evifitting焊接设备的优化设计论文-学位论文.doc

苏州大学本科毕业生毕业设计（论文）成教毕业论文（设计）题 目 EVI fitting 焊接设备的优化设计 院 系 机电工程学院 专 业 机械设计及其自动化 班 级 考生姓名 准考证号 指导老师 苏州大学成教毕业设计（论文）任务书学院：机电工程学院 设计（论文）题目：EVI fitting 焊接设备的优化设计指导教师姓名倪俊芳 职 称教授类 别学 生 姓 名学 号设计（论文）类型毕业论文专 业 名 称机械设计及其自动化班 级11（1）班是否隶属科研项目否1、设计（论文）的主要任务及目标本课题对EVI fitting 焊接设备进行优化设计，使其达到缩短加工周期，提高焊接质量，易维护保养的目的。2、设计（论文）的主要内容 1 熟悉焊接的基础知识，尤其是熔化极气体保护焊的工艺。查阅国内外最新的研究成果，结合实际工件的尺寸和焊接要求，整合出最优的焊接参数。 2 将原有设备改造成回转工位(二工位)，回转台由伺服电机驱动保证精确定位。 3 运用所学的控制方面的知识，对控制系统进行规划设计，保证系统安全，准确，可靠的运行。根据生产流程，分配I/O点数，选择合适的PLC型号。3、设计（论文）的基本要求综合运用所学知识，独立完成设计任务，具体地说，应培养以下几个方面的业务能力： 1 改进方向在于引弧过程的改善，逆变焊接电源及多丝焊接的运用。 2 设计出能满足工序要求的夹具，做到上下料简便，且定位精确，换型方便。 3 熟悉梯形图的编程。4、主要参考文献 1 龚仲华，史建成，孙毅.三菱FX/Q系列PLC应用技术M.北京：人民邮电出版社，20062 王华坤，范元勋.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，2001 3 成大先.机械设计图册M.北京：化学工业出版社，20004 张春林，曲继方，张美麟. 机械创新设计M. 北京：机械工业出版社， 20015 王元良，屈金山，胡久富. 高效节能的细丝自动焊接研究J.焊接技术，20006 马跃洲.微机控制的IGBT逆变CO2电源J. 甘肃：甘肃工业大学学报，19997 李鹤岐，田坤，王睿. 波形控制二氧化碳弧焊电源设计D. 甘肃：兰州理工大学，20048 陈裕川.现代自动化专用设备设计概论J. 上海：现代焊接，20079 张建民. 机电一体化系统设计M. 北京：北京理工大学出版社，200110 鲁远栋. PLC机电控制系统应用设计技术M.北京：电子工业出版社，200611 朱熹林. 机电一体化设计基础M. 北京：科学出版社，200412 袁建国，陈愚，吴宪平.CO2气体保护焊短路过渡电弧点焊薄板技术J.电焊机，200013 杜君文，邓广敏.数控技术M.天津：天津大学出版社，2002.14 王润孝,秦现生.机床数控原理与系统M.西安：西北工业大学出版社,19975、进度安排设计（论文）各阶段任务起 止 日 期1动员，熟悉课题参观2013.10/08-10/122查阅焊接工艺和方案设计2013.10/13-10/303机械零件，电气部分设计2013.10/31-11/154期中检查11/16星期六一点钟5整理主要数据，图纸，PLC程序2013.11/16-11/306完善和答辩12初毕业设计说明书(论文)中文摘要焊接在生产中的应用已日趋广泛，如何进一步提高焊接质量及焊接效率、改善劳动条件已成为生产面临的主要问题。根据加工工件的形状、尺寸、精度等实际使用要求，对EVI fitting焊接设备进行总体规划和分析，结合国内外焊接工艺的研究成果对引弧过程进行优化，主要设计出双工位回转工作台及定位夹紧机构。设计方案缩短了EVI fitting焊接设备的生产周期并提高了焊接质量，也为其他焊接设备的改造提供了参考。 The application of the welding in production is increasing widely. Further improving of the welding quality, welding efficiency and the working conditions has become a main course of manufacture. In this thesis, gives a blue prints and general analysis of EVI fitting welding equipment according to the real condition requirment such as the shape, the measurement and the precision. It also optimizes the procedure of striking arc based on the latest domestic and international research of the welding technics, and mainly discusses the design of double-operating position of the turn table including the clamps. The project abridges the cycletime, improving the welding quality also gives a reference of other welding equipment optimization.目录1 绪论7 1.1 课题研究背景7 1.2 国内外研究状况及分析7 1.3 本课题主要研究的内容82 EVI fitting 焊接设备需求分析及总体设计9 2.1 工作流程及各个动作的周期时间9 2.2 设备结构及布局分析10 2.3 设备优化设计方案113 焊接工艺改进设计13 3.1 逆变焊接电源应用与引弧优化14 3.2 双丝焊工艺以及保护气164 机械结构设计18 4.1 回转工作台设计18 4.2 定位方式18 4.3 上下料夹具225 设备电气控制24 5.1 系统规划24 5.2 电气控制原理图26 5.3 焊接过程程序设计27结论28致谢29参考文献30 苏州大学本科毕业生毕业设计（论文）专业：机械设计制造及自动化 指导老师： 倪俊芳1.绪论1.1 课题研究背景近一百年来，焊接已成为应用最广的工艺之一。在本世纪，很难找出另一种发展如此之快，并在应用规模和多样化方面能与焊接相比的工艺。当代许多最重要的技术问题必须采用焊接才能解决，而且接头要在各种条件，甚至极限条件下工作。本课题来源于艾默生环境优化技术(苏州)有限公司的实际生产。在压缩机的生产中，焊接作为最重要的一道工序对整个产品的质量有重要的影响，焊接接头在密封的同时必须能够承受一定的压力。随着EVI型号压缩机的逐步畅销，原有的EVI fitting 弧焊设备无论是在生产效率还是在焊接质量上都已经不能满足要求，而且，此道工序处在整个流水线的中间，由于其时间过长导致生产线堵塞，已经成为整个生产线的瓶颈，对生产率造成很大影响。因此，急需对EVI fitting 焊接设备进行改造，将其加工周期时间从原来的46缩短到20以内，并提高焊接质量。据初步估计，每年能为公司带来千万元的获益。1.2 国内外研究状况及分析焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。而且，随着相关学科技术的发展和进步，不断有新的知识融合在焊接之中。焊接在生产建设中的应用已日趋广泛，进一步提高焊接质量、改善劳动条件、提高劳动生产率已成为所有焊接工作者的强烈愿望，而采用自动控制技术则是达到上述目的的正确途径。尤其是低成本自动化设备，非常受欢迎。目前，世界各国都着重于提高焊接生产的机械化和自动化水平，尽量采用各种高效率的机械化、自动化的焊接方法、焊接设备及控制系统。随着计算机技术的迅猛发展，各种焊接设备的智能化成果与产品已大量涌现出来，这是焊接设备的一个发展方向，也是焊接生产现代化的必然趋势。而在焊接设备中所采用的微机控制系统，已由早期低档的Z80、6502等单板机发展为目前常用的Mcs-51、96、PIC等系列的工业用单片机、PC工控机以及可编程控制器(PLC)1。我国焊接设备总的趋势是向高效、节能、机电一体化和成套方面发展。逆变式焊接电源所占比重越来越大。逆变式焊接电源由于具有焊接性能好、动态反应速度快、动特性好、效率高、焊接速度高、多功能、有利于实现焊接机械化、自动化和智能化的优点，已成为弧焊电源的发展方向。据不完全统计，近年来，我国逆变焊机在品种、规格不断增加的同时，其产量和销售量每年以近30%的速度增长。 自动、半自动焊接设备，尤其是高效节能的CO2焊机将得到快速发展。近年来，通过焊接设备行业的自行开发、设计、引进技术和合资生产，我国的自动、半自动焊机的技术水平有了很大的提高。成套、专用焊接设备的研发水平得到加强，但是与国际水平相比，无论在经济实力、技术水平还是管理水平方面都存在一定的差距，因此我国的成套焊接设备制造企业不但要在提高技术、设计水平上做出努力，还要在企业质量管理、各种基础件、配套件的选用方面下功夫，争取在专用、成套焊接设备方面取得新的突破。1.3 本课题主要研究的内容本课题对EVI fitting 焊接设备进行优化设计，使其达到缩短加工周期，提高焊接质量，易维护保养的目的。包括以下几个方面：a) 焊接工艺方面 熟悉焊接的基础知识，尤其是熔化极气体保护焊的工艺。查阅国内外最新的研究成果，结合实际工件的尺寸和焊接要求，整合出最优的焊接参数。主要的改进方向在于引弧过程的改善，逆变焊接电源及多丝焊接的运用。b) 机械结构部分的重新设计 将原有设备改造成回转工位(二工位)，回转台由伺服电机驱动保证精确定位。设计出能满足工序要求的夹具，做到上下料简便，且定位精确，换型方便。c) 电气控制运用所学的控制方面的知识，对控制系统进行规划设计，保证系统安全，准确，可靠的运行。根据生产流程，分配I/O点数，选择合适的PLC型号。并且画出电气原理图，同时熟悉梯形图的编程。2. EVI fitting 焊接设备需求分析及总体设计本焊机适用于1种高度的VR53型号(D=140mm)和1种高度的VR63型号(D=175mm)压缩机，外形如图 0.1所示，其中吸气管和fitting成，fitting已经通过螺纹连接装配到压缩机上。为了防止漏气需对连接处焊接密封，本设备要完成的就是这道工序，要求保证焊接质量同时使焊缝外形美观，接头能通过静态液压测试，耐压为1000psi，设备生产速度达到20s/台(包括上下料时间)。图 0.1 压缩机外形2.1工作流程及各个动作的周期时间2.1.1设备的工作流程：(1)在装料工位操作员用气动夹钳夹紧压缩机主体，旋转90装夹到定位支承座上，并启动吸气管定位夹具自动动作进行粗定位。启动装料完成按钮，大转台转动将工件转入焊接工位（双工位工作台，包括上料工位和焊接工位）。(2)机器自动焊接上夹具动作，fitting 内孔定位销下降进行精定位，焊枪到位开始焊接，同时下夹具转盘旋转(转盘以fitting为中心由伺服电机驱动旋转)。焊接完成后，转盘复位，同时上夹具，焊枪回位。如果启动装料完成按钮则大转台旋转180将工件转入卸料区，用气动夹钳夹紧压缩机主体旋转90将工件放入输送盘，重复以上过程实现连续焊接。 (机器所有动作皆具自动和手动功能)2.1.2各个动作的周期时间表 0.1分解动作时间分析工序时间分析上料14s可以看出，焊接过程的总时间是16s大于上料时间和下料时间。在焊接的同时进行上下料是可行的，但是必须需要两个作业员，分别负责上料和下料。焊接的总时间小于20s，符合生产的要求。大转台旋入2s进枪(上夹具精定位)2s焊接(小转盘回转)12s退枪2s大转台旋出2s下料15s2.2设备结构及布局分析 机架形式主要取决于所焊工件的形状和大小，最常用的有：侧梁式、立柱式、悬臂式、龙门式和立柱横梁式等，机架的作用主要是安装焊接机头及其移动机构、焊件变位机械和夹紧支撑机构等。在设计机架时应进行机架强度和刚度的计算和校核，特别是悬臂式和立柱横梁式机架，应保证焊接接头在极限位置，并在最大的额定负载下，其桡度不超过1/1000。机架可以采用型钢、板材等组焊而成，焊后经消除应力处理后再进行机械加工2。在设计焊头移动驱动机构或焊件变位传动机构时，首先应确定所选用的焊接工艺然后按照工艺要求的焊接速度控制精度和变速范围3。焊枪夹持器和调节机构是专用焊接设备的重要组成部分之一，其作用是使操作者能方便地将焊枪对准所焊接缝，并调整至所要求的最佳位置。焊枪夹持器的结构取决于焊接工艺方法和焊枪的外形尺寸。焊件的夹紧机构对保证焊件的焊接质量和提高焊接效率起着十分重要的作用。例如薄板的拼接和薄壁筒体纵缝的焊接，为达到焊后无变形的效果，必须采用琴键式压紧机构，对于薄壁筒体环缝的焊接通常采用气动卡盘和气动对中机构。同时，在机械设计中经常要考虑的环境因素很多，如温度、湿度、照明、噪声、振动、粉尘、风力及有毒物质等。随着人类生产活动领域的扩大，影响因素还有失重、超重、异常气压、加速度及电离辐射等，还应考虑到人的心理和生理条件，如人体尺度、人体力学、人对各种信息的反应敏感程度、对环境条件的承受能力、对形状和色彩要求等。设计时必须全面考虑各种条件和要求，进行综合分析和决策，求得正确的解决方案4。本设备由工作台及机身，大工作转台、焊接旋转工装、焊枪自动移动机构、焊接电源、电气控制系统构成。设备的行程空间在设计时有一定的灵活性，考虑到为长度比现有型号还长25% 的压缩机留有一定的空间。所有测量仪和压力表都安装在利于操作员观察的位置，控制阀必须带有压力表。(1) 工作台及机身：钢结构焊接件，焊接后整体采用人工回火处理，并经精加工而成保证机架长时间工作后精度不因应力变形而受到影响。工作台为整体加工件，保证其工作面的平面度。(2) 转台：由日本三菱PLC控制安川伺服电机驱动主轴旋转，由定位夹具、定位气缸及定位销等组成。设备的工装夹具严格按要求热处理并保证其加工精度；所有定位夹具都需经表面热处理，保证零件的尺寸公差。(3) 焊枪自动移动机构：由焊枪单独(X、Y、Z)方向可调节机构，焊枪移动机构等几部分组成。(4) 焊接部分:由松下MAG焊接电源 ，宾采尔水冷式焊枪组成。2.3设备优化设计方案 2.3.1焊接工艺改造方案焊接工艺是指焊接过程中的一整套工艺程序及其技术规定。内容包括：焊接方法、焊前准备、装配、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、焊接工艺参数以及焊后处理等。对焊接工艺的改进主要是为了提高焊接质量及焊接速度5。用混合气体75-95% Ar + 25-5 % CO2，(标准配比：80%Ar + 20%CO2)做保护气体的熔化极气体保护焊，称为MAG焊。本设备采用这种焊接工艺，焊接时当焊丝端部的熔滴与熔池短路接触(短路过渡)时，由于强烈过热和磁收缩的作用使熔滴爆断，产生飞溅，对焊缝质量及外观都有影响。对焊接工艺的改进主要集中在减少焊接过程的飞溅，在等速送丝系统下，当弧长变化时会引起电流和熔化速度变化，电源电弧系统的自身调节就是为了使弧长保持稳定。使用的焊丝直径越细，电弧的自身调节作用越强，电弧越稳定，飞溅越少，这就是MAG焊接用细焊丝的原理。同时焊机的输出电抗器和波形控制也可以将飞溅降低至最小程度。MIG/MAG焊接中，当焊接电流低于临界电流值时，如果采用带脉冲的电源，其脉冲电流仍然大于临界电流值，电弧便能呈射流过渡状态，实现无飞溅焊接6。综上所述，对焊接工艺的改进主要是针对焊接电源，双丝焊参数调整及引弧过程的优化。 2.3.2机械结构改造方案及比较EVI fitting 焊接设备是生产线的瓶颈工作站，从各个动作的周期时间可以看出，时间大部分都浪费在上下料的操作上。由于焊接时间12秒是固定的，为提高生产效率只能降低上下料的时间。从前文所述的设备工作流程中可以看出，对设备的改造主要是回转工作台的设计，在焊接的同时，也可以进行上下料的操作，这样，整个的周期时间就缩短为焊接时间加上工作台回转的时间。上下料机械手的设计也是重要的部分，必须要做到使用方便，符合人机工程，使上下料的总时间压缩至焊接时间之内。三工位回转台的方案如图 0.2所示。在设计初期，对回转工作台的二工位还是三工位设计进行了比较，同时对于是否采用全自动上下料机械手进行了探讨。 图 0.2 三工位回转台及自动上下料机械手示意图相对于二工位方案，三工位方案在操作空间及焊接速度上具有优势，两个机械手分别负责上料和下料也可以保证互不干涉，但机械手抓取时工件的定位可能会容易出现偏差，因为工件在流水线上传输过来的时候难免会有晃动，导致每个工件的位置都不一样。另外，三工位的回转台只能顺一个方向旋转，不像二工位的一样可以正转一次反转一次交替。焊接设备包含大量的电气管道，冷却水管路等，工作台不可能顺着一个方向转。不过三工位的方案，理论上可以采用电刷机构保证回转运动，但是考虑价格以及可维护性，最终方案定为二工位回转工作台和手动气控夹钳平衡吊。3.焊接工艺改进设计常规的MAG焊接方法的效率与传统的焊条电弧焊相比提高了34倍，因此，通常将其视作高效焊接法。但近期通过对MAG焊电弧和熔滴过渡的深入研究，MAG焊电源和设备的改进，优质焊丝的开发和保护气体配比的优化，使MAG焊的熔化率超越了原有的极限，对高效MAG焊赋予了全新的概念。3.1逆变焊接电源应用与引弧优化为了保证焊接电弧稳定燃烧和适应各种焊接工艺要求，弧焊电源具有下列特殊要求7：(1)弧焊电源的静特性(或称外特性)即稳态输出电流和输出电压之间的关系，有下降特性(恒流特性)和平特性(恒压特性)。(2)弧焊电源的动特性即当负载状态发生瞬时变化时(如：熔滴的短路过渡、颗粒过渡、射流过渡等)，弧焊电源输出电流和输出电压与时间的关系，用来表征对负载瞬变的反应能力。逆变电源被称为明天的电源，其在焊接设备中的应用为焊接设备的发展带来了革命性的变化。逆变焊接电源有着动态反应速度快的优势，其动态反应速度比传统工频整流焊接电源提高了23个数量级，有利于实现焊接过程的自动化和智能控制。波形控制工艺(PMW)的独特概念反映了逆变换流器变压电源的特色。如图 0.1所示，焊接的能源输出被一个高速的放大器放大。控制能源输出的软件通过优化输出，为焊接提供了各种熔滴过渡形式所需的最佳电流波形。图 0.1 逆变电源的波形控制电流波形中九种重要的组成部分如图 0.2所示可以准确的控制波形的输出特征量。而各部分之间的交互作用决定了波形具体的输出特征。图 0.2 脉冲波形其中，上行斜率决定了从基值电流到峰值电流的增长速度，其在焊丝末端形成熔滴过程中起重要作要，以A/ms为单位，最大可以达到1000A/ms。当斜率增加时，电弧的硬度也会增加。斜率越大硬度越大，电弧的噪声也会越大，减小这个增长率就会使得噪音减小。峰值电流时间表示的是电流处在峰值时的时间，它和熔滴的大小有关，以ms为单位。峰值电流时间增加，熔滴变小。峰值电流减少，熔滴变大。传统的期望值是每次脉冲峰值来临时将会有一个熔滴转移，电流处在峰值的实际时间在不到1ms到超过3ms的范围内变动。峰值电流增加，平均电流值也会增加，熔深也会增加。在实际的焊接中焊丝伸出长度(即干伸长度)越长，焊丝的电阻量越大，由电阻热消耗的电流越大，焊接电流显示值越小，实际焊接电流也变小。对于MAG焊接，焊丝端部的熔滴与熔池短路接触(短路过渡)，由于强烈过热和磁收缩的作用使熔滴爆断，产生飞溅，影响焊接质量和焊缝外形。试验结果表明，焊接飞溅主要来自焊接引弧过程。 因为从焊接引弧到稳定的射流过渡需要一定的时间，在未达到稳定射流过渡之前的熔滴过渡形式为不规则的短路过渡与大颗粒过渡的混合，所以会产生大量的焊接飞溅，即引弧过程是不稳定的过程。 焊丝末端固态金属熔球直径越大，熔球与工件相接触面积越大，电阻值越小，接触电阻热也就越小。另外，固态金属熔球直径越大，焊丝伸出长度部分的热容量也就越大，如图 0.3示。图 0.3 焊丝与工件接触工况图中A点附近焊丝的温度也就低，而焊枪导电咀与焊丝的接触点B处电阻热较多，则易在B点附近过热爆断。这时爆断的焊丝长度大于维持电弧燃烧的长度，所以电弧无法建立。于是焊丝再短路，再爆断，如此反复几次直至被爆断的焊丝长度等于或小于维持电弧燃烧长度，电弧建立。焊丝末端固态金属熔球直径小，A点接触面积小，通过接触面的电流密度增加，电阻热增加。另一方面，熔球尺寸小，热容量减少，这使得焊丝易在A点附近过热爆断，爆断长度短，电弧易引燃。因此，调节电源外特性可以方便的提高焊接质量。提高短路电流增长速度，主要是改善电源的工作状态。在整流焊机中往往利用电流电感调节焊机的动态特性，以便减小飞溅和改善成形，但是却降低了，而降低了引弧功率。为此，在引弧时常常利用旁路电路将直流电感短接，而引弧成功后再将该电感接入。但是当逆变焊机出现后，充分利用电子电抗器调节电源动特性，选用很小的直流电感，所以勿需采用上述方法，都可以得到很可靠的引弧过程。3.2双丝焊工艺以及保护气焊接时保护气用于保护金属熔滴以及熔池免受外界有害气体(氢、氧、氮)侵入，防止气孔的形成，小电流焊接时，气体流量不能太小，气体流量太小，焊缝周围被氧化发黑的程度越高。本设备焊接过程中气体流量定为10-15L/min。双丝焊是在同一个熔池和保护气体下，同时使用两个电极进行焊接的技术，它可以极大限度地提高效率，减小焊接变形，提高焊缝表面质量。在单丝MAG焊接中,提高焊接速度是很有限的，因为增加焊接速度必须伴随着电弧电压的升高，熔池变得难以控制。双丝焊接中每一个电极必须有单独的电源，两根焊丝的熔滴形成与短路时间要精确控制，如图 0.4所示，前一个电弧电流稍大些让冷的母材金属加热熔化，熔池由紧随而来的第二个电极电弧填上。注意的是保护气应该延后断气，且两电极相互绝缘，焊枪也要配备强大的双冷却系统。图 0.4 熔滴过渡时间配合对于本设备，由于接头处较小，采用直径0.8mm的焊丝，主电极电压为22V ，电流为110A，焊丝熔化速度为0.5m/min。从电极电压为23V，电流为100A，焊丝熔化速度为0.4m/min。因为没有试验证实，故对参数的设计大多是理论和经验上的估计，参数的配合还需要在实际生产中不断调整，但是双丝焊接的前景以及优势还是不容置疑的。4机械结构设计 4.1回转工作台设计 回转工作台是本文创新之处，为了满足焊接工艺要求重新设计，焊接过程中工作台承载工件作回转运动。从工件的外形如图 0.1可以看出，fitting的直径与压缩机直径比例悬殊，达到了1：20，从理论上看，让压缩机的壳体绕着这么小的fitting的中心旋转似乎有点得不偿失，毕竟如果换成是焊枪旋转而工件不动的话可以更加迅速的完成焊接(已有设备的方案)，但是从焊接实际的情况来看，焊接质量经常达不到要求，电弧在回转过程中不可避免的会产生晃动。因此，本课题重新设计焊接工艺，让工件做回转运动而焊枪保持不动，这必然导致生产效率降低。为保证生产效率，将工作台设计成二工位，即在大回转工作台的上面安置两个工位小回转工作台，在焊接的同时进行上下料。小回转工作台承载工件，fitting的中心与小工作台的中心重合。壳体绕fitting的转动可以转化成工作台的自转。4.1.1小工作台组件图 0.1 小工作台组件小工作台组件是本设备设计的重点，主要包括伺服电机，涡轮蜗杆减速器，转台，转轴及轴承套等部件。三菱PLC配合安川伺服系统进行自动控制，系统工作稳定可靠。传动部分部件采用高精度机器加工，保证加工质量，使焊接过程平稳，减小转轴径向跳动，同时伺服控制可以做到无级调速8。装配图如图 0.1所示。工作台右侧所示调节螺栓用来调节下定位模具同轴度。伺服电机水平安放，首先是考虑到伺服电机转速较大，整个系统的减速比在600：1左右，必须采用涡轮蜗杆减速器，其次是因为水平安放能更好的防止杂质对电机内部的危害，更好的保证电机的运转精度。电机轴与涡杆的连接采用刚性套筒联轴器，因为转矩很小，用圆锥销固定。对于高速伺服电机，电机轴的扭矩较小，而由于fitting处于转盘中心，转盘的直径必然要做成那么大，为680mm。为了换算到电机转轴上的转动惯量减小，小于电机的额定转动惯量，转盘的重量尽量轻，预计为50kg。转轴由轴瓦和圆锥滚子轴承支撑，可以平衡涡轮径向力对轴径向的冲击，使用两个圆锥滚子轴承是为了更好支撑，采用背对背安装可以相互平衡轴向力。轴承的型号是30212，内径为60mm.外径为110mm。锁紧螺母加套筒不但可以对轴承轴向定位还能施加一定的预紧力防止在运转过程中转轴轴线的漂移。4.1.2伺服电机选择及驱动方式本题中的三个电机选择方法相同，本文以小工作台的电机选择为例说明。数控机床的伺服系统目前采用的电机一般有步进电机，直流伺服电机，交流伺服电机。对于本设备，对于位置的控制精度要求较高，位置的定位直接关系到焊接质量。考虑到步进电机在高速时，输出力矩会急剧下降，运行不稳定。因此此处采用交流伺服电机，一方面为了以后闭环控制系统的改进留有余地，另一方面也能充分保证运行的可靠性9。a)伺服电机容量的初始选择选择条件：负载转矩电机的额定转矩 满负载转动惯量3伺服电机转动惯量对工作台转速的要求 涡轮蜗杆减速器的传动比选为 ，伺服电机自带减速器传动比为5：1，故系统传动比. 1)计算负载转矩转换到电机轴上的等效值和负载惯量转换到电机轴上的等效值将负载转矩转换到电机转轴上， (4.1)工作台驱动方式如图 0.2所示，电机转轴经过减速器、联轴器、轴承，有效率损失，假设。工件的高度为320mm，小工作台的直径为680mm，负载的重量为50kg。图 0.2 驱动方式 式中， (4.2) 工件在工作台的一侧绕工作台中心回转，如图 0.3图 0.3 转动惯量计算示意图 (4.3) 其中R=130mm, = 140mm，= 20kg式中， ， ，表示涡轮的直径，对于减速比达到120：1的减速器来说，最小的涡轮齿数为120(当头数为1时)，一般取模数 ， 将负载的转动惯量转换到电机转轴上， ，满足考虑到安全系数，初步选择电机的额定功率为400w，具体参数如表 0.1所示。表 0.1 安川伺服电机型号伺服电机型号伺服电机转动惯量减速比输出(w)额定转速(r/min)额定扭矩(N*m)SGMAH-04AAJ140030001.271：52)加速和减速转矩 (4.4) (4.5)其中，选择伺服电机时，加速转矩等于空载时最大转矩减去摩擦转矩，应该考虑负载惯量与电机惯量匹配，一般交流伺服电机。根据电机位置控制精度要求，电机加速时间定为50ms，定位时间为，运行模式如图 0.4所示。图 0.4 伺服电机运行模式及加减速转矩图中，上行斜率表示电机从启动到稳定转动的加速度。当使用指令脉冲串运行伺服电机时，在加速过程中指令脉冲和反馈脉冲的差被称为滞留脉冲，需要调整时间直到电机停止10。3)负载转矩(转换为电机轴上的等效值)0.344) 加速及减速所必须的伺服电机转矩， (4.6) (4.7)代入公式计算，综上，SGMAH-04AAJ1满足系统要求，且电机是恒转矩工作，即负载功率或者转矩低于电机的额定功率额定转矩就可以保证系统运转安全。b)伺服放大器根据选定的伺服电机的型号，选择安川SGDM10ADA伺服放大器。本设备主要对位置精度进行控制，采用17位绝对位置编码器，只需要进行一次原点设置，在电源开启和报警发生时就不需要再进行原点回归11。4.1.3转轴轴的结构设计就是确定轴的结构、各部分的直径和长度尺寸。设计时应满足下列基本要求：保证轴及轴上零件有准确的工作位置，固定可靠；轴上零件的装拆和调整方便，轴具有良好的制造工艺性；轴的结构有利于提高轴的强度、减轻应力集中等。由于传动比较大采用涡轮涡杆减速器，具有结构紧凑，传动平稳，易自锁等优点，传动比i=120。由电机参数可知，在恒转矩的情况下，电机轴的输入功率由负载而定，转速，负载连续运转扭矩转换到电机轴上为，则。查机械设计手册得联轴器的效率为，涡轮蜗杆减速器的效率为，轴承的效率，则转轴的功率，转矩。a)初估轴的直径选取轴的材料为45钢，调质处理，查表取，得b)选择输出轴连接方式两端使用键槽分别与回转工作台及涡轮连接。 图 0.5 轴的结构c)轴的结构设计1)拟定轴上零件的装配方案：如图 0.5所示，段与转盘用过键槽连接，段支撑转盘，用螺钉锁紧，段安装轴承座及圆锥滚子轴承，轴承座通过螺栓与机架连接，同时螺栓应方便同心度及同轴度的调节，轴承座对轴承周向定位。-段装轴承端盖，并用锁紧螺母锁紧，段安装轴瓦，起支承作用。段通过键槽与涡轮连接输入转矩。 2)由图 0.1可以看出，此处轴主要受扭矩作用，且各处均等于额定转矩,在输入处由于是涡轮蜗杆减速器必然还受涡轮径向力的影响，但此减速器是标准件，可以明确的是，在输入出受到的弯扭合力最大，故对此处进行校核。由于不能确定减速器处蜗杆对涡轮径向力的大小，只能近似的按照扭转条件估算，用降低许用扭转剪应力的办法来补偿弯矩对轴强度的影响。轴受扭转时强度条件是： (4.8)式中： 取40，由上式可以推出轴的直径因此，各段轴的直径如图 0.5所示，能满足强度要求。段与转盘配合，。3)轴上零件的周向定位段查手册选用平键，键槽长33mm，转盘与轴的配合为H7/n6；段涡轮与轴的联接，用平键，键槽长80mm, 配合为H7/n6。圆锥滚子轴承通过轴肩和锁紧螺母进行轴向定位。4.2定位方式工件外形如图 0.1，焊接时以吸气管作为粗定位，上夹具对fitting的定位作为精定位，工件在工作台上由V型架固定压缩机壳体，限制四个自由度，再另由一端面限制轴向的移动，当上定位组件压紧时可实现对压缩机的完全定位。在定位夹具的设计上，上夹具的精定位是难点，下文将会详细说明。 4.2.1上定位组件如图 0.6所示 ，上定位组件主要由左右移动气缸，导轨，上下移动气缸，上下移动导向轴等组成，上定位组件是保证工件正常焊接的关键部位，上定位头下行到位使fitting定位但却不压坏fitting是设计中必须注意的环节。图 0.6 上定位组件设计初期，考虑的比较简单，气缸直接通过气缸连接轴定位fitting。按照质量控制要求，要保证fitting的同心度，定位销深入的长度越长越长精度就越高，同时不能压坏fitting ，定位销的尺寸如图 0.7所示，必须保证销伸入段的长度和销的直径，从而使回转顺畅。但是，从气缸连接轴的结构来看，fitting定位销的安装就比较困难，在我看来很难保证销子能很精确的对到中心。而且，气缸行程的调节精度也达不到要求，每次调节气缸的行程都会很麻烦。当换型的时候，我们不大可能去调节气缸，我想到了加导向轴，如图 0.6所示，换型的时候，将气缸下行到位，然后松开导向轴边上的锁紧螺钉，微调导向轴即可。图 0.7 定位销定位销的安装正好可以转到导向轴上，最重要的就是保证fitting对中不斜不偏。目前的设计比较繁杂，但是还算合理。设计时，我用由下到顶的设计方法，首先销子不能直接和导向轴通过过盈配合连接，因为要换型。但同时销子要能在气缸来回的上下移动后不至于掉落。销子与销孔的配合只可以是过渡配合，同时必须在外侧加保护套。如图 0.8示意图所示为销子保护套的外形。图 0.8 保护套外形同时，对于定位头，原则上应该能够自由转动，微调的时候尤其有用处，而直接将销装配到气缸连接轴上显然达不到要求。导向轴末端应该装有轴承，并且用轴承套周向定位，考虑到以上众多因素，设计已经基本成型，如图 0.9所示。用两个圆锥滚子轴承一方面考虑相互的预紧力，另外两个轴承支撑使转动更加稳定，轴向力也能相互抵消。图 0.9 定位头组件对于左右移动和上下移动气缸的选择，曾经考虑过使用机械接触式无杆气缸，此气缸的优点是结构较紧凑，气缸表面直接可以作为滑台，但是考虑到上下移动气缸和左右移动气缸同时使用此系列的话不便于气缸的安装，且维护不便，价格昂贵。因此，为统一备件，从设计角度和经济角度考虑，采用普通拉杆式气缸。为使运动少受干扰，对滑动导轨和气缸加装保护罩。为简化设备移动机构中没有设计前后移动气缸，因此，在制造设备时必须保证上定位夹具正对fitting的中心，且固定不变。对于左右移动气缸和上下移动气缸行程螺母调整到位后必须锁紧。4.2.2下定位组件下定位模具是采用典型的V型块加面定位原理，如图 0.10所示。图 0.10 下定位组件当压缩机壳体被夹具放置到工作台上以后，吸气管搁置在定位槽内，定位槽设计由电木材镶成，主要是保证吸气管不被磨损，槽内装有小气缸，气缸伸缩端配合有