管道自動焊接裝置設(shè)計

前言洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE1管道自動焊接裝置設(shè)計摘要【隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)技術(shù)的進步，長輸管道的應(yīng)用越來越多、建設(shè)量越來越大，管道運輸是油氣運輸中最主要、最快捷、最可靠的運輸方式，可用于輸送水、原油、天然氣等液氣品，具有運輸量大、距離遠、安全性能高、成本低等優(yōu)點，因此在各國發(fā)展迅速。管道運輸業(yè)中的主體是管道，管道工程的核心工作是管道接口的焊接。所以研究性能可靠、高效率的管道全位置自動焊接機具有十分重要的意義。關(guān)鍵技術(shù)包括：研制新型的行走機構(gòu)、及機器人軌道、焊槍擺動機構(gòu)、焊槍機械手。本文主要介紹了行星輪式焊接機結(jié)構(gòu)的設(shè)計，著重對其結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計要點、動作原理進行設(shè)計分析和說明。焊槍機械手能夠沿太陽輪平穩(wěn)、可靠的轉(zhuǎn)動，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，既能提高了勞動效率，又保證了焊接質(zhì)量。】關(guān)鍵詞：管道，焊接機械手，自動焊接，行星輪，二氧化碳保護焊DesignofpipelineautomaticweldingequipmentABSTRACT【withChina'ssocialandeconomicdevelopmentandthetechnologyprogress,thepipelineisusedmoreandmore,thegreatertheconstructionquantityisgetting,pipelinetransportationistransportationofoilandgasinthemain,thequickest,themostreliablemeansoftransportation,usedtotransportwater,crudeoil,naturalgas,liquidgas,withtransportcapacity,longdistance,highsafetyperformance,lowcostandotheradvantages,sorapidlyindevelopingcountries.Subjectofpipelinetransportationofpipeline,pipelineengineeringisthecoreworkispipelineinterfaceofwelding.Sotheresearchofreliableperformance,highefficiencyofpipelineallpositionautomaticweldingmachinehastheveryimportantsignificance.Keytechnologiesinclude:thedevelopmentmodelofthewalkingmechanism,andtherobottrack,weldinggunswingmechanism,weldingmanipulator.Thispapermainlyintroducestheplanetarywheelweldingmachinestructuredesign,emphaticallyonthestructuralcharacteristics,designessentials,actionprincipledesignanalysisandexplanation.Weldinggunmanipulatorcanalongthesunwheelsteady,reliablerotation,outsidethepipelineallpositionwelding,theutilitymodelhastheadvantagesofsimpleoperation,lowcost,suitableforfieldworkandworkersinourcountry'stechnologylevel,bothcanimprovetheworkefficiency,andensuretheweldingquality.】KEYWORDS:pipe,weldingmanipulator,automaticwelding,planetarygear,carbondioxidearcwelding目錄17773前言 112688第1章自動焊接機的應(yīng)用與發(fā)展 2189961.1課題背景及研究意義 2158241.2管道外圓自動焊接機國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 2277331.2.1管道外圓自動焊接機國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2161081.2.2管道外圓自動焊接機國外研究現(xiàn)狀 3322931.3管道外圓自動焊接機的發(fā)展及應(yīng)用 4264131.3.1焊接機器人的發(fā)展歷程 453571.3.2焊接機器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 5313171.3.3焊接機器人技術(shù)展望 617049第2章管道自動焊接裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 8294462.1自動焊接機總體要求和技術(shù)指標 8117802.2自動焊接機總體方案的確定 883012.3管道自動焊接裝置設(shè)計的基本思路 916562.4焊絲送進機構(gòu) 9261642.5焊槍擺動機構(gòu) 10297862.6行星輪行走機構(gòu) 10227882.6.1行星輪系類型的選擇 10307552.6.2行星輪系中各齒輪齒數(shù)的選擇 1110572.6.3各輪的轉(zhuǎn)速 1229190第3章傳動裝置的設(shè)計 13186653.1電動機的選擇 1381893.1.1電動機類型的選擇 1338963.1.2電動機功率的選擇 1333493.1.3確定電動機的轉(zhuǎn)速 13302083.2計算總傳動比及分配各級的傳動比 1410663.2.1總傳動比 14280583.2.2分配各級傳動比 14269963.3軸的計算 14126933.3.1電動機軸的計算 14147423.3.2軸的計算 1415553.3.3Ⅱ軸的計算 1587203.3.4Ⅲ軸的計算 15319843.3.5Ⅳ軸的計算 1615933.4V帶的計算 16269563.4.1確定計算功率 1674833.4.2選擇V帶的型號 1672103.4.3確定帶輪的基準直徑、 17308743.4.4驗算V帶的速度 1769783.4.5確定V帶的基準長度和實際中心距a 17823.4.6校驗小帶輪包角 18192633.4.7確定V帶根數(shù)Z 1862903.4.8求初拉力及帶輪軸的壓力 1843423.4.9設(shè)計結(jié)果 1916923.5減速器齒輪傳動的設(shè)計計算 19187873.5.1高速級圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算 1954593.5.2低速級圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算 20139273.6軸的設(shè)計 21162463.6.1選擇軸的材料及熱處理 21119303.6.2按鈕轉(zhuǎn)強度估算直徑 2152883.6.3設(shè)計軸的直徑 214285第4章零部件的設(shè)計 22306374.1滾動軸承的選擇 22162594.1.1鍵的選擇 2219194.1.2聯(lián)軸器的選擇 2220679第5章保養(yǎng)方式 23210365.1潤滑油的選擇 23131725.2密封方法的選取 23101485.3齒輪的潤滑 23270475.4滾動軸承的潤滑 2321463結(jié)論 258396謝辭 26719參考文獻 27前言【隨著綜合技術(shù)的發(fā)展和提高，長輸管道自動焊技術(shù)的應(yīng)用必將日益普及。這對于提高我國管道施工企業(yè)的總體技術(shù)水平，實現(xiàn)與世界管道建設(shè)的接軌，參與國際管道建設(shè)市場的競爭有著十分重要的積極作用。目前西氣東輸工程是我國首次規(guī)模化使用自動焊技術(shù)，并充分顯示先進技術(shù)優(yōu)越性的示范工程。通過這一跨世紀宏偉工程的洗禮，管道自動焊技術(shù)已為大多數(shù)的施工單位所接受，必將在今后的管線工程中得到更為廣泛地應(yīng)用，發(fā)揮更大的作用。介紹了國內(nèi)外長輸管道焊接施工中常用的幾種自動焊接方式,并對其進行了比較。在我國西氣東輸工程中,管道焊接施工也使用了自動焊,由此可以看出。隨著自動焊接技術(shù)的進一步發(fā)展和完善,自動焊將會成為管道焊接施工的主要方式。目前，長輸管道施工管口焊接有多種焊接方法，主要有上向焊、下向焊、手工半自動焊、氣體保護焊、全自動焊、擠壓電阻焊等。隨著對焊接質(zhì)量及焊接效率要求的提高，國外開始越來越多地采用自動焊接工藝。指出應(yīng)該將自動焊作業(yè)及其上下游的相關(guān)工作作為一個技術(shù)體系統(tǒng)一協(xié)調(diào)與管理，并在該技術(shù)體系內(nèi)追求各專業(yè)的技術(shù)進步及相關(guān)管理人員專業(yè)知識的提升。隨著管道建設(shè)用鋼管強度等級的不斷提高，以及管徑和壁厚的不斷增大，管道自動焊接頭的綜合性能更優(yōu)良，安全可靠性更高，其應(yīng)用范圍將會越來越廣泛。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。】第1章標題第1章自動焊接機的應(yīng)用與發(fā)展1.1課題背景及研究意義現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷對焊接技術(shù)提出更新更高層次的要求，而現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)取得的新成就又為焊接方式和焊接設(shè)備的發(fā)展提供了雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。焊接設(shè)備和焊接工藝就是在科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的推動下迅速發(fā)展起來的。而管道運輸是油氣運輸中最主要的也是最經(jīng)濟、快捷、可靠的運輸方式，也可用于輸送水、天然氣、原油、成品油等，具有輸送量大、距離遠、安全性高、成本低等優(yōu)點，在各國油氣運輸業(yè)中發(fā)展迅速。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，國外一些發(fā)達國家油氣運輸業(yè)中管道運輸方式的輸油量約占油氣運輸總量的2/3之多，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方式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大口徑、高壓方向發(fā)展，這對管道環(huán)焊縫的焊接要求提出了更高的標準，管道環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量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)境非常惡劣，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)管道的自動化焊接要求，以提高生產(chǎn)率、降低勞動強度、保證焊接質(zhì)量和施工成本。而且自動化焊接還能大幅度降低操作技術(shù)難度，解決焊工技術(shù)培養(yǎng)困難，人員流失嚴重等問題。本設(shè)計的目的是針對管道建設(shè)野外作業(yè)的管道外圓自動焊接機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計以達到重量輕、體積小、加工成本低、運動精度高、操作簡便快捷并且滿足各項性能指標的要求。1.2管道外圓自動焊接機國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀1.2.1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、石化和石油中均起到了重要性的作用。我國管道建設(shè)起始于20世紀70年代，管道焊接施工方式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的功能，這就需要操作者必須時刻觀察焊接位置并調(diào)整焊槍角度。如果操縱者操作方法不正確就會導(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。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)典型的管道自動焊接機在引進國外先進的自動焊接機經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，國內(nèi)一些單位也成功地研制開發(fā)出適用長輸管道環(huán)焊縫施工的外圓自動焊接機，其中以中國天然氣集團公司工程技術(shù)研究院研制的石油管道特種施工機具研究所研制的PAW2000管道外圓自動焊機和APW-Ⅱ型外圓自動焊機為代表。APW-Ⅱ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)如電壓、電流、焊槍擺動速度、擺動幅度、焊速、兩端停留時間等既可以預(yù)先設(shè)定又可以分別實時調(diào)節(jié)。焊機的這一特點，使之更加適用長輸管線現(xiàn)場施工的復(fù)雜情況，在坡口存在錯邊、寬窄不一等工作情況下，通過實時調(diào)節(jié)，均可獲得優(yōu)良的焊接焊縫。PAW2000管道外圓自動焊機整套設(shè)備由焊接小車、手操作盒、計算機自動控制柜、環(huán)形可拆卸軌道、計算機和其他一些輔助配件組成。APW-Ⅱ型外圓自動焊機，主要用于中大口徑管道外環(huán)填充焊道、焊縫熱焊道、蓋面焊道的焊接。每臺焊接工程車均具有根焊、熱焊、填充焊和蓋面焊的功能。1.2.2管道外圓自動焊接機國外研究現(xiàn)狀管道焊接機廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域當(dāng)中，比如：油氣工業(yè)、化工廠與熱能工廠和核能。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(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)（焊接電壓、電流、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CRC公司外，還有美國MAGNATECH公司、德國VIETZ公司、荷蘭VERAWELD公司、法國SERIMERDASA公司、英國Noreast公司、意大利PWT公司等。CRC公司智能化的P-500、P-600型以及SERIMERDASA公司的雙槍焊接系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)具有很高的技術(shù)水平。法國SERIMERDASA公司生產(chǎn)的Satur2naxBug雙焊頭外焊機，采用了風(fēng)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?？傮w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。到目前為止，CRC公司生產(chǎn)了P300，P400，P500和P6004個型號的管道外圓自動焊接機。其中P500和P600是雙焊炬管道外圓自動外焊接機,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(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，給實際應(yīng)用帶來許多不便。其中，CRC公司生產(chǎn)的自動焊接機已焊接了長達50000km的管道。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。1.3管道外圓自動焊接機的發(fā)展及應(yīng)用1.3.1焊接機器人的發(fā)展歷程自1959年美國推出世界上第一臺Ultimate型機器人以來，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、拾取搬運、變薄拉伸、噴涂、裝配、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。弧焊機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。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。1.3.2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(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1978年開始研制點焊機器人，1980年研制成功第一個弧焊機器人。1981年日本生產(chǎn)了1500個焊接機器人，產(chǎn)值達到了145億日元，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)1000多個焊接機器人的能力。日本為發(fā)展和普及焊接機器人，于1982年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(xùn)學(xué)校。1984年豐田汽車公司已在其作業(yè)線上安排了1300個機器人。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(xué)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。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%；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(yīng)用于焊接領(lǐng)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(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)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。1.3.3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1981年，美國的HILARE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ParkJoong-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(xué)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8～42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(dǎo)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)。REF_Ref168484390\r\h錯誤！未找到引用源。REF_Ref168484424\h錯誤！未找到引用源。PAGE6PAGE4第2章管道自動焊接裝置總體結(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把管道相對固定的情況下，借助于電氣、機械的方法，使焊接設(shè)備帶動焊槍沿焊縫環(huán)繞管壁做圓周運動，從而實現(xiàn)管道自動焊接。自動焊接機能夠?qū)崿F(xiàn)立焊、平焊、仰焊和橫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，效率高、性能好、成本低、重量輕，在預(yù)定使用期限內(nèi)安全可靠、維修簡單、操作方便和造型美觀等。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：行走機構(gòu)速度范圍：200mm/min～2000mm/min；調(diào)整精度：設(shè)定值的±1%或±20mm/min中的最大值；橫向模塊調(diào)整速度：30～300mm/min；調(diào)整遞增量：10mm/min；（5）高度模塊調(diào)整速度：20～180mm/min；（6）送絲機構(gòu)速度范圍：5000～15000mm/min；（7）夾角模塊調(diào)整速度：±0.25～500°/s；（8）傾角模塊調(diào)整速度：±5～45°/s；（9）機械行程：橫向模塊100mm；（10）高度模塊100mm，并設(shè)有＞60mm的手動調(diào)整范圍；（11）傾角模塊±90°；（12）夾角模塊±0.5～30°；2.2自動焊接機總體方案的確定管道全位置自動焊接機是由微機智能控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成，管道全位置自動焊接機的執(zhí)行系統(tǒng)是機械系統(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，所以要求設(shè)計的自動焊接機滿足重量輕、操作簡單、體積小、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，包括焊接機械手和行星軌道兩部分，其中焊接機械手包括以下模塊：轉(zhuǎn)動機構(gòu)、橫向調(diào)整機構(gòu)、焊槍擺動機構(gòu)、傾角調(diào)整機構(gòu)、高度調(diào)整機構(gòu)、送絲機構(gòu)。焊接機械手通過夾緊機構(gòu)安裝在中心輪軌道上，帶動焊槍沿管壁外徑作圓周運動，機械手的擺動機構(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機械手，并與焊接機械手絕緣，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管道自動焊接裝置設(shè)計的基本思路管道自動焊接裝置的設(shè)計采用以下基本思路:①焊槍: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:焊槍機械手依靠中心輪導(dǎo)向軌道實現(xiàn)機械手自動行走。安裝簡便易行，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。2.4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)。該機構(gòu)主要由壓緊機構(gòu)、送絲電機、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，以防在焊接過程中出現(xiàn)卡絲現(xiàn)象。焊絲送進機構(gòu)如圖2-1所示。根據(jù)焊接工藝要求，一般送絲速度v=12．5m／min；初步選送絲電機輸入轉(zhuǎn)速；額定功率P=11kW；實際送絲速度=9390r／min+[53÷(π×20mm)]≈11132mm／min≈11．1m／min。圖2-1焊絲送進結(jié)構(gòu)示意2.5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±25mm，則確定滑塊的有效行程為60mm。2.6行星輪行走機構(gòu)2.6.1行星輪系類型的選擇行星輪系的類型很多，常用的行星輪系有2K-H,3K,K-H-V三種類型。因需要滿足機械手臂的轉(zhuǎn)動效果，所以選擇2K-H類型行星輪系。2.6.2行星輪系中各齒輪齒數(shù)的選擇行星輪系的類型確定以后，尚須確定各輪的齒數(shù)。根據(jù)行星輪的傳動特點及各齒輪間的裝配關(guān)系，在選擇各齒輪齒數(shù)時，必須同時滿足四個條件，即傳動比條件，同心條件，裝配條件及鄰接條件。傳動比條件各輪齒數(shù)應(yīng)滿足預(yù)定的傳動比要求。同心條件中心輪1、3及行星架H三軸必須重合。對標準齒輪或高度變位齒輪傳動，則必須使用輪1和輪2的中心距（）等于輪2和輪3的中心距（），即上式表明，兩中心輪的齒數(shù)差應(yīng)為2的整數(shù)倍，因為應(yīng)為整數(shù)。(3）裝配條件為使行星輪系在運轉(zhuǎn)時平衡，常要求采用兩個或兩個以上的行星輪，并使它們沿其軸心所在的圓周上均勻分布。本設(shè)計裝置采用3個行星輪間隔120°擺放。（4）鄰接條件除上述條件外，相鄰兩行星輪的齒頂圓不能相交，相鄰兩行星輪的中心距應(yīng)大于兩行星輪齒頂圓半徑之和，即將、、代入上式得得為便于設(shè)計時選擇各輪的齒數(shù)，可上式和為一個配輪關(guān)系式，即設(shè)計時，通常先選擇和k，選擇時應(yīng)使和q均為整數(shù)。若為標準齒輪，各齒輪齒數(shù)一般應(yīng)大于或等于17。選定，k=2，m=1則：2.6.3各輪的轉(zhuǎn)速經(jīng)查詢資料可知，焊絲的溶解速率為700mm/min。有以上列式可求的中心輪1為靜止輪=0。第3章REF_Ref168484495\h錯誤！未找到引用源。洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）PAGE6第3章傳動裝置的設(shè)計3.1電動機的選擇3.1.1電動機類型的選擇按已知的工作要求和條件，選用Y型全封閉籠型三相異步電動機。3.1.2電動機功率的選擇……由電動機的至工作機之間的總效率為。分別為帶的傳動、齒輪傳動的軸承、齒輪傳動、齒輪傳動聯(lián)軸器、傳動軸的軸承、行星輪的效率。則=0.96×0.993×0.972×0.97×0.98×0.96=0.82=2500×1.7／1000×0.82=5.2kw3.1.3確定電動機的轉(zhuǎn)速行星輪的工作轉(zhuǎn)速為傳動輪轉(zhuǎn)速取V帶傳動比。齒輪傳動比。則總傳動比為故電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍=16.160×1.68r/min=﹙27.1488﹚r/min符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有750r/min，再根據(jù)計算出的容量，由參考文獻設(shè)計手冊查得Y160M2-8符合條件。型號額定功率同步轉(zhuǎn)速實際轉(zhuǎn)速Y160M2-85.5kw750r/min720r/min3.2計算總傳動比及分配各級的傳動比3.2.1總傳動比……=720/1.68=428.573.2.2分配各級傳動比為V帶傳動的傳動比的范圍（2~4）=2.5為減速器高速級傳動比為低速級傳動比為聯(lián)軸器連接的兩軸間的傳動比=1==428.57/2.5=171.428=()/2=111.428=1.5383.3軸的計算3.3.1電動機軸的計算=720r/min==5.5kw＝9550×＝9550×=72.95N.m3.3.2軸的計算=720/2.5=288r/min＝5.5×0.96＝5.28kw＝9550×＝175.08N.m3.3.3Ⅱ軸的計算==258.5r／min=5.28×0.992×0.97=5.08kw＝9550×＝144.57N.m3.3.4Ⅲ軸的計算=2.585/1.538＝108.11r／min＝5.08×0.99×0.97×0.97＝4.73kw＝9550×＝417.83N.m3.3.5Ⅳ軸的計算＝108.11r/min＝4.73×0.98×0.96＝4.45kw＝9550×＝393.09N.m3.4V帶的計算3.4.1確定計算功率kw3.4.2選擇V帶的型號由的值和主動輪轉(zhuǎn)速，可選A型普通V帶。3.4.3確定帶輪的基準直徑、查詢設(shè)計手冊可選取＝80mm，且＝80mm＞dmin＝75mm大帶輪基準直徑為＝×=720×＝200mm按設(shè)計手冊可選取標準值＝200mm則實際傳動比i＝/＝200/80＝2.5主動輪的轉(zhuǎn)速誤差率在±5％內(nèi)為允許值。3.4.4驗算V帶的速度V＝Π××＝12.14m/s在5~25m/s范圍內(nèi)。3.4.5確定V帶的基準長度和實際中心距a按結(jié)構(gòu)設(shè)計要求初定中心距a0=500mm＝＋∏﹙＋﹚/2＋﹙－﹚2/＝1000＋∏×280/2＋1602/2000=1446.8mm由設(shè)計手冊可選取基準長度＝1400mm，實際中心距a為a＝＋﹙－﹚/2＝1000+﹙1400－1446.8﹚/2＝476.6mm3.4.6校驗小帶輪包角α＝[180°－﹙－﹚/a]×57.3°＝[180°－﹙200－80﹚/476.6]×57.3°＝165.6°＞120°所以合格。3.4.7確定V帶根數(shù)ZZ≥＝/﹙＋Δ）××＝[1.22＋﹙1.29－1.22﹚×﹙2900－2800﹚/﹙3200－2800﹚]＝1.24kwΔ＝××﹙1－﹚＝0.0010275×2900×﹙1－1/1.1373﹚＝0.3573kw＝0.96＝0.97Z＝6.05/﹙1.24＋0.3573﹚×0.97×0.96＝4.06圓整得Z=43.4.8求初拉力及帶輪軸的壓力由設(shè)計手冊查得q＝0.1kg/m＝500××V＋＝113N軸上壓力為＝2×F×z×sin165.6/2＝2×113×4×sin165.6/2＝894.93N3.4.9設(shè)計結(jié)果選用4根A－1400GB/T11544－1997的V帶，中心距476.6mm，軸上壓力894.93N，帶輪直徑80mm和200mm。3.5減速器齒輪傳動的設(shè)計計算3.5.1高速級圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算1、選擇齒輪材料及精度等級小齒輪選用45號鋼調(diào)質(zhì),硬度為220~250HBS。大齒輪選用45號鋼正火，硬度為170~210HBS。因為是普通減速器故選用9級精度，要求齒面粗糙度Ra≦3.2~6.3μm。按齒面接觸疲勞強度設(shè)計T1=41.1N·m=41100N·mm由設(shè)計手冊查得K=1.1選擇齒輪齒數(shù)為；小齒輪的齒數(shù)取25，則大齒輪齒數(shù)==92.5。圓整得=93，齒面為軟齒面，由設(shè)計手冊選取=1。由設(shè)計手冊查得=560MPa=530MPa由設(shè)計手冊查得=1=60njLh=60×1160×1×(10×300×16)＝3.34×109=/=3.34×109/3.7=9.08×108查設(shè)計手冊知=0.9，=1=×/＝0.9×560／1=504MPa=×/＝1×530／1=530MPa故≧76.43×[(i2＋1)/××]1/3=76.43×[1.1×41100×﹙3.7＋1﹚／1×3.7×5042]1/3=46.62mmm=/=46.62/25=1.86由設(shè)計手冊可知，標準模數(shù)m=2。計算主要尺寸=m*=2×25=50mm=m*=2×93=186mmb==1×50=50mm小齒輪的齒寬取=50mm，大齒輪的齒寬取=55mma=m﹙＋﹚/2=2×（25＋93/2）=118mm3.5.2低速級圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算1、選擇齒輪材料及精度等級小齒輪選用45號鋼調(diào)質(zhì)，硬度為220~250HBS。大齒輪選用45號鋼正火，硬度為170~210HBS。因為是普通減速器，故選用9級精度，要求齒面粗糙度Ra≦3.2~6.3μm。2、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計=144.57N·m=145000N·mm=313.51r/min由設(shè)計手冊查得K=1.1選擇齒輪齒數(shù)：小齒輪的齒數(shù)取31，則大齒輪齒數(shù)，圓整得=90，齒面為軟齒面，由設(shè)計手冊可選取=1。由設(shè)計手冊查得：=550MPa，=530MPa由設(shè)計手冊查得SH=1=60njLh=60×313.51×1×(10×300×16)＝9.03×108=/=9.03×108／2.9=3.11×108查設(shè)計手冊知：=1，=1.06=×/＝550/1=550MPa=×/＝1.06×530=562MPa故≧76.43×[(＋1)/××]1/3=76.43×[1.1×145000×﹙2.9＋1﹚/1×2.9×5502]1/3=68.02mmm==68.02/31=2.2由設(shè)計手冊可知，標準模數(shù)m=2.53、計算主要尺寸=m*=2.5×31=77.5mm=m*=2.5×90=225mmb==1×77.5=77.5mm大齒輪的齒寬取=80mm，小齒輪的齒寬取，=85mma=m﹙＋﹚/2=2×﹙31＋90)/2=151.25m3.6軸的設(shè)計3.6.1選擇軸的材料及熱處理由已知條件知減速器傳遞的功率屬于小功率，對材料無特殊要求，選用45號鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。3.6.2按鈕轉(zhuǎn)強度估算直徑根據(jù)設(shè)計手冊得C＝107～118=4.75Kw，又由式≧C×≧﹙107～118﹚×﹙4.75/313.51﹚1/3＝26.75～29.5mm由設(shè)計手冊知標準直徑為30mm。3.6.3設(shè)計軸的直徑確定軸上零件的位置及固定方式，此軸安裝2個齒輪，從兩邊安裝齒輪，兩邊用套筒進行軸向定位，軸向定位采用平鍵連接，軸承安裝于齒輪兩側(cè)，軸向采用套筒定位，周向采用過盈配合固定。確定各軸段的直徑，由整體系統(tǒng)初定各軸直徑。軸段1、5安裝軸承，=30mm，軸段2、4安裝齒輪，=35mm，軸段3對兩齒輪軸向定位，=42mm，=35mm，==30mm。確定各軸段的寬度，由軸承確定軸段1的寬度，由設(shè)計手冊查的，選6206標準軸承，寬度為16mm，所以=33mm；軸段2安裝的齒輪輪轂的寬為85mm，取83mm，軸段4安裝的齒輪輪轂的寬為50mm，=48mm。第3章標題PAGE8PAGE7第4章零部件的設(shè)計4.1滾動軸承的選擇表4-1軸承的型號軸型號d（mm）D（mm）B（mm）高速軸6206306216中間軸6206306216低速軸62094585194.1.1鍵的選擇選用A型普通平鍵表4-2鍵的型號軸軸徑（mm）鍵寬（mm）鍵高（mm）鍵長(mm)高速軸206660中間軸35108703510840低速軸4012884561610684.1.2聯(lián)軸器的選擇低速軸和滾筒軸用聯(lián)軸器連接，由題意選LT型彈性柱銷聯(lián)軸器，由設(shè)計手冊查得HL3聯(lián)軸器表4-3聯(lián)軸器的參數(shù)型號公稱扭矩（N·m）許用轉(zhuǎn)速（r／min）軸徑（mm）軸孔長度（mm）D（mm）HL363050004060160REF_Ref168484640\r\h錯誤！未找到引用源。REF_Ref168484646\h錯誤！未找到引用源。PAGE9第5章保養(yǎng)方式5.1潤滑油的選擇采用脂潤滑時，應(yīng)在軸承內(nèi)側(cè)設(shè)置擋油環(huán)或其他內(nèi)部密封裝置，以免油池中的油進入軸承稀釋潤滑脂。滴油潤滑有間歇滴油潤滑和連續(xù)滴油潤滑兩種方式。為保證機器起動時軸承能得到一定量的潤滑油，最好在軸承內(nèi)側(cè)設(shè)置一圓缺形擋板，以便軸承能積存少量的油。擋板高度不超過最低滾珠(柱)的中心。經(jīng)常運轉(zhuǎn)的減速器可以不設(shè)這種擋板。轉(zhuǎn)速很高的軸承需要采用壓力噴油潤滑。如果減速器用的是滑動軸承，由于傳動用油的粘度太高不能在軸承中使用，所以軸承潤滑就需要采用獨自的潤滑系統(tǒng)。這時應(yīng)根據(jù)軸承的受載情況和滑動速度等工作條件選擇合適的潤滑方法和油的粘度。齒輪與軸承用同種潤滑油較為便利，考慮到該裝置用于小型設(shè)備，選用L-AN15潤滑油。5.2密封方法的選取選用凸緣式端蓋易于調(diào)整，采用悶蓋安裝骨架式旋轉(zhuǎn)軸唇型密封圈實現(xiàn)密封。密封圈型號按所裝配軸的直徑確定為（F）B25-42-7-ACM，（F）B70-90-10-ACM。軸承蓋結(jié)構(gòu)尺寸按用其定位的軸承的外徑?jīng)Q定。5.3齒輪的潤滑采用浸油潤滑，由于低速級周向速度低，所以浸油高度約為六分之一大齒輪半徑，取為35mm。5.4滾動軸承的潤滑如果減速器用的是滾動軸承，則軸承的潤滑方法