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爬管式
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1 摘要：管线输送是天然气输送中最主要、最迅速、经济、可靠的方式，输送水、原油、天然气、成品油等，输送量大，距离长，安全性高，具有成本低等优点，各国的发展迅速。管线运输行业的主体是管道,管道工程的核心工作是喷嘴的焊接。因此，研究高效、性能可靠的管道全位置焊机具有非常重要的意义。为解决管道建设野外作业自动化焊接难题,开发了导轨式管式焊机,其主要技术包括:新型行走机构、焊枪摆动机构及机器人轨道,开发焊枪机器人。介绍了导轨式焊机的结构设计和焊机控制，重点介绍其结构特点、工作原理、设计要点。现场的应用,该机器人能够沿着导轨稳定可靠地行走,可以进行管道焊机的全位置焊接,其操作简便,成本低,符合我国现场施工作业及工人的技术水平,保证焊接质量,提高劳动效率。 关键词：焊接机 ；结构设计； 管道 ；机械手 Abstract: Pipeline transportation is the most important, quickest, economical and reliable method in petroleum transportation. It can transport water, crude oil, natural 2 gas, oil product etc. It has a number of advantages: high transmission volumes, long distance, safety and cost-effectiveness, which is rapid developed in all the world. The subject of pipeline transportation is pipeline; the core of pipeline project is nozzle welding. So, it has very important significance to develop high efficient and reliable performance pipeline all-position automatic welding machine. An orbit pipeline welding robot has been developed to solve the problem of automatic welding during pipeline construction in the fields. Its key techniques consist of developing a new type of travel unit, welding torch as cillating unit, robot orbit and intelligent control system etc. The development work of the orbit pipeline welding robot mechanic system is introduced in the paper. The main illustration is about the systems structure，action principle，key points of design and machining technies and verifying calculation for selecting reduction gearbox with the wire feeder motor and the diameter of the wire-feed wheel. The application in fieldwork shows that the robot can trave1 along the orbit stably and reliably and carry through all-position welding. The welding is easy with low cost that is fit for fieldwork and worker in our country，guarantees the welding quality and improve working efficiency. Keywords: Orbital welding machine ；construction design ；pipeline； Manipulator 3 1. 1. 绪绪 论论 1.1 课题背景及研究意义课题背景及研究意义 现代工业的快速发展，对焊接工艺不断提出了较高的要求，现代工业和科技的新实现为焊接方法和焊接设备的发展提供了广泛且充分的技术基础焊接工艺和焊接设备在现代工业和科技的推进下协同发展。另一方面，管线输送是天然气输送中最主要的，是最快、经济、可靠的方式，输送水、原油、天然气、成品油等，输送量大，距离长，具有安全性高、成本低等优点，各国的发展迅速。据统计，国外一些发达国家石油？气体输送方式的油输送量是石油？占气总量的约 2/3，是石油？气体的管线输送对原油、天然气的生产、精炼、储存及对用户的全过程发挥着重要的作用。现在的管道工程已经从手工焊接发展为全自动焊接方向发展的管道建设地区跨度大,沿线施工环境恶劣,加之管道运输逐步向高压、 大口径方向发展,它对管式焊接的焊接提出了更高的要求,管环焊接的焊接成为制约施工质量和建设周期的关键因素的野外焊接环境非常恶劣,焊工劳动强度大,由于技术难度大,需要在施工上实现管道自动焊接,提高了生产效率,保证了焊接质量,降低了劳动强度和施工成本。另外，自动焊接能大幅度降低操作技术的难度，难以培育出焊接工艺，能够解决流失严重等问题的本设计的目的是进行管道建设野外作业管道焊机结构设计,体积小、重量轻、加工成本低,运动精度高,操作简便，且满足各项性能指标 1.2 管道焊接机管道焊接机的发展及应用的发展及应用 1.2.1 焊接机焊接机的发展历程的发展历程 自 1959 年，美国推出世界上首次的 Ultimate 型机器人以来，工业机器人的数量在世界上增加，通常他们用于焊接、喷涂、薄拉伸、组装、拾取搬运、检测和测量，其中半数为焊机。在重工业的许多领域中，大直径的管环缝焊需要劳动密集的手动焊接，要求工人苛刻的技能要求和注意力。由于对焊接的柔性和焊接高度的高要求和高要求，焊机在许多工业领域中提供了非常大的可能性，以提高焊接速度，特别是焊接质量。到目前为止，焊机大致分为 3 代：第 1 代是基于示教再生动作方式的焊机， 操作简便， 在环境模型和示教时， 可修正因机械结构引起的误差等特征， 4 大量用于焊接生产。第 2 代是基于一定传感器信息的离线编程焊机，第 3 代是指搭载多种传感器，接受作业指示后，可以根据客观环境进行自我编程的高度适应智能机器人。焊机主要从事弧焊和点焊作业。电弧焊接机器人通常由二氧化碳、二氧化碳和氩气、氮气混合气体保护。焊接机的结构型式主要有多关节型、正交座标型、极坐标型和圆柱座标型这 4 种。点焊机器人的正交坐标型多，电弧焊接机器人多关节型多。电弧焊接机器人的作业机构一般具有点焊的复杂性，通常具有 5 个以上的自由度。目前，功能完整的焊机具有七个自由度。目前在中国开发的焊机一般为 5个自由度。在国外，为了提高工件(特别是大型工件)的焊接生产率，非常重视辅助设备的自动化水平，例如具备具备喷嘴的自动更换、焊丝的供给、电弧或过程异常的监视等功能的机构。早期焊机没有“柔性” ，焊接路径和焊接参数必须根据实际的工作条件预先设定，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、人工智能技术及网络控制技术的发展， 焊机也从单一独立的示教再现模具向以智能化为中心的多传感、智能化的灵活加工单元（系统）方向发展。 1.2.2 焊接机焊接机国内外应用现状国内外应用现状 世界上的焊接是制造工业，其产生广泛用于建筑、桥梁、汽车、航空航天、能源、造船和电子工业的万美元。另一方面,越来越多的商业工业机器人广泛地应用于制造和组装操作,例如材料处理、点/电弧焊接、零件安装、涂料喷涂、机械解吸和太空和海底。促进焊接产业的快速发展。近 10 年，日本、米、俄罗斯、英、法国等投入了大量人力，物力从事焊机的开发工作，其中日本焊机的发展速度特别令人惊讶。日本从 1978 年开始开发了点焊机器人，1980 年开发了第一电弧焊接机器人。1981 年，日本生产 1500 个焊机，产值达到 145 亿日元，从日本工业机器人的第六位跃升到第二位。目前，10 家工厂每年都有生产 1000 台焊机的能力。日本开发了焊机？普及，1982 年建立了全国机器人焊接研究委员会。另外，在大阪、东京、名古屋等大阪、东京、名古屋等设置的大部分日本企业，1984 年在生产线上配置 1300 名机器人。 2000 年庆应义塾大学 M.Muramatsu 等人开发了管内微焊接机。焊接操作可以通过在 90弯管中行走来完成。日本的原子能研究中心和东芝共同开发了内部管激光焊接和刀具。 台湾国立大学开发了防护金属弧焊视觉传递移动焊机。 搭载 CCD 相机， 检测焊接接头的位置， 并根据测得的数据指导焊接作业。 目前， 5 全世界有 7 十余种焊机在各种生产线上从事焊接作业。日本的焊机，根据数量和智力的程度，在世界上占据了很大的优势，被美国和英国等出口。预计今后几年，日本焊机的产量会急速增加。 我国在 20 世纪 70 年代末开始研究焊接机， 起步比较晚。经过 20 多年的发展，在焊接机技术领域取得了长足的进步，对国民经济的发展起到了积极的推动作用。 据不完全统计， 近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过 40%，焊接机的增长率超过了 60%；2004 年国产工业机器人数量突破 1400 台， 进口机器人数量超过 9000 台， 其中绝大多数应用于焊接领域； 2005年我国新增机器人数量超过了 5000 台，但是仅占亚洲新增数量的 6%，远小于韩国所占的 15%，更远小于日本所占的 69%。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉， 制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限制。 当前焊接机的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。 1.2.3 焊接机焊接机技术展望技术展望 为了适应工业生产系统向大型、复杂、动态和开放方向发展的需要，发达国家都在加大力度，对机器人技术进行深入研究。从技术发展趋势看，智能化控制技术将是焊接机技术发展的主要方向。 目前焊接机正从第一代反复操作型机器人向第二代带有传感器的知觉判断机器人发展， 也即由目前的固定式机器人逐渐向具有肌肉一样的调节器、具有感觉和识别机能的双足行走的活动式机器人发展。多传感器信息智能融和技术将广泛应用于焊接机上。早在 1981 年，美国的 HILARE 是第一个应用多传感器信息来创建世界模型的可移动机器人，它充分利用视觉、听觉、激光测距传感器所获得的信息，以确保其能稳定地工作在未知环境中。韩国的 Park Joong-Jo 研制出来的智能传感器能同时处理 6 个自由度数据，与传统传感器只能测量一个自由度数据的功能相比，性能大为提高。韩国汉阳大学研制出了激光视觉传感器自由焊缝示教式焊接机。 随着海洋石油和天然气工业的发展以及我国海洋工 6 程向深海的挺进,发展水下干法焊接技术势在必行。 挪威 Sintef 高压焊接中心研制了一套水下高压干法管道维修系统，可从事 1000m 水深的焊接，能焊补直径为 842 英寸的管道， 采用全自动的轨道 TIG 焊机， 目前已完成在 334m 水深的管道焊接。英国的 OTTO 系统主要由焊接舱和轨道 TIG 焊机组成，整个系统采用光纤传导和计算机进行监控，在 135m 水深进行试验，取得了较为满意的焊接质量，焊缝断裂强度达到 550Mpa。焊缝跟踪系统焊接机发展迅速，越来越多地应用于去毛刺加工、胶合和焊接等。视觉控制技术、模糊控制技术、智能化控制技术、虚拟现实技术、神经网络控制技术、嵌入式控制技术等是未来焊接机发展所要解决的一些关键技术。 1.3 管道焊接机管道焊接机的研究现状的研究现状 1.3.1 管道焊接机管道焊接机国外研究现状国外研究现状 管道焊接广泛应用于各个工程领域当中，比如：油气工业、核能与热能工厂和化工厂。管道焊接机采用熔化极外圆焊接技术，最早出现于 20 世纪 60 年代末期。MIG 金属焊丝惰性气体保护焊是美国制造业四十多种焊接中的一种，它是一种连接两个相同材料尤其是碳钢材料经济的方法。 美国 CRC 公司率先研制成功了一种高效管道焊接系统，即 CRC 多头气保护管道自动焊系统，并于 1972 年将该项技术应用于管道施工获得成功。起初只是焊接小车带动焊枪行走，焊接参数（焊接电流、电压、焊接速度等）均为手动控制。目前，生产外圆自动焊接设备的除了美国 CRC公司外，还有德国 VIETZ 公司、美国 MAGNATECH 公司、荷兰 VERAWELD 公司、英国Noreast 公司、法国 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 公司的双枪焊接系统在世界范围内具有很高的技术水平。到目前为止，CRC 公司生产了 P300，P400，P500 和 P600 4 个型号的管道焊接机自动焊机。其中 P500 和 P600 是双焊炬管道焊接机自动外焊机,它采用了水冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和带有熔滴过渡单元(CDT)的脉冲焊接电源，焊接参数可编程并储存在可方便更换的控制卡上， 并根据焊接工艺以及焊接材质的变化要求，随时离线编程。P500 和 P600 适用于窄间隙叠焊或宽间隙排焊,还可完成根焊。生产效率比单焊头自动外焊机提高 40%50%。缺点是焊枪采用强迫水冷却， 7 给实际应用带来许多不便。法国 SERIMER DASA 公司生产的 Satur2nax Bug 双焊头外焊机，采用了风冷式焊枪、外挂推丝式送丝机构和专用的脉冲焊接电源，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元分置，可进行在线编程，可完成根焊、窄间隙叠焊或宽间隙排焊。总体性能与 CRC 的 P500 和 P600 类似。其缺点是双焊头的摆动不能单独控制，计算机焊接编程控制单元和焊车运动控制单元体积偏大。其中，CRC 公司生产的焊接机已焊接了长达 50000km 的管道。这些厂家的设备虽然外形各具特点，但在控制方面，不外乎是计算机控制焊接参数和人工调控焊接参数两种方法。 1.3.2 管道焊接机管道焊接机国内研究现状国内研究现状 近年来，工业管道在不同的部门如化工、石化、核能和石油中起到了基础性作用27。我国管道建设起始于 20 世纪 70 年代，管道焊接施工很长一段时间都只是停留在手工焊、半自动焊的水平上。这种焊接机没有自动搜寻焊缝位置功能。这就需要操作者必须观察焊接位置并调整焊枪。 如果操纵者操作不正确就会导致焊缝缺陷。所以焊缝位置跟踪全焊接机就应运而生28。虽然我国管道事业发展较快，但具有自主知识产权的管道焊接机自动焊机还比较少。 国内典型的管道自动焊机在吸收引进国外先进的自动焊机经验的基础上， 国内一些单位成功地研制开发出适用长输管道环焊缝施工的外圆自动焊机， 其中以中国天然气集团公司工程技术研究院研制的 APW-型外圆自动焊机、石油管道特种施工机具研究所研制的 PAW2000 管道焊接机自动焊机为代表。APW-型外圆自动焊机采用以直流脉宽调速为基础，位移传感检测闭环控制为核心的硬件控制电路，在管道焊接机自动焊接过程中，焊接参数如电流、电压、焊速、焊枪摆动速度、摆动幅度、两端停留时间，既可预先设定又可分别实时调节。焊机的这一特点使之更加适用长输管线现场组对的复杂情况，在坡口存在错边、宽窄不一等工况下，通过实时调节，均可获得优良的焊缝。APW-型外圆自动焊机主要用于中大口径管道外环焊缝热焊道、填充焊道、盖面焊道的焊接。PAW2000 管道焊接机自动焊机整套设备由焊接小车、环形可拆卸轨道、计算机自动控制柜、手操作盒、计算机和其他一些辅助配件组成。每台焊接工程车均具有根焊的功能热焊、填充焊和盖面焊的功能。 8 2.2. 爬管式爬管式管道焊接机管道焊接机总体总体结结构构设计设计 2.1 焊接机焊接机总体要求和技术指标总体要求和技术指标 管道全位置自动焊接就是在管道相对固定的情况下，借助于机械、电气的方法，使焊接设备带动焊枪沿焊缝环绕管壁运动， 从而实现自动焊接。 焊接机能够实现平焊、立焊、 横焊和仰焊的全位置和大型管道的全位置焊接。设计本焊接机应满足的基本要求是：在满足预期功能的前提下，性能好、效率高、重量轻、成本低，在预定使用期限内安全可靠、操作方便、维修简单和造型美观等。管道全位置焊接机既要求结构紧凑，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。本 9 焊接机的主要技术指标如下： 可实现 1030仰角，焊接管径 2m。 2.2 焊接机焊接机总体方案的确定总体方案的确定 管道全位置焊接机是由机械系统和微机智能控制系统组成， 机械系统是管道全位置焊接机的执行系统。 管道焊接工程现场施工都在野外作业， 而且环境相对比较恶劣，一般施工周期也比较长，为了满足现场要求，达到焊接质量和提高劳动效率，本设计焊接机要求重量轻、体积小、操作简单、安装调试和维护方便，故本管道全位置焊接机采用模块化设计，包括焊接小车和轨道两部分，其中焊接小车包括以下模块：行走机构、横向调整机构、高度调整机构、倾角调整机构、焊枪摆动机构、送丝机构。焊接小车通过夹紧机构安装在焊接轨道上，带动焊枪沿管壁外径作圆周运动，小车上的摆动机构、横向与高度调整机构用以实现焊枪的横向摆动跟踪和上下移动。送丝装置可外挂在焊接小车上，并与焊接小车绝缘，这样可方便换丝，提高工作效率。整机主要部件采用强度高、重量轻的铝合金 2A16 加工而成，从而使整机重量轻并满足强度要求。 2.3 管道焊接机管道焊接机自动焊机的设计基本思路自动焊机的设计基本思路 管道焊接机自动焊机的设计采用以下基本思路: 焊接小车:焊接小车带动焊枪自动行走，于其上可实现焊枪位置的上下、左右调整以及焊枪角度调整。 导向轨道:焊接小车依靠导向轨道实现自动行走。轨道装拆简便易行，安装时定位准确。 焊接机械手:焊接机械手夹持焊枪实现焊接。拆装方便，稳定性好。 2.4 小车行走机构小车行走机构 2.4. 1 基本工作原理基本工作原理 行走机构采用齿轮传动方式。由伺服电机驱动主齿轮旋转，再通过介轮与导轨上的齿啮合，导轨是固定于待焊管道的外径上，从而使行走小车沿管道外径滚动行走。为了确保行走小车在导轨上行走时，始终与导轨端面平行，将其滚轮接触 10 面轴向尺寸设计为与导轨上接触面宽度尺寸相同，并为间隙配合方式。这样一旦导轨与待焊管道的坡口位置确定，行走小车也相对坡口位置固定。 夹紧机构用以使行走小车与导轨动态连接布一起。如图 1 所示，夹紧机构上的压紧轴将压紧轮和滑块与车体连接，再通过螺母和定位套将高度尺寸固定，使之成为一个组件，用紧定螺钉通过挡板块顶住滑块，从而使滑块带动压紧轮做轴向运动，进而使它与导轨端面的内锥面始终处于压紧状态。 图 2-1 夹紧机构示意图 2.4.2 行走机构车体设计要点行走机构车体设计要点 小车有前、后两套滚轮在导轨上同时滚动，假设后面一套滚轮是与导轨紧密接触的，那么前面一套滚轮就有可能离开导轨滚动面(因为三点确定一个平面)，基于这点分析，安装前轮部分的车体设计为活动车体，如图 2 所示。当前轮确实没有与导轨滚动面接触时，可以调整前轮部分的活动车体，从而使前、后轮都接触良好，既保证齿轮间隙，又满足设计要求。 图 2-2 行走机构示意 11 2.4.3 行走机构滚动组件的设计要点行走机构滚动组件的设计要点 为便于装配，小车行走机构的滚动组件采取图 3 所示的结构形式。这样在组装时，可首先将滚轮、滚轮轴、间隔套及一侧轴承装配成一个组件，将另一侧轴承饢在车体上，然后，对准轴承孔将其组件压入(注意：滚轮的最大直径不能超过轴承的外径)。采用这种装配方式，容易保证前、后轮的位置精度；避免对车体的轴承仓造成损坏(车体的材料选定为铝合金)；降低了劳动强度；简化了装配工艺。 图 2-3 行走机构滚动组件示意 2.5 焊丝送进机构焊丝送进机构 一般可分为两轮送进机构和四轮送进机构，由于受整体空间的限制，采用两轮送丝机构。陔机构主要南送丝电机、压紧机构、焊丝导向管等组成。其工作原理为：送丝电机驱动主送丝轮及其主齿轮旋转， 通过主、从动卤轮啮合传到压紧轮上，焊丝经导向管从两轮之间通过，使进入焊枪的焊丝被修整得比较直，以便在焊接过程中不会出现卡丝现象。焊丝送进机构如图 4 所示。 12 图 2-4 焊丝送进结构示意 根据焊接工艺要求，一般送丝速度 v=125 mmin； 初步选送丝电机输入转速 n1=9 390 rmin；额定功率 P=11 kW；假定走丝轮直径 D=20 mm；则减速箱减速比 i=n1n2=n1v(D)=9 390 rmin12 500 mmmin(20 mm) 472 电机说明书上所配减速箱的减速比比较接近的规格只有 1：33 和 1：53。若选用 i=1：53 的减速箱，则 实际送丝速度 v=n1i(D)=9 390 rmin+53(20 mm) 11132 mmmin111 mmin，满足使用要求。 2.6 焊枪摆动机构焊枪摆动机构 焊枪的摆动机构主要由一个摆动中心传感器、 一个高速步进电机驱动滑块机构和焊枪夹持机构组成。其性能的好坏将直接影响焊缝的成形。根据焊接工艺要求，焊枪摆动到两端时必须有一定的停留时间，停留时间很短(一般为 O5 s)。摆动机构实际上是一个带间歇的往复直线运动的机构， 采用高速电机驱动控制技术，此间歇是由电机控制实现。 摆动机构的传动原理为：将高速步进电机通过联轴器带动滚珠丝杠旋转， 由于电机止口通过机座固定于行走小车上， 故丝杠旋转而滑块通过丝杠螺母作轴向直线运动，焊枪夹持机构与滑块相连，从而实现焊枪的摆动运动。根据预先设定焊枪的摆幅为25 mm，则确定滑块的有效行程为 60 mm。 13 2.7 焊接轨道焊接轨道 轨道沿管子外圆周装卡在管口处，其作用为支承焊接小车、导向并利用齿轮传动原理使焊接小车运动。 轨道装卡在管子上，是焊接小车行走和定位的专用机构。因此轨道的结构直接影响到焊接小车行走的平稳度和位置度，进而也就影响到焊接质量，轨道的结构应满足下列要求: (l)装拆方便，易于定位; (2)结构合理，重量较轻; (3)有一定的强度和硬度，耐磨，耐腐蚀。 目前，国内外的轨道设计不外乎两种;刚性轨道和柔性轨道。刚性轨道是指轨道的本体刚度较大，不易变形。柔性轨道则是相对刚性轨道而言。刚性轨道定位准确， 装卡时变形小， 可以确保焊接小车行走平稳， 焊接时焊枪径向调整较小，但重量较大，装拆不方便。而柔性轨道装拆方便，重量较轻，精度相对而言没有刚性轨道高。 焊接小车与轨道的传动方式有齿轮传动、链传动、摩擦传动。一般链传动由于链的抖动而造成运动的平稳性不好;而摩擦传动不能保证定比传动，容易丢转。这两种传动均不能满足要求，所以以使用齿轮传动为宜。 在具体结构设计时，可以将轨道上的齿加工成侧齿，这样相当于齿轮齿条传动，还可以将其加工成外齿，轨道就如同一个直径较大的固定齿轮。基于上述分析和实际工程需要， 选择柔性轨道较为适宜， 传动方式选择齿轮齿条(侧齿)传动。这样，轨道 上的侧齿易于加工与安装，也与行走机构的方案选择相吻合。以上设计均是依据结构功能作出的。 本研究设计的轨道采用分体式环形轨道，其结构形式如图 5 示。轨道是装卡在管子上供焊接小车行走和定位的专用机构， 因此轨道的结构直接影响到焊接小车行走的平稳性和位置度，从而影响到焊接质量。为此轨道的基本要求是：装拆方便、易于定位；结构合理、质量轻；有一定的强度和硬度，耐磨、耐腐蚀。 轨道通过对称的三个定位块支撑在待焊管径上， 行走小车通过齿轮啮合使滚轮卡在导轨上，以保证焊圆管同心，又为了适应不同的管径。轨道由两个半环组成，其连接方式如图 5 所示。考虑到两个半环组对时定位必须准确，分别在结合面处距离两端面轴向距离 26 mm 的圆周上制作有定位销，分别在距两端丽轴向 14 距离 14 mm 的圆周上用内六角螺钉连接。这样既易于加工，又保证装卡方便。 图 2-5 轨道结构简图 2.8 行走机构的设计计算行走机构的设计计算 最大行走速度 2400mm/min 平均焊接速度 300mm/min 2.8.1 等效负载转矩计算等效负载转矩计算 图 2-6 行走机构示意简图 按整个焊接小车全部质量施加于行走齿轮考虑， w=15kg， 行走齿轮为 17 齿，模数为 l.5mm。分度园直径为 d=mz=171.5=25.5mm 因此，焊接小车的重力矩为 15 摩擦力情况: 当行走小车处于水平位置时摩擦阻力主要来源于四个支撑在轨道体上的支撑轮。滚动摩擦系数为 0.03，轨道本体宽度为 140mm，那么滚动摩擦负载转矩为 美国见塞德公司生产的减速器，其恒定转矩为 24Nm，转动惯量为:，效率为 93%，减速比 因此换算到电动机轴上的等效负载转矩 T 为 2.8.2 等效转动惯量的计算等效转动惯量的计算 由于焊接小车的行走齿轮与齿圈啮合实际上等效于焊接小车上的行走齿轮固定不动，而驱动质量为 15kg 的齿条。那么此时，当量齿圈的转动惯量计算方法如下:行走齿轮的周长 L=d=80mm，由于减速比为 1:100，电机每转一圈，行走齿轮转 0.01 圈，其线位移为 0.0180=0.8mm，根据线位移脉冲当量的定义可知，电机旋转一周，齿条前进的位移为: 因此焊接小车的等效转动惯量为 根据动能定律，换算到电机轴上的等效转动惯量为 而与电机直联的减速器转动惯量 因此换到电机轴上的等数转动惯量为 16 3 3 焊接小车行走机构的机械传动焊接小车行走机构的机械传动 常用的机械传动部件有螺旋运动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部件等。其主要功能是传递转矩和转速。因此，它实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩与转速方向得到匹配。机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是传动类型、传动方式、传动刚性以及传动的可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响，因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、运动平稳、传递转矩大的传动部件。对工作机中的传动机构，既要求能实现运动的变换，又要求能实现动力的变换。也就是说既能实现圆周运动与直线运动、往复摆动的转换，又能实现圆周运动或转矩与直线驱动力的转换。对于信息机中的传动机构，主要要求具有运动的变换功能，只需要去克服惯性力和各种磨擦阻力及较小的负载即可。常见的传动机械有:丝杆螺母、齿轮、齿轮齿条、链轮链条、带传动、滑轮、杠杆机构、连杆机构、凸轮机构、磨擦轮、方向节、轮轴、蜗轮蜗杆、间歇机构等。 近年来，不通过机械机构而直接由电动机驱动负载的“DD”技术日益应用广泛， 应用这种技术需要低转速大转矩的伺服电机，并要考虑负载的非线性和祸合性等因素对执行电机的影响。但总的来说，机电一体系统对机械传动机构的基本要求有以下几个方面。 精密性:对机电一体化产品而言，应根据其性能的需要提出适当的精密度要求， 17 对机械传动机构的精密度要求越来越高。 高速化:产品工作效率的高低，直接与机械传动部件的运动速度相关，因而机 械传动机构的精密度应能适应高速运动的要求。 小型化，轻量化:随着机电一体化精密化、高速化的发展，必须要求其传动机 构小型化、轻量化，以提高运动灵敏度，减小冲击、降低能耗。 机电一体化对机械传动的基本要求为:精密化、高速化、小型化、轻量化，因此在设计管道焊接机自动焊机各部分传动机械时，在满足使用要求的前提下，尽量满足上述基本要求。 焊车小车简称焊车，其行走机构是实现焊枪沿管周运动的驱动力机构，在焊接时焊接速度即为焊车的行走速度。因此要求焊车行走机构行走十分平稳，且当完成焊接过程后，要求焊车快速空程返回。 3.1 电机的选择电机的选择 在设计焊车时要求其与轨道的装拆较为便利，这样，焊车的质量自然就要求轻，如果考虑到一个焊工能够较为轻松地搬运焊车，则其本身质量以不超过l0kg 为宜，加上考虑到焊丝盘的质量(中 1.0mm 的焊丝，每一盘质量为 5kg)因此，焊车的总质量约在 15kg 左右。电机减速各行走齿轮 图 3-1 行走机构示意图 在前面己叙述过焊车的行走靠其行走齿轮与轨道上的齿圈啮合来实现， 因此上整个行走机构最后的动力输出部件为齿轮。选定齿轮的模数为 m=1.5 mm(利用齿轮传动的强度理论，这一模数绝对满足使用要求)，在满足不发生根切的前提下可任意选定齿轮的齿数，这里选为 Z=20，则齿轮的分度圆直径 18 为: do=mz=30mm 若最大的焊接速度为 30m 而 S，那么行走齿轮的转速为 n=60v/d=19.1r/min。v焊耐接速度(mm/s) 假如焊接时，整个焊车的质量完全由行走齿轮带动，而且需克服摩擦阻力以及电 缆的重力，那么行走齿轮的输出力矩为: k安全系数 取 k=2 d0行走轮分度圆直径(mm) G 一一一焊车质量(kg) g重力加速度，9.8m/s 因此上行走齿轮的输出力矩为 4.41Nm，转速为 19.lr/min，行走齿轮与减速器的输出轴相联， 则减速器的输出转速为 19.lr/min， 输出力矩为 4.4lN m。 电机的输出轴与减速器相联。一般的交、直流电机的转速较高，中间需要配有较大降速比的减速器。交流步进电机一般体积较小，价格低，工作可靠，可做成全密封式， 之所以在工业领域得以大量应用， 还在于交流变频技术取得了长足的进步。 直流电机控制简单，低速性能好，但结构复杂，体积较大，存在碳刷需要经常的维护。 基于交流伺服电机的优点， 在设计时选用了松下生产的交流伺服电机，通过查产品样本，符合要求的交流伺服电机功率为 50W，额定转速为3000r/min，额定输出力矩为 0.16Nm。 3.2 减速器的结构及传动比减速器的结构及传动比 由上述计算知，减速器的输出转速为 19.lr/min，而电机转速为 3000r/min。若选择减速器的传动比为 i=100:1，那么减速器的输入转速为 1900r/min，所以对电机需进行变频调速控制，使其工作转速在 1000r/min 一 2000r/min 之间。减速器的传动比为 100:1，又要求其体积较小，可选择美国贝塞德公司生产的行星轮减速器。电机的输出力矩为 0.16Nm，那么减速器的输出力矩为: 19 减速器传动效率，选 90% i传动比 M电机的输出力矩，M 电机=0.16Nm M=0.90.16100=14.4Nm，远远大于 4.41Nm。 3.3 送丝送丝机构的机械传动机构的机械传动 3.3.1 送丝电机的选择送丝电机的选择 这里选择送丝机构安装在焊车上，随焊车一同相对于管口运动，送丝机构的平稳性直接影响焊接电弧的稳定。送丝转压紧转减速番送丝电机捍丝出口岸丝人口 图 3 一 2 送丝机构示意图 焊接电流电压的大小与焊丝直径有关，目前市场上常见的实心焊丝直径为0.8mm、1.0mm、1.2mm。焊丝直径大，所需的焊接电压高，焊接电流相对较大，滴状过渡，熔滴过大，熔深大，不易控制。焊丝直径较小时，低电压，小电流，矩路过渡，电弧处于不断地起弧、燃弧、熄弧的循环中，焊接熔池同时也处于不断的熔化、扩展、凝固的交替循环中，因此，熔池不易流淌，且细丝有自身调节作用，有利于起弧和电弧的重复燃烧，焊接操作容易掌握，可实现全位置焊接。但若焊丝过细，则线能量较低，可能会出现局部未熔的现象。因此上，选用 1.omm 直径的焊丝较为适宜。 选用1.0mm 的焊丝，若焊接电流为 220 一 230A 时，则送丝速度约为 8m/min。送丝轮直径若选为 d=30mm(直径太小易磨损)，而丝速为 V 二 sn 口 min，那么送丝轮的转速为 20 焊丝在行进过程中，会受到来自于送丝管、导电嘴、送丝盘的摩擦阻力，一般情况下整个阻力之和约为F =12N，考虑到还有其它不可遇见的因素，那么阻力矩 M阻力矩 K K安全系数，K=2 F阻力和 d 一送丝轮直径 这样可以计算出，送丝轮的转速为 84.88r/min，转矩为 0.36Nm，从控制的角度出发，同样选择松下 50W，额定转速为 3000r/mln，额定转矩 0.16Nm 的电机。 3.3.2 减速器减速器 因为减速器输出端与送丝轮相联，输入端与电机相联，那么若要使电机工作在恒转矩区，通过变频调速技术，电机的转速应达到 1000r/min。 因此上初定减速器的传动比为 i=12.5:l 这样传动比的减速机既要满足使用要求又要体积不大，只有自行设计，没有定型产品可选。选择二级齿轮传动，齿轮的模数选 o.5mm(满足强度要求)这样设计出的减速器传动比 12.5:1。 就整个送丝机构而言，要求焊接时避免出现干扰，因此整个系统必须与焊接电源绝缘，这在进行机械结构设计时必须加以重视。 3.4 焊枪姿态调整机构的机械传动焊枪姿态调整机构的机械传动 在焊接过程中，需要不断地调整焊枪相对于焊道的上下、左右位置。同时由于焊道较宽，焊枪需频繁地往复摆动，才能保证焊缝的熔宽。在焊接终了，还需要转动焊枪的角度以清除飞溅到焊枪气罩内的焊渣。 因此需要设计焊枪姿态调整机构。 3.4.1 电机的选择电机的选择 由于焊枪需要频繁地作往复摆动，而且摆动的频率直接影响到焊缝的外观成形，要求驱动机构具有很好的快速响应性，既能快速起动又能快速停止，同时要求驱动机 21 构具有很好的自锁性能，即不能由于外力的作用而造成工作点的移位。因此左右横摆的驱动电机选择步进电机。步进电机的力矩与惯性之比数值高，步进频率高，不通电时，可以自由转动。通电时不运行有自锁定位功能，在每转之内响应误差不会累积到下一转。在动态特性要求不高时，可以直接开环运行，位置精度满足要求，尤其是五相步进电机，步距角小，启动特性好，比较适合于频繁地正反转。在设计时可选用日本 Mycom 公司生产的步进电机，其静力矩为 o.83Nm，转动惯量为 0.28kg cm。由于焊
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