爬管式管道焊接機(jī)設(shè)計(jì),爬管式,管道,焊接,設(shè)計(jì) 一、選題的依據(jù)： 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，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)展起來的。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，可用十輸送水、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(diǎn)，在各國發(fā)展迅速。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，國外一些發(fā)達(dá)國家管道油氣運(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(dòng)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(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)管道的白動(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，目前自動(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、操作簡便并且滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求。 二、 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢： 2.1焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程 自1959年美國推出世界上第一臺(tái)Ultimate型機(jī)器人以來，工業(yè)機(jī)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(yùn)、檢測和測量中，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)操作者來說需要有嚴(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)器人大致可分為二代:第一代是基示教再現(xiàn)工作方式的焊接機(jī)器人，由十操作簡便，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;第二代是基一定傳感器信息的離線編程焊接機(jī)器人;第二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氫、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。我國目前研制的焊接機(jī)器人，一般均為五個(gè)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(dòng)化水平，如配備自動(dòng)更換噴嘴，供應(yīng)焊絲，監(jiān)視電弧和過程異常等功能的機(jī)構(gòu)。 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。 2. 2焊接機(jī)器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 近20年來，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)萬億美兀效益的制造工業(yè)，廣泛用建筑、橋梁、汽車、航空航天、能源、造船和電子工業(yè)越來越多的商業(yè)性工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用制造業(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}fu促進(jìn)了焊接業(yè)的飛速發(fā)展。近十年來，口、美、俄、英、法等國都投入了大量的人力、物力從事焊接機(jī)器人的開發(fā)工作，其中口本焊接機(jī)器人的進(jìn)展速度尤為驚人?？诒緩?978年開始研制點(diǎn)焊機(jī)器人，1980年研制成功第一個(gè)弧焊機(jī)器人。1981年口本生產(chǎn)了1500個(gè)焊接機(jī)器人，產(chǎn)值達(dá)到了145億口兀，由口本工業(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?？诒緸榘l(fā)展和普及焊接機(jī)器人， 1982年成立了全國機(jī)器人焊接研究委員會(huì)。此外，許多口本大公司，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年豐田汽車公司已在其作業(yè)線上安排了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?？诒驹幽苎芯恐行暮蜄|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)灣國立大學(xué)研制了一種用十維修防護(hù)金屬弧焊視覺傳導(dǎo)移動(dòng)焊接機(jī)器人。它裝有CCD攝像頭，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「川。目前世界上已有七十多種數(shù)萬個(gè)焊接機(jī)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，口本的焊接機(jī)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[f}l。預(yù)計(jì)在未來幾年中，口本焊接機(jī)器人的產(chǎn)值將迅速增長。 我國在20世紀(jì)70年代末開始研究焊接機(jī)器人，起步比較晚。經(jīng)過20多年的發(fā)展，在焊接機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，對(duì)國民經(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)，近幾年我國工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過40 070，焊接機(jī)器人的增長率超過了60070; 2004年國產(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9000臺(tái)，其中絕大多數(shù)應(yīng)用十焊接領(lǐng)域;200_5年我國新增機(jī)器人數(shù)量超過了_5000臺(tái)，但是僅占亞洲新增數(shù)量的6 070，遠(yuǎn)小十韓國所占的1 _5 070，更遠(yuǎn)小十口本所占的69 070。這對(duì)十我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(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，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。 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)和開放方向發(fā)展的需要，發(fā)達(dá)國家都在加大力度，對(duì)機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入研究。從技術(shù)發(fā)展趨勢看，智能化抓‘制技術(shù)將是焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方}句。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)JJ L肉一樣的調(diào)節(jié)器、具有感覺和識(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)用十焊接機(jī)器人上。早在1981年，美國的HILARE是第一個(gè)應(yīng)用多傳感器信息來創(chuàng)建世界模型的可移動(dòng)機(jī)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Park Joong-J。研制出來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)傳感器只能測量一個(gè)自由度數(shù)據(jù)的功能相比，性能大為提高。韓國漢陽大學(xué)研制出了激光視覺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)展以及我國海洋工程向深海的挺進(jìn)，發(fā)展水下干法焊接技術(shù)勢在必行挪威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)，取得了較為滿意的焊接質(zhì)量，焊縫斷裂強(qiáng)度達(dá)到_5_SOMpa。焊縫跟蹤系統(tǒng)焊接機(jī)器人發(fā)展迅速，越來越多地應(yīng)用十去毛刺加工、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(shí)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等是未來焊接機(jī)器人發(fā)展所要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)。 2. 4管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)的研究現(xiàn)狀 2. 4.1管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)國外研究現(xiàn)狀 道焊接廣泛應(yīng)用十各個(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[X20。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)十20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1972年將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用十管道施工獲得成功[}2n。起初只是焊接小車帶動(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CRC公司外，還有德國VIETZ公司、美國MAGNATECH公司、荷蘭VERAWELD公司、英國Noreast公司、法國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不IIP600 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)和帶有熔滴過渡單兀(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)離線編程。Psoo和P6oo適用十窄間隙疊焊或?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4。缺點(diǎn)是焊槍采用強(qiáng)迫水冷卻，給實(shí)際應(yīng)用帶來許多不便。法國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)和專用的脈沖焊接電源，計(jì)算機(jī)焊接編程控制單兀和焊車運(yùn)動(dòng)控制單兀分置，可進(jìn)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CRC的P500和P600類似。其缺點(diǎn)是雙焊頭的擺動(dòng)不能單獨(dú)控制，計(jì)算機(jī)焊接編程控制單兀和焊車運(yùn)動(dòng)控制單兀體積偏大。其中，CRC公司生產(chǎn)的自動(dòng)焊接機(jī)已焊接了長達(dá)SOOOOkm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。 2. 4.2管道外圓自動(dòng)焊接機(jī)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。我國管道建設(shè)起始十20世紀(jì)70年代，管道焊接施工很長一段時(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)生。雖然我國管道事業(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。國內(nèi)典型的管道自動(dòng)焊機(jī)在吸收引進(jìn)國外先進(jìn)的自動(dòng)焊機(jī)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)焊機(jī)，其中以中國天然氣集團(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)使之更加適用長輸管線現(xiàn)場組對(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)主要用十中大口徑管道外環(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、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)焊接工程車均具有根焊的功能熱焊、填充焊和蓋面焊的功能。 三、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方法： a) 設(shè)計(jì)可以帶動(dòng)焊槍移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的焊接機(jī)械手. b) 設(shè)計(jì)可以調(diào)整的圓形軌道，從而焊接不同外徑的圓管。 c) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)沿管道外圓進(jìn)行旋轉(zhuǎn)焊接的功能。 d) 繪制總體裝配圖和相關(guān)的零件圖。 四、 目標(biāo)、主要特色及工作速度： 1.搜集資料寫開題報(bào)告，英文翻譯。 第1周～第2周 2.研究設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。 第3周～第5周 3.設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，并繪制裝配圖。 第6周～第10周 4.繪制各主要零件圖。 第11周～第14周 5.撰寫畢業(yè)論文。 第15周～第16周 6.答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 第17周 五、 參考文獻(xiàn)： [1].機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊．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（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．焊接機(jī)器人的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代制造，2005，12：42~47． [5]. 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