自动碳弧气刨机行走机构设计

自动碳弧气刨机行走机构设计摘要本文对自动碳弧气刨系统的总体方案进行了分析研究。主要对机构设计中行走小车的车身和传动机构进行了设计，该自动碳弧气刨机采用磁轮吸附于管道上，绕管道全位置爬行，避免了有轨式管道焊机安装,调试轨道的辅助工序，大大缩短了气刨辅助时间，提高了气刨工作的效率。为使该机工作运行稳定可靠，采用双排四轮转动结构形式，由电动机带动齿轮，使磁轮小车在管道上无导轨全位置自由行走。本论文的主要任务是设计其具体结构、校核主要零部件的强度、选择电机及减速器、画出总装配图。通过实验验证，本次设计研制的自动碳弧气刨系统工作稳定、可靠，达到了设计要求。本论文的研究具有很好的工程应用前景。关键词: 自动碳弧气刨，行走机构，磁轮II自动碳弧气刨机行走机构设计AbstractAutomatic carbon arc gouging system is studied in this paper. The background of the project is introduced and the collectivity design is presented. The bodywork of vehicle dolly and driving unit of mechanical structure are designed. The machine adopts the magnetic wheels mechanism adsorbing the pipe, creeping along the whole pipe, avoiding the setup of the track type piping soldering machine and the assistance work of adjusting orbit, shortening more gouge assistant time and raising the efficiency of the gouging. In order to make the machine worked stably and reliably, it adopted the synchronous slewing structure form of double-line and four-wheels. All wheels are driven by two motors, adopting the gear and magnetic wheels driven methods. The wheels can walk on the surface of pipe on real-time and an all position. The main tasks of the paper are designing the concrete structure of the machine, checking the intensity of the main parts, selecting the motor and the decelerating machine, drawing its equip graph.The experiment validates that the automatic carbon arc gouging system designed in this paper is stably and reliably, and obtains the desire of this project. The study in this paper has a good prospect for engineering applications.Keywords: automatic carbon arc gouging，vehicle dolly，magnetic wheels目录IV第一章绪论11.1 自动碳弧气刨技术概述11.1.1 自动碳弧气刨技术研究背景11.1.2 国内外自动碳弧气刨技术研究现状21.1.3 自动碳弧气刨技术发展展望31.2 自动碳弧气刨机应用及效果71.3 论文的研究目标及研究内容81.3.1 论文的研究目标81.3.2 论文研究的内容8第二章：自动碳弧气刨系统总体研究92.1 自动碳弧气刨系统总体设计思路92.2 自动碳弧气刨系统组成及作用102.2.1 自动碳弧气刨系统组成102.2.2 自动碳弧气刨各部分系统作用102.3 行走小车车架及传动部分分析12第三章：自动碳弧气刨系统行走机构研究133.1 行走机构的分析133.1.1 技术难点与方案分析133.1.2 柔性磁轮式爬行机构结构组成与工作原理143.2 行走机构的选择153.2.1 吸附功能和移动功能153.2.2 磁轮结构和材料设计173.3 行走方式的选择183.4 磁轮式行走机构主要设计参数设计计算183.4.1 车体尺寸参数183.4.2 电机的选择183.5 磁轮机构装配工艺21第四章：齿轮的计算与校核234.1 齿轮的设计计算与校核234.1.1 选定齿轮类型，精度等级，材料齿数234.1.2 按齿面接触强度设计234.1.3 按齿根弯曲强度设计274.1.4 几何尺寸的计算304.2 齿轮键的设计计算与校核314.2.1 小齿轮的键的设计计算与校核314.2.2 大齿轮的键的设计计算与校核32第五章：自动碳弧气刨系统工艺试验研究345.1 自动碳弧气刨工艺试验研究345.1.1 电源极性345.1.2 碳棒的选用355.1.3 压缩空气压力355.1.4 刨削速度365.2 安全防护36第六章：技术经济分析报告376.1 经济效益分析376.2 前景分析37第七章：总结与展望387.1 总结387.2 展望38参 考 文 献39致谢41声明42第一章绪论1.1 自动碳弧气刨技术概述1.1.1 自动碳弧气刨技术研究背景随着我国现代化经济建设的迅猛发展，石油化工产品逐渐增多，大型球罐、储罐、管道的建造量与日俱增,迫切需要提高焊接自动化程度以提高施工速度与焊缝质量1。石化球罐等容器的体积容量以及数量正在快速增加，石化部门每年要新建球罐容量几十万立方米，迫切需要改善罐施焊条件，提高球罐焊接的自动化程度， 以降低成本、提高效率与焊缝质量。在国家石化行业储运工程大发展的环境下，球罐自动焊技术在球罐群施工中具有广泛的推广价值。我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于 20 世纪 70 年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到 80 年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于 1986 年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863 主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中3。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的 40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：(1) 稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接40速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性12。(2) 改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。(3) 提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可 24 小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。(4) 产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。(5) 可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。针对(手工)碳弧气刨劳动强度大、工作环境恶劣、对焊工技术要求高、清根质量难以保证筒体环缝的焊接质量及焊接外观成形质量等缺点。以自动碳弧气刨机代替手工气刨配合相关工艺，成功解决以上难题。自动碳弧气刨是使用碳棒作电极， 与工件间产生电弧，将金属熔化，同时用压缩空气将熔化金属吹除的一种表面加工沟槽的方法。在焊接生产中，主要用来刨槽、消除焊缝缺陷和背面清根。自动碳弧气刨有下列特点：(1) 气刨小车和碳棒送进机构可自动控制、无级调速；(2) 刨槽精度高、稳定性好；(3) 刨槽平滑均匀、刨槽边缘变形小；(4) 刨削速度比手工碳弧气刨速度高，并且碳棒消耗量比手工碳弧气刨少。1.1.2国内外自动碳弧气刨技术研究现状碳弧气刨是利用电弧的高温很快把金属加热到熔化状态，在液体金属凝固前利用压缩空气的气流把液体金属吹掉，能在金属表面刨出一条凹槽，从而达到碳弧气刨的目的。自动碳弧气刨是锅炉、压力容器制造和造船等行业的先进工艺，自动碳弧气刨机则是实现该工艺的关键设备。我国上海船厂、江南造船厂曾内部研制过自动碳弧气刨机，泰洲电焊条厂曾生产过 TBJ-3 型多向自动碳弧气刨机，其共同特点是因受电路结构等方面的限制，电弧长度控制不稳定，波动大。此外碳棒导向孔大小固定，因而在碳棒粗细不均时易“卡死”或导电嘴与碳棒之间“打弧”，使气刨过程不稳定，甚至损坏导电嘴，并只能使用一个规格的碳棒。由于控制系统灵敏度不够，当钢板不平时刨槽深浅宽窄不均匀甚至发生顶碳。压缩空气送风方式不集中，使压缩空气消耗量大，当碳棒变热时送棒滚轮(橡胶制)不灵活易损坏。当因机械事故送棒电机被卡住时，电路只能右熔断器断开，更换熔断器不方便，有时甚至损坏可控硅。因此这样的自动碳弧气刨机真正用于实际生产难以满足工艺要求，保证刨槽质量。美国Arcair公司现生产的N6000 的自动碳弧气刨机，该产品不但造价高、结构复杂，而且在使用过程中调整困难，压缩空气消耗量大，因送风不集中而易使刨槽掉渣，此外不使用可连接碳棒时碳棒废弃长度长(约 150mm)，而我国可连接碳棒价格高且目前质量尚不过关15。因此，设计一种电弧程度控制精度高，并且结构简单、造价低运行费用尽量减少，操作方便的自动碳弧气刨机十分必要。从而促进自动碳弧气刨这项先进工艺在我国有关行业普及推广4。1.1.3 自动碳弧气刨技术发展展望自上世纪 90 年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展， 机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业控制拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔， 从科研探索到医疗卫生行业，从生产领域到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家。工业机器人是数量和种类最多的一种机器人，广泛用于工业领域的各行各业。也是形成机器人产业的一种机器人。工业机器人一般由机械本体、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置等构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。工业机器人并不是在简单意义上代替人的劳动，它既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又具有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志16。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。这两种焊接机器人在工业机器人中所占的大致比例。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史6。众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接， 减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率5。由于机器人控制速度和精度的提高，尤其是电弧传感器的开发并在机器人焊接中得到应用，使机器人电弧焊的焊缝轨迹跟踪和控制问题在一定程度上得到很好解决。目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器人技术发展趋势看，焊接机器人和其它工业机器人一样，不断向智能化和多样化方向发展。具体而言，表现在如下几个方面：(1) 机器人操作机结构：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础17。(2) 机器人控制系统：重点研究开放式，模块化控制系统。向基于 PLC 机的开放型控制器方向发展， 便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的 6 轴机器人发展到现在能够控制 21 轴甚至 27 轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于PLC机网络式控制器已成为研究热点18。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点，在某些领域的离线编程已实现实用化。(3) 机器人传感技术：机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。(4) 网络通信功能：日本YASKAWA 和德国KUKA 公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus 、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展19。(5) 机器人遥控和监控技术在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其它作业，需要有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。多机器人和操作者之间的协调控制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下， 建立预先显示进行遥控等。(6) 机器人技术：虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。(7) 机器人性能价格比：机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性 MTBF 一般为几千小时，而现在已达到 5 万小时，可以满足任何场合的需求。(8) 多智能体调控技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。目前的工业生产系统正向大型、复杂、动态和开放的方向发展,为了解决传统工业系统和多机器人技术在许多关键问题上遇到的严重挑战,将分布式人工智能和多智能体系统理论充分应用于工业生产系统和多机器人系统,便产生了一门新兴的机器人技术领域多智能体机器人系统。焊接是工业生产的一大领域,焊接机器人的发展基本上同步于整个机器人行业的发展。所以,多智能体机器人的研究与发展将要很快应用于焊接机器人领域。随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方向发展以及焊接过程向高度自动化及完全智能化的方向发展,多智能体焊接机器人系统终将成为热点的研究领域。但要把这些研究成果应用于生产实际,还有待做出更大的努力13。焊接是工业机器人应用最重要的领域之一,随着国外及国内对工业机器人在焊接方面的研究应用,我国也开始了焊接机器人的研究应用。在引进国外技术的基础上,中国于 20 世纪 70 年代末开始研究焊接机器人。1985 年哈尔滨工业大学研制成功我国第一台HY-1 型焊接机器人。1989 年北京机床研究所和华南理工大学联合为天津自行车二厂研制出了焊接自行车前三脚架的TJR-G1 型弧焊机器人,为“二汽”研制出用于焊接东风牌汽车系列驾驶室及车身的点焊机器人。上海交通大学研制的“上海 1 号”、“上海 2 号”示教型机器人也都具有弧焊和点焊的功能。20 世纪90 年代末,广东焊接研究所等联合设计开发制造并投入运行的中国第一台点焊机器人成功地应用在卡车驾驶室装焊生产线上。1997 年首都钢铁公司和日本安川株式会社共同建立了首钢摩托曼机器人公司,并于当年年底推出了第一批国内生产的机器人,其中主要产品是焊接机器人。中国机械工程学会焊接学会和中国焊接协会进行了一次比较全面的焊接机器人在制造业中应用情况调查,结果显示,到 1996 年底,焊接机器人已得到广泛应用。我国使用焊接机器人进行生产的工厂大约有 70 家;全国安装的焊接机器人已达 500 台(目前已超过了 600 台);主要集中在汽车、摩托车和工程机械 3 个重要行业中;并且 90%以上属于5或6 轴关节式机器人。1999 年北京机械工业自动化研究所机器人中心研制的-600 型弧焊机器人工作站,采用PC工控机控制和PMAC可编程多轴控制系统,于1999年4 月通过了国家机械工业局的鉴定。1999年7月 15 日,国家 863 计划智能机器人主题专家验收通过了由“一汽” 集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的HT-100A型点焊机器人。由此可见,我们国内的焊接机器人已开始走向实用化阶段14。1.2 自动碳弧气刨机应用及效果传统的焊接罐体环缝的工艺方法是根据壁厚，内侧开60 V形坡口，留34mm 钝边，采用手工电孤焊焊接内环缝；外侧用手工气刨清根后，用埋弧自动焊焊接外侧环焊缝。这种工艺方法有两个缺点：一是由于内侧采用手工焊接，不仅加大了焊接工作量，增加了焊前机械开坡口工序，而且手工焊的焊接质量波动大，直接影响整个罐体环缝的焊接质量；二是气刨清根采用手工操作，加之筒体环缝长，所以清根质量很难保证。宽窄不一的沟槽也影响外环缝的焊接质量和成形质量。为此，在工艺方法上做了改进，即罐体不预开坡口，直接用埋弧自动焊焊接内环缝，外侧采用自动碳孤气刨机进行开坡口及清根工作，然后，用埋孤自动焊焊接外侧环焊缝23。按照工艺流程，罐体在内侧埋弧焊后，即采用自动碳弧气刨机气刨外环缝。采用f 7mm 碳精棒，电流250280A，电压3032V。刨削时观察刨后筒节对接缝黑线， 以此对气刨机进行横向微量调节。因自动气刨的刨削速度非常快(约为手工气刨的5 倍)，因此要根据需要刨削的深度调整好罐体的转动速度，即刨削速度刨削时，还要适时地在导管内续加碳棒，以实现连续自动气刨。当刨削发出连续稳定的“刷刷”声时，表明气刨的规范较为稳定、合理，刨槽深浅、宽窄都较均匀；否则，刨削过程不稳定，刨槽质量下降。刨削后，可以看到刨槽平滑均匀，直线度相当好，刨削质量几乎近于机械加工的；刨槽内无金属熔渣，槽两侧熔渣亦很少，稍作清除即可；碳棒消耗量很小，350 mm长碳棒可刨削1500mm刨槽，比手工气刨可节省1倍，刨槽深34 mm，槽宽10 mm(公差约为0.3mm)。自动气刨的良好刨削质量，解决了影响罐体质量的关键问题，同时还为外侧埋弧焊自动跟踪提供了有利条件，达到了较好的焊接效果和外观成形质量。1.3 论文的研究目标及研究内容1.3.1 论文的研究目标(1) 通过选择和计算保证自动碳弧气刨机的各部分组成满足工作要求。(2) 使行走小车的车架和传动机构能够保证小车正常行走，以保证气刨过程不 断进行。(3) 以磁轮为主的柔性磁轮行走机构，通过磁轮设计方案的分析，摆脱了导轨的约束,解决了自动焊的问题，使之具有自动实时跟踪焊缝等功能的智能焊接设备。1.3.2 论文研究的内容(1) 对自动碳弧气刨机的组成，包括碳弧气刨电源、碳弧气刨控制箱、空气压缩机、碳弧气刨行走小车、碳弧气刨头等进行了分析，对各项组成的特征，进行了全面的分析，对各部分的研究方案及工作原理逐一进行说明。(2) 对碳棒的选用、压缩空气压力、刨削速度等进行分析计算，得出相应的结果。(3) 对行走小车的车架及传动机构两个组成部分进行选择分析。(4) 对磁轮设计方案分析，包括吸附方式选择、移动方式选择、磁轮结构设计以及磁轮机构装配工艺研究计算。(5) 进行电机的选择，一般包括选择电动机的类型、电动机的功率及额定转矩等。以保证自动碳弧气刨机的稳定工作。(6) 设计齿轮传动，使自动碳弧气刨机工作平稳。第二章：自动碳弧气刨系统总体研究碳弧气刨是利用在碳棒与工件之间产生的电弧热将金属熔化，同时用压缩空气将这些熔化金属吹掉，从而在金属上刨削出沟槽的一种热加工工艺，是一种常见的金属热加工手段，广泛用于造船、化工、锅炉等加工领域。按照操作方式可分为手工碳弧气刨和自动碳弧气刨。手工碳弧气刨结构比较简单，由气刨钳、气管、电缆等部分组成；而自动碳弧气刨的结构相对复杂，由气刨头、气管、电缆、气刨头调节装置、送棒控制电路、接触器、电源等部分组成。自动碳弧气刨的优点：气刨小车和碳棒送进机构可自动控制、无级调速；刨槽精度高、稳定性好；刨槽平滑均匀、刨槽边缘变形小；刨削速度比手工碳弧气刨速度高；碳棒消耗量比手工碳弧气刨少。2.1 自动碳弧气刨系统总体设计思路首先查阅关于自动碳弧气刨的资料，现在国内外已经有了多种产品，分别适用于不同生产环境，适用于不同工件的生产，首先要搞清碳弧气刨的工作原理。1刨钳2电极3压缩空气4工件图 2-1碳弧气刨的基本原理从图2-1可以直观的看出碳弧气刨的基本原理，碳弧气刨的原理就是利用碳棒与工件之间产生的电弧，将金属局部加热到熔融状态，同时用压缩空气的气流把熔融金属吹掉，从而达到对金属进行刨削或切割的一种工艺方法。2.2 自动碳弧气刨系统组成及作用2.2.1自动碳弧气刨系统组成自动碳弧气刨系统包括碳弧气刨电源、碳弧气刨控制箱、空气压缩机、碳弧气刨行走小车、碳弧气刨头等组成，见图 2-2 所示。1碳弧气刨电源2碳弧气刨控制箱3手控盒4电缆5气刨头6碳棒7磁轮小车8气管9空气压缩机图 2-2自动碳弧气刨系统示意图2.2.2自动碳弧气刨各部分系统作用(1) 电源碳弧气刨一般采用具有陡降外特性且动特性较好的手工直流电弧焊机作为电源， 直流反接（工件接负极）。采用直流反极性进行刨削试验时，电弧燃烧非常稳定，并发出连续的“嘶嘶”声，碳弧气刨的电弧燃烧稳定。(2) 行走小车行走小车由车架及传动机构两个部分组成。车架起连接小车各部零件及固定相邻部件调整伸缩臂、机头的作用。传动机构由交流伺服电动机驱动，经减速器减速带动齿轮转动，从而带动整个小车移动。小车的行走速度由控制仪给出的指令信号大小来控制，从而带动机头相对于工件运动以保证气刨过程不断进行。(3) 气刨机头气刨机头的作用，一是送进碳棒并根据控制仪的指令自动调节碳棒是送进还是反抽及二者的速度，以维持电弧长度不变，二是输送压缩空气，即把压缩空气吹喷至气刨位置，把被电弧融化了的金属吹走，三是把气刨电源的电流传输到碳棒上。图 2-3 为气刨机头机构。碳棒通过导管夹在送棒滚轮及压紧滚轮之间，直流伺服电机根据控制仪发出的指令，经减速器减速带动送棒滚轮，压紧滚轮压紧碳棒，送棒滚轮驱动送棒下送或反抽。送气结构的喷嘴上有小孔将空腔与外界联通，压缩空气经送气板的孔道进入喷嘴的空腔，然后经喷嘴上的小孔射向被电弧熔化的金属，把这些金属吹走。图 2-3气刨机头结构(4) 碳弧气刨控制箱的作用发出气刨过程中接通主电路、送气、引弧、送棒、气刨结束时切断主电路、气路及碳棒反抽等程序的工作指令。在气刨过程中根据电弧长度的大小发出送棒电动机旋转速度及方向的指令， 以使送棒电动机根据电弧的长短自动改变旋转速度及方向，从而保持弧长不变，保证气刨过程顺利进行及刨槽的尺寸精度。发出机头相对工件运动及控制相对运动速度快慢的指令。气刨控制箱由多电压电源电路、小车行走控制电路、碳棒送进控制电路、弧压误差测量、放大及弧压给定电路以及联系各部分的开关及继电器电路组成。在气刨过程中随着碳棒的烧毁，碳棒要不断进给，同时还要根据电弧长度的变化发出改变送棒电机转速甚至转向的指令。取出电弧电压误差信号(由电弧电压的分压与稳压源提供的分压相减)，并经放大，然后与给定信号电压叠加输入前置放大级，最后经功率放大器放大而驱动送棒电机。功率放大器为桥式放大电路，可由四个达林顿管或可控硅组成。在气刨正常时，电弧电压误差信号为零，送棒电机根据给定信号发出的指令而以某一速度旋转，当电弧长度变化时，电弧电压误差信号不等于零， 这时误差信号经放大加强或削弱给定信号，使电机转速甚至转向发生变化从而维持弧长不变。例如当电弧过长时，电弧电压升高，这时电弧电压误差信号的方向与给定信号的方向一致，两个信号相加，从而使功率放大器输出电压相加，送棒电机的转速加快；反之，送棒电机转速减慢(甚至反转)，使电弧拉长24。2.3 行走小车车架及传动部分分析行走小车由车架及传动机构两个部分组成。车架起连接小车各部零件及固定相邻部件调整伸缩臂、机头的作用。传动机构由交流伺服电动机(1)驱动，经减速器(2)减速带动齿轮(3)转动，从而带动整个小车在球罐表面上(4)移动。小车的行走速度由控制仪给出的指令信号大小来控制，从而带动机头相对于工件运动以保证气刨过程不断进行。行走小车传动机构见图 2-3 所示。图 2-3行走小车传动机构第三章：自动碳弧气刨系统行走机构研究目前石油化工等工业的焊接自动设备,主要由爬行机构、摆动机构、柔性或半柔性轨道等部分组成，由于导轨的存在,在焊接过程中仍需完全依靠人工来紧盯焊接熔池,不断操作焊枪进行焊缝跟踪,其劳动强度大,焊缝质量影响因素多, 因此国内外的自动化焊接技术仅达到了机械化焊接生产水平,需要研制开发出具有自动实时跟踪焊缝等功能的智能焊接设备,以提高自动化、智能化焊接水平2。焊接机器人行走机构包括左右两组磁轮、主板、十字链轴式连接机构与交流伺服电机驱动机构。此机构的各个磁轮在X、Y方向上有一定的自由度，能保证各磁轮与金属表面紧密接触，磁力稳定可靠。柔性磁轮机构由左右两个交流伺服电机驱动机构实现四轮驱动，在金属表面沿周向自由平稳爬行，左右两侧磁轮可实现同步前进、同步后退等运行方式，设计焊车速度为8.320mm/s。自动碳弧气刨系统行走机构就是参照焊接机器人行走机构设计的。3.1 行走机构的分析3.1.1 技术难点与方案分析全位置自动焊接设备的焊接小车能在沿焊缝铺设的轨道上自动行走及摆动焊接,从而实现了焊接的机械化生产。但是该系统没有焊缝自动跟踪系统，自动焊车均需要依靠导轨支持才能在焊接金属上运行；而且也没有质量控制系统，焊接过程中仍需要完全依靠人工来盯紧焊缝, 不断进行跟踪焊缝及实时调整焊接规范工艺参数等操作, 影响了焊接质量。针对这种问题,全位置智能焊接机器人的研制及其现场工程应用的研究，磁吸式柔性机构即为取代导轨的焊车爬行跟踪机构8。想要不用导轨支持就能直接在球罐表面上进行全位置自动行走与焊接, 这在国内外尚无先例。其中, 磁性履带式爬壁机器人最接近可行方案, 但尚有以下难以解决的问题7。(1) 磁性履带式爬壁机器人是间接受力机构,当爬行坡度大于90o 时, 其运动就不稳定可靠,更不可能在仰焊位置工作。即磁性履带式爬壁机器人难以实现全位置行走。(2) 多层焊时要求焊车不断启停以配合焊枪摆动, 按30cm/min(5mm/s)焊速计, 若每分钟摆动30次, 则焊车差不多每秒要停1次, 或每移动5mm停1次, 而且要移动均匀。由于履带的每段长度要大于, 上述运动要求对于磁性履带式爬壁机器人来说又是一个难题。(3) 自动焊时还要求焊车行走机构必须能迅速拐弯或纠偏, 以便跟踪焊缝, 这也是磁性履带式爬壁机器人很难做到的。为此, 考虑采用磁轮式行走机构方案, 但磁轮机构主要有以下两个难题。(1) 轮与焊接金属的接触面积很小, 其磁力能否足够?如采用四轮机构的话, 就只有四条线与球面接触, 实际上还可能仅仅是若干个切点接触。(2) 为了增加磁吸力, 可以考虑增加磁轮, 但如何保证各轮在任何时刻同时接触焊接金属。试验表明,采用高磁密材料制成的永磁轮有极大的磁吸力, 4轮永磁轮机构吸力已超过2000N, 在垂直面上的负荷力超过500N。据此,最后确定采用柔性磁轮式行走机构研制方案, 其研制要点是设计柔性的四轮连接结构, 保证四轮在任何情况下同时接触焊接金属, 使其工作稳定可靠。3.1.2 柔性磁轮式爬行机构结构组成与工作原理如图示3-1, 研制的四轮柔性机构采用行车式车体结构, 主要由底架1与左右二侧磁轮座5组成,底架与二侧磁轮座间通过铰链机构2连接。左右磁轮座中的前后磁轮由各自的伺服电动机通过减速器驱动。1. 铰链机构 2.底架 3. 球板 4. 磁轮座 5.磁轮轴承 6.磁轮图 3-1柔性磁轮机构原理图此行走机构的基本工作原理为：四轮柔性连接, 左右二侧轮架能相对偏转自动保证同时接触焊接金属表面。各轮与钢板封闭磁路, 磁力达到2000N以上。 四主动轮结构, 保证全位置行走均匀可靠。左右磁轮可进行差动工作, 可实现迅速拐弯, 甚至原地转动。此行走机构的力学分析可简化为图3-2的情况, 通过推导可得到机构在全位置稳定运行的基本条件为:式中:Fm 磁轮吸力W 焊车重力Fm >W /4 msms 钢板与磁轮间的静摩擦因数Fm 磁轮吸力FS 球板支反力F 磁轮摩擦力W 焊车重力T 磁轮转矩q 球板坡度图 3-2 磁轮机构受力分析试验结果表明, 研制的磁轮机构吸力超过2000N, 能满足全位置工作条件。3.2 行走机构的选择3.2.1 吸附功能和移动功能行走机构须具备两个基本功能：吸附功能和移动功能。行走机构按照吸附方式可分为真空吸附和磁吸附；按照移动方式可分为轮式、履带式和步行式。表31和表32分别比较了不同的吸附方式和不同的移动方式的行走机构的性能优缺点10。表31 不同吸附方式的比较吸附空气吸附磁吸附方式真空式喷射式永磁式电磁式优点无需额外的供气和抽气装置可获取高真空，壁面适应性强无需外部能量，吸附可靠，壁面适应性强吸附力大小可控，脱附容易缺点吸附力小，壁面适应性差需抽气设备，吸附力小，噪音大只适合导磁性壁面，吸附力不可变只适合导磁性壁面，吸附力不可靠磁吸附式装置结构简单,吸附力大于真空吸附方式,且对壁面的凸凹适应性强, 不存在整孔吸附漏气的问题,因而当壁面是导磁材料时,优先选用磁吸附方式。而磁源产生方式有 2 种:永磁材料生磁、电磁铁生磁。电磁铁生磁,磁力大小可控制,比较灵活,但要消耗电能,同时,安全性差,当意外断电时易发生事故,并且电磁铁本身也存在电阻与温升的问题,体积不能缩小,难以与转动机构相结合。使用永磁铁则可避免以上电磁铁的缺点。表32 不同移动方式比较移动方式轮式履带式步行式优点移动速度快，转向性好着地面积大，壁面适应能力强壁面适应能力强，可跨越台阶缺点着地面积小，壁面适应性差转向性差运动间歇大，速度慢轮式结构,由磁芯产生磁力,磁芯外套钢套为轮轴,钢轮被磁芯磁化,产生新的磁感 B与磁芯磁感 B 共同作用于球罐,产生磁力;履带式结构,履带上部为磁源生磁,在其下部置一可控反向磁源,控制其整体磁感 B 的大小,使前进方向上的磁感 B 大,而其后方向履带的磁力变小,以减少履带脱离时能量消耗;步行结构,由八脚蛛形结构组成,同履带式相仿,每个脚上部为磁源,下部为反向可控生磁机构。移动时4 脚移动、4 脚吸附相互转换。上述 3 种方案分析比较,车轮式移动快速,控制灵活;履带式对壁面的适应性强, 但不易转弯;步行式承重能力强,但速度较慢。由于履带式和步行式结构复杂,造价昂贵,也不适合本课题的研究对象,因此该系统选用车轮式移动结构。3.2.2 磁轮结构和材料设计磁轮的结构组成图 4-3 磁轮机构图磁轮由钢轮、Nd-Fe-B 磁芯、铜套、紧定螺钉 4 部分组成(如图 4-3 所示)。钢轮兼导磁、滚轮与支撑轴 3 种作用为一体,由于磁芯比较脆,易碎裂,不宜直接作车轮,需要通过耐磨的导磁性能良好的构件连接, 本设计中,钢轮采用了45#钢,为了增加摩擦力,钢轮外表面滚花并表面淬火处理;铜套将左右2 个半轮连接起来,并避免磁短路;固定螺钉的作用是将2 个半轮连接起来,由于左右 2 个半轴要求同轴,其精度由铜套来保证,因此不宜采用螺纹连接。磁芯的作用是产生磁源。图 3-3磁轮机构图随着材料科学的迅速发展,各种性能优异的磁性材料不断涌现,稀土磁性材料在近年来得到越来越多的应用。主要是稀土氧化物成分,Sn-CoR合金和Fe-BCR为稀土元素系列永磁材料。特别是Nd2Fe14B的出现,引起人们很大的兴趣。它具有最大的磁能积,是新一代的永磁材料。Nd的矫顽力大,磁能积高,在磁路设计合理的情况下的磁体可提供 4.61N/cm3吸力。但是,该种材料的高温性能不好,长时间在高温下工作容易退磁。市场上也有耐高温的永磁材料,但其磁能积明显低于Nd。通过对焊接现场的考察,并对球罐焊接的热力场分布进行测试(如图 4-4 所示),得到的结果是Nd可以满足现场需要11。图 3-4温度场分布图3.3 行走方式的选择行走机构不但要承载碳弧气刨小车和送棒机构，同时还要不断调整行走方向， 以实现坡口跟踪。在此选用横跨式四轮行走方式，两侧单独由电动机通过减速器进行驱动，依靠两侧电动机的转速差实现车体转向而达到爬行小车沿线行走的目的。为了增大吸附力和爬坡能力，四只行走轮均为磁轮且均为主动轮。每侧的两只磁轮与减速器、电动机做成一体结构，通过转轴与支撑杆相连，当其于球面上行走遇有不规则表面或障碍时，即可自行调整角度，始终能够与球面保持良好的接触，保证有最大的吸附力9。3.4 磁轮式行走机构主要设计参数设计计算3.4.1 车体尺寸参数车体由左右侧板及主板构成，全长 645mm，前后距离为 384mm。3.4.2 电机和减速器的选择20 世纪 80 年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90 年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异20。永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：(1) 无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。(2) 定子绕组散热比较方便。(3) 惯量小，易于提高系统的快速性。(4) 适应于高速大力矩工作状态。(5) 同功率下有较小的体积和重量。伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。日本松下公司推出的全数字型MINAS 系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有 MSMA 系列小惯量型，功率从 0.035kW，共 18 种规格；中惯量型有 MDMA、MGMA、MFMA 三个系列，功率从 0.75 4.5kW，共 23 种规格；MHMA 系列大惯量电动机的功率范围从 0.55kW，有 7 种规格。同步型交流伺服电机比异步型控制方便，性能更好，用途更广，尤其是在要求高的系统中更倾向于使用永磁同步交流伺服电机。因此，论文设计选用交流伺服同步电机作为焊机摆动控制的动力源。本论文采用日本松下电器的永磁同步交流伺服电机和 MSMA 系列交流伺服电机驱动器，见图 3-6。图 3-6交流伺服电机及驱动器实物图本次设计采用的全数字式交流伺服电机驱动器采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500HZ；定位超调整定时间缩短为以往产品的1/4；具有共振抑制和控制功能：可涵盖机械的刚性不足，从而实现高速定位；还具有全闭环控制功能：通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制。直流无刷电机的出现是电动机技术的巨大进步，它取消了电刷和换向器，消除了故障及不可靠的主要根源，但是在相与相之间的切换时，会产生较大的转矩脉动和过电压，而正旋波驱动的同步交流伺服电机克服了上述直流无刷的缺点，又具有和直流电机一样的特性，尤其是矢量控制理论的出现，解决了交流电机在伺服系统中的控制方法问题，使得交流电机可以像直流电机那样进行控制21。交流伺服电机可以通过控制信号方便的调节转速和转向；调速范围宽，且在整个运行范围内特性具有线性关系，运行平稳；控制功率小，起动转矩大；机电时间常数小，始动电压低，控制信号变化时反应快速灵敏。同步型交流伺服电机比异步型控制方便，性能更好，用途更广，尤其是在要求高的系统中更倾向于使用永磁同步交流伺服电机。因此，论文设计选用两个交流伺服同步电机作为行走驱动电机，分别用于驱动行走机构左右两侧的驱动轮。本论文采用日本Panasonic的MSMA永磁同步交流伺服电机和MSMA系列交流伺服电机驱动器22。车体左、右两侧磁轮分别由左、右侧交流电动机单独驱动, 而每侧前、后面磁轮通过二级双伸轴蜗轮蜗杆减速器由该侧电动机同时驱动, 二级蜗轮蜗杆的减速比n=1000，交流电动机额定转速n1N =3000r/min，磁轮直径D=70mm，则爬行机构的额定行走速度VN 为VN = n1N p D/n=3000 p 70/1000=659mm/min 11mm/s拟定交流电动机额定功率 P1N =75W，减速器功率传递系数(效率)=0.09，则每侧磁轮输出的功率 P2 N 为：P2 N = P1N =75 0.09=6.75W每侧磁轮输出的额定转矩T2 N 为：T2 N =9550 P2 N / n2 N 其中， n2 N 为磁轮的额定转速, n2 N =n1N /n，则：T=9550 P n/ n=9550 6.75 1000 10-3 /3000=21.488N m2 N2 N1N2 N两侧磁轮(四个)共同输出的转矩设为T ，则T 2 N=2 T2 N =21.488 2=42.976N m当爬行机构匀速垂直上升行走时，可带动的总重量 W 为:2 NW =2 T /D=2 42.976/0.07 1227.886N 125kg3.5 磁轮机构装配工艺为了便于磁轮的安装操作,我们采用先充磁后装配的工艺。装配的过程中,要保证 2 个半轮的内端面与磁芯的端面接触良好,以便减少磁隙损耗。由于铜套比磁芯轴向长度要求短些,所以 2 个半轮装配压实后,达到设计的尺寸链长度时,即可保证其端面基本要求，进行磁力计算磁力的分布，在磁轮的两个半轮上,沿轴向在外端母线上各均匀取 20 个点,测量磁力分布,统计如表 3-3。磁力计算，磁轮与管道接触面的磁力估算公式为:gF=5.017610 -3 R 3 D B 2式中:R磁轮半径D半轮磁轮母线长度Bg 磁感应强度根据表 3-3 磁力分布情况,考虑磁轮与管道的内外壁的不同的接触面以及一定的安全系数范围内,计算得 Bg 1.22(T)。解出:F=1114.75N表3-3 磁力沿磁轮母线分布表分布点02468101214161820左半轮（左至右）1.300.950.900.850.810.991.021.551.992.214.20右半轮（右至左）1.300.940.910.850.820.941.051.602.002.204.23气刨小车脱落可能性最大的位置是仰焊,两边安装防脱落的保护装置,车轮慢速前进,进行动态测量。逐渐加挂每块 10kg 重物,至 8 块时,开始出现脱落迹象。由于气刨小车的重量为 50kg,所以实验表明 4 个磁轮的承重能力可达 130kg, 大于理论计算,表明整个装置设计磁力系统满足安全要求。第四章：齿轮的计算与校核4.1 齿轮的设计计算与校核4.1.1 选定齿轮类型，精度等级，材料齿数(1) 设计传动方案有六个节圆直径为50mm和两个节圆直径为30mm直齿圆柱齿轮。(2) 焊接机为一般工作机器，速度不高，故而选用7级精度(GB10095-88)。(3) 材料的选择：由工作手册可查得，选取小齿轮材料为40 Cr (调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。(4) 选取小齿轮齿数为Z1 =30,大齿轮齿数为Z2 i Z1 50303050。故而取Z2 50。4.1.2 按齿面接触强度设计由设计公式进行试算得，2KT m 1 Zd1t 2.323 t 1 E (4-1)fdm s H 式中： d1t 小齿轮的节圆直径，mmKt 载荷系数m 大小齿轮粘合的传动比T1 小齿轮所受的扭矩，N mfd 齿宽系数ZE 弹性影响系数, MPa1/2s H 接触疲劳强度, MPa(1) 确定公式内的各计算数值 试选择载荷系数 Kt =1.3。 计算小齿轮传递的转矩。T1 = T i = 0.098300 = 29400N mm式中：i速器的减速比T电机输出的额定转矩 圆柱齿轮的齿宽系数表可以选取齿宽系数fd = 1 由弹性影响系数表可以查得材料的弹性影响系数12p 1- m 2 E11ZE = 189.8MPa 2H 由调质处理钢的s图，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为limHHs 930MPa,大齿轮的接触疲劳强度极限s820MPalim1lim 2 根据齿轮的工作应力循环次数公式：N1 = 60n1 jLh(4-2)选取工作寿命10年（设每年工作300天），两班制。N = 60n jL =60101(2830010)= 2.8810711hN2 = 2.88107