爬管式管道焊接機設計,爬管式,管道,焊接,設計 1 摘要：管線輸送是天然氣輸送中最主要、最迅速、經(jīng)濟、可靠的方式，輸送水、原油、天然氣、成品油等，輸送量大，距離長，安全性高，具有成本低等優(yōu)點，各國的發(fā)展迅速。管線運輸行業(yè)的主體是管道,管道工程的核心工作是噴嘴的焊接。因此，研究高效、性能可靠的管道全位置焊機具有非常重要的意義。為解決管道建設野外作業(yè)自動化焊接難題,開發(fā)了導軌式管式焊機,其主要技術包括:新型行走機構、焊槍擺動機構及機器人軌道,開發(fā)焊槍機器人。介紹了導軌式焊機的結構設計和焊機控制，重點介紹其結構特點、工作原理、設計要點?，F(xiàn)場的應用,該機器人能夠沿著導軌穩(wěn)定可靠地行走,可以進行管道焊機的全位置焊接,其操作簡便,成本低,符合我國現(xiàn)場施工作業(yè)及工人的技術水平,保證焊接質(zhì)量,提高勞動效率。 關鍵詞：焊接機 ；結構設計； 管道 ；機械手 Abstract: Pipeline transportation is the most important, quickest, economical and reliable method in petroleum transportation. It can transport water, crude oil, natural 2 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 systems 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 3 1. 1. 緒緒 論論 1.1 課題背景及研究意義課題背景及研究意義 現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對焊接工藝不斷提出了較高的要求，現(xiàn)代工業(yè)和科技的新實現(xiàn)為焊接方法和焊接設備的發(fā)展提供了廣泛且充分的技術基礎焊接工藝和焊接設備在現(xiàn)代工業(yè)和科技的推進下協(xié)同發(fā)展。另一方面，管線輸送是天然氣輸送中最主要的，是最快、經(jīng)濟、可靠的方式，輸送水、原油、天然氣、成品油等，輸送量大，距離長，具有安全性高、成本低等優(yōu)點，各國的發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，國外一些發(fā)達國家石油？氣體輸送方式的油輸送量是石油？占氣總量的約 2/3，是石油？氣體的管線輸送對原油、天然氣的生產(chǎn)、精煉、儲存及對用戶的全過程發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)在的管道工程已經(jīng)從手工焊接發(fā)展為全自動焊接方向發(fā)展的管道建設地區(qū)跨度大,沿線施工環(huán)境惡劣,加之管道運輸逐步向高壓、 大口徑方向發(fā)展,它對管式焊接的焊接提出了更高的要求,管環(huán)焊接的焊接成為制約施工質(zhì)量和建設周期的關鍵因素的野外焊接環(huán)境非常惡劣,焊工勞動強度大,由于技術難度大,需要在施工上實現(xiàn)管道自動焊接,提高了生產(chǎn)效率,保證了焊接質(zhì)量,降低了勞動強度和施工成本。另外，自動焊接能大幅度降低操作技術的難度，難以培育出焊接工藝，能夠解決流失嚴重等問題的本設計的目的是進行管道建設野外作業(yè)管道焊機結構設計,體積小、重量輕、加工成本低,運動精度高,操作簡便，且滿足各項性能指標 1.2 管道焊接機管道焊接機的發(fā)展及應用的發(fā)展及應用 1.2.1 焊接機焊接機的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程 自 1959 年，美國推出世界上首次的 Ultimate 型機器人以來，工業(yè)機器人的數(shù)量在世界上增加，通常他們用于焊接、噴涂、薄拉伸、組裝、拾取搬運、檢測和測量，其中半數(shù)為焊機。在重工業(yè)的許多領域中，大直徑的管環(huán)縫焊需要勞動密集的手動焊接，要求工人苛刻的技能要求和注意力。由于對焊接的柔性和焊接高度的高要求和高要求，焊機在許多工業(yè)領域中提供了非常大的可能性，以提高焊接速度，特別是焊接質(zhì)量。到目前為止，焊機大致分為 3 代：第 1 代是基于示教再生動作方式的焊機， 操作簡便， 在環(huán)境模型和示教時， 可修正因機械結構引起的誤差等特征， 4 大量用于焊接生產(chǎn)。第 2 代是基于一定傳感器信息的離線編程焊機，第 3 代是指搭載多種傳感器，接受作業(yè)指示后，可以根據(jù)客觀環(huán)境進行自我編程的高度適應智能機器人。焊機主要從事弧焊和點焊作業(yè)。電弧焊接機器人通常由二氧化碳、二氧化碳和氬氣、氮氣混合氣體保護。焊接機的結構型式主要有多關節(jié)型、正交座標型、極坐標型和圓柱座標型這 4 種。點焊機器人的正交坐標型多，電弧焊接機器人多關節(jié)型多。電弧焊接機器人的作業(yè)機構一般具有點焊的復雜性，通常具有 5 個以上的自由度。目前，功能完整的焊機具有七個自由度。目前在中國開發(fā)的焊機一般為 5個自由度。在國外，為了提高工件(特別是大型工件)的焊接生產(chǎn)率，非常重視輔助設備的自動化水平，例如具備具備噴嘴的自動更換、焊絲的供給、電弧或過程異常的監(jiān)視等功能的機構。早期焊機沒有“柔性” ，焊接路徑和焊接參數(shù)必須根據(jù)實際的工作條件預先設定，工作時存在明顯的缺點。隨著計算機控制技術、人工智能技術及網(wǎng)絡控制技術的發(fā)展， 焊機也從單一獨立的示教再現(xiàn)模具向以智能化為中心的多傳感、智能化的靈活加工單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。 1.2.2 焊接機焊接機國內(nèi)外應用現(xiàn)狀國內(nèi)外應用現(xiàn)狀 世界上的焊接是制造工業(yè)，其產(chǎn)生廣泛用于建筑、橋梁、汽車、航空航天、能源、造船和電子工業(yè)的萬美元。另一方面,越來越多的商業(yè)工業(yè)機器人廣泛地應用于制造和組裝操作,例如材料處理、點/電弧焊接、零件安裝、涂料噴涂、機械解吸和太空和海底。促進焊接產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。近 10 年，日本、米、俄羅斯、英、法國等投入了大量人力，物力從事焊機的開發(fā)工作，其中日本焊機的發(fā)展速度特別令人驚訝。日本從 1978 年開始開發(fā)了點焊機器人，1980 年開發(fā)了第一電弧焊接機器人。1981 年，日本生產(chǎn) 1500 個焊機，產(chǎn)值達到 145 億日元，從日本工業(yè)機器人的第六位躍升到第二位。目前，10 家工廠每年都有生產(chǎn) 1000 臺焊機的能力。日本開發(fā)了焊機？普及，1982 年建立了全國機器人焊接研究委員會。另外，在大阪、東京、名古屋等大阪、東京、名古屋等設置的大部分日本企業(yè)，1984 年在生產(chǎn)線上配置 1300 名機器人。 2000 年慶應義塾大學 M.Muramatsu 等人開發(fā)了管內(nèi)微焊接機。焊接操作可以通過在 90彎管中行走來完成。日本的原子能研究中心和東芝共同開發(fā)了內(nèi)部管激光焊接和刀具。 臺灣國立大學開發(fā)了防護金屬弧焊視覺傳遞移動焊機。 搭載 CCD 相機， 檢測焊接接頭的位置， 并根據(jù)測得的數(shù)據(jù)指導焊接作業(yè)。 目前， 5 全世界有 7 十余種焊機在各種生產(chǎn)線上從事焊接作業(yè)。日本的焊機，根據(jù)數(shù)量和智力的程度，在世界上占據(jù)了很大的優(yōu)勢，被美國和英國等出口。預計今后幾年，日本焊機的產(chǎn)量會急速增加。 我國在 20 世紀 70 年代末開始研究焊接機， 起步比較晚。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，在焊接機技術領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%，焊接機的增長率超過了 60%；2004 年國產(chǎn)工業(yè)機器人數(shù)量突破 1400 臺， 進口機器人數(shù)量超過 9000 臺， 其中絕大多數(shù)應用于焊接領域； 2005年我國新增機器人數(shù)量超過了 5000 臺，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)機器人應用程度的提高受到限制。 當前焊接機的應用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術的發(fā)展，焊接機的價格不斷下降，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，這一切預示著機器人應用及發(fā)展前景空間巨大。 1.2.3 焊接機焊接機技術展望技術展望 為了適應工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復雜、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，對機器人技術進行深入研究。從技術發(fā)展趨勢看，智能化控制技術將是焊接機技術發(fā)展的主要方向。 目前焊接機正從第一代反復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將廣泛應用于焊接機上。早在 1981 年，美國的 HILARE 是第一個應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 Park Joong-Jo 研制出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焊接機。 隨著海洋石油和天然氣工業(yè)的發(fā)展以及我國海洋工 6 程向深海的挺進,發(fā)展水下干法焊接技術勢在必行。 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，能焊補直徑為 842 英寸的管道， 采用全自動的軌道 TIG 焊機， 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 焊機組成，整個系統(tǒng)采用光纖傳導和計算機進行監(jiān)控，在 135m 水深進行試驗，取得了較為滿意的焊接質(zhì)量，焊縫斷裂強度達到 550Mpa。焊縫跟蹤系統(tǒng)焊接機發(fā)展迅速，越來越多地應用于去毛刺加工、膠合和焊接等。視覺控制技術、模糊控制技術、智能化控制技術、虛擬現(xiàn)實技術、神經(jīng)網(wǎng)絡控制技術、嵌入式控制技術等是未來焊接機發(fā)展所要解決的一些關鍵技術。 1.3 管道焊接機管道焊接機的研究現(xiàn)狀的研究現(xiàn)狀 1.3.1 管道焊接機管道焊接機國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀 管道焊接廣泛應用于各個工程領域當中，比如：油氣工業(yè)、核能與熱能工廠和化工廠。管道焊接機采用熔化極外圓焊接技術，最早出現(xiàn)于 20 世紀 60 年代末期。MIG 金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 CRC 公司率先研制成功了一種高效管道焊接系統(tǒng)，即 CRC 多頭氣保護管道自動焊系統(tǒng)，并于 1972 年將該項技術應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)具有很高的技術水平。到目前為止，CRC 公司生產(chǎn)了 P300，P400，P500 和 P600 4 個型號的管道焊接機自動焊機。其中 P500 和 P600 是雙焊炬管道焊接機自動外焊機,它采用了水冷式焊槍、外掛推絲式送絲機構和帶有熔滴過渡單元(CDT)的脈沖焊接電源，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。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)效率比單焊頭自動外焊機提高 40%50%。缺點是焊槍采用強迫水冷卻， 7 給實際應用帶來許多不便。法國 SERIMER DASA 公司生產(chǎn)的 Satur2nax Bug 雙焊頭外焊機，采用了風冷式焊槍、外掛推絲式送絲機構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 CRC 的 P500 和 P600 類似。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，CRC 公司生產(chǎn)的焊接機已焊接了長達 50000km 的管道。這些廠家的設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。 1.3.2 管道焊接機管道焊接機國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(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性作用27。我國管道建設起始于 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致焊縫缺陷。所以焊縫位置跟蹤全焊接機就應運而生28。雖然我國管道事業(yè)發(fā)展較快，但具有自主知識產(chǎn)權的管道焊接機自動焊機還比較少。 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研究院研制的 APW-型外圓自動焊機、石油管道特種施工機具研究所研制的 PAW2000 管道焊接機自動焊機為代表。APW-型外圓自動焊機采用以直流脈寬調(diào)速為基礎，位移傳感檢測閉環(huán)控制為核心的硬件控制電路，在管道焊接機自動焊接過程中，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，既可預先設定又可分別實時調(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。APW-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。PAW2000 管道焊接機自動焊機整套設備由焊接小車、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。 8 2.2. 爬管式爬管式管道焊接機管道焊接機總體總體結結構構設計設計 2.1 焊接機焊接機總體要求和技術指標總體要求和技術指標 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，使焊接設備帶動焊槍沿焊縫環(huán)繞管壁運動， 從而實現(xiàn)自動焊接。 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。設計本焊接機應滿足的基本要求是：在滿足預期功能的前提下，性能好、效率高、重量輕、成本低，在預定使用期限內(nèi)安全可靠、操作方便、維修簡單和造型美觀等。管道全位置焊接機既要求結構緊湊，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計的高度集成。本 9 焊接機的主要技術指標如下： 可實現(xiàn) 1030仰角，焊接管徑 2m。 2.2 焊接機焊接機總體方案的確定總體方案的確定 管道全位置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，本設計焊接機要求重量輕、體積小、操作簡單、安裝調(diào)試和維護方便，故本管道全位置焊接機采用模塊化設計，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、橫向調(diào)整機構、高度調(diào)整機構、傾角調(diào)整機構、焊槍擺動機構、送絲機構。焊接小車通過夾緊機構安裝在焊接軌道上，帶動焊槍沿管壁外徑作圓周運動，小車上的擺動機構、橫向與高度調(diào)整機構用以實現(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。 2.3 管道焊接機管道焊接機自動焊機的設計基本思路自動焊機的設計基本思路 管道焊接機自動焊機的設計采用以下基本思路: 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。 導向軌道:焊接小車依靠導向軌道實現(xiàn)自動行走。軌道裝拆簡便易行，安裝時定位準確。 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。 2.4 小車行走機構小車行走機構 2.4. 1 基本工作原理基本工作原理 行走機構采用齒輪傳動方式。由伺服電機驅(qū)動主齒輪旋轉(zhuǎn)，再通過介輪與導軌上的齒嚙合，導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軌上行走時，始終與導軌端面平行，將其滾輪接觸 10 面軸向尺寸設計為與導軌上接觸面寬度尺寸相同，并為間隙配合方式。這樣一旦導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。 夾緊機構用以使行走小車與導軌動態(tài)連接布一起。如圖 1 所示，夾緊機構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，進而使它與導軌端面的內(nèi)錐面始終處于壓緊狀態(tài)。 圖 2-1 夾緊機構示意圖 2.4.2 行走機構車體設計要點行走機構車體設計要點 小車有前、后兩套滾輪在導軌上同時滾動，假設后面一套滾輪是與導軌緊密接觸的，那么前面一套滾輪就有可能離開導軌滾動面(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計為活動車體，如圖 2 所示。當前輪確實沒有與導軌滾動面接觸時，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，又滿足設計要求。 圖 2-2 行走機構示意 11 2.4.3 行走機構滾動組件的設計要點行走機構滾動組件的設計要點 為便于裝配，小車行走機構的滾動組件采取圖 3 所示的結構形式。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)軸承饢在車體上，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。 圖 2-3 行走機構滾動組件示意 2.5 焊絲送進機構焊絲送進機構 一般可分為兩輪送進機構和四輪送進機構，由于受整體空間的限制，采用兩輪送絲機構。陔機構主要南送絲電機、壓緊機構、焊絲導向管等組成。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。焊絲送進機構如圖 4 所示。 12 圖 2-4 焊絲送進結構示意 根據(jù)焊接工藝要求，一般送絲速度 v=125 mmin； 初步選送絲電機輸入轉(zhuǎn)速 n1=9 390 rmin；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=n1n2=n1v(D)=9 390 rmin12 500 mmmin(20 mm) 472 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=1：53 的減速箱，則 實際送絲速度 v=n1i(D)=9 390 rmin+53(20 mm) 11132 mmmin111 mmin，滿足使用要求。 2.6 焊槍擺動機構焊槍擺動機構 焊槍的擺動機構主要由一個擺動中心傳感器、 一個高速步進電機驅(qū)動滑塊機構和焊槍夾持機構組成。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 O5 s)。擺動機構實際上是一個帶間歇的往復直線運動的機構， 采用高速電機驅(qū)動控制技術，此間歇是由電機控制實現(xiàn)。 擺動機構的傳動原理為：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，焊槍夾持機構與滑塊相連，從而實現(xiàn)焊槍的擺動運動。根據(jù)預先設定焊槍的擺幅為25 mm，則確定滑塊的有效行程為 60 mm。 13 2.7 焊接軌道焊接軌道 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。因此軌道的結構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，軌道的結構應滿足下列要求: (l)裝拆方便，易于定位; (2)結構合理，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。 在具體結構設計時，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，也與行走機構的方案選擇相吻合。以上設計均是依據(jù)結構功能作出的。 本研究設計的軌道采用分體式環(huán)形軌道，其結構形式如圖 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， 因此軌道的結構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；結構合理、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輪卡在導軌上，以保證焊圓管同心，又為了適應不同的管徑。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，分別在結合面處距離兩端面軸向距離 26 mm 的圓周上制作有定位銷，分別在距兩端麗軸向 14 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 軌道結構簡圖 2.8 行走機構的設計計算行走機構的設計計算 最大行走速度 2400mm/min 平均焊接速度 300mm/min 2.8.1 等效負載轉(zhuǎn)矩計算等效負載轉(zhuǎn)矩計算 圖 2-6 行走機構示意簡圖 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=171.5=25.5mm 因此，焊接小車的重力矩為 15 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 美國見塞德公司生產(chǎn)的減速器，其恒定轉(zhuǎn)矩為 24Nm，轉(zhuǎn)動慣量為:，效率為 93%，減速比 因此換算到電動機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 T 為 2.8.2 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算等效轉(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=d=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 0.0180=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: 因此焊接小車的等效轉(zhuǎn)動慣量為 根據(jù)動能定律，換算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量為 而與電機直聯(lián)的減速器轉(zhuǎn)動慣量 因此換到電機軸上的等數(shù)轉(zhuǎn)動慣量為 16 3 3 焊接小車行走機構的機械傳動焊接小車行走機構的機械傳動 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)定性和快速響應性有重大影響，因此，應設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，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，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、連桿機構、凸輪機構、磨擦輪、方向節(jié)、輪軸、蝸輪蝸桿、間歇機構等。 近年來，不通過機械機構而直接由電動機驅(qū)動負載的“DD”技術日益應用廣泛， 應用這種技術需要低轉(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)對機械傳動機構的基本要求有以下幾個方面。 精密性:對機電一體化產(chǎn)品而言，應根據(jù)其性能的需要提出適當?shù)木芏纫螅?17 對機械傳動機構的精密度要求越來越高。 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，因而機 械傳動機構的精密度應能適應高速運動的要求。 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，因此在設計管道焊接機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，其行走機構是實現(xiàn)焊槍沿管周運動的驅(qū)動力機構，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。 3.1 電機的選擇電機的選擇 在設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最后的動力輸出部件為齒輪。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 18 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/d=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: k安全系數(shù) 取 k=2 d0行走輪分度圓直徑(mm) G 一一一焊車質(zhì)量(kg) g重力加速度，9.8m/s 因此上行走齒輪的輸出力矩為 4.41Nm，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)領域得以大量應用， 還在于交流變頻技術取得了長足的進步。 直流電機控制簡單，低速性能好，但結構復雜，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 0.16Nm。 3.2 減速器的結構及傳動比減速器的結構及傳動比 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: 19 減速器傳動效率，選 90% i傳動比 M電機的輸出力矩，M 電機=0.16Nm M=0.90.16100=14.4Nm，遠遠大于 4.41Nm。 3.3 送絲送絲機構的機械傳動機構的機械傳動 3.3.1 送絲電機的選擇送絲電機的選擇 這里選擇送絲機構安裝在焊車上，隨焊車一同相對于管口運動，送絲機構的平穩(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 送絲機構示意圖 焊接電流電壓的大小與焊絲直徑有關，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1.0mm 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 20 焊絲在行進過程中，會受到來自于送絲管、導電嘴、送絲盤的摩擦阻力，一般情況下整個阻力之和約為F =12N，考慮到還有其它不可遇見的因素，那么阻力矩 M阻力矩 K K安全系數(shù)，K=2 F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 0.36Nm，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 0.16Nm 的電機。 3.3.2 減速器減速器 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，電機的轉(zhuǎn)速應達到 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)這樣設計出的減速器傳動比 12.5:1。 就整個送絲機構而言，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，這在進行機械結構設計時必須加以重視。 3.4 焊槍姿態(tài)調(diào)整機構的機械傳動焊槍姿態(tài)調(diào)整機構的機械傳動 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。 因此需要設計焊槍姿態(tài)調(diào)整機構。 3.4.1 電機的選擇電機的選擇 由于焊槍需要頻繁地作往復擺動，而且擺動的頻率直接影響到焊縫的外觀成形，要求驅(qū)動機構具有很好的快速響應性，既能快速起動又能快速停止，同時要求驅(qū)動機 21 構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。因此左右橫擺的驅(qū)動電機選擇步進電機。步進電機的力矩與慣性之比數(shù)值高，步進頻率高，不通電時，可以自由轉(zhuǎn)動。通電時不運行有自鎖定位功能，在每轉(zhuǎn)之內(nèi)響應誤差不會累積到下一轉(zhuǎn)。在動態(tài)特性要求不高時，可以直接開環(huán)運行，位置精度滿足要求，尤其是五相步進電機，步距角小，啟動特性好，比較適合于頻繁地正反轉(zhuǎn)。在設計時可選用日本 Mycom 公司生產(chǎn)的步進電機，其靜力矩為 o.83Nm，轉(zhuǎn)動慣量為 0.28kg cm。由于焊槍的質(zhì)量較輕，一般約為 o.5kg，從后面的傳動機構選用的傳動絲桿 do=14mm 來說，不管考慮何種因素在內(nèi)，其靜力矩足以滿足使用要求(左右橫擺電機同時又可以控制焊槍相對于焊縫的左右位置)。 焊槍的上下調(diào)整機構控制焊槍嘴對焊縫的徑向距離，即控制焊絲的干伸長。焊接過程中，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)整機構有較好的快速啟動和停止性能?；谶@一情況，上下調(diào)整電機也選擇步進電機，其靜力矩為0.42Nm，轉(zhuǎn)動慣量為 o.11kgc ， 。 焊槍在焊接過程中角度不需要調(diào)整，只須先預置好即可。不需要驅(qū)動力，只從結構上滿足要求即可。 22 4. 結結 論論 管道運輸是一種經(jīng)濟、安全的運輸方式，可用于輸送水、原油、天然氣、成品油等， 具有輸量大、距離長、安全性高、成本低等優(yōu)點，在各舊發(fā)展迅速。我國已將“加強輸油氣管道建設，形成管道運輸網(wǎng)”的發(fā)展戰(zhàn)略列入“十一五”發(fā)展規(guī)劃。未來10 年，我國將建成 l4 條油氣輸送管道，形成“兩縱、兩橫、四樞紐、五氣庫” ，總長超過萬公里的油氣管輸格局。管道的建設地區(qū)跨度大，沿線施工環(huán)境惡劣，加之管道輸送逐步向高壓(7.5 MPa)、大口徑(1420ram)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)量和建設周期的關鍵因素。野外焊接環(huán)境十分惡劣，焊工勞動強度大，技術難度高，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難度，解決焊工培養(yǎng)困難，流失嚴重等問題。 本文設計了管道焊接機，整機采用模塊化設計，包括焊接小車和運行軌道。焊接小車由行走驅(qū)動機構和送絲機構組成。軌道由兩個半環(huán)組成，通過四周固定支座固定在被焊管上，以適應不同管徑和不同形狀的管道，其裝拆方便。焊接小車與軌道采用鏈輪傳動和摩擦輪傳動的組合傳動形式， 大大提高了焊接小車在軌道上運行的穩(wěn)定性和精確性。利用二維設計軟件 CAD 繪制其零件圖、裝配圖。 本文設計的管道焊接機控制系統(tǒng)采用的是單片機控制， 方便簡單， 易于編程控制。 所研制的導軌式管道焊接機，其機械結構設計合理，制造成本低，安全可靠，經(jīng)濟實用。外圓焊接時，行走平穩(wěn)無沖擊影響，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。 23 參考文獻 1 機械設計手冊編委會機械設計手冊北京：機械工業(yè)出版社，2004 2 成大先機械設計手冊（機械傳動） 北京：化學工業(yè)出版社，2004 3 焦向東等.球罐外圓焊接機智能控制系統(tǒng).焊接學報，2000,21(4):14 4 朱進滿焊接機的應用J現(xiàn)代制造，2005，12：4247 5 W.-S Yoo，J.-D. Kim，S.-J. NaA Study on A Mobile Platform-manipulator Welding System for Horizontal Fillet JointsJMechatronics，2001，11：853868 24 致 謝 值此本文提交之際，首先要向我的指導老師高延峰老師表示由衷的感謝。本文的全部設計工作都是在高老師的悉心指導和諄諄教誨下完成的。高老師學識淵博、治學求實嚴謹、待人處事平和溫雅，在整個課題研究和論文撰寫的過程中給予了我極大的關懷幫助，支持和督導我的論文工作的完成。高老師自信豁達的人生態(tài)度也使我受益匪淺，并將激勵我在今后的工作、學習和生活中，時刻保持勤奮刻苦的工作態(tài)度和積極向上的生活信念。 感謝答辯組委員會各位老師對我的指導和幫助， 正因為老師們及時地糾正了我在設計過程中的一些錯誤，才使得我的論文工作能夠按時順利地完成。 感謝所有關心、支持、幫助和鼓勵過我的老師、同學、親戚和朋友們。 最后，感謝我的母校南昌航空大學科技學院為我提供了一個勤于鉆研、規(guī)格嚴格的學習氛圍和團結友好的生活環(huán)境，這使我終生難忘。