西 南 交 通 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 0.1t 普通座式焊接變位機 年 級 :2002 級 學(xué) 號 :20023237 姓 名 :賀有旭 專 業(yè) :材料加工工程 指導(dǎo)老師 :周友龍 2006 年 6 月 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 I 頁 院 系 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 材料加工工程 年 級 2002 級 姓 名 賀 有 旭 題 目 0.1t 普通座式焊接變位機 指導(dǎo)教師 評 語 指導(dǎo)教師 (簽章 ) 評 閱 人 評 語 評 閱 人 (簽章 ) 成 績 答辯委員會主任 (簽章 ) 年 月 日 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 II 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 班 級 材料 02 5 班 學(xué)生姓名 賀 有 旭 學(xué) 號 20023237 發(fā)題日期： 2006 年 3 月 10 日 完成日期： 6 月 15 日 題 目 0.1t 普通座式焊接變位機 1、本論文的目的、意義 焊接變位機是將工件回轉(zhuǎn)、傾斜，以便使工件上的焊縫至于水平和船形位置的機械裝置，主要用于機架、機座、機殼等非長形工件的焊接。 座式焊接變位機是應(yīng)用最廣的一種焊接變位機，載重量一般為 1 50 噸，本設(shè)計主要進行 0.1t 的普通座式焊接變位機的設(shè)計，該裝備是以電動機 減速機驅(qū)動工作臺回轉(zhuǎn)并傾斜的焊接變位機械，是適應(yīng)相關(guān)工件焊接需要而出現(xiàn)的焊接設(shè)備。 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)： （ 1） 設(shè)計圖紙 A0 當(dāng)量大于 3 張； （ 2） 設(shè)計說明書一份； （ 3） 英文翻譯一份； （ 4） 設(shè)計日志一份 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 III 頁 3、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共 15 周） 第一部分 查閱文獻及調(diào)研 (1 周 ) 第二部分 總體設(shè)計方案的比較論證及擬定 (2 周 ) 第三部分 傳動機構(gòu)的設(shè)計及計算校核、修改 (3 周 ) 第四部分 繪制設(shè)備機構(gòu)及零部件圖 (8 周 ) 第五部分 畢業(yè)論文的撰寫 (2 周 ) 評閱及答辯 ( 周 ) 備 注 指導(dǎo)教師： 年 月 日 審 批 人： 年 月 日 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 IV 頁 摘 要 焊接變位機是一種焊接輔助設(shè)備，它與焊接操作機、焊接滾輪架并稱為焊接輔助設(shè)備中三大機。焊接變位機是應(yīng)焊接行業(yè)的機械化、自動化發(fā)展需要而產(chǎn)生的。 焊接變位機 作 為一種焊接配套設(shè)備，用于管子橫向?qū)雍附?，管子與法蘭內(nèi)外環(huán)縫焊接，管子對管子全位置焊接。 焊接變位 機可水平翻轉(zhuǎn)角度，通過工作臺的 回 轉(zhuǎn)及翻轉(zhuǎn)運動使工件 上 焊縫 處 于最 理 想的位置進行焊接， 從而 大大提高 焊縫質(zhì)量，減輕焊工勞動強度，尤其是適合焊接各種軸類 、 盤類 、 筒體等回轉(zhuǎn)工件的理想設(shè)備。 本設(shè)計分析了解國內(nèi)外焊接變位機的發(fā)展狀況、以及焊接變位機在焊接機器人中的應(yīng)用，設(shè)計了一種 0.1 噸小型座式焊接變位機。該變位機具有兩個自由度，有兩套獨立的驅(qū)動和傳動裝置?？梢苑奖銓崿F(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)和傾斜翻轉(zhuǎn)，從而能使焊縫變化到平焊位置或“船形”位置。文中對驅(qū)動力的計算、機架的設(shè)計進行了說明，尤其是對傳動裝置的設(shè)計進行了重點說明。 本焊接變位機采用直流電機 減速機驅(qū)動工作臺回轉(zhuǎn)并傾斜，具有運動精度高、慣量小、制動性和穩(wěn)定性好，可實 現(xiàn)無級調(diào)速，方便實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。批量生產(chǎn)可獲得比較高的經(jīng)濟效益。 關(guān)鍵詞 ： 焊接變位機； 變位自由度； 焊接輔機； 焊接自動化設(shè)備； 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 V 頁 Abstract Welding positioner is a kind of welding auxiliary equipment, it was known as the three planes in welding auxiliary equipment with welding manipulator, welding roller bed. Welding positioner was designed with the development of welding industry mechanization, and automation. As a welding auxiliary machine, welding positioner was used in pipes landscape orientation welding, pipe and flanges inside and outside central linking welding, pipe welding in all location. Though the gyration and retroflexion of the workbench, the welding positioner can make the welding line to an ideal position, which can improve the quality of the welded joint, reduce welders workload. It is ideal equipment especially fit to weld the kinds of workpiece, just like the shaft, tray, canister, and so on. By understanding the welding positioner s development in domestic and overseas, and the positioner used in welding robot is described in the paper. A small block 0.1 ton s of welding positioner is designed. The positioner has two freedoms of motions and two unattached formula driving device and gearing. It can easily achieve the gyration and the inclination of the workpiece, thereby changing welding seam to downhand position or “ship form” position. the count of driving power is calculated, the framework of the welding positioner is designed, especially the gearing. This welding positioner used DC motor and slowdown plane to drive the workbench to gyration or inclination. It has some advantages, such as a high-precision movement, inertia small, good braking and stability. It also can easily achieve stepless speed regulation, positive or negative turns. Because of its notables economic benefit, if it would been produced largely. Key words: welding positioner， freedom of deflection， welding auxiliary machine， welding automatic equipment. 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 VI 頁 目錄 第一章 緒論 . 1 1.1 設(shè)計焊接變位機的意義 . 7 1.2 國內(nèi)外焊接變位機發(fā)展簡介 . 8 1.3 我國焊接輔助設(shè)備簡介 . 9 1.3.1 我國焊接輔助設(shè)備的發(fā)展歷程 . 9 1.3.2 焊接輔助設(shè)備的發(fā)展趨勢 . 10 1.4 關(guān)于焊接機器人 . 11 1.4.1 國內(nèi)焊接機器人技術(shù)的發(fā) 展 . 11 1.4.2 我國焊接機器人的應(yīng)用狀況 . 12 1.4.3 應(yīng)用焊接機器人的意義 . 13 1.4.4 我國焊接機器人應(yīng)用工程 . 13 1.4.5 焊接機器人的最新應(yīng)用技術(shù) . 14 1.5 關(guān)于焊接變位機的幾個基本定義 . 15 1.5.1 焊接變位機的定義 . 15 1.5.2 主自由度及全功能焊接變位機 . 15 1.5.3 焊接變位機的變位自由度 . 16 1.5.4 變位機的第一主參數(shù) - 額定負荷 . 16 1.6 焊接變位機的分類 . 17 1.6.1 焊件變位機的類型 . 18 1.6.2 焊機變位機械的類型 . 19 1.6.3 焊工變位機的類型 . 20 1.7 幾種常見的焊件變位機的類型及特點 . 20 1.8 設(shè)計本焊接變位機的目的和意義 . 23 第 2 章 總體設(shè)計 . 23 2.1 本焊接變位機總體設(shè)計及適用范圍 . 23 2.2 設(shè)計方案的確定 . 24 第 3 章 傳動部分設(shè)計 . 27 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 VII 頁 3.1 傳動部分的總體設(shè)計要求 . 27 3.2 傳動系統(tǒng)的分析和擬定 . 28 3.3 本焊接變位機傳動系統(tǒng)的確 定 . 29 3.3.1 工作臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng) . 29 3.3.2 工作臺傾斜系統(tǒng) . 30 3.4 電動機的選擇 . 31 3.4.1 電動機類型的選擇 . 31 3.4.2 電動機功率的確定 . 34 3.4.3 電動機轉(zhuǎn)速的驗證 . 40 3.5 傳動比的擬定及確定 . 41 3.5.1 總傳動比的確定 . 41 3.5.2 各級傳動裝置傳動比的分配 . 41 3.5.3.計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) . 43 3.6 蝸輪、蝸桿的選擇及校核 . 45 3.6.1 蝸桿傳動的特點 . 45 3.6.2 蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)的選擇 . 46 3.6.3 蝸桿傳動的強度計算 . 47 3.7 齒輪的設(shè)計與校核 . 49 3.7.1 工作臺傾 斜機構(gòu)中的齒輪的設(shè)計與校核 . 49 3.8 諧波齒輪減速器的選擇 . 51 3.9 軸的設(shè)計與校核 . 54 3.9.1 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則 . 54 3.9.2 軸的初估 . 54 3.9.3 軸的強度校核 . 55 3.10 軸承的選擇與校核 . 59 3.10.1 軸承的選擇 . 59 3.10.2 軸承的校核 . 59 第 4 章 機架的設(shè)計 . 62 4.1 機架的設(shè)計 . 62 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 VIII 頁 4.2 機架焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 63 4.2.1 機架應(yīng)用焊接結(jié)構(gòu)存在的問題 . 63 4.2.2 焊 接結(jié)構(gòu)的設(shè)計措施 . 64 結(jié)論 . 65 致 謝 . 66 參考文獻 . 67 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 1 頁 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 2 頁 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 3 頁 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 4 頁 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 5 頁 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 6 頁 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 7 頁 第一章 緒論 1.1 設(shè)計焊接變位機的意義 焊接技術(shù)自發(fā)明至今已有百余年的歷史，工業(yè)生產(chǎn)中的一切重要產(chǎn)品，如航空、航天及核能工業(yè)中產(chǎn)品的生產(chǎn)制造都離不開焊接技術(shù)。其焊接質(zhì)量的好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量的好壞， 直接影響整機性能 。所以改進焊接技術(shù)，提高焊接質(zhì)量對工業(yè)現(xiàn)代化起著重要的作用，其中 提高焊接機械化、自動化水平，實現(xiàn)焊接工藝及裝備的現(xiàn)代化 是改進焊接質(zhì)量的一個重要方面，一般來說焊件的質(zhì)量比較重，靠人工改變焊縫位置很不容易，且效率十分低下。這樣在焊接生產(chǎn)中，就會遇到焊接變位及選擇合適的焊接位置 的情況，針對這一實際需要，人們就設(shè)計研制了焊接變位機， 選擇合適的變位機能將被焊工件的各類焊縫轉(zhuǎn)動到最佳位置 ,從而避免立焊、仰焊 ， 提高焊接質(zhì)量及生產(chǎn)效率。 變位機可以使工件上的接縫處于理想的船形位置或平焊位置進行焊接，是提高焊接效率和質(zhì)量，降低勞動強度的有效廉價工具。 另外 ,選擇合適的變位機能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)場管西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 8 頁 理。 在我國，焊接變位機也已悄然成為制造業(yè)的一種不可缺少的設(shè)備，在焊接領(lǐng)域把它劃為焊接輔機，它與 焊接操作機、滾輪架 并稱為焊接輔機中三大機。 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(yīng)用。就型式系列和品種規(guī)格而言，已問世的，約有十余個系列，百余品種規(guī)格，正在形成一個小行業(yè)。 1.2 國內(nèi)外焊接變位機發(fā)展簡介 一般說來，生產(chǎn)焊接操作機、滾輪架、焊接系統(tǒng)及其他焊接設(shè)備的廠家，大都生產(chǎn)焊接變位機，生產(chǎn)焊接機器人的廠家，大都生產(chǎn)機器人配套的焊接變位機。但是，以焊接變位機為主導(dǎo)產(chǎn)品的企業(yè)，非常少見。 德國 Severt 公司，美國 Aroson公司，我國天津鼎盛工程機械有限公司等， 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) 與機器人配套伺服控制的焊接變位機。 美國 Aroson 公司生產(chǎn)的焊接設(shè)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(zhuǎn)式、傾翻 回轉(zhuǎn)升降式、雙座雙回轉(zhuǎn)式，雙座單回轉(zhuǎn)式和雙座單回轉(zhuǎn)升降式。其承載能力范圍為 11 kg 1810噸。 德國 LCOOS 公司是國際上生產(chǎn)焊接設(shè)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(zhuǎn)式、傾翻 -回轉(zhuǎn)式和單回轉(zhuǎn)式變位機外，還生產(chǎn)臥式單坐單 回轉(zhuǎn) WPV、立式單回轉(zhuǎn) 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(zhuǎn) R-WPV 2 型（ 3軸）、立式多工位 2 C型雙回轉(zhuǎn)式 R- WPV2-CD（ 5 自由度）、立式多工位 2傾翻 -回轉(zhuǎn) GR-WPK 2（ 5 軸）、立式多工位 2傾翻 -回轉(zhuǎn)單回移動轉(zhuǎn)式 GR-WPK 2-CD（ 9 軸）等。 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(shè)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，集合而成產(chǎn)品系列。 80 年代初期我國生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡單的焊接操作機、 滾輪架、變位機、翻轉(zhuǎn)機和西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 9 頁 回轉(zhuǎn)平臺等，成套性較差、自動化程度低，只能算作機械化的焊接設(shè)備。目前焊接變位機已系列化生產(chǎn)，最大承載能力達 100t，每年都有各種汽車、機車、工程機械部件焊接用大、中型單面回轉(zhuǎn)和雙面回轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)機投運 。 現(xiàn)在我國生產(chǎn)焊接變位機的廠家已經(jīng)不少，但大都不成規(guī)模。以變位機為主導(dǎo)產(chǎn)品發(fā)展起來的企業(yè)，尚未形成，企業(yè)應(yīng)用焊接變位機也較少。 天津鼎盛 工程機械有限公司、無錫市陽通機械設(shè)備有限公司、長沙海普公司、威達自動化焊接設(shè)備公司等單位生產(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 余品種規(guī)格。可見，國內(nèi)焊接變位機的發(fā)展空間還很大，主要向精密化、大型化、功能多樣化、智能化和集成化方向發(fā)展 1。 1.3 我國焊接輔助設(shè)備簡介 1.3.1 我國焊接輔助設(shè)備的發(fā)展歷程 焊接輔助設(shè)備與器具制造行業(yè)自設(shè)立以來在整個焊接行業(yè)中占有重要地位，并受到業(yè)內(nèi)人士的高度重視。十五年來我國焊接輔助設(shè)備與器具制造行業(yè)在原有基礎(chǔ)上有了較快的發(fā)展，焊接輔助設(shè)備品種已從傳統(tǒng)的三大機焊接操作機、變位機、滾輪架擴大到各種焊接專用成套設(shè)備，機器人工作站配套設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性焊接生產(chǎn)系統(tǒng)等。從事焊接裝備設(shè)計和生產(chǎn) 的企業(yè)規(guī)模不斷擴大，技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。 焊接輔助設(shè)備確切的名稱應(yīng)為焊接工藝裝備。凡生產(chǎn)焊接結(jié)構(gòu)的加工設(shè)備和裝置均屬于焊接工藝裝備，其中包括備料設(shè)備，焊接裝配工夾具，焊接變位機械、焊件后處理設(shè)備等。與焊接工序直接有關(guān)的焊接工藝裝備主要有坡口加工設(shè)備，焊接裝配工夾具、焊接變位機，焊接操作機、專用成套焊接設(shè)備，機器人工作站和焊接生產(chǎn)線等。 我國焊接工藝裝備制造行業(yè)起步較晚，直到二十世紀 70 年代初才在上海、成都、長春等地陸續(xù)建成一批專門生產(chǎn)焊接工藝裝備的制造廠。進入 80 年代，隨著國內(nèi)焊接工藝裝備需用量的日 益增長，各地又相繼成立了多家中小型焊接裝備生產(chǎn)廠。近期又新建成或改建具有一定規(guī)模的焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)。迄今，我國已有 24家焊接裝備生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)量 2000 萬元以上的已有 10 多家。有些企業(yè)發(fā)展速度較快 ,并已具有較大的規(guī)模，某些焊接裝備已實現(xiàn)批量生產(chǎn)。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 10 頁 在焊接裝備的品種、技術(shù)特性方面， 80 年代初期我國生產(chǎn)的焊接裝備大多是較簡單的焊接操作機、滾輪架、變位機、翻轉(zhuǎn)機和回轉(zhuǎn)平臺等，成套性較差、自動化程度低。 80 年代后期，由于大量引進了國外較先進的成套焊接裝備，促進了國產(chǎn)焊接裝備的技術(shù)進步，無論是裝備的成套性、自動化程 度還是設(shè)備的精度和制造質(zhì)量都有不同程度的提高。在焊接裝備的驅(qū)動和控制系統(tǒng)中廣泛采用了當(dāng)代較先進的交流電機變頻調(diào)速、直流電機的可控硅調(diào)速， PLC 可編程控制器、伺服電機及其驅(qū)動系統(tǒng)、微機和工業(yè)計算機控制等。焊接裝備的自動化程度有了較大的提高。焊接操作機可按用戶的需要配備焊縫自動跟蹤系統(tǒng)和工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)。 1.3.2 焊接輔助設(shè)備的發(fā)展趨勢 為適應(yīng)世界焊接輔助設(shè)備行業(yè)的發(fā)展，提高我國焊接輔助設(shè)備的技術(shù)水平，焊接輔助設(shè)備將要向如下五個方向發(fā)展 2： 1精密化 精密化的內(nèi)涵包括高精度、高質(zhì)量和高可靠性。從設(shè)備外 觀上看有些焊接裝備幾乎接近于精密金屬切削機床，在精度要求上，以焊接機器人配套的焊接變位機為例，最高的重復(fù)定位精度為 0.05mm，機器人和精密操作機的行走機構(gòu)定位精度為 0.1mm，移動速度的控制精度為 0.1。 2大型化 焊接裝備的大型化是焊接結(jié)構(gòu)向高參數(shù)、重型化和大型化發(fā)展的需要。如重型厚壁容器焊接中心的立柱橫梁操作機的最大規(guī)格已達 12.5m 10m。龍門式操作機的規(guī)格為 8m 8m。大型造船廠使用的門架式鋼板縱縫焊機最大行程為 12m。集裝箱外殼整體組裝焊接中心門架式操作機的工作行程達 16m。重型 H 型 鋼和箱型梁生產(chǎn)線占地面積可達整個車間。 3多功能化 為充分發(fā)揮自動化焊接設(shè)備的效率，一臺焊接裝備可按工藝要求裝備各種焊頭，如單絲和多絲埋弧焊，單絲或雙絲窄間隙埋弧焊頭， MIG MAG 焊頭和帶極堆焊頭等，與滾輪架，變位器或翻轉(zhuǎn)機配套可以完成筒體內(nèi)外縱環(huán)縫，封頭拼接縫，內(nèi)壁堆焊、大直徑接管環(huán)縫焊接等。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 11 頁 4數(shù)字化 焊接裝備的數(shù)字化控制雖然比傳統(tǒng)的金屬切削加工復(fù)雜得多，但實施數(shù)字控制的意義則更為重要，不僅提高了效率而且確保了批量生產(chǎn)過程中穩(wěn)定的焊接質(zhì)量還改善了操作環(huán)境。目前在焊接裝備控制系統(tǒng)中，采用 PLC 可編程 控制器已成為最普通的控制器件，為提高焊接裝備自動控制的功能和精度已開始采用基于 PC 機的自動控制系統(tǒng)和直接數(shù)字控制系統(tǒng)，同時也為焊接裝備的網(wǎng)絡(luò)化控制和管控一體化提供了可能。 5智能化和集成化 焊接裝備的智能化控制是焊接過程自動控制的高級形式，通過各種專用的計算機軟件可按原始工件和焊接參數(shù)對焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化選擇。對于厚壁接頭、智能化控制可根據(jù)實測接頭的幾何尺寸自動編制焊接程序和焊接工藝參數(shù)，以實現(xiàn)焊接過程的全自動化。 1.4 關(guān)于焊接機器人 1.4.1 國內(nèi)焊接機器人技術(shù)的發(fā)展 我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國 和日本，起于 20 世紀 70 年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到 80 年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時的國內(nèi)外形勢，國家 “七五 ”攻關(guān)計劃將工業(yè)機器人的開發(fā)列入了計劃，對工業(yè)機器人進行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機器人在起步階段就瞄準了實用化的方向。與此同時于1986 年將發(fā)展機器人列入國家 “863”高科技計劃。在國家 “863”計劃實施五周年之際，鄧小平同志提出了 “發(fā)展高科技，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化 ”的目標。在國內(nèi)市場發(fā)展的推動下，以及對機器人技術(shù)研究的技術(shù)儲備的基礎(chǔ)上， 863 主題專家組及時對主攻方向進行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點之一，提出了以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家 “八五 ”和 “九五 ”中。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 12 頁 控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 1.4.2 我國焊接機器人的應(yīng)用狀況 我國焊接機器 人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。早在 70 年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標機械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接。 “一汽 ”是我國最早引進焊接機器人的企業(yè)， 1984 起先后從KUKA 公司引進了 3 臺點焊機器人，用于當(dāng)時 “紅旗牌 ”轎車的車身焊接和 “解放牌 ”車身頂蓋的焊接。 1986 年成功將焊接機器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于 1988 年開發(fā)了機器人車身總焊線 。 80 年代末和 90 年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立 合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人。可以說 90 年代以來的技術(shù)引進和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)模化生產(chǎn)，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露 頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢 。 進入 21 世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人安裝臺數(shù)迅速增加， 2002、 2003、 2004 年每年都有近千臺的數(shù)量增長。 目前在我國應(yīng)用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、 FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奧地利的 IGM 公司。國產(chǎn)機 器人主要是沈陽新松機器人公司產(chǎn)品。 目前在我國應(yīng)用的工業(yè)機器人中，國產(chǎn)機器人的數(shù)量不足 100 臺，特別是近兩年新安裝的機器人焊接系統(tǒng)中已經(jīng)看不到中國機器人的身影，雖然我國已經(jīng)具有西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13 頁 自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模 2。 1.4.3 應(yīng)用焊接機器人的意義 焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的 40%以上，與焊接這個特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè) “裁縫 ”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品 質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義： (1) 穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量 ,保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小 ,降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。 (2) 改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬 運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。 (3) 提高勞動生產(chǎn)率。機器人沒有疲勞，一天可 24 小時連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。 (4) 產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。 (5) 可縮短產(chǎn)品改型換代的周期 ， 減小相應(yīng)的設(shè)備投資?？蓪崿F(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 1.4.4 我國焊接機器人應(yīng)用工程 焊接機器 人應(yīng)用技術(shù)是機器人技術(shù)、焊接技術(shù)和系統(tǒng)工程技術(shù)的融合，焊接機器人能否在實際生產(chǎn)中得到應(yīng)用，發(fā)揮其優(yōu)越的特性，取決于人們對上述技術(shù)的融合程度。經(jīng)過近 10 年的努力，我國在機器人焊裝夾具設(shè)計方面積累了較豐富的經(jīng)驗，機器人周邊設(shè)備實現(xiàn)了標準化，具有年產(chǎn) 300 余套焊接機器人工作站的能力。西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 14 頁 可以說國內(nèi)的系統(tǒng)集成商在機器人工作站及簡單的焊裝線的設(shè)計開發(fā)方面具有了與國外系統(tǒng)集成商抗衡的能力，近幾年為國內(nèi)汽車零部件等企業(yè)提供了大量的機器人焊接系統(tǒng)。但是另外一個嚴重的事實是，我們還不具備制造高水平的機器人成套焊裝線的能力。國內(nèi)幾 大汽車廠的車身焊裝線都是由國外機器人系統(tǒng)集成商設(shè)計制造的。 作為焊接機器人的最大用戶，預(yù)計未來的 10 年我國汽車年產(chǎn)量要達到千萬輛，現(xiàn)在的焊接裝備遠遠滿足不了生產(chǎn)需求，對焊接裝備的需求量將大幅增加，焊裝生產(chǎn)線要求更加自動化和柔性化，以適應(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)要求，機器人將大量應(yīng)用于焊接生產(chǎn)線中。 1.4.5 焊接機器人的最新應(yīng)用技術(shù) (1) TCP(tool center point 工具中心點 )自動校零技術(shù) TCP 自動校零是用在機器人焊接中的一項新技術(shù)，它的硬件設(shè)施是由一梯形固定支座和一組 激光傳感器組成。當(dāng)焊槍以不同姿態(tài)經(jīng)過 TCP 支座時，激光傳感器都將記錄下的數(shù)據(jù)傳遞到 CPU 與最初設(shè)定值進行比較與計算。當(dāng) TCP 發(fā)生偏離時，機器人會自動運行校零程序，自動對每根軸的角度進行調(diào)整，并在最少的時間內(nèi)恢復(fù) TCP 零位。 (2) 雙絲焊接技術(shù) 近年來由于我國汽車、集裝箱、機車車輛、工程機械等行業(yè)的高速發(fā)展，對高速焊和高熔敷效率焊接的需求越來越多。雙絲焊是近年來發(fā)展起來的一種高速高效焊接方法，焊接薄板時可以顯著提高焊接速度，達到 3 6m/min，焊接厚板時可以提高熔敷效率。除了高速高效外 ，雙絲焊接還有其它的工藝特點：在熔敷效率增加時保持較低的熱輸入，熱影響區(qū)小，焊接變形小，焊接氣孔率低等。 由于焊接速度非常高，特別適合采用機器人焊接，因此可以說機器人的應(yīng)用也推動了這一先進焊接技術(shù)的發(fā)展。 (3) 激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù) 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 15 頁 激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù)是激光焊接與氣體保護焊的聯(lián)合，兩種焊接熱源同時作用于一個焊接熔池。該技術(shù)的研究最早出現(xiàn)在上世紀 70 年代末，但由于激光器的昂貴價格，限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。隨著激光器和電弧焊設(shè)備性能的提高，以及激光器價格的不斷降低，同時為了 滿足生產(chǎn)的迫切需求，激光 /電弧復(fù)合焊接技術(shù)近年來成為焊接領(lǐng)域最重要的研究課題之一 2。 1.5 關(guān)于焊接變位機的幾個基本定義 1.5.1 焊接變位機的定義 在我國，焊接變位機是一個年青的產(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(guān)的研究也比較薄弱。迄今為止，沒有專門著作去研究它的定義和分類。對它的稱呼也就不可能規(guī)范化了。同一種設(shè)備，不同的企業(yè)和不同的人可能有不同的稱呼。如：轉(zhuǎn)胎、轉(zhuǎn)臺、翻轉(zhuǎn)架、變位器、變位機等。為此，我們需要賦予它一個定義。我們稱： 用來拖動待焊 工件，使其待焊焊縫運動至理想位置進行施焊作業(yè)的設(shè)備，稱焊接變位機 。也就是說，把工件裝夾在一個設(shè)備上，進行施焊作業(yè)。焊件待焊焊縫的初始位置，可能處于空間任一方位。通過回轉(zhuǎn)變位運動后，使任一方位的待焊焊縫，變?yōu)榇呛?、平焊或平角焊施焊作業(yè)。完成這個功能的設(shè)備稱焊接變位機。它改變了可能需要立焊、仰焊等難以保證焊接質(zhì)量的施焊操作。從而，保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接生產(chǎn)率和生產(chǎn)過程的安全性 1。 1.5.2 主自由度及全功能焊接變位機 可以肯定的講，如果一臺變位機拖動焊件，僅做直線運動，哪怕是三維的，也不可能改變焊縫 的姿態(tài)，滿足施焊要求。也就是說，變位運動是回轉(zhuǎn)運動， 稱此回轉(zhuǎn)運動為變位機的主自由度 。還可以做這樣一個假設(shè)：在 X、 Y、 Z 直角坐標系下，設(shè)有一空間直線焊縫，繞 Z 軸可在 360范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，且這個 Z 軸連同這一焊縫又可繞 X（或 Y）軸在 180范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，那么，經(jīng)此變位的焊縫，便可變到船角焊位置進行施焊作業(yè)。換言之，一個焊口由兩個面的共線 MN 和夾角組成，在上西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 16 頁 述兩個回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，經(jīng)恰當(dāng)?shù)幕剞D(zhuǎn)，便可使其共線 MN 與水平面平行，且這兩個面與水平面的夾角相等，各為 /2，即變?yōu)榇呛肝恢?。這個假設(shè)是說，任何復(fù)雜焊件，只要裝 在主自由度為一個全回轉(zhuǎn)和一個半回轉(zhuǎn)的焊接變位機上，即可實現(xiàn)船焊要求。我們稱這種雙回轉(zhuǎn)式焊接變位機為 全功能變位機 。 1.5.3 焊接變位機的變位自由度 涉及到用戶對設(shè)備裝備的理念，以及考慮用于手把焊和自動焊的不同用途，選擇和設(shè)計焊接變位機時，除主變位自由度外，還要考慮增加輔助變位自由度。如大件焊接，可增加升降運動自由度，如上述美國、德國這種產(chǎn)品很多。 另外，某些焊件，由于焊縫分布簡單，用一個回轉(zhuǎn)自由度就可以解決焊件中大部分和重要焊縫的船焊要求，其余少量非重要焊縫，雖然，不能實施船角焊，但可以實施平角焊。這樣， 為簡化設(shè)備造價，工藝上便考慮采用單自由度或功能退化的焊接變位機，即單回轉(zhuǎn)式變位機。根據(jù)使用要求，同樣也可以增加輔助自由度。例如，升降式和尾架移動式等等。 還有一些工位變位機，為適用于焊接工位的工藝要求，這種焊接變位機的某些自由度，與施焊無關(guān)。還有從工位設(shè)計和穩(wěn)定性考慮，兩臺或多臺焊接變位機合并設(shè)計，這樣就出現(xiàn)了多種工位變換和組合式多自由度焊接變位機產(chǎn)品。 1.5.4 變位機的第一主參數(shù) - 額定負荷 本文把最能描述焊接變位機工作能力的參數(shù)，稱 第一主參數(shù)。 焊接變位機不同于其他加工設(shè)備，它的基本負荷就是焊件的 “重量”。各國的焊接變位機，都是由此給定第一主參數(shù)的。 在國際上，第一主參數(shù)的量綱沒有統(tǒng)一。對這一問題，需要做些討論。在歐洲，如德國 Severt 公司、 CLOOS 公司，瑞典 ESAB 公司等，用重力單位 N 表示；美國Aroson 公司用英美制質(zhì)量單位 Lbs（磅）表示；日本某些公司用國際質(zhì)量單位 kg表示；我國的焊接變位機行業(yè)標準，采用了國際質(zhì)量單位 kg，但鼎盛公司采用了重力單位 kN。如此可見，在我國乃至國際上，焊接變位機第一主參數(shù)的量綱還沒有統(tǒng)一。其次，對這一主參數(shù)的稱呼也不統(tǒng)一。最大負荷 kg、最大負荷 N（ Max load 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 17 頁 N）、基本承載能力 Lbs（ Base load capacity in pounds）、承重能力 Lbs（ Weight capacity Lbs）、許用載荷 kg（許容荷載）、最大有效負荷（ Max. payload）等等。 從量綱發(fā)展的歷史分析，用力和質(zhì)量兩種單位，各有個的道理。但是，無論是從行業(yè)管理的角度考慮，還是從科學(xué)計算的角度考慮，都應(yīng)統(tǒng)一。量綱的確定，在于一個概念，如果衡量焊接變位機的能力，選擇負荷單位，即第一主參數(shù)用重力表示，那么，他的量綱應(yīng)該用 N、 kN。與此相關(guān)的回轉(zhuǎn)技術(shù)參數(shù)力矩，應(yīng)該用 Nm、kNm表示，這樣，與國際單位制就統(tǒng)一了。這是本文推薦的辦法。 焊接變位機是涉及人身安全的產(chǎn)品。對用戶選擇產(chǎn)品負荷等級，應(yīng)該是明確的。諸如上述的最大負荷（ kg、 N）或許用載荷（ kg、 N），都不能說準確的表達了這個量。見公式（ 1-1）。 F = kd m g n （ 1-1） 式中： m 焊件質(zhì)量； G 重力加速度，即 mg 為重力； kd 動荷系數(shù)； n 安全系數(shù)。 F 額定承載能力或額定負荷。 動荷系數(shù) kd、安全系數(shù) n，應(yīng)在產(chǎn)品設(shè)計時確定。在樣本或使用說明書中給用戶提供選擇方法。 1.6 焊接變位機的分類 在焊接生產(chǎn)中使用的各種變位機械可歸納為焊件變位機、焊機變位機和焊工變位機三大類，每一類又按其結(jié)構(gòu)特點或作用分成若干種類，其中焊件變位機的應(yīng)用比較廣泛，分述如下 3： 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 18 頁 1.6.1 焊件變位機的類型 （ 1）翻轉(zhuǎn)機 能實現(xiàn)焊件的翻轉(zhuǎn)或傾斜，其運動特點是工件繞水平軸旋轉(zhuǎn)。如圖 1 1 所示。 圖 1 1 翻轉(zhuǎn)變位機 4 （ 2）回轉(zhuǎn)臺 它能使工件繞垂直軸或傾斜軸旋轉(zhuǎn)，主要用于回轉(zhuǎn)體工件上環(huán)形縫的焊接、堆焊或切割。其轉(zhuǎn)速一般要求連續(xù)可調(diào)。為了傳動平穩(wěn)，減輕主軸受力， 常在大型垂直軸式回轉(zhuǎn)平臺的被（下）面設(shè)支承滾輪；傾斜軸式回轉(zhuǎn)臺夾持大型圓柱（錐）體工件時，則在工件表外面設(shè)支承滾輪。如圖 1 2 所示。 圖 1 2 大回轉(zhuǎn)臺變位機 4 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 19 頁 3）滾輪架 是用兩排滾輪支承回轉(zhuǎn)體狀工件并使其繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的機械裝置。回轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)是由主動滾輪帶動，靠它們之間的摩擦力而實現(xiàn)的。除可用于回轉(zhuǎn)體工件的裝配和焊接外，還可用于非回轉(zhuǎn)體工件的焊接和裝配，這時工件需夾持在支承環(huán)內(nèi)，由滾輪架帶動支承環(huán)而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。如圖 1 3 所示。 圖 1 3 焊接滾輪架 4 圖 1 4 焊接變位器 4 1.6.2 焊機變位機械的類型 焊機變位機又稱為焊接操作機，其主要功能是實現(xiàn)焊機或焊接機頭的水平移動和垂直升降，使其達到施焊部位，多在大型焊件或無法實現(xiàn)焊件移動的自動化焊接的場合下使用。其適應(yīng)性決定于它在空間的活動范圍。按其結(jié)構(gòu)特征焊機變位機械可歸納為平臺式、懸臂式和門橋式三種類型。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 20 頁 （ 1） 平臺式焊機變位機 由平臺、立架（柱）和臺車組成。焊接機頭在平臺式上可作水平移動，平臺沿立架能垂直升降，立架安在臺車上，臺車沿軌道行走。 （ 2） 懸臂式焊機變位機 懸臂和立柱是基本構(gòu)成部分，若增加臺車，則活動范圍加大搖臂式焊機變位機的臂 長不變，能繞立柱旋轉(zhuǎn)和沿立柱升降，機頭可沿臂上的導(dǎo)軌作水平移動；伸臂式操作機的機臂通過滑座能在水平方向伸縮其長度，又能繞立柱軸旋轉(zhuǎn)和垂直升降。 （ 3） 門橋式焊機變位機 它分為橋式和門式兩種類型。橋式焊機變位機是由梁和兩個起支承和行走作用的臺車組成，焊機接頭可沿梁作橫向移動，臺車沿軌道可作縱向移動。門式焊機變位機比橋式多一門架，焊接機頭可在門梁上作橫向移動，或者在另設(shè)的可沿門柱上下升降的橫梁作橫向移動。 1.6.3 焊工變位機的類型 焊工變位機按其動作可分為水平移動和升降兩類，以升降者居多。兩者都是將人工（焊工、檢 驗工等）和施焊（或探傷）用的器材送到施工部位的機械裝置。它們主要在高大的焊接結(jié)構(gòu)施工時用，生產(chǎn)既安全又快速。 1.7 幾種常見的焊件變位機的類型及特點 （ 1） 雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機： 該種變位機適合裝載機的后車架、壓路機機架等工程機械長方形結(jié)構(gòu)件的焊接，形式如圖示 1 5 兩種樣式，其主要特點是立柱一端電機驅(qū)動工作裝置沿一個回轉(zhuǎn)方向運轉(zhuǎn)，另一端隨主動端從動。兩側(cè)立柱可設(shè)計成可升降式，以適應(yīng)不同規(guī)格產(chǎn)品。這種型式變位機的缺點只能在一個圓周方向回轉(zhuǎn)，選擇時要注意焊縫形式是否適合。 （ 2） 型雙座式頭尾雙回轉(zhuǎn)型式 ： 與第一種變位機型式相比，即在圖 1 5 第二種的基礎(chǔ)上被焊結(jié)構(gòu)件在另外一西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 21 頁 個空間又增加一個旋轉(zhuǎn)自由度。 如圖 1 6 這種型式的變位機焊接空間大，工件可被旋轉(zhuǎn)到需要的位置，設(shè)計先進，目前已在工程機械許多廠家成功使用。該變位機可根據(jù)各廠的工藝情況在裝載機、挖掘機、壓路機等結(jié)構(gòu)件焊接時應(yīng)用。 圖 1 5 雙立柱單回轉(zhuǎn)式變位機 3 圖 1 6 型雙座式頭尾雙回轉(zhuǎn) 機型 3 （ 3） 型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機 ： 該種變位機如圖 1 7 所示，其工作裝置型，有兩個方面的回轉(zhuǎn)自由度，且兩個方向都可以 任 意回轉(zhuǎn)。此變位機與其它類型變位機相比，開敞性好，容易操作。型變位機已在裝載機前車架焊接中成功的使用，而且使用效果很好，深受現(xiàn)場操作工的歡迎 。 （ 4） 型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機 ： 如圖示 1 8，型回轉(zhuǎn)形式與型機相同，只是為了方便夾具體的設(shè)計，根據(jù)結(jié)構(gòu)件的外形，變位機的工作裝置稍作變動。該種型式焊接變位機，適合裝載機的鏟斗、挖掘機的挖斗等焊接 。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 22 頁 圖 1 7 型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機 3 圖 1 8 型雙回轉(zhuǎn)焊接變位機 3 (5) 座式通用變位機： 如圖 1 9， 座式焊接變位機工作臺有 一個整體翻轉(zhuǎn)的自由度，可以將工作翻轉(zhuǎn)至理想的焊接位置進行焊接。另外工作臺還有一個旋轉(zhuǎn)的自由度。該種變位機已被多個廠家系列化生產(chǎn)，其適合工程機械的小型焊接件 以 及一些管類、軸類、盤類等中小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接 在選擇變位機時要根據(jù)工件的形狀、焊縫的形式及工藝現(xiàn)狀選取，否則，有可能不好用或不能用。 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（ PLC、微機控制）和機器人配套型產(chǎn)品。與焊接機器人配套用的變位機，開發(fā)了十余個品種。包括：工位變換變位機（不參與焊接），如，立式雙工位、四工 位、八工位變位機，雙座單回轉(zhuǎn)式八工位和傾翻回轉(zhuǎn)式雙工位變位機等；與機器人配套焊接變位機（機器人外部軸），如，傾翻 -回轉(zhuǎn)伺服傳動式、雙座單回轉(zhuǎn)伺服傳動式、多軸單回轉(zhuǎn)伺服傳動式等。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 23 頁 圖 1 9 座式通用變位機 3 1.8 設(shè)計本焊接變位機的目的和意義 本焊接變位機設(shè)計的目的主要是為了實現(xiàn)重量在 100kg 范圍內(nèi)的工件在焊接時的焊縫位置的變位和實現(xiàn)自動焊接盤狀工件。在焊接生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到 焊接各種軸類 、 盤類 、 筒體等回轉(zhuǎn)工件 ，如果是手工操作焊槍以實現(xiàn)工件的環(huán)焊縫焊接，有很多的不便，焊縫質(zhì)量差，工人勞動強度也大， 本焊接變位機可以很好的克服這一問題。 本焊接變位機是一種小型焊接變位機，尤其是適應(yīng)中小型焊件的變位，相比大噸位焊接變位機可以節(jié)約能源，提高效率，尤其是大批量生產(chǎn)時本焊接變位機價格便宜，易于實現(xiàn)廣泛的使用。 第 2 章 總體設(shè)計 2.1 本焊接變位機總體設(shè)計及適用范圍 焊接變位機設(shè)計的出發(fā)點是滿足系統(tǒng)的功能 ,從變位機械在該生產(chǎn)線中的功能入手分析 ,它主要包括以下幾個方面的功能： （ 1） 對焊件的停放； （ 2） 能適應(yīng)不同尺寸形狀的焊件的焊接； 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 24 頁 （ 3） 能夠?qū)⒋更c沿著一定的運動軌跡移動到最佳焊接位置。 因此根據(jù)焊接變位機使用要求以及市場需求，本焊接變位機的總體設(shè)計要求如下： （ 1） 本焊接變位機為兩個自由度的焊件變位機； （ 2） 其最大負載為 100kg； （ 3） 工作臺傾斜角度為 0 135，工作臺傾斜角速度 V 傾 0.31r/min； （ 4） 工作臺回轉(zhuǎn)角度為 0 360，工作臺回轉(zhuǎn)角速度 V 回 0.53.15r/min； （ 5） 能適應(yīng)不同尺寸形狀的焊件； （ 6） 盡量采用標準件，便于加工制造。 本焊接變位機適用于小焊件的焊接，一般是那種手工不易搬動或者搬起來比較費力的焊件，對手工焊和自動焊都適用，主要是用來把焊縫變到易于施焊的位置，比如平焊 和“船型”焊接位置。 2.2 設(shè)計方案的確定 在對焊接變位結(jié)構(gòu)機械設(shè)計時 ,其設(shè)計依據(jù)是焊接工件及焊縫的形狀特征信息 ,在設(shè)計過程中還需綜合考慮多方面的因素 ,如工件的焊接方法及其工藝規(guī)范等。 本焊接變位機由工作平臺、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、傾斜機構(gòu)、機座、控制裝置、焊接導(dǎo)電裝置等部分組成。 （ 1） 工作平臺 它用于工件的停放。由于焊接變位機一般情況下需配合夾具工作，完成工件的翻轉(zhuǎn)及焊接。因此在工作臺表面開溝槽，用于固定工件的夾具的移動及固定。同時工作臺面表面經(jīng)網(wǎng)格狀處理后增大了摩擦，便于工件在變位時位置的固定。 （ 2） 工作 臺回轉(zhuǎn)機構(gòu) 工作臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于實現(xiàn)工作臺面上被焊接件回轉(zhuǎn)運動的實現(xiàn)。該部分主要是傳動部分的設(shè)計。包括傳遞動力、改變運動方向、改變運動速度。 2 1 1 傳動機構(gòu)類型選擇的一般原則 ： 小功率傳動，宜選用結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、標準化程度高的傳動機構(gòu)，以降低制造成本。 大功率傳動，應(yīng)優(yōu)先選用傳動效率高的傳動機構(gòu)，如齒輪傳動，以降低能西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 25 頁 耗。 工作中可能出現(xiàn)過載的工作機，應(yīng)選用具有過載保護作用的傳動機構(gòu)，如帶傳動。但在易 爆 、易燃場合，不能選用摩擦傳動，以防止靜電引起火災(zāi)。 載荷變化較大，換向 頻繁 的工作機， 應(yīng)選用具有緩沖吸振能力的傳動機構(gòu)，如帶傳動。 工作溫度較高、潮濕、多粉塵、易爆、易燃場合，宜選用鏈、閉式齒輪或蝸桿傳動。 要求兩軸保持準確的傳動比時，應(yīng)選用齒輪或蝸桿傳動 6。 由于各種傳動的單級傳動比均有相應(yīng)的容許極限值，故對傳動比很大或較大的機械需用二級或二級以上的多級傳動。多級傳動可 全由 嚙合傳動組成，或全由摩擦傳動組成，也可用摩擦傳動和嚙合傳動組成，還可由常規(guī)的普通傳動和非常規(guī)的行星傳動組成。 在多級傳動中，各類傳動機構(gòu)的布置順序不僅影響傳動的平穩(wěn)性和傳動效率，而且對整個傳動裝置的結(jié)構(gòu)尺寸 也有很大影響。因此，應(yīng)根據(jù)各類傳動機構(gòu)的特點合理布置，使各類傳動機構(gòu)得以充分發(fā)揮其優(yōu)點。 2 1 2 常用傳動機構(gòu)的一般布置原則是： 摩擦傳動 (例如帶傳動 )的承載能力一般較低，在傳遞相同的扭矩時其結(jié)構(gòu)尺寸大于嚙合傳功，故在多級傳動中宜置于高速級，又因其工作平穩(wěn)性好，故置于高速級還能起吸震緩沖作用。 嚙合傳動中的蝸桿傳動多用于大傳動比和中小功率場合，其承載能力一般較齒輪傳 動低 ，為獲得較小的結(jié)構(gòu)尺寸，宜置于高速級。這時，雖然齒面相對滑動速度較高，卻有利于建立流體潤滑油膜， 能 為提高承載能力和效率帶來好處。 考 慮到大尺寸、大模數(shù)的圓錐齒輪加工比較困難，故在多級傳動中宜置于高速級，但這時圓周速度較大，需提高制造精度，導(dǎo)致成本提高。 斜齒傳動的工作平穩(wěn)性優(yōu)于直齒傳動，相對來說應(yīng)置于高速級。 鏈傳動具有固有的運轉(zhuǎn)不均勻特性，沖擊甚大，故宜置于低速級。 開式齒輪傳動的工作環(huán)境一般甚差，潤滑條件不良，故宜置于低速級。 改變運動形式的傳動和機構(gòu) (如螺旋傳動、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu) )，應(yīng)西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 26 頁 布置在多級傳動中的最后一級。 對于 NGW(2K H)型和 N(K H V)型內(nèi)嚙合行星傳動，因具有承裁能力高而結(jié)構(gòu)尺寸小、效率高而傳動比大 的特性，故在多級傳動中可考慮置于低速級。 若機械中有制動裝置，則其后不應(yīng)采用摩擦傳動。順便指出，機械中的制動裝置通常置于高速級 6。 此外，設(shè)計多級傳動時，運動鏈越簡短越好。運動鏈越簡短，機構(gòu)和零件的數(shù)量就越少，能量消耗也少，制造、裝配、使用、維修和保養(yǎng)費用也低并利于提高整機的效率和運轉(zhuǎn)精度。 因此根據(jù)以上設(shè)計準則以及設(shè)計要求，工作臺回轉(zhuǎn)機構(gòu)由電機驅(qū)動，通過一級帶輪傳動，然后經(jīng)過一個蝸桿減速器減速，最后一級蝸輪軸輸出至工作臺。傳動路線為：直流電機 一級帶輪傳動 蝸桿減速器，從而實現(xiàn)工作臺的回轉(zhuǎn)。此機構(gòu)的優(yōu)點在于傳動比大而結(jié)構(gòu)尺寸較小，易于吸收振動，當(dāng)傳動部分被卡住時，不會燒壞電機，同時造價比較低。 （ 3） 工作臺傾斜機構(gòu) 同樣根據(jù)設(shè)計準則以及設(shè)計要求，用電機驅(qū)動，通過大傳動比減速器（諧波齒輪減速器），蝸輪蝸桿，以及齒輪的多級減速，以獲得連續(xù)穩(wěn)定的工作臺傾斜速度。傳動路線為：直流帶減速電機 諧波減速器 齒輪傳動，從而實現(xiàn)工作臺的傾斜。 選用 蝸輪蝸桿減速裝置除了利用蝸輪蝸桿減速裝置的傳動比大及結(jié)構(gòu)尺寸小的特點外， 還 利用蝸輪蝸桿減速裝置的自鎖功能，同時采用齒輪輔助鎖定，通過控制操作使回轉(zhuǎn)機構(gòu)能夠準確平 穩(wěn) 地停留在指定位置，安全可靠。 （ 4） 控制裝置 由工作臺回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)和傾斜控制系統(tǒng)組成。 （ 5） 焊接導(dǎo)電裝置 焊接時，強大的焊接電流通過工件和工作臺回轉(zhuǎn)軸，經(jīng)導(dǎo)電裝置 (位于回轉(zhuǎn)軸中部的碳刷 )傳至工作臺，再由焊機機構(gòu)返回到焊機負極，導(dǎo)電裝置提供了一個暢通的電流回路，有效地防止了焊接電流直接通過齒輪副和軸承。既保證足夠的焊接西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 27 頁 電流，又 使上述回轉(zhuǎn)機構(gòu)免遭電流損壞。 第 3 章 傳動部分設(shè)計 3.1 傳動部分的總體設(shè)計要求 （ 1） 根據(jù)焊接速度需要，預(yù)設(shè)定： 工作臺回轉(zhuǎn)角速度 V回轉(zhuǎn) 0.53.15r/min ； 工作臺傾斜角速度 V傾斜 0.31r/min ； （ 2） 結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，成本低； （ 3） 盡量采用標準件，便于加工制造。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 28 頁 3.2 傳動系統(tǒng)的分析和擬定 工作機需由原動機輸入動力才能工作。一般來說，原動機與工作機直接相聯(lián)的情況極為少見，通常是在二者之間設(shè)置一中間裝置，此中間裝置稱為傳動裝置，簡稱傳動；在機械中，傳動裝置的功用是根據(jù)工作機的工作要求實現(xiàn)某種減速、增速、變速或改變運動形式得功能。工程實踐表明 ，傳動裝置常是機械中的重要組成部分，在整機的成本和重量中占有很大的比重，并在很大程度上決定整機的技術(shù)性能和運轉(zhuǎn)費用。因此，正確設(shè)計傳動裝置對保證整機的技術(shù)性能和質(zhì)量指標具有相當(dāng)重要的意義。 大家知道，原動機有電動機、內(nèi)燃機、汽輪機、燃氣輪機等各種類型。迄今為止，工業(yè)中應(yīng)用最廣的原動機是電動機。根據(jù)工作原理的不同，傳動分兩大類：機械傳動和電傳動。在機械傳動中，又分摩擦傳動、嚙合傳動、液壓傳動和氣壓傳動。 設(shè)計傳動裝置時，首先必需擬定傳動方案 (或稱傳動系統(tǒng)、傳動 簡團 或運動鏈 )，即選定傳動型式。所以，必須了解、掌 握、分析和比較各種有關(guān)傳動的性能、特點和適應(yīng)范圍合理選定傳動型式及其組成的傳動 方式 以滿足整機的運動、動力和其他要求。 選擇傳動型式時，應(yīng)當(dāng)考慮的主要指標是：功率；效率；運動性能；外形尺寸；重量；生產(chǎn)率和成本等?，F(xiàn)分別簡要闡述如下： （ 1） 功率 每種傳動所能傳遞的功率大小與該傳動的工作原理、承載能力、工作速度、效率、材料和制造精度等因素有關(guān)。一般來說，嚙合傳動傳遞的功率高于摩擦傳動，但是嚙合傳動中的蝸桿傳動則因齒面相對滑動速度較大，導(dǎo)致發(fā)熱量大和效率較低而不宜傳遞較大的功率；同步齒形帶傳動則因材料 關(guān)系亦不能傳遞大的功率。 （ 2） 效率 效率是評定傳動質(zhì)量指標的一個重要參數(shù)。高的效率意味著節(jié)約動力和節(jié)約運行費用。效率低的傳動一般不用于傳遞大的功率。通常嚙合傳動的效率高于摩擦傳動，但普通圓柱蝸桿的傳動效率可能低于摩擦傳動。 （ 3） 速度 速度是傳動裝置的一個主要運動特性。提高傳動的速度是機械的主要發(fā)展方向之一。影響速度的因素有動載荷和制造精度等。在常規(guī)傳動中，除螺旋傳動和鏈傳西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 29 頁 動外，嚙合傳動的容許速度一般高于摩擦傳動。 （ 4） 傳動比 傳動比是傳動裝置的又一運動特性。每種傳動因受外形尺寸或承載能力等因素的 限制，均有各自適用的最大傳動比值。此外，還應(yīng)考慮傳動比值的精確性問題。對于要求精確傳動比的機械，不能采用摩擦傳動而應(yīng)采用嚙合傳動。 （ 5） 外廓尺寸、重量及成本 傳動裝置的外廓尺寸和重量與傳動零件材料的機械性能、容許傳遞速度、容許傳遞功率等密切有關(guān)。在上述條件確定情況下，單級傳動的外廓尺寸和重量主要取決于傳動型式。一般說來，嚙合傳動比摩擦傳動輕巧，但成本較高。在嚙合傳動中，蝸桿傳動和一些內(nèi)嚙合行星傳動的尺寸和重量通常最小。 采用何種傳動型式較為相宜，應(yīng)根據(jù)具體情況進行具體分析，不僅考慮技術(shù)性能指標，同時考慮 經(jīng)濟成本，對提出的各種方案應(yīng)在綜合比較它們的技術(shù)經(jīng)濟指標后才可 作出 決策 5。 3.3 本焊接變位機傳動系統(tǒng)的確定 3.3.1工作臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 首先考慮到焊接速度的要求，工作臺的回轉(zhuǎn)速度比較小，因此需要的減速比比較大，為了盡量減少傳動部分的體積，同時造價比較低，所以主要采用兩級蝸桿減速器，同時在高速端采用一級帶輪減速，既可以實現(xiàn)所需要的傳動比，還可以吸收振動。用第二級蝸輪軸作為輸出軸連接到工作臺，從而實現(xiàn)工作臺的低速回轉(zhuǎn)。具體傳動的簡單示意圖如圖 4 1 所示。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 30 頁 圖 3 1 工作臺回轉(zhuǎn)系統(tǒng) 1 直流電機 2 小帶輪 3 大帶輪 4 第一級蝸桿軸 5 第一級蝸輪 6 第二級蝸桿軸 7 第二級蝸輪 8 工作臺 3.3.2 工作臺傾斜系統(tǒng) 由于工作臺的傾斜速度比較小，因此減速比也是很大，采用三級減速。為了盡量減少傳動部分的體積 ， 先采用直流減速電機減速。即電動機本身帶有減速器， 然后由單級諧波齒輪減速器減速，最后再通過齒輪減速，輸出至工作臺，從而達到所需的工作臺傾斜速度。由于結(jié)構(gòu)的需要在一級齒輪減速中加入一個傳遞齒輪。具體傳動示意簡圖如圖 3 2 所示。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 31 頁 圖 3 2 工作臺傾斜系統(tǒng) 1 直流減速電機 2 聯(lián)軸器 3 諧波齒輪減速器 4 聯(lián)軸器 5 底座 6 小齒輪 7 機架 8 傳遞齒輪 9 扇形齒輪 10 傾斜轉(zhuǎn)動軸 3.4 電動機的選擇 3.4.1 電動機類型的選擇 電動機為系列化產(chǎn)品。需要根據(jù)工作機的工作情況和運動、動力參數(shù)，合理選擇電動機的類型、結(jié)構(gòu)形式、容量和轉(zhuǎn)速。 根據(jù)本焊接變位機的功率較小，而且需要高精度自動化控制，所以選用直流伺服電機來作為動力源。博山直流伺服電機有如下優(yōu)點： 控制 精度 高 體積小 ，重量輕 動作響應(yīng)靈敏 承載能力大 調(diào)速范圍寬，低速波動小 可以模塊化設(shè)計 運行性能穩(wěn)定等 所以在回轉(zhuǎn)機構(gòu)中選用博山 SZ 系列微型直流伺服電動機 ， SZ 系列微型直流伺服電動機廣泛應(yīng)用于自動控制等系統(tǒng)中用作執(zhí)行元件，也可用作驅(qū)動元件。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 32 頁 本系列電動機是我國自行設(shè)計的新系列產(chǎn)品，同老系列 S 系列產(chǎn)品相比，具有體積小、重量輕、力能指標高等特點，且產(chǎn)品系列化程度高，零部件通用化程度強。 按激磁方式本系列電動機分為他激（并激）、串激、復(fù)激三種。 按使用環(huán)境條件本系列電動機分為普通型和濕熱帶型兩類。 本系列電機 與 WK、 SK 系列直流調(diào)速電源相匹配，可實現(xiàn)無級調(diào)速、張力控制、正反運行等功能。 型號說明： 使用條件： 海拔不超過 4000m； 允許溫升：不超過 75K（海拔為 1000m時） ； 環(huán)境溫度： -40C +55C 任意安裝位置：對濕熱帶型電動機 空氣相對濕度 95%（ 25C時）； 還允許在下列條件下工作 振動：振頻 10 150Hz，加速度 2.5g； 有凝露； 沖擊： 7g（峰值）；有霉菌。 博山 SZ系列微型直流伺服電動機 技術(shù)數(shù)據(jù)如表 3 1。 由于傾斜 機構(gòu)中需要更加大的傳動比，所以選用博山 J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流減速電動機 ， 分別由 SZ(ZYT)系列直流電動機與 PX型普精度行星減速器構(gòu)成，且配帶電源，可實無級調(diào)速。調(diào)整范圍寬、體積小、重量輕、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輸出轉(zhuǎn)矩大，廣泛使用于引進設(shè)備及國產(chǎn)機械。電源采用脈寬調(diào)制技術(shù)，具有先進的短路保護功能 ， 連續(xù)可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源，使電動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)無級變速等優(yōu)點 。 表 3 1直流伺服電動機 技術(shù)數(shù)據(jù) 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 33 頁 直流減速電機 型號說明： 總型號： 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 34 頁 減速器型號 ： 博山 J-SZ(ZYT)-PX系列微型直流減速電 動機 技術(shù)數(shù)據(jù)如表 3 2所示。 3.4.2 電動機功率的確定 電動機的功率選的合適與否，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有很大的影響。 所選的電動機的額定功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率 7。 由 3 1式計算： (1 1 . 3 ) dPP額 定 （ 3 1） 式中 P 額定 電動機的額定功率（ kW）； Pd 機械要求電動機輸出的功率（ kW）； 機械要求電動機的輸出功率按 3 2式計算 wdPP （ 3 2） 式中 wP 機械所需輸入的功率（ kW）； 電機至工作機之間傳動裝置的總效率。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 35 頁 表 3 2直流減減速電動機 技術(shù)數(shù)據(jù) 工作機所需功率 Pw 由工作機的工作阻力 (F 或 T)和運動參數(shù) (v 或 n)， 按式（ 3-3）和（ 3-4）進行計算。 當(dāng)直線運動時， 1000wFvPw （ 3 3） 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 36 頁 當(dāng)回轉(zhuǎn)運動時， 9550wTnPw （ 3 4） 式中 F 工作機阻力 (N)； v 工作機線速度 (m/s )； T 工作機阻力矩 (N m)； n 工作機轉(zhuǎn)速 (r/min)； w 工作機效率，根據(jù)工作機的類型確定，本焊件變位機取 w 0.8。 1.本焊機傳動裝置總效率的確 定 電動機至工作機的傳動裝置總效率可按 3 5式計算： 1n 2 （ 3 5） 式中 1， 2， n 分別為傳動裝置中每一傳動副 (如齒輪、蝸桿、帶或鏈傳動等 )、每一對軸承及每一個聯(lián)軸器的效率，其概略值可由參考文獻 5中， 表 5 35 選取。 得 聯(lián) 0.98 齒 0.98 蝸 0.8 軸承 0.99 諧波 0.97 帶 =0.96 2.計算總效率 a 時應(yīng)注意的幾個 問題： （ 1） 所取傳動副效率中是否包括其支承軸承的效率，如已包括，則不再計人該對軸承的效率。軸承效率均指一對軸承而言。 （ 2） 同類型的幾對傳動副、軸承或聯(lián)軸器，要分別計入各自的效率。 （ 3） 蝸桿傳動嚙合效率與蝸桿參數(shù)、材料等因素有關(guān)，設(shè)計時可先初估蝸桿頭數(shù)其效率值，待蝸桿傳動參數(shù)確定后再精確地計算效率，并校核傳動功 （ 4） 資料推薦的效率一般有一個范圍，可根據(jù)傳動副、軸承和聯(lián)軸器等的工作條件、精度等要求選取具體值。例如，工作條件差、精度低、潤滑不良的齒輪傳西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 37 頁 動取小值，反之中間值。 綜合考慮到以上提到的注 意問題和根據(jù)傳動裝置總效率的計算式得 7： （ 1） 工作臺回轉(zhuǎn)機構(gòu) 傳動裝置總效率： 62 帶 蝸 蝸軸 承 0. （ 3 6） （ 2） 工作臺傾斜機構(gòu) 傳動裝置總效率： 0 8 6 8 a 聯(lián) 諧 波 聯(lián) 齒 齒軸 承 . （ 3 7） 3. 工作機阻力矩驅(qū)動功率的確定 由焊接回轉(zhuǎn)臺驅(qū)動力矩的計算式，由參考文獻 7可得如下公式計算工作阻力矩： 圖 3 3 焊接變位機回轉(zhuǎn)機構(gòu)的受力狀態(tài) 7 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 38 頁 ,abG e G eFFll （ 3 8） 0 . 5 ( )f a a b bM f F d F d （ 3 9） fT G e M （ 3 10） ()9 5 5 0 9 5 5 0fG e MTnP （ 3 11） 式中 P 回轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動功率（ kW）； Mf 軸