冲击式水轮机转轮水斗3D堆焊装置设计及运动分析

发布时间：2017-05-09 10:15

  本文关键词：冲击式水轮机转轮水斗3D堆焊装置设计及运动分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：转轮是冲击式水轮机的核心部件,转轮制造水平关系着水轮机工作效率、寿命和企业的经济效益。现阶段,整体锻造配合数控加工是转轮制造的主流方式,但此种方式材料利用率低,通常毛坯的3/4需要去除,造成了大量的材料浪费。寻求转轮制造的新思路,研制相应的装备,减小材料的浪费、提高生产效率,提升转轮的制造水平很有必要。本文针对转轮水斗的制造问题,把堆焊技术与3D打印技术融合在一起,用于转轮水斗毛坯的制造,实现转轮水斗的近净成型加工。结合3D堆焊技术研制适合于转轮水斗堆焊制造和修复的专用堆焊装置,本文的主要研究内容如下:首先,论述了3D堆焊工艺的原理、特点及其用于转轮制造的合理性。结合转轮待焊位置分析研究了适合转轮材料堆焊的常用堆焊工艺,确定了转轮水斗的堆焊方法。研究了堆焊工艺参数对焊丝熔化速度、堆焊成形、飞溅的影响,制定了转轮水斗的堆焊工艺。其次,根据企业的技术要求,对堆焊装置进行设计,主要进行了堆焊装置总体方案设计,焊枪水平移动模块设计,焊枪上下移动模块设计,焊枪角度调整模块设计,转轮变位机构设计,并对关键部件进行静刚度、强度分析,通过堆焊装置装配体干涉检查进一步优化结构设计。根据堆焊装置的实际运动情况,制定堆焊装置的控制方案,对控制系统主要硬件进行了简单介绍。再次,确定了堆焊路径规划的整体思路,分析比较了数控铣削刀具路径和堆焊路径的差异,通过Creo对转轮进行三维建模并进行模型处理。采用Creo CAM模块对水斗的每一层进行加工,采用以焊丝直径为直径的铣刀进行堆焊过程模拟,并在Vericut中利用以堆焊熔宽为直径的刀具进行单层材料移除模拟,阐述了采用刀具路径代替堆焊时焊丝末端轨迹的合理性。创建后置处理器对CL文件进行编译转换成数控系统能识别的MCD文件。最后,根据堆焊装置的实际运动情况,通过Creo的机构分析模块,创建机构连接定义,添加伺服电机,创建分析定义,创建测量,进行运动碰撞干涉检查,检验焊枪与相邻水斗可能出现干涉的位置是否会产生干涉,通过调整焊枪角度使焊枪与相邻水斗处于临界干涉状态,测得焊枪不干涉的角度范围,为其他角度的堆焊提供了一个参考。
【关键词】：转轮 堆焊工艺 堆焊装置 路径规划 干涉检查
【学位授予单位】：重庆理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK730.6
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 冲击式水轮机转轮概述10-11
• 1.2 冲击式水轮机转轮水斗的制造方法11-12
• 1.2.1 分体制造11
• 1.2.2 整体铸造11
• 1.2.3 整体锻造数控加工11-12
• 1.3 3D堆焊技术概述12-14
• 1.3.1 我国堆焊技术的发展历程及现状12-13
• 1.3.2 3D堆焊的原理13
• 1.3.3 3D堆焊的特点13-14
• 1.4 自动堆焊工艺装备现状14
• 1.5 课题的提出及研究意义14-15
• 1.6 本文研究内容15-16
• 2 冲击式水轮机转轮水斗堆焊工艺研究16-24
• 2.1 转轮堆焊的要求16-17
• 2.1.1 转轮水斗堆焊要求16
• 2.1.2 待堆焊位置分析及转轮材料16-17
• 2.2 堆焊工艺方法的选择17-19
• 2.2.1 电弧堆焊工艺方法分类17-18
• 2.2.2 常用电弧焊堆焊工艺的特点18-19
• 2.3 MAG堆焊工艺分析研究19-22
• 2.3.1 堆焊工艺参数对焊丝熔化速度的影响19-20
• 2.3.2 堆焊成形的影响因素分析20
• 2.3.3 飞溅的影响因素分析20-21
• 2.3.4 脉冲MAG堆焊的特点21-22
• 2.4 焊接电源的选择22-23
• 2.5 堆焊工艺的制定23
• 2.6 本章小结23-24
• 3 冲击式水轮机转轮水斗堆焊装置设计24-50
• 3.1 堆焊装置要满足的技术要求和设计方案24-26
• 3.1.1 数控堆焊装置的主要技术参数24
• 3.1.2 数控堆焊装置总体方案设计24-26
• 3.2 焊枪水平移动模块的设计26-33
• 3.2.1 伺服电机的选型计算27-29
• 3.2.2 单轴驱动器及直线导轨的选型29-33
• 3.3 焊枪上下移动模块的设计33-35
• 3.3.1 伺服电机的选型34-35
• 3.3.2 单轴驱动器的选型35
• 3.4 焊枪角度调整模块的设计35-36
• 3.5 转轮变位机构模块的设计36-42
• 3.5.1 转轴的结构设计36-38
• 3.5.2 转轴的有限元静力分析38-40
• 3.5.3 减速机的设计40-41
• 3.5.4 伺服电机的选型与校核41-42
• 3.6 虚拟装配42-45
• 3.6.1 Creo装配方法43
• 3.6.2 堆焊装置整体虚拟装配43-44
• 3.6.3 虚拟装配干涉检查44-45
• 3.7 堆焊装置控制系统方案介绍45-48
• 3.7.1 堆焊装置控制系统功能分析45-47
• 3.7.2 硬件配置选型47-48
• 3.8 本章小结48-50
• 4 冲击式水轮机转轮水斗堆焊路径规划50-66
• 4.1 堆焊路径规划概述50-51
• 4.2 冲击式水轮机转轮三维建模51-55
• 4.2.1 基于Creo的冲击式水轮机转轮三维建模51
• 4.2.2 转轮水斗三维建模整体思路51-52
• 4.2.3 转轮轮盘的建模52-53
• 4.2.4 水斗的建模53-55
• 4.3 转轮水斗堆焊分析55-58
• 4.3.1 堆焊路径规划的整体思路56
• 4.3.2 数控铣削与堆焊的差异56-57
• 4.3.3 不同堆焊路径的比较57-58
• 4.3.4 铣削路径与堆焊路径的结合58
• 4.4 Creo 3.0 CAM铣削轨迹的生成58-62
• 4.4.1 水斗模型的的处理59
• 4.4.2 转轮水斗铣削轨迹的生成59-61
• 4.4.3 Vericut材料移除模拟61-62
• 4.5 铣削路径文件的后置处理62-65
• 4.5.1 后置处理概述62
• 4.5.2 后置处理器的创建62-65
• 4.6 本章小结65-66
• 5 堆焊装置运动仿真分析66-78
• 5.1 Creo运动仿真概述66
• 5.2 堆焊装置机构连接定义66-70
• 5.3 堆焊装置运动仿真动力的添加70-74
• 5.3.1 运动轴伺服电动机的定义70-72
• 5.3.2 几何伺服电动机的定义72-74
• 5.4 运动仿真分析74-77
• 5.4.1 创建分析定义74-75
• 5.4.2 结果分析75-76
• 5.4.3 不干涉堆焊角度范围76-77
• 5.5 本章小结77-78
• 6 结论与展望78-80
• 6.1 主要结论78
• 6.2 展望78-80
• 致谢80-82
• 参考文献82-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果86

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