作台倾斜速度 0.05～1转/分 3. 工作台最大回转力矩 750 N•m 4．机重 0.563 Kg 5．伸臂旋转锥角 45º 6．伸臂旋转最大旋转力矩 1100 N•m 8．伸臂旋转速度 0.72转/分 9．载重量 500 Kg 10．工作台面最大高度 1297 m m
注：⒈ 伸臂式焊接变位机的臂旋转时在空间的轨迹为一锥面。因此，在改变工件倾斜位置时，将伴随有工件的升高或下降。
⒉伸臂式焊接变位机主要用于手工焊和筒形工件的环缝自动焊，为了防止侧向倾覆以及不使整个机构
尺寸过大。
⒊ 该焊接变位机在工作台回转机构中有测速发电机和导电装置，前者可进行速度反馈，使工作台能以稳定的焊速回转，以便获得优良的焊缝成型，后者可防止焊接电流通过轴承、齿轮等传动零件时起弧，产生“咬伤”零件的现象。
图2.2测速发电机
在本设计的变位中，工作台的回转机构采用了三级蜗轮蜗杆轮减速，整体结构，较为紧凑，并装有测速发电机和导电装置，有利于获得优良焊缝成型，保证设备的精度和使用寿命，在工作台倾斜机构上，装有两个行程开关，法工作台超过倾斜限极位置时，可以立即停工，以免发生事故，无论是回转机构还是翻转机构，都装有皮带传动和蜗杆传动，它们除可以减速外，皮带传动还有减震和过载保护的作用，蜗杆传动还有自锁作用，这对于保证变位机运转速度和平稳和安全作业，都很有利，该变位机的回转总成布局合理，在工作台上未安放工件时其重心位于倾斜轴线的一侧，安放工件后，综合重心将移近或移到倾斜轴线的另一侧，使工作台无论在有载还是无载的情况下，综合重心新形成的倾斜力矩变化不大，因此可以减小倾斜机构的驱动功
率，也有利于充分发挥民动机的效能，在使用时，要参考技术数据一览表，根据工件重心至工作台面的距离和工件重心，至工作台轴线的偏心距来标定位机的载重量，这样有利于使用，可以避免发生超载事故。
第3章 伸臂式焊接变位机的设计
3.1 伸臂式焊接变位机的总体设计
3.1.1 伸臂式焊接变位机的设计依据 一、设计依据
⒈ 产品的结构特点：
在焊接简形工件等焊缝位置复杂多变，短焊缝多的焊件时，不但施焊困难，需要频繁搬动，翻转焊件，而且焊缝质量差，工人劳动强度大，劳动生产率低，变位机可以很好地解决以上问题，使焊接操作方便易行，减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，而且能使焊缝质量有很大提高。 ⒉ 主要技术指标：
本设计的自动焊接变位机对工作条件的要求并不严格，一般常规条件下使用即可，适用范围为直径范围为Ф300～Ф1500 mm，重量不超过0 . 5吨的中小型构件。 二、伸臂式焊接变位机的设计要求 ⒈ 变位机的操纵性能：
要求变位机的操纵要方便、灵活、简单、可靠。 ⒉ 变位机的启动和制动。
要求变位机的启动，制动迅速、平稳。 ⒊ 变位机的工作情况：
要求变位机在工作时间要运行平稳、安全 3.1.2 功率及传动比的分配[4]
⒈ 在翻转机构中，各级的传动比分配为： 总传动比 i 总 ≈ 984 带的传动比i 带 ≈ 1.75
减速器的传动比i 减 = i 1·i 2 = 14. 5×37 = 536 . 5 各级功率的分配为：（输出功率）
a. b. c. d. e.
减速器输入轴的功率：P 1=Pd ·η01 P d = 1.4 kw 所以 P 1 = 1. 354 kw 一级蜗轮轴：P 2 = 1.062 kw 减速器输出轴 P 3 = 0.841 kw Ⅰ轴 P 4 = 0.783 kw Ⅱ轴 P 5 = 0.729
⒉在工作台的回转机构中各级传动比分配为: 总传动比I 总=2912.6
a. b. c.
皮带的传动比为i 带 = 156 Ⅰ蜗轮涡杆的传动比为i = 31 Ⅱ蜗轮涡杆的传动比为i = 48
各级功率分配:Pd = 1.95 kw
a. b. c.
蜗杆：P 1 = 1.89 kw (输入功率) 涡轮轴：P 2 = 1. 5 kw (输入功率)
减速器输出轴：P 3 = 1. 325 kw (输入功率)
3.2 主要工作部件的设计
3.2.1 工作台的机构设计[6]
工作台的结构设计：
通常工作台的形状是圆形的，但是在本设计的焊接变位机中，为了减轻工作台的自重，工作台的形状设计为边长70㎝的正方形的。在槽的下面用槽钢加强，其形状如下图
图2 .3 回转平台的结构
3.2.2 翻转机构的设计 ㈠ 选择电动机：[9]
⒈选择电动机的容量：要求所选电动机的额定功率稍大与工作功率。即
P e d ≥ Pd
P d = Pw / η a （kw ） P w ：工作机所需功率 η a ：电动机至工作级总效率 Pw= FV / 100 ηw = T ηw / 9550 ηw F ：工作机阻力 ( N ) V ：工作机转速 ( m/s ) T ：工作机阻力矩 ( N·m ) ηw ：工作机效率
n w ：工作机转速 ( r/min) T= Tg+Tm = (1+2%)Tg Tg ：回转惯性力造成的力矩 Tg = TgQ + Tgn + Tgq
Tg Q ：载荷回转惯性力造成的力矩
Tg Q = IgQ ·ε = Ig Q π n / 30 · 1/ t (t：启动时间取4秒) = 830×[（50×10-3）2 + （750×10-3 + 220×10-3）² ]·0.25π/30×4 = 52 N· m
Tgn ：回转部分质量的回转惯性阻力矩 Tgn = Ign·ε= Ign·π n / 30·1/ t = ( Ign电机 + Ign传动 )·ε
= [30×(408×10) ² +150×(220×10-3) ² + 200×(230×10-3) ²+ 1/2×51×(442×10-3) ²] ×0.25π/30×4 = 1.76N·m
Tgq ：驱动装置中旋转零件的惯性阻力矩（电机轴上零件） Tgq = Igq·πn/30·1/t · i · n i : 总传动比 η：总效率
= [1/2×4×（0.08² + 0.054²）+ 1/2×2（0.08²）] ×1425π/（30×4）×5700×51.7% = 22008 N·m
η= η1·η2·η3·η4·η5 = 0.97×0.994×0.8²×0.98²×0.95² = 51.7%
η1 η2 η3 η4 η5 分别为皮带、滚动轴承、蜗轮蜗杆。滚动轴承、齿传动的效率。 重力造成的力矩：
载荷：T Q = 830×500×10-3 = 4150 N·m 电机：T 电机 = 30×408×10-3 = 122.4 N·m
T = Tg(1+2%) = 1.02×1.02×(52+1.76+22008+4150+122.4) = 26861 N· m Pw = T n/9550 n = (26861×0.25)/(9550×0.98) = 0.72 kw Pd = Pw/ηa = 0.72/51.7% 1.41 kw ⒉ 确定电机转速[11]
普通V 带传动比为2 - 4，二级蜗杆减速器i = 70-800，圆柱齿轮传动（一级开式）i = 3-7，共两个。总传动
比为i =1260 - 156800
工作台的电机转速为在315~39200转/分之间。
经综合比较，选取额定功率为1.5KW 。同步转速1500r/ min。满载转速为1410r/min的交流异步电动机（普通）比较适宜。型号为JO2-22-4。变位机满载是，电动机的转速为1425r/min。 （二）确定传动装置的总传动比和分配各级传动比： i 总 = 1425/0. 25=5700
i 带 = 1.75 i 减速器 = 536.5 i 减齿 = 2.39 i 齿 = 2.56 （三）计标传动装置的运动和动力参数。 1. 各轴的转速：n 1=nm / i0
a. 变速器输入轴：n a =1425/（7/4）= 814 r/min b ．一级涡轮：n b = na /(z2/z1)=814/14.5 = 56 r /min c ．二级涡轮：n c = nb / ( z2/z1 )=56/37 = 1.52 r/min d ．轴Ⅰ：n d = nc /( z2 / z1 ) = 1.52/( 43/18 ) = 0.636 r/min e ．轴Ⅱ：n e =nd /( z2 / z1 )=0.636/( 110/43 ) = 0.248 r/min 2. 各轴功率：p 1=pd η01
a. 减速器输入轴：p 1=pd η01 p d =1.4 KW
p 1=1.4×0.97×0.99=1.4×0.9603=1.354 KW b ．一级涡轮轴：p 2=p1η12=1.354×0.8×0.92=1.354×0.78408=1.062 KW c. 减速器输出轴：P 3 = P2·η23
= 1.062×0.8×0.99 = 0.841 KW d. 轴Ⅰ：P 4 = P3η34 = 0.841×0.95×0.98
= 0.783 KW
e. 轴Ⅱ P 5 = P4·η45
= 0.783×0.95×0.98 = 0.729 KW
以上各轴功率为输出功率，输入功率除0.99或0.98 ⒊ 各轴转矩：T = T＇·i·n T d = 9550·P d / nm 1.4/1425 = 9550× = 9.38 N·m
a. 减速器输入轴：T 1 = Td ·i 0·η01 = 9.38×(7/4)×0.97 = 15.9 N·m
b. 一级蜗轮轴：T 2 = T1×14.5×0.99×0.8 = 182.6 N·m c. 减速器输出轴：T 3 = T2×37×0.99²×0.8 = 5297 N·m d. 轴Ⅰ T4 = T3×(43/18)×0.99×0.95 = 11902 N·m e. 轴Ⅱ T5 = T4×(110/43)×0.98×0.95 = 28346 N·m
表3-1 [3]
㈣、皮带传动的设计 ⒈确定计算功率Pc:
Pc = KA P 查下表得 K A = 1.1 = 1.1×1.4 = 1.54 (kw) 表3-2 工作情况系数K A ⒉ 选取三角带型号：
由Pc 及n 查图得，选取 o 型带
⒊ 小带轮及大带轮节圆直径d 1和d 2的确定： 取 d 1 = 80mm
d 2 = n1/n2·(1-ε)
= 1425/814×80×(1-0.02) = 137 取d 2 = 140 允许
⒋ 验算带速：
v =πdn /(60×1000) π
= (3.14×80×1425)/(60×1000) = 5.97 m/s ⒌ 带内L i 和中心距a ：
0.7×(d1+d2)
由L 0 = 2a0 +π/2 ×(d1+d2)+ × (d2-d 1) ²/4a0 = 2×240 +π/ 2×(80+140) + (140-80) ²/4×240 = 829.15
对O 带取L d = 925 内周长L i = 900 由a ≈ a0 + ( Ld -L 0 )/2得实际中心距得 a ≈ 288 小带轮包角：
α= 180º-( d2-d 1 ) × 57.3º = 180º- ( 140-80 ) × 57.3º = 168º
⒎ 胶带根数
Z = Pc / [(P0+ΔP0)]·Kq·Ka·KL
由V = 5.97 m/s d 1 = 80㎜ 又P 0=0.675 KN 由上式得ΔP0 = Kb ·n 1(1-1/k) 传动比i = d2/[d1(1-ε)] = 140/80(1-0.02) = 1.79 查表得 可Kb = 0.39×10-3 又i = 1.7857 得Ki = 1.12 所以 ΔP0 = 0.39×10-3×1425×(1-1/1.12) = 1.79 由α= 168º Ka = 0.98
取 K L = 1.03
⒍
采用化纤强力层普通V 带 取Kq = 1 Z = 1.54 / [(0.675+0.059)×1×0.98×1.03] = 2.08 取2根 ⒏ 作用在带轮轴上压力Q
由F 0 = 500Pc/ZV×(2.5/Ka-1)+qV² 得单根V 带的预拉力 q = 0.06 Kg/m F 0 = [500×1.54/(2×5.97)]×(2.5/0.98-1)+0.06×5.97² = 102.2 N
⒐ 带轮： 小带轮采用实心，大带轮用幅板式 ㈤、 蜗杆传动的设计(减速器的设计) [12] A ．第一级蜗杆传动的设计 ⒈选择材料并确定许用英里
蜗杆选用40Cr HRC45～50 蜗轮选用ZQAl 9-4 估计Vs ：Vs = 5.2×10-4 n T21/3
= 5.2×10-4 ×814× 182.61/3
= 2.4 m/s 查下表得 [σH ]= 210
表3-3 铝青铜及铸铁蜗轮的许用接触应力[σH ] MPa
⒉ 选取蜗杆头数： i = 14.5 查表3-4取Z=2 Z 2=i Z =29
⒊ 确定蜗轮轴的转速和转矩 n 2 = n1/i = 814/14.5 = 56.1 r/min
KT2 = 9.55×106 K P1η/n2 K:载荷系数取1.2 = 9.55×106 ×1.2 ×1.354×0.8/56.1 = 2.19×105 N·㎜
⒋ 计算中心距和模数：
m·q -3
≥ [ 500/(Z2[σ 25H ])KT ] -2 = [ 500/(29×210) 2×2.19×10 ] -2
= 11.4
因为 i
a = 0.5m(q+Z2) = 0.5×6.3×(8.9+29) = 119.4 ⒍ 确定几何尺寸：
a. 蜗杆：
分度圆直径d 1 = q·m = 8.9×6.3 = 56
齿顶圆直径 d a1 = d1+2ha1 = d1+2m = 56+12.6 = 68.6 齿根圆直径 d f1 = d1- 2f1 = d1-2×1.2m = 56-2×1.2×6.3 =40.9
b. 蜗轮：
分度圆直径 d 2 = mz = 6.3×29 = 182.7
齿顶圆直径 d a2 = d2+2ha2 = d2+2m(1+x) = 182.7+2×6.3 = 195.3 齿根圆直径 d f2 = d2- 2hf2 = d2-2m(1.2-x) = 182.7-2×6.3×1.2
= 167.6
外圆直径 Dw = da2+1.5m = 1.95+1.5×6.3 = 204.8 蜗轮宽B = 0.75d a 1 = 0.75×68.6 = 51.45 B. 第二级蜗轮、蜗杆的传动的设计 ⒈选材、确定许用应力
蜗杆：40Cr 蜗轮：ZQAl 9-4 估计Vs = 5.2×10-4n 1T21/3
= 5.2×10-4×56.1×52971/3 = 0.51 m/s
查表3-3 [σH ] = 250 N/㎜ ⒉ 选蜗杆头数：
I = 37 查下表得 Z 1 = 1 Z 2 = i·Z 1 = 37 表3-4 蜗杆头数Z 1与蜗轮齿数Z 2的推荐用值
⒊ 确定蜗轮轴转速和转矩
n 2 = n1 / i = 56.1 / 37 = 1.52 r/min
KT 1 = (9.55×106×1.2×1.062×0.8)/1.52 = 6.4×106 ⒋ m·q ≥ [500/(37×250) 2×6.4×106] 1/3 = 26.5
1/3
因为i = 37 >20 所以 q =9.25 = 0.25Z m = 26.5/q1/3 = 26.5/9.251/3 = 12.6 取 m =12.5 d1 = qm = 9.25×12.5 = 115.6 取m =112 q = d1/m = 112/12.5 = 8.96 ⒌ 确定中心距： a = 0.5m( q+Z )
= 0.5×12.5×(8.96+37) = 287.25 ⒍ 确定几何尺寸：
a. 蜗杆
中心距a = 287.25 选取为290 x = aw-a/m = 2.75/12.5 = 0.22 分度圆直径：d 1 = qm = 112
节圆直径： d w1 = m(q+2x) = 12.5(8.96+2×0.22) = 114.75 齿顶圆直径： d f 1 = d1-2hf 1 = d1-2×1.2m = 82
b. 蜗轮分度圆直径 d2 = mz = 12.5×37 = 462.5
齿顶圆直径 d a 2 = d2+2ha 2 = d2+2m(1+x) = 462.5+2×12.5(1+0.02) = 493 齿根圆直径 d f2 = d2- 2hf2 = d2-2m(1.2-x) = 462.5-2×12.5×(1.2-0.22)
= 438
外圆直径 Dw = da2+1.5m = 511.75 蜗轮宽B = 0.75da1 = 0.75×137 = 102.75
3.2.3 工作台回转机构的设计
㈠、选择电动机： ⒈ 选择电动机的容量：
要求电动机额定功率稍大于电动机工作功率 即 Ped ≥ Pd
Pd = Pw/ηa (kw) Pw = Fv/1000ηw = Tηw/9550ηw (kw) T = Tg + Tm = (1+2%) Tg Tg = TgQ + Tgn + Tgq
TgQ = 830×500×10-3×π×1.03/(30×1.5) = 298 N·m Tgn = 1/12×130×(12+12) ×1.03/(30×1.5) = 15.6 N·m Tgq = [1/2×1.058×(42.52-272)×10-6+1/2×0.04×272×10-6]×π = 7463 N·m
TQ = 830×500×10-3 = 4150 N·m T = 1.02×Tg = 1216.5 N·m
Pw = T nw/9550ηw = 12165×1.03/9550×0.99 = 1.325 kw Pd = Pw/η = 1.325/0.97×0.993×0.8×0.95×0.95 = 1.95 kw ⒉ 确定电机的额定转速为1500转/分 适宜
综上计算，确定选取额定功率为2.2kw ，转速为1500转/分 的 Z2-12的直流电动机 ㈡、确定传动装置的总传动比和分配各级传动比。 i 总 = 15000/1.03 = 1456
皮带传动比i= 1.56 蜗杆的传动比i = 31 ㈢、计算传动装置的运动和动力参数 ⒈各轴的转速：
a ． 蜗杆： na = 1920 转/分 b ． 蜗轮轴：nb = 61.94 转/分 c ． 工作台：nc = 1.03 转/分
⒉ 各轴的功率（输入功率）：
a. 蜗杆： Pa = 1.89 kw
b. 蜗轮轴：Pb = Pa·η= 1.89×0.99×0.8 = 1.5 kw
c. 减速器输出轴：Pc = Pbη= 1.5×0.992×0.952 = 1.325 kw
⒊ 各轴转矩：Td = 9550×Pd/n = 6.21 N·m
a ． 蜗杆：Ta = Td·i·η01 = 6.21×1.56×0.97 = 9.41 N·m b ． 蜗轮：Tb = Ta·i·η12 = 9.41×31×0.99×0.8 = 231 N·m
c ． 减速器输出轴：Tc = Tc·i·η12 = 231×60×0.99×0.952 = 12385 N·m
表3-5 各轴的参数
㈣、皮带传动的设计 ⒈确定计算功率Pc ：
查表13-8 取 K A =1.1 Pc = KA ·P = 1.1×2.2 = 2.42 kw ⒉选取带的型号：查图13-15 确定选O 型带 ⒊确定小带轮节圆直径d1及大圆节圆d2 由表13-9取d 1=80
有d 2=n1/n2·d 1(1-ε)=3000/1920×80×(1-0.02)=122.5 由表13-9 取d 2 = 125㎜ ⒋验算带速：
V = πd1n 1/60×1000 =(π×80×3000)/(60×1000) = 12.56 m/s 在5～25 m/s 范围内适宜 ⒌胶带内周长Li 和中心距a ：
0.7(d1+d2) 〈 a 0〈 2(d1+d2) 143.5〈 a 〈 410 初选a 0 = 300
由L 0 = 2a 0+π/2(d1+d2)+(d2-d 1) 2/4a 0
= 2×300+π/2( 80+125)+(125-80) 2/4×300 = 923 ㎜ 取 L d =925，L i =900 确定中心距a=a0+（L d -L 0）/2=301 6. 小带轮包角α由式13-1得：
α1=180º-(d1-d 2)×57.3º/a=171.4º>120º 适宜 7 确定V 带根数
Z=PC /(P0+ΔP0)K q K a K 2
V=12.56m/s，d 1=80mm，查表13-4用内插法，得P 0=1.19 由式13-14 ΔP0=Kb n 1(1-/Ki )
i=d2/d1(1-0.02)=125/80×0.98=1.59 由表13-5得K b =0.39×10-3 由i=1.59，查表13-7得K i =1.12 所以 P 0=0.39×10-3×3000×(1-1/1.12)=0.125
由α=171.4º 查表13-7得 K a =0.98
Z=2.42/(1.19+0.125)×0.98×1.03×0.75=2.43 取3根 8 作用在带轮轴上的压力Q 单根带上的预拉力： F 0=500Pc ×(2.5/Ka -1)/ZV+qV2 查表13-1得 q=0.06Kg/m
F 0 = (500×2.42)/(3×12.56) ×(2.5/0.98-1)+0.06×12.562 = 59.3 作用在轴上的压力：
Q = 2×Z·F 0·sin(а/2) =2×3×59.3×sin(171.4/2) = 354.8 N 小带轮用实心，大带轮用辐板式 ㈤、蜗轮、蜗杆传动的设计： ⒈ 选择材料，确定许用应力 A ．第一级蜗杆传动的设计 ⒈选择材料并确定许用应力
蜗杆选用40Cr HRC45～50 蜗轮选用ZQAl 9-4 估计Vs ：Vs = 5.2×10-4 n T2
1/3
= 5.2×10-4 ×1920× 2311/3
= 6.1 m/s
查表3-3的[σH ]= 120 ⒉ 选取蜗杆头数： i= 31 查表3-4 取Z=1 Z 2=iZ=31×1
⒊ 确定蜗轮轴的转速和转矩 n 2 = n1/i = 1920/31= 61.94 r/min
KT 2 = 9.55×106 K P1η/n2 K:载荷系数取1.2
= 9.55×106 ×1.2 ×1.89×0.8/61.94 = 2.8×105 N·㎜
⒋ 计算中心距和模数：
m ·q -3 ≥ [ 500/(Z2[σH ]2KT ] -2 = [ 500/(31×120) 2×2.8×105 ] -2
= 17.2
q = 0.25·Z 2 = 7.75
m = 17.2/q1/3 = 11.4/7.751/3 = 8.7 查表12-1 取m = 80 d 1 = q·m = 7.75×10 = 77.5 取d 1 = 80 q = d1/m = 80/10 = 8 ⒌ 确定中心距：
a = 0.5m(q+Z2) = 0.5×10×(8+31) = 195 ⒍ 确定几何尺寸：
b. 蜗杆：
分度圆直径d 1 = q·m = 80 节圆直径 d = d1 = 80
齿顶圆直径 d a1 = d1+2ha1 = d1+2m = 80+2×10 = 100 齿根圆直径 d f1 = d1- 2f1 = d1-2×1.2m = 56
b. 蜗轮：
分度圆直径 d 2 = mz = 10×31 = 310
齿顶圆直径 d a2 = d2+2ha2 = d2+2m(1+x) = 310+2×10×(1+0) = 330 齿根圆直径 d f2 = d2- 2hf2 = d2-2m(1.2-x) = 310-2×10= 290 外圆直径 Dw = da2+1.5m = 330+1.5×10 = 290 蜗轮宽B = 0.75da1 = 0.75×100 = 75
结论
我设计的伸臂式焊接变位机具有如下功能 1． 焊接工件尺寸为Φ300～1500mm 。
2．工作台可任意角度回转或以焊接速度回转，回转速度为0.05～1r min 。
3．伸臂旋转时，其空间轨迹为圆锥，与回转台配合可将工件调整到水平或船形焊的位置。
致谢
本论文在指导老师曹永胜教授的精心指导和关怀下顺利完成。曹永胜教授严谨的治学态度，博大精深的学识以及对科学的远见卓识，使我终身受益。从选题、开展设计到论文修改，无不凝聚着曹永胜悉心的指导和关怀，曹永胜教授勤奋兢业的精神、渊博的知识和严于利己、宽以待人的为人处世方面都对我产生了深远的影响。
曹永胜教授在设计过程中对我无私的指导和帮助，以及他敏锐的科研思维和为人和善的作风，作者深表敬意。在此，谨向恩师表示深深的敬意和由衷的感谢。
参 考 文 献
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