十字架式焊接機(jī)設(shè)計(jì)

十字架式焊接機(jī)設(shè)計(jì),十字,架式,焊接,設(shè)計(jì) ***** 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）說 明 書 題 目 十字架式焊接機(jī)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 系 別 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 2013年 03月 摘 要 近20年來，隨著數(shù)字化，自動(dòng)化，計(jì)算機(jī)，機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)焊接質(zhì)量的高度重視，自動(dòng)焊接已發(fā)展成為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，自動(dòng)焊接設(shè)備在各工業(yè)的應(yīng)用中所發(fā)揮的作用越來越大，應(yīng)用范圍正在迅速擴(kuò)大。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，焊接生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化是焊接機(jī)構(gòu)制造工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢。 十字架式焊接機(jī)是對(duì)大型壓力容器焊接的設(shè)備，能進(jìn)行壓力容器內(nèi)外焊縫的自動(dòng)焊接，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)，基本代替人工作業(yè)，對(duì)不同直徑規(guī)格壓力容器內(nèi)外縱縫和內(nèi)外環(huán)縫進(jìn)行自動(dòng)焊接。本課題所設(shè)計(jì)的十字架式焊接機(jī)由升降架、臺(tái)車、液壓和電氣控制系統(tǒng)組成，并介紹了升降機(jī)構(gòu)的原理，完成對(duì)焊接機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。 關(guān)鍵詞：焊接機(jī)，升降機(jī)構(gòu)，液壓控制 Abstract Nearly 20 years, with the digitization, automation, computer, mechanical design technology development, as well as on the quality of welding attaches great importance to automatic welding has developed into an advanced manufacturing technology, automatic welding equipment in various industrial applications.The growing role, the range of applications is expanding rapidly. In modern industrial production, welding mechanization and automation of the production process is the inevitable trend of development of the welding organization to produce industrial modernization. Cross-welding machine is a large pressure vessel welding equipment, inside and outside the pressure vessel weld automatic welding, semi-automatic and basic instead of manual operation, automatic welding girth of different diameter specifications inside and outside the pressure vessel longitudinal seam and the inside and outside. This subject cross-welding machine by lifting frame, trolley, hydraulic and electric control systems, and introduced the principle of the lifting mechanism, complete the calculation of the overall structure of the design of the welding machine. Keywords: welding machine, lifting mechanism, hydraulic control 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 5 1.1 課題背景及研究意義 5 1.2 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 5 1.2.1 焊接機(jī)器人的發(fā)展歷程 5 1.2.2 焊接機(jī)器人國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀 6 1.2.3 焊接機(jī)器人技術(shù)展望 8 1.3 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)的研究現(xiàn)狀 9 1.3.1 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)國外研究現(xiàn)狀 9 1.3.2 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)國內(nèi)研究現(xiàn)狀 10 2.十字架式自動(dòng)焊接機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 2.1 焊接機(jī)總體要求和技術(shù)指標(biāo) 11 2.2 自動(dòng)焊接機(jī)總體方案的確定 11 2.3 十字架式自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)基本思路 12 2.4 橫梁運(yùn)行機(jī)構(gòu) 12 2.4.1 基本工作原理 12 2.4.2 行走機(jī)構(gòu)車體設(shè)計(jì)要點(diǎn) 13 2.4.3 行走機(jī)構(gòu)滾動(dòng)組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 13 2.5 焊絲送進(jìn)機(jī)構(gòu) 14 2.6 焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 14 2.7 焊接軌道 15 2.8 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 2.8.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 16 2.9十字架式焊接機(jī)總體設(shè)計(jì)圖 17 第3章 十字架式焊接機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 3.1升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 3.2橫梁行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 3.3機(jī)架的設(shè)計(jì) 19 第4章 十字架式焊接機(jī)電控部分設(shè)計(jì) 20 參考文獻(xiàn) 21 致 謝 22 23 第1章 緒論 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(duì)焊接技術(shù)提出更新更高的要求，而現(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。而壓力容器是油氣存儲(chǔ)中最主要的也是快捷、經(jīng)濟(jì)、可靠的方式，可用于存儲(chǔ)水、原油、天然氣、成品油等，具有存儲(chǔ)量大、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)國家油氣壓力容器存儲(chǔ)方式約占油氣存儲(chǔ)總量的1/3 之多，油氣的壓力容器存儲(chǔ)對(duì)原油、天然氣的儲(chǔ)存到用戶的全過程起到了重要作用。 目前壓力容器施工已逐漸從手工焊接向全自動(dòng)焊接方向發(fā)展。壓力容器建造體積大，彎度大，加之壓力容器逐步向高壓、大體積方向發(fā)展，這對(duì)壓力容器環(huán)焊縫的焊接提出了更高的要求，壓力容器環(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)壓力容器的自動(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，而且自動(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)壓力容器建造野外作業(yè)的壓力容器外圓自動(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。 1.2 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用 1.2.1 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)器人大致可分為三代：第一代是基于示教再現(xiàn)工作方式的焊接機(jī)器人，由于操作簡便，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；第二代是基于一定傳感器信息的離線編程焊接機(jī)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(jī)器人。焊接機(jī)器人主要從事弧焊和點(diǎn)焊工作。弧焊機(jī)器人大多采用二氧化碳或二氧化碳與氬、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)。 早期的焊接機(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。 1.2.2 焊接機(jī)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(jī)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(diǎn)/弧焊、零件裝配、油漆噴涂、機(jī)械裝卸以及太空和海底，從而促進(jìn)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(jī)器人的開發(fā)工作，其中日本焊接機(jī)器人的進(jìn)展速度尤為驚人。 日本從1978 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年日本生產(chǎn)了1500 個(gè)焊接機(jī)器人，產(chǎn)值達(dá)到了145 億日元，由日本工業(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。日本為發(fā)展和普及焊接機(jī)器人，于1982 年成立了全國機(jī)器人焊接研究委員會(huì)。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(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。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(jī)。臺(tái)灣國立大學(xué)研制了一種用于維修防護(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。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，日本的焊接機(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。預(yù)計(jì)在未來幾年中，日本焊接機(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%，焊接機(jī)器人的增長率超過了60%；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)用于焊接領(lǐng)域；2005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%，遠(yuǎn)小于韓國所占的15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的69%。這對(duì)于我國的經(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。 1.2.3 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，智能化控制技術(shù)將是焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。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)器人逐漸向具有肌肉一樣的調(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)用于焊接機(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-Jo 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550Mpa。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(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)。 1.3 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)的研究現(xiàn)狀 1.3.1 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)國外研究現(xiàn)狀 十字架式焊接廣泛應(yīng)用于各個(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。十字架式自動(dòng)焊接機(jī)采用熔化極外圓焊接技術(shù)，最早出現(xiàn)于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)，并于1972 年將該項(xiàng)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(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 和P600 4 個(gè)型號(hào)的十字架式自動(dòng)焊機(jī)。其中P500 和P600 是雙焊炬十字架式自動(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)和帶有熔滴過渡單元(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。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(dòng)外焊機(jī)提高40%～50%。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)焊接編程控制單元和焊車運(yùn)動(dòng)控制單元分置，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?？傮w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)焊接編程控制單元和焊車運(yùn)動(dòng)控制單元體積偏大。其中，CRC 公司生產(chǎn)的自動(dòng)焊接機(jī)已焊接了長達(dá)50000km 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。 1.3.2 十字架式自動(dòng)焊接機(jī)國內(nèi)研究現(xiàn)狀 近年來，工業(yè)壓力容器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。我國壓力容器建設(shè)起始于20 世紀(jì)70 年代，壓力容器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)而生。雖然我國壓力容器事業(yè)發(fā)展較快，但具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的十字架式自動(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，在十字架式自動(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 十字架式自動(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。 2.十字架式自動(dòng)焊接機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 焊接機(jī)總體要求和技術(shù)指標(biāo) 容器全位置自動(dòng)焊接就是在容器相對(duì)固定的情況下，借助于機(jī)械、電氣的方法，使焊接設(shè)備帶動(dòng)焊槍沿焊縫環(huán)繞管壁運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。自動(dòng)焊接機(jī)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(shè)計(jì)本自動(dòng)焊接機(jī)應(yīng)滿足的基本要求是：在滿足預(yù)期功能的前提下，性能好、效率高、重量輕、成本低，在預(yù)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。管道全位置自動(dòng)焊接機(jī)既要求結(jié)構(gòu)緊湊，又要求控制準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)焊接是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的高度集成。本自動(dòng)焊接機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下： （1）行走機(jī)構(gòu)速度范圍：200mm/min～2000mm/min；調(diào)整遞增量：10mm/min；調(diào)整精度：設(shè)定值的±1%或±20mm/min 中的最大值； （2）橫梁垂直提升速度：40mm/s； （3）高度模塊調(diào)整速度：20～180mm/min； （4）送絲機(jī)構(gòu)速度范圍：5000～15000mm/min； （5）機(jī)械行程：橫向模塊6m；高度模塊4m， 2.2 自動(dòng)焊接機(jī)總體方案的確定 壓力容器全位置自動(dòng)焊接機(jī)是由機(jī)械系統(tǒng)和微機(jī)智能控制系統(tǒng)組成，機(jī)械系統(tǒng)是壓力容器全位置自動(dòng)焊接機(jī)的執(zhí)行系統(tǒng)。壓力容器焊接工程現(xiàn)場施工都在野外作業(yè)，而且環(huán)境相對(duì)比較惡劣，一般施工周期也比較長，為了滿足現(xiàn)場要求，達(dá)到焊接質(zhì)量和提高勞動(dòng)效率，本設(shè)計(jì)自動(dòng)焊接機(jī)要求重量輕、體積小、操作簡單、安裝調(diào)試和維護(hù)方便，故本管道全位置自動(dòng)焊接機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，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(jī)構(gòu)、橫向調(diào)整機(jī)構(gòu)、高度調(diào)整機(jī)構(gòu)、傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)、焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)。焊接小車通過夾緊機(jī)構(gòu)安裝在焊接軌道上，帶動(dòng)焊槍沿管壁外徑作圓周運(yùn)動(dòng)，小車上的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向與高度調(diào)整機(jī)構(gòu)用以實(shí)現(xiàn)焊槍的橫向擺動(dòng)跟蹤和上下移動(dòng)。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(jī)主要部件采用強(qiáng)度高、重量輕的鋁合金2A16 加工而成，從而使整機(jī)重量輕并滿足強(qiáng)度要求。 2.3 十字架式自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)基本思路 十字架式自動(dòng)焊機(jī)的設(shè)計(jì)采用以下基本思路: ①焊接橫梁:焊接橫梁帶動(dòng)焊槍自動(dòng)行走，于其上可實(shí)現(xiàn)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:焊接橫梁依靠導(dǎo)向軌道實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走。軌道裝拆簡便易行，安裝時(shí)定位準(zhǔn)確。 ③焊接機(jī)械手:焊接機(jī)械手夾持焊槍實(shí)現(xiàn)焊接。拆裝方便，穩(wěn)定性好。 2.4 橫梁運(yùn)行機(jī)構(gòu) 2.4.1 基本工作原理 行走機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動(dòng)方式。由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主齒輪旋轉(zhuǎn)，再通過介輪與導(dǎo)軌上的齒嚙合，導(dǎo)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(dòng)行走。為了確保行走小車在導(dǎo)軌上行走時(shí)，始終與導(dǎo)軌端面平行，將其滾輪接觸面軸向尺寸設(shè)計(jì)為與導(dǎo)軌上接觸面寬度尺寸相同，并為間隙配合方式。這樣一旦導(dǎo)軌與待焊管道的坡口位置確定，行走小車也相對(duì)坡口位置固定。 夾緊機(jī)構(gòu)用以使行走小車與導(dǎo)軌動(dòng)態(tài)連接布一起。如圖1 所示，夾緊機(jī)構(gòu)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(gè)組件，用緊定螺釘通過擋板塊頂住滑塊，從而使滑塊帶動(dòng)壓緊輪做軸向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使它與導(dǎo)軌端面的內(nèi)錐面始終處于壓緊狀態(tài)。 2.4.2 行走機(jī)構(gòu)車體設(shè)計(jì)要點(diǎn) 小車有前、后兩套滾輪在導(dǎo)軌上同時(shí)滾動(dòng)，假設(shè)后面一套滾輪是與導(dǎo)軌緊密接觸的，那么前面一套滾輪就有可能離開導(dǎo)軌滾動(dòng)面(因?yàn)槿c(diǎn)確定一個(gè)平面)，基于這點(diǎn)分析，安裝前輪部分的車體設(shè)計(jì)為活動(dòng)車體，。當(dāng)前輪確實(shí)沒有與導(dǎo)軌滾動(dòng)面接觸時(shí)，可以調(diào)整前輪部分的活動(dòng)車體，從而使前、后輪都接觸良好，既保證齒輪間隙，又滿足設(shè)計(jì)要求。 2.4.3 行走機(jī)構(gòu)滾動(dòng)組件的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 為便于裝配，小車行走機(jī)構(gòu)的滾動(dòng)組件采取圖3 所示的結(jié)構(gòu)形式。這樣在組裝時(shí)，可首先將滾輪、滾輪軸、間隔套及一側(cè)軸承裝配成一個(gè)組件，將另一側(cè)軸承饢在車體上，然后，對(duì)準(zhǔn)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(duì)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(dòng)強(qiáng)度；簡化了裝配工藝。 2.5 焊絲送進(jìn)機(jī)構(gòu) 一般可分為兩輪送進(jìn)機(jī)構(gòu)和四輪送進(jìn)機(jī)構(gòu)，由于受整體空間的限制，采用兩輪送絲機(jī)構(gòu)。陔機(jī)構(gòu)主要南送絲電機(jī)、壓緊機(jī)構(gòu)、焊絲導(dǎo)向管等組成。其工作原理為：送絲電機(jī)驅(qū)動(dòng)主送絲輪及其主齒輪旋轉(zhuǎn)， 通過主、從動(dòng)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(jìn)入焊槍的焊絲被修整得比較直，以便在焊接過程中不會(huì)出現(xiàn)卡絲現(xiàn)象。焊絲送進(jìn)機(jī)構(gòu)如圖4 所示。 根據(jù)焊接工藝要求，一般送絲速度v=12．5 m／min； 初步選送絲電機(jī)輸入 轉(zhuǎn)速n1=9 390 r／min；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=n1／n2=n1／v／(πD)=9 390 r／min÷[12 500 mm／min÷(π×20 mm)] ≈47．2 電機(jī)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(shí)際送絲速度 v=n1／i／(πD)=9 390 r ／min+[53÷(π×20 mm) ≈11132 mm／min≈11．1 m／min，滿足使用要求。 2.6 焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 焊槍的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)擺動(dòng)中心傳感器、一個(gè)高速步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)和焊槍夾持機(jī)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(dòng)到兩端時(shí)必須有一定的停留時(shí)間，停留時(shí)間很短(一般為O．5 s)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)帶間歇的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，采用高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，此間歇是由電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理為：將高速步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，由于電機(jī)止口通過機(jī)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(yùn)動(dòng)，焊槍夾持機(jī)構(gòu)與滑塊相連，從而實(shí)現(xiàn)焊槍的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)預(yù)先設(shè)定焊槍的擺幅為±25 mm，則確定滑塊的有效行程為60 mm。 2.7 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(dǎo)向并利用齒輪傳動(dòng)原理使焊接小車運(yùn)動(dòng)。軌道裝卡在管子上，是焊接小車行走和定位的專用機(jī)構(gòu)。因此軌道的結(jié)構(gòu)直接影響到焊接小車行走的平穩(wěn)度和位置度，進(jìn)而也就影響到焊接質(zhì)量，軌道的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足下列要求: (l)裝拆方便，易于定位; (2)結(jié)構(gòu)合理，重量較輕; (3)有一定的強(qiáng)度和硬度，耐磨，耐腐蝕。 目前，國內(nèi)外的軌道設(shè)計(jì)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(duì)剛性軌道而言。剛性軌道定位準(zhǔn)確，裝卡時(shí)變形小，可以確保焊接小車行走平穩(wěn)，焊接時(shí)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(duì)而言沒有剛性軌道高。 焊接小車與軌道的傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、摩擦傳動(dòng)。一般鏈傳動(dòng)由于鏈的抖動(dòng)而造成運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性不好;而摩擦傳動(dòng)不能保證定比傳動(dòng)，容易丟轉(zhuǎn)。這兩種傳動(dòng)均不能滿足要求，所以以使用齒輪傳動(dòng)為宜。 在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可以將軌道上的齒加工成側(cè)齒，這樣相當(dāng)于齒輪齒條傳動(dòng)，還可以將其加工成外齒，軌道就如同一個(gè)直徑較大的固定齒輪?；谏鲜龇治龊蛯?shí)際工程需要，選擇柔性軌道較為適宜，傳動(dòng)方式選擇齒輪齒條(側(cè)齒)傳動(dòng)。這樣，軌道上的側(cè)齒易于加工與安裝，也與行走機(jī)構(gòu)的方案選擇相吻合。以上設(shè)計(jì)均是依據(jù)結(jié)構(gòu)功能作出的。 本研究設(shè)計(jì)的軌道采用分體式環(huán)形軌道，其結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，因此軌道的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量輕；有一定的強(qiáng)度和硬度，耐磨、耐腐蝕。軌道通過對(duì)稱的三個(gè)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(dǎo)軌上，以保證焊圓管同心，又為了適應(yīng)不同的管徑。軌道由兩個(gè)半環(huán)組成，其連接方式如圖5 所示。考慮到兩個(gè)半環(huán)組對(duì)時(shí)定位必須準(zhǔn)確，分別在結(jié)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。 2.8 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 最大行走速度 2400mm/min 平均焊接速度 300mm/min 2.8.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 由于焊接小車的行走齒輪與齒圈嚙合實(shí)際上等效于焊接小車上的行走齒輪 固定不動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)質(zhì)量為15kg 的齒條。那么此時(shí)，當(dāng)量齒圈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法如下:行走齒輪的周長L=πd=80mm，由于減速比為1:100，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，行走齒輪轉(zhuǎn)0.01 圈，其線位移為0.01×80=0.8mm，根據(jù)線位移脈沖當(dāng)量的定義可知，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，齒條前進(jìn)的位移為: 因此焊接小車的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 根據(jù)動(dòng)能定律，換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 而與電機(jī)直聯(lián)的減速器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 因此換到電機(jī)軸上的等數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2.9十字架式焊接機(jī)總體設(shè)計(jì)圖 第3章 十字架式焊接機(jī)升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3.1升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 額定起重量Cp=1.5t，起升速度v=40mm/s，起升高度H=4m 1.定機(jī)構(gòu)的工作級(jí)別 十字架式焊接機(jī)工作級(jí)別根據(jù)使用條件的兩個(gè)重要數(shù)據(jù)——載荷狀態(tài)和利用等級(jí)來劃分，是焊接機(jī)設(shè)計(jì)的依據(jù)，現(xiàn)由設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)和焊接機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況選定三個(gè)參數(shù)如下： 利用等級(jí)T4，載荷情況L2，工作級(jí)別M4 2.計(jì)算滾子鏈最大靜拉力并選擇滾子鏈 總起重量——被起升的載荷，橫梁、橫梁卡座、焊槍機(jī)構(gòu)、焊絲及橫梁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)量的總和。總起重量約1.5t。起升機(jī)構(gòu)以滾子鏈作為執(zhí)行構(gòu)件， 滾子鏈最大靜拉力為: （3.1） Q——起升載荷（N），， ——總起升質(zhì)量，即總起重量（kg） ——機(jī)構(gòu)總效率，取為0.98 依據(jù)最大靜拉力選擇10A型的單排滾子鏈，其單排極限拉伸載荷達(dá)21800N 其最小破斷拉力，滾子鏈的安全系數(shù)為，滿足要求。 3.2橫梁行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 總起重量Cz=1.5t，Q=2943N，機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M4， 比值1.5 ⑴.確定車輪直徑 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于機(jī)構(gòu)布置上的原因，小型取料車自重在四個(gè)車輪上的分布是不均勻的，假設(shè)不均勻系數(shù)為1.2，則最大一個(gè)車輪由小型取料車自重引起的輪壓為： 起升載荷在四個(gè)車輪上的分布可以認(rèn)為是均勻的，于是每一只車輪由起升載荷產(chǎn)生的輪壓為： 從而可得車輪的最小輪壓（就是空載輪壓）： 最大輪壓為滿載輪壓，即： 車輪的等效疲勞計(jì)算載荷為： （4.1） 車輪直徑D=93mm，車輪允許輪壓為10KN，滿足要求。 3.3機(jī)架的設(shè)計(jì) 升降導(dǎo)軌選用型號(hào)為12.6的熱軋普通槽鋼，高度為4000mm，十字架式焊接機(jī)升降滾輪與之相匹配。槽鋼具有抗扭、抗彎剛度大，重量輕，耐磨性好等特點(diǎn)。 門架是由槽鋼（升降導(dǎo)軌）和矩形方管焊接而成的框架結(jié)構(gòu)。 矩形方管選用6號(hào)冷拔無縫方鋼管，邊寬度為60mm，邊高度為40mm，邊厚度為3.5mm，內(nèi)圓弧半徑為7mm。螺栓選用M12高強(qiáng)度螺栓。 第4章 十字架式焊接機(jī)電控部分設(shè)計(jì) 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)通常由傳動(dòng)工作機(jī)械的電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)的電源裝置及電氣傳動(dòng)控制裝置組成。 電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的功能是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并對(duì)其進(jìn)行控制，以滿足工作機(jī)械及生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝的各種要求。電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響著工作機(jī)械乃至整個(gè)生產(chǎn)線的性能，影響著產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量及生產(chǎn)成本，影響著工人的勞動(dòng)條件及設(shè)備維修等。電氣傳動(dòng)技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。 焊接機(jī)是工業(yè)焊接設(shè)備，不方便使用市政電源；裝卸、搬運(yùn)過程中難免發(fā)生碰撞，使用220V交流安全性差。綜合考慮電源裝置使用交流380V工業(yè)電壓。由交流380V工業(yè)電壓電源向電機(jī)和電磁線圈供電；焊接機(jī)升降機(jī)構(gòu)有上升和下降兩個(gè)動(dòng)作，將選擇開關(guān)擰到上升位置，電機(jī)工作，鏈輪帶動(dòng)升降鏈條帶動(dòng)橫梁上升，行程終端有行程開關(guān)作安全限位，切斷電機(jī)電源，防止超程發(fā)生事故；將選擇開關(guān)擰到下降位置，由于橫梁自重較大，所以電機(jī)不用工作，僅電磁換向閥線圈通電工作，升降鏈輪帶動(dòng)橫梁下降，下降速度可由節(jié)流閥設(shè)定，行程終端有行程開關(guān)作安全限位，切斷磁換向閥線圈電源，防止磁換向閥線圈長時(shí)間通電工作，發(fā)熱燒毀。 參考文獻(xiàn) 【1】 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊. 化學(xué)工業(yè)出版社，2007.11 【2】機(jī)床與液壓期刊．廣州機(jī)床研究所 2005年第1期 【3】 程志紅. 機(jī)械設(shè)計(jì). 東南大學(xué)出版社.2006.6 【4】 王洪欣，戴寧. 機(jī)械原理課程商機(jī)與設(shè)計(jì). 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這里我還要感謝我們機(jī)電工程系的所有老師，當(dāng)我們有疑難困惑的時(shí)候，總能及時(shí)得到你們的幫助。作為你們的學(xué)生是幸福的，也是幸運(yùn)的。 感謝我的父母，是你們把我?guī)У竭@個(gè)時(shí)間上，讓我去生活，去學(xué)習(xí)。 其實(shí)還要感謝很多人，就用我今后的表現(xiàn)去報(bào)答你們愛。 學(xué)生簽名： 日 期：2013-03-20