（材料加工工程专业论文）水口径阀门内环缝自动焊设备的研究.pdf

r e s e a r c ho na u t o m a t i cw e l d i n ge q u i p m e n to f s m a l l c a l i b e rv a l v ei n n e rs e a m b y l iz h a n g l o n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 6 at h e s i ss u b m i a e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g 1 n m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i ut i a n z u o a p r i l ，2 0 1 l m 2 2m 5路 8 舢1脚y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：穗存九 日期：伽f 1 年 朋孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 嘻当筏 日期：刃| 年，月罗7 日 剔磁较 融) 泛佻日期：圳j 年朋引日 硕十学忙论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题研究的目的和意义l 1 2 国内外焊接自动化现状2 1 2 1 国内焊接自动化现状3 1 2 2 国外焊接自动化现状4 1 3 管道焊接自动化的发展概况5 1 4 焊接自动化发展趋势6 1 5 本文研究内容及主要工作7 1 6 论文结构安排。8 第二章自动焊设备总体框架与焊接过程9 第三章自动焊接设备硬件设计1 l 3 1 焊枪设计1 1 3 1 1 导电嘴设计1 1 3 1 2 焊枪枪体设计1 2 3 1 3 喷嘴设计1 3 3 2 设备操作机架。13 3 2 1 操作机架设计1 3 3 2 2 运动机构原理。1 4 3 2 3 焊枪夹持装置1 5 3 3 焊接变位机设计1 6 3 3 1 焊接变位机结构的确定1 6 3 3 2 焊接变位机主动力源的选型1 8 3 3 3 焊接工装夹具1 8 3 3 4 焊接变位机总体方案的实现1 9 3 4 旋转编码器2 0 3 5 变频器2 1 3 5 1 变频器的控制电路2 l 3 5 2 变频调速的原理2 2 3 5 3 变频器的类型选择2 3 3 5 4 松下变频器。2 3 3 6 控制柜2 4 3 6 1 控制面板和布局2 4 3 6 2 控制过程的实现2 6 3 7 步进电机的原理。2 9 第四章自动焊接设备控制设计3 1 4 1 控制方式简介3 l 4 2p l c 设计一31 4 2 1p l c 选型3 2 4 2 2p l c 工作原理3 3 4 2 3 自动焊接控制流程3 4 小几径阀门内环缝自动焊设备的研究 4 2 4p l c 编程方法3 7 4 3 触摸屏的选择与设计3 7 4 3 1 主控界面3 9 4 3 2 参数设置界面4 0 4 3 3 故障报警界面4 0 4 4 焊缝跟踪系统4 l 4 4 1 传感器的分类与选型4 l 4 4 2 涡流传感器原理4 3 4 4 3 焊缝跟踪控制系统4 5 4 4 4p i d 在焊缝跟踪的应用4 7 第五章自动焊接设备的工艺选择5 0 5 1 熔化极气体保护焊的分类5 0 5 2c 0 2 气体保护焊设备组成5 0 5 2 1 焊接电源系统组成5 0 5 2 2 焊接电源优点5 1 5 3 焊接工艺选择原则5 2 5 3 1 焊接材料选择5 2 5 3 2 焊前工件和焊丝表面的清洁5 2 5 3 - 3 焊丝直径与焊接电流的选择5 2 5 3 4 电弧电压的选择5 3 5 3 5 焊接速度的选用原则5 3 5 3 6 保护气体流量的选择5 3 5 3 7 焊丝干伸长度的确定5 3 5 4c 0 2 保护焊焊接缺陷产生的原因与防止措施5 4 第六章自动焊接设备抗干扰设计5 6 6 1 干扰的产生机理5 6 6 2 电源抗干扰设计5 7 6 3 变频调速系统的抗干扰措施5 7 6 4 印刷电路板的抗干扰设计一5 8 6 5p l c 控制系统的防干扰措施5 9 6 6 触摸屏的抗干扰措施6 0 结论6 l 参考文献6 2 蜀c 谢6 6 附录攻读学位期间所发表的学术论文目录6 7 i l 硕+ 学位论文 摘要 阀门是可以控制管道和设备内的介质( 液体、气体、粉末) 流动或停 止，并能控制其流量的装置，是管路流体输送系统中的控制部件，无论 在我们的日常生活还是工业生产中，都占有极其重要的地位。本课题就 是基于解决小口径内环缝的自动焊接展开的，在生产中经常碰到小口径 阀体的内壁环焊缝的焊接，但由于企业技术人员和高级技术工人不足， 要解决小口径管内壁环焊缝焊接工艺问题，有一定的难度。由于口径小， 操作易受到限制，小口径阀体内环缝的焊接数量又较多，且一般焊缝距 管口都较远，都在1o o m m 以上，目前大多采用手工电弧焊，有的情况下 需将焊条弯曲才能焊接，焊接效率低，且在预热焊接时，焊接环境艰苦， 很难保证焊接质量。故迫切需要一套专用的自动焊设备，以提高小口径 阀门内环缝焊接的效率和质量，以适应现代阀门焊接发展的需要。 p l c 是在传统的继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，并 逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术 融为一体的新型工业自动控制装置。它具有抗干扰能力强，可靠性高、 体积小、维护方便，可进行在线修改等优点，因而适用于小口径阀门内 环缝自动焊设备的控制需要。 本实验通过焊接机架的选择和变位机的设计为焊接操作提供了支架 支持，又通过焊枪的设计，使焊枪能够伸入小口径管道，再通过p l c 与 触摸屏的设置，可以对小口径阀门进行自动和手动两种方式的焊接，同 时可以对各种焊接参数进行实时控制，如焊枪摆动，焊接电流、焊接速度 等参数，均可进行微调，很好的保证了焊接的顺利进行，符合设备自动化发 展的趋势。此外，p l c 有存储功能，可以存储不同规格的阀门小口径管焊 接的程序，当实验试样规格改变时，只需在触摸屏上调出相应参数，即可 进行焊接。 本设备选用的焊接方法是c 0 2 气体保护焊，并对工艺选择原则进行 了论述，此外针对可能存在的干扰现象，提出相应的抗干扰措施。 关键词：阀门；p l c ；触摸屏；自动焊接； 小口径阀门内环缝门动焊设备的研究 ab s t r a c t v a l v ei sac o n t r o lc o m p o n e n to fp i p e l i n et r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，w h i c h c a nc o n t r o lt h ef l o wo fp i p e l i n ea n dt h ee q u i p m e n t ，a n dm a k et h el i q u i d ，g a s ， o rp o w d e rf l o wo rb es t o p n om a t t e ri no u rd a i l yl i v e s o ri n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，v a l v eh a sp l a y e da ne x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l e t h i sp a p e ri s b a s e do nh o wt oa u t o m a t i c a l l yd ot h es m a l l c a l i b e rv a l v ei n n e rf a c e s s e a m i n g h o w e v e r ，i ti sd i f f i c u l tt od e a lw i t ht h o s ew e l d i n gi s s u e sw h e nt h e s m a l ld i a m e t e rv a l v e si n n e r f a c en e e d st ob ew e l d e di nt h ep r o d u c t i o n w h i c hd u et ol a c k o ft e c h n i c a lp e r s o n n e la n ds e n i o rt e c h n i e a lw o r k e r s t h e r e f o r e ，w eo f t e na r cw e l dm a n u a l l y ，b e c a u s et h ed i a m e t e ri s s os m a l l t h a tl e a d st ot h er e s t r i c t i o no fo p e r a t i o n ，a n da l s oi tn e e d sr e p e a t e d l y w e l d i n g ，w h a t 8m o r e ，t h ed i s t a n c et ot h em o u t ho ft h ev a l v ei so f t e nt o of a r ( m o r et h a n1o o m m ) w h i l ea r cw e l d i n gm a n u a l l y ，s o m e t i m e sp e o p l eh a v et o b e n dt h ew e l d i n gr o d ，a n di t sv e r yl o we f f i c i e n c y m e a n t i m e ，i ti sd i f f i c u l t t oe n s u r et h ew e l d i n gq u a l i t yu n d e rs u c hah a r dp r e h e a te n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，as p e c i a la u t o m a t i cw e l d i n ge q u i p m e n t i s u r g e n t l yn e e d e dt o i m p r o v e t h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fs m a l l - c a l i b e rv a l v ei n n e rf a c e s s e a m i n g ，w h i c hm e e t t h en e e d so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nv a l v e s w e l d i n gt e c h n o l o g y p l ci san e wp r o d u c tb a s e do nt r a d i t i o n a lr e l a yc e n t r e la n dc o m p u t e r c o n t r o l ，a n dw i l lg r a d u a l l yb e c o m ean e wa u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c ew h i c h h a s m i c r o p r o c e s s o r c o r e ， a n d i n t e r g r a t e t h ea u t o m a t i o n t e c h n o l o g y ， c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，a n d c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i t h a s m a n y a d v a n t a g e ss u c ha se x c e l l e n ta n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y ，h i g hr e l i a b i l i t y ，s m a l l s i z e e a s ym a i n t e n a n c e ，a sw e l la sb er o o d i f l e do n l i n e t h u s ，i t s u i t st h e c o n t r o ln e e d so fs m a l l c a l i b e rv a l v e si n n e rs e a mw e l d i n g i nt h i ss t u d y ，t h r o u g ht h ec h o i c eo ft h er a c ka n dp o s i t i o n e r ，p r o v i d e sa s c a f f o l dt os u p p o r tw e l d i n go p e r a t i o n s s e c o n d l y ，t h r o u g ht h ei m p r o v eo f g u n sd e s i g nt om a k es u r et h eg u nc a nr e a c hi n t os m a l l d i a m e t e rp i p e l i n e a n dl a s t l y ，b ym e a n so fs e t t i n gt h ep l ca n dt o u c hs c r e e n ，o f f e ru st w ow a y s o fs m a l l c a l i b e rv a l v ew e l d i n g ：a u t o m a t i ca n dm a n u a lw e l d i n g ，a n da tt h e s a m et i m e ，w ec a n t u n i n gp a r a m e t e r s g e tt h er e a l t i m ec o n t r o lo fw e l d i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha s o ft h es w i n g i n gt o r c h ，w e l d i n gc u r r e n t ，a n dw e l d i n g i i 硕十学位论文 s p e e d t h a tw i l lg i v eu sag u a r a n t e eo nt h es m o o t hp r o g r e s so ft h ew e l d i n g ， a n df i tf o rt h et r e n do fe q u i p m e n ta u t o m a t i o n i na d d i t i o n ，p l ce q i u p p e d w i t ham e m o r yf u n c t i o nt h a tc a ns t o r ew e l d i n gp r o c e d u r e so fd i f f e r e n ts i z e s o fs m a l ld i a m e t e rv a l v e ，a n dw h e nn e e d i n gt oc h a n g et h ew e l d i n gs a m p l e s i z e ，w eo n l yt oc h o o s et h er e l e v a n tp a r a m e t e ro nt h et o u c hs c r e e n t h ew e l d i n gm e t h o do ft h i se q u i p m e n ti sc 0 2w e l d i n g i nt h i sp a p e r ， w em a i n l yd i c u s ss o m et e c h n o l o g ys e l e c t i o np r i n c i p l e s ，b e s i d e s ，i no r d e rt o f a c et h ep o s s i b l ei n t e r f e r e n c e ，w ea l s op u tf o r w a r ds o m ec o r r e s p o n d i n g a n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s k e yw o r d s ：v a l v e ；p l c ；t o u c hs c r e e n ；a u t o m a t i cw e l d i n g i i i 硕十学何论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 “阀的定义是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的 装置。阀门是使管道和设备内的介质( 液体、气体、粉末) 流动或停止， 并能控制其流量的设置。阀门作为管路流体输送系统中的核心控制部件， 可以被用来改变通路断面和介质流动的方向，具有导流、调节、节流、 分流、止回或溢流卸压等功能。实际生活中用到的流体阀门，有最简单 的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，品种和规格都各种 各样，公称通径可以小至极其微小的仪表阀，也可大到lo m 的工业管路 用阀。从此我们可以看出阀门在我们日常生活以及工业生产中占有极 其重要的地位。 我国的阀门行业已经经历了数十年的发展。特别是近些年的快速发 展，我国阀门行业所取得的成就有目共睹，许多关键阀门都取得了突破 进展，如绝大部分核电、超临界火电和天然气长输管道方面的关键阀门 都得到了发展和生产使用。据国家统计局2 0 0 8 年统计数据资料显示，中 国阀门制造业规模以上企业( 年销售收入在5 0 0 万元以上的企业) 共有 l7 0 0 多家，当年生产阀门32 6 万吨，工业总产值1 14 7 亿元，利润总额 6 3 9 0 亿元。据推算工业管道阀门产值约为9 0 0 亿元。但由于国内阀门行 业起步晚，还处于发展阶段，阀门设计、制造、生产和试验能力低于国 外先进水平，加上自动化控制水平的限制，因而，在高端阀门技术方面 与发达国家仍还有一定差距，行业发展过程中还存在一些问题需待解决 【2 1 ，故中国的阀门事业有待进一步的发展。 随着焊接技术的快速发展，现今许多先进的设备和工艺都已广泛应 用于生产，例如电子束、等离子束、激光束、焊接机器人工作站、焊接 柔性生产系统、磁控宽带极堆焊技术、窄间隙焊接技术、双丝高效气体 保护焊技术、全数字化焊接电源、熔滴过渡与熔透控制技术、搅拌摩擦 焊技术等等。但无论是先进的生产工艺或是先进的生产设备都意在解决 实际问题，比如在实际生活中，管道的焊接就显得尤为突出，小到管径 十几毫米的管材，大到上千毫米的石油输油管道，都需要先进的焊接工 艺和设备作为支撑，本课题的实验对象就是管道焊接。对于大口径管线 环焊缝的焊接，无论从内壁还是外壁焊接，技术、设备和焊接工艺都已 小口释阀门内环缝自动焊设螽的研究 非常成熟，但是对于小口径，比如管内径小于lo o m m 的管线，从内壁 进行环焊仍存在一定难度，主要问题是焊接方法，如果采用手工焊条电 弧焊接，焊缝离管口近时，勉强可以焊接，但效率低；而采用其它方法， 由于管径小，操作易受到限制，故必须采用专用的设备才可进行焊接。 众所周知，温州地区是我国的泵阀之乡，有很多的泵、阀生产企业， 部分企业在生产中经常碰到小口径阀体的内壁环焊缝的焊接，由于企业 技术人员和高级技术工人不足，要解决小口径管内壁环焊缝焊接工艺问 题，有一定的难度。图1 1 为某阀门厂小口径高压阀体，图中a 处为要 求焊接的环焊缝，l 是管口到焊缝的距离，l 随口径大小变化而变化。由 于口径小，操作极易受到限制，小口径阀体内环缝的焊接数量又较多， 且一般焊缝距管口都较远，都在1o o m m 以上，目前大多采用手工电弧焊， 有的情况下需将焊条弯曲才能焊接，焊接效率低，且在预热焊接时，焊 接环境艰苦，很难保证焊接质量。故迫切需要一套专用的焊接自动化设 备，从而解决阀门厂小口径阀体内管壁环焊缝的焊接。 图1 1 阀体内壁焊接位置 1 2 国内外焊接自动化现状 焊接作为现代工业生产中一种非常重要的材料加工技术，已广泛地 应用于包括机械制造、海洋工程、航空航天、能源、交通、建筑等众多 工业领域。在金属制造业中，焊接是仅次于装配和机械加工的第三大产 业，根据统计，世界上4 5 钢铁材料需要通过焊接才成为人类可使用的 产品1 3j 。随着用户需求的不断提高以及市场竞争的日趋激烈，提高焊接 工业的生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化、智能化越来越 得到焊接生产企业的重视；而数字化信息处理技术、机器人技术、人工 智能技术、计算机视觉技术等现代高新技术的融入，也促使弧焊技术向 着焊接工艺高效化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人化的方 向发展【4 1 。 2 硕十学何论文 1 2 1 国内焊接自动化现状 近些年来，我国焊接装备制造行业进步显著。焊接装备的成套性、 自动化程度、制造精度和整体质量都明显得到提高，其应用范围也正逐 步扩大。现今，世界制造业中心正逐步向中国转移，势必将促进我国传 统制造业向现代化的标准转变，而大量采用高度自动化的加工设备和焊 接装备是工业现代化的必然趋势，故必将促成我国焊接装备制造业发生 根本性的变革。尤其是进入新世纪以来，我国焊接结构制造业取得了引 人注目的成就，主要表现是向规模化、大型化、高参数化和精密化的方 向发展，其中包括l0 0 0 m w 以上的火力，水力和核能发电设备，年产6 0 万吨以上的化工炼油装置，l0 万吨级以上的远洋货轮和油轮，年产10 0 0 万吨以上的煤液化装置，各类冶金和重型机械、航空航天工程、大型及 高层建筑结构、大跨度桥梁、海洋建筑、跨省跨国输油输气管线、大型 客车和高速铁路车辆等。再者，有资料显示中国目前已经连续三年成为 全球最大的钢材生产和消费国，2 0 0 8 年中国钢产量已突破5 亿吨，占全 球产量的3o ，俗话说焊接是钢铁的“裁缝”，而在各大行业中，焊接行 业是钢材的最大消费户，在我国焊接结构用钢已超过8 0 0 0 万吨，并还逐 年上升，对自动化焊接装备的需求量将明显增加，尤其是在锅炉、压力 容器、船舶、汽车、机车、钢结构、桥梁、冶金设备、采矿机械、石油 化工装置、饮料食品加工机械、家用电器、医疗设备和半导体器件等重 点制造行业中，自动化专用成套焊接设备、焊接机器人工作站与焊接生 产线的市场容量相当大，发展前景可观，仅国内市场每年的需求量将达 到15 亿元以上，因此这些都将促进发展我国的焊接生产自动化与装备技 术，以适应经济建设的快速发展【5 】。 据2 0 0 8 年对国内4 l 家主要电焊机、切割机制造厂、大型焊接辅助机 具厂的调查统计，2 0 0 8 年焊接设备总产值达到6 61 17 3 4 l 万元，年产值1 亿元以上的焊接设备企业就有2 0 家。其中许多企业还具有很强的设计开 发成套焊接自动化设备的能力，唐山开元机器人系统有限公司、南京奥 特电气有限公司、成都焊研威达自动焊接设备有限公司、哈尔滨威得焊 接自动化系统工程有限公司、北京中电华强焊接工程技术有限公司等就 是其中的领先者。但是与国外发达国家相比，我国的焊接自动化技术与 装备在质量、水平、品种、自动化程度以及推广应用等方面还有很大差 距。我国到目前为止在全范围内的机械化、自动化焊接方法占焊接工作 量的比例也不过4 0 左右，而在l9 8 0 年时，前苏联工业生产中采用机械 化、自动化焊接方法及设备所占比例就已高达6 2 9 【6 l 。我国每年仍 小口释阔门内环缝臼动焊设备的研究 需从境外进口较多的先进焊接设备【7 8 1 ，进口总值和国内焊机的生产总值 大致相当，这主要是因为我国的焊机制造厂尚未形成国际著名品牌，缺 少自主知识产权的高新技术产品。目前领导我国电焊机行业的主要是少 数几家合资企业，外国技术都占有主导地位。国内除北京中电华强公司、 哈焊所和北京时代集团等少数公司一直在不断研发少量新品种和新技术 外，如双丝窄间隙、多丝、焊缝c c d 图像自动跟踪、计算机控制等，其 余多数生产企业还处于重复仿制老设备的阶段，产品的技术含量低，控 制精度差只适合用于对焊接指标要求较低的场合【9 1 。 1 2 2 国外焊接自动化现状 国外的焊接自动化研究起步较早，国外焊接生产机械化、自动化都 已达到相当高的程度，而我国手工焊所占比例却很大。按焊丝与焊接材 料的比来计算机械化、自动化的比例，2 0 0 1 年日本为8 0 6 ，西欧为 7 4 ，美国为71 ，2 0 0 2 年我国仅为2 3 fi o 】。国外焊接自动化、机械 化的研究起源于上世纪4 0 年代末，而到了5 0 年代时，已初具规模，但 主要研究方向是研制简单的自动焊机，仅限于焊丝的自动送进和焊炬的 自动行驶，也仅能实现自动引弧，维持电弧稳定和依靠轨道沿焊缝仿形 等功能11 1 。 进入7 0 年代末，微型计算机技术迅速崛起，并且广泛应用于在工业 控制的各个领域，显示出无以比拟的优越性，由此焊接自动控制也进入 了一个全新的发展阶段。借助于功能强大的微型计算机技术，焊接自动 控制技术如虎添翼，发展势头迅猛。计算机在焊接自动控制方面的应用 各种各样，简单的可根据材料种类、厚度自动选择并调整规范，。复杂的 可对整个焊接过程实现自适应控制及最佳控制，如日本的小松制造所研 制的具有光电传感器的计算机数控自动焊机，即采用微型计算机对焊缝 轨迹用数控方式进行预调，当由于焊接变形、安装误差等原因引起焊缝 位置形状出现细小误差时，由光电传感器检测出该误差，并将其转换成 电信号反馈给微型计算机，微型计算机对此作出分析判断后控制焊枪作 出相应的调整，实现焊缝的自动跟【1 2 - l4 1 。 伴随着自动化控制的发展，弧焊机器人相继出现并以“爆炸性 的 速度推广普及，各个国家在生产中广泛使用弧焊机器人用以代替单调重 复、劳动条件差的手工电弧焊，极大地提高了生产效率和焊接质量。有 资料显示，到l9 9 0 年为止，美国通用汽车公司使用的焊接机器人的总数 已达14 0 0 多台，为公司每年节约劳工费用约7 亿美元【l 5 - l 6 1 。 综上所述，时至今日国外自动化焊接设备已经达到了相当高的水平， 硕十学位论文 主要有以下六个特点：( 1 ) 开发了专门用于焊接的微处理器控制系统， 结构复杂，功能繁多，大量使用了16 、3 2 位的c p u ，很多则使用了d s p ( 数 字信号处理器) 技术，其主要目的是为了提高运算速度，实现先进的控制 算法。( 2 ) 具有丰富的人机对话内容，操作人员可以输入焊接相关参数， 适应各种应用场合，并且参数可以设置成多组，并可以根据需要随时调 整。( 3 ) 电源采用逆变技术，降低制造成本，提高电源转换效率，高效 节能，减小体积和重量，并具有很好的控制特性，输出功率范围宽广【l 。 ( 4 ) 带有通讯接口，一般是r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口或以态网，可以与工 作站进行数据交换，方便工艺管理和操作；另一个方面，可以与焊接专 家系统构成一个功能更加强大、完善的焊接系统。( 5 ) 伺服系统采用新 技术，如伺服电机、步进电机、变频器技术。( 6 ) 高新技术不断投入实用。 如焊接区域图像传感、c c d 焊缝自动跟踪、双面t i g 焊接等高科技术日 趋成熟。 1 3 管道焊接自动化的发展概况 在电力、冶金、石油、化工和锅炉等行业中，管道焊接所占焊接生 产的比重较大【1 8 】。而影响管道焊接质量的因素主要是焊接设备、焊接工 艺和焊工的水平这三个方面【”】，因此为了进一步提高焊接质量，有赖于 自动焊技术的发展。 早在2 0 世纪6 0 年代，国外就开展了管道自动焊设备的研究开发和 应用工作【20 1 。由于工业及军事的需要，国外焊接工作者开始致力于管道 自动焊接设备的研制。7 0 年代初，英国市场上已有几十种管道自动t i g 焊和m i g 焊设备；美国的霍伯公司、米勒公司也生产出自动t i g 和m i g 焊机；在此期间，我国水电部引进了a m 1 l 型焊管机，该机可焊直径 5 0 10 6 6 m m 的管子，厚度可达7 6 m m ，焊管机配有两种机头，电源为晶体 管电源，焊机可根据焊材、管径、壁厚、坡口形式和焊接位置选择不同 的焊接方法；另外，瑞典伊萨公司、日本三菱公司和日立公司也生产出 了自己的产品【2 1 1 。 7 0 年代后期，我国也开始了管道自动焊的研究。其中较典型的有清 华大学研制的q s m 型数控钨极电弧焊管机，该机把焊接电源一双反星型 晶闸管电源和数控部分装在一个机箱里，焊接环缝的一周规范分八段进 行调节，整个焊接过程为无触点控制，焊炬位置采用脉冲来测量；另外 武汉水利学院和山东电力共同研制了小口径管道自动焊机，在电源方面 有了更新，采用大功率晶体管数码控制，可实现焊接全过程自动控制【22 1 。 随后，微型计算机的使用使焊接技术飞速发展，它使焊接过程的自 5 小口径阀门内环缝自动焊设备的研究 动控制由简单的程序控制、恒定参数控制发展成为多参数综合控制、焊 接过程的自适应控制以及焊接过程的智能控制，利用计算机控制焊管机 的典型产品已有e s a b 、p r o w w e l d e r 2 5 0 、p o l y s o u n d e 、 a u t o t i g 2 5 0 等机型 2 3 】。 目前，国际上研究焊接装置的公司众多，如法国的梅萨公司主要研 究小管径的管子焊接，在航天航空工业、核工业的高精度焊接领域占有 很大的份额。该公司的自动焊接采用细丝t i g 焊接工艺，具有相当高的 焊接质量，但相对于m i g 焊而言效率比较低。而美国的c r c 公司、巴顿 焊接研究所、德国的v e n t e 公司却在大管径管道的焊接方面有比较深入 的研究，其焊接工艺采用m i g 焊，利用计算机全程控制焊接过程。在确 保焊接质量的前提下，焊接效率高，而且配套设施齐全。这些自动焊设 备虽性能各有不同，但都代表了这几个国家管道焊接设备在世界上的领 先水平。尤其是近几十年来，美国c r c e v a n s 公司自动焊设备在世界 范围内被广泛使用，显示出管道自动焊接的强大生命力，据不完全统计， 截止19 9 6 年底，美国c r c e v e a n s 公司的管道自动焊接设备在世界四 大州累计焊接管道3 0 0 0 0 余公里，得到了多家业主和管道承包商的认可， 如加拿大的努法公司、美国阿科公司、以及中东、东南亚、欧洲等管道 建设承包商【24 1 。 1 4 焊接自动化发展趋势 目前焊接自动化技术与装备的主要发展趋势是数控化与智能化。 焊接技术与装备数控化就是以工业化计算机控制模块取代传统的继 电器或模拟电子控制系统，通过控制程序对焊接过程与装备的参数进行 精确的数字量控制。先进器件包括各种计算机控制模块、接口( 电路) 模块、伺服电动机、步进电动机及其驱动模块等，近阶段，我国主要从 国外借鉴学习，促进了我国数控化焊接设备的迅猛发展。如我国自主研 。 发的b i p t 一3 型无导轨全位置智能焊接机器人其控制核心是p l c 控制模 块，5 个自由度采用交流伺服电动机与微细分步电动机驱动，可以说是在 合理应用国外先进手段的基础上创造出了我国自己的新型焊接机器人， 由于采用的是国外批量生产的工业化模块，因此也在很大程度上保证了 机器人的可靠性。 焊接技术与装备智能化的最高目标是在各种焊接环境下用计算机智 能控制来代替人工操作，即计算机自动识别焊缝位置、焊缝成形等焊接 过程信息，并自动决策进行拟人闭环控制。鉴于焊接过程的复杂性，迄 今为止许多焊接工程仍然是依靠焊工紧盯焊缝进行操作的，只能在某些 6 硕十学位论文 情况下做到自动化焊接，所以焊接智能化的关键是研发新型焊接传感器。 焊接生产自动化技术是先进制造技术的重要组成部分，随着计算机 技术、电子技术、数控技术及机器人技术的发展，近2 0 年来在自动焊接 技术及装备方面已取得突飞猛进的发展与提高，在我国也已涌现出一批 技术相当先进的焊接设备制造厂及持续研制开发焊接自动化新技术、新 产品的科研单位，这就为大规模发展应用焊接自动化技术奠定了坚实的 基础。 1 5 本文研究内容及主要工作 本实验虽然是针对小口径阀门内环缝焊接设备进行研究，但在设备 的实验阶段不可能真正拿小口径阀门进行实验，而阀体内环缝的焊接方 法，又与管材内环缝的焊接大致相同的，故可拿小口径钢管代替小口径 阀门进行焊接。现今，大口径管材的焊接，无论从内壁还是外壁焊接， 工艺和设备都已非常成熟，大都采用自动焊工艺，如埋弧焊、c 0 2 气体保 护焊等；且自动化程度相当高，如全自动管焊机。但小口径的管材对接 的环焊缝，大都从外壁焊接，采用单面焊双面成型技术，只有外部无法 焊接的特殊工件，如上述的阀体内壁的环焊缝，才从阀体内壁进行焊接， 故内环缝的焊接设备和技术还有待发展。此前，哈尔滨锅炉厂用气体保 护焊，为内径约为o l5 0 m m 的管材从内壁进行了堆焊，但管内堆焊与管 内环焊缝的焊接又有所差别。管内堆焊时，焊丝和管壁轴线方向的夹角 可以不是9 0 。；而焊接内壁环焊缝时，由于有坡口，焊丝和管壁轴线方 向的夹角必须在9 0 。左右。而气体保护焊焊枪的夹角一般在l2 0 。，管径 大时，可以抬高焊枪的尾部，获得焊丝和管壁轴线方向的夹角在9 0 。左 右。而小口径管内壁焊接时，由于管径小，焊枪在管内受到限制，要求 焊枪夹角为9 0 。，焊丝的送进、焊接过程的跟踪、监控等都很难实现， 尤其是直径小于o1o o m m 的管材。经了解，温州地区高温高压阀体需要 从内壁焊接的内径最小为4 2 m m ，有的则相对来说内径较大，但到 0 3 4 0 m m 以上时，由于空间较大，易于焊接。所以本课题从最小内经 4 2 m m 开始，分为4 2 1o o m m 、10 0 3 4 0 m m 两段进行研发，而本实 验主要从事直径ml0 0 一3 4 0 m m 大小的自动焊接设备的研制。 主要内容：研制一套适用于高温高压阀体内壁环缝焊接的专用设备， 其中包括焊接机架的选择、变位机的设计、焊枪的设计、p l c 与触摸屏为 基础的控制系统设计、焊缝跟踪设计等等，实验设计的自动焊设备要能 进行自动和手动两种方式的焊接。 7 小口径阀门内环缝自动焊设备的研究 1 6 论文结构安排 本论文的第一章为绪论，讲述了自动焊接设备的国内外研究现状以 及管道自动焊的现状，从而导出本课题的内容，即阀门小口径内环焊缝 的自动化设备研究。第二章给出了自动焊设备的总体框架与焊接流程， 给出了自动焊接设备的组成，并对整个焊接流程进行了简要说明。第三 章是自动焊接设备硬件设计，详细叙述了设备的各个组成部分以及设计 思想。第四章是自动焊接系统的设计，包括p l c 的设计、触摸屏的设置、 焊缝跟踪的选择等等，表达了控制方法的实现。第五章是自动焊接设备 的工艺选择，描述了设备所选择的焊接方法以及电压、电流、焊丝等参 数的选择原则，旨在为进行焊接实验时提供指导。第六章是自动焊接设 备的抗干扰设计，分别从电源、印刷电路、变频器、p l c 、触摸屏等主要 组成部分的角度，论述抗干扰措施。最后提出了本实验的研究结论。 硕+ 学位论文 第二章自动焊设备总体框架与焊接过程 自动焊设备的总体框架如图2 1 所示，主要由焊接电源，送丝机， c 0 2 气瓶，焊接机架，焊枪摆动机构，焊枪，系统控制柜，传感器，焊接 夹具，变位机，p l c 等组成。这套设备可以进行不同直径阀体的焊接， 焊枪稳定的固定在被焊件前的焊接机座上，可上下、前后、左右调节， 工件夹持装置也可对工件进行翻转和回转，同时焊接机座也可进行调整， 经过p l c 编程，通过与主机和触摸屏通讯，借助控制柜上触摸屏对焊接 过程进行实时监控和调整。 图2 1 自动焊接整体系统 原理流程如下：首先通过p l c 编程，将程序流程设计存储，利用触 摸屏建立起人机界面，全程监控和控制设备的运行，从而为自动焊接的 实现，提供了软件方面的支持。将各个焊接系统组件通过控制柜联系起 来，构成完整的自动焊接