管道外圓自動焊接機結(jié)構(gòu)設(shè)計

南昌航空大學科技學院學士學位論文南昌航空大學科技學院學士學位論文#管道外圓自動焊接機結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要：管道運輸是油氣運輸中最主要、最快捷、經(jīng)濟、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、安全性高、成本低等優(yōu)點，在各國發(fā)展迅速。管道運輸業(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焊接機具有十分重要的意義。為解決管道建設(shè)野外作業(yè)的自動化焊接的難題，研制了一種導(dǎo)軌式管道焊接機器人，其關(guān)鍵技術(shù)包括：研制新型的行走機構(gòu)、焊槍擺動機構(gòu)、及機器人軌道、焊槍機械手。介紹了導(dǎo)軌式焊接機結(jié)構(gòu)的設(shè)計和焊接機控制，著重對其結(jié)構(gòu)特點、動作原理、設(shè)計要點進行設(shè)計分析和說明?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，該機器人能沿導(dǎo)軌平穩(wěn)、可靠的行走，進行管道外圓全位置焊接，其操作簡便，成本低，適合我國現(xiàn)場施工作業(yè)及工人的技術(shù)水平，既保證了焊接質(zhì)量，又提高了勞動效率。關(guān)鍵詞：軌道式焊接機；結(jié)構(gòu)設(shè)計；管道；機械手指導(dǎo)老師簽名：CylindricalpipeautomaticweldingmachinedesignStudentname:LiuMin Class:0781053Supervisor:GaoYanFengAbstract:Pipelinetransportationisthemostimportant,quickest,economicalandreliablemethodinpetroleumtransportation.Itcantransportwater,crudeoil,naturalgas,oilproductetc.Ithasanumberofadvantages:hightransmissionvolumes,longdistance,safetyandcost-effectiveness,whichisrapiddevelopedinalltheworld.Thesubjectofpipelinetransportationispipeline;thecoreofpipelineprojectisnozzlewelding.So,ithasveryimportantsignificancetodevelophighefficientandreliableperformancepipelineall-positionautomaticweldingmachine.Anorbitpipelineweldingrobothasbeendevelopedtosolvetheproblemofautomaticweldingduringpipelineconstructioninthefields.Itskeytechniquesconsistofdevelopinganewtypeoftravelunit,weldingtorchascillatingunit,robotorbitandintelligentcontrolsystemetc.Thedevelopmentworkoftheorbitpipelineweldingrobotmechanicsystemisintroducedinthepaper.Themainillustrationisaboutthesystem'sstructure，actionprinciple，keypointsofdesignandmachiningtechniesandverifyingcalculationforselectingreductiongearboxwiththewirefeedermotorandthediameterofthewire-feedwheel.Theapplicationinfieldworkshowsthattherobotcantrave1alongtheorbitstablyandreliablyandcarrythroughall-positionwelding.Theweldingiseasywithlowcostthatisfitforfieldworkandworkerinourcountry，guaranteestheweldingqualityandimproveworkingefficiency.Keywords:Orbitalweldingmachine；constructiondesign；pipeline；ManipulatorSignatureofsupervisor:目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要 1.Abstract 2\o"CurrentDocument"\h.緒論 5.\o"CurrentDocument"\h課題背景及研究意義 5\o"CurrentDocument"\h管道外圓自動焊接機的發(fā)展及應(yīng)用 5\o"CurrentDocument"\h焊接機器人的發(fā)展歷程 5\o"CurrentDocument"\h焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 6\o"CurrentDocument"\h焊接機器人技術(shù)展望 7\o"CurrentDocument"\h管道外圓自動焊接機的研究現(xiàn)狀 8\o"CurrentDocument"\h管道外圓自動焊接機國外研究現(xiàn)狀 8\o"CurrentDocument"\h管道外圓自動焊接機國內(nèi)研究現(xiàn)狀 9\o"CurrentDocument"\h.管道外圓自動焊接機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 1\o"CurrentDocument"\h自動焊接機總體要求和技術(shù)指標 11\o"CurrentDocument"\h自動焊接機總體方案的確定 11\o"CurrentDocument"\h管道外圓自動焊機的設(shè)計基本思路 12\o"CurrentDocument"\h小車行走機構(gòu) 12\o"CurrentDocument"\h1基本工作原理 12\o"CurrentDocument"\h行走機構(gòu)車體設(shè)計要點 13\o"CurrentDocument"\h行走機構(gòu)滾動組件的設(shè)計要點 13\o"CurrentDocument"\h焊絲送進機構(gòu) 14\o"CurrentDocument"\h焊槍擺動機構(gòu) 15\o"CurrentDocument"\h焊接軌道 15\o"CurrentDocument"\h行走機構(gòu)的設(shè)計計算 16\o"CurrentDocument"\h等效負載轉(zhuǎn)矩計算 17\o"CurrentDocument"\h等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 18\o"CurrentDocument"\h焊接小車行走機構(gòu)的機械傳動 1\o"CurrentDocument"\h電機的選擇 20\o"CurrentDocument"\h減速器的結(jié)構(gòu)及傳動比 21\o"CurrentDocument"\h送絲機構(gòu)的機械傳動 21\o"CurrentDocument"\h.3.1送絲電機的選擇 21\o"CurrentDocument"\h..3.2減速器 23\o"CurrentDocument"\h焊槍姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的機械傳動 23\o"CurrentDocument"\h電機的選擇 23\o"CurrentDocument"\h.結(jié)論 2.\o"CurrentDocument"\h參考文獻 2.致謝.緒論課題背景及研究意義現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷對焊接技術(shù)提出更新更高的要求，而現(xiàn)代工業(yè)和科學技術(shù)的新成就又為焊接方法和焊接專用設(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)和科學技術(shù)的推動下相輔相成地蓬勃發(fā)展起來的。而管道運輸是油氣運輸中最主要的也是最快捷、經(jīng)濟、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、安全性高、成本低等優(yōu)點，在各國發(fā)展迅速。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，國外一些發(fā)達國家管道油氣運輸方式的輸油量約占油氣運輸總量的2/之3多，油氣的管道運輸對從原油、天然氣的生產(chǎn)、精煉、儲存及到用戶的全過程起到了重要作用。目前管道施工已逐漸從手工焊接向全自動焊接方向發(fā)展。管道建設(shè)地區(qū)跨度大，沿線施工環(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，焊工勞動強度大，技術(shù)難度高，因此，工程上迫切需要實現(xiàn)管道的自動焊接，用以提高生產(chǎn)率、保證焊接質(zhì)量、降低勞動強度和施工成本，而且自動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，流失嚴重等問題。本設(shè)計的目的是對管道建設(shè)野外作業(yè)的管道外圓自動焊接機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計以達到體積小、重量輕、加工成本低、運動精度高、操作簡便并且滿足各項性能指標的要求。管道外圓自動焊接機的發(fā)展及應(yīng)用焊接機器人的發(fā)展歷程自195年9美國推出世界上第一臺Ultim型a機t器e人以來，工業(yè)機器人的數(shù)量在世界范圍內(nèi)不斷增長，通常他們用在焊接、噴涂、變薄拉伸、裝配、拾取搬運、檢測和測量中，其中有半數(shù)為焊接機器人。在重工業(yè)的很多領(lǐng)域中，大直徑管道環(huán)縫焊需要高勞動強度的手工焊，這對操作者來說需要有嚴格的技能要求和集中力。由于人們對焊接柔性和焊接產(chǎn)量的高需求和高要求，自動焊接機器人就為很多工業(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)工作方式的焊接機器人，由于操作簡便，不需要環(huán)境模型，示教時可修正機械結(jié)構(gòu)帶來的誤差等特點，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編程焊接機器人；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)智能機器人。焊接機器人主要從事弧焊和點焊工作?；『笝C器人大多采用二氧化碳或二氧化碳與氬、氮混合氣體保護。焊接機器人的結(jié)構(gòu)型式，主要有多關(guān)節(jié)型、直角坐標型、極坐標型和圓柱坐標型四種。點焊機器人以直角坐標型較多；弧焊機器人以多關(guān)節(jié)型居多?；『笝C器人工作機構(gòu)一般較點焊的復(fù)雜，通常具有五個以上的自由度。目前功能較完善的焊接機器人已具有七個自由度。我國目前研制的焊接機器人，一般均為五個自由度。國外為了提高工件（特別是大型工件）的焊接生產(chǎn)率，十分重視輔助設(shè)備的自動化水平，如配備自動更換噴嘴，供應(yīng)焊絲，監(jiān)視電弧和過程異常等功能的機構(gòu)。早期的焊接機器人缺乏“柔性”，焊接路徑和焊接參數(shù)須根據(jù)實際作業(yè)條件預(yù)先設(shè)置，工作時存在明顯的缺點。隨著計算機控制技術(shù)、人工智能技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人也由單一的單機示教再現(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。焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀最近20年來，現(xiàn)代焊接科學技術(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)萬億美元效益的制造工業(yè)，廣泛用于建筑、橋梁、汽車、航空航天、能源、造船和電子工業(yè)。而越來越多的商業(yè)性工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和裝配任務(wù)，比如材料工藝、點/弧焊、零件裝配、油漆噴涂、機械裝卸以及太空和海底，從而促進了焊接業(yè)的飛速發(fā)展。近十年來，日、美、俄、英、法等國都投入了大量的人力、物力從事焊接機器人的開發(fā)工作，其中日本焊接機器人的進展速度尤為驚人。日本從197年8開始研制點焊機器人，198年0研制成功第一個弧焊機器人。19年日本生產(chǎn)了150個0焊接機器人，產(chǎn)值達到了14億5日元，由日本工業(yè)機器人的第六位躍居為第二位。目前有10家工廠具有年產(chǎn)100多0個焊接機器人的能力。日本為發(fā)展和普及焊接機器人，于198年2成立了全國機器人焊接研究委員會。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)立了焊接機器人培訓學校。198年4豐田汽車公司已在其作業(yè)線上安排了130個0機器人。20年慶應(yīng)義塾大學M.Mura等m人a研t制s了u管內(nèi)微型焊接機器人，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。臺灣國立大學研制了一種用于維修防護金屬弧焊視覺傳導(dǎo)移動焊接機器人。它裝有CC攝D像頭，能夠檢測出焊縫的位置，根據(jù)所測數(shù)據(jù)來指導(dǎo)焊接操作。目前世界上已有七十多種數(shù)萬個焊接機器人在各種生產(chǎn)線上從事焊接操作。從數(shù)量和智能化的程度來看，日本的焊接機器人在世界上占明顯優(yōu)勢，并已向美國和英國等國大量出口。預(yù)計在未來幾年中，日本焊接機器人的產(chǎn)值將迅速增長。我國在20世紀70年代末開始研究焊接機器人，起步比較晚。經(jīng)過20多年的發(fā)展，在焊接機器人技術(shù)領(lǐng)域取得了長足的進步，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了積極的推動作用。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過40，%焊接機器人的增長率超過了60；%200年4國產(chǎn)工業(yè)機器人數(shù)量突破140臺0，進口機器人數(shù)量超過900臺0，其中絕大多數(shù)應(yīng)用于焊接領(lǐng)域；20年我國新增機器人數(shù)量超過了500臺0，但是僅占亞洲新增數(shù)量的6%，遠小于韓國所占的15，%更遠小于日本所占的69。%這對于我國的經(jīng)濟發(fā)展速度以及經(jīng)濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機器人應(yīng)用程度的提高受到限制。當前焊接機器人的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。焊接機器人技術(shù)展望為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動態(tài)和開放方向發(fā)展的需要，發(fā)達國家都在加大力度，對機器人技術(shù)進行深入研究。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，智能化控制技術(shù)將是焊接機器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。目前焊接機器人正從第一代反復(fù)操作型機器人向第二代帶有傳感器的知覺判斷機器人發(fā)展，也即由目前的固定式機器人逐漸向具有肌肉一樣的調(diào)節(jié)器、具有感覺和識別機能的雙足行走的活動式機器人發(fā)展。多傳感器信息智能融和技術(shù)將廣泛應(yīng)用于焊接機器人上。早在198年1，美國的HIL是第一個應(yīng)用多傳感器信息來創(chuàng)建世界模型的可移動機器人，它充分利用視覺、聽覺、激光測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。韓國的ParJkoong研-制J出o來的智能傳感器能同時處理6個自由度數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)傳感器只能測量一個自由度數(shù)據(jù)的功能相比，性能大為提高。韓國漢陽大學研制出了激光視覺傳感器自由焊縫示教式自動焊接機器人。隨著海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展以及我國海洋工程向深海的挺進,發(fā)展水下干法焊接技術(shù)勢在必行。挪威Sint高e壓f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100水0深m的焊接，能焊補直徑為8～42英寸的管道，采用全自動的軌道TI焊G機，目前已完成在334水m深的管道焊接。英國的OTT系O統(tǒng)主要由焊接艙和軌道TI焊G機組成，整個系統(tǒng)采用光纖傳導(dǎo)和計算機進行監(jiān)控，在135水m深進行試驗，取得了較為滿意的焊接質(zhì)量，焊縫斷裂強度達到550。M焊p縫a跟蹤系統(tǒng)焊接機器人發(fā)展迅速，越來越多地應(yīng)用于去毛刺加工、膠合和焊接等。視覺控制技術(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)等是未來焊接機器人發(fā)展所要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)。管道外圓自動焊接機的研究現(xiàn)狀管道外圓自動焊接機國外研究現(xiàn)狀管道焊接廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域當中，比如：油氣工業(yè)、核能與熱能工廠和化工廠。管道外圓自動焊接機采用熔化極外圓焊接技術(shù)，最早出現(xiàn)于20世紀6年代末期。MI金G屬焊絲惰性氣體保護焊是美國制造業(yè)四十多種焊接中的一種，它是一種連接兩個相同材料尤其是碳鋼材料經(jīng)濟的方法。美國CR公C司率先研制成功了一種高效管道焊接系統(tǒng)，即CR多C頭氣保護管道自動焊系統(tǒng)，并于197年2將該項技術(shù)應(yīng)用于管道施工獲得成功。起初只是焊接小車帶動焊槍行走，焊接參數(shù)（焊接電流、電壓、焊接速度等）均為手動控制。目前，生產(chǎn)外圓自動焊接設(shè)備的除了

美國CR公C司外，還有德國VIE公T司Z、美國MAGNA公T司E、C荷H蘭VERAW公司、英國Nore公a司s、t法國SERIMER公司D、A意S大A利PW公T司等。CR公C司智能化的P-5、0P0-6型0以0及SERIDMAESR公A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，CR公C司生產(chǎn)了P30，0P40，0P50和0P6040個型號的管道外圓自動焊機。其中0型號的管道外圓自動焊機。其中0和0P60是0雙焊炬管道外圓自動外焊機,它采用了水冷式焊槍、外掛推絲式送絲機構(gòu)和帶有熔滴過渡單元（CD的T脈）沖焊接電源，焊接參數(shù)可編程并儲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，隨時離線編程。P50和0P60適0用于窄間隙疊焊或?qū)掗g隙排焊,還可完成根焊。生產(chǎn)效率比單焊頭自動外焊機提高40～%50。%缺點是焊槍采用強迫水冷卻，給實際應(yīng)用帶來許多不便。法國SERIMER公司D生A產(chǎn)S的ASatur2n雙a焊頭外焊機，采用了風冷式焊槍、外掛推絲式送絲機構(gòu)和專用的脈沖焊接電源，計算機焊接編程控制單元和焊車運動控制單元分置，可進行在線編程，可完成根焊、窄間隙疊焊或?qū)掗g隙排焊。總體性能與CR的CP50和0P60類0似。其缺點是雙焊頭的擺動不能單獨控制，計算機焊接編程控制單元和焊車運動控制單元體積偏大。其中，CR公C司生產(chǎn)的自動焊接機已焊接了長達5000的0管k道m(xù)。這些廠家的設(shè)備雖然外形各具特點，但在控制方面，不外乎是計算機控制焊接參數(shù)和人工調(diào)控焊接參數(shù)兩種方法。管道外圓自動焊接機國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來，工業(yè)管道在不同的部門如化工、石化、核能和石油中起到了基礎(chǔ)性作用［27。我］國管道建設(shè)起始于20世紀70年代，管道焊接施工很長一段時間都只是停留在手工焊、半自動焊的水平上。這種焊接機沒有自動搜尋焊縫位置功能。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導(dǎo)致焊縫缺陷。所以焊縫位置跟蹤全自動焊接機就應(yīng)運而生［28。雖］然我國管道事業(yè)發(fā)展較快，但具有自主知識產(chǎn)權(quán)的管道外圓自動焊機還比較少。國內(nèi)典型的管道自動焊機在吸收引進國外先進的自動焊機經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，國內(nèi)一些單位成功地研制開發(fā)出適用長輸管道環(huán)焊縫施工的外圓自動焊機，其中以中國天然氣集團公司工程技術(shù)研究院研制的APWⅡ-型外圓自動焊機、石油管道特種施工機具研究所研制的PAW2管0道0外圓自動焊機為代表。APWⅡ-型外圓自動焊機采用以直流脈寬調(diào)速為基礎(chǔ)，位移傳感檢測閉環(huán)控制為核心的硬件控制電路，在管道外圓自動焊接過程中，焊接參數(shù)如電流、電壓、焊速、焊槍擺動速度、擺動幅度、兩端停留時間，既可預(yù)先設(shè)定又可分別實時調(diào)節(jié)。焊機的這一特點使之更加適用長輸管線現(xiàn)場組對的復(fù)雜情況，在坡口存在錯邊、寬窄不一等工況下，通過實時調(diào)節(jié)，均可獲得優(yōu)良的焊縫。APWⅡ-型外圓自動焊機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。PAW2管0道0外0圓自動焊機整套設(shè)備由焊接小車、環(huán)形可拆卸軌道、計算機自動控制柜、手操作盒、計算機和其他一些輔助配件組成。每臺焊接工程車均具有根焊的功能熱焊、填充焊和蓋面焊的功能。2.管道外圓自動焊接機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1自動焊接機總體要求和技術(shù)指標管道全位置自動焊接就是在管道相對固定的情況下，借助于機械、電氣的方法，使焊接設(shè)備帶動焊槍沿焊縫環(huán)繞管壁運動，從而實現(xiàn)自動焊接。自動焊接機能夠?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)計本自動焊接機應(yīng)滿足的基本要求是：在滿足預(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、維修簡單和造型美觀等。管道全位置自動焊接機既要求結(jié)構(gòu)緊湊，又要求控制準確，實現(xiàn)計算機控制的自動焊接是機電一體化設(shè)計的高度集成。本自動焊接機的主要技術(shù)指標如下：（1）行走機構(gòu)速度范圍：200mm～/2m0i0n0mm；/調(diào)m整i遞n增量：10mm/；調(diào)m整i精n度：設(shè)定值的±1%或±20mm/中m的i最n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：±0.2～50°0/s；（6）送絲機構(gòu)速度范圍：500～015000m；m/min（7）機械行程：橫向模塊100；m高m度模塊100，m并m設(shè)有＞60m的m手動調(diào)整范圍；傾角模塊±90°；夾角模塊±0.～530°；自動焊接機總體方案的確定管道全位置自動焊接機是由機械系統(tǒng)和微機智能控制系統(tǒng)組成，機械系統(tǒng)是管道全位置自動焊接機的執(zhí)行系統(tǒng)。管道焊接工程現(xiàn)場施工都在野外作業(yè)，而且環(huán)境相對比較惡劣，一般施工周期也比較長，為了滿足現(xiàn)場要求，達到焊接質(zhì)量和提高勞動效率，本設(shè)計自動焊接機要求重量輕、體積小、操作簡單、安裝調(diào)試和維護方便，故本管道全位置自動焊接機采用模塊化設(shè)計，包括焊接小車和軌道兩部分，其中焊接小車包括以下模塊：行走機構(gòu)、橫向調(diào)整機構(gòu)、高度調(diào)整機構(gòu)、傾角調(diào)整機構(gòu)、焊槍擺動機構(gòu)、送絲機構(gòu)。焊接小車通過夾緊機構(gòu)安裝在焊接軌道上，帶動焊槍沿管壁外徑作圓周運動，小車上的擺動機構(gòu)、橫向與高度調(diào)整機構(gòu)用以實現(xiàn)焊槍的橫向擺動跟蹤和上下移動。送絲裝置可外掛在焊接小車上，并與焊接小車絕緣，這樣可方便換絲，提高工作效率。整機主要部件采用強度高、重量輕的鋁合金2A16加工而成，從而使整機重量輕并滿足強度要求。管道外圓自動焊機的設(shè)計基本思路管道外圓自動焊機的設(shè)計采用以下基本思路:①焊接小車:焊接小車帶動焊槍自動行走，于其上可實現(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:焊接小車依靠導(dǎo)向軌道實現(xiàn)自動行走。軌道裝拆簡便易行，安裝時定位準確。③焊接機械手:焊接機械手夾持焊槍實現(xiàn)焊接。拆裝方便，穩(wěn)定性好。小車行走機構(gòu).1基本工作原理行走機構(gòu)采用齒輪傳動方式。由伺服電機驅(qū)動主齒輪旋轉(zhuǎn)，再通過介輪與導(dǎo)軌上的齒嚙合，導(dǎo)軌是固定于待焊管道的外徑上，從而使行走小車沿管道外徑滾動行走。為了確保行走小車在導(dǎo)軌上行走時，始終與導(dǎo)軌端面平行，將其滾輪接觸面軸向尺寸設(shè)計為與導(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，行走小車也相對坡口位置固定。夾緊機構(gòu)用以使行走小車與導(dǎo)軌動態(tài)連接布一起。如圖1所示，夾緊機構(gòu)上的壓緊軸將壓緊輪和滑塊與車體連接，再通過螺母和定位套將高度尺寸固定，使之成為一個組件，用緊定螺釘通過擋板塊頂住滑塊，從而使滑塊帶動壓緊輪做軸向運動，進而使它與導(dǎo)軌端面的內(nèi)錐面始終處于壓緊狀態(tài)。圖2-1夾緊機構(gòu)示意圖

行走機構(gòu)車體設(shè)計要點小車有前、后兩套滾輪在導(dǎo)軌上同時滾動，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導(dǎo)軌滾動面（因為三點確定一個平面），基于這點分析，安裝前輪部分的車體設(shè)計為活動車體，如圖2所示。當前輪確實沒有與導(dǎo)軌滾動面接觸時，可以調(diào)整前輪部分的活動車體，從而使前、后輪都接觸良好，既保證齒輪間隙，又滿足設(shè)計要求。圖2-圖2-行2走機構(gòu)示意行走機構(gòu)滾動組件的設(shè)計要點為便于裝配，小車行走機構(gòu)的滾動組件采取圖3所示的結(jié)構(gòu)形式。這樣在組裝時，可首先將滾輪、滾輪軸、間隔套及一側(cè)軸承裝配成一個組件，將另一側(cè)軸承皤在車體上，然后，對準軸承孔將其組件壓入（注意：滾輪的最大直徑不能超過軸承的外徑）。采用這種裝配方式，容易保證前、后輪的位置精度；避免對車體的軸承倉造成損壞（車體的材料選定為鋁合金）；降低了勞動強度；簡化了裝配工藝。滾輪軸緊定螺釘滾輪間隔套軸承圖2-3行走機構(gòu)滾動組件示意焊絲送進機構(gòu)一般可分為兩輪送進機構(gòu)和四輪送進機構(gòu)，由于受整體空間的限制，采用兩輪送絲機構(gòu)。陔機構(gòu)主要南送絲電機、壓緊機構(gòu)、焊絲導(dǎo)向管等組成。其工作原理為：送絲電機驅(qū)動主送絲輪及其主齒輪旋轉(zhuǎn)，通過主、從動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，使進入焊槍的焊絲被修整得比較直，以便在焊接過程中不會出現(xiàn)卡絲現(xiàn)象。焊絲送進機構(gòu)如圖4所示。圖2-焊4絲送進結(jié)構(gòu)示意根據(jù)焊接工藝要求，一般送絲速度v=1．25／mmi；n初步選送絲電機輸入轉(zhuǎn)速n1=9／3m9i0；n額r定功率P=11；假k定W走絲輪直徑D=20；則m減m速箱減速比i=n／1n2=／nv1／(πD)=93／9m0i÷n[r1250／0mi÷mn(mπ×20m≈電機說明書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=：153的減速箱，則實際送絲速度v=／ni1／(πD)=39r0／min+÷[(π53×20mm≈)111m3mi≈n11．1／mmi，n滿足使用要求。焊槍擺動機構(gòu)焊槍的擺動機構(gòu)主要由一個擺動中心傳感器、一個高速步進電機驅(qū)動滑塊機構(gòu)和焊槍夾持機構(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，焊槍擺動到兩端時必須有一定的停留時間，停留時間很短(一般為O．5s。)擺動機構(gòu)實際上是一個帶間歇的往復(fù)直線運動的機構(gòu)，采用高速電機驅(qū)動控制技術(shù)，此間歇是由電機控制實現(xiàn)。擺動機構(gòu)的傳動原理為：將高速步進電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，由于電機止口通過機座固定于行走小車上，故絲杠旋轉(zhuǎn)而滑塊通過絲杠螺母作軸向直線運動，焊槍夾持機構(gòu)與滑塊相連，從而實現(xiàn)焊槍的擺動運動。根據(jù)預(yù)先設(shè)定焊槍的擺幅為±25，m則m確定滑塊的有效行程為60。mm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、導(dǎo)向并利用齒輪傳動原理使焊接小車運動。軌道裝卡在管子上，是焊接小車行走和定位的專用機構(gòu)。因此軌道的結(jié)構(gòu)直接影響到焊接小車行走的平穩(wěn)度和位置度，進而也就影響到焊接質(zhì)量，軌道的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下列要求：⑴裝拆方便，易于定位；(2)結(jié)構(gòu)合理，重量較輕；(3)有一定的強度和硬度，耐磨，耐腐蝕。目前，國內(nèi)外的軌道設(shè)計不外乎兩種;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。柔性軌道則是相對剛性軌道而言。剛性軌道定位準確，裝卡時變形小，可以確保焊接小車行走平穩(wěn)，焊接時焊槍徑向調(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，精度相對而言沒有剛性軌道高。焊接小車與軌道的傳動方式有齒輪傳動、鏈傳動、摩擦傳動。一般鏈傳動由于鏈的抖動而造成運動的平穩(wěn)性不好;而摩擦傳動不能保證定比傳動，容易丟轉(zhuǎn)。這兩種傳動均不能滿足要求，所以以使用齒輪傳動為宜。在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以將軌道上的齒加工成側(cè)齒，這樣相當于齒輪齒條傳動，還可以將其加工成外齒，軌道就如同一個直徑較大的固定齒輪?；谏鲜龇治龊蛯嶋H工程需要，選擇柔性軌道較為適宜，傳動方式選擇齒輪齒條（側(cè)齒）傳動。這樣，軌道上的側(cè)齒易于加工與安裝，也與行走機構(gòu)的方案選擇相吻合。以上設(shè)計均是依據(jù)結(jié)構(gòu)功能作出的。本研究設(shè)計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行走和定位的專用機構(gòu)，因此軌道的結(jié)構(gòu)直接影響到焊接小車行走的平穩(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；有一定的強度和硬度，耐磨、耐腐蝕。軌道通過對稱的三個定位塊支撐在待焊管徑上，行走小車通過齒輪嚙合使?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。軌道由兩個半環(huán)組成，其連接方式如圖5所示?？紤]到兩個半環(huán)組對時定位必須準確，分別在結(jié)合面處距離兩端面軸向距離26mm的圓周上制作有定位銷，分別在距兩端麗軸向距離14m的圓m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)簡圖行走機構(gòu)的設(shè)計計算最大行走速度2400mm/min平均焊接速度300mm/min等效負載轉(zhuǎn)矩計算按整個焊接小車全部質(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，焊接小車的重力矩為T,=；d，a=gx25.5xl5x9.8=1.874N?加摩擦力情況:當行走小車處于水平位置時摩擦阻力主要來源于四個支撐在軌道體上的支撐輪。滾動摩擦系數(shù)為0.03，軌道本體寬度為140mm，那么滾動摩擦負載轉(zhuǎn)矩為T}=0.03x15x9.8x1x140=Q30S1N-m美國見塞德公司生產(chǎn)的減速器，其恒定轉(zhuǎn)矩為24N2m，轉(zhuǎn)動慣量為:1.1x10%療，效率為93%，減速比yr=1/100因此換算到電動機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩T為&=%+5LIkM=(1.874+03087)xl.lx^=0.024/Vm等效轉(zhuǎn)動慣量的計算由于焊接小車的行走齒輪與齒圈嚙合實際上等效于焊接小車上的行走齒輪固定不動，而驅(qū)動質(zhì)量為15kg的齒條。那么此時，當量齒圈的轉(zhuǎn)動慣量計算方法如下:行走齒輪的周長L=πd=80mm，由于減速比為1:100，電機每轉(zhuǎn)一圈，行走齒輪轉(zhuǎn)0.01圈，其線位移為0.01×80=0.8mm，根據(jù)線位移脈沖當量的定義可知，電機旋轉(zhuǎn)一周，齒條前進的位移為:t『0.8mm因此焊接小車的等效轉(zhuǎn)動慣量為J一用"喧＞，w=0.24kItr6蛇療根據(jù)動能定律，換算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為4=4(!)=0.24xl0loAgm2而與電機直聯(lián)的減速器轉(zhuǎn)動慣量J,=1.1x]06^g?m2因此換到電機軸上的等數(shù)轉(zhuǎn)動慣量為Jtl=J)+J?=11x10'+0.24x]()T°*1.1xl。出依/3焊接小車行走機構(gòu)的機械傳動常用的機械傳動部件有螺旋運動、齒輪傳動、同步帶、高速帶傳動以及各種非線性傳動部件等。其主要功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。因此，它實質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變換器，其目的是使執(zhí)行元件與負載之間在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向得到匹配。機械傳動部件對伺服系統(tǒng)的伺服特性有很大影響，特別是傳動類型、傳動方式、傳動剛性以及傳動的可靠性對機電一體化系統(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)計和選擇傳動間隙小、精度高、體積小、運動平穩(wěn)、傳遞轉(zhuǎn)矩大的傳動部件。對工作機中的傳動機構(gòu)，既要求能實現(xiàn)運動的變換，又要求能實現(xiàn)動力的變換。也就是說既能實現(xiàn)圓周運動與直線運動、往復(fù)擺動的轉(zhuǎn)換，又能實現(xiàn)圓周運動或轉(zhuǎn)矩與直線驅(qū)動力的轉(zhuǎn)換。對于信息機中的傳動機構(gòu)，主要要求具有運動的變換功能，只需要去克服慣性力和各種磨擦阻力及較小的負載即可。常見的傳動機械有:絲桿螺母、齒輪、齒輪齒條、鏈輪鏈條、帶傳動、滑輪、杠桿機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、磨擦輪、方向節(jié)、輪軸、蝸輪蝸桿、間歇機構(gòu)等。近年來，不通過機械機構(gòu)而直接由電動機驅(qū)動負載的“D2D”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，并要考慮負載的非線性和禍合性等因素對執(zhí)行電機的影響。但總的來說，機電一體系統(tǒng)對機械傳動機構(gòu)的基本要求有以下幾個方面。①精密性:對機電一體化產(chǎn)品而言，應(yīng)根據(jù)其性能的需要提出適當?shù)木芏纫?，對機械傳動機構(gòu)的精密度要求越來越高。②高速化:產(chǎn)品工作效率的高低，直接與機械傳動部件的運動速度相關(guān)，因而機械傳動機構(gòu)的精密度應(yīng)能適應(yīng)高速運動的要求。③小型化，輕量化:隨著機電一體化精密化、高速化的發(fā)展，必須要求其傳動機構(gòu)小型化、輕量化，以提高運動靈敏度，減小沖擊、降低能耗。機電一體化對機械傳動的基本要求為:精密化、高速化、小型化、輕量化，因此在設(shè)計管道外圓自動焊機各部分傳動機械時，在滿足使用要求的前提下，盡量滿足上述基本要求。焊車小車簡稱焊車，其行走機構(gòu)是實現(xiàn)焊槍沿管周運動的驅(qū)動力機構(gòu)，在焊接時焊接速度即為焊車的行走速度。因此要求焊車行走機構(gòu)行走十分平穩(wěn)，且當完成焊接過程后，要求焊車快速空程返回。電機的選擇在設(shè)計焊車時要求其與軌道的裝拆較為便利，這樣，焊車的質(zhì)量自然就要求輕，如果考慮到一個焊工能夠較為輕松地搬運焊車，則其本身質(zhì)量以不超過l0kg為宜，加上考慮到焊絲盤的質(zhì)量(中1.0mm的焊絲，每一盤質(zhì)量為5kg)因此，焊車的總質(zhì)量約在15kg左右。電機減速各行走齒輪圖3-1行走機構(gòu)示意圖在前面己敘述過焊車的行走靠其行走齒輪與軌道上的齒圈嚙合來實現(xiàn)，因此上整個行走機構(gòu)最后的動力輸出部件為齒輪。選定齒輪的模數(shù)為m=1.5mm(利用齒輪傳動的強度理論，這一模數(shù)絕對滿足使用要求)，在滿足不發(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，整個焊車的質(zhì)量完全由行走齒輪帶動，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:M=；kd0Ggk———安全系數(shù) 取k=2d0———行走輪分度圓直徑(mm)G一一一焊車質(zhì)量(kg)g—重力加速度，9.8m/s2M=^X30X2X15X9.8/1000=4.41(N?m)因此上行走齒輪的輸出力矩為4.41N2m，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4.4lN2m。電機的輸出軸與減速器相聯(lián)。一般的交、直流電機的轉(zhuǎn)速較高，中間需要配有較大降速比的減速器。交流步進電機一般體積較小，價格低，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)取得了長足的進步。直流電機控制簡單，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。基于交流伺服電機的優(yōu)點，在設(shè)計時選用了松下生產(chǎn)的交流伺服電機，通過查產(chǎn)品樣本，符合要求的交流伺服電機功率為50W，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定輸出力矩為0.16N2m。減速器的結(jié)構(gòu)及傳動比由上述計算知，減速器的輸出轉(zhuǎn)速為19.lr/min，而電機轉(zhuǎn)速為3000r/min。若選擇減速器的傳動比為i=100:1，那么減速器的輸入轉(zhuǎn)速為1900r/min，所以對電機需進行變頻調(diào)速控制，使其工作轉(zhuǎn)速在 1000r/min一2000r/min之間。減速器的傳動比為100:1，又要求其體積較小，可選擇美國貝塞德公司生產(chǎn)的行星輪減速器。電機的輸出力矩為0.16Nm，那么減速器的輸出力矩為:M=i「M電機?nη——減速器傳動效率，選90%i——傳動比M——電機的輸出力矩，M電機=0.16N2mM=0.9×0.16×100=14.4N2m，遠遠大于4.41N2m。送絲機構(gòu)的機械傳動3.3.1送絲電機的選擇這里選擇送絲機構(gòu)安裝在焊車上，隨焊車一同相對于管口運動，送絲機構(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)減速番送絲電機捍絲出口岸絲人口圖3一2送絲機構(gòu)示意圖焊接電流電壓的大小與焊絲直徑有關(guān)，目前市場上常見的實心焊絲直徑為0.8mm、1.0mm、1.2mm。焊絲直徑大，所需的焊接電壓高，焊接電流相對較大，滴狀過渡，熔滴過大，熔深大，不易控制。焊絲直徑較小時，低電壓，小電流，矩路過渡，電弧處于不斷地起弧、燃弧、熄弧的循環(huán)中，焊接熔池同時也處于不斷的熔化、擴展、凝固的交替循環(huán)中，因此，熔池不易流淌，且細絲有自身調(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，可實現(xiàn)全位置焊接。但若焊絲過細，則線能量較低，可能會出現(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，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)速為焊絲在行進過程中，會受到來自于送絲管、導(dǎo)電嘴、送絲盤的摩擦阻力，一般情況下整個阻力之和約為ΣF=12N，考慮到還有其它不可遇見的因素，那么阻力矩M—阻力矩KK—安全系數(shù)，K=2ΣF—阻力和d一送絲輪直徑這樣可以計算出，送絲輪的轉(zhuǎn)速為84.88r/min，轉(zhuǎn)矩為0.36N2m，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0.16N2m的電機。.3.2減速器因為減速器輸出端與送絲輪相聯(lián)，輸入端與電機相聯(lián)，那么若要使電機工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，通過變頻調(diào)速技術(shù)，電機的轉(zhuǎn)速應(yīng)達到1000r/min。因此上初定減速器的傳動比為i=12.5:l這樣傳動比的減速機既要滿足使用要求又要體積不大，只有自行設(shè)計，沒有定型產(chǎn)品可選。選擇二級齒輪傳動，齒輪的模數(shù)選o.5mm（滿足強度要求）這樣設(shè)計出的減速器傳動比12.5:1。就整個送絲機構(gòu)而言，要求焊接時避免出現(xiàn)干擾，因此整個系統(tǒng)必須與焊接電源絕緣，這在進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須加以重視。3.4焊槍姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)的機械傳動在焊接過程中，需要不斷地調(diào)整焊槍相對于焊道的上下、左右位置。同時由于焊道較寬，焊槍需頻繁地往復(fù)擺動，才能保證焊縫的熔寬。在焊接終了，還需要轉(zhuǎn)動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)計焊槍姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)。電機的選擇由于焊槍需要頻繁地作往復(fù)擺動，而且擺動的頻率直接影響到焊縫的外觀成形，要求驅(qū)動機構(gòu)具有很好的快速響應(yīng)性，既能快速起動又能快速停止，同時要求驅(qū)動機構(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的移位