焊接变位器设计指导书

座式焊接变位器设计

1.焊接变位机械的分类及应用

焊接变位机械是改变焊件、焊机或焊工空间位置来完成机械化、自动化焊接的各种机械设备。根据焊接变位机械的作用可以分成三大类：

1) 焊件变位机械，如焊接变位机、滚轮架、回转台、翻转机；

2) 焊机变位机械，焊接操作机；

3) 焊工变位机械，焊工升降台。

使用焊接变位机械可缩短焊接辅助时间，提高劳动生产率，减轻工人劳动强度，保证和改善焊接质量，并可充分发挥各种焊接方法的效能。

2.焊接变位机作用

焊接变位机是焊件变位机械中的一种，利用它在焊接作业中将焊件回转并倾斜，使焊接上的焊缝置于有利施焊位置，完成手工焊接和自动焊接的作业。焊接变位机主要用于机架、机座、法兰、封头等非长形焊件的翻转变位。

在手工焊中，焊接变位机可以把工件回转并倾斜，使焊缝处于水平焊或船形焊位置，从而减轻工人劳动强度，保证焊接质量；也可以利用焊接变位机进行自动焊接操作，完成一些圆环焊缝的焊接；另外，可以把焊接变位机与弧焊机器人相结合（柔性加工单元FMC ），完成一些曲面、复杂的焊缝的焊接。

焊接变位机按结构形式可分为三种：

1) 伸臂式焊接变位机；

2) 座式焊接变位机；

3) 双座式焊接变位机。

焊接变位机出三种基本结构形式外，还有很多派生形式，有些变位机的工作台还具有升降功能。

3.焊接变位器方案确定

焊接变位器作为焊件变位机械中的一种，其工作

台的旋转速度按设计任务书为0~1r/min ，满足不同圆

环焊缝工件自动焊时对焊接速度调节的要求，以及手

工焊接时对工作台上工件焊接位置调整的需要；工作

台倾斜的目的是使其上的工件在合理的焊接位置施

焊，速度可以设计为定值在0.5~1.0r/min 之间选取，以

保证调节速度和定位精度。

焊接变位器工作台的回转运动由电机驱动，倾

斜运动可由电机驱动或人工驱动。工作台在倾斜机构

采用电机驱动时倾斜速度为定值，可以由三相异步电

机驱动，考虑交流电机的转速为1000 3000r/min ，倾斜机构的总传动比达到2000~6000，应采用多级减速机构，可以考虑三级减速机构，包括一级外购减速器、一级蜗轮蜗杆减速器，一级齿轮减速器。工作台回转速度在一定范围内可调，可采用方案有：

1） 直流电动机+减速器

2） 变频交流调速电机+减速器

3） 步进电机+减速器

直流电动机+减速器方案调速范围大，调节精度高，变频交流调速电机+减速器方案具有很好的性能价格比；步进电机+减速器方案控制精确，可减少减速器设置级数。

焊接变位器结构示意图

在与焊接机器人适配的焊接变位器可以完成空间曲面焊缝自动焊接，要求工作台回转运动和倾斜运动同时进行，则倾斜机构和回转机构都采用步进电机+减速器方案，变位器的运动由计算机控制，以保证调节速度和定位精度

4.焊接变位机设计

4.1设计题目：0.25T~1.6T座式焊接变位机

4.2技术数据：（典型数据示例）

0.5T 1T

工作台回转电机驱动电机驱动

工作台倾斜人工驱动电机驱动

载重量 500kg 1000kg

回转速度 0~1r/min 0~1r/min

倾斜速度计算 0.5r/min

工作台尺寸Φ700 Φ900

重心高度 h=400mm h=200mm

偏心距 e=160mm e=100mm

工作台倾斜角度度 0º~135º 0º~135º

4.3设计方案确定

焊接变位机工作台，可采用直流电动机或步进电机驱动，因为直流电动机调速范围大，而步进电机可数控同时满足调速和定位控制的要求。工作台无级变速以满足自动焊接速度调整的要求。为满足工作台低速运转的要求，应设立几级减速机构。

工作台的倾斜运动一般是电动机经减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜，也可以采用人力驱动的方式。工作台的倾斜一般是为了使焊件定位，所以其倾斜速度多是恒定的，可以采用异步电动机驱动。若采用人工驱动的方式，需要根据倾斜力矩以及人力功率计算出倾斜速度。

在电动机驱动的工作台回转、倾斜系统中，常设有一级蜗杆传动系统，使其具有自锁功能。

4.4回转机构设计

1)回转轴设计

根据资料[1]对回转轴进行受力状况分析，计算危险截面弯矩、扭矩及当量弯矩：

M=

xd

分析倾斜角α、回转角β与最大当量弯矩M xdmax关系,并计算出最大当量弯矩：

M=

xdmax

初步确定回转轴直径：

d==

根据回转轴直径及回转轴受力选择轴承。

根据回转机构方案设计回转轴结构尺寸并选择键。

2)回转机构驱动功率计算及电机选择

由资料[1]表2-1求取轴承支反力，预设有关尺寸R、K1等；

求轴承处的摩擦力矩M f

M f=0.5f(F a d a+F b d b)

求回转轴的驱动功率N

N=(Ge+ M f)n/9550η

由驱动功率N及变位机技术要求选择电机类型和型号。

3)设计回转轴减速机构

根据回转轴设计速度和电机额定转速计算回转机构总传动比i;

根据回转机构方案设计确定各级传动比；

根据传动功率和传动比的要求选择外购减速器型号；

设计圆柱齿轮或蜗轮蜗杆减速器，进行受力分析，计算齿轮模数及相关尺寸，做强度校核。有关设计参照资料[2]及机械设计规范。

4)回转轴校核、轴承校核

根据回转轴设计尺寸进行受力分析，求轴承处支反力，取当量弯矩最大值对回转轴进行强度校核；

根据回转轴受力分析，计算回转轴挠度y和扭转角Φ，对回转轴进行刚度校核y=0.0002L,Φ≤0.001L n;

根据轴承处支反力分析,对轴承进行校核。

4.5倾斜机构的设计

1)倾斜机构方案确定

倾斜机构一般是电机经蜗轮蜗杆减速器减速后通过扇形齿轮带动工作台倾斜。

2)倾斜力矩计算

最大倾斜力矩出现在α=αmin,β=90º时：

M=

T

max

3)计算传动功率、选择电机、计算传动比

小吨位焊接变位机若倾斜机构采用人力驱动，根据人力功率、转速、传动机构总效率、最大倾斜力矩计算出倾斜速度，确定总传动比。即先由下式计算倾斜速度n1。

n=

n1——倾斜机构倾斜速度，N——人力功率（人机工程参数）。

查人手臂摇柄速度n2（人机工程参数），由n1、n2计算倾斜机构总传动比，设计传动机构，分配传动比，计算各相关参数。

较大吨位焊接变位机采用电机驱动，由于摩擦力矩相对较小，可根据最大倾斜力矩、倾斜速度、传动机构总效率计算出传动功率，选择电机型号，确定总传动比。

4)设计减速器

根据传动功率、总传动比等设计或选择蜗轮蜗杆减速器。若为设计，则需计算模数及相关尺寸，进行校核。

设计扇形齿轮机构，计算其模数及相关尺寸。

5)倾斜轴及轴承设计

根据资料[1]对倾斜轴进行受力分析，求轴承处支反力；

确定倾斜轴直径；

选择倾斜机构轴承；

考虑摩擦力矩影响，计算倾斜轴传动功率，校核功率；

根据倾斜轴受力分析，进行刚度校核。

4.6机架设计及其他

1)参照以上有关设计及其他资料数据，对焊接变位机机架、回转机构、倾斜机构、工作台等进行结构设计并确定主要尺寸。

2)对焊接变位机导电机构进行一般了解及设计。

4.7编写设计说明书

完成各种计算、分析、设计之后，要认真检查、总结，编写设计说明书。