外圆自动焊接机结构设计

外圆自动焊接机结构设计

管道外圆自动焊接机结构设计摘要：管道运输是油气运输中最主要、最快捷、经济、可靠的方式，可用于输送水、原油、天然气、成品油等，具有输量大、距离长、安全性高、成本低等优点，在各国发展迅速。管道运输业的主体是管道，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动焊接机具有十分重要的意义。为解决管道建设野外作业的自动化焊接的难题，研制了一种导轨式管道焊接机器人，其关键技术包括：研制新型的行走机构、焊枪摆动机构、及机器人轨道、焊枪机械手。介绍了导轨式焊接机结构的设计和焊接机控制，着重对其结构特点、动作原理、设计要点进行设计分析和说明。现场应用表明，该机器人能沿导轨平稳、可靠的行走，进行管道外圆全位置焊接，其操作简便，成本低，适合我国现场施工作业及工人的技术水平，既保证了焊接质量，又提高了劳动效率。关键词：轨道式焊接机；结构设计；管道；机械手CylindricalpipeautomaticweldingmachinedesignAbstract: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:目录摘要(1)Abstract(2)1.绪论(4)1.1课题背景及研究意义(5)1.2管道外圆自动焊接机的发展及应用(5)1.2.1焊接机器人的发展历程(5)1.2.2焊接机器人国内外应用现状(6)1.2.3焊接机器人技术展望(7)1.3管道外圆自动焊接机的研究现状(8)1.3.1管道外圆自动焊接机国外研究现状(8)1.3.2管道外圆自动焊接机国内研究现状(9)2.管道外圆自动焊接机总体结构设计(10)2.1自动焊接机总体要求和技术指标(11)2.2自动焊接机总体方案的确定(11)2.3管道外圆自动焊机的设计基本思路(12)2.4小车行走机构(12)2.4.1基本工作原理(12)2.4.2行走机构车体设计要点(13)2.4.3行走机构滚动组件的设计要点(13)2.5焊丝送进机构(14)2.6焊枪摆动机构(15)2.7焊接轨道(15)2.8行走机构的设计计算(16)2.8.1等效负载转矩计算(17)2.8.2等效转动惯量的计算(18)3焊接小车行走机构的机械传动(19)3.1电机的选择(20)3.2减速器的结构及传动比(21)3.3送丝机构的机械传动(21)3.3.1送丝电机的选择(21)3..3.2减速器(23)3.4焊枪姿态调整机构的机械传动(23)3.4.1电机的选择(23)4.结论(25)参考文献(26)致谢(27)附录1.绪论1.1课题背景及研究意义现代工业的飞速发展，不断对焊接技术提出更新更高的要求，而现代工业和科学技术的新成就又为焊接方法和焊接专用设备的发展提供了宽广和雄厚的技术基础。焊接工艺和焊接设备就是在现代工业和科学技术的推动下相辅相成地蓬勃发展起来的。而管道运输是油气运输中最主要的也是最快捷、经济、可靠的方式，可用于输送水、原油、天然气、成品油等，具有输量大、距离长、安全性高、成本低等优点，在各国发展迅速。据有关统计，国外一些发达国家管道油气运输方式的输油量约占油气运输总量的2/3之多，油气的管道运输对从原油、天然气的生产、精炼、储存及到用户的全过程起到了重要作用。目前管道施工已逐渐从手工焊接向全自动焊接方向发展。管道建设地区跨度大，沿线施工环境恶劣，加之管道输送逐步向高压、大口径方向发展，这对管道环焊缝的焊接提出了更高的要求，管道环焊缝的焊接成为制约整个工程质量和建设周期的关键因素。野外焊接环境十分恶劣，焊工劳动强度大，技术难度高，因此，工程上迫切需要实现管道的自动焊接，用以提高生产率、保证焊接质量、降低劳动强度和施工成本，而且自动焊接还能大幅度降低操作技术难度，解决焊工培养困难，流失严重等问题。本设计的目的是对管道建设野外作业的管道外圆自动焊接机进行结构设计以达到体积小、重量轻、加工成本低、运动精度高、操作简便并且满足各项性能指标的要求。1.2管道外圆自动焊接机的发展及应用1.2.1焊接机器人的发展历程自1959年美国推出世界上第一台Ultimate型机器人以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增长，通常他们用在焊接、喷涂、变薄拉伸、装配、拾取搬运、检测和测量中，其中有半数为焊接机器人。在重工业的很多领域中，大直径管道环缝焊需要高劳动强度的手工焊，这对操作者来说需要有严格的技能要求和集中力。由于人们对焊接柔性和焊接产量的高需求和高要求，自动焊接机器人就为很多工业领域提高焊接速度尤其是提高焊接质量提供极大的可能。到目前为止，焊接机器人大致可分为三代：第一代是基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于操作简便，不需要环境模型，示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代是基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人；第三代是指装有多种传感器，接受作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应智能机器人。焊接机器人主要从事弧焊和点焊工作。弧焊机器人大多采用二氧化碳或二氧化碳与氩、氮混合气体保护。焊接机器人的结构型式，主要有多关节型、直角坐标型、极坐标型和圆柱坐标型四种。点焊机器人以直角坐标型较多；弧焊机器人以多关节型居多。弧焊机器人工作机构一般较点焊的复杂，通常具有五个以上的自由度。目前功能较完善的焊接机器人已具有七个自由度。我国目前研制的焊接机器人，一般均为五个自由度。国外为了提高工件（特别是大型工件）的焊接生产率，十分重视辅助设备的自动化水平，如配备自动更换喷嘴，供应焊丝，监视电弧和过程异常等功能的机构。早期的焊接机器人缺乏“柔性”，焊接路径和焊接参数须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元（系统）方向发展。1.2.2焊接机器人国内外应用现状最近20年来，现代焊接科学技术的发展十分显著。在世界范围内焊接是一种能产生数万亿美元效益的制造工业，广泛用于建筑、桥梁、汽车、航空航天、能源、造船和电子工业。而越来越多的商业性工业机器人广泛应用于制造业和装配任务，比如材料工艺、点/弧焊、零件装配、油漆喷涂、机械装卸以及太空和海底，从而促进了焊接业的飞速发展。近十年来，日、美、俄、英、法等国都投入了大量的人力、物力从事焊接机器人的开发工作，其中日本焊接机器人的进展速度尤为惊人。日本从1978年开始研制点焊机器人，1980年研制成功第一个弧焊机器人。1981年日本生产了1500个焊接机器人，产值达到了145亿日元，由日本工业机器人的第六位跃居为第二位。目前有10家工厂具有年产1000多个焊接机器人的能力。日本为发展和普及焊接机器人，于1982年成立了全国机器人焊接研究委员会。此外，许多日本大公司，如大阪变压器公司先后在大阪、东京、名古屋等地设立了焊接机器人培训学校。1984年丰田汽车公司已在其作业线上安排了1300个机器人。2000年庆应义塾大学M.Muramatsu等人研制了管内微型焊接机器人，可在90°的弯管内行走完成焊接操作。日本原子能研究中心和东芝公司联合研制出了内管道激光焊接与切割机。台湾国立大学研制了一种用于维修防护金属弧焊视觉传导移动焊接机器人。它装有CCD摄像头，能够检测出焊缝的位置，根据所测数据来指导焊接操作。目前世界上已有七十多种数万个焊接机器人在各种生产线上从事焊接操作。从数量和智能化的程度来看，日本的焊接机器人在世界上占明显优势，并已向美国和英国等国大量出口。预计在未来几年中，日本焊接机器人的产值将迅速增长。我国在20世纪70年代末开始研究焊接机器人，起步比较晚。经过20多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长足的进步，对国民经济的发展起到了积极的推动作用。据不完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过40%，焊接机器人的增长率超过了60%；2004年国产工业机器人数量突破1400台，进口机器人数量超过9000台，其中绝大多数应用于焊接领域；2005年我国新增机器人数量超过了5000台，但是仅占亚洲新增数量的6%，远小于韩国所占的15%，更远小于日本所占的69%。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。1.2.3焊接机器人技术展望为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，发达国家都在加大力度，对机器人技术进行深入研究。从技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机器人技术发展的主要方向。目前焊接机器人正从第一代反复操作型机器人向第二代带有传感器的知觉判断机器人发展，也即由目前的固定式机器人逐渐向具有肌肉一样的调节器、具有感觉和识别机能的双足行走的活动式机器人发展。多传感器信息智能融和技术将广泛应用于焊接机器人上。早在1981年，美国的HILARE是第一个应用多传感器信息来创建世界模型的可移动机器人，它充分利用视觉、听觉、激光测距传感器所获得的信息，以确保其能稳定地工作在未知环境中。韩国的ParkJoong-Jo研制出来的智能传感器能同时处理6个自由度数据，与传统传感器只能测量一个自由度数据的功能相比，性能大为提高。韩国汉阳大学研制出了激光视觉传感器自由焊缝示教式自动焊接机器人。随着海洋石油和天然气工业的发展以及我国海洋工程向深海的挺进,发展水下干法焊接技术势在必行。挪威Sintef高压焊接中心研制了一套水下高压干法管道维修系统，可从事1000m水深的焊接，能焊补直径为8～42英寸的管道，采用全自动的轨道TIG焊机，目前已完成在334m水深的管道焊接。英国的OTTO系统主要由焊接舱和轨道TIG焊机组成，整个系统采用光纤传导和计算机进行监控，在135m水深进行试验，取得了较为满意的焊接质量，焊缝断裂强度达到550Mpa。焊缝跟踪系统焊接机器人发展迅速，越来越多地应用于去毛刺加工、胶合和焊接等。视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、虚拟现实技术、神经网络控制技术、嵌入式控制技术等是未来焊接机器人发展所要解决的一些关键技术。1.3管道外圆自动焊接机的研究现状1.3.1管道外圆自动焊接机国外研究现状管道焊接广泛应用于各个工程领域当中，比如：油气工业、核能与热能工厂和化工厂。管道外圆自动焊接机采用熔化极外圆焊接技术，最早出现于20世纪60年代末期。MIG金属焊丝惰性气体保护焊是美国制造业四十多种焊接中的一种，它是一种连接两个相同材料尤其是碳钢材料经济的方法。美国CRC公司率先研制成功了一种高效管道焊接系统，即CRC多头气保护管道自动焊系统，并于1972年将该项技术应用于管道施工获得成功。起初只是焊接小车带动焊枪行走，焊接参数（焊接电流、电压、焊接速度等）均为手动控制。目前，生产外圆自动焊接设备的除了美国CRC公司外，还有德国VIETZ公司、美国MAGNATECH公司、荷兰VERAWELD公司、英国Noreast公司、法国SERIMERDASA公司、意大利PWT公司等。CRC公司智能化的P-500、P-600型以及SERIMERDASA公司的双枪焊接系统在世界范围内具有很高的技术水平。到目前为止，CRC公司生产了P300，P400，P500和P6004个型号的管道外圆自动焊机。其中P500和P600是双焊炬管道外圆自动外焊机,它采用了水冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和带有熔滴过渡单元(CDT)的脉冲焊接电源，焊接参数可编程并储存在可方便更换的控制卡上，并根据焊接工艺以及焊接材质的变化要求，随时离线编程。P500和P600适用于窄间隙叠焊或宽间隙排焊,还可完成根焊。生产效率比单焊头自动外焊机提高40%～50%。缺点是焊枪采用强迫水冷却，给实际应用带来许多不便。法国SERIMERDASA公司生产的Satur2naxBug双焊头外焊机，采用了风冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和专用的脉冲焊接电源，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元分置，可进行在线编程，可完成根焊、窄间隙叠焊或宽间隙排焊。总体性能与CRC的P500和P600类似。其缺点是双焊头的摆动不能单独控制，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元体积偏大。其中，CRC公司生产的自动焊