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文档简介

轨道式焊接机器人机械设计及控制系统 姓名 专业班级 机自1011指导教师 一 研究意义 管道运输具有一下几个特点 1快捷 2经济 3可靠 4可用于多种物质 水 原油 天然气 成品油等 5运输量大 6远距离运输 7安全性高等等 而管道运输的主要载体是长距离管道 因此管道接口的自动化焊接就有重要的研究意义 二 研究目的 针对目前石油输送管道自动焊接的问题提出一种移动式焊接机器人系统 该系统由轨道小车和机械臂组成 可以实现对接管道的自动焊接工作 提高焊接质量及工作效率 三 焊接机器人国内外研究情况 国外焊接技术发展概述现如今国外已经在众多工业中运用到焊接机器人 国外的焊接机器人主要有两大系类 日本系类和欧洲系类 日本系类的机器人性能良好 主要研发机器人的公司有安川 OTC FANUC 松下等 对于焊接机器人的研发日本也走在世界前列 并且自动化焊机器人运用已经获得一定的成绩 拥有许多成型的焊接机器人产品并应用于某些管道工程当中 日本享有 机器人王国 的美誉 工业的机器人总量超过50万台 6 成为工业机器人数量总额最大的国家 并且日本已经把工业机器人合理的运用到实际的生产当中 提高产品质量 为经济发展提供动力 欧洲系列机器人也有自己的特点 不仅生产效率高 而且机器人的能耗相对较低 主要的研究公司有德国的CLOOS 瑞典的ABB等公司 自动焊接设备也受到欧美许众多达国家的重视 如 1 CRR公司 2 德国的VIETZ公司 3 美国的MAGNAI和ECH公司 4 英国的NOREAST公司 5 荷兰的VERAWELD公司等 各公司的自动化焊接机器人良好平的用于实际的生产当中 包括汽车制造业 船舶制作业 铁路维修业 兵器研发业 桥梁建筑修建等行业 快速发展的工业机器人对降低成本 减少劳动力 改善工作环境 提高工作质量都起到了重要的作用 可以说于直接决定了一个国家的发展水平 国外发展情况 2000年 美国CarnegieMellon大学机器人研究所研制了一台名为ROWER的四腿行走的移动平台 平台上安装有一台焊接机器人 采用 遥控 自主方式 工作 已经初步应用到造船工业中 日本庆应大学学者Suga等为平面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人 该移动焊接机器人的移动平台采用三轮式 其中两个驱动轮在移动平台的侧面 前面有一个自位轮起稳定作用 国内焊接技术发展概述焊接机器人在国内受到重视的时间与国外有一定的差距 现阶段国内焊接机器人主要应用于一下几个行业 1 汽车业 2 摩托车业 3 工程机械 4 铁路机车 10 应用于长距离管道施工的技术还有一定的不足 管道接口的焊接大多数情况下仍然运用手动焊接 手动焊接不仅收到工作环境 焊接位置的限制 而且焊接质量也有待提高 因此自动化机器人焊接的发展十分重要 在20世纪80年代后 越来越多的机关开始重视管道焊接机器人的研究开发 越来越多的科研机构 大学院校 施工单位逐渐着手自动化焊接机器人的研究工作 在应用于实际生产工作中获得了较大的进步 对石油 天然气等物质的远距离运输提供了重要的运输途径 促进了制造业的的发展的同时也推动我国经济的高速发展 但从总体来看 我国的自动化焊接机器人技术水平和在实际生产中的应用程度与国际一些国家比还有一定的差距 如何提高自动化机器人水平使工程的焊接质量提高是我们必须面对的问题 只有合理的运用自动化焊接机器人 提高生产的效率 才能提高我国产品的国际竞争力 国内发展情况 清华大学和北京石油化工学院在国家863计划支持下研制的LL 2管道焊接机器人 该机器人采用永磁轮吸附管道 采用双CCD视觉传感器识别预先画出的与焊缝平行的曲线 该机器人的焊枪位于移动平台的后方使得磁轮骑跨在管道上 铝制轻型刚性轨道 齿轮齿条传动 车体载有焊枪二维姿态调整模块和焊枪摆动模块 实现构件的多种焊接方式 该机器人于2006年在国家体育场 鸟巢 工程中成功获得应用 四 研究内容 本课题针对目前石油输送管道的自动焊接问题提出一种4自由度移动式焊接机器人系统 该机器人系统由轨道 小车和机械臂做成 机器人的研制成功可以实现对接管道的自动焊接工作 降低工人的劳动强度 提高焊接质量及工作效率 五 主要工作 1 机器人的工作范围分析2 轨道式焊接机器人运动分析3 移动式焊接机器人机械结构设计4 建立焊接机器人的三维模型和二维平面图5 轨道式焊接机器人电路控制系统设计 1 机器人的工作范围分析 机械臂径向移动范围100mm 轴向移动范围150mm 焊枪摆动范围 30 小车转动范围360 2 轨道式焊接机器人运动分析 D H坐标系的建立 2 轨道式焊接机器人运动分析 机器人的D H参数连杆的变换矩阵 3 轨道式焊接机器人机械结构设计 轨道式焊接机器人的结构各关节电机与减速器选型轨道式焊接机器人关键零部件校核 轨道式焊接机器人的结构 小车结构 轨道结构 轨道式焊接机器人的结构 小车和刚性导轨之间的连接件 轨道式焊接机器人的结构 机器人机械臂的设计 各关节电机与减速器选型 轨道式焊接机器人关键零部件校核 第4关节蜗轮蜗杆的校核蜗轮蜗杆的校核包括 1 蜗轮齿面接触疲劳强度 2 蜗轮齿根弯曲疲劳强度 蜗轮齿面接触疲劳强度计算接触应力的公式为 通过 机械设计 17 可知K KAK Kv 因为此设计摆动机构的载荷不大 所以取K 1 因载荷均匀 取KA 1 蜗轮的转速为 rad s 所以取Kv 1 15 所以推出K 1 15 蜗轮蜗杆的相关参数为 d1 20 a 30mm 所以 通过 机械设计 图11 18可知Z 2 6 T2 2 77N MKHN为接触强度寿命系数 N为应力循环次数 KHN 因为 129 35 159 72 所以蜗轮齿面接触疲劳强度符合要求 蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算弯曲应力公式为 蜗轮蜗杆的参数为 z1 4 z2 32 m 1 25 K 1 15 T2 2270 r 14 04 d1 20 d2 40由 机械设计 图11 9得出 YFa 2 5 11 所以蜗轮齿根弯曲疲劳强度合格 第2关节轴承校核关节2选择深沟球轴承 通过前面的质量设定 确定Fr 90N Fa 50N 轴承的转速 33r s 198r min预期在正常的工作条件下 轴承的使用寿命为Lh 5000h 由 机械设计 表13 5可以了解0 56大于深沟球轴承的最大判断系数e 0 44 所以X 0 56 初选Y 1 6轴承的当量动载荷P由 机械设计 查处其公式为 同过查 机械设计 中的表13 6 可以确定fp 1 1P 1 1 0 56 90 1 6 50 143 44N轴承基本额定动载荷C 由 机械设计 表13 4选出ft 1所选轴承的相关参数为 d 8 D 16 B 5 C 1320N C0 650N根据数据求出相此时的轴向载荷所相应e和Y 由 机械设计 表13 5可知 0 077在0 07 0 13范围之间 通过直线插值法求出Y对应值 P 1 1 0 56 90 1 577 50 142 175N由于要求的使用寿命为5000h 小于实际寿命5135 5h 所以本轴承的选择符合标准 4 建立焊接机器人的三维模型和二维平面图 机器人的三维模型 视频仿真 4 建立焊接机器人的三维模型和二维平面图 二维平面图 5 轨道式焊接机器人电路控制系统设计 可编程控制器和驱动器的连接 驱动器与步进电机的连接 5 轨道式焊接机器人电路控制系统设计 轨道式焊接机器人总电控图 5 轨道式焊接机器人电路控制系统设计 轨道式焊接机器人控制柜的设计 结论 本文针对手动焊接的众多不便之处 提出四自由度轨道式焊接机器人 并进行了机械结构设计和电路控制系统的设计 并建立了机器人运动学 验证校核了关键零部件 论文主要完成如下几个任务 1 移动式焊接机器人小车及轨道机械设计 为机械臂的准确定位做基础 是整个机器人设计的基本环节 2 机器人机械臂的方案设计 提高焊枪定位精度 实现管道接口的正

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