轨道式焊接机器人机械设计及控制系统—开题报告

1、轨道式焊接机器人机械设计及控轨道式焊接机器人机械设计及控制系统制系统姓名：姓名： 专业班级：机自专业班级：机自1011 指导教师：指导教师： 主要内容主要内容 一、研究目的一、研究目的 二、选题的意义二、选题的意义 三、焊接机器人三、焊接机器人国内外研究情况国内外研究情况 四、四、研究的主要内容研究的主要内容 五、目前进度五、目前进度 六、工作进度安排六、工作进度安排 七、参考文献七、参考文献一、研究目的一、研究目的 针对目前石油输送管道自动焊接的问题提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

2、管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道的自动焊接工作，提高焊接质量及工作效率。效率。二、选题的意义二、选题的意义 管道运输是油气运输中最主要、最快捷、管道运输是油气运输中最主要、最快捷、经济、可靠的方式，可用于输送水、原油、经济、可靠的方式，可用于输送水、原油、天然气、成品油等，具有输量大、距离长、天然气、成品油等，具有输量大、距离长、安全性高、成本低等优点，在各国发展迅安全性高、成本低等优点，在各国发展迅速。管道运输业的主体是管道，管道工程速。管道运输业的主体是管道，管道工程的核心工作是管口的焊接。因此研究高效的核心工作是管口的焊接。因此研究高效率、性能

3、可靠的管道全位置自动焊接机具率、性能可靠的管道全位置自动焊接机具有十分重要的意义有十分重要的意义。三、焊接机器人三、焊接机器人国内外研究情况国内外研究情况 国外焊接技术发展概述国外焊接技术发展概述 目前国外焊接机器人已得到较好的应用。日本系列中主目前国外焊接机器人已得到较好的应用。日本系列中主要有安川、要有安川、OTC、FANUC、松下等公司的产品。欧洲系、松下等公司的产品。欧洲系列产品中主要有德国的列产品中主要有德国的CLOOS、瑞典的、瑞典的ABB、意大利的、意大利的COMAU以及奥地利的以及奥地利的IGM公司。日本对移动焊接机器人公司。日本对移动焊接机器人技术的研究相对较早，已有产品应用

4、于实际工程，日本技术的研究相对较早，已有产品应用于实际工程，日本装备的工业机器人总数量达到了装备的工业机器人总数量达到了50万台以上，成为万台以上，成为“机机器人王国器人王国”其次是美国和德国。在欧美，生产全位置自其次是美国和德国。在欧美，生产全位置自动焊接设备的除动焊接设备的除CRC公司外公司外,还有德国的还有德国的VIETZ公司、美公司、美国国MAGNAI,ECH公司、荷兰的公司、荷兰的VERAWELD、英国、英国Noreast公司等。这些厂家的设备虽然外形各具特点。国外的接公司等。这些厂家的设备虽然外形各具特点。国外的接机器人已广泛应用于汽车、船舶、铁路车辆、建筑机械、机器人已广泛应用于

5、汽车、船舶、铁路车辆、建筑机械、兵器等行业，对降低成本，提高质量起到了重大的作用。兵器等行业，对降低成本，提高质量起到了重大的作用。国内焊接技术发展概述国内焊接技术发展概述国内，焊接机器人从国内，焊接机器人从20世纪世纪80年代年代“七五七五”科技攻关开始起步，科技攻关开始起步，焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。但管道的焊接施工却只停留在手工焊、机车等几个主要行业。但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半自动焊的水平上。从二十世纪八十年代开始,我国的很多大专我国的很

6、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,在实验室条在实验室条件下也取得了一定的成果。在技术和应用方面均取得了长足的件下也取得了一定的成果。在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器

7、人逐渐关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用崭露头角。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，只有应用机器人焊接技术提的水平和国外比还有一定的距离，只有应用机器人焊接技术提高焊接质量和生产效率，才能增加产品质量和企业的竞争力。高焊接质量和生产效率，才能增加产品质量和企业的竞争力。国外发展情况国外发展情况2000年，美国年，美国Carnegie Mellon大学机器人研究所研制了一台大学机器人研究所研制了一台名为名为ROWER的四腿行走的移动的四腿行走的移动平台，平台上安装有一台焊接平台，平台

8、上安装有一台焊接机器人，采用机器人，采用“遥控遥控+自主方式自主方式”工作，已经初步应用到造船工工作，已经初步应用到造船工业中。业中。日本庆应大学学者日本庆应大学学者Suga 等为平等为平面薄板焊接研制的自主性移动面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人。该移动焊接机器焊接机器人。该移动焊接机器人的移动平台采用三轮式，其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面，前面有一个自位轮起稳定作用作用。国内发展情况国内发展情况清华大学和北京石油化工学院清华大学和北京石油化工学院在国家在国家863 计划支持下研制的计划支持下研制的LL-2 管道

9、焊接机器人。该机器管道焊接机器人。该机器人采用永磁轮吸附管道，采用人采用永磁轮吸附管道，采用双双CCD 视觉传感器识别预先画视觉传感器识别预先画出的与焊缝平行的曲线；该机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器人的焊枪位于移动平台的后方使得磁轮骑跨在管道上。方使得磁轮骑跨在管道上。铝制轻型刚性轨道，齿轮齿条铝制轻型刚性轨道，齿轮齿条传动，车体载有焊枪二维姿态传动，车体载有焊枪二维姿态调整模块和焊枪摆动模块，实调整模块和焊枪摆动模块，实现构件的多种焊接方式。该机现构件的多种焊接方式。该机器人于器人于2006年在国家体育场年在国家体育场“鸟巢鸟巢”工程中成功获得应用。工程中成功获得应

10、用。四、四、研究的主要内容研究的主要内容1）移动式焊接机器人小车及轨道机械设计）移动式焊接机器人小车及轨道机械设计2）机器人）机器人机械臂的方案设计机械臂的方案设计3）机器人控制系统设计）机器人控制系统设计4）建立焊接机器人的三维模型和二维平面图）建立焊接机器人的三维模型和二维平面图5）机器人的工作范围分析）机器人的工作范围分析五、目前进度五、目前进度主要方案；主要方案； 本课题主要研究外圆本课题主要研究外圆管道环缝的自动化焊管道环缝的自动化焊接，管道的直径限制接，管道的直径限制在在6001000mm之间。之间。焊接机器人主要包括焊接机器人主要包括焊接小车，导向轨道，焊接小车，导向轨道，机械臂

11、机械臂等结构，具体等结构，具体草图结构如右图。草图结构如右图。焊接机器人的主要结构介绍焊接机器人的主要结构介绍 焊接轨道焊接轨道轨道是装卡在管道用于轨道是装卡在管道用于焊接小车行走和定位的焊接小车行走和定位的机构，因此轨道的结构机构，因此轨道的结构直接影响到焊接小车行直接影响到焊接小车行走的平稳性，也就影响走的平稳性，也就影响到焊接质量。如右图：到焊接质量。如右图： 行走小车行走小车行走小车机构与轨道采行走小车机构与轨道采用齿轮传动方式。由直用齿轮传动方式。由直流伺服电机驱动主齿轮流伺服电机驱动主齿轮旋转与导轨上的齿啮旋转与导轨上的齿啮合，导轨与管道固定，合，导轨与管道固定，从而使行走小车在导

12、轨从而使行走小车在导轨面上滚动行走。面上滚动行走。驱动小车电机的选型驱动小车电机的选型设小车和机械臂的总质量为设小车和机械臂的总质量为15kg，最大焊接速度为，最大焊接速度为30mm/s，选驱，选驱动齿轮的模数动齿轮的模数m=1.5mm，z=18，所以分度元直径，所以分度元直径do=mz=27mm。行走齿轮的转速行走齿轮的转速n=60v/d=21.2r/min。 行走齿轮的输出力矩行走齿轮的输出力矩M=0.5kdGg。k为安全系数取为安全系数取2 , g=9.8m/s, G=15kg，所以行走齿轮，所以行走齿轮和减速器的输出转矩和减速器的输出转矩: M=0.5x2x27x15x9.8/1000

13、=3.969n.m电机的选型：交流伺服电机一般体积较小电机的选型：交流伺服电机一般体积较小,价格低价格低,工作可靠工作可靠,直流直流电机控制简单电机控制简单,低速性能好低速性能好,但结构复杂但结构复杂,体积较大。所以选用交流体积较大。所以选用交流电机。电机。电机的输出转矩大于行走齿轮的转矩，设减速比电机的输出转矩大于行走齿轮的转矩，设减速比i=100：1，初选初选MSMD（小惯量）型号（小惯量）型号MADDT1205交流电机，其额定功率：交流电机，其额定功率：0.05kw，额定转矩：，额定转矩：0.16n.m，额定转速：，额定转速：3000r/min。减速器传。减速器传动效率动效率,选选90%

14、所以电机的输出转矩所以电机的输出转矩M=ixM电机电机x=100 x0.16x0.9=14.4n.m大于行走齿轮的输出转矩，所以符合要求大于行走齿轮的输出转矩，所以符合要求。 小车和刚性导轨之间小车和刚性导轨之间的连接件的连接件 机械臂机械臂本设计要就机械臂具有本设计要就机械臂具有三个自由度以满足要求。三个自由度以满足要求。机械臂的水平和竖直运动由电机带机械臂的水平和竖直运动由电机带动丝杠实现动丝杠实现机械臂的旋转机械臂的旋转六、工作进度安排六、工作进度安排序号序号起止日期起止日期主要内容主要内容预期结果预期结果11到到2周周调研、搜集相关资料、外文翻译调研、搜集相关资料、外文翻译找到合适的资

15、料找到合适的资料23到到4周周资料收集整理相关论文资料收集整理相关论文做出开题报告做出开题报告35到到6周周进行机器人结构部分学习，制定总体案进行机器人结构部分学习，制定总体案做出整体设计做出整体设计47到到8周周设计机器人本体及控制电设计机器人本体及控制电设计出符合要求设计出符合要求的机构的机构59到到12周周进行图纸绘制工作进行图纸绘制工作做出图纸做出图纸613到到15周周工作总结，撰写论文工作总结，撰写论文做出说明书做出说明书716周周论文修改，准备答辩论文修改，准备答辩整理并准备答辩整理并准备答辩七、参考文献七、参考文献 1金万敏，吴克坚.机器人机械学M.江苏：江苏科学技术出版社. 1993 2赵景山、冯之敬.机器人机构自由度分析理论M. 北京：科学出版社,2009 3王伟，薛龙.全位置管道自动焊接设备的研究J.管道技术与设备.4,2002,15-25 4