自动焊机
自动焊机,自动
哈尔滨工业大学华德应用技术学院(论文)摘 要重型压力容器马鞍形自动焊机是用来焊接筒体与接管的智能化焊接设备。很多重大技术装备,如百万千瓦级核电机组设备、超超临界火力发电机组的成套设备、百万吨级大型乙烯的成套设备等,都要实现大厚度、大直径的筒体与接管焊接。其中它们之间的马鞍形曲线焊缝的焊接是制造这些装备的关键所在。马鞍形自动焊机就是针对现有焊接装备难以实现大筒体与接管的自动化焊接而开发研制的,它能够实现大厚度、窄坡口三维复杂焊缝的焊接。本文根据国内外焊接技术的实际应用情况,在深入了解和分析国内外现有大型焊接装备的前提下,借鉴它们的成功经验,提出了对于窄坡口马鞍形焊缝多层多道循环焊接技术方案。关键词重型压力容器;马鞍形曲线;自动焊机;运动仿真AbstractThe heavy pressure vessel saddle automatic welding machine is used for welding of tube and intelligent pipe welding equipment. A lot of major technical equipment, such as the million kilowatt class nuclear power generating equipment, ultra supercritical thermal power generating units, complete sets of equipment megaton large ethylene equipment, want to realize cylinder thickness, diameter and pipe welding. The welding of saddle shaped seam between them is the key equipment of producing these. Saddle automatic welding machine for welding equipment is available to the cylinder body and the control of automatic welding and welding is developed, it can achieve large thickness, narrow groove weld of 3D complex.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. Based on this scheme is determined the overall design, the heavy pressure vessel for saddle shaped curve automatic welding machine kinematic and dynamic parameters, and complete the detailed design of each part of the mechanical structure.Automatic welding machine for saddle shaped curve of heavy pressure vessel designed by this paper has good versatility, high control precision, stable operation, compact structure, simple operation, convenient maintenance, can be very good to meet the large cylinder and pipe welding requirements. Automatic heavy pressure vessel welding, improve production efficiency, to fill the gaps in domestic related fields.In this paper, according to the practical application of welding technology at home and abroad, in the in-depth understanding and analysis of the existing domestic and foreign large welding equipment under the premise, to learn from the experience, put forward to narrow groove saddle shape weld multipass circular welding technology scheme. - II -目 录摘 要I第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状21.2.1 国内研究现状21.2.2 国外研究现状41.3本文研究内容6第2章 总体设计82.1设计要求82.2 设计原则与总体布置102.1.1 设计原则102.1.2 总体布置102.3 主要参数的确定132.3.1 传动原理132.3.2 运动参数确定142.3.3动力参数确定152.4 本章小结17第3章 主要部件设计183.1 电动机选择183.2 集电装置193.3 进给装置223.4 非任务的主要部件的设计251.1 本章小结32结 论33参考文献34致 谢37附录I38附录II46INDEX域”,然后“更新整个目录”。打印前,不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- IV -第1章 绪论1.1 课题背景随着社会的发展和焊接技术的进步,对核电与石化设备等筒体与接管的焊接自动化程度的需求日益提高。因而迫切要求焊接设备快速发展,以满足不断增长的生产力发展的需求。一方面在电力、石油、化工、锅炉等行业中,经常遇到筒体与相应的接管焊成的相贯线接缝。而这类零件的加工大多采用手工焊接,这使结构制造周期长、成本高、生产效率低、劳动强度大,焊接质量难以保持稳定。有些厂家从国外引进管、板自动焊机、机器人等,但这些机器人价格非常昂贵,同时对零部件的备料,要求综合尺寸精度高、形位公差小,往往由于几个尺寸不合格就使得焊枪偏离焊缝,严重影响了焊缝的内部和外部质量。还有的厂家由于机器人出现故障无法修复,使我国引进的机器人中有60%以上不能很好地用于生产。为了降低成本,缩短生产周期,需要研制专用的焊接装备。另一方面马鞍形曲线焊机也是加工各种具有筒体与接管焊接的重要技术装备,而重大技术装备国产化作为提升装备制造业的重点是党中央国务院的战略决策,是国家中长期科学与技术发展规划纲要的重点领域。在国家发改委提出的“十一五”国家重大技术装备中明确提出“百万千瓦级核电机组与超临界火力发电机组成套设备”、“大型煤制气成套设备”、“百万吨级大型乙烯成套设备”,等重大技术装备的国产化。在这些大、重型装备中,如大型火力发电的锅炉汽包,核电设备中的压力壳、大型煤制气成套设备中煤液(汽)化反应器、大型乙烯设备中的加氢反应器等,焊接是主要制造技术手段。而且装备的关键零部件制造中均涉及三维规则或复杂焊缝的自动化焊接。一个重型压力容器需要焊接上几十个甚至上百个接管,焊缝为空间马鞍形(包括标准马鞍形与非标准马鞍形),且根据不同的坡口形式,需要多层多道连续焊接。这些焊缝往往成为整个产品制造质量的关键与瓶颈。要实现此类焊缝的自动化焊接,具有一定的技术难度。因此提高焊接自动化水平是保证产品质量与提高生产效率,进而提升企业国际市场竞争力的根本所在。目前,我国在上述重型压力容器的生产制造中,其主环缝和筒体内壁堆焊已实现自动焊接,而对于接口管的马鞍形焊接和90弯管内壁堆焊,尚无现成的自动焊设备可以采用, 主环缝的焊接自动化与智能化水平还较低。国内大多数厂家还在采用手工焊接,个别厂家虽然采用了焊接专机,但自动化程度不高,焊接过程中需要人工调节,且焊枪沿马鞍形运动轨迹靠机械方式调节,效率低,焊接质量难以保证,而且一旦发生焊接缺陷,大厚度截面难以修复。因而研制重型压力容器马鞍形自动焊机对满足我国锅炉、核电及石化设备制造的需求,提高其自动焊接水平,具有重要的现实意义。本课题根据马鞍形曲线的数学模型,利用CAD/CAE等计算机技术,研发稳定可靠的焊缝自动跟踪、多层多道焊接的焊道自动规划等关键技术,研制和开发重型压力容器马鞍形自动焊接设备以及复杂曲面三维焊缝自动化焊接工艺,并应用于生产实际,提高了我国重型压力容器自动化焊接水平和制造水平。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状我国焊接装备制造业起步较晚,五六十年代我国重点企业的大型焊接装备大部分从原苏联引进,部分由使用厂自行设计制造。到了70年代,我国陆续组建一批专门生产焊接装备的制造厂,如上海、成都相继成立了成套焊接设备厂,在“六五”期间,原机械工业部拨专款将长春第二机床厂改建成我国第一家具有批量生产能力,制造专用摩擦焊机和焊接装备的长春焊机制造厂。进入80年代,随着国内焊接装备需求量的增长,各地相继建立了多家中小型成套焊接装备生产厂。迄今为止,我国已有10多家焊接装备生产企业,某些企业已具有相当大的规模,已实现焊接装备的批量生产。例如无锡阳通机械设备有限公司等。在发展初期,我国生产的焊接装备大多是较简单的焊接操作机、滚轮架、变位机、翻转机和回转平台等,成套性较差,自动化程度低。焊接操作机与配套设备基本上不能联动控制,用户必须自行改造。进入80年代以后,加快了焊接自动化技术的研究,国内几所重点大学与研究院所相继开展了研究工作,但由于国内在电子技术与元器件性能方面落后发达国家较多,所以较多的研究集中在技术原理的试验研究和应用基础研究,而工程化设备的研制很少。由于国外先进成套焊接设备的大量引进,促使国产的焊接装备无论在成套性和自动化程度,还是设备精度和制造质量方面都有不同程度的提高。能够批量生产H型钢和箱形梁焊接生产线以及各种类型的按用户需要定制的专用成套焊接设备,并大量采用交流电机变频调速技术、PLC控制技术、伺服驱动及数控系统,焊接装备的自动化程度有了很大的提高,某些操作机还配备了焊缝自动跟踪系统和工业电视监控系统。但从整体水平来说,与先进国家的同行业相比,尚有较大的差距。近10年来在世界范围内,焊接技术的发展日新月异,焊接新方法、新设备、新材料和新工艺层出不穷。焊接技术不仅广泛应用于造船、锅炉、压力容器、管道、重型机械、冶金设备、汽车、铁路车辆、桥梁和金属结构等传统制造工业部门,而且迅速扩大应用于大型建筑结构、食品加工机械、医疗机具、轻工机械、家用电器、半导体和微电子器件等新兴加工行业。我国焊接装备制造行业的技术水平有了长足的进步。焊接装备的成套性、自动化程度、制造精度和质量明显提高,应用范围正逐步扩大,尤其是国家制定了拉动内需的政策,进一步促进了焊接装备制造行业的发展。尽管我国成套焊接装备的年总产值不足5亿元,但对我国焊接结构制造行业的发展却起着举足轻重的作用。可以预计,今后几年内,随着世界制造业中心逐渐向着中国转移,我国传统制造业必将加快技术改造,大量采用高度自动化的加工设备,促使我国焊接装备制造业产生根本性的变革。随着社会的进步,一些公司更是采用了先进的焊接工艺,如东方锅炉厂采用先进的热丝TIG焊接技术、来焊接大型锅炉设备,推广了CO2气体保护焊在锅炉受压和非受压部件上焊接的使用。为了满足蒸汽锅炉安全监察规定中大的规定,采用集箱管座内孔氩弧焊来实现全焊透这一要求,解决了集箱管座内孔直径小添丝较困难、不采用内孔添丝焊容易产生根部凹陷和咬边的缺陷。我国在重型压力容器焊接设备方面也有了长足的进步。重型压力容器泛指能承受超高温和高压的压力容器,是油、气、煤大型化工、火电站、核电站、核装置、重型矿山机械等工业行业的核心关键设备。以前,国内用于重型压力容器行业的重型焊接装备一直依赖于进口如ESAB公司和美国浪神公司等。为适应重型压力容器行业快速发展的需要我国焊接界把重型压力容器焊接设备实现机械化和自动化作为了战略目标。为此很多焊接设备公司投入了很大精力来研究。并取得了一定的成绩,如成都焊研威达自动焊接设备有限公司在容器焊接所需的成套设备领域处于领先地位。改变了厚壁压力容器焊接依赖进口的局面。该公司生产的最大防窜滚轮架为1200吨,超大吨位防窜滚轮架用于重型容器的窄坡口焊接和普通环缝埋弧焊或气保焊。其200吨以上的滚轮架,用于重型容器的组对,滚轮架具有上下、左右调节机构,能对容器筒节的垂直、左右错位进行有效调节,实现对中,便于组对,防窜滚轮架的重要参数防窜精度达到了1mm以内。以前各厂家采用天车吊装调整,对中精度低。而它们生产的最大重型操作机1410米,包括十字架式操作机、悬臂式操作机和龙门式操作机三种形式,该操作机的技术特点是端头承载500公斤以上,需载人2-3名,操作机的稳定性和下挠度是需要充分保证的参数,这种重型操作机的下饶度控制在2mm/m以内。而威达公司能成产用于重型容器封头的带极堆焊的最大变位机为150吨,分为双支座下沉式变位机和单支座变位机两种形式,能对4600mm的封头进行堆焊。进入新世纪以来,我国焊接结构制造业当中一个引人注目的动向是向多参数、高精度、重型化和大型化发展。其中包括1000MW以上火力、水力和核能发电设备,年产量60万t以上的化工炼油设备,10万t以上的远洋货轮,大型建筑结构,大跨度桥梁,跨省跨国得出输油输气管线,海洋建筑,冶金设备,重型机构,航空航天工程,大型客车和高速铁路车辆等。2002年我国焊接结构的钢耗量已超过8000万t。特别是2008年我国最大的体育场馆鸟巢的完工,更加显示了我国对焊接技术的需求和迅猛发展。1.2.2 国外研究现状国外的焊接技术起步比我国早,发展速度也比我国快。在1887年,俄国的别纳尔多斯就发明碳极电弧焊钳、1900年又出现了铝热焊。19世纪初,英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源开拓了焊接技术的新局面。20世纪初,碳极电弧焊和气焊得到应用,同时还出现了薄药皮焊条电弧焊,电弧比较稳定,焊接熔池受到熔渣保护,焊接质量得到大大提高,使手工电弧焊进入实用阶段。而到1951年,苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊,成为大厚度工件的高效焊接法。为焊接重型压力容器打下基础。而在20世纪50-60年代,相继出现了等离子弧焊、电子束焊、激光焊等现代焊接方法、电子束和激光焊接方法的出现,标志着高能量密度熔焊技术的新发展,大大改善了材料的焊接性,使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。到了20世纪末焊接技术开始了的飞迅发展,各种焊接工艺纷纷问世。特别是近年来,在世界工业发达国家,当代焊接技术与装备的发展速度更是惊人。在英、美、德、法、意和日本等国均有相当规模、开发能力很强的焊接装备生产企业。2001年的第十五届世界焊接与切割博览会上参展的焊接装备厂商近百家,近期生产的自动化焊接装备的设备精度和制造质量已接近现代金属切削机床。最值得注意的是,大多数焊接装备采用了最先进的自动控制系统、智能化控制系统和网络控制系统等。广泛采用焊接机器人作为操作单元,组成焊接中心、焊接生产线、柔性制造系统和集成制造系统。而且早在80年代,国外的焊接装备已向大型化和精密化发展。对于重型压力容器的焊接技术和装备国外也较我国先进。目前国外生产的用于承载压力容器筒体的重型焊接滚轮架最大的承载能力达1600t,自动防窜滚轮架的最大承载能力达800t,采用PLC和高精度位移传感器控制,防窜精度为0.5mm。变位机的最大的承载能力达400t,转矩可450kNM。框架式焊接翻转机和头尾架翻转机的最大承载能力达160t。焊接回转平台的最大承载能力达500t。立柱横梁操作机和门架式操作机的最大行程达12M。龙门架操作机的最大规格为8m8m。另外随着自动控制和信息技术发展的,国外的重型压力容器焊接也发生了根本的变化,向自动化智能化方向发展。焊接生产过程的全自动化已成为一种迫切的需求,它不仅可大大提高焊接生产率,更重要的是可确保焊接质量,改善操作环境。随着整个制造业水平的提高,企业的经营理念发生了很大变化,高产量已让位于高质量,劳动密集型已逐步被知识密集型所取代。大量采用自动化焊接专机、机器人工作站、生产线和柔性制造系统已成为一种不可阻挡的趋势。如大型化计算机集成制造系统,该系统是将焊接机器人或焊接操作机、焊接电源、工件变位机械、输送辊道、半成品库、零件库和原材料库等生产设备和物料供应系统的工作程序的编制、工作参数的设置、生产过程的监控、数据处理、人机界面和通讯网络集成在1台商用或工业PC机上,通过现场总线profibus和ET-200分布式I/0 模块等联结成完整的集成自动化系统。利用CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM计算机软件可以实现产品图纸设计、制造工艺编制、生产计划安排、生产过程监控、生产和物料管理等一体化。计算机集成制造系统可以是一条生产线,也可以是整个车间的生产设备,甚至是整个工厂的生产过程和物料的管理。纵观当今世界焊接装备制造业的发展趋势,可以概括为如下几个特点:1.高精度、高质量和高可靠性 如与焊接机器人配套的焊接变位机,最高的重复定位精度为0.05mm,机器人和焊接操作机行走机构的定位精度为0.1mm,移动速度的控制精度为0.1%。2.数字化、集成化和智能化控制 过程的数字化控制比传统的金属切削加工要复杂得多,它必须考虑焊件几何形状的偏差和接缝装配间隙误差以及焊件焊接过程中的热变形,广泛采用各种高级别传感技术,开发先进的自适应控制系统才能实现焊接过程的全自动化。某些形状复杂和质量要求高的焊件,还必须采用智能化的计算机软件控制。3.大型化和组体化 重型厚壁容器焊接中心、集装箱外壳整体组装焊接中心、汽轮机导流隔板柔性制造系统、箱型梁焊接生产线、机车车箱总装组焊中心等。某些大型焊接中心和生产线占地面积可达整个车间。如焊接操作机、配套焊件变位机械、搬运机械和传输辊道组合联动,形成制造系统或焊接生产线。4.多功能化 为发挥大型自动化焊接装备的效率,通常设计成适用于多种焊接方法和焊接工艺,如单丝、多丝埋弧焊,单丝双丝窄间隙焊,MIG/MAG焊和带极堆焊等。5.管控一体化 通过企业的局域网,利用CAD/CAE/CAPP/PDM等计算机软件,将生产管理与制造系统实行集成全自动化控制,实现脱机编程,远程监控,诊断和检修。1.3本文研究内容本文在充分了解了国内外自动焊接技术和装备现状及发展趋势的基础之上,结合重型压力容器的焊接工艺特点,提出了对马鞍形焊缝采用窄坡口、多层多道循环焊接的方案,克服传统手工焊接工作效率低、焊接质量差、工人劳动强度大的弊端,达到操作方便、数字化控制、质量稳定、精度高和速度调节灵活等特点,实现重型压力容器筒体与接管的自动焊接要求。具体研究内容如下。1.前期调研和收集相关资料,了解国内外现有焊接技术及焊接装备的发展状况,掌握国内、外重型压力容器筒体与接管焊接的相关技术现状。2.根据重型压力容器筒体与接管的焊接工艺要求,拟定马鞍形自动焊机的设计方案,确定总体配置和主要设计参数,完成自动焊机的总体设计。3.对马鞍形自动焊机主要部件进行详细设计,包括电动机的选择、集电装置设计进给装置设计等。第2章 总体设计总体设计是机电产品设计的关键,它对产品的技术性能、经济指标和外观造型均具有决定性意义。对于自动焊机的总体设计应始终贯彻了“简单实用、操作方便、安全可靠、技术先进”的原则。本文在详细分析重型压力容器筒体与接管焊接工艺的基础上,借鉴国内外同类产品的成功经验,提出了重型压力容器马鞍形自动焊机的总体设计方案。2.1设计要求由于产品设计要求既是设计、制造、试验和鉴定的依据,同时又是用户衡量的尺度,所以在进行设计前必须对所设计产品提出详细、明确的设计要求。研制的马鞍形自动焊机,主要针对核电、大型石化设备中大厚度、窄坡口的马鞍形曲线焊接。由几何知识可知,所谓的“马鞍形”曲线就是指接管与筒体相贯而形成的相贯线,见图2-1。图2-1 马鞍形曲线焊缝目前用于焊接筒体与接管的坡口的角度多为30-60的普通坡口,它存在坡口加工时间长、焊接工时多、浪费材料和焊接质量低等缺点。而本设计采用如图2-2所示的角度=4的窄坡口焊缝结构,采用窄破口焊缝结构可以节约15%-45%的焊料,并能够节省大量的机械加工和焊接工时,同时也会大幅度地提高焊接质量,降低制造成本。4o图2-2 马鞍形曲线焊缝窄间隙坡口截面图自动焊机的焊枪应具有左右转角功能,焊枪的马鞍形运动轨迹要与实际相吻合,并能够时时修正运动轨迹,实现焊道的自动排列。减少焊接工序,降低劳动强度,提高工作效率。要使焊缝均匀合理,满足产品质量的大前提下,减少焊接材料的消耗。据此提出大型筒体马鞍形自动焊机的设计要求。1.马鞍形曲线自动焊机主要用于接管直径为500-1800mm、接管高度小于600mm、筒体厚度小于300mm、马鞍形最大落差小于300mm坡口形式为窄间隙的场合,要求其焊接速度可调,范围为300-500 mm/min。 2.采用数字控制,焊枪的马鞍形运动轨迹,依据一定的数学模型,通过两轴协调运动合成。具有自动排列焊道功能,可实现多层多道连续焊接。具有三套程序,可分别实现内马鞍、外马鞍及水平环焊缝三种焊接方式。3.焊枪具有摆角功能,可实现不同的摆角位置,且摆角幅度可调。考虑到理论上与实际上的马鞍形运动轨迹可能出现误差,具有方便的调整环节,在焊接过程中,可以及时修正马鞍的落差量。4.设备具有旋转导电、导气装置, 旋转导电装置采用双线、双电刷结构,确保导电良好。且进行多层多道连续焊接时导线不缠绕。为防止导电环数量过多,控制系统安装在设备本体上,随设备一起转动。5.设备具有方便、快捷的连杆式夹紧定位装置,适应的接管范围大。同时可互换三爪卡盘。2.2 设计原则与总体布置2.1.1 设计原则明确、简单、安全可靠是结构总体设计应遵守的三项基本原则。由于这三项基本原则的共同目标都是为了保证实现总系统(产品)的预期功能、降低成本及保障人和环境安全的,所以,在整个设计阶段应将这三项基本原则贯彻到底。1.明确原则 包括功能明确、工作情况明确和结构的工作原理明确。功能明确,所选择的结构应能明确无误地、可靠地实现预期的功能。对于可实现的功能来说,要做到既不疏漏又不冗余;工作情况明确,被设计的产品所处的工作状况必须明确。因为结构和零部件的材料、形状、尺寸、磨损及腐蚀是根据其工况来确定。若设计时缺少准确的使用工况说明,且不得不做出一些假设的话,应随时检查有关假设的正确性;结构的工作原理明确,设计结构时所依据的工作原理必须明确,从而才能可地实现能量流、物料流和信号流的转换或传导。2.简单原则 简单原则是指要在满足总功能的前提下,尽量使整机、部件、零件的结构简单,且数目少;同时还要求操作与监控简便;制造与测量容易、快速、准确;安装与调试简易而快亦就是说这里所指的“简单”,同时具有简化、简便、简明、简易、减少等多重含义。3.安全可靠原则 一个产品的安全可靠性主要指:在规定外载荷下,在规定的时间内,构件不发生断裂、过度变形、过度磨损且不丧失稳定性;要保证操作者的人身安全;不造成不允许的环境污染,同时也要保证整个产品对环境的适应性。2.1.2 总体布置一个机械系统是由若干个子系统按照总功能的要求相互匹配而组成的。总体布置设 计就是确定机械系统中各子系统之间的相对位置关系及相对运动关系,并使总系统具有一个协调完善的造型。一个功能目标可以由不同的功能原理来实现;不同的功能原理方案对应着不同的技术物理效应或物理学原理;不同的效应和原理决定着机械系统的总体布置、性能、产品质量、生产率和成本。同一效应或原理在采用不同的总体布置时,又会对机械系统本身的设计制造和使用产生很大的影响,因此,总体布置设计是结构设计阶段的重要环节。机械系统的总体布置设计是带有全局性的一个重要问题,不但要考虑系统本身的设计内容,而且,还应考虑系统与外部各因素之间的关系,即人机关系、系统对环境的适应等等。布置形式 机械系统总体布置的基本类型:按主要工作机构的空间几何位置可分为平面式、空间式等;按主要工作机械的布置方向可分为水平式(卧式)、倾斜式、直立式和圆弧式等。根据筒体与接管的焊接特点和结构,同时考虑到装夹、安装、拆卸的方便,以及在其工作时操作控制的便利,本设计的自动焊机采用直立回转式布置形式。直立回转式占用空间小,结构紧凑,便于工作人员操作,安装与调试方便,如果采用卧式回转的形式,由于待加工的零件尺寸比较庞大,重量也很笨重,因此给装夹和加工非常困难,而且焊接精度由于受到重力的干扰,相对于直立回转式来说也较差。卧式结构与直立回转式特点见表2-1。可见,选择直立回转式布置较为合理,其结构如图2-3所示。表2-1 卧式布置与直立回转式布置对比卧式结构直立回转结构占用空间大占用空间小安装调试不便安装调试方便装夹困难装夹易刚度较好刚度能满足要求精度较差精度较好工作原理 大型筒体马鞍形埋弧自动焊机总体结构如图2-3所示,它由主机体、夹紧装置、径向进给装置、横向进给装置1、横向进给装置2、导丝机构、焊枪、焊丝盘、集电装置等部分组成。夹紧装置将自动焊机固定到接管体上,通过手柄、齿轮和丝杠螺母带动3组反平行四边形机构伸缩,完成夹紧和松开动作。径向进给装置和轴向进给装置1用于焊枪启始点的确定及自动焊接过程中对焊枪进行微调,同时径向进给装置完成在焊接过程中的径向进给运动。主机体内设计有回转驱动机构和轴向进给装置2,依据一定的数学模型,回转运动和轴向进给装置2驱动的上下往复运动协调运动完成焊枪马鞍形运动轨迹。焊接开始前,首先通过人机界面输入接管直径、筒体直径、焊接速度、焊接层数及每层焊接道数等工艺参数,在手动状态下,将焊枪调整到启始点位置上,自动焊机从马鞍形焊缝的最低点开始,由里向外排列焊道,焊枪每旋转一周并搭接一段距离后,向外侧移动一个焊道宽度,当一层焊道完成后,焊枪自动提高一个焊道高度,再由外向里排列焊道,以此循环往复,完成设定的焊接层数。这样就完成了整个坡口的焊接。109854321761焊枪 2.导丝机构 3.径向进给装置 4.轴向进给装置1 5.轴向进给装置2 6.集电装置 7.焊丝盘 8.主机体 9.手动装置 10.夹具装置图2-3 马鞍形曲线自动焊机总体结构2.3 主要参数的确定2.3.1 传动原理传动系统不仅是连接动力源与执行件的桥梁,而且要完成将动力源的速度或力矩转换为符合执行件所要求的力矩和速度。而且传动系统直接影响到整个系统的结构,是机械设计的一个重要环节。各种运动是由相应的传动链完成的。通常机械系统有几种成形运动,就有几条传动链。根据传动联系的性质不同,传动链可分为内联系传动链和外联系传动链。要实现马鞍形曲线焊缝的焊接,就得实现焊机焊枪的马鞍形曲线的运动,而这个焊枪的运动是由主机体的回转运动、轴向进给装2提供的上下往复运动以及径向进给装置、轴向进给装置1的微调进给运动的合运动。重型压力容器马鞍形自动焊机传动系统见图2-4。 图2-4 马鞍形自动焊机传动系统回转运动电机通过减速器、齿轮把运动传递给整个焊机,使其旋转,同时轴向进给装置2电机也驱动,依据一定的数学模型带动径向进给、轴向进给1以及焊枪上下往复运动。径向进给用来完成一个马鞍形焊道的焊接后驱动电机运动进行一个径向进给,使其能够进行下一马鞍形焊道的焊接,如果在焊接的过程中,焊枪在其焊接轨迹的径向上出现偏差,那么径向进给装置也可来进行微调。而轴向进给装置1主要是如果焊枪在焊接轨迹的纵向上出现偏差,则调整它使焊枪处于正确的位置。2.3.2 运动参数确定交流调速电动机的功率和转矩特性如图2-5所示,自动焊机的回转进给运动、径向进给运动以及2个轴向进给运动装置的电动机均要求恒转距输出,即应使得电动机的工作转速n电小于等于额定转速nd,且大于最低转速nmin。nmin功率P(kW),转矩T(Nm电动机转速(r/min)PTnmaxnd 图2-5交流调速电动机的功率和转矩特性根据大型筒体自动焊机的工作要求,其基本参数确定为:1.回转进给 是由回转装置电机通过行星减速器输出,用齿轮传动。所以回转运动转速为: (2-1)式中:为回转运动电机转速();Z1为小齿轮齿数(齿);Z2为大齿轮齿数(齿);i为行星减速器传动比。2.径向进给运动 径向进给运动是由径向进给运动电机通过齿轮、丝杠传动,把电机的旋转运动转换成所需的直线运动,所以进给速度VS为: (2-2)式中:为进给运动电机转速(r/min);i为减速器传动比;T为丝杠螺距(mm)。3.轴向进给运动1 同理可得纵向进给速度: (2-3)式中:为进给运动电机转速(r/min);T为丝杠螺距(mm)。4轴向进给运动2 提升运动是由提升电机通过行星减速机输出,用丝杠螺母传动。所以提升运动的速度为为: (2-4)式中:为轴向进给装置电机转速(r/min);i为减速器传动比;T为丝杠螺距(mm)。2.3.3动力参数确定各种传动件的参数都是根据动力参数设计计算的。如果动力参数选得过大,将使机床过于笨重,浪费材料和电力;如果参数定得过小,又将影响机床的性能。动力参数可以通过调查、试验和计算的方法进行确定。 传动效率 根据图2-4传动系统可知,回转运动传动系统的总传动效率可表示为: (2-5)式中:为行星减速器传动效率,取=0.97;为轴承传动效率(一对),取=0.98;为齿轮副传动啮合效率,可取=0.97。将上式代入各参数可求得。电机功率由图2-5可知,有4条传动链。即回转运动、径向进给运动、轴向进给运动1、轴向进给运动2。由于马鞍形曲线自动焊机无外载荷,只是克服自身重量载荷运动,因此只要能够产生带动自身运动的功率的电机即可。1.回转运动装置电机 整个焊机重量 。转动惯量的确定 整个装置的转动惯量设为可表示为: (2-6)式中:m为重量();r为有效半径(mm)。 整个机构的角速度 通过减速器和齿轮传动,角速度可表示为: = (2-7)式中:为整个机构角速度;为总传动比。克服惯性的扭矩 M1计算如下: (2-8)式中:t为电机起动加速过程的时间。对于中小型机床取t=0.5s,对于大型机床取t=1s。功率的计算 即为克服惯性扭矩的功率,计算式为: (2-9)式中:为传动机构的机械效率。即选用动力源的功率P应不小于0.68kw。所以选择回转电机的功率为0.75kw。2.径向进给装置电动机 由于整个焊机在工作不承受载荷,所以整个运动过程都相当于空行程运转。因此径向进给装置所需电机功率P2为: (2-10)式中:m为移动部件的质量(kg);g为重力加速度;为当量摩擦系数;为移动件的速度。3.轴向进给装置电动机 轴向进给装置1电动机功率P3为: (2-11)式中:m为移动部件的质量(kg);g为重力加速度;为当量摩擦系数;F为由于重心与升降机构不同心而引起在导轨上的挤压力;为移动件的速度。同理可得轴向进给装置2电机功率P4=0.36(kw)2.4 本章小结本章在介绍重型压力容器筒体与接管马鞍形焊缝焊接工艺要求基础上,提出了自动焊机的工作原理和总体设计方案,确定焊机的组成、总体布置和主要技术参数,完成了自动焊机的总体设计。第3章 主要部件设计3.1 电动机选择本课题的设计要求马鞍形曲线自动焊要求速度输出在一定范围内可调,为了使用变速系统减化,易于控制,因此采用速度可调的电动机。直流电阻调速与交流变频调速是两种常用的调速方法,下面是这两种调速电动机的比较。1.可靠性 直流电动机转子上因为有线圈和易磨损的换向铜头、碳刷等,故障率高、维修费用大。交流电动机可靠性高,其转子上没有线圈和换向铜头,而是由铸铝和硅钢片压制成的铁滚子,故可称为永不损坏。2.调速器维修量性 直流调速器凸轮控制触头的通、断时产生的电弧经常烧坏触头,所以维修量很大。变频调速器没有触头,接点基本无维修。3.节能性 由于直流调速器电动机带有电阻器运行,因此电能白白消耗在电阻上,同时由于电阻发热导致电阻瓷架和电阻片烧坏。变频调速电动机不用高耗能降压电阻,节电率可达35。4.平稳性 直流调速器电动机为有级分档调速,不可能均匀调;变频调速电动机为无级均匀调速,最低可调至频率为0.1Hz。通过上述比较,根据运动和动力计算的结果,考虑到设计要求,及电动机市场的实际情况,选用三菱HC-KFS73作为回转进给驱动电动机,HC-KFS43作为径向进给装置和轴向进给装置2的驱动电动机,以及选择103H7523步进电动机作为轴向进给装置1的驱动电动机。以HC-KFS73为例,电动机特性见表3-1。表3-1 电动机特性变频专用电机型号HC-KFS73额定功率(kW)0.75额定转矩(N.m)18瞬间最大转矩(N.m)36额定转速(r/min)3000转子惯量(kg.m2.10-4)0.0109调频范围2Hz100Hz3.2 集电装置集电装置是动力源与自动焊机的桥梁,是给自动焊机提供动力的装置。集电装置的作用就是将外部电源导入到电动机内,为焊接过程提供稳定的电力。整个自动焊机与电源之间通过导线连接,焊机的工作时需要旋转,所以,在设计集电装置时,需要考虑箱体旋转时导线的接入方式,要避免导线的缠绕,为此增加了集电装置。关于集电装置我有些想法并试着思考和验证其可行性。(1)采用线圈通过电磁感应来供电:图3-1 简单示意图该方案采取电磁感应供电这样可以避免传统电刷的摩擦与耗损不会出现由于电刷磨损造成的接触不良,同时也减小了回转运动的的负载。但是由于自动焊机输入的是低电压高电流那么由于 (2-11)因为线圈的材料主要是细铜丝电阻大,I很大因此会有巨大的发热消耗,这是不经济的,同时如果改变线圈采用粗的线圈和降低电流的话又必须在焊机上增加变压器和稳压装置会加大焊机的重量这与本焊机可由人力进行移动运输的初衷不符。(2)微波和激光等新技术,通过相关资料和网络的查询,采用这些新技术的话将完全不存在灵活性的限制而且焊机的体积也能进一步缩小但是,首先这些新技术还不成熟远远不到应用的阶段,其次本焊机使用的场所不适合假设上述新技术的传输装置,再次成本会过高而不实际,最后这些新技术带来的新污染和问题尚未解决。经过上述考虑后决定采用传统可靠谱的电刷结构集电装置。集电装置由绝缘环I、导电环I、绝缘环II、导电环II、盖板、尼龙键、电刷等组成。其结构如图3-2。电刷结构如图3-3所示。64101198572131. 主轴 2. 绝缘套 3. 绝缘环I 4. 导电环I 5. 绝缘环II 6. 导电环II 7. 盖板8. 尼龙键 9. 平键 10. 大电刷 11. 弹簧 图3-2 集电环装置电动机既要旋转,又要引入或引出电流,为了防止导线因旋转而产生导线缠绕,为此,就把电动机转子线圈的两端接到导电刷上,导电刷、电动机随箱体一起旋转。同时,电源的接入导线从绝缘套与导电环的空隙引入,和固定不动的导电环相连。一个旋转,一个不动,两者之间有滑动摩擦,所以,电刷用又滑又导电的石墨制成。设计利用电刷结构,箱体与电刷一起旋转,导线从导电环接入,电刷与不旋转的导电环之间通过石墨块连接,这样就解决了导线随箱体旋转缠绕的问题了。石墨用作导电环材料,摩擦阻力小,导电性能好,设计的多导电环结构又避免了由于断路而产生的断电现象,使机器能够正常的工作。而在导电环之间装入尼龙材料的绝缘环,这就避免了“联电”现象的产生,确保焊机能够安全的运行。123451. 小电刷 2. 电刷套 3. 顶丝 4. 电刷罩 5. 绝缘座图3-3 集电极装置小电刷结构3.3 进给装置过齿轮传动给丝杠,通过丝杠的转动,带动套在丝杠上的丝母做左右直线运动。工作时套在伺服电机上的齿轮转动,通过齿轮传动传到套在丝杠上的齿轮使其转动,这样,丝杠也转动,转动的丝杠使丝母能够左右移动,丝母带动滑座在线性滑轨上左右移动。由于焊接机头是安装在滑座上的,通过滑座的移动,焊接机头也相应的向左和向右移动,从而实现了径向的进给过程。径向进给装置由电动机、齿轮、丝杠、丝母、导轨等组成。采用齿轮和丝杠传动,实现从回转运动到直线运动的转换,电机平行于丝杠的布置节省了焊机在水平上的占用空间,使其结构更加紧凑。使用HGW系列四列式15CC2R880ZAH直线滚动导轨,摩擦阻力小,耐磨性能好,该导轨又具有自动调心能力,确保径向进给装置运动的平稳性,防止自动焊机的低速进给运动出现的爬行现象,保证精确的径向进给。而且使用HGW系列导轨实现了模块化设计,为后续的轴向进给设计提供了方便,节约了设计时间。大量使用同规格的标准件,如螺栓、丝母等实现了自动焊机零件使用的通用化,为维修和设计其他装置提供条件。采用丝杠传动的结构能保证径向进给装置传动比精确、调节速度均匀、寿命长等优点。丝杠螺母传动的特点及应用(1)用较小的扭矩转动丝杠(或螺母)可使螺母(或丝杠)获得较大的牵引力。(2)可达到较高的降速传动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。(3)能达到较高的传动精度,用于进给机构还可用作测量元件,通过刻度盘读出直线位移的尺寸,最小读数值可达0.001mm。(4)传动平稳,无噪声。(5)在一定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进行逆传动,此特点特别适用于作部件升降传动,可防止部件因自重而自动降落。螺距(mm)丝杠(mm)丝杠螺母丝杠螺母丝杠断面积A螺纹升角丝杠断面极惯性矩丝杠断面惯性矩I外径d内径d1中径d2(mm)外径内径42015.51820.5161.8940.56670.3341由表3-1初选丝杠螺母副丝杠螺母副的基本参数如表3-1丝杠的传动效率查得=0.7一、选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1、选定直齿圆柱齿轮示的传动传动。移动部件为一般机构,速度不高,故齿轮选定8级精度。2、齿轮选用便于制造且价格便宜的材料,由参考文献表3-2选取小齿轮材料为45号钢(调质),HBS1=240,大齿轮材料为45号钢(常化)HBS2=200.3、选取小齿轮数Z1=20,大齿轮数Z2=iZ1=420=80。因齿面硬度小于350HBS的闭式传动,所以按齿面接触疲劳强度设计,然后校核齿根弯曲疲劳强度。二、按齿面接触疲劳强度设计由参考文献式得设计公式为:1、确定公式内各参数的数值(1)试选载荷系数Kt=1.3(2)计算小齿轮传递的转矩,按高速轴的最低转速计算T1=95.5105p/n1=13614.5Nmm=13.6Nm(3)选取齿宽系数d=0.8(4)查得弹性影响系数ZE=189.8(5)查得接触疲劳强度极限Hlim1=590Mpa;由查得接触疲劳强度极限Hlim2=470Mpa(6)由式3-29计算应力循环次数N1=60=6050011630015=21.6108=21.6108/4=5.4108(7)由图357查的寿命系数(8)计算接触疲劳许用应力。取失效概论为1%,安全系数为S=1,由式330得:Hlim2=590MPaHlim1=470MPa2.计算(1)计算小齿轮分度圆直径:d=38.3mm(2)计算圆周速度:V=1m/s(3)计算载荷系数。故载荷系数为(4)按实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径,由327B得d =37.4mm(5)计算模数:1.87mm由参考文献取模数为标准值,m=2mm(6)计算分度圆直径:(7)计算中心矩:a=(d1+d2)/2=(40+160)/2=100mm(8)计算齿轮宽度:b=dd1=0.840=32mm圆整,取B2=35mm,B1=40mm三、校核齿根弯曲疲劳强度由式(16-4)得校核公式为:MPa1、确定公式内的各参数数值计算圆周力Ft=2T1/d1=213614.5/40=680.7N查取应力校正系数。由表3-8查得:YFa1=2.8YSa1=1.55;YFa2=2.22;YSa2=1.77计算载荷系数:K=KAKVKaKF=11.0811.25=1.35查取弯曲疲劳强度极限及寿命系数。由图3-58查得Flim1=450Mpa;由图3-58查得Flim2=390Mpa;由图3-56查得KFN1=KFN2=1.计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数S=SF=1.4,得:F1= 236MPa4231F2= 456MPa651.小齿轮 2.大齿轮3.电动机 4.丝杠5.丝母 6.导轨 图3-4 径向进给装置图3.4 非任务的主要部件的设计利用轴的回转运动来完成执行任务的情形很多很多,如机床中主轴带动工件或刀具,可完成工件表面的成形加工运动;轧钢机中通过轧辊(相当于机床中的主轴)对钢材的轧制,以获得不同形状、尺寸的型钢及一些自动装配线上使用的各种不等速或间歇回转机构的轴等。这些主轴由于功用不同,故各自具体结构及主轴机构的组成及布置也不一样。但归结起来主轴机构一般主要由主轴、安装在其上的传动件(齿轮、皮带轮等)、密封件、轴承、轴承间隙调整及固定元件(螺母)等组成,因此,设计主轴机构时主要是各组成元件的布置及设计轴本身。因为自动焊机的运动轨迹是马鞍形曲线,是纵向运动和回转运动的和运动,所以要想是焊机实现马鞍形曲线的轨迹就要求有回转进给。回转进给装置由主轴、电动机、行星减速器、齿轮、连接座等组成。如图3-5所示。伺服电机连接行星减速器提供动力,通过主动齿轮传动给套在主轴上的从动齿轮,从动齿轮固定在主轴上,而主轴固定不动,形成反向作用力,使连接电机的整个箱体绕轴做回转运动,从而实现了回转进给过程。它结构简单、紧凑,占用空间小,因为选用了行星减速器更加节约了空间,减轻了整个焊机的重量,而又实现了大传动比。主轴居中布置避免由于偏心而产生的弯矩,使焊机受力均匀合理。回转装置中的齿轮均采用定位销来定位,这种定位方法结构简单又便于装配。456871231. 连接座 2. 销 3. 箱体 4. 销 5.主轴 6.电机与减速器 7.大齿轮 8. 小齿轮 图3-5 回转进给装置结构轴向进给装置 轴向像进给装置1与径向进给装置相似,都是作直线运动的机构,是当焊枪在纵向上位置不准确时用来调整其纵向位置的装置。为使设计过程简单,加工制造方便,便于以后自动焊机的系列化发展、实现其模块化设计。因此也采用齿轮、丝杠传动,利用导轨来导向和承载,选择其规格和径向进给装置相同的零件,如丝杠、丝母、导轨、螺栓等。其结构如图3-6所示。它和径向进给装置的不同之处在于电动机与丝杠直线布置,直接用联轴器与电动机连接。这样即节约了空间又受力合理,实现其微调的作用。轴向进给装置2结构更为简单,它也是做直线运动的机构,不同之处在于它是用于焊机的轴向进给,速度范围要与回转运动相协调,因此减速机构选择行星减速器、丝杠、丝母。结构见图3-7。 图3-6 轴向进给装置1 图3-7 轴向进给装置2夹紧装置 定位基准定位的作用是要使自动焊机与被焊接筒体之间具有准确和固定不变的工作位置,在保证工作要求的情况下,限制足够的自由度。用来确定加工对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面成为基准。按照其作用的不同,基准可以分为:设计基准和工艺基准两大类。工艺基准又可以分为:工序基准、定位基准、测量基准和装配基准。该自动焊机的装夹定位基准有两种定位方案。第一种采取接管的外圆柱面和端面为定位基准平面,这种定位形式要求接管有足够的伸出长度已便于定位。第二种采用接管的内圆柱面和端面为定位基准平面,工件以圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形铁定位器,同时保证其加工精度。 夹具装置设计 1.三爪卡盘 对大型圆筒夹具体选择三爪卡盘外夹式进行夹紧,以工件的外圆面平面为基准进行定位时,其限制OX、OY、OZ三个方向的平动自由度和OX、OY两个方向的旋转自由度,共限制5个自由度。如下图3-8所示。ZXY 图3-8 三爪卡盘的装夹 2.反四边行夹具 采用连杆机构,对夹具进行内扩式夹紧。利用定位工件的定位,夹具的固定杆限制了OX两个方向的旋转自由度和OX、OY、OZ三个方向的平动自由度,夹具的顶端固定块限制了OY方向的平动自由度,共限制5个自由度,如图3-9所示。654XZ321Y1.夹具 2.固定杆 3.固定板 4.连杆I 5.连杆II 6.接管
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