脉冲点焊装置机械结构的设计

脉冲点焊装置机械结构的设计摘要焊接学科自诞生的半个世纪以来，一直受到诸学科最新发展的直接引导， 尤其是受材料、信息学科新技术的影响，不仅导致了数十种焊接新工艺的问世， 而且也使得焊接工艺操作正经历着从手工焊到自动焊，自动化、柔性化到智能化的过渡，焊接自动化、机器人化，以及智能化已经成为公认的发展趋势。其中，点焊是现代制造业中最常用的焊接工艺之一，已经被广泛的应用到了航空、电子产品的制造，模具的修复等各个方面。与其它焊接方式相比，它具有接头质量高、辅助工序少、无须填加焊接材料及文明生产等优点，尤其易于机械化、自动化生产的高效率，使其经济效益显著。但是现有的 P115 型、P320 型、P103 型等不同类型的点焊机，由于输出功率小、稳定性差等缺点，已经不能适应于生产的需要。因此设计制造新型的点焊机就显得十分必要。基于此，本文对用于焊接钉子的脉冲电焊装置进行结构设计。本文主要对点焊机制具传动部分的工作流程、结构、传动方式进行了详细的设计与阐述。主要包括制具传动部分的总体结构设计，并对机构中的零件进行设计校核，利用Auto CAD 软件绘制装配图及零件图。关键词：脉冲点焊，传动，结构IIAbstractSince its emergence, welding has been lead by several subjects recent development in almost a half-century. Especially is affected by material and information science, it not only leads the advent of dozens of new welding procedure, but also let the welding procedure experience a transition from hand welding to automatic welding, from automation, flexibility, to intelligence.Spot welding which has been used in aviation, the manufacture of electronic product and many other aspects is one of the most thriving methods of modern manufacturing. In comparison with other welding manners, it has many advantages, especially tends to improve the efficiency of mechanized and automatic production.But the existing spot welding machine of P115 model, P320 model, P103 model and other different machine can no longer adapt to the situation for production, because of its low delivered power and stability. So it becomes necessary to make new-type spot welding machine.As a result, this article is focus on the structural design of the spot welding machine. This text is mostly for the workflow, structure and driving mode of the transmission part. It includes the whole structure design of the transmission part, the design and check on the components, and the assembling drawing and part drawing.Key words: spot welding, transmission, structure目录第一章前言11.1 点焊技术的应用及发展现状21.2 点焊的基本介绍71.3 选题背景、目的和意义111.4 本论文的主要研究内容11第二章脉冲点焊装置机械结构的总体设计132.1 概述132.2 设计方案的确定13第三章制具传动部分的设计计算与校核153.1 电动机的选择153.2 齿轮的设计计算与校核173.3 同步带传动的设计计算393.4 轴的设计计算与校核43第四章经济技术分析报告474.1 经济分析与评价的意义和基本原理474.2 经济技术分析47第五章结论与展望49参 考 文 献50致谢52III第一章 前 言点焊是在热与机械力作用下形成焊点的过程，热作用是焊件接合面母材金属熔化，机械力作用是焊接区产生必要的塑性变形，使两者适当配合和共同作用是获得优质点焊接头的基本条件。在金属材料的性质、板厚以及焊接规范一定的情况下，焊接设备的工艺性能决定了焊接质量。目前，在国内外应用面最广的电阻焊焊接电源是单相工频电阻焊机，逆变式电阻焊机也已取得长足发展。单相工频电阻焊机功率因数低，它提供的焊接电流为 50Hz 的类似正弦波的交流电，在焊接时存在着焊接电流 100 次/s 过零的问题。其电流大小的调节由改变周波的导通角来实现，电流越小，导通角也越小，从而其电流波形也就越不连续，这些都造成焊接加热过程不连续。逆变焊机通常采用电流反馈脉宽调制获得稳定的恒流输出，由于逆变频率高，故整个反馈控制系统的响应速度和控制分解能力比工频点焊机优越，有利于焊接适量的控制。此外，逆变整流方式可使焊接时间控制更为精确，可以方便的使焊接电流有效值随时间有规律的变化，为点焊质量控制提供了有效手段。逆变焊机输出直流焊接电流，焊接时热量连续积累，温度也就持续上升，最终的加热效果要优于交流焊机，又因为直流没有电流尖峰，故熔核不易破裂而产生飞溅。由于焊接制造工艺具有多学科综合技术的特点，使得焊接技术能够更多更快的融入最新科学技术的成就而具有时代发展的特征。众所周知，焊接学科自诞生的半个世纪以来，一直受到诸学科最新发展的直接引导，尤其是受材料、信息学科新技术的影响，不仅导致了数十种焊接新工艺的问世，而且也使得焊接工艺操作正经历着从手工焊到自动焊，自动化、柔性化到智能化的过渡，焊接自动化、机器人化，以及智能化已经成为公认的发展趋势1。电阻点焊与铆接或其它的焊接方法相比，具有接头质量高、辅助工序少、无须填加焊接材料及文明生产等优点，尤其易于机械化、自动化生产的高效率， 使其经济效益显著。在汽车、摩托车、工程机械、航空航天等领域得到了广泛的应用。近年来，新材料的出现，计算机技术、网络技术、信息技术、电力电子技术、智能控制技术的迅猛发展，对电阻点焊技术的研究提出了新的内容和挑战。微电子器件、超薄部件及精密仪器的焊接要求点焊过程要稳定、可靠、无飞溅，焊接输入能量必须能精确控制，点焊电源要具有良好的动特性，快速响应规范参数的变化，以获得质量可靠、表面美观、尺寸符合要求的焊点；点焊机器人的发展、点焊设备的机械化、自动化要求点焊电源必须高效、轻巧，点焊控制51系统智能化。传统的点焊电源以及传统的质量控制技术已经不能满足现代工程的需要，必须有新的点焊电源出现、新型的质量控制技术等一系列的新技术2。本文简单介绍了焊接技术的历史、现状以及今后的发展，之后简单叙述了脉冲电焊装置的发展及功能与特点，并设计一个结构合理的脉冲电焊装置。1.1 点焊技术的应用及发展现状1.1.1 中频点焊机器人在轿车生产中的应用根据中频点焊机器人在国外轿车装焊线的应用，其具有突出的优点。由于汽车制造厂 95%的电阻焊机是交流的。交流点焊机与电力网接通靠晶闸管导通，有空白区，热量不集中，焊接质量不稳定。中频点焊机三相负载平衡、低输入、没有电网过渡过程、功率因数高，节约电能。在美、日等国汽车厂已建成中频点焊机器人轿车车身装焊线。日本本田（HONDA）汽车公司与宫地（MIYACHI）电子技术公司合作，早在 1986 年就建成中频点焊机器人轿车车身装焊线，共用了 520 台中频点焊机器人，走在世界汽车行业的前列3。投产后焊接质量提高，点焊机器人的打点速度加快，提高了生产率。美国通用汽车公司（GM）也建成用 750 台中频点焊机器人组成的轿车车身装焊线，同时美国实快利公司（SQUARE D）B M BROWN 根据轿车身钢板采用交流和中频点焊对比得出结论：中频点焊比交流点焊节能 27%。该公司统计出交流点焊和中频点焊焊一个焊点电费比较，见表 1。基于 14kA，通电 15Hz，电能成本 $6.0/kWh焊接方法传统交流中频直流匝数比17100功率因数0.91.0每个焊点总成本$0.00148$0.0004表 1交流点焊和中频电焊电源对比图 2 和图 3 是不带镀层钢板和带镀层钢板的单相交流焊机、单相整流焊机和中频点焊机焊核直径和电流关系图。按点焊规定，稳定的焊接范围焊核直径为 4t（t 为板厚），经试验，在单相交流焊机点焊 100 焊点情况下，单相整流焊机为 129 焊点，中频点焊机为 214焊点；同样对镀层钢板，单相交流焊机为 110 焊点，中频点焊机为 355 个焊点。可见，中频点焊机稳定的焊接范围是大的。对于汽车装焊合件，在保证焊核直径为 4t 时，焊接电流为计算电流的 1.5 倍。按图 3，0.7t 镀层钢板单相交流焊机焊接电流为 8.7kA1.5=13kA，在标准焊接电流的条件下产生飞溅；而中频点焊机焊接电流为 5.6kA1.5=8.4kA，按设置的焊接电流无飞溅，一次受到焊工的欢迎；并且焊接电流小、电极发热量小，延长了电极使用时间。1.1.1.1 焊接回路小型轻量化中频点焊机器人系统焊钳和整流焊接变压器一体化，中频整流焊接变压器的质量约为单相交流式的 1/31/5，而焊钳质量约减小 1/21/3。近年来国外点焊机器人与整流焊接变压器一体化的 X/C 型焊钳改进了设计，采用高强度铝板组装成板式钳体结构代替铸铜整体结构，因此进一步减小了焊钳质量。而且铝板式钳体结构在 CNC 机床加工中心制造，提高了制造精度。另外 X/C 型焊钳结构设计具有高共用相似性，可以减少库存备件。由于焊钳的质量减小，这样点焊机器人的机械装置所支撑的质量小，从而使驱动电动机功率下降。点焊作业时在加速和制动以及点焊过程中磨损相应减少。当点焊机器人在高速旋转时，对极限点焊区也能实现驱动接近。此外，整流焊接变压器的装配零部件基本上可以置换，不用从机器上拆下焊钳和其它零件，而且也不用机械动力供给机器人的传动装置。1.1.1.2 可以广泛点焊异种金属中频点焊具有焊接电流波形广泛设置，直流极性的效果（peltier effect）和良好的热效率电流焊接热效率比交流高，可以用低电流焊接，两者点焊的焊核温度见图 4。因此具有广泛焊接钢、带镀层钢板、不锈钢、铝以及不同导热材料组合焊接的可能性（例如铝和钢的点焊）。1.1.1.3 展望中频点焊机器人和交流点焊机器人轿车白车身装焊线相比较，除了外围装置如：换焊钳系统、换电极帽系统和电极帽修整研磨装置外，中频点焊机器人的一次性投资较大。但是由于其诸多优点，从技术、经济、环保等方面综合考虑， 中频点焊机器人可减小装焊线整体投资。我国轿车生产的几个主导厂目前已建立了交流点焊机器人生产线。个别厂 （上海-大众汽车公司）在试制车间用10 几台中频悬挂式点焊机调试新产品焊接参数。随着焊接技术的进步和有关厂新车型投产以及生产纲领的扩大，中频点焊机器人在我国必将进入轿车工业的大发展。1.1.2 国内外电焊技术发展现状20 世纪 60 年代，国外开始用二次脉冲点焊的方法，对可淬硬钢的焊点进行电极间回火热处理。国内从 80 年代初进行可淬硬钢的二次脉冲点焊工艺试验研究工作4，并取得了理想的工艺效果。采用二次脉冲点焊时的热循环曲线如图 5 所示。图中第 1 个脉冲为焊接脉冲，用以获得合格的熔核尺寸。等焊点温度冷却至马氏体形成温度 Ms 点以下时， 在通过第二个脉冲电流，对淬硬区进行回火，使马氏体转变为回火索氏体组织， 以改善焊点的组织性能。图 5.二次脉冲点焊时的热循环曲线用二次脉冲点焊时，应注意以下两点:a.两次脉冲之间的时间间隔 ts，一定要保证使焊点温度冷却至 Ms 点以下。b.回火电流 I2 与回火时间 t2 应选择适当。如果 I2 过大，t2 过长，则将使整个熔核温度超过奥氏相变点而重新淬硬；如果 I2 过小，t2 过短，则只有熔核中心小部分区域回火，如图 6 所示。但是，由于对焊点的拉仲、剪切及疲劳强度影响最大的是熔核边缘的组织，此时熔核中心必会形成一次淬硬组织。图 6.回火电流变化时回火范围的变化近期的试验研究工作表明，用图 6 所示的三次脉冲点焊 1Cr171Ni2 马氏体小锈钢时，可使整个熔核得到回火组织，井使焊点的拉伸、剪切强度及延性比得到进一步提高，如表 7 所示。图 7.三次脉冲点焊示意图焊接脉冲强度值P/P/NP/P二次3975.613761.70.26三次5890.919146.50.31表 2.二次及三次脉冲点焊接头的拉伸剪切强度赵熹华等人采用调制焊接电流脉冲和随机多脉冲热处理等点焊工艺措施， 获得了 60Si2Mn、65Mn 弹簧钢的优质点焊接头，为钢质弹簧件的以焊代铆指出了方向5。系统的试验发现，多脉冲(脉冲数大于 2)回火热处理优于传统的双脉冲点焊工艺，它可使点焊头高应力区域的回火过程进行得更为充分、有效。应用多脉冲回火热处理工艺应注意以下两点：a. 回火脉冲的个数 n(n=1，2，3，4)。根据板厚不同由试验确定，一般随的增加而增加。b. 回火电流的脉冲时间 t2 应远小于传统的双脉冲点焊，井需适当增加回火脉冲的时间间隔，以防止出现过烧组织。试验表明，四脉冲回火 65Mn 镀锌板(=0.35)点焊接头时，拉伸、剪切载荷及延性比均与炉中回火的情况相近。除了可淬硬钢以外，TC3 双相钛合金的双脉冲点焊同样可改善点焊接头的塑性。尤其是当二次电流脉冲为一次电流脉冲的 40%时，接头的延性比提高最为明显，对应的拉伸断口呈现塑性断裂的典型特征。研究表明，附加电流脉冲还是提高点焊接头疲劳寿命的有效方法。1.2 点焊的基本介绍点焊是焊件在接头处接触面的个别点上被焊接起来，要求金属要有较好的塑性。脉冲点焊，则是在一个焊接循环中，通过两个以上焊接电流脉冲的点焊。由于点焊的焊点间有一定的间距，所以只用于没有密封性要求的薄板搭接结构和金属网、交叉钢筋结构件等的焊接。如果把柱状电极换成圆盘状电极，电极紧压焊件并 转动，焊件在圆盘状电极只间连续送进，再配合脉冲式通电。就能形成一个连续并重叠的焊点，形成焊缝。焊接时，先把焊件表面清理干净，再把被焊的板料搭接装配好，压在两柱状铜电极之间，施加 P 力压紧。当通过足够大的电流时，在板的接触处产生大量的电阻热，将中心最热区域的金属很快加热至高塑性或熔化状态，形成一个透镜形的液态熔池6。继续保持压力 P，断开电流，金属冷却后，形成了一个焊点。如图 8 所示，是一台点焊机的示意图。图 8.点焊机1.2.1 点焊的基本原理电阻点焊是通过点焊电极对被焊工件施加并保持一定的压力，使工件稳定接触，然后使焊接电源输出的电流通过被焊工件和它们的接触表而，产生热量， 升高温度，熔化接触点局部形成焊点，达到将金属工件焊接在一起的目的。点焊结构和热量分布特性如图 9 所示。电阻点焊过程中，在良好的焊接循环条件下，无论焊接干什么材料，每一个焊点的形成过程必分为 3 个连续的阶段：第一阶段预压阶段。紧密接触工件的焊接处，保证所需的接触电阻。第一阶段通电加热阶段。电流通过挤压在电极间的工件，产生热量，加热工件达到熔化状态， 形成熔核。熔核外部金属因通过的电流较小，形成包围熔核的塑形环，影响焊点强度。第三阶段冷却结晶阶段7。焊点熔化形核后，在冷却结晶过程中伴随有相当大的收缩，在这个阶段一定要延迟解除电极的压力，使焊点在未完全冷却前，在电极压力作用下得到更加致密的结晶组织。点焊形核如图 10 所示。图 9电焊结构与热量分布特性图图 10点焊形核图1.2.2 焊接循环点焊的焊接循环由四个基本阶段：1） 预压阶段电极下降到电流接通阶段，确保电极压紧工件，使工件间有适当压力。2） 焊接时间焊接电流通过工件，产热形成熔核。3） 维持时间切断焊接电流，电极压力继续维持至熔核凝固到足够强度。4） 休止时间电极开始提起到电极再次开始下降，开始下一个焊接循环。为了改善焊接接头的性能，有时需要将下列各项中的一个或多个加于基本循环：1） 加大预压力以消除厚工件之间的间隙，使之紧密贴合。2） 用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止飞溅。3） 加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹或缩孔。4） 用回火或缓冷脉冲消除合金钢的淬火组织，提高接头的力学性能，或在不加大锻压力的条件下，防止裂纹和缩孔。1.2.3 点焊的特点点焊具有低能耗、低成本、高质量、高效率、且便于实现自动化、使用方便等特点。同时无需耗材，无需焊条、焊丝和焊药等，焊接过程耗热小，无烟尘等有害物质，无刺眼的光污染，而且工作电压只有几个伏特，是一种安全、经济、高效、可靠、无污染的环保型焊接方法。点焊主要采用双面单点焊接、双面双点焊接、单面单点焊接、单面多点焊接和双面多点焊接等焊接方式。1.2.4 对点焊质量的影响因素影响点焊质量稳定的因素是多方面的。在材料方面主要有材质(导电、导热、导磁、镀层等性能)、板厚形状、表面状况；在供电方面主要有网压波动、其它焊机或用电设备的影响!电流波动；在加压机构方面主要有压力波动、电极的冲击性、振动性、跟随性；在焊接工况方面主要有已焊点的分流、焊点位置、软磁工件伸入极臂内的距离、板间接触状态；在电极方面主要有电极材质、端部形状、已焊点数、端部粘损与变形等因素 IIW 推荐通过考察当以下 8 个因素变化时， 控制器的精度!灵敏度以及对焊接质量的保证能力所受的影响来评价控制系统的性能。这 8 个因素分别是：电流；压力；通电时间；电极端部变形；分流；边缘距离；板厚；板表面的清洁度。在这些众多的因素中，常见的影响较大的因素除了焊接规范自身的波动外，应是分流与电极端部的粘损与变形。一个性能良好的控制器应能有效地补偿上述各种因素的影响8。1.2.5 脉冲点焊的分类根据脉冲次数的不同，可将其分为单脉冲点焊、双脉冲点焊以及多脉冲点焊。根据电流的种类，脉冲点焊又可分为交流脉冲点焊和直流脉冲点焊。1. 交流电：可以通过调幅使电流缓升、缓降，以达到预热和缓冷的目的，这对于铝合金焊接十分有利。交流电还可以用于多脉冲点焊，即用于两个或多个脉冲之间留有冷却时间，以控制加热速度。这种方法主要应用于厚钢板的焊接。2. 直流电：主要用于需要大电流的场合，由于直流焊机大都三相电源供电， 避免单相供电时三相负载不平衡。其中，直流脉冲电阻点焊被广泛应用于有色金属、尤其是一些易产生缩孔和裂纹的轻合金板材的焊接。在国内，这类焊机主要用于航空及电子工业，但多为 50 年代的产品。1.2.6 点焊设备分类及简介点焊设备由焊接电源、电极头和压力机构组成，主要有以下几种类型。1.2.6.1 工频交流点焊设备使用最广泛的常规电焊机是将三相或单相频率为 50Hz 的交流电，输入给单相降压变压器，经变压器输出低电压、大电流的正弦波，以满足接触焊点的需求9。优点是：结构简单，焊接时间、压力和电流等焊接规范易调节；缺点时功率因数较低，且热影响较大。1.2.6.2 电容储能式点焊机利用储能电容器在较长时间内储积电能，而在一瞬间以极高速率释放能量， 获得较大的焊接电流。由于充电电流远小于放电电流，因而焊接效率较高，适合于焊接导电性、导热性良好的轻金属。1.2.6.3 品体管点焊机具有微秒级反馈波形控制，脉冲波形可任意设定，有效防止焊接热影响， 可获得高质量无飞溅的焊点，适用于精密精细件的高要求焊接，能出色完成薄板和极细线的焊接。1.2.6.4 高频逆变点焊机将工频三相交流电通过整流器变为直流电，再按一定规则控制逆变器中功率开关器件的导通或断开，使逆变器的输出侧获得一定频率(中频或高频)的输出交流电压，再通过焊接变压器给电极提供焊接电流。这种焊接方式功率因数高、可精确控制，与交流点焊机相比，其焊接变压器体积很小，是目前比较流行的一种焊机。1.2.6.5 激光点焊机利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料内部扩散，将材料熔化后形成特定的熔池。激光点焊1.3 选题背景、目的和意义1.3.1 选题背景焊接是电子、微电子工业的支撑点，没有可靠的焊接，就没有先进的电子系统，而各种先进的电子系统越来越受制于互连引入的各种约束。其中，点焊是现代制造业中最常用的焊接工艺之一，它已经被广泛的应用到了航空、电子产品的制造，模具的修复等各个方面。其中一个典型应用的实例就是汽车车身部件的连接。有关资料表明，一个典型的汽车车身大约由 5000 多个焊点，而这些焊点的质量直接影响着车身的质量及汽车的整体性能。随着电子产品的小型化、微型化及高性能化，这种约束越来越明显。在电子、微电子元器件的生产制作中，如何对元器件短引脚细导线进行焊接，且焊接牢靠、焊点细小，从而形成较小的阻抗，对建立先进可靠的电子系统影响极大。因此，成为最佳的连接，应满足焊点细小牢靠，电阻小，电感小，最大限度降低对高频小信号的延迟、衰减条件，还需满足耐高温、耐低温、抗震动、抗腐蚀的要求，且无需焊料、辅料和无环境污染。而点焊则是一种安全、经济、高效、可靠、无污染的环保型焊接方法，满足了现代制造业的发展需要，因此受到了广泛的关注。电阻焊是一种将金属工件连接在一起的焊接方法。通过对被焊工件之间施加、控制和保持一定的压力，从而使工件之间形成一个稳定的接触电阻，然后使焊接电源控制器输出的控制电流流过被焊工件之间的接触表而，产生热量，温度升高，局部熔化接触点，并控制该过程的热量大小与过程，从而达到将金属工件焊接在一起的目的。1.3.2 研究意义随着科技的发展，伴着电子产品的小型化，对焊接的技术要求也越来越高。例如，今年来电子工业发展迅速，对继电器的需求大大增加，而对继电器的要求却越来越向自动化生产方向发展。继电器的质量好坏很大程度上取决于动静簧片的接触点点焊，接点脱焊和拉毛都会给产品造成报废和损失。此外，在制造等其他行业中，也有越来越多产品的点焊结合件中多数零件的尺寸较小，由于窄搭接接头的搭接面积小，造成焊点距零件边缘近，形状较复杂，易产生较严重的熔化金属飞溅友其它内、外部缺陷10。零件厚度相对较厚或两焊件厚度不等，加经材料的焊接性较差，且有的还是单点接头等诸多不利因素，使其点焊的工艺性较差，而点焊技术的利用很好的改变了这一现状。但是现有的 P115 型、P320 型、P103 型等不同类型的点焊机，由于输出功率小、稳定性差等缺点，已经不能适应于生产的需要。因此设计制造新型的点焊机就显得十分必要。1.4 本论文主要研究内容由于脉冲点焊装置的焊点细小牢靠，电阻小，且无需焊料和辅料，因此被广泛的应用到制造业中，制钉业就是其中之一。本文研究的主要内容就是针对脉冲点焊装置制具传动部分的机械结构进行设计。制具传动部分主要由振动盘、导轨和焊胎等几部分组成。传动部分是通过电动机带动齿轮减速，进而通过同步带带动焊胎来完成的。文章的主要设计部分就是对电机、减速齿轮以及同步带进行选择和设计计算，从而达到最优的配置。除了对主要部分进行计算，还将用 Auto CAD 绘制传动部分的示意图、装配图以及零件图。第二章 脉冲点焊装置机械结构的总体设计2.1 概述电阻点焊是通过点焊电极对被焊工件施加并保持一定的压力，使工件稳定接触，然后使焊接电源输出的电流通过被焊工件和它们的接触表而，产生热量， 升高温度，熔化接触点局部形成焊点，达到将金属工件焊接在一起的目的。电阻点焊过程中，在良好的焊接循环条件下，无论焊接干什么材料，每一个焊点的形成过程必分为 3 个连续的阶段：第一阶段预压阶段。紧密接触工件的焊接处， 保证所需的接触电阻。第一阶段通电加热阶段。电流通过挤压在电极间的工件，产生热量，加热工件达到熔化状态，形成熔核。熔核外部金属因通过的电流较小，形成包围熔核的塑形环，影响焊点强度。第三阶段冷却结晶阶段。焊点熔化形核后，在冷却结晶过程中伴随有相当大的收缩，在这个阶段一定要延迟解除电极的压力，使焊点在未完全冷却前，在电极压力作用下得到更加致密的结晶组织。2.2 设计方案的确定本文是设计用于焊接钉子的脉冲点焊装置，主要针对脉冲点焊装置的机械结构进行设计，因此要求设计的结构既简单又实用。装置主要由上料、轨道、焊接、切断、输送和卷曲几部分组成，其工作流程如图 11所示。本文主要就脉冲点焊装置的制具传动部分进行设计。具体的方案如下：首先确定该机构是由一个轨道作为传送钉子的传输装置，然后送到作为承载装置的承钉轮上，再由承钉轮配合装置进行焊接。其次，确定传动部分是由电机带动一对齿轮啮合，由齿轮带动同步带传动，进而带动承载论转动。上料轨道（振动）承钉轮焊接拔钉切断计数、切断、定位三个作用输送带浮动装置（速度调整）机械手取走卷曲输送带电磁吸力（断电后）图 11点焊机工作流程图电机同步带大带轮输出转速13r/min2 轴1 轴0 轴小带轮小齿轮转速 360r/min第三章 制具传动部分的设计计算与校核输出图 12制具传动部分示意图3.1 电动机的选择已知：输出转速 n=13r/min电动机转速 nm=360 r/min功率 P=1.5kw因此，根据 JB/T6447-1992 选择 YCT 系列电磁调速三相异步电动机，电动机型号为 YCT132-4B。查表得：额定功率 P=1.5kw额定转速 nm=360 r/min转矩 T=9.72Nm根据机械设计课程设计表 2-3 确定各部分效率：滚动轴承传动效率1=0.99， 闭式齿轮传动效率1=0.97，联轴器传动效率3=0.99，同步带传动效率4=0.97，代入得传动装置总效率：=1234=0.990.970.990.97=0.922根据图 1 算得：总传动比i = nmn= 360 = 27.6913（3-1）1.3 i齿轮传动比i1 =ii带轮传动比i2 =1= 61.3 27.69= 27.69 = 4.6156（3-2）（3-3）0 轴：P0 = 1.5kwn0 = 360r / minT0 = 9.72N m1 轴：P1 = P0 h1 h2 = 1.5 0.99 0.97 = 1.44kw（3-4）1n = nm i1= 360 = 60r / min 6（3-5）1T = 9550P1n1= 9550 1.44 = 229.2N m60（3-6）2 轴：P2 = 1.44 0.99 0.97 = 1.38kw2n = n1 i2=604.615= 13r / min2T = 9550P2n2= 9550 1.38 = 1013.77N m13轴名功率(kw)转矩(Nm)转速n(r/min)传动比I效率 输入输出输入输出01.59.7236010.9911.51.449.72229.26060.960321.441.38229.21013.77134.6150.951表 3运动和动力参数计算结果3.2 齿轮的设计计算与校核3.2.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数按设计图所示传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。焊台为一半工作机器，速度不高，故选用 7 级精度（GB10095-88）。材料选择。由机械设计（第七版）中表 10-1 选择小齿轮材料为镍合金，硬度为 280HBS，大齿轮材料为镍合金，硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。选小齿轮齿数 Z1=23，Z2=693.2.2 按齿面接触强度设计31fdK u 1 Zu E 2 s H 由设计计算公式（3-1）进行计算，即d1t 2.32（3-7）3.2.2.1 确定公式内的各计算数值试选载荷系数Kt=1.3小齿轮传递的转矩T1= 97200Nmm由机械设计（第七版）表 10-7，选取齿宽系数f d = 1 .1由机械设计（第七版）表 10-6 查得材料的弹性影响系数 ZE。12p 1 - m 2 E1ZE = 189.8MPa1 / 2（3-8）由机械设计（第七版）图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限， 选择 MQ 线与 ML 线之间的值。Hlim1=600MPa；大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1=550MPa；由式（3-9），即N1=60n1jLh（3-9）计算应力循环次数，设工作寿命为 15 年，每年工作 300 天，每天工作 8 小时， 则应力循环次数为：N1=60n1jLh=603601830015=51840000 N2=N1/u=5184000023/69=17280000由机械设计（第七版）中的图 10-19 查得接触疲劳寿命系数KHN1=1.20；KHN2=1.18计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式（3-10），即s =K N s limS（3-10）得s H 1s = KHN1s H lim1S= KHN 2s H lim 2= 1.18 600MPa = 708MPa= 1.20 550MPa = 660MPaH 2S3.2.2.2 计算3 1 1 E K T u 1 Z 2f du s H 试计算小齿轮分度圆直径 d1t，带入H中较小的值d1t 2.32（3-11）3 1.3 9.72 104 3 + 1 189.8 213 660 = 2.32 = 55.83mm计算圆周速度 vv = pd1t n160= p 55.83 360 mm / s = 1.05m / s60 1000（3-12）计算齿宽 bb = fd d1t= 1 55.83mm = 55.83mm（3-13）计算齿宽和齿高之比 b/h 模数：mt = d1t / Z1 = 55.83 / 23 = 2.43mm（3-14）齿高：h=2.25mt=2.252.43=5.47mm b/h=55.83/5.47=10.21计算载荷系数根据 v=1.05mm/s，7 级精度，由机械设计（第七版）中的图 10-8 查得动载荷系数：KV=1.03直齿轮，假设 KAFt/b100N/mm。由机械设计（第七版）中表 10-3 查得齿间载荷分配系数：KHa=KFa=1.2；由机械设计（第七版）中表 10-2 查得使用系数：KA=1；由机械设计（第七版）中表 10-4 查得 7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，接触疲劳强度计算用齿向载荷分布系数 KHb 的简化公式为：K= 1.12 + 0.18(1 + 0.6f 2 )f 2 + 0.23 10 -3 b(3-15)Hbdd将数据带入后得KHb=1.12+0.18（1+0.612）12+0.2310-329.2=1.415由 b/h=10.21，KHb=1.415查机械设计（第七版）中图 10-13 得KFb=1.36；故载荷系数K = KAKV KFa KFb = 11.031.21.415= 1.749按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（3-16）即K3K td1 = d1t（3-16）3 1.7491.3代入数据，得3 K Ktd1 = d1t= 55.83= 61.63mm计算模数 mm=d1/Z1=55.83/23=2.43mm3.2.3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度设计公式为（3-17）32KT1 YFaYSa fd Z1 s F 2m （3-17）3.2.3.1 确定公式内的各级算数值由机械设计（第七版）中图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度极限FE2=380 MPa； 由机械设计（第七版）中图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88；计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式（3-18）即s =KN s limS（3-18）代入数据，得s F 1= KFN1s FE1S= 0.85 500 MPa = 303.57MPa 1.4s F 2计算载荷系数 K= KFN 2s FE 2S= 0.88 380 MPa = 238.86MPa 1.4K = KAKV KFa KFb =11.031.21.36 =1.681查取齿形系数由机械设计（第七版）中表 10-5 查得YFa1=2.69，Y Fa2=2.45查取应力校正系数由机械设计（第七版）中表 10-5 查得YSa1 = 1.575 ，YSa 2 = 1.65计算大、小齿轮的YFaYSas F ，并加以比较YFa1YSa1s F 1YFa 2YSa 2s F 2= 2.69 1.575 = 0.01395303.57= 2.45 1.65 = 0.01624 238.86大齿轮的数值大3.2.3.2 设计计算3 0.016242 1.681 9.72 1041 232m = 2.157mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力， 而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘机）有关，可取由弯曲强度算得的模数 2.157 并就近圆整为标准值 m=2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径 d1=55.83mm，算出小齿轮齿数z= d11m= 55.83 = 22.332.5大齿轮齿数Z2=uZ1=322.33=66.99，取 Z2=67这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。3.2.3.2 几何尺寸计算计算分度圆直径d1 = z1 m = 23 2.5 = 57.5mmd 2 = z2 m = 67 2.5 = 167.5mm计算中心距a = (d1 + d 2 ) / 2 = (57.5 + 167.5) / 2 = 112.5mm计算齿轮宽度b = fd d1 = 1 57.7 = 57.5mm取 B2=58mm，B1=63mm3.2.3.3 验算tF = 2T1d1= 2 9.72 10457.5N = 3380.9NKa Ft b= 1 3380.9 N / mm = 58.80N / mm 100N / mm57.5合适3.2.4 齿圈的设计计算与校核3.2.4.1 选定齿圈类型，精度等级以及材料齿数按所设计的图所示，齿圈节圆直径为 150mm。由于速度不高，选用 7 级精度。材料的选择，由机械设计（第七版）中的表 10-1 查得，小齿轮为镍合金， 硬度为 280HBS；齿圈为镍合金，硬度为 240HBS，二者硬度差为 40HBS。选取小齿轮z1 = 671z3 = i2 z = 150 ，故取 z3= i2 z = 15013.2.4.2 按齿面接触强度设计由设计公式（3-1）进行试算确定公式中的各计算数值试选载荷系数tK = 1.3计算小齿轮传递的转矩T1 = 97200N mm由机械设计（第七版）中表 10-7，查出圆柱齿轮的齿宽系数df = 1由机械设计（第七版）中表 10-6 弹性影响系数表，可以查得材料的弹性影响系数12p 1 - m 2 E1Z=E= 189.8MPa 1 / 2（3-19）由机械设计（第七版）中图 12-21d 按齿面硬度查得接触疲劳强度极限，选择MQ 线与 ML 线之间的值。o H lim 3sH lim1= 550MPa ，= 550MPa ；计算应力循环次数，设工作寿命为十五年，每年工作 300 天，每天工作 8 小时， 则应力循环次数为：N1=60n1jLh=603601830015=51840000 N2=N1/u=5184000023/69=17280000由机械设计（第七版）中的图 10-19 查得接触疲劳寿命系数KHN1= 1.18K HN 3 = 1.22计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%，安全系数 S=1，得K s s H 1s H 3= HN1 H lim1S= KHN 2s H lim 2S= 1.18 600MPa = 708MPa= 1.22 550MPa = 671MPa3.2.4.3 计算d试计算小齿轮分度圆直径1t，带入H中较小的值d1t 2.32 （3-20）3 T 12 E K T u + 1 Z 2fdu2Hs3 1.3 9.72 104 3 + 1 189.8 213 671 = 2.32 = 55.21mm计算圆周速度 vvp d np 55.21 360= 1t 1 =60 100060 1000=1.04m/s计算齿宽d d1tb = f = 1 55.21 = 55.21mm计算齿宽和齿高之比 b/h 取模数：t取 m = 1d mt = 1t =Z155.2167= 0.824齿高：th = 2.25m = 2.25mmb / h = 55.21/ 2.25 = 24.54计算载荷系数根据 v=1.04m/s，7 级精度，由机械设计（第七版）中的图 10-8 查得动载荷系数：VK = 1直齿轮，假设 KAFt/b100N/mm，由机械设计（第七版）中表 10-3 查得齿间载荷分配系数：HaK = 1.1FaK = 1.1由机械设计（第七版）中表 10-2 查得使用系数：AK = 1；由机械设计（第七版）中表 10-4 查得 7 级精度，小齿轮相对支承非对称布置时，接触疲劳强度计算用齿向载荷分布系数 KH 的简化公式（3-4）代入数据KHb= 1.12 + 0.18 12 + 0.23 10-5 62.73 = 1.31由 b/h=27.88，KHb=1.31查机械设计（第七版）中图 10-13 得FbK = 1.35 ；故载荷系数K = K K K K = 111.11.31 = 1.441AVHaHb按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（3-5）代入数据得1.44131.31d = 55.21= 57.138mm计算模数 mm = d1z1= 57.138 = 0.85mm 1mm 673.2.5 按齿根弯曲强度设计3.2.5.1 确定公式内各计算数值由机械设计（第七版）中图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限sFE1= 500MPa ，sFN 3= 380MPa ；由机械设计（第七版）中图 10-18 查得弯曲疲劳寿命系数KFN1= 0.96K FN 3 = 0.98计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数为 S=1.4，代入数据得s FK = FN1 =1S0.96 5001.4= 342.86MPas F 3= FFN 3s FE 3S= 0.98 380 = 266.00MPa 1.4计算载荷系数 KK = K K K K =11.1.11.35 =1.485AVFaFb查取齿形系数由机械设计（第七版）中表 10-5 查得查取应力校正系数YFa1= 2.28 ，Y Fa 3= 2.14由机械设计（第七版）中表 10-5 查得YSa1= 1.73 ，Y Sa 3= 1.83计算大小齿轮的YFaYSas F 并加以比较Y Y 2.28 1.83 Fa1 Sa1 =s F 1342.86= 0.012169YFa3YSa3s F 3= 2.14 1.83 = 0.014723 266.00大齿轮数值大设计计算m 32 1.485 9.72 104 0.014723mm = 1.057mm 1 672对比结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算得的模数 1.057，并就近圆整为标准