爬管式管道焊接機設計

爬管式管道焊接機設計,爬管式,管道,焊接,設計 一、選題的依據(jù)： 現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，不斷對焊接技術提出更新更高的要求，現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的新成就又為焊接方法和焊接專用設備的發(fā)展提供了寬廣和雄厚的技術基礎。焊接工藝和焊接設備就是在現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的推動下相輔相成地蓬勃發(fā)展起來的。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，在各國發(fā)展迅速。據(jù)有關統(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2/3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向全自動焊接方向發(fā)展。管道建設地區(qū)跨度大，沿線施工環(huán)境惡劣，加之管道輸送逐步向高壓、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)管道的白動焊接，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，目前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。 本設計的目的是對管道建設野外作業(yè)的管道外圓自動焊接機進行結(jié)構設計，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。 二、 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢： 2.1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、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二代:第一代是基示教再現(xiàn)工作方式的焊接機器人，由十操作簡便，不需要環(huán)境模型，示教時可修正機械結(jié)構帶來的誤差等特點，在焊接生產(chǎn)中得到大量使用;第二代是基一定傳感器信息的離線編程焊接機器人;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氫、氮混合氣體保護。焊接機器人的結(jié)構型式，主要有多關節(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;弧焊機器人以多關節(jié)型居多。弧焊機器人工作機構一般較點焊的復雜，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，十分重視輔助設備的自動化水平，如配備自動更換噴嘴，供應焊絲，監(jiān)視電弧和過程異常等功能的機構。 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)條件預先設置，工作時存在明顯的缺點。隨著計算機控制技術、人工智能技術以及網(wǎng)絡控制技術的發(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。 2. 2焊接機器人國內(nèi)外應用現(xiàn)狀 近20年來，現(xiàn)代焊接科學技術的發(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)機器人廣泛應用制造業(yè)和裝配任務，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}fu促進了焊接業(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、物力從事焊接機器人的開發(fā)工作，其中口本焊接機器人的進展速度尤為驚人。口本從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年口本生產(chǎn)了1500個焊接機器人，產(chǎn)值達到了145億口兀，由口本工業(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?？诒緸榘l(fā)展和普及焊接機器人， 1982年成立了全國機器人焊接研究委員會。此外，許多口本大公司，如大阪變壓器公司先后在大阪、東京、名古屋等地設立了焊接機器人培訓學校。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年慶應義塾大學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?？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。臺灣國立大學研制了一種用十維修防護金屬弧焊視覺傳導移動焊接機器人。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)來指導焊接操作「川。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，口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[f}l。預計在未來幾年中，口本焊接機器人的產(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40 070，焊接機器人的增長率超過了60070; 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)應用十焊接領域;200_5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6 070，遠小十韓國所占的1 _5 070，更遠小十口本所占的69 070。這對十我國的經(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。 當前焊接機器人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，這一切預示著機器人應用及發(fā)展前景空間巨大。 2. 3焊接機器人技術展望 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，智能化抓‘制技術將是焊接機器人技術發(fā)展的主要方}句。目前焊接機器人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)JJ L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十焊接機器人上。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-J。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_5_SOMpa。焊縫跟蹤系統(tǒng)焊接機器人發(fā)展迅速，越來越多地應用十去毛刺加工、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器人發(fā)展所要解決的一些關鍵技術。 2. 4管道外圓自動焊接機的研究現(xiàn)狀 2. 4.1管道外圓自動焊接機國外研究現(xiàn)狀 道焊接廣泛應用十各個工程領域當中，比如:油氣工業(yè)、核能與熱能工廠和化工廠[X20。管道外圓自動焊接機采用熔化極外圓焊接技術，最早出現(xiàn)十20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1972年將該項技術應用十管道施工獲得成功[}2n。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不IIP600 4個型號的管道外圓自動焊機。其中P500和P600是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。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)效率比單焊頭自動外焊機提高4。缺點是焊槍采用強迫水冷卻，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兀和焊車運動控制單兀分置，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兀和焊車運動控制單兀體積偏大。其中，CRC公司生產(chǎn)的自動焊接機已焊接了長達SOOOOkm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。 2. 4.2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性作用。我國管道建設起始十20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自動焊接機就應運生。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- II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，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- II型外圓自動焊機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。 三、 研究內(nèi)容及實驗方法： a) 設計可以帶動焊槍移動和轉(zhuǎn)動的焊接機械手. b) 設計可以調(diào)整的圓形軌道，從而焊接不同外徑的圓管。 c) 設計系統(tǒng)的總體結(jié)構，實現(xiàn)沿管道外圓進行旋轉(zhuǎn)焊接的功能。 d) 繪制總體裝配圖和相關的零件圖。 四、 目標、主要特色及工作速度： 1.搜集資料寫開題報告，英文翻譯。 第1周～第2周 2.研究設計方案，進行相關計算。 第3周～第5周 3.設計機械結(jié)構，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.答辯準備及畢業(yè)答辯 第17周 五、 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.球罐外圓焊接機器人智能控制系統(tǒng).焊接學報，2000,21(4):1~4． [4]. 朱進滿．焊接機器人的應用[J]．現(xiàn)代制造，2005，12：42~47． [5]. W.-S Yoo，J.-D. Kim，S.-J. Na．A Study on A Mobile Platform-manipulator Welding System for Horizontal Fillet Joints[J]．Mechatronics，2001，11：853~868． 6