船舶導(dǎo)軌垂直雙面角焊機(jī)設(shè)計(jì)

船舶導(dǎo)軌垂直雙面角焊機(jī)設(shè)計(jì),船舶,導(dǎo)軌,垂直,雙面,角焊機(jī),設(shè)計(jì) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名：劉敏 班級(jí)：0781053 指導(dǎo)老師：高延峰 摘要：管道運(yùn)輸是油氣運(yùn)輸中最主要、最快捷、經(jīng)濟(jì)、可靠的方式，可用于輸送水、原油、天然氣、成品油等，具有輸量大、距離長(zhǎng)、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)發(fā)展迅速。管道運(yùn)輸業(yè)的主體是管道，管道工程的核心工作是管口的焊接。因此研究高效率、性能可靠的管道全位置自動(dòng)焊接機(jī)具有十分重要的意義。 為解決管道建設(shè)野外作業(yè)的自動(dòng)化焊接的難題，研制了一種導(dǎo)軌式管道焊接機(jī)器人，其關(guān)鍵技術(shù)包括：研制新型的行走機(jī)構(gòu)、焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、及機(jī)器人軌道、焊槍機(jī)械手。介紹了導(dǎo)軌式焊接機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和焊接機(jī)控制，著重對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、動(dòng)作原理、設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和說(shuō)明?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該機(jī)器人能沿導(dǎo)軌平穩(wěn)、可靠的行走，進(jìn)行管道外圓全位置焊接，其操作簡(jiǎn)便，成本低，適合我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)及工人的技術(shù)水平，既保證了焊接質(zhì)量，又提高了勞動(dòng)效率。 關(guān)鍵詞：軌道式焊接機(jī) ；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 管道 ；機(jī)械手 指導(dǎo)老師簽名： Cylindrical pipe automatic welding machine design Student name: Liu Min Class: 0781053 Supervisor: Gao Yan Feng Abstract: Pipeline transportation is the most important, quickest, economical and reliable method in petroleum transportation. It can transport water, crude oil, natural gas, oil product etc. It has a number of advantages: high transmission volumes, long distance, safety and cost-effectiveness, which is rapid developed in all the world. The subject of pipeline transportation is pipeline; the core of pipeline project is nozzle welding. So, it has very important significance to develop high efficient and reliable performance pipeline all-position automatic welding machine. An orbit pipeline welding robot has been developed to solve the problem of automatic welding during pipeline construction in the fields. Its key techniques consist of developing a new type of travel unit, welding torch as cillating unit, robot orbit and intelligent control system etc. The development work of the orbit pipeline welding robot mechanic system is introduced in the paper. The main illustration is about the system's structure，action principle，key points of design and machining technies and verifying calculation for selecting reduction gearbox with the wire feeder motor and the diameter of the wire-feed wheel. The application in fieldwork shows that the robot can trave1 along the orbit stably and reliably and carry through all-position welding. The welding is easy with low cost that is fit for fieldwork and worker in our country，guarantees the welding quality and improve working efficiency. Keywords: Orbital welding machine ；construction design ；pipeline； Manipulator Signature of supervisor: 目 錄 摘要 1 Abstract 2 1. 緒 論 5 1.1課題背景及研究意義 5 1.2管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 5 1.2.1焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程 5 1.2.2焊接機(jī)器人國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 6 1.2.3焊接機(jī)器人技術(shù)展望 7 1.3管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)的研究現(xiàn)狀 8 1.3.1管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀 8 1.3.2管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 9 2.管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.1自動(dòng)焊接機(jī)總體要求和技術(shù)指標(biāo) 11 2.2 自動(dòng)焊接機(jī)總體方案的確定 11 2.3管道外圓自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)基本思路 12 2.4小車(chē)行走機(jī)構(gòu) 12 2.4. 1 基本工作原理 12 2.4.2 行走機(jī)構(gòu)車(chē)體設(shè)計(jì)要點(diǎn) 13 2.4.3 行走機(jī)構(gòu)滾動(dòng)組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 13 2.5 焊絲送進(jìn)機(jī)構(gòu) 14 2.6 焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 15 2.7 焊接軌道 15 2.8行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 2.8.1 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 17 2.8.2 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 18 3 焊接小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng) 19 3.1 電機(jī)的選擇 20 3.2 減速器的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)比 21 3.3 送絲機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng) 21 3.3.1 送絲電機(jī)的選擇 21 3..3.2 減速器 23 3.4 焊槍姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng) 23 3.4.1 電機(jī)的選擇 23 4. 結(jié) 論 25 參考文獻(xiàn) 25 致 謝 26 1. 緒 論 1.1課題背景及研究意義 現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷對(duì)焊接技術(shù)提出更新更高的要求，而現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的新成就又為焊接方法和焊接專(zhuān)用設(shè)備的發(fā)展提供了寬廣和雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。焊接工藝和焊接設(shè)備就是在現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下相輔相成地蓬勃發(fā)展起來(lái)的。而管道運(yùn)輸是油氣運(yùn)輸中最主要的也是最快捷、經(jīng)濟(jì)、可靠的方式，可用于輸送水、原油、天然氣、成品油等，具有輸量大、距離長(zhǎng)、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)發(fā)展迅速。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家管道油氣運(yùn)輸方式的輸油量約占油氣運(yùn)輸總量的2/3之多，油氣的管道運(yùn)輸對(duì)從原油、天然氣的生產(chǎn)、精煉、儲(chǔ)存及到用戶(hù)的全過(guò)程起到了重要作用。 目前管道施工已逐漸從手工焊接向全自動(dòng)焊接方向發(fā)展。管道建設(shè)地區(qū)跨度大，沿線(xiàn)施工環(huán)境惡劣，加之管道輸送逐步向高壓、大口徑方向發(fā)展，這對(duì)管道環(huán)焊縫的焊接提出了更高的要求，管道環(huán)焊縫的焊接成為制約整個(gè)工程質(zhì)量和建設(shè)周期的關(guān)鍵因素。野外焊接環(huán)境十分惡劣，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)難度高，因此，工程上迫切需要實(shí)現(xiàn)管道的自動(dòng)焊接，用以提高生產(chǎn)率、保證焊接質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和施工成本，而且自動(dòng)焊接還能大幅度降低操作技術(shù)難度，解決焊工培養(yǎng)困難，流失嚴(yán)重等問(wèn)題。 本設(shè)計(jì)的目的是對(duì)管道建設(shè)野外作業(yè)的管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以達(dá)到體積小、重量輕、加工成本低、運(yùn)動(dòng)精度高、操作簡(jiǎn)便并且滿(mǎn)足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。 1.2管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 1.2.1焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程 自1959年美國(guó)推出世界上第一臺(tái)Ultimate型機(jī)器人以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量在世界范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)，通常他們用在焊接、噴涂、變薄拉伸、裝配、拾取搬運(yùn)、檢測(cè)和測(cè)量中，其中有半數(shù)為焊接機(jī)器人。在重工業(yè)的很多領(lǐng)域中，大直徑管道環(huán)縫焊需要高勞動(dòng)強(qiáng)度的手工焊，這對(duì)操作者來(lái)說(shuō)需要有嚴(yán)格的技能要求和集中力。由于人們對(duì)焊接柔性和焊接產(chǎn)量的高需求和高要求，自動(dòng)焊接機(jī)器人就為很多工業(yè)領(lǐng)域提高焊接速度尤其是提高焊接質(zhì)量提供極大的可能。到目前為止，焊接機(jī)器人大致可分為三代：第一代是基于示教再現(xiàn)工作方式的焊接機(jī)器人，由于操作簡(jiǎn)便，不需要環(huán)境模型，示教時(shí)可修正機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的誤差等特點(diǎn)，在焊接生產(chǎn)中得到大量使用；第二代是基于一定傳感器信息的離線(xiàn)編程焊接機(jī)器人；第三代是指裝有多種傳感器，接受作業(yè)指令后能根據(jù)客觀環(huán)境自行編程的高度適應(yīng)智能機(jī)器人。焊接機(jī)器人主要從事弧焊和點(diǎn)焊工作?；『笝C(jī)器人大多采用二氧化碳或二氧化碳與氬、氮混合氣體保護(hù)。焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)型式，主要有多關(guān)節(jié)型、直角坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型和圓柱坐標(biāo)型四種。點(diǎn)焊機(jī)器人以直角坐標(biāo)型較多；弧焊機(jī)器人以多關(guān)節(jié)型居多?；『笝C(jī)器人工作機(jī)構(gòu)一般較點(diǎn)焊的復(fù)雜，通常具有五個(gè)以上的自由度。目前功能較完善的焊接機(jī)器人已具有七個(gè)自由度。我國(guó)目前研制的焊接機(jī)器人，一般均為五個(gè)自由度。國(guó)外為了提高工件（特別是大型工件）的焊接生產(chǎn)率，十分重視輔助設(shè)備的自動(dòng)化水平，如配備自動(dòng)更換噴嘴，供應(yīng)焊絲，監(jiān)視電弧和過(guò)程異常等功能的機(jī)構(gòu)。 早期的焊接機(jī)器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置，工作時(shí)存在明顯的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人也由單一的單機(jī)示教再現(xiàn)型向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。 1.2.2焊接機(jī)器人國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 最近20年來(lái)，現(xiàn)代焊接科學(xué)技術(shù)的發(fā)展十分顯著。在世界范圍內(nèi)焊接是一種能產(chǎn)生數(shù)萬(wàn)億美元效益的制造工業(yè)，廣泛用于建筑、橋梁、汽車(chē)、航空航天、能源、造船和電子工業(yè)。而越來(lái)越多的商業(yè)性工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和裝配任務(wù)，比如材料工藝、點(diǎn)/弧焊、零件裝配、油漆噴涂、機(jī)械裝卸以及太空和海底，從而促進(jìn)了焊接業(yè)的飛速發(fā)展。近十年來(lái)，日、美、俄、英、法等國(guó)都投入了大量的人力、物力從事焊接機(jī)器人的開(kāi)發(fā)工作，其中日本焊接機(jī)器人的進(jìn)展速度尤為驚人。日本從1978年開(kāi)始研制點(diǎn)焊機(jī)器人，1980年研制成功第一個(gè)弧焊機(jī)器人。1981年日本生產(chǎn)了1500個(gè)焊接機(jī)器人，產(chǎn)值達(dá)到了145億日元，由日本工業(yè)機(jī)器人的第六位躍居為第二位。目前有10家工廠具有年產(chǎn)1000多個(gè)焊接機(jī)器人的能力。日本為發(fā)展和普及焊接機(jī)器人，于1982年成立了全國(guó)機(jī)器人焊接研究委員會(huì)。此外，許多日本大公司，如大阪變壓器公司先后在大阪、東京、名古屋等地設(shè)立了焊接機(jī)器人培訓(xùn)學(xué)校。1984年豐田汽車(chē)公司已在其作業(yè)線(xiàn)上安排了1300個(gè)機(jī)器人。2000年慶應(yīng)義塾大學(xué)M.Muramatsu等人研制了管內(nèi)微型焊接機(jī)器人，可在90°的彎管內(nèi)行走完成焊接操作。日本原子能研究中心和東芝公司聯(lián)合研制出了內(nèi)管道激光焊接與切割機(jī)。臺(tái)灣國(guó)立大學(xué)研制了一種用于維修防護(hù)金屬弧焊視覺(jué)傳導(dǎo)移動(dòng)焊接機(jī)器人。它裝有CCD攝像頭，能夠檢測(cè)出焊縫的位置，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)指導(dǎo)焊接操作。目前世界上已有七十多種數(shù)萬(wàn)個(gè)焊接機(jī)器人在各種生產(chǎn)線(xiàn)上從事焊接操作。從數(shù)量和智能化的程度來(lái)看，日本的焊接機(jī)器人在世界上占明顯優(yōu)勢(shì)，并已向美國(guó)和英國(guó)等國(guó)大量出口。預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，日本焊接機(jī)器人的產(chǎn)值將迅速增長(zhǎng)。 我國(guó)在20世紀(jì)70年代末開(kāi)始研究焊接機(jī)器人，起步比較晚。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，在焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，平均年增長(zhǎng)率都超過(guò)40%，焊接機(jī)器人的增長(zhǎng)率超過(guò)了60%；2004年國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量突破1400臺(tái)，進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過(guò)9000臺(tái)，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；2005年我國(guó)新增機(jī)器人數(shù)量超過(guò)了5000臺(tái)，但是僅占亞洲新增數(shù)量的6%，遠(yuǎn)小于韓國(guó)所占的15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的69%。這對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來(lái)說(shuō)顯然是不匹配的，這說(shuō)明我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國(guó)勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。 當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。 1.2.3焊接機(jī)器人技術(shù)展望 為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開(kāi)放方向發(fā)展的需要，發(fā)達(dá)國(guó)家都在加大力度，對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入研究。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，智能化控制技術(shù)將是焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。目前焊接機(jī)器人正從第一代反復(fù)操作型機(jī)器人向第二代帶有傳感器的知覺(jué)判斷機(jī)器人發(fā)展，也即由目前的固定式機(jī)器人逐漸向具有肌肉一樣的調(diào)節(jié)器、具有感覺(jué)和識(shí)別機(jī)能的雙足行走的活動(dòng)式機(jī)器人發(fā)展。多傳感器信息智能融和技術(shù)將廣泛應(yīng)用于焊接機(jī)器人上。早在1981年，美國(guó)的HILARE是第一個(gè)應(yīng)用多傳感器信息來(lái)創(chuàng)建世界模型的可移動(dòng)機(jī)器人，它充分利用視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、激光測(cè)距傳感器所獲得的信息，以確保其能穩(wěn)定地工作在未知環(huán)境中。韓國(guó)的Park Joong-Jo研制出來(lái)的智能傳感器能同時(shí)處理6個(gè)自由度數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)傳感器只能測(cè)量一個(gè)自由度數(shù)據(jù)的功能相比，性能大為提高。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)研制出了激光視覺(jué)傳感器自由焊縫示教式自動(dòng)焊接機(jī)器人。隨著海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展以及我國(guó)海洋工程向深海的挺進(jìn),發(fā)展水下干法焊接技術(shù)勢(shì)在必行。挪威Sintef高壓焊接中心研制了一套水下高壓干法管道維修系統(tǒng)，可從事1000m水深的焊接，能焊補(bǔ)直徑為8～42英寸的管道，采用全自動(dòng)的軌道TIG焊機(jī)，目前已完成在334m水深的管道焊接。英國(guó)的OTTO系統(tǒng)主要由焊接艙和軌道TIG焊機(jī)組成，整個(gè)系統(tǒng)采用光纖傳導(dǎo)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，在135m水深進(jìn)行試驗(yàn)，取得了較為滿(mǎn)意的焊接質(zhì)量，焊縫斷裂強(qiáng)度達(dá)到550Mpa。焊縫跟蹤系統(tǒng)焊接機(jī)器人發(fā)展迅速，越來(lái)越多地應(yīng)用于去毛刺加工、膠合和焊接等。視覺(jué)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、智能化控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等是未來(lái)焊接機(jī)器人發(fā)展所要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)。 1.3管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)的研究現(xiàn)狀 1.3.1管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀 管道焊接廣泛應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域當(dāng)中，比如：油氣工業(yè)、核能與熱能工廠和化工廠。管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)采用熔化極外圓焊接技術(shù)，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末期。MIG金屬焊絲惰性氣體保護(hù)焊是美國(guó)制造業(yè)四十多種焊接中的一種，它是一種連接兩個(gè)相同材料尤其是碳鋼材料經(jīng)濟(jì)的方法。美國(guó)CRC公司率先研制成功了一種高效管道焊接系統(tǒng)，即CRC多頭氣保護(hù)管道自動(dòng)焊系統(tǒng)，并于1972年將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于管道施工獲得成功。起初只是焊接小車(chē)帶動(dòng)焊槍行走，焊接參數(shù)（焊接電流、電壓、焊接速度等）均為手動(dòng)控制。目前，生產(chǎn)外圓自動(dòng)焊接設(shè)備的除了美國(guó)CRC公司外，還有德國(guó)VIETZ公司、美國(guó)MAGNATECH公司、荷蘭VERAWELD公司、英國(guó)Noreast公司、法國(guó)SERIMER DASA公司、意大利PWT公司等。CRC公司智能化的P-500、P-600型以及SERIMER DASA公司的雙槍焊接系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)具有很高的技術(shù)水平。到目前為止，CRC公司生產(chǎn)了P300，P400，P500和P600 4個(gè)型號(hào)的管道外圓自動(dòng)焊機(jī)。其中P500和P600是雙焊炬管道外圓自動(dòng)外焊機(jī),它采用了水冷式焊槍、外掛推絲式送絲機(jī)構(gòu)和帶有熔滴過(guò)渡單元(CDT)的脈沖焊接電源，焊接參數(shù)可編程并儲(chǔ)存在可方便更換的控制卡上，并根據(jù)焊接工藝以及焊接材質(zhì)的變化要求，隨時(shí)離線(xiàn)編程。P500和P600適用于窄間隙疊焊或?qū)掗g隙排焊,還可完成根焊。生產(chǎn)效率比單焊頭自動(dòng)外焊機(jī)提高40%～50%。缺點(diǎn)是焊槍采用強(qiáng)迫水冷卻，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)許多不便。法國(guó)SERIMER DASA公司生產(chǎn)的Satur2nax Bug雙焊頭外焊機(jī)，采用了風(fēng)冷式焊槍、外掛推絲式送絲機(jī)構(gòu)和專(zhuān)用的脈沖焊接電源，計(jì)算機(jī)焊接編程控制單元和焊車(chē)運(yùn)動(dòng)控制單元分置，可進(jìn)行在線(xiàn)編程，可完成根焊、窄間隙疊焊或?qū)掗g隙排焊。總體性能與CRC的P500和P600類(lèi)似。其缺點(diǎn)是雙焊頭的擺動(dòng)不能單獨(dú)控制，計(jì)算機(jī)焊接編程控制單元和焊車(chē)運(yùn)動(dòng)控制單元體積偏大。其中，CRC公司生產(chǎn)的自動(dòng)焊接機(jī)已焊接了長(zhǎng)達(dá)50000km的管道。這些廠家的設(shè)備雖然外形各具特點(diǎn)，但在控制方面，不外乎是計(jì)算機(jī)控制焊接參數(shù)和人工調(diào)控焊接參數(shù)兩種方法。 1.3.2管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 近年來(lái)，工業(yè)管道在不同的部門(mén)如化工、石化、核能和石油中起到了基礎(chǔ)性作用[27]。我國(guó)管道建設(shè)起始于20世紀(jì)70年代，管道焊接施工很長(zhǎng)一段時(shí)間都只是停留在手工焊、半自動(dòng)焊的水平上。這種焊接機(jī)沒(méi)有自動(dòng)搜尋焊縫位置功能。這就需要操作者必須觀察焊接位置并調(diào)整焊槍。如果操縱者操作不正確就會(huì)導(dǎo)致焊縫缺陷。所以焊縫位置跟蹤全自動(dòng)焊接機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生[28]。雖然我國(guó)管道事業(yè)發(fā)展較快，但具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管道外圓自動(dòng)焊機(jī)還比較少。國(guó)內(nèi)典型的管道自動(dòng)焊機(jī)在吸收引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的自動(dòng)焊機(jī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)一些單位成功地研制開(kāi)發(fā)出適用長(zhǎng)輸管道環(huán)焊縫施工的外圓自動(dòng)焊機(jī)，其中以中國(guó)天然氣集團(tuán)公司工程技術(shù)研究院研制的APW-Ⅱ型外圓自動(dòng)焊機(jī)、石油管道特種施工機(jī)具研究所研制的PAW2000管道外圓自動(dòng)焊機(jī)為代表。APW-Ⅱ型外圓自動(dòng)焊機(jī)采用以直流脈寬調(diào)速為基礎(chǔ)，位移傳感檢測(cè)閉環(huán)控制為核心的硬件控制電路，在管道外圓自動(dòng)焊接過(guò)程中，焊接參數(shù)如電流、電壓、焊速、焊槍擺動(dòng)速度、擺動(dòng)幅度、兩端停留時(shí)間，既可預(yù)先設(shè)定又可分別實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。焊機(jī)的這一特點(diǎn)使之更加適用長(zhǎng)輸管線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)的復(fù)雜情況，在坡口存在錯(cuò)邊、寬窄不一等工況下，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，均可獲得優(yōu)良的焊縫。APW-Ⅱ型外圓自動(dòng)焊機(jī)主要用于中大口徑管道外環(huán)焊縫熱焊道、填充焊道、蓋面焊道的焊接。PAW2000管道外圓自動(dòng)焊機(jī)整套設(shè)備由焊接小車(chē)、環(huán)形可拆卸軌道、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制柜、手操作盒、計(jì)算機(jī)和其他一些輔助配件組成。每臺(tái)焊接工程車(chē)均具有根焊的功能熱焊、填充焊和蓋面焊的功能。 2.管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1自動(dòng)焊接機(jī)總體要求和技術(shù)指標(biāo) 管道全位置自動(dòng)焊接就是在管道相對(duì)固定的情況下，借助于機(jī)械、電氣的方法，使焊接設(shè)備帶動(dòng)焊槍沿焊縫環(huán)繞管壁運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。自動(dòng)焊接機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)平焊、立焊、橫焊和仰焊的全位置和大型管道的全位置焊接。設(shè)計(jì)本自動(dòng)焊接機(jī)應(yīng)滿(mǎn)足的基本要求是：在滿(mǎn)足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、重量輕、成本低，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠、操作方便、維修簡(jiǎn)單和造型美觀等。管道全位置自動(dòng)焊接機(jī)既要求結(jié)構(gòu)緊湊，又要求控制準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)焊接是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的高度集成。本自動(dòng)焊接機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下： （1）行走機(jī)構(gòu)速度范圍：200mm/min～2000mm/min；調(diào)整遞增量：10mm/min；調(diào)整精度：設(shè)定值的±1%或±20mm/min中的最大值； （2）橫向模塊調(diào)整速度：30～300mm/min； （3）高度模塊調(diào)整速度：20～180mm/min； （4）傾角模塊調(diào)整速度：±5～45°/s； （5）夾角模塊調(diào)整速度：±0.25～500°/s； （6）送絲機(jī)構(gòu)速度范圍：5000～15000mm/min； （7）機(jī)械行程：橫向模塊100mm；高度模塊100mm，并設(shè)有＞60mm的 手動(dòng)調(diào)整范圍；傾角模塊±90°；夾角模塊±0.5～30°； 2.2 自動(dòng)焊接機(jī)總體方案的確定 管道全位置自動(dòng)焊接機(jī)是由機(jī)械系統(tǒng)和微機(jī)智能控制系統(tǒng)組成，機(jī)械系統(tǒng)是管道全位置自動(dòng)焊接機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)。管道焊接工程現(xiàn)場(chǎng)施工都在野外作業(yè)，而且環(huán)境相對(duì)比較惡劣，一般施工周期也比較長(zhǎng)，為了滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求，達(dá)到焊接質(zhì)量和提高勞動(dòng)效率，本設(shè)計(jì)自動(dòng)焊接機(jī)要求重量輕、體積小、操作簡(jiǎn)單、安裝調(diào)試和維護(hù)方便，故本管道全位置自動(dòng)焊接機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括焊接小車(chē)和軌道兩部分，其中焊接小車(chē)包括以下模塊：行走機(jī)構(gòu)、橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)、高度調(diào)整機(jī)構(gòu)、傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)、焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)。焊接小車(chē)通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)安裝在焊接軌道上，帶動(dòng)焊槍沿管壁外徑作圓周運(yùn)動(dòng)，小車(chē)上的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向與高度調(diào)整機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)焊槍的橫向擺動(dòng)跟蹤和上下移動(dòng)。送絲裝置可外掛在焊接小車(chē)上，并與焊接小車(chē)絕緣，這樣可方便換絲，提高工作效率。整機(jī)主要部件采用強(qiáng)度高、重量輕的鋁合金2A16加工而成，從而使整機(jī)重量輕并滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 2.3管道外圓自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)基本思路 管道外圓自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)采用以下基本思路: ①焊接小車(chē):焊接小車(chē)帶動(dòng)焊槍自動(dòng)行走，于其上可實(shí)現(xiàn)焊槍位置的上下、左右調(diào)整以及焊槍角度調(diào)整。 ②導(dǎo)向軌道:焊接小車(chē)依靠導(dǎo)向軌道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走。軌道裝拆簡(jiǎn)便易行，安裝時(shí)定位準(zhǔn)確。 ③焊接機(jī)械手:焊接機(jī)械手夾持焊槍實(shí)現(xiàn)焊接。拆裝方便，穩(wěn)定性好。 2.4小車(chē)行走機(jī)構(gòu) 2.4. 1 基本工作原理 行走機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)方式。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主齒輪旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)介輪與導(dǎo)軌上的齒嚙合，導(dǎo)軌是固定于待焊管道的外徑上，從而使行走小車(chē)沿管道外徑滾動(dòng)行走。為了確保行走小車(chē)在導(dǎo)軌上行走時(shí)，始終與導(dǎo)軌端面平行，將其滾輪接觸面軸向尺寸設(shè)計(jì)為與導(dǎo)軌上接觸面寬度尺寸相同，并為間隙配合方式。這樣一旦導(dǎo)軌與待焊管道的坡口位置確定，行走小車(chē)也相對(duì)坡口位置固定。 夾緊機(jī)構(gòu)用以使行走小車(chē)與導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)連接布一起。如圖 1所示，夾緊機(jī)構(gòu)上的壓緊軸將壓緊輪和滑塊與車(chē)體連接，再通過(guò)螺母和定位套將高度尺寸固定，使之成為一個(gè)組件，用緊定螺釘通過(guò)擋板塊頂住滑塊，從而使滑塊帶動(dòng)壓緊輪做軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使它與導(dǎo)軌端面的內(nèi)錐面始終處于壓緊狀態(tài)。 圖2-1 夾緊機(jī)構(gòu)示意圖 2.4.2 行走機(jī)構(gòu)車(chē)體設(shè)計(jì)要點(diǎn) 小車(chē)有前、后兩套滾輪在導(dǎo)軌上同時(shí)滾動(dòng)，假設(shè)后面一套滾輪是與導(dǎo)軌緊密接觸的，那么前面一套滾輪就有可能離開(kāi)導(dǎo)軌滾動(dòng)面(因?yàn)槿c(diǎn)確定一個(gè)平面)，基于這點(diǎn)分析，安裝前輪部分的車(chē)體設(shè)計(jì)為活動(dòng)車(chē)體，如圖 2所示。當(dāng)前輪確實(shí)沒(méi)有與導(dǎo)軌滾動(dòng)面接觸時(shí)，可以調(diào)整前輪部分的活動(dòng)車(chē)體，從而使前、后輪都接觸良好，既保證齒輪間隙，又滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 圖2-2 行走機(jī)構(gòu)示意 2.4.3 行走機(jī)構(gòu)滾動(dòng)組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為便于裝配，小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)組件采取圖3所示的結(jié)構(gòu)形式。這樣在組裝時(shí)，可首先將滾輪、滾輪軸、間隔套及一側(cè)軸承裝配成一個(gè)組件，將另一側(cè)軸承饢在車(chē)體上，然后，對(duì)準(zhǔn)軸承孔將其組件壓入(注意：滾輪的最大直徑不能超過(guò)軸承的外徑)。采用這種裝配方式，容易保證前、后輪的位置精度；避免對(duì)車(chē)體的軸承倉(cāng)造成損壞(車(chē)體的材料選定為鋁合金)；降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；簡(jiǎn)化了裝配工藝。 圖2-3 行走機(jī)構(gòu)滾動(dòng)組件示意 2.5 焊絲送進(jìn)機(jī)構(gòu) 一般可分為兩輪送進(jìn)機(jī)構(gòu)和四輪送進(jìn)機(jī)構(gòu)，由于受整體空間的限制，采用兩輪送絲機(jī)構(gòu)。陔機(jī)構(gòu)主要南送絲電機(jī)、壓緊機(jī)構(gòu)、焊絲導(dǎo)向管等組成。其工作原理為：送絲電機(jī)驅(qū)動(dòng)主送絲輪及其主齒輪旋轉(zhuǎn)， 通過(guò)主、從動(dòng)鹵輪嚙合傳到壓緊輪上，焊絲經(jīng)導(dǎo)向管從兩輪之間通過(guò)，使進(jìn)入焊槍的焊絲被修整得比較直，以便在焊接過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)卡絲現(xiàn)象。焊絲送進(jìn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。 圖2-4 焊絲送進(jìn)結(jié)構(gòu)示意 根據(jù)焊接工藝要求，一般送絲速度v=12．5 m／min； 初步選送絲電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速n1=9 390 r／min；額定功率P=11 kW；假定走絲輪直徑D=20 mm；則減速箱減速比 i=n1／n2=n1／v／(πD)=9 390 r／min÷[12 500 mm／min÷(π×20 mm)] ≈47．2 電機(jī)說(shuō)明書(shū)上所配減速箱的減速比比較接近的規(guī)格只有1：33和1：53。若選用i=1：53的減速箱，則 實(shí)際送絲速度 v=n1／i／(πD)=9 390 r／min+[53÷(π×20 mm) ≈11132 mm／min≈11．1 m／min，滿(mǎn)足使用要求。 2.6 焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 焊槍的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)擺動(dòng)中心傳感器、一個(gè)高速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)和焊槍夾持機(jī)構(gòu)組成。其性能的好壞將直接影響焊縫的成形。根據(jù)焊接工藝要求，焊槍擺動(dòng)到兩端時(shí)必須有一定的停留時(shí)間，停留時(shí)間很短(一般為O．5 s)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)帶間歇的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，此間歇是由電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。 擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理為：將高速步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，由于電機(jī)止口通過(guò)機(jī)座固定于行走小車(chē)上，故絲杠旋轉(zhuǎn)而滑塊通過(guò)絲杠螺母作軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，焊槍夾持機(jī)構(gòu)與滑塊相連，從而實(shí)現(xiàn)焊槍的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)預(yù)先設(shè)定焊槍的擺幅為±25 mm，則確定滑塊的有效行程為60 mm。 2.7 焊接軌道 軌道沿管子外圓周裝卡在管口處，其作用為支承焊接小車(chē)、導(dǎo)向并利用齒輪傳動(dòng)原理使焊接小車(chē)運(yùn)動(dòng)。 軌道裝卡在管子上，是焊接小車(chē)行走和定位的專(zhuān)用機(jī)構(gòu)。因此軌道的結(jié)構(gòu)直接影響到焊接小車(chē)行走的平穩(wěn)度和位置度，進(jìn)而也就影響到焊接質(zhì)量，軌道的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足下列要求: (l)裝拆方便，易于定位; (2)結(jié)構(gòu)合理，重量較輕; (3)有一定的強(qiáng)度和硬度，耐磨，耐腐蝕。 目前，國(guó)內(nèi)外的軌道設(shè)計(jì)不外乎兩種;剛性軌道和柔性軌道。剛性軌道是指軌道的本體剛度較大，不易變形。柔性軌道則是相對(duì)剛性軌道而言。剛性軌道定位準(zhǔn)確，裝卡時(shí)變形小，可以確保焊接小車(chē)行走平穩(wěn)，焊接時(shí)焊槍徑向調(diào)整較小，但重量較大，裝拆不方便。而柔性軌道裝拆方便，重量較輕，精度相對(duì)而言沒(méi)有剛性軌道高。 焊接小車(chē)與軌道的傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)。一般鏈傳動(dòng)由于鏈的抖動(dòng)而造成運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性不好;而摩擦傳動(dòng)不能保證定比傳動(dòng)，容易丟轉(zhuǎn)。這兩種傳動(dòng)均不能滿(mǎn)足要求，所以以使用齒輪傳動(dòng)為宜。 在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以將軌道上的齒加工成側(cè)齒，這樣相當(dāng)于齒輪齒條傳動(dòng)，還可以將其加工成外齒，軌道就如同一個(gè)直徑較大的固定齒輪。基于上述分析和實(shí)際工程需要，選擇柔性軌道較為適宜，傳動(dòng)方式選擇齒輪齒條(側(cè)齒)傳動(dòng)。這樣，軌道 上的側(cè)齒易于加工與安裝，也與行走機(jī)構(gòu)的方案選擇相吻合。以上設(shè)計(jì)均是依據(jù)結(jié)構(gòu)功能作出的。 本研究設(shè)計(jì)的軌道采用分體式環(huán)形軌道，其結(jié)構(gòu)形式如圖5示。軌道是裝卡在管子上供焊接小車(chē)行走和定位的專(zhuān)用機(jī)構(gòu)，因此軌道的結(jié)構(gòu)直接影響到焊接小車(chē)行走的平穩(wěn)性和位置度，從而影響到焊接質(zhì)量。為此軌道的基本要求是：裝拆方便、易于定位；結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量輕；有一定的強(qiáng)度和硬度，耐磨、耐腐蝕。 軌道通過(guò)對(duì)稱(chēng)的三個(gè)定位塊支撐在待焊管徑上， 行走小車(chē)通過(guò)齒輪嚙合使?jié)L輪卡在導(dǎo)軌上，以保證焊圓管同心，又為了適應(yīng)不同的管徑。軌道由兩個(gè)半環(huán)組成，其連接方式如圖5所示?？紤]到兩個(gè)半環(huán)組對(duì)時(shí)定位必須準(zhǔn)確，分別在結(jié)合面處距離兩端面軸向距離26 mm的圓周上制作有定位銷(xiāo)，分別在距兩端麗軸向距離14 mm 的圓周上用內(nèi)六角螺釘連接。這樣既易于加工，又保證裝卡方便。 圖2-5 軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.8行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 最大行走速度 2400mm/min 平均焊接速度 300mm/min 2.8.1 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 圖2-6 行走機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖 按整個(gè)焊接小車(chē)全部質(zhì)量施加于行走齒輪考慮，w=15kg，行走齒輪為17齒，模數(shù)為l.5mm。分度園直徑為 d=mz=17×1.5=25.5mm 因此，焊接小車(chē)的重力矩為 摩擦力情況: 當(dāng)行走小車(chē)處于水平位置時(shí)摩擦阻力主要來(lái)源于四個(gè)支撐在軌道體上的支撐輪。滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.03，軌道本體寬度為140mm，那么滾動(dòng)摩擦負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 美國(guó)見(jiàn)塞德公司生產(chǎn)的減速器，其恒定轉(zhuǎn)矩為24N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:，效率為93%，減速比 因此換算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩T為 2.8.2 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 由于焊接小車(chē)的行走齒輪與齒圈嚙合實(shí)際上等效于焊接小車(chē)上的行走齒輪固定不動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)質(zhì)量為15kg的齒條。那么此時(shí)，當(dāng)量齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法如下:行走齒輪的周長(zhǎng)L=πd=80mm，由于減速比為1:100，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，行走齒輪轉(zhuǎn)0.01圈，其線(xiàn)位移為0.01×80=0.8mm，根據(jù)線(xiàn)位移脈沖當(dāng)量的定義可知，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，齒條前進(jìn)的位移為: 因此焊接小車(chē)的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 根據(jù)動(dòng)能定律，換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 而與電機(jī)直聯(lián)的減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 因此換到電機(jī)軸上的等數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 3 焊接小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng) 常用的機(jī)械傳動(dòng)部件有螺旋運(yùn)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶、高速帶傳動(dòng)以及各種非線(xiàn)性傳動(dòng)部件等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負(fù)載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向得到匹配。機(jī)械傳動(dòng)部件對(duì)伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是傳動(dòng)類(lèi)型、傳動(dòng)方式、傳動(dòng)剛性以及傳動(dòng)的可靠性對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇傳動(dòng)間隙小、精度高、體積小、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大的傳動(dòng)部件。對(duì)工作機(jī)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，既要求能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的變換，又要求能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的變換。也就是說(shuō)既能實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)與直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、往復(fù)擺動(dòng)的轉(zhuǎn)換，又能實(shí)現(xiàn)圓周運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)矩與直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。對(duì)于信息機(jī)中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要要求具有運(yùn)動(dòng)的變換功能，只需要去克服慣性力和各種磨擦阻力及較小的負(fù)載即可。常見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)械有:絲桿螺母、齒輪、齒輪齒條、鏈輪鏈條、帶傳動(dòng)、滑輪、杠桿機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、磨擦輪、方向節(jié)、輪軸、蝸輪蝸桿、間歇機(jī)構(gòu)等。 近年來(lái)，不通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)而直接由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的“D·D”技術(shù)日益應(yīng)用廣泛，應(yīng)用這種技術(shù)需要低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)，并要考慮負(fù)載的非線(xiàn)性和禍合性等因素對(duì)執(zhí)行電機(jī)的影響。但總的來(lái)說(shuō)，機(jī)電一體系統(tǒng)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的基本要求有以下幾個(gè)方面。 ①精密性:對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品而言，應(yīng)根據(jù)其性能的需要提出適當(dāng)?shù)木芏纫螅? 對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密度要求越來(lái)越高。 ②高速化:產(chǎn)品工作效率的高低，直接與機(jī)械傳動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，因而機(jī) 械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精密度應(yīng)能適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)的要求。 ③小型化，輕量化:隨著機(jī)電一體化精密化、高速化的發(fā)展，必須要求其傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)小型化、輕量化，以提高運(yùn)動(dòng)靈敏度，減小沖擊、降低能耗。 機(jī)電一體化對(duì)機(jī)械傳動(dòng)的基本要求為:精密化、高速化、小型化、輕量化，因此在設(shè)計(jì)管道外圓自動(dòng)焊機(jī)各部分傳動(dòng)機(jī)械時(shí)，在滿(mǎn)足使用要求的前提下，盡量滿(mǎn)足上述基本要求。 焊車(chē)小車(chē)簡(jiǎn)稱(chēng)焊車(chē)，其行走機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)焊槍沿管周運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，在焊接時(shí)焊接速度即為焊車(chē)的行走速度。因此要求焊車(chē)行走機(jī)構(gòu)行走十分平穩(wěn)，且當(dāng)完成焊接過(guò)程后，要求焊車(chē)快速空程返回。 3.1 電機(jī)的選擇 在設(shè)計(jì)焊車(chē)時(shí)要求其與軌道的裝拆較為便利，這樣，焊車(chē)的質(zhì)量自然就要求輕，如果考慮到一個(gè)焊工能夠較為輕松地搬運(yùn)焊車(chē)，則其本身質(zhì)量以不超過(guò)l0kg為宜，加上考慮到焊絲盤(pán)的質(zhì)量(中1.0mm的焊絲，每一盤(pán)質(zhì)量為5kg)因此，焊車(chē)的總質(zhì)量約在15kg左右。電機(jī)減速各行走齒輪 圖3-1 行走機(jī)構(gòu)示意圖 在前面己敘述過(guò)焊車(chē)的行走靠其行走齒輪與軌道上的齒圈嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此上整個(gè)行走機(jī)構(gòu)最后的動(dòng)力輸出部件為齒輪。選定齒輪的模數(shù)為m=1.5 mm(利用齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度理論，這一模數(shù)絕對(duì)滿(mǎn)足使用要求)，在滿(mǎn)足不發(fā)生根切的前提下可任意選定齒輪的齒數(shù)，這里選為Z=20，則齒輪的分度圓直徑為: do=mz=30mm 若最大的焊接速度為30m而S，那么行走齒輪的轉(zhuǎn)速為n=60v/πd=19.1r/min。v——焊耐接速度(mm/s) 假如焊接時(shí)，整個(gè)焊車(chē)的質(zhì)量完全由行走齒輪帶動(dòng)，而且需克服摩擦阻力以及電 纜的重力，那么行走齒輪的輸出力矩為: k———安全系數(shù) 取k=2 d0———行走輪分度圓直徑(mm) G一一一焊車(chē)質(zhì)量(kg) g—重力加速度，9.8m/s2 因此上行走齒輪的輸出力矩為4.41N·m，轉(zhuǎn)速為19.lr/min，行走齒輪與減速器的輸出軸相聯(lián)，則減速器的輸出轉(zhuǎn)速為19.lr/min，輸出力矩為4.4lN·m。 電機(jī)的輸出軸與減速器相聯(lián)。一般的交、直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，中間需要配有較大降速比的減速器。交流步進(jìn)電機(jī)一般體積較小，價(jià)格低，工作可靠，可做成全密封式，之所以在工業(yè)領(lǐng)域得以大量應(yīng)用，還在于交流變頻技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單，低速性能好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，存在碳刷需要經(jīng)常的維護(hù)?；诮涣魉欧姍C(jī)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)選用了松下生產(chǎn)的交流伺服電機(jī)，通過(guò)查產(chǎn)品樣本，符合要求的交流伺服電機(jī)功率為50W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定輸出力矩為0.16N·m。 3.2 減速器的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)比 由上述計(jì)算知，減速器的輸出轉(zhuǎn)速為19.lr/min，而電機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min。若選擇減速器的傳動(dòng)比為i=100:1，那么減速器的輸入轉(zhuǎn)速為1900r/min，所以對(duì)電機(jī)需進(jìn)行變頻調(diào)速控制，使其工作轉(zhuǎn)速在1000r/min一2000r/min之間。減速器的傳動(dòng)比為100:1，又要求其體積較小，可選擇美國(guó)貝塞德公司生產(chǎn)的行星輪減速器。電機(jī)的輸出力矩為0.16Nm，那么減速器的輸出力矩為: η——減速器傳動(dòng)效率，選90% i——傳動(dòng)比 M——電機(jī)的輸出力矩，M電機(jī)=0.16N·m M=0.9×0.16×100=14.4N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4.41N·m。 3.3 送絲機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng) 3.3.1 送絲電機(jī)的選擇 這里選擇送絲機(jī)構(gòu)安裝在焊車(chē)上，隨焊車(chē)一同相對(duì)于管口運(yùn)動(dòng)，送絲機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性直接影響焊接電弧的穩(wěn)定。送絲轉(zhuǎn)壓緊轉(zhuǎn)減速番送絲電機(jī)捍絲出口岸絲人口 圖3一2送絲機(jī)構(gòu)示意圖 焊接電流電壓的大小與焊絲直徑有關(guān)，目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的實(shí)心焊絲直徑為0.8mm、1.0mm、1.2mm。焊絲直徑大，所需的焊接電壓高，焊接電流相對(duì)較大，滴狀過(guò)渡，熔滴過(guò)大，熔深大，不易控制。焊絲直徑較小時(shí)，低電壓，小電流，矩路過(guò)渡，電弧處于不斷地起弧、燃弧、熄弧的循環(huán)中，焊接熔池同時(shí)也處于不斷的熔化、擴(kuò)展、凝固的交替循環(huán)中，因此，熔池不易流淌，且細(xì)絲有自身調(diào)節(jié)作用，有利于起弧和電弧的重復(fù)燃燒，焊接操作容易掌握，可實(shí)現(xiàn)全位置焊接。但若焊絲過(guò)細(xì)，則線(xiàn)能量較低，可能會(huì)出現(xiàn)局部未熔的現(xiàn)象。因此上，選用1.omm直徑的焊絲較為適宜。 選用φ1.0mm的焊絲，若焊接電流為220一230A時(shí)，則送絲速度約為8m/min。送絲輪直徑若選為d=30mm(直徑太小易磨損)，而絲速為V二sn口min，那么送絲輪的轉(zhuǎn)速為 焊絲在行進(jìn)過(guò)程中，會(huì)受到來(lái)自于送絲管、導(dǎo)電嘴、送絲盤(pán)的摩擦阻力，一般情況下整個(gè)阻力之和約為ΣF =12N，考慮到還有其它不可遇見(jiàn)的因素，那么阻力矩 M—阻力矩K K—安全系數(shù)，K=2 ΣF—阻力和 d一送絲輪直徑 這樣可以計(jì)算出，送絲輪的轉(zhuǎn)速為84.88r/min，轉(zhuǎn)矩為0.36N·m，從控制的角度出發(fā)，同樣選擇松下50W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/mln，額定轉(zhuǎn)矩0.16N·m的電機(jī)。 3..3.2 減速器 因?yàn)闇p速器輸出端與送絲輪相聯(lián)，輸入端與電機(jī)相聯(lián)，那么若要使電機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)達(dá)到1000r/min。 因此上初定減速器的傳動(dòng)比為i=12.5:l 這樣傳動(dòng)比的減速機(jī)既要滿(mǎn)足使用要求又要體積不大，只有自行設(shè)計(jì)，沒(méi)有定型產(chǎn)品可選。選擇二級(jí)齒輪傳動(dòng)，齒輪的模數(shù)選o.5mm(滿(mǎn)足強(qiáng)度要求)這樣設(shè)計(jì)出的減速器傳動(dòng)比12.5:1。 就整個(gè)送絲機(jī)構(gòu)而言，要求焊接時(shí)避免出現(xiàn)干擾，因此整個(gè)系統(tǒng)必須與焊接電源絕緣，這在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須加以重視。 3.4 焊槍姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動(dòng) 在焊接過(guò)程中，需要不斷地調(diào)整焊槍相對(duì)于焊道的上下、左右位置。同時(shí)由于焊道較寬，焊槍需頻繁地往復(fù)擺動(dòng)，才能保證焊縫的熔寬。在焊接終了，還需要轉(zhuǎn)動(dòng)焊槍的角度以清除飛濺到焊槍氣罩內(nèi)的焊渣。 因此需要設(shè)計(jì)焊槍姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)。 3.4.1 電機(jī)的選擇 由于焊槍需要頻繁地作往復(fù)擺動(dòng)，而且擺動(dòng)的頻率直接影響到焊縫的外觀成形，要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很好的快速響應(yīng)性，既能快速起動(dòng)又能快速停止，同時(shí)要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很好的自鎖性能，即不能由于外力的作用而造成工作點(diǎn)的移位。因此左右橫擺的驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的力矩與慣性之比數(shù)值高，步進(jìn)頻率高，不通電時(shí)，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。通電時(shí)不運(yùn)行有自鎖定位功能，在每轉(zhuǎn)之內(nèi)響應(yīng)誤差不會(huì)累積到下一轉(zhuǎn)。在動(dòng)態(tài)特性要求不高時(shí)，可以直接開(kāi)環(huán)運(yùn)行，位置精度滿(mǎn)足要求，尤其是五相步進(jìn)電機(jī)，步距角小，啟動(dòng)特性好，比較適合于頻繁地正反轉(zhuǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)可選用日本Mycom公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)，其靜力矩為o.83N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.28kg· cm。由于焊槍的質(zhì)量較輕，一般約為o.5kg，從后面的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選用的傳動(dòng)絲桿do=14mm來(lái)說(shuō)，不管考慮何種因素在內(nèi)，其靜力矩足以滿(mǎn)足使用要求(左右橫擺電機(jī)同時(shí)又可以控制焊槍相對(duì)于焊縫的左右位置)。 焊槍的上下調(diào)整機(jī)構(gòu)控制焊槍嘴對(duì)焊縫的徑向距離，即控制焊絲的干伸長(zhǎng)。焊接過(guò)程中，焊槍的上下調(diào)整量既不大，也不頻繁，但同樣要求上下調(diào)整機(jī)構(gòu)有較好的快速啟動(dòng)和停止性能。基于這一情況，上下調(diào)整電機(jī)也選擇步進(jìn)電機(jī)，其靜力矩為0.42N·m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為o.11kg·c㎡，。 焊槍在焊接過(guò)程中角度不需要調(diào)整，只須先預(yù)置好即可。不需要驅(qū)動(dòng)力，只從結(jié)構(gòu)上滿(mǎn)足要求即可。 4. 結(jié) 論 管道運(yùn)輸是一種經(jīng)濟(jì)、安全的運(yùn)輸方式，可用于輸送水、原油、天然氣、成品油等，具有輸量大、距離長(zhǎng)、安全性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各舊發(fā)展迅速。我國(guó)已將“加強(qiáng)輸油氣管道建設(shè)，形成管道運(yùn)輸網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略列入“十一五”發(fā)展規(guī)劃。未來(lái)10年，我國(guó)將建成l4條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫(kù)”，總長(zhǎng)超過(guò)萬(wàn)公里的油氣管輸格局。管道的建設(shè)地區(qū)跨度大，沿線(xiàn)施工環(huán)境惡劣，加之管道輸送逐步向高壓(7.5 MPa)、大口徑(φ1420ram)方向發(fā)展，這對(duì)管道環(huán)焊縫的焊接提出了更高的要求，管道環(huán)焊縫的焊接成為制約整個(gè)工程質(zhì)量和建設(shè)周期的關(guān)鍵因素。野外焊接環(huán)境十分惡劣，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)難度高，因此，工程上迫切需要實(shí)現(xiàn)管道的自動(dòng)焊接，用以提高生產(chǎn)率、保證焊接質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和施工成本，而且自動(dòng)焊接還能大幅度降低操作技術(shù)難度，解決焊工培養(yǎng)困難，流失嚴(yán)重等問(wèn)題。 本文設(shè)計(jì)了管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)，整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括焊接小車(chē)和運(yùn)行軌道。焊接小車(chē)由行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和送絲機(jī)構(gòu)組成。軌道由兩個(gè)半環(huán)組成，通過(guò)四周固定支座固定在被焊管上，以適應(yīng)不同管徑和不同形狀的管道，其裝拆方便。焊接小車(chē)與軌道采用鏈輪傳動(dòng)和摩擦輪傳動(dòng)的組合傳動(dòng)形式，大大提高了焊接小車(chē)在軌道上運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確性。利用二維設(shè)計(jì)軟件CAD繪制其零件圖、裝配圖。 本文設(shè)計(jì)的管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)控制系統(tǒng)采用的是單片機(jī)控制，方便簡(jiǎn)單，易于編程控制。 所研制的導(dǎo)軌式管道焊接機(jī)器人，其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，制造成本低，安全可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。外圓焊接時(shí)，行走平穩(wěn)無(wú)沖擊影響，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。 參考文獻(xiàn) 1機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004． 2 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（機(jī)械傳動(dòng)）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004． 3 焦向東等.球罐外圓焊接機(jī)器人智能控制系統(tǒng).焊接學(xué)報(bào)，2000,21(4):1~4． 4 朱進(jìn)滿(mǎn)．焊接機(jī)器人的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代制造，2005，12：42~47． 5 W.-S Yoo，J.-D. Kim，S.-J. Na．A Study on A Mobile Platform-manipulator Welding System for Horizontal Fillet Joints[J]．Mechatronics，2001，11：853~868． 致 謝 值此本文提交之際，首先要向我的指導(dǎo)老師高延峰老師表示由衷的感謝。本文的全部設(shè)計(jì)工作都是在高老師的悉心指導(dǎo)和諄諄教誨下完成的。高老師學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)求實(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、待人處事平和溫雅，在整個(gè)課題研究和論文撰寫(xiě)的過(guò)程中給予了我極大的關(guān)懷幫助，支持和督導(dǎo)我的論文工作的完成。高老師自信豁達(dá)的人生態(tài)度也使我受益匪淺，并將激勵(lì)我在今后的工作、學(xué)習(xí)和生活中，時(shí)刻保持勤奮刻苦的工作態(tài)度和積極向上的生活信念。 感謝答辯組委員會(huì)各位老師對(duì)我的指導(dǎo)和幫助，正因?yàn)槔蠋焸兗皶r(shí)地糾正了我在設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些錯(cuò)誤，才使得我的論文工作能夠按時(shí)順利地完成。 感謝所有關(guān)心、支持、幫助和鼓勵(lì)過(guò)我的老師、同學(xué)、親戚和朋友們。 最后，感謝我的母校南昌航空大學(xué)科技學(xué)院為我提供了一個(gè)勤于鉆研、規(guī)格嚴(yán)格的學(xué)習(xí)氛圍和團(tuán)結(jié)友好的生活環(huán)境，這使我終生難忘。 27