毕业设计--棱管法兰自动焊机主轴系统结构设计

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1、 本科毕业设计说明书题 目：棱管法兰自动焊机主轴系统结构设计学生姓名： 学 院：机械学院系 别：机械系专 业：机械设计制造及其自动化班 级：指导教师：二一二年六月摘 要近年来，送变电、风力机、大型户外广告牌的发展给钢管塔生产工艺和设备带来了新的挑战，而法兰与柱管的焊接特别是棱管与法兰的焊接也成为了一个难点。以往的钢管塔法兰焊接通常分两步完成，第一步是组对，第二步是焊接，分两个工序完成。通常是在法兰组对设备上先将法兰固定在左右两个法兰卡盘上，然后再将圆管或者棱管放在滚轮架上，通过调节滚轮架将圆管或者棱管插入两法兰孔内，通过点焊使法兰与管固定，然后将焊件整体拆下，送到焊接工位，用法兰焊接机，对法兰

2、与柱管之间的内外缝实施焊接。焊接时，在法兰内外各设一把焊枪，焊枪不动，滚轮架上的滚轮带动管件转动，焊枪对内外两焊缝进行焊接。这种方法比较适合对圆管与法兰进行焊接，但对棱管与法兰的焊接就很困难，因为棱管无法在滚轮架上平稳旋转，即使工件可以平稳旋转，焊枪与工件距离、焊接速度、焊枪角度也是时刻发生变化的，更关键的是对工件在焊接过程中形成的热变形难以控制。所以对棱管与法兰无法进行连续、自动焊接，只能手工焊。针对以上问题,设计了法兰与柱管组对内外环缝自动焊接设备，该设备不但能实现棱管的自动化焊接，更重要的是它将以前的组对焊接中两个工序组合到一个工位上，可以实现对不同直径，不同截面，不同长度工件的焊接。本

3、文主要详细设计了该类型焊接机主轴结构及床身的设计过程，内容较详尽，解决了一系列难题。其中最主要的就是主轴结构以及空心卡盘设计，使内缝焊接与外缝焊接得以同时进行，缩短了焊接时间。关键词：焊接机；法兰；棱管；主轴结构；pro/e三维建模仿真；CAXA制图。AbstractIn recent years, with the development of electricity, wind machine, large outdoor billboards new challenges come out in steel pipe tower production technology and equ

4、ipment, while the welding of flange and the column pipe especially ribbed pipe and flange has become a difficulty. The welding of steel pipe tower flange is usually done in two steps.Usually the first is secured around the two flange chuck, then the pipe or tube is placed in the edge of the roller f

5、rame, by adjusting the roller frame round tube or ribbed tube is inserted into the two flange holes, through spot welding so that the flange and pipe is fixed, then the welding whole body sent to the welding station. with the flange welding machine, the flange and the column tube complete the inner

6、and outer welding. This method is more suitable for round tube and flange welding, but for ribbed pipe and flange welding is difficult, because the edge tube is not on the roller frame to rotate smoothly, even if the tube can rotate stably, the welding torch and the tube distance, welding speed, tor

7、ch angle is always changing, whats more, the most important is that the work in the welding process to form thermal deformation is difficult to control. So the edge tube and flange can only be continuous welding manual. In view of the above problems, designing of the flange and the column group of g

8、irth automatic welding equipment can not only realize the ribbed tube automatic welding, it is more important to make two procedures combined into one station, and be achieved for different diameter, different sections, different length of tubes. This paper tells the designing of this type of weldin

9、g machine shaft structure and the designing process, how to solve a series of problems. One of the most important is the hollow chuck shaft structure as well as the designing, so that the inner seam welding can be performed at the same time, which shorten the time of welding.Key words: welding machi

10、ne; flange; ribbed tube; shaftstructure ;3Dmodeling and simulation with pro/e; CAXA drawing.目 录引言1第一章绪论21.1 我国焊接自动化的发展状况21.2 我国自动焊接设备的发展趋势2成套焊接设备的微机自动化控制技术发展2焊接设备的智能控制技术发展3焊接计算机集成制造系统CIMS 技术发展31.3自动焊机的类型41.3.1 刚性自动化焊接设备4自适应控制自动化焊接设备4智能化自动焊接设备41.4自动焊机主轴系统51.5主轴系统结构已知技术数据51.6 基本设计流程5第二章棱管法兰自动焊机主轴系统的相关

11、设计计算62.1传动装置的整体设计6传动方案的确定62.2电动机的选择7确定工件转速7选择电动机的类型7确定电动机转速9确定传动装置总传动比和分配传动比9选择电动机容量9电动机的校核112.3变频器的选择112.4减速机的选择11二级摆线针轮减速机工作原理11二级摆线针轮减速机特点122.5联轴器的选择122.6传动装置运动及动力参数计算13计算各轴（零件）转速13计算各轴（零件）输入功率13计算各轴（零件）输入转矩132.7齿轮的设计计算14高速齿轮设计14回转支承的设计选择192.8主轴的设计计算20选择轴的材料20初步计算轴的最小直径20轴的结构设计21求轴上载荷22按弯矩合成应力校核轴

12、的强度24轴承寿命的计算24键的校核252.9气动卡盘的选择262.10润滑方式与密封装置的选择26齿轮润滑26滚动轴承的润滑与密封27其它部件润滑28第三章棱管法兰自动焊机移动卡紧装置设计计算293.1传动装置的方案设计293.2电动机、减速机的选择293.2.1选择电动机类型293.2.2选择电动机容量293.2.3齿轮齿条参数设计303.2.4确定减速器型号313.2.5电动机的校核313.3联轴器的选择323.4键的校核323.5机床导轨选择333.6润滑方式与密封装置的选择33齿轮齿条啮合润滑33导轨润滑33第四章棱管法兰自动焊机箱体及附件设计计算354.1床身的设计354.2轴承端

13、盖的设计354.3整体主轴系统三维建模结果36结论38参考文献39谢辞40引 言随着社会的不断进步，机械加工技术的不断发展，古老的生产方式已不能完全适应新形势的要求。自动焊接机凭借其高效性、实用性、经济型等优点在现代的机械发展应用得到广泛的应用。自动焊接机采用自动组队，实时监测，自动焊接，内外焊缝同时进行加工的方式，生产效率比原工艺高几倍至几十倍。产品质量也更加稳定，在大批、大量生产中得到广泛应用。自动焊接机要适应不同工件的加工，加工参数不同，就必须增加机床的柔性系统，还要确保其产品质量。鉴于以上情况，我对管法兰自动焊机主轴结构系统以及机床床身进给系统进行设计。对该系统设计的意义对于我国工业现

14、状来说，在于补充我国自动焊机柔性系统落后的不足，为我国工业的发展献一份微薄的力量；对于个人来说，在于加强对主轴结构的理解与认识，熟悉自动焊机的特点和工作原理，对其主轴进行较系统化的设计与计算，满足系统所需的要求，巩固自己大学期间所学知识的学习成果。而且还可以加强对PRO/E、CAXA绘图软件的掌握，积累设计中所需的经验，进一步提高自己自行设计的综合能力。第一章 绪论1.1我国焊接自动化的发展状况我国，焊接自动化的发展已有近60年，其科研和生产都具有一定的基础，在许多领域都得到应用，是当前机械制造业实现产品更新，进行技术改造，提高生产效率和高速发展必不可少的设备之一。近年来，我国加大了焊接自动化

15、技术发展应用的科研攻关力度，全面推动焊接行业的自动化进程。加快自动焊接机和自动焊材的生产，各种自动和半自动焊机及专用成套焊接机产量将稳步增长。为了发展现代焊接自动化技术，我国已将电子技术、计算机技术、自动控制技术和软件技术迅速地引入焊接领域， 围绕计算机集成制造系统CIMS 的CAD / CAM、CAAP、CAPM 等技术列为重点推广项目。在汽车、摩托车、船舶、锅炉、工程机械和重型机械等行业重点推广采用焊接机器人、焊接中心、焊接柔性制造系统，采用计算机辅助设计与制造及检查技术。1.2我国自动焊接设备的发展趋势1.2.1成套焊接设备的微机自动化控制技术发展在焊接设备中发展应用微机自动化控制技术，

16、如数控焊接电源、智能焊机、全自动专用焊机和柔性焊接机器人工作站。微机控制系统在各种自动焊接与切割设备中的作用不光是控制各项焊接参数，而且必须能自动协调成套焊接设备各组成部分的动作，实现无人操作，即实现焊接生产数控化、自动化与智能化。微机控制焊接电源已成为自动化专用焊机的主体，智能化焊接设备的基础。微机控制的IGBT 式逆变焊接电源，是实现智能化控制的较理想设备，目前我国正在大力发展和推广应用。工业发达国家现在已大量使用焊接机器人来进行自动化焊接生产。现代焊接机器人大多为柔性自动化工作站或焊接生产线，是由焊接机器人、焊接电源、焊接工艺装备、上下料机械手等的不同组合，以及离线CAD 仿真编程构成的

17、，用微机对其系统进行控制。柔性机器人工作站提高了焊接机器人的利用率，避免了过去刚性机器人很难变更焊接产品的缺点，可适用各种批量的生产线，因而是非常受欢迎的一种焊接自动化途径。柔性焊接机器人工作站随着其价格的不断降低在我国会逐步推广应用，代表了成套焊接设备的微机自动化控制技术的发展方向。1.2.2焊接设备的智能控制技术发展焊接设备如焊接变压器、硅弧焊整流器、晶闸管式弧焊整流器、脉冲弧焊电源、逆变焊电源等。将微机控制焊接电源与焊接过程的传感技术结合起来，发展了视觉跟踪、熔深控制等智能焊接设备。焊接过程控制系统的智能化是焊接生产自动化的核心问题之一。把人工智能技术引入焊接设备的控制形成焊接设备的智能

18、控制系统，这一领域具有代表性的是焊接过程的模糊控制系统、神经网络控制系统和焊接专家系统。其显著特点是控制过程涉及领域专家的知识、经验，建立知识库及推理机实现相应的决策，进行控制。在高性能波控焊接电源基础上发展智能化的焊接设备，为今后焊接设备的发展方向。焊接工程技术人员需要尽快地熟悉计算机和网络，以便适应新技术的发展；在开发方式方面可采取两种途径：一是以企业自身的技术力量为主进行开发。二是企业和高等学校或科研所合作进行开发。专家系统在与企业的紧密合作下完成，一般都能保证软件的质量和实用性。把焊接专家系统运用人工智能的思想移植到焊接设备的控制中，作为智能化焊接设备的开发基础，这些设备可以是整机结构

19、的专用焊机，也可以是积木式的组合结构，如选用微机控制的自动焊头、跟踪器、视觉控制器、焊接参数编程器等产品来灵活组合实用的智能化焊机，因而可能更切合焊接生产实际。1.2.3焊接计算机集成制造系统CIMS 技术发展计算机集成制造系统CIMS(Computer IntegratedManufacturing System) 是目前正处在发展阶段的高科技领域。焊接结构生产的CIMS 系统是以焊接机器人为中心，在数控焊机及相应的工艺装备等技术保障的基础上，集信息流、物资流于一体的集成制造系统。在焊接结构生产中，CIMS 集下料、装配、焊接等为一体的机器人生产中心，实现焊接生产真正的高精度、全自动化的现代

20、化革命，是未来焊接生产的发展方向。将焊接机器人与机械手、多自由度转胎和变位器等组合，并用微机对其进行综合控制，构成柔性工作站或生产线，是解决小批量焊接生产自动化的一个路子。焊接生产柔性化的发展方向是要发展能识别环境并随时精确跟踪焊缝轨迹及调整焊接参数的智能机器人，并研究其传感技术及控制技术。通常，焊接机器人焊枪运动的轨迹是由操作人员将焊枪先沿焊缝行走一次的示教方法来实现的。随着计算机软硬件能力的提高，现在通过计算机根据CAD 图形库中焊缝空间位置进行预先的离线编程，再把控制焊接参数的传感器获得的数值经计算机处理后，调节焊接电源、送丝机构和焊枪的空间位置。开展焊接CIMS 技术应是分步实施，逐步

21、取得效益的过程。加强系统中底层设备智能化和自由性方面的研究以简化计算机控制和管理系统以及工程设计系统的上层系统；注重系统中信息流和物资流的结合以大大降低信息量和降低适时控制的要求，注重发挥人在系统中的作用，使人与自动系统和谐统一起来，以发挥人在识别和情况发生变化时的响应和判断能力；最终要发展将焊接生产集成到全厂的生产系统中，成为整个企业集成制造系统的一个有机部分。1.3自动焊机的类型1.3.1 刚性自动化焊接设备刚性自动化焊接设备亦可称为初级自动化焊接设备，其大多数是按照开环控制的原理设计的。虽然整个焊接过程由焊接设备自动完成，但对焊接过程中焊接参数的波动不能进行闭环的反馈系统，不能随机纠正可

22、能出现的偏差。1.3.2自适应控制自动化焊接设备自适应控制的焊接设备是一种自动化程度较高的焊接设备，它配用传感器和电子检测线路，对焊缝轨迹自动导向和跟踪，并对主要的焊接参数进行实行闭环的反馈控制。整个焊接过程将按预先设定的程序和工艺参数自动完成。1.3.3智能化自动焊接设备它利用各种高级的传感元件，如视觉传感器，触觉传感器，听觉传感器和激光扫描器等，并借助计算机软件系统，数据库和专家系统具有识别、判断、实时检测，运算、自动编程、焊接参数存储和自动生成焊接记录文件的功能。1.4自动焊机主轴系统自动焊机主轴系统在整个机床中起着至关重要的作用，直接影响着焊缝质量的好坏。自动焊机的主轴系统目前已发展成

23、熟，主要依靠调速电机与大传动比减速器配合实现焊接低转速大扭矩的特殊要求，通过变频调速可以实现无极调速，以适应不同工件焊接速度不同的需求。目前主轴系统主要存在的问题是工件体积大，主轴系统的结构难以实现紧凑，尤其对于内外环缝同时焊接的机床。主轴结构直接影响着焊接机械手的位置和精度。回转支承可以很好地解决这一问题，制有外齿的回转支承直接与主轴上的齿轮啮合，实现动力输出，既平稳又节省空间。同样，卡盘的设计制造也是自动焊机主轴系统的关键，焊机卡盘必须具有尺寸大，定位精度高，操作简便，夹紧力大的特点。1.5主轴系统结构已知技术数据工件直径1.22.0m；壁厚8mm；工件最大长度20m；机械手重复定位精度：

24、0.05mm。1.6 基本设计流程（1）了解工程实际中棱管法兰自动焊机的工作情况，为主轴系统结构的设计做前期准备，同时整理相关的参考资料并且进行必要的文献检索。（2）根据任务书中所给出的原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等，结合相关课程设计分析过程进行必要的计算与核算，然后在参考资料中按照计算的数值选取、设计最合适的零件与产品。（3）最后进行三维建模，并进行机构运动仿真，绘出结构总装图与所需零件图。第二章棱管法兰自动焊机主轴系统的相关设计计算2.1传动装置的整体设计2.1.1传动方案的确定（1） 采用变频调速电机作为原动力，经联轴器将动力传递至减速机，主轴上的齿轮带动有外齿的回转

25、支承，回转支承与中空气动卡盘连接实现最终所需的输出动力；（2) 速度通过变频器控制，两次机械降速一方面为满足焊接速度的需求，另一方面可以增大扭矩，而且为了使结构紧凑，方便内封的焊接，采用回转支承以及中空的大型卡盘也是本次设计的关键；（3） 方案简图如下：（见图2-1）卡爪法兰盘图2-1 方案简图2.2电动机的选择2.2.1确定工件转速如图（22）所示，工件为八棱体，机床转速与焊接工艺有关，应由工件尺寸以及焊速决定。图2-2 工件截面图图22为八棱柱管道的横截面，R为管道中心到两相邻边交点处的长度，r为管道中心到边的垂线的长度。现设r=0.6m，管道壁厚8mm,管道长20m。密度7.85g/cm

26、3，由以上数据可计算出管道的重量G可知管道为一个环形 ，外环形周长S=60tan22.528=397.65（21）查资料可知道，获取最佳焊缝质量的焊速为3050cm/min，所以可以算出理论最短焊接时间 =7.95min，最长焊接时间=13.27min，故对应最大圆周速度=0.126r/min，最小圆周速度=0.075r/min。因为自动焊机不是专用机床，工件大小各异，有一定柔性，已知机床加工工件直径为1.22米，故放宽转速范围至=0.04r/min,=0.2r/min。2.2.2选择电动机的类型自动焊机主轴电动机功率为 KW （22）式中 卡盘所需的功率，kW；由电动机至卡盘的总效率。卡盘所

27、需工作效率按式（23）计算（23）式中 卡盘的阻力矩，Nm；卡盘的转速，r/min。由于机床工件变化，卡盘所需功率不定，但大工件转速较小工件小5倍，由小工件参数计算即可满足要求。如图（2-2）当r=0.6m时，密度7.85g/cm3，由以上数据可计算出管道的重量G。已知管道为一个环形外环形的面积为8个小三角形的面积为：S1=（24）设内环中心到边的垂线的长度为： =内环的面积S2=（25）体积V=Sh=-2000=396584.6（26）G=7.85396584.69.8/1000=30509.25636N30.51kN（27）由式（28）可得到工件受扭转切应力=1.54MPa （28） 该类

28、工件属于闭口薄壁件的扭转，扭矩计算见式（29）T=2tw（29）式中： ；截面中线所围面积，；工件壁厚，m； 经计算T=29149.62Nm， 0.61kW。 根据三相异步电机选用要点，例如要求，条件，环境等，选用Y系列。2.2.3确定电动机转速已知 =0.04 r/min， =0.2 r/min。 查二级摆线针轮减速机传动比=121841，齿轮传动比初选=3.98。因为变频器恒转矩降速调速范围为130，故电机转速可选范围=in=2020083.08 r/min。符合这一范围的同步转速有750、1000、1500、3000 r/min，为方便调速，减少传动比，电机同步转速选=750r/min。

29、2.2.4确定传动装置总传动比和分配传动比（1）分配传动比为了制造安装方便，避免在此设计减速机，选取=731，=3.98。 （2）确定总传动比=2909，对应变频器调速后电机输出转速范围应定116582r/min。这里列出一系列工件对应电机输出转速表，见表（21）。表21 输出转速表2.2.5选择电动机容量电动机至工件的传动总效率为 （210） 式中，分别为联轴器、斜齿圆柱齿轮传动、单列圆锥滚子轴承、回转轴承、二级摆线针轮减速机的效率。取=0.99，=0.97，=0.98，=0.98，=0.87。则=0.795，故有。 但方案选择电机经变频器调速，由于采用恒转矩调速，随着电机转速下降，电机输出

30、功率也要下降，为了保证调速后电机功率大于负载，故应按式（211）计算电机功率P，（211）式中： 电机实际输出功率，kW；电机额定功率，kW；电机实际转速，r/min；电机额定转速，r/min；低速时功率大，则 查机械设计手册，选择电动机型号为Y160M2-8，其主要性能如表（22）所示， 表22 电机参数表型号额定功率额定电流额定转速效率功率因素最大转矩倍数最大堵转电流倍数重量Y160M2-85.5kW13.3A720r/min85%0.72.02.0115Kg至此可以算出工件最大扭矩等效到电机轴上 Nm。2.2.6电动机的校核校核启动转矩、最大转矩：电机额定转矩 =72.95Nm （212

31、）最大转矩倍数 =0.862，所以满足要求。2.3变频器的选择西门子变频器的全称是“西门子交流变频调速器”，是由德国西门子公司研发、生产、销售的知名变频器品牌，主要用于控制和调节三相交流异步电机的速度。主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，西门子变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。根据电机额定功率以及电流，选择型号为MicroMaster440西门子变频器。MicroMaster440是全新一代可以

32、广泛应用的多功能标准变频器， 它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。主要特征：200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-45kW； 380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-250kW；保护功能：过载能力为200%额定负载电流，持续时间3秒和150%额定负载电流，持续时间60秒；过电压、欠电压保护。2.4减速机的选择2.4.1二级摆线针轮减速机工作原理摆线减速机全部传动装置可分为三部分：输入部分、减速部分、输出部分。 在输入轴上装有一个错位180度的双偏心套，在偏心套上装有两个滚柱轴承，形成H机

33、构，两个摆线轮的中心孔即为行星套上转臂轴承的滚道，并由摆线轮与针齿壳上一组环行排列的针齿销相啮哈，以组成少齿差内啮合减速机构，（为了减少摩擦，在速比小的减速机中，针齿销上带有针齿套）。当输入轴带着偏心套转动一周时，由于摆线轮上齿廊曲线的特点及其受针齿壳上针齿销限制之故，摆线轮的运动成为即有公转又有自转的平面运动，在输入轴正转一周时，偏心套亦转动一周，摆线轮于相反方向转过一个齿差从而得到减速，再借助W输出机构，将摆线轮的低速自转动通过销轴，传递给输出轴，从而获得较低的输出转速。2.4.2二级摆线针轮减速机特点摆线针轮减速器具有减速比大，传动效率高，体积小，重量轻，故障少，寿命长，运转平稳可靠，噪

34、音小，拆装方便，容易维修，结构简单，过载能力强，耐冲击，惯性力矩小，等特点。本次设计选取型号为BWE2715-43177.5的产品。2.5联轴器的选择主轴系统用到两个联轴器，分别是联接电机与减速机以及减速机与轴。其中电机与减速机的联接采用安全联轴器，在结构上的特点是，存在一个保险环节（如销钉可动联接等），其只能承受限定载荷。当实际载荷超过事前限定的载荷时，保险环节就发生变化，截断运动和动力的传递，从而保护机器的其余部分不致损坏，即起安全保护作用。除了具有过载保护作用外，还有将机器电动机的带载起动转变为近似空载起动的作用。根据电机轴的尺寸，选取型号为AMN2型。减速机与主轴联接所用联轴器应保证同

35、轴性，所以选择鼓式齿形联轴器，根据联轴器选用规则，需按式（213）计算联轴器的计算转矩：（213）查机械设计表14-1，考虑到转矩变化很小，故取=1.3，则=10198.27 Nm按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查手册，选用GICL8型鼓式齿形联轴器，其公称转矩为14000Nm。半联轴器的孔径d=100mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度L=212mm。见图（2-3）。图2-3 GICL8联轴器2.6传动装置运动及动力参数计算2.6.1计算各轴（零件）转速主轴：=582/731=0.796r/min卡盘：= /=0.796/3.98=0.20r/min2.6.2计算各轴（零件）输入功率主轴

36、：=0.61kW卡盘：=0.59kW2.6.3计算各轴（零件）输入转矩电动机输出转矩： =12.59Nm主轴：=7844.82 Nm卡盘：=30285.71Nm各轴的输出功率和转矩则分别为输入功率和转矩乘以轴承效率0.98，整理以上数据，见表（23）。表 2-3 运动参数表输入功率P（kW）输出功率P(kW)输入转矩T(Nm)输出转矩T(Nm)转速n(r/min)电机轴0.76712.59582主轴0.610.607844.827687.920.796卡盘 0.59 0.58 30285.71 29679.996 0.22.7齿轮的设计计算2.7.1高速齿轮设计选定齿轮类型，精度等级，材料及齿

37、数：选用斜齿圆柱齿轮传动，自动焊机速度不高，精度适中，选用7级精度（GB10095-88）。材料选择：查机械设计表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。试选小齿轮齿数z140，大齿轮齿数z2403.98=159.2；按经验 ，初选螺旋角14。按齿面接触强度设计：由式（214）进行计算，即（214）1） 确定公式内的各计算数值 （1） 试选1.6。（2） 由1图1030选取区域系数2.433。（3） 由1表107选取尺宽系数0.24。（4） 由1图1026查得0.79，0.92，则1.71。（5）

38、 由1表106查得材料的弹性影响系数189.8MPa。（6） 由1图1021d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限600MPa；大齿轮的解除疲劳强度极限550MPa。（7） 已知按八小时工作制，两班制生产，由1式1013计算应力循环次数 ：60600.7961（2830015）3.44/3.988.64（8） 由1图1019查得接触疲劳寿命系数1.55；1.35。（9） 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1，安全系数S1，由1式（1012）得 930MPa742.5MPa836.25MPa2） 计算。（1） 试算小齿轮分度圆直径= 285.77mm因为要与回转支承配合，回转支承孔径要大，则需

39、放大齿轮分度圆直径，故取=600mm。（2） 计算圆周速度 =0.025m/s（3） 计算齿宽b及模数 b=144mm=14.55mmh=2.25=32.74mmb/h=4.398（4） 计算纵向重合度 =0.76（5） 计算载荷系数K已知原动机平稳，载荷轻微震动，查1表（102）取=1 .25；根据v=0.025m/s,7级精度，由1图108查得动载系数=1.01；由1表104查的=1.14;由1表1013查得=1.1;由1表103查得=1.2。故载荷系数 =1.729（6） 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（215）得 =615.71mm（215）（7） 计算模数= 14.94m

40、m按齿根弯曲强度设计：由1式(1017 1） 确定计算参数 。（1） 计算载荷系数 =1.67（2） 根据纵向重合度=0.76，从1图1028查得螺旋角影响系数0.915（3） 计算当量齿数 =43.79 =174.05（4） 查取齿型系数 由1表105查得=2.362；=2.13（5） 查取应力校正系数 由1表105查得=1.678；=1.847（6） 由1图1020c查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa， 大齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa；（7） 由1图1018取弯曲疲劳寿命系数=0.98，=1.21;（8） 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，350MPa（2

41、16）328.43MPa（217）（9） 计算大、小齿轮的 并加以比较。=0.11324 =0.11979 大齿轮数值大。2） 设计计算 =9.75mm。对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，要满足量要求，故取=16mm。=37.34，取=37，则=147.36，取=147。几何尺寸计算：1） 计算中心距 a=m(z1+ z)/2cos=1517.06 mm圆整后取 a=1517mm。2） 按圆整后的中心距修正螺旋角 =arcos 3） 计算大、小齿轮的分度圆直径 mmmm 4） 计算齿轮宽度 =146.42mm。取140mm，150mm。小齿轮的结构设计

42、：因齿轮齿顶圆直径大于400mm，而又小于1000mm，故选用轮辐式为宜。其他有关结构尺寸参看图（24）。 旋向为右旋。 图 24 齿轮结构图2.7.2回转支承的设计选择回转支承介绍：回旋支承又叫转盘轴承，回转支承，有些人也称其为：旋转支承 。回旋支承在现实工业中应用很广泛，被人们称为：“机器的关节”，是两物体之间需作相对回转运动，又需同时承受轴向力、径向力、倾翻力矩的机械所必需的重要传动原件。随着机械行业的迅速发展，回转支承在船舶设备、工程机械、轻工机械、冶金机械、医疗机械、工业机械人、隧道掘进机、旋转舞台灯行业得到了广泛的应用。其中单排四点接触球式回转支承由两个座圈组成，结构紧凑、重量轻、

43、钢球与圆弧滚道四点接触，能同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩。回转式输送机、焊接操作机、中小型起重机和挖掘机等工程机械均可选用。回转支承选型：此次设计中，回转支承选型主要考虑承载力与尺寸两个方面。由于方案采用对称布置回转支承，故所受倾覆力矩，轴向力很小，不予考虑，主要参考尺寸确定型号，因为焊接机要进行内缝焊接，所以回转支承内径应比最大工件外径大，与徐州万达回转支承厂家联系后，所需回转支承无标准件，但可以设计制造，回转支承结构外形如图25所示。图25 回转支承结构图图中所示为单列四点接触球式外斜齿式回转支承，旋向为左旋，=16mm。图中尺寸值分别为： 机床移动端采用单列四点接触球式无齿式回转支承，

44、为方便与卡盘连接，其尺寸与外齿式一样即可。变动的尺寸为b=157mm，去掉尺寸D。2.8主轴的设计计算2.8.1选择轴的材料由于该轴属于载荷较大，但无很大冲击的轴，根据1表151选择材料为40调质处理。2.8.2初步计算轴的最小直径当轴的支撑距离未定时，无法用强度确定轴径，要用初步估算的方法，即按纯扭矩并降低许用扭转切应力确定轴径d，见式（218）：（218）查1表153得=97，经计算，d90.66mm。 轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，为了使所选的轴径与联轴器的孔径相适应，前面已经选取联轴器GICL8，其公称转矩14000Nm，半联轴器孔径=100mm，均满足要求，故取该轴最小直径

45、=100mm。2.8.3轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案： 经分析比较，拟定图（26）为轴的结构外形。图 26 主轴根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度： 1） 为了满足联轴器的轴向定位要求，轴段右端需制出一轴肩，故段直径=117mm，左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=120mm。半联轴器与轴配合的毂孔长度=212mm。为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故长度应比略短些，取=210mm。2） 初步选择滚动轴承。因轴承同时受径向力和轴向力作用，因此选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据=117mm，由轴承产品目录中初步选取2基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子

46、轴承32024，其尺寸为dDT=12018038mm，故=120mm；=38mm。右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，由2查得32024轴承的定位轴肩高度h=4mm，因此，取=128mm，轴环宽度b1.4h，取=15mm。3） 取安装齿轮处的轴段的直径=135mm，齿轮左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂宽度为150mm，为了使套筒端面可靠的压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取=148mm，齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高度h0.07d，故取h=10mm，则轴环处的直径=155mm，取=15mm。4） 轴承端盖的总宽度为25mm。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面

47、与半联轴器右端面间距离=25mm，故取=50mm。5） 取齿轮距箱体距离a=20mm，考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时，应距箱体一段距离s=8mm。已知滚动轴承宽度T=38mm，则。 至此，已初步确定了轴的各段直径和长度。轴向零件的周向定位： 齿轮半联轴器与轴的周向定位均采用键连接。按由1表61查得平键A型截面bh=3218mm，键槽用键槽铣刀加工，长为140mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，选取齿轮轮毂与轴的配合为；同样，半联轴器与轴的联接，选用平键A型为bhl=2816180mm，与轴配合为。滚动轴承与轴的周向定位由过渡配合来保证，此处选轴的直径尺寸公差为h6。2.8

48、.4求轴上载荷 首先根据结构图（26）做除皱的计算简图（图27a），在确定轴承位置时，应从机械设计手册中查取a值。对于32024型圆锥滚子轴承，查GB/T2971994得a=29mm，因此作为简支梁的支承跨距=226mm，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图（图27b）。图 27 计算简图、弯矩图求作用在小齿轮上的力：圆周力 径向力 轴向力 其方向如图（27a）所示。 1）确定支撑点处值 。 2）确定危险截面 危险截面发生在c处， 经过计算，算得轴上载荷如表24所示表 24 轴受力表载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩T2.8.5按弯矩合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承

49、受最大弯矩和扭矩的齿轮才c截面强度，根据式（219）进行校核： (219)轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，。前面已选定轴材料为40调质，由1表151查得，因此,故安全。2.8.6轴承寿命的计算 1）已知轴承预计寿命。由所选轴承系列32024可查表知额定动载荷C=242kN。 2)求当量动载荷P。 查1表136得到 =1.2.=15564.51N 3)演算轴承寿命。根据式（220）计算：（220） 对于滚子轴承 ，=78700051.8772000，所以该轴承寿命符合要求 。2.8.7键的校核联轴器选用键校核： 1)已知该键bhl=2816180mm，T=7844.82Nm 2)键、

50、轴、联轴器材料都是钢，查1表62得许用应力=100120MPa，取=110MPa。键的工作长度=180mm，接触高度k=0.5h=8mm。根据式（221）进行校核： （221） 所以合适。齿轮用键校核：1)已知该键bhl=3218140mm，T=7844.82Nm 2)键、轴、联轴器材料都是钢，查1表62得许用应力=100120MPa，取=110MPa。键的工作长度=118mm，接触高度k=0.5h=9mm。根据式（220）进行校核： 所以合适。2.9气动卡盘的选择 本次设计产品要实现内外环缝同时焊接的工艺，卡盘是关键技术，由于工件尺寸较大 ，所以卡盘必须是大孔径或超大孔径，而且还要保证法兰装

51、夹时的对中性。根据工件不同尺寸分析出，卡爪形成范围至少大于430mm。针对以上技术要求，发现国内尚无与自动焊机配套的自动装夹大孔径气动卡盘。与厂家联系协商后，可以进行研发制造。新研制的大孔径多爪气动卡盘的中心为大直径通孔，以便于内缝焊枪及其组件通过。由于产品尚未研发出，其简易示图如图（28）所示。图2-8 卡盘2.10润滑方式与密封装置的选择2.10.1齿轮润滑该焊接机齿轮传动为开式齿轮转动，开始齿轮传动有以下特点：1）齿轮直径大，不能使用全密封式罩壳连续循环油润滑方法；2）齿轮周节速度大；3）传动载荷重等。齿轮润滑主要处在边界润滑状态下，其润滑属于边界全损耗润滑类型。大小齿轮啮合时，在两齿面

52、间总有相对滑动，在两滑动摩擦面之间一部份微凸体直接发生接触，一部份由润滑油接触，这种润滑状态称为“边界润滑”。边界润滑的有效性由边界膜的物理性能所决定，包括油膜厚度、剪切强度、内聚力、粘附力、熔点等。这些性能决定了开式齿轮润滑选用润滑油的原则为：1) 根据ISO标准规定确定开式齿轮传动载荷等级。2) 边界润滑条件下，必需选择高粘度和粘附性强的润滑油，以确保有一层连续的油膜保持在齿轮表面上。3) 应选择添加有极压抗磨剂的润滑油，以确保在齿传动摩擦的高温下能生成抗极压。根据以上分析，选择合成锂基复合开齿轮润滑油开齿乐（Hi-Gear-20/20），属极压开式齿轮润滑专用油。防锈性和抗水性都很好。2

53、.10.2滚动轴承的润滑与密封焊接机中滚动轴承采用润滑脂进行润滑。根据工作条件及选用要求，选锥入度小的润滑脂，最终选用MEP-2极压锂基润滑脂。由于左轴承端盖与轴之间有空隙，需要进行密封。选用毡圈油封密封法，在轴承盖上开出梯形槽，将毛毡按标准制成带型（尺寸大），放置在放置在梯形槽中以与轴密合接触。见图（29）。图 29 轴承组件2.10.3其它部件润滑其他部件，例如回转支承，减速器的润滑参照产品说明说，按要求进行润滑剂的选择和使用。第三章棱管法兰自动焊机移动卡紧装置设计计算3.1传动装置的方案设计 移动床身座与放置在地面上的导轨配合，导轨上装有齿条，床身上安装有电机与减速器，在减速器输出轴上安

54、装齿轮与齿条啮合，实现运动。具体内容见装配图。3.2电动机、减速机的选择3.2.1选择电动机类型根据三相异步电机选用要点，例如要求，条件，环境等，选用三项笼型异步电动机，封闭式结构，正反转，电压380V，Y型。3.2.2选择电动机容量自动焊机移动电动机功率为 kW （31）式中 齿条所需的功率，kW；由电动机至齿条的总效率。齿条所需工作效率按式（32）计算（32）式中 床身移动所受阻力，N；床身移动速度，m/s；移动床身空载时重量主要组成为法兰，回转支承，卡盘以及床身，经估算，总重G=57.90kN。查资料2导轨摩擦因数=0.2。移动速度初选适中速度，令=0.2m/s。经计算，电动机至工件的传

55、动总效率为 （33） 式中，分别为联轴器、二级圆柱齿轮减速器、齿轮齿条传动的效率。取=0.99，=0.96，=0.97。则=0.922，故有。3.2.3齿轮齿条参数设计 输出齿轮工作转速为 （34）式中 齿轮分度圆直径，mm；主要部件初步设计：齿轮的参数确定：设模数。 d=mz=136mm齿条的参数确定：。=25.12mm 取z=400按第二章齿轮公式经过校验后，上面参数满足齿根弯曲强度，不满足疲劳接触强度，因为齿轮传动齿面磨损较小，故可取。齿条地面到齿根处距离为200mm。 所以，=28.10r/min。 查二级圆柱齿轮减速器传动比，故电动机转速可选范围为=in=224.81124 r/mi

56、n。符合这一范围的同步转速有750、1000r/min。查机械设计手册，选择电动机型号为Y132M-8，其主要性能如表（31）所示： 表31 电机参数表型号额定功率额定电流额定转速效率功率因素最大转矩倍数最大堵转电流倍数重量Y132M-83kW7.7A710r/min87%0.72.02.076Kg3.2.4确定减速器型号 估算传动比i=710/28.10=25.27 查2JB/T 8853-2001，选取，根据输入功率与输入转速选取ZLY减速器，规格为112。故齿轮转速为n=710/20=35.5r/min。3.2.5电动机的校核校核启动转矩、最大转矩：齿轮受扭矩Nm等效到电机轴Nm电机额定

57、转矩Nm 最大转矩倍数=0.8352，所以满足要求。3.3联轴器的选择由于移动床身载荷较平稳且启动频繁，两轴线要求对中性不高，故减速机与齿轮联接选用LT弹性联轴器，根据联轴器选用规则，需按式（213）计算联轴器的计算转矩：查机械设计表14-1，考虑到转矩变化很小，故取=1.3，则=807.85 Nm按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查手册，选用LT9型鼓式齿形联轴器，其公称转矩为1000Nm。半联轴器的孔径d=50mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度L=112mm。见图（3-1）。图 3-1 LT9联轴器3.4键的校核3.4.1齿轮用键校核 1)齿轮与减速机轴的周向定位采用键连接。按减速机轴

58、直径d=50mm由1表61查得平键A型截面bh=149mm，键槽用键槽铣刀加工，长为80mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，选取齿轮轮毂与轴的配合为，齿轮受扭矩T=621.42Nm。 2)键、轴、齿轮材料都是钢，查1表62得许用应力=100120MPa，取=110MPa。键的工作长度b=66mm，接触高度k=0.5h=4.5mm。根据式（220）进行校核： 所以合适。3.5机床导轨选择由于自动焊机移动要求精度不高，故选用滑动导轨，这种导轨结构简单，维修方便，比铁路用轨道精度高。导轨组合形式为一个V型一个平面，如图（32），这种组合具有导向性好，刚性好，制造方便的特点，广泛用于龙门刨床

59、，磨床等。图 32 导轨3.6润滑方式与密封装置的选择3.6.1齿轮齿条啮合润滑 由于齿轮会随着床身移动，油润滑便不可取，只能选择脂润滑，同第二章齿轮润滑一样，选择合成锂基复合开齿轮润滑油开齿乐（Hi-Gear-20/20），这样类型一样，维护方便。3.6.2导轨润滑 导轨润滑剂的使用使导轨尽量接近液体摩擦状态下工作，以减小摩擦阻力，降低驱动功率，提高效率；减少导轨磨损，防止导轨腐蚀。流动的润滑油还起到冲洗作用，避免低速重载下发生爬行现象，并减少振动，降低高速时摩擦热，减少热变形。机床导轨润滑油根据以下两点进行选择：1)按滑动速度和平均压力来选择粘度。 2)根据国内外机床导轨润滑实际应用来选择。最终选择导轨润滑油LG粘度等级为100（GB/T 3141994） 减速机的润滑参照厂家提供的使用说明书按要求进行润滑。第四章棱管法兰自动焊机箱体及附件设计计算4.1床身的设计机床床身结构及尺寸参看图（41）图41 床身4.2轴承端盖的设计穿通端盖结构尺寸参看图（42）图 42穿通式轴承端盖 不穿通端盖结构尺寸参看图（43）图 43 封闭式轴承端盖4.3整体主轴系统三维建模结果 见效果图，图（44），图（45）图（46）。图44机床主轴系统装配图图45机床装配图图46 机床主轴、组队系统装配图 结 论本文主要研究