自動點焊機的設(shè)計【5張CAD圖紙+說明書完整資料】

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tracking technology to effectively solve large scale structure of the automation field welding problems Key Words Robot technology Intensity is proofreaded IV 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第 1 章 緒論 7 1 1 選題的依據(jù)及意義 7 1 1 1 選題的依據(jù) 7 1 1 2 選題的意義 7 1 2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 7 1 2 1 自動點焊機研究現(xiàn)狀 8 1 2 2 自動點焊機機構(gòu)設(shè)計的發(fā)展趨勢 9 1 3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法 9 第 2 章 自動點焊機構(gòu)總體設(shè)計 10 2 1 設(shè)計原理 10 2 2 導向桿機構(gòu)的選用要點 11 2 3 方案討論 12 2 4 本章小結(jié) 12 第 3 章 自動點焊機 Y 向結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 3 1 絲杠螺母導程的確定 13 3 2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 13 3 3 絲杠的等效負載 13 3 4 確定絲杠所受的最大動載荷 aC 13 3 5 計算軸承動載荷 14 3 6 絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗算 14 3 7 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 15 3 8 傳動精度計算 15 3 9 電動機的計算選擇 16 第 4 章 自動點焊機 X 向結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 V 4 1 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 17 4 2 精度的選擇 17 4 3 絲杠導程的確定 17 4 4 最大工作載荷的計算 17 4 5 最大動載荷的計算 18 4 6 滾珠絲杠螺母副的選型 18 4 7 滾珠絲杠副的支承方式 19 4 8 傳動效率的計算 19 4 9 剛度的驗算 19 4 10 穩(wěn)定性校核 20 4 11 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 21 4 12 步進電機的選擇 22 4 13 滾動直線導軌副 25 第 5 章 自動點焊機 Z 向結(jié)構(gòu)設(shè)計 27 5 1 Z 向精度設(shè)計 27 5 2 滾珠絲杠疲勞強度 27 5 3 選用滾珠絲杠 28 5 4 滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算 28 5 5 滾珠絲杠剛度驗算 29 5 6 滾珠絲杠效率驗算 30 5 7 Z 向電機選型 30 第 6 章 焊頭設(shè)計 32 6 1 焊頭設(shè)計 32 6 2 自動點焊設(shè)計 33 第 7 章 成本設(shè)計 34 總結(jié)與展望 35 致 謝 37 參 考 文 獻 38 6 第 1 章 緒論 1 1 選題的依據(jù)及意義 1 1 1 選題的依據(jù) 隨著社會和科學技術(shù)的發(fā)展 工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化 從手 工作坊式的勞動 逐漸演變成自動化 智能化的生產(chǎn)方式 人類也逐漸無法完成某些 生產(chǎn)過程 所以為了適應生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具 點焊機 與此同時也 出現(xiàn)了一些新的生產(chǎn)活動 在這些生產(chǎn)活動中 有些是屬于高危險的 對人體傷 害較 大 有些領(lǐng)域不適宜人類工作長時間的工作 點焊機則正好適應這類工作 防止了一 些化學物品對人類的傷害 5 在當今大規(guī)模制造業(yè)中 企業(yè)為 提高生產(chǎn)效率 保障產(chǎn)品質(zhì)量 普遍重視生產(chǎn)過 程的自動化程度 工業(yè)機器作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員 逐漸被企業(yè)所認同并采 用 工業(yè)機器的技術(shù)水平和應用 程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平 目前 工業(yè)焊接機主要承擔著焊接 噴涂 搬運等重復性并且勞動強度極大的工作 工作方式一般采取示教再 現(xiàn)的方式 點焊機是按照給定程序 軌跡和要求實現(xiàn)自動移動 焊接的操作的自動機械裝置 6 實現(xiàn)了自動化的工作并減少了很多不必要的人工勞動 本文對多工位點焊機利用 PLC 的控制進行了詳細的研究 點焊機的工作原理是利用正負兩極在瞬間短路時產(chǎn)生的高溫電弧來熔化電焊條上 的焊料和被焊材料 來達到使它們結(jié)合的目的 7 點焊機是由焊頭 點焊槍等組成 點焊槍是四工位點焊機電氣控制系統(tǒng)的核心 利用電磁閥控制點焊槍的伸縮及溫度 1 1 2 選題的意義 通過完成該課題 即設(shè)計出自動點焊機及對其進行運動學分析 能夠解決在焊接 過程中焊槍不能隨波形的變化調(diào)整與焊槍速度的夾角這個問題 使得在直線段與在波 內(nèi)斜邊段焊接時 焊槍與焊縫都保持垂直 相對于焊縫的焊接速度都恒為同一速度 進而能夠提高在直線段與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性 提高的生產(chǎn)質(zhì)量 1 2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 這里的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢包括三個方面 前面也提到這里的三自由度自動點焊 7 機 為自動點焊機 是為提高焊接自動化水平的 故這里為自動點焊機的研究現(xiàn)狀及 發(fā)展趨勢 關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 關(guān)于運動學分析的常用方法 5 1 2 1 自動點焊機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 這里所設(shè)計的自動點焊機為有軌自動點焊機 只是現(xiàn)有的自動點焊機技術(shù)在焊接中 的應用 是該領(lǐng)域的焊接自動化水平低的緣故 而當前的自動點焊機技術(shù)有相當?shù)陌l(fā) 展 隨著工業(yè)水平的發(fā)展 重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應用越來越多 其中大量的焊接工作 必須在現(xiàn)場作業(yè) 如大型艦船艙體 甲板的焊接 大型球罐 儲罐 的焊接等 而這些焊 接場合下 自動點焊機要適應焊縫的變化 才能做到提高焊接自動化的水平 無疑 將 自動點焊機技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接 難題 當前國內(nèi)外在自動點焊機方向研制的幾個典型自動點焊機如下 1 韓國 Pukyong 國立大學的 Kam B O 等研制的艙體格子形構(gòu)件焊接自動點焊機 這種自動點焊機能夠在人比較難以達到的狹窄空間自主地實現(xiàn)焊接過程 能夠自動 尋找焊縫的起始點 在遇到格子框架的拐角焊縫時 在保證焊接速度不變且焊炬準確對 準焊縫的情況下 能夠自動調(diào)整自動點焊機本體和十字滑塊的位置 4 2 日本慶應大學學者 Suga 等為平面薄板焊接研制的自主性自動點焊機 該自動點焊機能夠直線前進 還可以利用兩個輪的差速控制小車的轉(zhuǎn)彎 它裝焊槍的 臂可以伸縮 可以檢測焊縫的位置并精確的識別焊縫的形狀 如是直線焊縫 曲線焊縫 還是折線焊縫等 5 3 日本慶應大學學者 Suga 等研制了管道焊接自主自動點焊機 該自動點焊機可以沿著管道 根據(jù) CCD 攝取的圖象信息 在焊前可以自動尋找并 識別焊縫 然后使自動點焊機本體沿管道方向達到正確的焊接位置 5 4 清華大學機械工程系與北京石油化工學院裝備技術(shù)研究所聯(lián)合研制的球罐磁吸 附輪式自動點焊機該自動點焊機的焊炬跟蹤精度可達 0 5mm 能夠滿足實際工程應用 3 5 上海交通大學研制的具有自尋跡功能的焊接自動點焊機 該自動點焊機在焊前 小車能夠自動尋找焊縫并經(jīng)過軌跡推算后自動調(diào)整小車本體 和焊炬的位姿到待焊狀態(tài) 在焊接過程中能夠進行橫向大范圍的實時焊縫跟蹤 8 8 當前絕大多數(shù)自動點焊機還能焊縫跟蹤 焊前必須通過人為的方式 把自動點焊機放 到坡口附近合適的位置 并且通過手動將自動點焊機本體 十字滑塊等調(diào)整到合適的待 焊狀態(tài) 也就是說自動點焊機的自主性還很低 基本上還不具有自主的運動規(guī)劃能力 未來的發(fā)展趨勢為三個方面 選擇視覺傳感器來進行傳感跟蹤 因為與圖象處理 方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展 采用多傳感信息融合技術(shù)以面對更為復雜的焊接任務 由 于控制技術(shù)由經(jīng)典控制到向智能控制技術(shù)的發(fā)展 這也將是自動點焊機的控制所采用 1 2 2 自動點焊機機構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 在當前 自動點焊機的機構(gòu)設(shè)計絕大部分還是采用依據(jù)具體的情況來設(shè)計專用自動 點焊機 稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)自動點焊機 其運動特性使特定自動點焊機僅能適應 一定的范圍 不利于自動點焊機的發(fā)展 解決這一問題的方法就是利用關(guān)節(jié)模塊和連桿 模塊 根據(jù)具體的要求開發(fā)可重構(gòu)自動點焊機系統(tǒng) 下面為當前一些人所做的研究 1 Benhabib 等人建立的自動點焊機庫 將模塊分成模塊單元連接器 連桿模塊 主 關(guān)節(jié)模塊和末端關(guān)節(jié)模塊四類 13 2 1999 年 DanielaRus 等提出了一種由晶體結(jié)構(gòu) 分子 組成的可自重構(gòu)自動點焊機 系統(tǒng) 13 3 上海交通大學的費燕瓊和沈陽航空工業(yè)學院的張艷麗等對模塊化自動點焊機的 構(gòu)形設(shè)計進行了研究 13 1 3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法 下面的絲桿為 X 軸 上面橫著的為 Y 軸 上面豎著的為 Z 軸 都用點動機 帶動 X Y 實現(xiàn)定位 Z 實現(xiàn)點焊 將上圖 Z 軸上的物體 畫紅圈的 換成焊頭 焊頭 是裝上彈簧 有緩沖等 防止撞壞工作臺就行 滾珠絲桿螺母副跟總體尺寸都由你們確 定 總裝配圖要有總體尺寸 裝配尺寸 還要有技術(shù)要求等 設(shè)計說明說主要包括 絲 桿螺母副的選擇 電動機的選擇 還有焊頭的設(shè)計 如何實現(xiàn)自動點焊等 成本設(shè)計等 大概 10000 字左右 9 第 2 章 自動點焊機構(gòu)總體設(shè)計 2 1 設(shè)計原理 Y 軸和 Z 軸采用絲杠傳動 X 軸采用絲杠加導軌形式 10 電焊頭緩沖裝置結(jié)構(gòu)示意圖 11 2 2 導向桿機構(gòu)的選用要點 由于工業(yè)生產(chǎn)中導向桿機械臂的應用較為廣泛 因此本設(shè)計著重對導向桿機械臂 機構(gòu)進行研究 1 應具有足夠的推拉力 焊接機的機構(gòu)靠執(zhí)行機構(gòu)的液壓力實現(xiàn)手部結(jié)構(gòu)的伸縮 和升降 便把工件從一個位置到另一個位置 由于工件本身的重量以及過程中產(chǎn)生的 慣性力和振動等 執(zhí)行機構(gòu)必須具有足夠大的液壓力 才能防止工件在過程中擺動 一般要求液壓力 N 為工件以及重量的 2 3 倍 2 應具有足夠的俯仰角 為了實現(xiàn)升降以及伸縮 必須具有足夠大的俯仰角度來 適應較大的范圍 對于式手部要有足夠大的范圍 3 應能保證工件的可靠定位 為了使工件 工具與目的地保持準確的相對位置 必須根據(jù)要求的目的地 選用相對應的執(zhí)行機構(gòu)來定位 4 應具有足夠的強度和剛度 除了受到工件 工具的重量 還要受到本身的重量 還受到焊接機手不在運動過程中產(chǎn)生的慣性力和振動的影響 沒有足夠的強度和剛度 會發(fā)生折斷或彎曲變形 因此對于受力較大的應進行必要的強度 剛度計算 5 應適應對象的要求 為了適應工件的載荷 可以選用 V 型 燕尾型 園柱導 向桿型的導軌 6 盡可能具有一定的通用性 一般專用性較強 在可能的情況下 應考慮到產(chǎn)品 零件的變換 為適應不同形狀和尺寸的要求 可將制成組合式結(jié)構(gòu) 迅速更換不同的 部件及附件來擴大機構(gòu)的使用范圍 也可在設(shè)計時適當選取其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)以擴大 其使用范圍 2 3 方案討論 導向桿制造工藝性 導向性好 可以承受較大的軸向力 且其適用場合是輕型機 械 燕尾槽導向的導軌尺寸緊湊 用鑲條調(diào)整見習 比較方便 但是制造比較復雜 磨損不能自動補償 且一般用于高度小的部件中 V 型導軌有利于排屑 但不易保存 潤滑油 而且一般用于低速 綜合以上情況 該設(shè)計選用導向桿導向 2 4 本章小結(jié) 本章主要介紹自動點焊機機械結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計及方案的選擇和確定 12 第 3 章 自動點焊機 Y 向結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1 絲杠螺母導程的確定 本設(shè)計中 電機與絲杠直接相連 傳動比 i 1 選擇電機 Y 系列異步電動機的最高 轉(zhuǎn)速 則絲杠的導程為cmkgfMrn 2min 150maxmax 最 大 轉(zhuǎn) 矩 mnVPh 8150 ax 3 2 確定絲杠的等效轉(zhuǎn)速 最大進給時 絲杠的轉(zhuǎn)速為 in 2 maxa rh 最慢進給時 絲杠的轉(zhuǎn)速為 15 08iniPV 則得到絲杠的等效轉(zhuǎn)速 估計 21t mi 0 22min1ax rtttm 3 3 絲杠的等效負載 工作負載是指機床工作時 實際作用在絲杠上的軸向壓力 它的數(shù)值可用進給牽 引力的實驗公式計算 選用導軌為滾動導軌 而一般情況下 滾動導軌的摩擦系數(shù)為 0 0025 0 005 取摩擦系數(shù) f 為 0 005 則絲杠所受的最大牽引力為 maxGFfKFzyx N127 4605 in 故其等效負載可按下式計算 估算 t1 t2 n2 2n1 3 1212min313max tntFtF 由以上確定進給運動的總阻力 F 12N 3 4 確定絲杠所受的最大動載荷 aC 查表 取絲杠的工作壽命 Th 為 15000h 同時取精度系數(shù) fa 1 負荷性質(zhì)系數(shù) fw 105 溫度系數(shù) ft 0 95 硬度系數(shù) fh 1 可靠性系數(shù) fk 0 53 平均轉(zhuǎn)速為 1000r min N12 3 112in 13 選用滑動絲杠螺母傳動 絲杠公稱直徑為 基本導程 絲杠螺母m45 mPh8 的接觸剛度為 1692N 螺旋升角 絲杠的底徑 26mm 螺母長度為 210mm 取m 183 絲杠的精度等級為 1 級 3 5 計算軸承動載荷 壽命系數(shù)為 71 250 13350 1 hhLf 式中 壽命系數(shù) 可靠性為 90 的額定壽命 取為 10000h h10 轉(zhuǎn)速系數(shù) nf 28 045 13 0 jnf 計算轉(zhuǎn)速 取最高轉(zhuǎn)速 取 j mi15rj NC828 7 故能滿足要求 3 6 絲杠拉壓振動和扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率驗算 已知 軸承的接觸剛度 絲杠螺母的接觸剛 絲mNkB 108 mKC 1692 杠的最小拉壓剛度 當導軌運動到兩極位置時 有最大和最小拉壓剛度 其中 L 植分別為 750mm 和 100mm 螺母座剛度 軸向拉壓總剛度為 mNKH 10 絲杠拉壓振動的固有頻率 由計算可知 絲杠拉壓振動的固有頻率遠遠大于 1500r min 所以能滿足要求 NnTffFCrnThkahtwmh 345 019 0 2 0 6 1915060 33 6 NLAEs 1652 0 253 4 875maxin KEsCBe 28 4 18 692 1082 1 in min 7165 50136 2 910 6 rsradmKeB nThfFC 14 3 7 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度 由 機械設(shè)計手冊 得平移物體的轉(zhuǎn)動慣量為 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量為 絲杠扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率為 顯然 絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠遠大于 1500r min 所以 能滿足要求 3 8 傳動精度計算 絲杠的拉壓剛度 由以上的各條件可知最小機械傳動剛度為 最大機械傳動剛度 rNmLdKmT 4 207148 74 232 1058 0 81 9362kgJ 23 045 mkgJS sradJK SZWTT 47810 35 6 058 2733 LEdKS42 mNKK Bcs 1208 1692 4 8 1 1minin0 15 因此得到由于機械傳動裝置所引起的定位誤差為 其中 F0 為空載時導軌的靜摩擦力 3 9 電動機的計算選擇 下面的計算結(jié)果 F 所以選用反應式步進電動機 輸出功率 0 2kw 同步轉(zhuǎn)速 1500r min 電動機的參 數(shù)如下表一所示 表 3 1 電動機的各種參數(shù) 電動機型號 步距角 最大靜 轉(zhuǎn)矩 N m 運行 頻率 最高空載 啟動頻率 軸徑 長度 55BF003 0 75 1 5 0 686 1800 6mm 70mm mNKKBcsmanan 45108 692 15 1 0 KFqk 12 0 45 12 0 1 max0in0 kwVPe 05 612 max 16 第 4 章 自動點焊機 X 向結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 1 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動 其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾 道之間放人適量的滾珠 使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦 絲杠轉(zhuǎn)動時 帶動滾珠沿螺紋滾道 滾動 螺母上設(shè)有返向器 與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道 為了在滾珠與滾道之間 形成無間隙甚至有過盈配合 可設(shè)置預緊裝置 為延長工作壽命 可設(shè)置潤滑件和密 封件 4 2 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度直接影響電氣機床的定位精度 在滾珠絲杠精度參數(shù)中 其導 程誤差對機床定位精度最明顯 一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意 300 行程變動量m 應小于目標設(shè)定定位精度值的 1 3 1 2 在最后精度驗算中確定 對于車床 選用30V 滾珠絲杠的精度等級 X 軸為 1 3 級 1 級精度最高 Z 軸為 2 5 級 考慮到本設(shè)計 的定位精度要求和改造的經(jīng)濟性 選擇 X 軸精度等級為 3 級 Z 軸為 4 級 4 3 絲杠導程的確定 選擇導程跟所需要的運動速度 系統(tǒng)等有關(guān) 通常在 4 5 6 8 10 12 20 中選擇 規(guī)格較大 導程一般也可選擇較大 主要考慮承載牙厚 在速度滿足的情況 下 一般選擇較小導程 利于提高控制精度 本設(shè)計中初選縱向絲杠導程為 10 m 4 4 最大工作載荷的計算 最大工作載荷 是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時所承受的最大軸向力 也叫mF 進給牽引力 其實驗計算公式如表 4 1 所示 表 4 1 實驗計算公式及參考系數(shù)mF 導軌類型 實驗公式 K 矩形導軌 GKyzx 1 1 0 15 燕尾導軌 2m1 4 0 2 綜合或三角導軌 Fzx 1 15 0 15 0 18 表中 為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù) 為滑動導軌摩擦系數(shù) 為移動K G 17 部件總重量 G 200 N 查表 3 1 選擇綜合導軌 取 1 15 取 0 18 為 200 K GN 算得 1 15 1197 0 18 3420 200 GFzxm 1371 55 4 5 最大動載荷的計算 載荷隨時間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化 系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力 此類載荷為 動載荷 比如起重機以等速度吊起重物 重物對吊索的作用為靜載 起重機以加速度 吊起重物 重物對吊索的作用為動載 對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷 計算公式如下 QF mhwQfL3 式中 滾珠絲杠副的壽命系數(shù) 單位為 r T 為使用壽命 普通L610610 nL 機床 T 取 5000 10000h 電氣機床 T 取 15000h n 為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速 載荷系數(shù) 一般取 1 2 1 5 本設(shè)計取 1 2 wf 硬度系數(shù) HRC 58 時取 1 0 等于 55 時取 1 11 等于 52 5 時取 1 35 h 等于 50 時取 1 56 等于 45 時取 2 40 滾珠絲杠副的最大工作載荷 單位為 N mF 本設(shè)計中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進給速度 初選絲杠基min 6 1axVj 本導程 則絲杠轉(zhuǎn)速 取滾珠絲杠mPh10 0 10maxrPnhj 使用壽命 帶入 得 90 取 代入T56 TLL2 wf1 hf 求得 17390N mhwQFfL 3 Q 4 6 滾珠絲杠螺母副的選型 初選滾珠絲桿副時應使其額定動載荷 當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下QaFC 長時間承受工作載荷時 還應使額定靜載荷 in 10 r moaF 32 根據(jù)計算出的最大動載荷 選擇江蘇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn) CDM4006 2 5 3QF 型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副 采用雙螺母螺紋式預緊 精度等級為 4 級 其參數(shù)如表 3 2 18 所示 表 4 2 滾珠絲杠相關(guān)參數(shù) 則選擇絲杠 CDM4006 2 5 3為外循環(huán)插管式 雙螺母墊片預緊 導珠管埋入式的 滾珠絲杠副 尺寸如下 公稱直徑 d 0 40mm 外徑d 39 5mm 導程 Ph 6mm 螺旋角 42 14 36 sin0dr 鋼球直徑 動載荷 靜載荷 mDw96 3 NCa158NCoa785 注釋 滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)形式 4 7 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動 為了提高軸向剛度 絲杠支承 常用推力軸承為主的軸承組合 考慮到縱向絲杠長度較大 本設(shè)計縱向絲杠采用雙推 簡支支承方式 該方式臨界轉(zhuǎn)速 壓桿穩(wěn)定性高 有熱膨脹的余地 4 8 傳動效率的計算 滾珠絲杠的傳動效率 一般在 0 8 0 9 之間 其計算公式如下 tan 式中 螺距升角 根據(jù) 可得 2 91 0h14 3Pd 摩擦角 一般取 10 算得 96 67 0192tan 4 9 剛度的驗算 滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用 引起導程的變化 從而影響定位精度 和運動的平穩(wěn)性 軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形 絲杠與螺母間滾道的1 19 接觸變形 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 2 3 因轉(zhuǎn)矩和絲杠 螺母滾道接觸對絲杠產(chǎn)生的導程變化很小 所以 可以忽略不2 3 計 所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為 號代表拉伸 代表壓縮 1 ESlFum 式中 絲杠的最大工作載荷 單位為 mFN 絲杠縱向最大有效行程 單位為 ul 絲杠材料的彈性模量 鋼 EMPaE510 2 絲杠的橫截面面積 單位 按絲杠螺紋的底徑 確定 Sm2d 根據(jù)前面的設(shè)計 為 3234 36 取 1665 為 44 24 算得 mFNul2m 0 01597 14 971 25 4 5 1 320 67 查表 3 3 可知 所以剛度足夠 1 表 3 3 有效行程 內(nèi)的目標行程公差 和行程變動量ulpeupV 精度等級有效行程 mlu 1 2 3 4 5 大于 至 peuVpeupeupeupeuV 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23 400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 26 1600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 51 4 10 穩(wěn)定性校核 由于滾珠絲杠本身比較細長又受軸向力的作用 若軸向負載過大 則會產(chǎn)生失穩(wěn) 現(xiàn)象 不失穩(wěn)時的臨界載荷 Fk 應該滿足 KF 2aEIfk mF 式中 絲杠支承系數(shù) 雙推 簡支方式時 取 2 其他方式如表 3 4 所示 kf 20 滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù) 一般取 2 5 4 垂直安裝時取最小值 本設(shè)計取K 4 滾珠絲杠兩端支承間的距離 單位為 本設(shè)計中該值為 2000 a mm 其中工件加工長度為 1400 取 2000 留 600 的兩端余量 按絲杠底徑 確定的截面慣性矩 單位為 本設(shè)I2d642dI 4 中將 代入算出 205514 36 m4 52 I 由以上數(shù)據(jù)可以算出 KF2045131 3 04 N 臨界載荷 遠大于工作載荷 3234 36N 故絲杠不會失穩(wěn) KFm 表 3 4 絲杠支承系數(shù) kf 支承方式 雙推 雙推 雙推 簡支 單推 單推 雙推 自由 取值kf4 2 1 0 25 4 11 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時 需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最crn 高轉(zhuǎn)速 72max 10 cnkcradfKn S 絲杠是安全的 不會失穩(wěn) 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振 因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨 街轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 crncrn max 臨街轉(zhuǎn)速按下式計算 21 90ldfccr 式中 為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù) 見表 2 10 本題取 cf 927 3 cf3 2 5 03 987 91 crnmin 52 34 i 6103axrn 即 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振 maxcr 此外滾珠絲杠副還受 值的限制 通常要求nD0 min 107 40rnD mi 17i 140430 rrnD 5 5 滾珠絲杠剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載 F N 和轉(zhuǎn)矩 T 共同作用下引起每個導程的變形量N m 為 0L cGJTpEAF 2 式中 A 絲杠截面積 為絲杠的極慣性矩 G 為絲杠切214d cJ4132dJc 29 變模量 對鋼 T 為轉(zhuǎn)矩 GPa3 8 tn 20 DFTm 式中 為摩擦角 其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù) 衛(wèi)平均工作載荷mFN 54 2 0 34tan 1024763 按最不利的情況取 其中 mF412120 6GdTpEJTpEAFLc 492 23293 08 1 8 3 5 08 2614 37 m 079 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 mpLl 85 4107 95320 通常要求絲杠的導程誤差 小于其傳動精度的 1 2 即L L 21 該絲杠的 滿足上式 所以其剛度可以滿足要求 5 6 滾珠絲杠效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 947 0 2 34tan tan 要求在 90 95 之間 所以該絲杠副合格 經(jīng)上述計算驗算 FC1 4010 2 5 各項性能均符合題目要求 所以合格 5 7 Z 向電機選型 最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 依據(jù)文獻 實用機床設(shè)計手冊 上 有 1 對于在最大工作條件下工作時所需要電機最大靜轉(zhuǎn)矩為 30 5 0 31max切Mj 18 53 0 76Ncm 2 對于空載起動時所需要的電機最大靜轉(zhuǎn)矩為 951 02max起Mj 3 6 Ncm 由 1 和 2 可知 以計算得 恒大于 所以就以 作為選取ax1jM2maxj 1maxjM 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù) 而初選的步進電機為 110BF003 它的最大靜轉(zhuǎn)矩為 max1689jNcM 所以初選的步進電機型號符合要求 7 步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性 由 數(shù)控技術(shù) 得 動矩頻特性 PVf 601maxax 2 501 4167Hz 運行矩頻特性 PSeVf 6 其中 最大工作條件下的進給速度 可取最高進給速度 e min 的 現(xiàn)取中間值 即 max2 5inV31 2ax71 46i2SV 所以 2431ef 1046 Hz 由步進電機 110BF004 的矩頻特性和運行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進電機在起 動時力矩是滿足要求的 所以最終就確定步進電機的型號為 110BF004 反應式步進電動機 31 第 6 章 焊頭設(shè)計 6 1 焊頭設(shè)計 機械中提供驅(qū)動的裝置和方式很多 如電機驅(qū)動 液壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動等 各種 驅(qū)動方式有其自身的特點 在工業(yè)焊接機中液壓和氣壓驅(qū)動應用很廣泛 有些焊接機 則同時采用多種驅(qū)動方式 這都視不同焊接機的特點和要求所定 比較這些驅(qū)動方式 的特點 叢中選擇適合移動絲杠的驅(qū)動方式 電機驅(qū)動絲杠可以避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié) 效率比液壓和氣壓驅(qū)動要高 電機系統(tǒng)將電動機 測速機 編碼器以及制動器組裝在依次加工的課題里 使得整個 電機系統(tǒng)體積小 可靠性和通用性也得到很大的提高 另外 電動機根據(jù)運行距離及 電機的脈沖當量算出脈沖數(shù) 將數(shù)據(jù)輸入計算機 可以達到非常高的位姿準確度 而 液壓和氣壓驅(qū)動系統(tǒng)組成機構(gòu)煩瑣 維護不方便 液壓源和氣壓源裝置體積大 對于 移動焊接機來說也是個無法實現(xiàn)的問題 對于移動焊接機操作機械手臂所要求的位置 精度 液壓和氣壓驅(qū)動也很難滿足 綜上所述 本文選擇電機驅(qū)動絲杠傳動進給的驅(qū)動方式 焊頭的緩沖裝置如下圖 彈簧 有緩沖等 32 6 2 自動點焊設(shè)計 焊接操作機中 烙鐵的上下移動由絲杠控制 平面運動由 X Y 軸兩路步進電機控 制 焊接速度采用單片機脈寬控制 位置顯示采用位移傳感器控制 其中 單片機控 制焊接過程 鍵盤控制輸入?yún)?shù) LCD 動態(tài)顯示操作當前狀態(tài) 平面運動控制系統(tǒng)由三部分構(gòu)成 單片機 驅(qū)動器 步進電機 單片機用于將運 動指令下達給驅(qū)動器 同時檢測和顯示運動狀態(tài) 運動控制器根據(jù)主機的運動命令對 各軸電機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出脈沖 方向命令 并對 I O 口和其他信號進行管理 驅(qū)動器的作 用是根據(jù)控制器發(fā)來的脈沖 方向指令控制電機線圈的電流以及相應的電磁場和電磁力 矩 從而使得電機轉(zhuǎn)軸執(zhí)行與脈沖 方向指令相對應的轉(zhuǎn)動 步進電機配步進驅(qū)動器 執(zhí)行電機在驅(qū)動器的推動下 通過轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)來控制機械裝置 運動軸 的位置和速 度 結(jié)構(gòu)框圖 硬件系統(tǒng)主要由中央處理單元 反饋單元 焊接單元 按鍵控制單元 LCD 顯示 單元五個部分組成 如下面模擬框圖所示 33 第 7 章 成本設(shè)計 滾珠絲杠副速選的基本原則 種類的選擇 目前滾珠絲杠副的性價比已經(jīng)相當高 無特別大的載荷要求時 都選擇 滾珠絲杠副 它具有價格相對便宜 效率高 精度可選范圍廣 尺寸標準化安裝方便 等優(yōu)點 在精度要求不是太高時 通常選擇冷軋滾珠絲杠副 以便降低成本 在精度 要求高或載荷超過冷軋絲杠最大規(guī)格額定載荷時需選擇磨制或旋銑滾珠絲杠副 不管 何類滾珠絲杠副 螺母的尺寸盡量在系列規(guī)格中選擇 以降低成本縮短貨期 精度級別的選擇 滾珠絲杠副在用于純傳動時 通常選用 T 類 即機械手冊中提 到的傳動類 其精度級別一般可選 T5 級 周期偏差在 1 絲以下 T7 級或 T10 級 其總長范圍內(nèi)偏差一般無要求 可不考慮加工時溫差等對行程精度的影響 便于加工 因而 價格較低 建議選 T7 且上述 3 種級別的價格差不大 在用于 精密定位傳動 有行程上的定位要求 時 則要選擇 P 類 即機械手冊中提到的定 位類 精度級別要在 P1 P2 P3 P4 P5 級 精度依次降低 其中 P1 P2 級價格很貴 一般用于非常精密的工作母機或要求很高的場合 多數(shù)情 況下開環(huán)使用 非母機 而 P3 P4 級在高精度機床中用得最多 最廣 需要很 高精度時一般加裝光柵 需要較高精度時開環(huán)使用也很好 P5 則使用大多數(shù)數(shù)控機 床及其改造 如數(shù)控車 數(shù)控銑 鏜 數(shù)控磨以及各種配合數(shù)控裝置的傳動機構(gòu) 需 要時也可加裝光柵 因 5 級的 任意 300mm 行程的偏差為 0 023 且曲線平滑 在很多實際案例中 配合光柵效果非常好 規(guī)格的選擇 首先當然是要選有足夠載荷 動載和靜載 的規(guī)格 根據(jù)使用狀態(tài) 選擇符合條件的規(guī)格 同時 重點 如果選用的是磨制或旋銑滾珠絲杠副 冷軋的不 需要考慮長徑比 要估算長徑比 絲杠總長除以螺紋公稱直徑的比值 但因長度在 設(shè)計時已確定 在規(guī)格的確定上需要調(diào)整 原則上使其長徑比小于 50 理論上長徑比 越小越好 對 P 類絲杠而言 長徑比越小越利于加工和保證各項形位公差 故單位 價格越便宜 所以 規(guī)格越小不等于越便宜 預緊方式的選擇 對于純傳動的情況 一般要求傳動靈活 允許有一定返向間隙 不大 一般為幾絲 多選用單螺母 它價格相對便宜 傳動更靈活 對于不允許有 返向間隙的精密傳動的情況 則需選擇雙螺母預緊 它能調(diào)整預緊力的大小 保持性 34 好 并能夠重復調(diào)整 另外 在行程空間受限制的情況下 也可選用變位導程預緊 俗稱錯距預緊 該方式預緊力較小 且難以重復調(diào)整 一般不選 導程的選擇 選擇導程跟所需要的運動速度 系統(tǒng)等有關(guān) 通常在 4 5 6 8 10 12 20 中選擇 規(guī)格較大 導程一般也可選擇較大 主要考慮承載 牙厚 在速度滿足的情況下 一般選擇較小導程 利于提高控制精度 對于要求高 速度的場合 導程可以超過 20 對磨制絲杠而言導程一般可做到約等于公稱直徑 受 磨削螺旋升角限制 如 32 32 32 40 40 40 等 當然也可以更大 非磨削 但 極少考慮 導程越大 同條件下旋轉(zhuǎn)分力越大 周期誤差被放大 速度越快 故一般 速度很高的場合要求的是靈活 而放棄部分精度訴求 對間隙要求意義變小 導程精 度偏差增大 因此 大導程絲杠一般都是單螺母 完整的滾珠絲杠副設(shè)計選型 除了要考慮傳動行程 間接影響其他性能參數(shù) 導 程 結(jié)合設(shè)計速度和馬達轉(zhuǎn)速選取 使用狀態(tài) 影響受力情況 額定載荷 尤其是 動載荷將影響壽命 部件剛度 影響定位精度和重復定位精度 安裝形式 力系組 成和力學模型 載荷脈動情況 與靜載荷一同考慮決定安全性 形狀特性 影響工 藝性和安裝 等因素外 還需要對所選的規(guī)格的重復定位精度 定位精度 壓桿穩(wěn)定 性 極限轉(zhuǎn)速 峰值靜載荷以及循環(huán)系統(tǒng)極限速率 Dn 值 等進行校核 進行修正選 擇后才能得到完全適用的規(guī)格 進而確定馬達 軸承等關(guān)聯(lián)件的特征參數(shù) 針對滾珠絲杠副的選型涉及多種復雜條件 用戶科學選型的難度較大 本站特推 出 自動在線選型計算 模塊 通過該模塊可以根據(jù)用戶輸入的設(shè)計初始條件 自動 在典型滾珠絲杠副規(guī)格庫中綜合計算 智能選型 并作重復定位精度 壓桿穩(wěn)定性 定位精度 極限轉(zhuǎn)速 最大靜載荷及循環(huán)系統(tǒng) Dn 值等所有項目的校驗 給出完全合格 的篩選結(jié)果 為協(xié)助作對比選擇 該模塊還包括條件調(diào)整的指導性提示 當完全合格 的規(guī)格數(shù)量較少時還能自動提示 對選型結(jié)果影響最大的參數(shù) 供針對性調(diào)整 以輔 助選擇最佳規(guī)格 最后還給出與之配套的約束軸承 驅(qū)動馬達以及目標行程補償量等 外圍參數(shù)基準值供系統(tǒng)設(shè)計用 歡迎使用 總結(jié)與展望 本次畢業(yè)設(shè)計主要完成如下 1 對自動點焊機進行了方案設(shè)計 并對機構(gòu)進行分析 證明該方案可行 能夠滿 35 足焊接的要求 能夠提高在直線段與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性 提高的生產(chǎn) 質(zhì)量 2 完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 驅(qū)動電機功率的估計計算與選擇 3 其它方面 選用導軌的匹配設(shè)計 聯(lián)接匹配設(shè)計 這些都是直接在圖紙上設(shè)計 出來了 展望 在具體實踐方面能有機會嘗試 進行深入的理論與實踐結(jié)合 致謝 36 致 謝 本文是在老師精心指導和大力支持下完成的 老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度 高 度的敬業(yè)精神 兢兢業(yè)業(yè) 孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要 影響 他淵博的知識 開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪 同時 在此次畢 業(yè)設(shè)計過程中我也學到了許多了關(guān)于機械設(shè)計方面的知識 實驗技能有了很大的提高 另外 我還要特別感謝指導老師對我實驗以及論文寫作的指導 為我完成這篇論 文提供了巨大的幫助 還要感謝同學對我的無私幫助 使我得以順利完成論文 最后 再次對關(guān)心 幫助我的老師和同學表示衷心地感謝 參考文獻 37 參 考 文 獻 1 原 魁 工業(yè)自動點焊機發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 J MC 現(xiàn)代零部件 2007 01 33 34 2 張效祖 工業(yè)自動點焊機的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 J WMEM 2007 05 25 26 3 宋海宏 自動點焊機技術(shù)展望 J 山西煤炭管理干部學院學報 2006 04 43 45 4 吳林 全球工業(yè)自動點焊機產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢 J 機電一體化 20006 02 56 57 5 坪島茂彥 中村修照 電動機實用技術(shù)指南 M 北京 科學出版社 2003 6 熊有倫 自動點焊機技術(shù)基礎(chǔ) M 武漢 華中科技大學出版社 1996 7 溫效朔 自動點焊機技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的開發(fā)與應用現(xiàn)狀 M 合肥 安徽農(nóng)業(yè)科 學 2007 11 124 125 8 周伯英 工業(yè)自動點焊機設(shè)計 M 北京 機械工業(yè)出版社 1995 9 吳林 張廣軍 高洪明 自動點焊機技術(shù) M 北京 機械工業(yè)出版社 2000 10 吳宗澤 機械零件設(shè)計手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 2002 11 I OM 索羅門采夫 工業(yè)自動點焊機圖冊 M 北京 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