（材料加工工程专业论文）大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究.pdf

摘要 管道运输与航空运输、公路运输、铁路运输、水路运输并称五大运输业，是我国政 府重点发展的项目之一。管道运输业的主体是管道，管道地面工程的核心工作是管口的 焊接。因此研制高效率、性能可靠的管道全位置自动焊接装备具有十分重要的理论意义 及工程实际应用价值。 本论文利用机电一体化的设计思想开发研制出一种适用于大口径管道内部进行根 焊施工的高效率自动焊机( 本文中称其为内焊机) 。该机是将机械装置、气动系统、自 动控制系统以及使用的焊接工艺有机地结合起来，从而实现大口径管道环焊缝高速地内 部根焊。经过两年的时间基于全数字控制技术的管道内焊机己经研制成功，其主要技术 指标达到设计要求，并且通过试验证明内焊机的总体性能满足实际焊接的需要。 该内焊机的机械部分主要实现钢管的涨紧固定、管口与焊机轴向位置的相对固定、 整机的行走、焊枪的周向移动、合适的焊接姿态以及整机的支撑骨架。该机的主控系统 采用了数字控制方案，并在电机测速反馈、电压控制系统等多处利用了复杂可编程逻辑 器件( c p l d ) 高密度硬件逻辑结构研制出专用数字运动控制器，从而完成对包括行走、送 丝等多个电机的伺服控制，有效地解决了整机控制系统快速性与使用可靠性之间的矛 盾。内焊机的气动系统共有7 套气缸、4 个气动马达，可以准确地完成内焊机的行走、 涨紧、刹车、支撑、定位等动作。该内焊机采用熔化极气体保护焊的工艺方法，保护气 为混合气体( c 0 2 + a t ) 通过减压阀和换向阀分别为六把焊炬提供适量的保护气体。本 文对焊接工艺也进行了一定的探讨。试验证明论文所述的内焊机完全满足实际焊接施工 的需要。2 0 0 4 年8 月底开始，国产p i w 3 6 4 0 型管道内焊机在陕京二线无机标段( 中1 0 1 6 x 1 4 7 ) 正式投入生产应用，目前已经累计焊接管线6 公里。在使用过程中，整机运行 正常，功能设置与国外进口设备水平相当，现场反馈情况良好。 关键词：管道内焊机控制气动机械c p l d 焊接工艺 a b s t r a c t t r a n s p o r ti n d u s t r yi n c l u d e sp i p e l i n e ，a v i a t i o n ，r a i l w a y , r o a da n dw a t e r - t r a n s p o r t p i p e l i n et r a n s p o r t i so n eo ft h eg o a l sw h i c hi s b e i n ge m p h a t i c a l l yd e v e l o p e db yo u r g o v e r n m e n t p i p e l i n ei sam a i np a r to fp i p e l i n et r a n s p o r t p i p ec o n n e c t i o nb yw e l d i n gi st h e k e yw o r ki np i p e l i n ec o n s t r u c t i o n s oi t i sc l e a rt h a tr e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo fp i p e l i n e a u t o m a t i cw e l d i n gm a c h i n eh a st h e v e r yi m p o r t a n t t h e o r i e s s i g n i f i c a n c ea n da c t u a l e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e t h i sp a p e ru s e so ft h ed e s i g nt h o u g h tt h a tt h em a c h i n ee l e c t r i c i t yi n t e g r a lt or e s e a r c ha k i n do fh i g h e f f i c i e n c ya u t o m a t i cw e l d i n gm a c h i n e ( c a l li ta si n t e r n a lw e l d i n gm a c h i n ei n t h i st e x t ) t h em a c h i n ei sc o n n e c t e dt h ew e l d i n gc r a f t m c c h i n e r ys y s t e m , a u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e ma n dp e n e u m a t i cs y s t e mt o g e t h e r ，t h u sc a r r yo u tt h eb i gc a l i b e rp i p i n gh i g h - s p e e d l y w e l d i n g t h r o u g ht w oy e a r st h ei n t e r n a lw e l d i n gm a c h i n eh a v es u c c e s s l yb e e nr e a s e r c l i e d ，i t s m a i nt e c h n i q u ep a r a m e t e r sa t t a i nt h ed e s i g nr e q u e s t ，a n dp a s s i n ge x p e r i m e n tt os a t i s f yt h e d e m a n do f t h ea c t u a lw e l d i n g t h em a c h i n e r ys y s t e mm a i n l yc a r r i e so u tt h es t e e lp i p e st or i s et i g h t l y ，t h ep o s i t i o no f p i p ea n dt o r c h e so p p o s i t l yf i x ，t h ew h o l em a c h i n em o v e ，t h et o r c h e sc i r c l em o v e ，f i tw e l d i n g t o r c h sc a r r i a g ea n dp r o pu pt h ew h o l em a c h i n e s t h em a i nc o n t r o ls y s t e ma d o p t st h ed i g i t a l s y s t e m , a n dm e a s u r et h em o t o r ss p e e d 也e d b a c k ，t h ee l e c t r i cv o i t a g ec o n t r o ls y s t e mc t c t h e h i g hd e f i n i t i o nh a r d w a r et h a tu s e e so ft h ec p l dt om a n u f a c t u r ea na p p r o p r i a t i o nc o n t r o l l e r t h ep e n e u m a t i cs y s t e mh a s7s e t so fa kc y l i n d e r s ，4s e t sp e n e u m a t i cm o t o r i tc a na c c u r a t e l y c o m p l e t et om o v e ，t i g h t ，b r a k e ，p o s i t i o ne t c p r o t e c th y b r i da i r ( c 0 2 + a r ) p a s s e st h e d e c o m p r e s s i o nv a l v ea n dt h ec h a n g et o w a r dv a l v ei n t ot h e6t o r c h e s ，a n da d j u s t m e n t st o r c h e s i tc o m p l e t e l ys a t i s f yt h ed e m a n do ft h ea c t u a lw e l d i n g 82 0 0 4 ，i th a sb e e nu s e di nf o r m a l c o n s t r u c t i o ni ns h a n j i n g2 t hp r o j e c t n o wi ta l r e a d yh a sw e l d e dp i p e l i n e6k li ta l m o s t e q u a l st h ei m p o r te q u i p m e n t s k e y w o r d s ：p i p e l i n e i n t e r n a lw e l d i n gc o n t r o l p e n e u m a t i o m e c h a n i s m c p l dw e l dt e c h n i c a l 独创性声明 y 8 5 0 1 5 0 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学雠文作者签痧彳 j 签字日期：2 e 。4 年尹月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解玉盎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘望盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名夕獬 导师签名：勿次、秘间吹 签字日期：2 卯z 年夕月，驴日签字日期：z 。乒年夕月7 。目 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 内焊机的用途及特点 管道内环缝自动焊机( 以下简称内焊机) 是在大口径管道野外环境焊接旖工 过程中用来完成管口组对、根焊的。种专用设备。是管道施工实施高效化焊接关 键的施工设备之一。由于内焊机与其他管道焊接设备相比其造价是比较高，结构 比较复杂，所以一般内焊机只用于管径中6 6 0 的管道，如果管径小于这一尺寸则 内焊机高速焊接的优势体现不明显。再有如果管线距离比较短电不推荐使用内焊 机，因为管线短不适合大流水作业，内焊机的优势仍然无法充分体现，并且会增 加设备投入。 内焊机的最显著特点是完成整道焊口根焊的速度快。根据西气东输工程使用 的几种根焊工艺相比较，内焊机的效率是最高的。以管径为0 1 0 1 6 、壁厚为1 4 7 的钢管为例，完成整道焊1 3 根焊的纯粹焊接平均时间约为1 5 r a i n ，这一速度是手 工焊的 8 1 0 倍，是p 、t 焊机进行根焊的3 - 4 倍。 1 1 2 项目来源 “大口径管道内环缝自动焊机研制”这一课题是中国石油天然气集团公司“西气 东输”工程重点攻关项目，也是集团公司2 0 0 3 年度油气地面工程十大重点科研课 题之一。该项目于2 0 0 2 年6 月正式启动，到2 0 0 3 年1 2 月项目完成，并通过了集 团公司组织的有关专家对该项目的验收。实际上，研究院特种施工机具研究所早 在9 9 年就已经着手内焊机研制的技术储备工作。几年来，我们一直关注这方面的 技术发展情况。但是由于该项目的技术含量比较高，同时所需要的科研经费的数 额比较大，所以有关内焊机的研究工作一直没有全面铺开。西气东输工程正式启 动之后，该项目的成果有了合适的应用之处。集团公司和管道局对该项目给予了 极大的支持，基于卜述情况，该项目能够在二年多的时间里完成预定任务，并且 通过两次现场中试，目前已经在陕京二线投入生产应用。 1 1 3 本论文的总目标 1 1 3 本论文的总目标 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 本论文提出的大口径管道内焊机是管道自动焊接的新一代装备，它是专门用 来解决长距离管道根焊这一难题的，其显著特点是可大幅度缩短根焊的施工时间， 从而提高整个焊接施工的效率。 本研究项目采用机电一体化的设计思想，将设备中的机械装置、自动控制装 置、气动装置、焊接装置有机地结合在一起。特别是采用了c p l d ( 复杂可编程逻 辑器件) 为核心的全数字智能化运动控制技术，使设备具有较高的控制水平和扩 展冗余度。在保证焊接质量的前提下，最大限度地提高焊接效率，使整体技术和 主要性能达到国际先进水平。 1 2 国内外管道焊接技术的发展现状 管道运输与铁路运输、公路运输、航空运输、水路运输并称五大运输业。管 道可用于输送水、原油、天然气、成品油等液体物质，具有输量大、距离长、安 全性高、成本低等优点。因此管道运输业在世界范围内得以迅速发展。一九九五 年我国政府工作报告中将其列入重点发展目标，本世纪内输送煤浆的管道也将有 一个大的发展。在管道旌工建设的过程中，主体管道的管口焊接是最核心的工作 之一，而根焊技术和相关设备一直是管道焊接的一个难点，根焊的速度和质量是 管道整体焊接速度和质量的一个瓶颈部分。所以这一部分一直受到人们的关注， 并在此方面进行了大量的研究工作。 目前用于管道焊接的主要方法有；焊条电弧焊、半自动焊和全自动焊等。自 动焊接方法又可以细分为：埋弧自动焊，闪光焊，钨极氩弧焊和熔化极全位置自 动焊。针对本课题的具体情况，本文仅对熔化极气保护自动焊的情况进行具体的 分析。 1 2 1 国外发展概况 熔化极全位置自动焊接技术出现于二十世纪六十年代末期，美国的c r c 公司 率先将该项技术应用于管道施工。 但是目前涉足管道自动焊接设备生产的公司，一般是以外焊机为主，调研结 果显示截至到目前只有美国c r c 公司和英国n o r e a s t 公司推出了各自的内焊机并 投入了生产应用。 2 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 图1 1 美国c r c - e v a n s 管道内焊机 2 0 0 2 年管道局引进了3 套英国n o r e a s t 公司的内焊机( 这是国内首次引入管道 内焊机) ，并在西气东输工程中投入了应用。该机型采用内焊与对口部分一体的整 体结构形式。 图1 - 2 英国n o r e a s t 管道内焊机 主要包括行走装置、涨紧对口装置、管口与焊炬定位装置、焊炬周向移动装 置、焊接装置以及自动控制装置等组成。这其中焊炬周向移动装置采用电机驱动， 其余则是采用气缸或气动马达进行驱动的。通过资料了解到c r c 公司的产品的外 部结构到工作原理、技术性能及所实现的功能也基本是与n o r e a s t 公司的产品相同 的。他们的产品已经在世界范围内焊接了数千公里的管线。 1 2 2 国内发展状况 我国的管道建设起始于二十世纪七十年代，1 9 7 0 8 3 开始建设中国第一条长输 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 管道：大庆一秦皇岛、大庆一大连输油管线，即著名的“八、三”工程。但长期 以来管道的焊接施工却只停留在手工焊、半自动焊的水平上。从二十世纪八十年 代开始，我国的许多大专院校、科研机构、施工单位先后开展管道全位置自动焊 接技术的研究工作。对设备的结构、控制方式作了些探讨，在实验室条件下也取 得了一定的结果。有的使用主从式计算机分别控制行走电机、电弧调节电机、电 极摆动电机，焊枪和焊口的平行度通过导环上的微机控制。有的提出管道全位置 焊机使用分布式计算机控制系统，由七个8 0 c 5 5 2 单片机组成。有的对管道环缝的 自动焊接系统提出了自己的见解。但真正能够适用于现场旌工的设备与技术，截 止1 9 9 9 年都未见报道。同时这一时期对自动焊机的研究工作基本都是针对外焊机 来进行，而对于适合长输管线的内焊技术研究情况也没有见到相关报道。 近年来，中国的石油天然气长输管道的建设处于一个高速发展的时期，一些大 型的管线工程相继展开，如涩宁兰管线、兰成渝管线、西气东输管线、西南成品 油管线、忠武管线等等，这其中有原油管线、成品油管线也有天然气管线。并且 这个高速发展时期还会持续相当段时间。如此大规模的管线建设主要有两个原 因：第一，长期以来中国是一个以煤炭为主要能源的国家，但由于煤炭的污染， 迫使我国必须结合实际情况进行能源结构的调整。就目前情况来看，石油和天然 气是最佳的洁净能源。而这两种能源大批量、长距离的最佳输送方法就是采用长 输管道。第二，中国的油气资源的分布不均匀，尤其是近几年所发现的大型油气 田几乎都集中在西部，而我国的东南沿海地区经济较为发达，对油气资源的需求 量比较大，这样就需要将西部的油气资源高效稳定地输送到东部地区，从长期发 展的角度看采用长输管道无疑是最为经济可靠的。 在我国的管道事业这一快速发展的时期内，用于长输管道施工的一些自动焊 设备也应运而生。这其中包括管道全位置自动焊机、管道内对口器、管端坡口整 形机、管道施工综合施工车等等。石油天然气管道局是我国唯一的专业管道旖工 与管理机构，其下属的管道科学研究院研制成功的p a w 2 0 0 0 管道全位置自动焊机 于1 9 9 9 年2 月在河南义马郑州中4 2 6 输气管线完成现场中试，共计焊接长度 约3 k m ( 2 2 5 道口) ，超声波检测合格率1 0 0 ，x 射线探伤合格率达9 6 4 。随后， 又先后经过福建漳州中1 0 2 0 输水管线和涩宁兰巾7 1 1 输气管线的现场应用和不断 4 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 改进。经过长期的实验摸索、改进，从2 0 0 1 年开始p a w 2 0 0 0 管道全位置自动焊 机终于在“西气东输”工程中得到了大面积的应用，并取得了良好的应用效果， 其焊接质量、焊接效率均达到了世界高水平同类产品的标准。 实际上，国内进行管道自动焊接设备研究的单位很多，并且也取得了许多成 果，比如地处廊坊的管道人公司、中油工程技术研究院等。工程技术研究院研制 的a - p w i i 型自动焊机也在西气东输工程中得到了成功的应用。这些优秀成果的 应用，为开展本课题的研究工作打下了坚实的基础。再有2 0 0 2 年管道局引进了3 套英国n o r e a s t 公司的内焊机，这对国内研发管道内焊机提供了一定的借鉴。 经过多年的努力，2 0 0 3 年底管道局研究院终于成功地研制出了我国第一台管 道内焊机，并通过了中石油集团公司的验收。后经过多次改进和大量的实验，2 0 0 4 年8 月管道局研究院所生产的管道内焊机在陕京复线无机标段( 巾1 0 1 6 1 4 7 ) 投 入了实际应用。目前己经完成了近6 公里管线的焊接任务，现场反应良好。 图1 3 国产e i w 3 6 4 0 管道全位置自动焊机 1 3 管道内焊机研制的必要性和意义 在长输管道自动化焊接施工的过程中，影响焊接效率和焊接质量的因素很多， 但是，从技术角度看最关键的就是根焊，由于长输管道野外焊接的特殊性，如果 根焊的施工不能够得到很好的解决，那么焊接施工的整体效率就无法大幅度提高。 目前在长输管道焊接施工过程中，可进行根焊的方法主要有： 1 1 手工焊 2 、s t t 半自动焊 3 ) 背面加衬垫实现单面焊双面成型 5 大1 2 1 径管道内焊机数控系统及气动系统研究 4 ) 采用特殊焊接电源实现单面焊双面成型( 据我们了解目前可生产这类设 备的只有意大利的p w t 公司，2 0 0 2 年管道局从该公司引进了三套这种 设备，并在西气东输工程中进行了应用) 5 1 内焊机 上述五种方法，各有其特点，在此不进行展开论述。但是对于提高焊接速度 最有效的方法式是采用内焊机。为了从根本上提高管道施工的效率。解决根焊这 一难题，凭借具有多年进行管道自动化焊接设备研究的经验，同时瞄准国际上该 领域的技术新动向，研制开发这种新型设备。管道内焊机是石油天然气总公司投 资立项的重点攻关课题。它的必要性和意义可归纳为以下几方面： 1 3 1 采用新技术的发展需要 本文涉及的内焊机是一种新型管道焊接设备，国内尚无这种设备，国际上也 只有少数一两个公司生产并用于生产当中，有着很高的技术含量，是当前管道高 效焊接装备发展的主流趋势。对于该种焊机，不能简单地看作是将外部焊接转化 为内部焊接，它从整机的机械结构、自动控制系统和焊接工艺方面都有新的技术 特点。 1 3 2 管道焊接施工作业的实际需要 目前，在国外的大口径管道焊接施工中内焊机的使用己不鲜见。在国内的西 气东输工程中也成功地应用了内焊机。其速度是目前任何一种焊接方法都无法比 拟的，同时在焊接施工过程中，它还起到了对口器的作用，更好地满足管道焊接 施工的需要。尽管这种设备一次性投入比较大，但是与s t t 和单面焊双面成型技 术相比，它的整个施工成本并不高。尤其是在长距离大口径管道旖工过程中，它 的优势更为明显。 1 3 3 市场竞争的需要市场竞争的需要 国际竞争与合作是石油天然气管道建设发展的必然趋势。在输气或输油管线 建设中采用自动焊接设备与工艺，我国才刚刚开始，与国外发达国家相比，无论 设备水平还是工艺水平都存在较大差距。随着世界经济一体化进程的发展，中国 的管道建设市场必将融汝世界市场。为了在未来的国际市场竞争中处于有利地位， 6 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 我们应逐步完善国产管道施工装备的产品序列，其中包括管道自动焊机，本课题 研制开发的内焊机是该系列中的新型设备，与现有的外焊机一起，将使我国的自 动焊接设备水平上一个新的台阶。 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 第二章内焊机的总体设计方案 2 1 内焊机的主要研究内容及技术关键 2 1 1 内焊机的主要研究内容 1 1 整机结构研究设计 2 ) 气动系统及相关机械装置的研究 3 1 数控气动系统的研究 4 ) 数字控制内焊系统的研究 5 ) 内焊打底焊接工艺的研究 2 1 2 项目完成的技术关键 1 1 利用数字控制实现气动诸动作的技术 2 1 利用大规模可编程集成电路实现的内焊头空间位置控制技术 3 1 利用大规模可编程集成电路实现的内焊工艺过程控制技术 4 1 内焊打底高效焊接工艺的试验与编制 2 1 3 内焊机预期达到的性能指标 1 ) 适应管径：9 1 4 m m 1 0 1 6 m m 2 1 单排涨靴数目：1 8 个 3 1 总涨紧力：1 4 0 t 钔整机行走速度：o 一6 0 i i g m i n 5 1 爬坡能力：1 5 。 6 1 焊炬数量：6 个 7 1 焊炬行程：2 0 m m 8 1 焊炬的工作面与管口的不平行度：0 5 m m 9 1 焊接机构旋转速度：5 0 0 m m m i n l o o o m m m i n l o ) 送丝速度：5 0 0 0 m m m i n 一1 6 0 0 0 m m m m 1 1 ) 焊丝直径：中0 8 一由1 0 m m 8 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 1 2 ) 气源压力2 5 m p a 1 3 1 系统最大工作压力：1 5 m p a 1 4 ) 超前送气延时断气时间：任意设定 2 3 内焊机的设计思想 2 3 1 基本设计思路 管道全位置自动焊机既要求结构紧凑，又要求控制准确，实现计算机控制的 自动焊接是机电一体化设计的高度集成，为此设计的基本思路如下： 1 1 整机设计 2 1 系统功能部件，功能要素的划分 3 1 接口的设计 4 ) 综合评价 5 1 可靠性复查 6 ) 试制与调试 2 3 2 内焊机的功能分析 对管道全位置自动焊机进行机电一体化设计，必须先作出可行的技术方案。功 能技术矩阵是提供可行性技术方案的一种方法( 见表2 - 1 ) ，即为全位置自动焊机 的功能原理技术矩阵。 表2 1 内焊机功能技术矩阵 云痞。退塾 123 a焊接( 主功能) 电动气动 b 辅助功能( 行走、涨紧、定电动气动液压 位等) c 信息处理有检测传感器无检测传感器 d 控制功能单片机控制工控机控制自行开发计算 机控制 从表中可以看出，系统结构在理论上可以有多种技术方案。根据系统的目的 和要求，通过分析和比较可舍却大部分的方案。我们希望设计出来的内焊机能达 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 到：结构简单，重量轻，系统的响应好，自动控制机构的运动与焊接参数能进行 实时检测等要求，因此通过分析比较可选用的理想方案为：( a 1 + a ) + b 2 + ( c a + c 2 ) + d 3 a 1 ：利用伺服电机可以完成送丝，结构简单，控制方便、可靠： a 2 ：利用气缸完成焊枪姿态的调整； b 2 ：行走、涨紧、定位等功能主要利用气体作为动力源，配合机械装置完成各 个动作； c 1 ：利用检测传感器：跟踪准确，反馈及时； d 3 ：自行开发计算机控制，控制灵活。 2 3 3 内焊机的主要接口及设计方法 机电一体化系统由许多要素或子系统构成，各系统和系统内部的子要素之间能 顺利进行物质、能量和信息的传递与交换，各要素和各系统相接处，必须具备一 定的联系条件，这些联系条件就是接口。内焊机是将机械、电子、气动和信息等 功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要， 在某种意义上说，机电一体化系统设计就是接口设计。图2 - 1 为机电一体化系统各 构成要素之间的相关联系。 综合集成技术就是综合运用机械技术和微电子技术各自的特长，设计最佳的 机电一体化系统。在设计过程中，一般的机电一体化设计方法有： 1 1 电互补法 该方法的特点是利用通用或专用电子部件取代传动机械系统中的复杂机械功 能部件或功能子系统，以弥补其不足。同时还要考虑到该系统中不仅有上如两个 主要的单元，同时还有压缩气体作为动力这一因素。 2 ) 综合法 将各组成要素有机结合为一体，构成专用或通用的功能部件，其要素之间的 机电参数的有机配合比较充分。 3 1 组合法 将结合制成的功能部分( 或子系统) 、功能模块，像积木那样组合成为一个有 1 0 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 机的整体，一个机电一体化系统。 接口( 信舢卜_控制器( m c 、p c 、c n c ) 广_ - h 接口( 信息) 传 感 器 ( 位置 检测) 接口( 机械) 接口( 智能、信息) 执行元件 接口( 机械) 执行机构( 机械结构) 物理接口k _ 1动力源- _ 叫物理接口 传 感 器 ( 环境 检涸 接口( 机械) 图2 1 机电一体化系统各构成要素之间的相关联系图 2 4 内焊机的总体设计方案的确定 在充分掌握内外技术现状的基础上，并到施工单位详细了解现场施工的具体 情况。通过这些工作，我们对该项目的设计有了一个较为明晰的设计思想。在设 计过程中，充分掌握这样几个原则： 尽可能缩短焊接时间及焊接辅助时间，为提高管道整体焊接施工的效率打下 基础。充分考虑野外焊接施工的特点，使设备能够适应各种特殊工况的施工要求。 充分保证设备的可靠性。在这种设计思想的指导下，我们所确定的具体设计方案 如下： 2 4 1 专用焊接单元的技术方案 基于国内的焊接技术基础和工业水平，我们在焊接单元的设计仍然采用熔化 极气体保护焊工艺，在机械结构上采用相对独立的整体结构。实现对口部分与焊 接部分结构一体化，在完成管口组对之后马上可以进行焊缝的焊接作业。焊头部 1 1 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 分采用独立整体式结构，实现焊头部分与整机的相对独立，实现焊枪送丝机构、 气电联送的有效结合，实现体积小而功能全的独立式焊接机构，同时装拆，维护 和更换焊丝方便。整个专用焊接机构由多个焊接单元组成( 六个) 同时定位，焊 接过程中每三个焊接单元为一组( 分为顺时针和逆时针两组) 同时起弧焊接，实 现准确定位，快速焊接，保证焊接过程的顺利进行。 2 4 2 多焊炬同步定位对中机构的技术方案 焊炬定位对中机构是为了保证整个焊接专用单元实现准确定位，从而为焊枪 准确实施焊接过程提供支持。根据三点决定一个平面的原理，在内焊机的机头部 分沿周向均布安装三套定位机构，并保证这三套机构的定位面同处于与内焊机轴 线相垂直的同一个平面内，这个平面就是内焊机的定位面，通过调整定位面的轴 向位置，可以保证该定位面与焊枪之间的相对位置达到焊接的要求。根据国外成 功的经验，内焊机进行根焊时，钢管之间不留间隙，这样实际上在定位面调整时 应该使其与焊枪的中心线处于同一平面内。 在专用焊接单元上采用了牢固的机构定位在焊接旋转盘上加工有定位凸 台，焊接单元的前后支撑架通过配合可以实现准确定位。另外，整个涨紧部分和 焊接单元是复合在一起的，所以考虑到管端坡口加工的不一致性，我们设计的万 向联轴节能满足更大的空间位置调整。为了保证在正常的情况下的整机行走，和 万向联轴节配合的平衡调整弹簧即有足够的强度又有完全满足使用要求的韧性。 这样管道内焊机的定位更准确，更容易。而且全新的设计更便于焊接单元的装拆 以及更换焊丝。 2 4 3 对口部分技术方案 管道内焊机的涨紧，采用一般气动内对1 ：3 器的技术方案。即设置两排涨靴， 每排涨靴分别涨紧固定一个钢管，实际上由涨靴、连杆和活塞杆形成一个曲柄滑 块机构，利用气缸进行驱动。由于管道内焊机在实施焊接过程中对涨紧定位要求 更严格，所以课题组在原有的基础上重新设计了涨紧缸的结构采用增压设计 及快排气设计使对口涨紧的速度更快和涨紧力量更大。 2 4 4 整机行走技术方案 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 在驱动机构的设计上，由于管道内焊机的机头部分是弹性浮动结构，所以在 行走驱动轮的设计上选用了高强度，高硬度的非金属材料并配置了大功率的 i n g e r s o u r a n d 的3 8 4 0 s 型气马达，在气动回路上，采用了分级隔断式的设计，以 保证涨紧系统压力和行走驱动系统压力相互独立这种设计使管道内焊机在实 际使用过程中可以在气源隔断的情况下连续长时间继续工作。同时在行走机构中 要设计有行走轮位置调整装置，以保证内焊机行走的平稳性。 2 4 5 保护气以及气动部分的技术方案 在焊接施工中，气孔是常见的同时又很难解决的问题。焊缝内出气孔的原因 非常多，如焊接电压、电流不配，保护气含水分多等等。保护保气路设计是否合 理是关键因素。 国外的内焊设备在供气的设计上采用了外部减压送气，备用罐储气送气的气 路设计，这种方案有一个弊病就是：备用气罐的压力和焊接保护气是等压的，在 外部气源低于焊接保护用气压力的情况下，备用气罐实际上起不到应用的作用， 基于这个原因，课题组采用了外部高压送气，备用气罐使用压力开关高压储气， 减压后低压供气的气路设计，这样的气路设计可以完全确保在外部供气低于压力 开关设置压力的情况下，由备用气罐继续供气以顺利完成整个焊接过程。 为焊接提供保护气的气电一体的电缆的结构和质量也是影响焊接质量的重要 因素，我们在项目开始初期就与专业厂家联合开发管道内焊机专用气电电缆，并 投入了大量的人力、物力对专用气电缆进行了多达十几次的不断改进，现在课题 组研制的管道内焊机专用气电缆已经取代了国外产品投入“西气东输”工程应用。 由于管道内环缝自动焊机的动作复杂、需要的系统压力不高，对于气动控制 元件是一个严峻的考验，课题组经过对国内外产品的认真调研，仔细筛选，最后 选定英国的n o r g e n 公司的气动元器件，并对主气路进行了系统优化设计，经过 实际的现场中试的考验，证明本课题组的管道内环缝自动焊机气路设计方案是经 得起工程实际考验的。 2 4 6 全数字控制系统 对于管道内环缝自动焊机，控制系统就是大脑，由它指挥控制一切动作并存 储和输出所有的焊接参数。 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 本课题在确定系统方案的初期，曾经拿出了两个设计方案： 第一采用数字控制、执行而采用模拟量的反馈信号采集；第二采用全数字控 制以及数字式的信号采集。 课题组按照制定的方案组装了两套试验电路，在实验室内对两套方案进行了 仿真演示并进行了数据测试，根据测试数据，最后确定了以全数字控制方式作为 控制系统的最终方案； 使用2 4 v 直流经过控制单元实现涨紧对口、焊接定位、整机行走等动作控制。 焊接送丝采用直流电机并带数字式编码器，电机控制方式为p w m 脉宽调制控 制，由一片c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 完成p w m 信号的产生和控制，由八位 拨码开关进行电机速度的调节。 焊接驱动电机的控制电路采用一片c p l d 完成对电机的速度调节和位置跟踪， 电机驱动控制选用了美国公司研制生产的l i v i d l 8 2 4 5 芯片。 焊接过程的位置检测以及限位置检测由霍尔传感器完成，并经隔离转换成数 字信号传送给控制单元。 焊接过程中对焊接电源的控制利用主控制单元的信号经放大后，驱动计数器 完成焊接的起弧，收弧和反烧延时。 完成管道内环缝自动焊机的整机组装后，在实验室内进行了大量的焊接试验， 检验了控制系统的可靠性和稳定性。 1 4 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 第三章内焊机的气动系统及机械结构 本文所论述的内焊机是用于大1 2 1 径管道野外环境下焊接施工过程中组对管 口、完成根焊。它的显著特点是根焊所用时间短。内焊机要在野外环境下完成内 环缝的焊接，所要完成的动作很多，同时每个动作之间又是相互联系的，内焊机 所涉及的机构比较多。各个机构既有相对的独立性，同时彼此之间既又相互联系。 内焊机采用与管道气动内对口器相似的长构架机身，主要分为机械系统、电气控 制系统、气动系统三大部分。在这一章里对机械结构及气动部分的结构及原理进 行分析设计。 气动系统为整机提供的动作所必需的驱动能，而控制系统则控制各个部分的 动作。内焊机以压缩空气和电力作为动力源，适合野外作业。内焊机主要由涨紧 对口机构、扩涨导向保护装罩、焊炬自动定位对中机构、多焊炬同步焊接驱动机 构、专用焊接单元、行走机构、刹车机构、储气罐、机架等构成( 见图3 - 1 ) 。由 于西气东输工程管径较大，从焊接工艺考虑本文所论述的p i w 3 6 4 0 内焊机设有6 个焊接单元，均匀布局在多焊炬同步焊接驱动机构的旋转滑环上，6 个焊炬的中心 处于同一园平面上。 图3 1 内焊机结构简图 1 5 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 1 、定位对中装置2 、涨紧装置3 、内焊接及旋转装置4 、万向节 5 、刹车装置6 、顶紧轮7 、储气罐8 、后驱动轮9 、前驱动轮 内焊采用保护气( 8 0 a r + 2 0 c 0 2 ) + 实芯焊丝的气体保护下向焊工艺。由6 个焊炬沿圆周方向均匀布置，在实际焊接时，旋转滑环只需顺时针旋转六十度， 再逆时针旋转六十度即可完成整个内环缝的焊接过程。 3 1 气动系统 内焊机的气动系统的作用就是让各个执行元件按照一定的要求动作。管道内 焊机的气动系统设有气动三联件、减压阀、电磁换向阀、单向阀等元件，共控制7 套气缸、4 个气动马达动作。由储气罐中的压缩空气作为上述气缸和气马达的动力 源，( 我们没有将焊枪姿态调整气缸没有在此系统之中，由于焊枪姿态调整气缸的 用气量很少，所以我们直接使用保护气体作为其动力源，这样可以使主气动系统 的结构更加简单。) 气动系统的控制原理见图3 2 。 3 1 1 系统设计思想 经过压缩机的空气经过过滤和有水分离之后通过单向阀进入储气罐，也可以 直接进入气动回路。 主气罐和辅助气罐使用单向阀连通，主气罐的气可以进入辅助气罐，但不可 以反向。由于行走马达耗气量较大，故用主气罐供气，辅助罐分别向7 个气缸供 气。这样可以保证当主气罐的压力下降较大时，辅助气罐的压力依然较高，从而 确保焊机定位、钢管对口以及刹车时气缸依然能够提供较大的推动力。 内焊机的所有气缸只需两个极限位置就可满足使用要求，因而涨紧气缸、定 位气缸、刹车气缸、顶伸气缸全部选用单伸出双作用气缸，其控制阀选用双线圈 两位五通电磁换向阀即可。行走马达有正转、停、反转三种状态，只能选用双线 圈三位五通电磁换向阀。刹车气缸和支撑轮气缸并联连接由一个电磁换向阀控制， 只不过两上气缸的动作相反，即刹车片伸出时支撑轮缩回，反之亦然。 为了实现对内焊机行走速度快慢的控制，在行走马达的进气路上串加一个远 控制压阀，在内焊机的头部用一个便于人工手动控制的减压阀控制减压阀，为此 控制内焊机行走速度的快慢。 1 6 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 图3 - 2 主气路气动原理图 3 1 2 气动元件的选型 根据计算，内焊机气动系统压力越高，气缸所产的推力越大，尤其是涨紧机 构更是如此。单考虑到压力越高，以气动元件密封的要求也越高。系统压力和元 器件的寿命是一对矛盾体，能过计算，最后选定系统压力为1 5 m p a 。气动元件质 量的好环直接影响内焊机的使用，气动元件若频繁出故障，不仅影响内焊机的使 用效率，而且元件的更换也比较麻烦。因此在研制过程中，课题组中十分注意气 动元件的质量，气缸选用合资生产的，马达选用英格索兰的，换向阀选用f e s t o 和n o r g r e n ，过滤器和油雾器选择n o r g e r n 。 3 1 3 储气罐 储气罐用于存储压缩空气，为执行元件如气马达提供驱动力，内焊机的储气 罐分为主储气罐和辅助储气罐，主储气罐一个，安装在内焊机的后部；辅助储气 罐两个，位于焊机的中部，不仅存储高压空气，而且是内焊机前后连接的桥梁。 主储气罐体积较大，为耗气量大的行走马达供气，辅助气罐向各个气缸供气。 3 2 4 保护气供给系统 保护气供给系统见图3 3 ，也是内焊机中十分重要的一个部分。保护气瓶内的 高压气体( 压力、 1 1 6 7 可珊选用工程直径为l o o n n n 的气缸是满足使用要求的。 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 第四章内焊机的数字控制系统 内焊机自动控制系统主要包括有：送丝控制系统，滑环行走控制系统，采用 霍尔元件的焊枪位置控制系统，对口机构以及多焊炬同步对中机构的动作控制系 统，焊接电源控制系统。 4 1 焊接电弧控制系统 焊接中的送丝可以分为两种，等速送丝和变速送丝。本论文所述的内焊机采 用的焊丝直径为0 8 一l _ o 锄，由于直径较小，其电力密度大，电弧自动调节作用 强，所以在内焊机中应该选择等速送丝。对内焊机的送丝系统进行分析研究如下： 4 1 1 系统的数学模型及方块图 等速送丝焊接电弧控制系统结构原理见图4 - 1 ，这种系统为恒速送丝的电弧自 身调节系统，此系统是一种弧长稳定系统。其弧长的稳定，不是借助于调节器， 而是借助于电弧自身调节弧长的功能，常称电弧的自身调节特性。电弧弧长的自 身调节作用是指在此系统中，当电弧受到扰动后，弧长发生变化，但电弧本身具 有恢复原来弧长的能力。由于用于这种系统的电源外特性较平缓，弧长增长时， 引起电流明显变小，焊丝的熔化速度会迅速自动减小；而弧长缩短时，引起电 流明显增长，焊丝熔化速度k 会迅速自动增加。构成这种控制系统应包括焊接电 源，焊接回路，焊丝送进速度v ，以及焊接电弧。分析此系统必须有系统方块图， 首先建立系统各物理量之间的数学模型。 1 1 根据克希荷规律，焊接回路各部分的电压应满足下列方程式： 工崇砌+ u 。卅。 其中：l 一焊接回路及电源内部电感量 r 焊接回路电阻 u e _ 一焊接电源电压 u a _ 一电弧电压 卜电弧电流 经拉氏变换得：l 。1 ( s ) + 尉( s ) + u 。( s ) ；u 。( 5 ) 大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 图4 - 1 等速送丝系统构成图 2 ) 根据电弧静特性，电弧电压为： u 。= a l + 6 + k i 其中：，一电弧长度 蚝：墨拿，电弧静特性曲线斜率，气体保护时为正值。 d z a ，b 一电弧参数，与焊丝直径、保护气体、材料有关。 经拉氏变换后得u 。( s ) 一吐( s ) 十k 1 ( s ) 3 ) 根据电源的外特性，电源电压u 。为： u c ；u + k i = k o u + 玛k o f 其中：u 。一空载电压 k 。一焊接电源的电压放大系数 i 卜焊接电源给定输入电压 k 一墨k o ，电源外特性曲线斜率。 k = o 电源为恒压外特性，k ( 0 电源为下降外特性， k ) 0 电源为上升外特性。墨为焊接电源反馈系数。 经拉氏变换得： u 。( s ) 一k o u ( s ) + k o k l l ( s ) 太口径管道内焊机数控系统及气动系统研究 4 ) 根据焊丝熔化速度、送丝速度和弧长之间关系。电弧弧长l 的变化率掣等 4 f 于焊丝熔化速度v 。与送丝速度y ，之差： 拼 i 刮m 叫， f 。f ( 一v ，渺 焊丝熔化速度决定于焊接电流i 和电弧电压u 。，但主要决定于焊接电流， 在正常的弧长范围内，忽略电弧电压的影响，不会引起很大误差，因此可以认为 焊丝熔化速度与焊接电流成正比，即： k c i c _ 一焊丝熔化系数 一般焊接过程中，焊丝的熔化是连续的，那么z = 八a v r ) d t 经拉氏变换后： 工( s ) ：c l ( s ) - ”r ( s ) j 设n 为弧长的干扰信号，那么根据上述数学模型建立的等速送丝焊接电弧控 制的系统见图4 2 ： 根据系统方框图，我