自动碳弧气刨机行走机构设计

自动碳弧气刨机行走机构设计 摘 要 本文对自动碳弧气刨系统的总体方案进行了分析研究。主要对机构设计中行走小车的车身和传动机构进行了设计，该自动碳弧气刨机采用磁轮吸附于管道上，绕管道全位置爬行，避免了有轨式管道焊机安装,调试轨道的辅助工序，大大缩短了气刨辅助时间，提高了气刨工作的效率。为使该机工作运行稳定可靠，采用双排四轮转动结构形式，由电动机带动齿轮，使磁轮小车在管道上无导轨全位置自由行走。本论文的主要任务是设计其具体结构、校核主要零部件的强度、选择电机及减速器、画出总装配图。 通过实验验证，本次设计研制的自动碳弧气刨系统工作稳定、可靠，达到了设计要求。本论文的研究具有很好的工程应用前景。 关键词 : 自动碳弧气刨，行走机构，磁轮 I自动碳弧气刨机行走机构设计 Abstract Automatic carbon arc gouging system is studied in this paper. The background of the project is introduced and the collectivity design is presented. The bodywork of vehicle dolly and driving unit of mechanical structure are designed. The machine adopts the magnetic wheels mechanism adsorbing the pipe, creeping along the whole pipe, avoiding the setup of the track type piping soldering machine and the assistance work of adjusting orbit, shortening more gouge assistant time and raising the efficiency of the gouging. In order to make the machine worked stably and reliably, it adopted the synchronous slewing structure form of double-line and four-wheels. All wheels are driven by two motors, adopting the gear and magnetic wheels driven methods. The wheels can walk on the surface of pipe on real-time and an all position. The main tasks of the paper are designing the concrete structure of the machine, checking the intensity of the main parts, selecting the motor and the decelerating machine, drawing its equip graph. The experiment validates that the automatic carbon arc gouging system designed in this paper is stably and reliably, and obtains the desire of this project. The study in this paper has a good prospect for engineering applications. Keywords: automatic carbon arc gouging，vehicle dolly ，magnetic wheels II自动碳弧气刨机行走机构设计 目 录 第一章 绪 论 .1 1.1自动碳弧气刨技术概述 .1 1.1.1 自动碳弧气刨技术研究背景 .1 1.1.2 国内外自动碳弧气刨技术研究现状 .2 1.1.3 自动碳弧气刨技术发展展望 .3 1.2自动碳弧气刨机应用及效果 .7 1.3 论文的研究目标及研究内容.8 1.3.1 论文的研究目标 .8 1.3.2 论文研究的内容 .8 第二章：自动碳弧气刨系统总体研究 .9 2.1自动碳弧气刨系统总体设计思路 .9 2.2自动碳弧气刨系统组成及作用 .10 2.2.1 自动碳弧气刨系统组成 .10 2.2.2 自动碳弧气刨各部分系统作用 .10 2.3行走小车车架及传动部分分析 .12 第三章：自动碳弧气刨系统行走机构研究 .13 3.1行走机构的分析 .13 3.1.1 技术难点与方案分析 .13 3.1.2 柔性磁轮式爬行机构结构组成与工作原理 .14 3.2行走机构的选择 .15 3.2.1 吸附功能和移动功能 .15 3.2.2 磁轮结构和材料设计 .17 3.3行走方式的选择 .18 3.4磁轮式行走机构主要设计参数设计计算 .18 3.4.1 车体尺寸参数 .18 3.4.2 电机的选择 .18 3.5磁轮机构装配工艺 .21 第四章：齿轮的计算与校核 .23 III自动碳弧气刨机行走机构设计 4.1 齿轮的设计计算与校核.23 4.1.1 选定齿轮类型，精度等级，材料齿数 .23 4.1.2 按齿面接触强度设计 .23 4.1.3 按齿根弯曲强度设计 .27 4.1.4 几何尺寸的计算 .30 4.2 齿轮键的设计计算与校核.31 4.2.1 小齿轮的键的设计计算与校核 .31 4.2.2 大齿轮的键的设计计算与校核 .32 第五章：自动碳弧气刨系统工艺试验研究 .34 5.1自动碳弧气刨工艺试验研究 .34 5.1.1 电源极性 .34 5.1.2 碳棒的选用 .35 5.1.3 压缩空气压力 .35 5.1.4 刨削速度 .36 5.2 安全防护.36 第六章：技术经济分析报告 .37 6.1 经济效益分析.37 6.2 前景分析.37 第七章：总结与展望 .38 7.1 总结.38 7.2 展望.38 参 考 文 献 .39 致 谢 .41 声 明 .42 IV自动碳弧气刨机行走机构设计 第一章 绪 论 1.1 自动碳弧气刨技术概述 1.1.1 自动碳弧气刨技术研究背景 随着我国现代化经济建设的迅猛发展，石油化工产品逐渐增多，大型球罐、储罐、管道的建造量与日俱增,迫切需要提高焊接自动化程度以提高施工速度与焊缝质量1。石化球罐等容器的体积容量以及数量正在快速增加，石化部门每年要新建球罐容量几十万立方米，迫切需要改善罐施焊条件，提高球罐焊接的自动化程度，以降低成本、提高效率与焊缝质量。在国家石化行业储运工程大发展的环境下，球罐自动焊技术在球罐群施工中具有广泛的推广价值。 我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到 80 年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于 1986 年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中3。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义： (1) 稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接1自动碳弧气刨机行走机构设计 速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性12。 (2) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 (3) 提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可 24 小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 (4) 产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 (5) 可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。 针对(手工)碳弧气刨劳动强度大、工作环境恶劣、对焊工技术要求高、清根质量难以保证筒体环缝的焊接质量及焊接外观成形质量等缺点。以自动碳弧气刨机代替手工气刨配合相关工艺，成功解决以上难题。自动碳弧气刨是使用碳棒作电极，与工件间产生电弧，将金属熔化，同时用压缩空气将熔化金属吹除的一种表面加工沟槽的方法。在焊接生产中，主要用来刨槽、消除焊缝缺陷和背面清根。自动碳弧气刨有下列特点： (1) 气刨小车和碳棒送进机构可自动控制、无级调速； (2) 刨槽精度高、稳定性好； (3) 刨槽平滑均匀、刨槽边缘变形小； (4) 刨削速度比手工碳弧气刨速度高，并且碳棒消耗量比手工碳弧气刨少。 1.1.2国内外自动碳弧气刨技术研究现状 碳弧气刨是利用电弧的高温很快把金属加热到熔化状态，在液体金属凝固前利用压缩空气的气流把液体金属吹掉，能在金属表面刨出一条凹槽，从而达到碳弧气刨的目的。自动碳弧气刨是锅炉、压力容器制造和造船等行业的先进工艺，自动碳弧气刨机则是实现该工艺的关键设备。 我国上海船厂、江南造船厂曾内部研制过自动碳弧气刨机，泰洲电焊条厂曾生2自动碳弧气刨机行走机构设计 产过TBJ-3型多向自动碳弧气刨机，其共同特点是因受电路结构等方面的限制，电弧长度控制不稳定，波动大。此外碳棒导向孔大小固定，因而在碳棒粗细不均时易“卡死”或导电嘴与碳棒之间“打弧”，使气刨过程不稳定，甚至损坏导电嘴，并只能使用一个规格的碳棒。由于控制系统灵敏度不够，当钢板不平时刨槽深浅宽窄不均匀甚至发生顶碳。压缩空气送风方式不集中，使压缩空气消耗量大，当碳棒变热时送棒滚轮(橡胶制)不灵活易损坏。当因机械事故送棒电机被卡住时，电路只能右熔断器断开，更换熔断器不方便，有时甚至损坏可控硅。因此这样的自动碳弧气刨机真正用于实际生产难以满足工艺要求，保证刨槽质量。 美国Arcair公司现生产的N6000的自动碳弧气刨机，该产品不但造价高、结构复杂，而且在使用过程中调整困难，压缩空气消耗量大，因送风不集中而易使刨槽掉渣，此外不使用可连接碳棒时碳棒废弃长度长(约150mm)，而我国可连接碳棒价格高且目前质量尚不过关15。 因此，设计一种电弧程度控制精度高，并且结构简单、造价低运行费用尽量减少，操作方便的自动碳弧气刨机十分必要。从而促进自动碳弧气刨这项先进工艺在我国有关行业普及推广4。 1.1.3 自动碳弧气刨技术发展展望 自上世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。 工业机器人是数量和种类最多的一种机器人，广泛用于工业领域的各行各业。也是形成机器人产业的一种机器人。工业机器人一般由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置等构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 工业机器人并不是在简单意义上代替人的劳动，它既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又具有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，3自动碳弧气刨机行走机构设计 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志16。 因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。这两种焊接机器人在工业机器人中所占的大致比例。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史6。 众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率5。 由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决。 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面： (1) 机器人操作机结构： 通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。 机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。 采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控4自动碳弧气刨机行走机构设计 技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础17。 (2) 机器人控制系统： 重点研究开放式，模块化控制系统。向基于PLC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。 人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PLC机网络式控制器已成为研究热点18。 编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点，在某些领域的离线编程已实现实用化。 (3) 机器人传感技术： 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。 遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 (4) 网络通信功能： 日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展19。 (5) 机器人遥控和监控技术 在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星5自动碳弧气刨机行走机构设计 上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。多机器人和操作者之间的协调控制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 (6) 机器人技术： 虚拟现实技术在机器人中的