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1、自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 本文對(duì)自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了分析研究。主要對(duì)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中行走小車的車身和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)采用磁輪吸附于管道上，繞管道全位置爬行，避免了有軌式管道焊機(jī)安裝,調(diào)試軌道的輔助工序，大大縮短了氣刨輔助時(shí)間，提高了氣刨工作的效率。為使該機(jī)工作運(yùn)行穩(wěn)定可靠，采用雙排四輪轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪，使磁輪小車在管道上無導(dǎo)軌全位置自由行走。本論文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)其具體結(jié)構(gòu)、校核主要零部件的強(qiáng)度、選擇電機(jī)及減速器、畫出總裝配圖。 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)研制的自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本論文的研

2、究具有很好的工程應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞: 自動(dòng)碳弧氣刨，行走機(jī)構(gòu)，磁輪 II 自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) Abstract Automatic 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 de

3、signed. 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 ord

4、er 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.

5、 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 stab

6、ly 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 錄 IV 第一章 緒 論 1 1.1 自動(dòng)碳弧氣刨技術(shù)概述 1 1.1.1 自動(dòng)碳弧氣刨技術(shù)研究背景 1 1.1.2 國內(nèi)外自動(dòng)碳弧氣刨技術(shù)研究現(xiàn)狀 2 1

7、.1.3 自動(dòng)碳弧氣刨技術(shù)發(fā)展展望 3 1.2 自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)應(yīng)用及效果 7 1.3 論文的研究目標(biāo)及研究內(nèi)容 8 1.3.1 論文的研究目標(biāo) 8 1.3.2 論文研究的內(nèi)容 8 第二章：自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)總體研究 9 2.1 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 9 2.2 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)組成及作用 10 2.2.1 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)組成 10 2.2.2 自動(dòng)碳弧氣刨各部分系統(tǒng)作用 10 2.3 行走小車車架及傳動(dòng)部分分析 12 第三章：自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)研究 13 3.1 行走機(jī)構(gòu)的分析 13 3.1.1 技術(shù)難點(diǎn)與方案分析 13 3.1.2 柔性磁輪式爬行機(jī)構(gòu)

8、結(jié)構(gòu)組成與工作原理 14 3.2 行走機(jī)構(gòu)的選擇 15 3.2.1 吸附功能和移動(dòng)功能 15 3.2.2 磁輪結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì) 17 3.3 行走方式的選擇 18 3.4 磁輪式行走機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.4.1 車體尺寸參數(shù) 18 3.4.2 電機(jī)的選擇 18 3.5 磁輪機(jī)構(gòu)裝配工藝 21 第四章：齒輪的計(jì)算與校核 23 4.1 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 23 4.1.1 選定齒輪類型，精度等級(jí)，材料齒數(shù) 23 4.1.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 23 4.1.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 27 4.1.4 幾何尺寸的計(jì)算 30 4.2 齒輪鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 3

9、1 4.2.1 小齒輪的鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 31 4.2.2 大齒輪的鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 32 第五章：自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)工藝試驗(yàn)研究 34 5.1 自動(dòng)碳弧氣刨工藝試驗(yàn)研究 34 5.1.1 電源極性 34 5.1.2 碳棒的選用 35 5.1.3 壓縮空氣壓力 35 5.1.4 刨削速度 36 5.2 安全防護(hù) 36 第六章：技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析報(bào)告 37 6.1 經(jīng)濟(jì)效益分析 37 6.2 前景分析 37 第七章：總結(jié)與展望 38 7.1 總結(jié) 38 7.2 展望 38 參 考 文 獻(xiàn) 39 致 謝 41 聲 明 42 第一章 緒 論 1.1 自動(dòng)碳

10、弧氣刨技術(shù)概述 1.1.1 自動(dòng)碳弧氣刨技術(shù)研究背景 隨著我國現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展，石油化工產(chǎn)品逐漸增多，大型球罐、儲(chǔ)罐、管道的建造量與日俱增,迫切需要提高焊接自動(dòng)化程度以提高施工速度與焊縫質(zhì)量[1]。石化球罐等容器的體積容量以及數(shù)量正在快速增加，石化部門每年要新建球罐容量幾十萬立方米，迫切需要改善罐施焊條件，提高球罐焊接的自動(dòng)化程度， 以降低成本、提高效率與焊縫質(zhì)量。在國家石化行業(yè)儲(chǔ)運(yùn)工程大發(fā)展的環(huán)境下，球罐自動(dòng)焊技術(shù)在球罐群施工中具有廣泛的推廣價(jià)值。 我國開發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國和日本，起于 20 世紀(jì) 70 年代，早期是大學(xué)和科 研院所的自發(fā)性的研究。到 80 年代中期

11、，全國沒有一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世。而在國外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個(gè)非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時(shí)的國內(nèi)外形勢(shì)，國家“七五”攻關(guān)計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)列入了計(jì)劃，對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機(jī)器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機(jī)器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。與此同時(shí)于 1986 年將發(fā)展機(jī)器人列入國家“863”高科技計(jì)劃。在國家“863”計(jì)劃實(shí)施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的目標(biāo)。在國內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展的推動(dòng)下，以及對(duì)機(jī)器人技術(shù)研究的技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上，863 主題專家組及時(shí)對(duì)主攻方向進(jìn)行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用

12、工程作為研究開發(fā)重點(diǎn)之一，提出了以應(yīng)用帶動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家“八五”和“九五”中[3]。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 焊接機(jī)器人之所以能夠占據(jù)整個(gè)工業(yè)機(jī)器人總量的 40%以上，與焊接這個(gè)特殊 的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時(shí)由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機(jī)器人有下列主要意義： (

13、1) 穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接 40 速度及焊接干伸長度等對(duì)焊接結(jié)果起決定作用。采用機(jī)器人焊接時(shí)對(duì)于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小,降低了對(duì)工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時(shí)，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性[12]。 (2) 改善了工人的勞動(dòng)條件。采用機(jī)器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對(duì)于點(diǎn)焊來說工人不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，使工人從大強(qiáng)度的體力勞動(dòng)中解脫出來。 (3) 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。機(jī)器人沒有疲勞，一天可 24 小時(shí)連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高

14、速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機(jī)器人焊接，效率提高的更加明顯。 (4) 產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。 (5) 可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應(yīng)的設(shè)備投資?？蓪?shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化。機(jī)器人與專機(jī)的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 針對(duì)(手工)碳弧氣刨勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境惡劣、對(duì)焊工技術(shù)要求高、清根質(zhì)量難以保證筒體環(huán)縫的焊接質(zhì)量及焊接外觀成形質(zhì)量等缺點(diǎn)。以自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)代替手工氣刨配合相關(guān)工藝，成功解決以上難題。自動(dòng)碳弧氣刨是使用碳棒作電極， 與工件間產(chǎn)生電弧，將金屬熔化，同時(shí)用壓縮空氣將熔化金屬吹除的一種表面加工

15、溝槽的方法。在焊接生產(chǎn)中，主要用來刨槽、消除焊縫缺陷和背面清根。自動(dòng)碳弧氣刨有下列特點(diǎn)： (1) 氣刨小車和碳棒送進(jìn)機(jī)構(gòu)可自動(dòng)控制、無級(jí)調(diào)速； (2) 刨槽精度高、穩(wěn)定性好； (3) 刨槽平滑均勻、刨槽邊緣變形小； (4) 刨削速度比手工碳弧氣刨速度高，并且碳棒消耗量比手工碳弧氣刨少。 1.1.2國內(nèi)外自動(dòng)碳弧氣刨技術(shù)研究現(xiàn)狀 碳弧氣刨是利用電弧的高溫很快把金屬加熱到熔化狀態(tài)，在液體金屬凝固前利用壓縮空氣的氣流把液體金屬吹掉，能在金屬表面刨出一條凹槽，從而達(dá)到碳弧氣刨的目的。自動(dòng)碳弧氣刨是鍋爐、壓力容器制造和造船等行業(yè)的先進(jìn)工藝，自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)則是實(shí)現(xiàn)該工藝的關(guān)鍵設(shè)備。

16、我國上海船廠、江南造船廠曾內(nèi)部研制過自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)，泰洲電焊條廠曾生 產(chǎn)過 TBJ-3 型多向自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)，其共同特點(diǎn)是因受電路結(jié)構(gòu)等方面的限制，電弧長度控制不穩(wěn)定，波動(dòng)大。此外碳棒導(dǎo)向孔大小固定，因而在碳棒粗細(xì)不均時(shí)易“卡死”或?qū)щ娮炫c碳棒之間“打弧”，使氣刨過程不穩(wěn)定，甚至損壞導(dǎo)電嘴，并只能使用一個(gè)規(guī)格的碳棒。由于控制系統(tǒng)靈敏度不夠，當(dāng)鋼板不平時(shí)刨槽深淺寬窄不均勻甚至發(fā)生頂碳。壓縮空氣送風(fēng)方式不集中，使壓縮空氣消耗量大，當(dāng)碳棒變熱時(shí)送棒滾輪(橡膠制)不靈活易損壞。當(dāng)因機(jī)械事故送棒電機(jī)被卡住時(shí)，電路只能右熔斷器斷開，更換熔斷器不方便，有時(shí)甚至損壞可控硅。因此這樣的自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)真

17、正用于實(shí)際生產(chǎn)難以滿足工藝要求，保證刨槽質(zhì)量。 美國Arcair公司現(xiàn)生產(chǎn)的N6000 的自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)，該產(chǎn)品不但造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且在使用過程中調(diào)整困難，壓縮空氣消耗量大，因送風(fēng)不集中而易使刨槽掉渣，此外不使用可連接碳棒時(shí)碳棒廢棄長度長(約 150mm)，而我國可連接碳棒價(jià)格高且目前質(zhì)量尚不過關(guān)[15]。 因此，設(shè)計(jì)一種電弧程度控制精度高，并且結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低運(yùn)行費(fèi)用盡量減少，操作方便的自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)十分必要。從而促進(jìn)自動(dòng)碳弧氣刨這項(xiàng)先進(jìn)工藝在我國有關(guān)行業(yè)普及推廣[4]。 1.1.3 自動(dòng)碳弧氣刨技術(shù)發(fā)展展望 自上世紀(jì) 90 年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅

18、猛發(fā)展， 機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。機(jī)器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強(qiáng)，機(jī)器人的種類不斷增多，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁， 從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。 工業(yè)機(jī)器人是數(shù)量和種類最多的一種機(jī)器人，廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域的各行各業(yè)。也是形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般由機(jī)械本體、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置等構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成

19、各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 工業(yè)機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人的勞動(dòng)，它既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又具有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力， 從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志[16]。 因此，從某種意義上來說，工業(yè)機(jī)器人的

20、發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點(diǎn)焊和電弧焊。這兩種焊接機(jī)器人在工業(yè)機(jī)器人中所占的大致比例。我們所說的焊接機(jī)器人其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。因此，從某種意義上來說，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史[6]。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接

21、又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接， 減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率[5]。 由于機(jī)器人控制速度和精度的提高，尤其是電弧傳感器的開發(fā)并在機(jī)器人焊接中得到應(yīng)用，使機(jī)器人電弧焊的焊縫軌跡跟蹤和控制問題在一定程度上得到很好解決。 目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究。從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)看，焊接機(jī)器人和其它工業(yè)機(jī)器人一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。具體而言，表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面： (1) 機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)： 通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，實(shí)

22、現(xiàn)機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。例如，關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控 技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)[17]。 (2) 機(jī)器人控制系統(tǒng)： 重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)。向基于 PLC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展， 便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大

23、提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性?？刂葡到y(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6 軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21 軸甚至 27 軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。 人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PLC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)[18]。 編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)，在某些領(lǐng)域的離線編程已實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。 (3) 機(jī)器人傳感技術(shù)： 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自

24、動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。 遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。 (4) 網(wǎng)絡(luò)通信功能： 日本YASKAWA 和德國KUKA 公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus 、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)

25、器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展[19]。 (5) 機(jī)器人遙控和監(jiān)控技術(shù) 在一些諸如核輻射、深水、有毒等高危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行焊接或其它作業(yè)，需要有遙控的機(jī)器人代替人去工作。當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星 上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，可通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下， 建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。 (6) 機(jī)器人技術(shù)： 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作

26、用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人?；诙鄠鞲衅鳌⒍嗝襟w和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場(chǎng)感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。 (7) 機(jī)器人性能價(jià)格比： 機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性 MTBF 一般為幾千小時(shí)，而現(xiàn)在已達(dá)到 5 萬小時(shí)，可以滿足任何場(chǎng)合的需求。 (8) 多智能體調(diào)控技術(shù)： 這是目前機(jī)器人研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對(duì)多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理

27、，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。 目前的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)正向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開放的方向發(fā)展,為了解決傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)和多機(jī)器人技術(shù)在許多關(guān)鍵問題上遇到的嚴(yán)重挑戰(zhàn),將分布式人工智能和多智能體系統(tǒng)理論充分應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和多機(jī)器人系統(tǒng),便產(chǎn)生了一門新興的機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域——多智能體機(jī)器人系統(tǒng)。焊接是工業(yè)生產(chǎn)的一大領(lǐng)域,焊接機(jī)器人的發(fā)展基本上同步于整個(gè)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展。所以,多智能體機(jī)器人的研究與發(fā)展將要很快應(yīng)用于焊接機(jī)器人領(lǐng)域。隨著工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型、復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和開放的方向發(fā)展以及焊接過程向高度自動(dòng)化及完全智能化的方向發(fā)展,多智能體焊接機(jī)器人系統(tǒng)終將成為熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域。但要把

28、這些研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際,還有待做出更大的努力[13]。 焊接是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最重要的領(lǐng)域之一,隨著國外及國內(nèi)對(duì)工業(yè)機(jī)器人在焊接方面的研究應(yīng)用,我國也開始了焊接機(jī)器人的研究應(yīng)用。在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上,中國于 20 世紀(jì) 70 年代末開始研究焊接機(jī)器人。1985 年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功我國第一臺(tái)HY-1 型焊接機(jī)器人。1989 年北京機(jī)床研究所和華南理工大學(xué)聯(lián)合為天津自行車二廠研制出了焊接自行車前三腳架的TJR-G1 型弧焊機(jī)器人,為“二汽” 研制出用于焊接?xùn)|風(fēng)牌汽車系列駕駛室及車身的點(diǎn)焊機(jī)器人。上海交通大學(xué)研制的“上海 1 號(hào)”、“上海 2 號(hào)”示教型機(jī)器人也都具有弧焊和點(diǎn)焊

29、的功能。20 世紀(jì) 90 年代末,廣東焊接研究所等聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)制造并投入運(yùn)行的中國第一臺(tái)點(diǎn)焊機(jī)器人成功地應(yīng)用在卡車駕駛室裝焊生產(chǎn)線上。1997 年首都鋼鐵公司和日本安川株式會(huì)社共同建立了首鋼—摩托曼機(jī)器人公司,并于當(dāng)年年底推出了第一批國內(nèi)生產(chǎn)的機(jī)器人,其中主要產(chǎn)品是焊接機(jī)器人。中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)和中國焊接協(xié)會(huì)進(jìn)行了一次比較全面的焊接機(jī)器人在制造業(yè)中應(yīng)用情況調(diào)查,結(jié)果顯示,到 1996 年 底,焊接機(jī)器人已得到廣泛應(yīng)用。我國使用焊接機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)的工廠大約有 70 家; 全國安裝的焊接機(jī)器人已達(dá) 500 臺(tái)(目前已超過了 600 臺(tái));主要集中在汽車、摩托車和工程機(jī)械 3 個(gè)重要行業(yè)

30、中;并且 90%以上屬于5或6 軸關(guān)節(jié)式機(jī)器人。1999 年北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人中心研制的ＡＷ-600 型弧焊機(jī)器人工作站,采用PC工控機(jī)控制和PMAC可編程多軸控制系統(tǒng),于1999年4 月通過了國家機(jī)械工業(yè)局的鑒定。1999年7月 15 日,國家 863 計(jì)劃智能機(jī)器人主題專家驗(yàn)收通過了由“一汽” 集團(tuán)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合開發(fā)的HT-100A型點(diǎn)焊機(jī)器人。由此可見,我們國內(nèi)的焊接機(jī)器人已開始走向?qū)嵱没A段[14]。 1.2 自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)應(yīng)用及效果 傳統(tǒng)的焊接罐體環(huán)縫的工藝方法是根據(jù)壁厚，內(nèi)側(cè)開60 V形坡口，留3～4mm 鈍邊，采用手工電孤焊焊接內(nèi)環(huán)縫；

31、外側(cè)用手工氣刨清根后，用埋弧自動(dòng)焊焊接外側(cè)環(huán)焊縫。這種工藝方法有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是由于內(nèi)側(cè)采用手工焊接，不僅加大了焊接工作量，增加了焊前機(jī)械開坡口工序，而且手工焊的焊接質(zhì)量波動(dòng)大，直接影響整個(gè)罐體環(huán)縫的焊接質(zhì)量；二是氣刨清根采用手工操作，加之筒體環(huán)縫長，所以清根質(zhì)量很難保證。寬窄不一的溝槽也影響外環(huán)縫的焊接質(zhì)量和成形質(zhì)量。為此，在工藝方法上做了改進(jìn)，即罐體不預(yù)開坡口，直接用埋弧自動(dòng)焊焊接內(nèi)環(huán)縫，外側(cè)采用自動(dòng)碳孤氣刨機(jī)進(jìn)行開坡口及清根工作，然后，用埋孤自動(dòng)焊焊接外側(cè)環(huán)焊縫[23]。 按照工藝流程，罐體在內(nèi)側(cè)埋弧焊后，即采用自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)氣刨外環(huán)縫。采用f 7mm 碳精棒，電流250～280A，電壓

32、30～32V。刨削時(shí)觀察刨后筒節(jié)對(duì)接縫黑線， 以此對(duì)氣刨機(jī)進(jìn)行橫向微量調(diào)節(jié)。因自動(dòng)氣刨的刨削速度非常快(約為手工氣刨的5 倍)，因此要根據(jù)需要刨削的深度調(diào)整好罐體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，即刨削速度刨削時(shí)，還要適時(shí)地在導(dǎo)管內(nèi)續(xù)加碳棒，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)氣刨。當(dāng)刨削發(fā)出連續(xù)穩(wěn)定的“刷刷” 聲時(shí)，表明氣刨的規(guī)范較為穩(wěn)定、合理，刨槽深淺、寬窄都較均勻；否則，刨削過程不穩(wěn)定，刨槽質(zhì)量下降。 刨削后，可以看到刨槽平滑均勻，直線度相當(dāng)好，刨削質(zhì)量幾乎近于機(jī)械加工的；刨槽內(nèi)無金屬熔渣，槽兩側(cè)熔渣亦很少，稍作清除即可；碳棒消耗量很小，350 mm長碳棒可刨削1500mm刨槽，比手工氣刨可節(jié)省1倍，刨槽深3～4 mm

33、，槽寬10 mm(公差約為0.3mm)。 自動(dòng)氣刨的良好刨削質(zhì)量，解決了影響罐體質(zhì)量的關(guān)鍵問題，同時(shí)還為外側(cè)埋弧焊自動(dòng)跟蹤提供了有利條件，達(dá)到了較好的焊接效果和外觀成形質(zhì)量。 1.3 論文的研究目標(biāo)及研究內(nèi)容 1.3.1 論文的研究目標(biāo) (1) 通過選擇和計(jì)算保證自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)的各部分組成滿足工作要求。 (2) 使行走小車的車架和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠保證小車正常行走，以保證氣刨過程不 斷進(jìn)行。 (3) 以磁輪為主的柔性磁輪行走機(jī)構(gòu)，通過磁輪設(shè)計(jì)方案的分析，擺脫了導(dǎo)軌的約束,解決了自動(dòng)焊的問題，使之具有自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤焊縫等功能的智能焊接設(shè)備。 1.3.2 論文研究的內(nèi)容 (1

34、) 對(duì)自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)的組成，包括碳弧氣刨電源、碳弧氣刨控制箱、空氣壓縮機(jī)、碳弧氣刨行走小車、碳弧氣刨頭等進(jìn)行了分析，對(duì)各項(xiàng)組成的特征，進(jìn)行了全面的分析，對(duì)各部分的研究方案及工作原理逐一進(jìn)行說明。 (2) 對(duì)碳棒的選用、壓縮空氣壓力、刨削速度等進(jìn)行分析計(jì)算，得出相應(yīng)的結(jié)果。 (3) 對(duì)行走小車的車架及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)組成部分進(jìn)行選擇分析。 (4) 對(duì)磁輪設(shè)計(jì)方案分析，包括吸附方式選擇、移動(dòng)方式選擇、磁輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及磁輪機(jī)構(gòu)裝配工藝研究計(jì)算。 (5) 進(jìn)行電機(jī)的選擇，一般包括選擇電動(dòng)機(jī)的類型、電動(dòng)機(jī)的功率及額定轉(zhuǎn)矩等。以保證自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)的穩(wěn)定工作。 (6) 設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)，使自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)工

35、作平穩(wěn)。 第二章：自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)總體研究 碳弧氣刨是利用在碳棒與工件之間產(chǎn)生的電弧熱將金屬熔化，同時(shí)用壓縮空氣將這些熔化金屬吹掉，從而在金屬上刨削出溝槽的一種熱加工工藝，是一種常見的金屬熱加工手段，廣泛用于造船、化工、鍋爐等加工領(lǐng)域。按照操作方式可分為手工碳弧氣刨和自動(dòng)碳弧氣刨。 手工碳弧氣刨結(jié)構(gòu)比較簡單，由氣刨鉗、氣管、電纜等部分組成；而自動(dòng)碳弧氣刨的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，由氣刨頭、氣管、電纜、氣刨頭調(diào)節(jié)裝置、送棒控制電路、接觸器、電源等部分組成。 自動(dòng)碳弧氣刨的優(yōu)點(diǎn)：氣刨小車和碳棒送進(jìn)機(jī)構(gòu)可自動(dòng)控制、無級(jí)調(diào)速；刨槽精度高、穩(wěn)定性好；刨槽平滑均勻、刨槽邊緣變形??；刨削速度比

36、手工碳弧氣刨速度高；碳棒消耗量比手工碳弧氣刨少。 2.1 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路 首先查閱關(guān)于自動(dòng)碳弧氣刨的資料，現(xiàn)在國內(nèi)外已經(jīng)有了多種產(chǎn)品，分別適用于不同生產(chǎn)環(huán)境，適用于不同工件的生產(chǎn)，首先要搞清碳弧氣刨的工作原理。 1－刨鉗 2－電極 3－壓縮空氣 4－工件圖 2-1 碳弧氣刨的基本原理 從圖2-1可以直觀的看出碳弧氣刨的基本原理，碳弧氣刨的原理就是利用碳棒 與工件之間產(chǎn)生的電弧，將金屬局部加熱到熔融狀態(tài)，同時(shí)用壓縮空氣的氣流把熔融金屬吹掉，從而達(dá)到對(duì)金屬進(jìn)行刨削或切割的一種工藝方法。 2.2 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)組成及作用 2.2.1自動(dòng)碳弧氣

37、刨系統(tǒng)組成 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)包括碳弧氣刨電源、碳弧氣刨控制箱、空氣壓縮機(jī)、碳弧氣刨行走小車、碳弧氣刨頭等組成，見圖 2-2 所示。 1－碳弧氣刨電源 2－碳弧氣刨控制箱 3－手控盒 4－電纜 5－氣刨頭 6－碳棒 7－磁輪小車 8－氣管 9－空氣壓縮機(jī) 圖 2-2 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)示意圖 2.2.2自動(dòng)碳弧氣刨各部分系統(tǒng)作用 (1) 電源 碳弧氣刨一般采用具有陡降外特性且動(dòng)特性較好的手工直流電弧焊機(jī)作為電源， 直流反接（工件接負(fù)極）。采用直流反極性進(jìn)行刨削試驗(yàn)時(shí)，電弧燃燒非常穩(wěn)定，并發(fā)出連續(xù)的“嘶嘶”聲，碳弧氣刨的電弧燃燒穩(wěn)定。 (2)

38、行走小車 行走小車由車架及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分組成。車架起連接小車各部零件及固定相鄰部件調(diào)整伸縮臂、機(jī)頭的作用。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器減速帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)小車移動(dòng)。小車的行走速度由控制儀給出的指令信號(hào) 大小來控制，從而帶動(dòng)機(jī)頭相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)以保證氣刨過程不斷進(jìn)行。 (3) 氣刨機(jī)頭 氣刨機(jī)頭的作用，一是送進(jìn)碳棒并根據(jù)控制儀的指令自動(dòng)調(diào)節(jié)碳棒是送進(jìn)還是反抽及二者的速度，以維持電弧長度不變，二是輸送壓縮空氣，即把壓縮空氣吹噴至氣刨位置，把被電弧融化了的金屬吹走，三是把氣刨電源的電流傳輸?shù)教及羯?。圖 2-3 為氣刨機(jī)頭機(jī)構(gòu)。碳棒通過導(dǎo)管夾在送棒滾輪及壓緊滾輪之間

39、，直流伺服電機(jī)根據(jù)控制儀發(fā)出的指令，經(jīng)減速器減速帶動(dòng)送棒滾輪，壓緊滾輪壓緊碳棒，送棒滾輪驅(qū)動(dòng)送棒下送或反抽。送氣結(jié)構(gòu)的噴嘴上有小孔將空腔與外界聯(lián)通，壓縮空氣經(jīng)送氣板的孔道進(jìn)入噴嘴的空腔，然后經(jīng)噴嘴上的小孔射向被電弧熔化的金屬，把這些金屬吹走。 圖 2-3 氣刨機(jī)頭結(jié)構(gòu) (4) 碳弧氣刨控制箱的作用 ①發(fā)出氣刨過程中接通主電路、送氣、引弧、送棒、氣刨結(jié)束時(shí)切斷主電路、氣路及碳棒反抽等程序的工作指令。 ②在氣刨過程中根據(jù)電弧長度的大小發(fā)出送棒電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度及方向的指令， 以使送棒電動(dòng)機(jī)根據(jù)電弧的長短自動(dòng)改變旋轉(zhuǎn)速度及方向，從而保持弧長不變，保證氣刨過程順利進(jìn)行及刨槽的尺寸精度。

40、 ③發(fā)出機(jī)頭相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)及控制相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度快慢的指令。 ④氣刨控制箱由多電壓電源電路、小車行走控制電路、碳棒送進(jìn)控制電路、弧壓誤差測(cè)量、放大及弧壓給定電路以及聯(lián)系各部分的開關(guān)及繼電器電路組成。在氣刨過程中隨著碳棒的燒毀，碳棒要不斷進(jìn)給，同時(shí)還要根據(jù)電弧長度的變化發(fā)出改變送棒電機(jī)轉(zhuǎn)速甚至轉(zhuǎn)向的指令。取出電弧電壓誤差信號(hào)(由電弧電壓的分壓與穩(wěn)壓源提供的分壓相減)，并經(jīng)放大，然后與給定信號(hào)電壓疊加輸入前置放大級(jí)，最后經(jīng)功率放大器放大而驅(qū)動(dòng)送棒電機(jī)。功率放大器為橋式放大電路，可由四個(gè)達(dá)林頓管或可控硅組成。在氣刨正常時(shí)，電弧電壓誤差信號(hào)為零，送棒電機(jī)根據(jù)給定信號(hào)發(fā)出的指令而以某一速度旋轉(zhuǎn)，當(dāng)

41、電弧長度變化時(shí)，電弧電壓誤差信號(hào)不等于零， 這時(shí)誤差信號(hào)經(jīng)放大加強(qiáng)或削弱給定信號(hào)，使電機(jī)轉(zhuǎn)速甚至轉(zhuǎn)向發(fā)生變化從而維持弧長不變。例如當(dāng)電弧過長時(shí)，電弧電壓升高，這時(shí)電弧電壓誤差信號(hào)的方向與給定信號(hào)的方向一致，兩個(gè)信號(hào)相加，從而使功率放大器輸出電壓相加，送棒電機(jī)的轉(zhuǎn)速加快；反之，送棒電機(jī)轉(zhuǎn)速減慢(甚至反轉(zhuǎn))，使電弧拉長[24]。 2.3 行走小車車架及傳動(dòng)部分分析 行走小車由車架及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分組成。車架起連接小車各部零件及固定相鄰部件調(diào)整伸縮臂、機(jī)頭的作用。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由交流伺服電動(dòng)機(jī)(1)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)減速器(2)減速帶動(dòng)齒輪(3)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)小車在球罐表面上(4)移動(dòng)。小車的行走速度由

42、控制儀給出的指令信號(hào)大小來控制，從而帶動(dòng)機(jī)頭相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)以保證氣刨過程不斷進(jìn)行。行走小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)見圖 2-3 所示。 圖 2-3 行走小車傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 第三章：自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)研究 目前石油化工等工業(yè)的焊接自動(dòng)設(shè)備,主要由爬行機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、柔性或半柔性軌道等部分組成，由于導(dǎo)軌的存在,在焊接過程中仍需完全依靠人工來緊盯焊接熔池,不斷操作焊槍進(jìn)行焊縫跟蹤,其勞動(dòng)強(qiáng)度大,焊縫質(zhì)量影響因素多, 因此國內(nèi)外的自動(dòng)化焊接技術(shù)僅達(dá)到了機(jī)械化焊接生產(chǎn)水平,需要研制開發(fā)出具有自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤焊縫等功能的智能焊接設(shè)備,以提高自動(dòng)化、智能化焊

43、接水平[2]。 焊接機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)包括左右兩組磁輪、主板、十字鏈軸式連接機(jī)構(gòu)與交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)的各個(gè)磁輪在X、Y方向上有一定的自由度，能保證各磁輪與金屬表面緊密接觸，磁力穩(wěn)定可靠。柔性磁輪機(jī)構(gòu)由左右兩個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，在金屬表面沿周向自由平穩(wěn)爬行，左右兩側(cè)磁輪可實(shí)現(xiàn)同步前進(jìn)、同步后退等運(yùn)行方式，設(shè)計(jì)焊車速度為8.3～20mm/s。 自動(dòng)碳弧氣刨系統(tǒng)行走機(jī)構(gòu)就是參照焊接機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的。 3.1 行走機(jī)構(gòu)的分析 3.1.1 技術(shù)難點(diǎn)與方案分析 全位置自動(dòng)焊接設(shè)備的焊接小車能在沿焊縫鋪設(shè)的軌道上自動(dòng)行走及擺動(dòng)焊接,從而實(shí)現(xiàn)了焊接的機(jī)械化生產(chǎn)。但是

44、該系統(tǒng)沒有焊縫自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，自動(dòng)焊車均需要依靠導(dǎo)軌支持才能在焊接金屬上運(yùn)行；而且也沒有質(zhì)量控制系統(tǒng)，焊接過程中仍需要完全依靠人工來盯緊焊縫, 不斷進(jìn)行跟蹤焊縫及實(shí)時(shí)調(diào)整焊接規(guī)范工藝參數(shù)等操作, 影響了焊接質(zhì)量。針對(duì)這種問題,全位置智能焊接機(jī)器人的研制及其現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用的研究，磁吸式柔性機(jī)構(gòu)即為取代導(dǎo)軌的焊車爬行跟蹤機(jī)構(gòu)[8]。 想要不用導(dǎo)軌支持就能直接在球罐表面上進(jìn)行全位置自動(dòng)行走與焊接, 這在國內(nèi)外尚無先例。其中, 磁性履帶式爬壁機(jī)器人最接近可行方案, 但尚有以下難以解決的問題[7]。 (1) 磁性履帶式爬壁機(jī)器人是間接受力機(jī)構(gòu),當(dāng)爬行坡度大于90o 時(shí), 其運(yùn)動(dòng)就不穩(wěn)定可靠,更不可能在仰

45、焊位置工作。即磁性履帶式爬壁機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)全位置行走。 (2) 多層焊時(shí)要求焊車不斷啟停以配合焊槍擺動(dòng), 按30cm/min(5mm/s)焊速計(jì), 若每分鐘擺動(dòng)30次, 則焊車差不多每秒要停1次, 或每移動(dòng)5mm停1次, 而且要移動(dòng) 均勻。由于履帶的每段長度要大于, 上述運(yùn)動(dòng)要求對(duì)于磁性履帶式爬壁機(jī)器人來說又是一個(gè)難題。 (3) 自動(dòng)焊時(shí)還要求焊車行走機(jī)構(gòu)必須能迅速拐彎或糾偏, 以便跟蹤焊縫, 這也是磁性履帶式爬壁機(jī)器人很難做到的。 為此, 考慮采用磁輪式行走機(jī)構(gòu)方案, 但磁輪機(jī)構(gòu)主要有以下兩個(gè)難題。 (1) 輪與焊接金屬的接觸面積很小, 其磁力能否足夠?如采用四輪機(jī)構(gòu)的話,

46、 就只有四條線與球面接觸, 實(shí)際上還可能僅僅是若干個(gè)切點(diǎn)接觸。 (2) 為了增加磁吸力, 可以考慮增加磁輪, 但如何保證各輪在任何時(shí)刻同時(shí)接觸焊接金屬。 試驗(yàn)表明,采用高磁密材料制成的永磁輪有極大的磁吸力, 4輪永磁輪機(jī)構(gòu)吸力已超過2000N, 在垂直面上的負(fù)荷力超過500N。 據(jù)此,最后確定采用柔性磁輪式行走機(jī)構(gòu)研制方案, 其研制要點(diǎn)是設(shè)計(jì)柔性的四輪連接結(jié)構(gòu), 保證四輪在任何情況下同時(shí)接觸焊接金屬, 使其工作穩(wěn)定可靠。 3.1.2 柔性磁輪式爬行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成與工作原理 如圖示3-1, 研制的四輪柔性機(jī)構(gòu)采用行車式車體結(jié)構(gòu), 主要由底架1與左右二側(cè)磁輪座5組成,底架與二側(cè)磁輪座間

47、通過鉸鏈機(jī)構(gòu)2連接。左右磁輪座中的前后磁輪由各自的伺服電動(dòng)機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)。 1. 鉸鏈機(jī)構(gòu) 2.底架 3. 球板 4. 磁輪座 5.磁輪軸承 6.磁輪 圖 3-1 柔性磁輪機(jī)構(gòu)原理圖 此行走機(jī)構(gòu)的基本工作原理為：①四輪柔性連接, 左右二側(cè)輪架能相對(duì)偏轉(zhuǎn)自動(dòng)保證同時(shí)接觸焊接金屬表面。②各輪與鋼板封閉磁路, 磁力達(dá)到2000N以上。③ 四主動(dòng)輪結(jié)構(gòu), 保證全位置行走均勻可靠。④左右磁輪可進(jìn)行差動(dòng)工作, 可實(shí)現(xiàn)迅速拐彎, 甚至原地轉(zhuǎn)動(dòng)。 此行走機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析可簡化為圖3-2的情況, 通過推導(dǎo)可得到機(jī)構(gòu)在全位置穩(wěn)定運(yùn)行的基本條件

48、為: 式中:  Fm —磁輪吸力 W —焊車重力 Fm >W /4 ms ms —鋼板與磁輪間的靜摩擦因數(shù) Fm —磁輪吸力 FS —球板支反力 F —磁輪摩擦力 W —焊車重力 T —磁輪轉(zhuǎn)矩 q —球板坡度圖 3-2 磁輪機(jī)構(gòu)受力分析 試驗(yàn)結(jié)果表明, 研制的磁輪機(jī)構(gòu)吸力超過2000N, 能滿足全位置工作條件。 3.2 行走機(jī)構(gòu)的選擇 3.2.1 吸附功能和移動(dòng)功能 行走機(jī)構(gòu)須具備兩個(gè)基本功能：吸附功能和移動(dòng)功能。行走機(jī)構(gòu)按照吸附方式可分為真空吸附和磁吸附；按照移動(dòng)方式可分為輪式、履帶式和步行式。表3－1和

49、 表3－2分別比較了不同的吸附方式和不同的移動(dòng)方式的行走機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)缺點(diǎn)[10]。 表3－1 不同吸附方式的比較 吸附 空氣吸附 磁吸附 方式 真空式 噴射式 永磁式 電磁式 優(yōu)點(diǎn) 無需額外的供氣 和抽氣裝置 可獲取高真空，壁 面適應(yīng)性強(qiáng) 無需外部能量，吸附可 靠，壁面適應(yīng)性強(qiáng) 吸附力大小可控，脫 附容易 缺點(diǎn) 吸附力小，壁面 適應(yīng)性差 需抽氣設(shè)備，吸附 力小，噪音大 只適合導(dǎo)磁性壁面，吸 附力不可變 只適合導(dǎo)磁性壁面， 吸附力不可靠 磁吸附式裝置結(jié)構(gòu)簡單,吸附力大于真空吸附方式,且對(duì)壁面的凸凹適應(yīng)性強(qiáng), 不存在整孔

50、吸附漏氣的問題,因而當(dāng)壁面是導(dǎo)磁材料時(shí),優(yōu)先選用磁吸附方式。而磁源產(chǎn)生方式有 2 種:永磁材料生磁、電磁鐵生磁。電磁鐵生磁,磁力大小可控制,比較靈活,但要消耗電能,同時(shí),安全性差,當(dāng)意外斷電時(shí)易發(fā)生事故,并且電磁鐵本身也存在電阻與溫升的問題,體積不能縮小,難以與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合。使用永磁鐵則可避免以上電磁鐵的缺點(diǎn)。 表3－2 不同移動(dòng)方式比較 移動(dòng)方式 輪式 履帶式 步行式 優(yōu)點(diǎn) 移動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)向性好 著地面積大，壁面適應(yīng)能力強(qiáng) 壁面適應(yīng)能力強(qiáng)，可跨越 臺(tái)階 缺點(diǎn) 著地面積小，壁面適應(yīng) 性差 轉(zhuǎn)向性差 運(yùn)動(dòng)間歇大，速度慢 輪式結(jié)構(gòu),由磁芯產(chǎn)生磁力,

51、磁芯外套鋼套為輪軸,鋼輪被磁芯磁化,產(chǎn)生新的磁感 B′與磁芯磁感 B 共同作用于球罐,產(chǎn)生磁力;履帶式結(jié)構(gòu),履帶上部為磁源生磁,在其下部置一可控反向磁源,控制其整體磁感 B 的大小,使前進(jìn)方向上的磁感 B 大,而其后方向履帶的磁力變小,以減少履帶脫離時(shí)能量消耗;步行結(jié)構(gòu),由八腳蛛形結(jié)構(gòu)組成,同履帶式相仿,每個(gè)腳上部為磁源,下部為反向可控生磁機(jī)構(gòu)。移動(dòng)時(shí)4 腳移動(dòng)、4 腳吸附相互轉(zhuǎn)換。 上述 3 種方案分析比較,車輪式移動(dòng)快速,控制靈活;履帶式對(duì)壁面的適應(yīng)性強(qiáng), 但不易轉(zhuǎn)彎;步行式承重能力強(qiáng),但速度較慢。由于履帶式和步行式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價(jià)昂貴,也不適合本課題的研究對(duì)象,因此該系統(tǒng)選用車輪式移動(dòng)結(jié)

52、構(gòu)。 3.2.2 磁輪結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì) 磁輪的結(jié)構(gòu)組成圖 4-3 磁輪機(jī)構(gòu)圖磁輪由鋼輪、Nd-Fe-B 磁芯、銅套、緊定螺釘 4 部分組成(如圖 4-3 所示)。鋼輪兼導(dǎo)磁、滾輪與支撐軸 3 種作用為一體,由于磁芯比較脆,易碎裂,不宜直接作車輪,需要通過耐磨的導(dǎo)磁性能良好的構(gòu)件連接, 本設(shè)計(jì)中,鋼輪采用了45#鋼,為了增加摩擦力,鋼輪外表面滾花并表面淬火處理;銅套將左右2 個(gè)半輪連接起來,并避免磁短路;固定螺釘?shù)淖饔檬菍? 個(gè)半輪連接起來, 由于左右 2 個(gè)半軸要求同軸,其精度由銅套來保證,因此不宜采用螺紋連接。磁芯的作用是產(chǎn)生磁源。 圖 3-3 磁輪機(jī)構(gòu)圖

53、 隨著材料科學(xué)的迅速發(fā)展,各種性能優(yōu)異的磁性材料不斷涌現(xiàn),稀土磁性材料在近年來得到越來越多的應(yīng)用。主要是稀土氧化物成分,Sn-CoR合金和Fe-BCR為稀土元素系列永磁材料。特別是Nd2Fe14B的出現(xiàn),引起人們很大的興趣。它具有最大的磁能積,是新一代的永磁材料。Nd的矯頑力大,磁能積高,在磁路設(shè)計(jì)合理的情況下的磁體可提供 4.61N/cm3吸力。但是,該種材料的高溫性能不好,長時(shí)間在高溫下工作容易退磁。市場(chǎng)上也有耐高溫的永磁材料,但其磁能積明顯低于Nd。通過對(duì)焊接現(xiàn)場(chǎng)的考察,并對(duì)球罐焊接的熱力場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)試(如圖 4-4 所示),得到的結(jié)果是Nd可以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要[11]。

54、圖 3-4 溫度場(chǎng)分布圖 3.3 行走方式的選擇 行走機(jī)構(gòu)不但要承載碳弧氣刨小車和送棒機(jī)構(gòu)，同時(shí)還要不斷調(diào)整行走方向， 以實(shí)現(xiàn)坡口跟蹤。在此選用橫跨式四輪行走方式，兩側(cè)單獨(dú)由電動(dòng)機(jī)通過減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，依靠兩側(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)車體轉(zhuǎn)向而達(dá)到爬行小車沿線行走的目的。為了增大吸附力和爬坡能力，四只行走輪均為磁輪且均為主動(dòng)輪。每側(cè)的兩只磁輪與減速器、電動(dòng)機(jī)做成一體結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)軸與支撐桿相連，當(dāng)其于球面上行走遇有不規(guī)則表面或障礙時(shí)，即可自行調(diào)整角度，始終能夠與球面保持良好的接觸，保證有最大的吸附力[9]。 3.4 磁輪式行走機(jī)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.4.1 車體尺寸參數(shù) 車體

55、由左右側(cè)板及主板構(gòu)成，全長 645mm，前后距離為 384mm。 3.4.2 電機(jī)和減速器的選擇 20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)有了突出的發(fā)展，各國著名電氣廠商相繼推出各自的交流伺服電動(dòng)機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器系列產(chǎn)品并不斷完善和更新。交流伺服系統(tǒng)已成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，使原來的直流伺服面臨被淘汰的危機(jī)。90 年代以后，世界各國已經(jīng)商品化了的交流伺服系統(tǒng)是采用全數(shù)字控制的正弦波電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)。交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置在傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異[20]。永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)同直流伺服電動(dòng)機(jī)比較，主要優(yōu)點(diǎn)有：

56、(1) 無電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。 (2) 定子繞組散熱比較方便。 (3) 慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性。 (4) 適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)。 (5) 同功率下有較小的體積和重量。 伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī),在自動(dòng)控制系統(tǒng)中,用作執(zhí)行元件,把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS 系列交流伺服系統(tǒng)，其中永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)有 MSMA 系列小慣量型，功率從 0.03～5kW，共 18 種規(guī)格；中慣量型有 MDMA、MGMA、MFMA 三個(gè)系列，功率從 0.75～ 4.5kW，共 23 種規(guī)格；MHMA 系列大慣量

57、電動(dòng)機(jī)的功率范圍從 0.5～5kW，有 7 種規(guī)格。 同步型交流伺服電機(jī)比異步型控制方便，性能更好，用途更廣，尤其是在要求高的系統(tǒng)中更傾向于使用永磁同步交流伺服電機(jī)。因此，論文設(shè)計(jì)選用交流伺服同步電機(jī)作為焊機(jī)擺動(dòng)控制的動(dòng)力源。本論文采用日本松下電器的永磁同步交流伺服電機(jī)和 MSMA 系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，見圖 3-6。 圖 3-6 交流伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖 本次設(shè)計(jì)采用的全數(shù)字式交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用松下公司獨(dú)特算法，使速 度頻率響應(yīng)提高2倍，達(dá)到500HZ；定位超調(diào)整定時(shí)間縮短為以往產(chǎn)品的1/4；具有共振抑制和控制功能：可涵蓋機(jī)械的剛性不足，從而實(shí)現(xiàn)高速定位；

58、還具有全閉環(huán)控制功能：通過外接高精度的光柵尺，構(gòu)成全閉環(huán)控制。 直流無刷電機(jī)的出現(xiàn)是電動(dòng)機(jī)技術(shù)的巨大進(jìn)步，它取消了電刷和換向器，消除了故障及不可靠的主要根源，但是在相與相之間的切換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和過電壓，而正旋波驅(qū)動(dòng)的同步交流伺服電機(jī)克服了上述直流無刷的缺點(diǎn)，又具有和直流電機(jī)一樣的特性，尤其是矢量控制理論的出現(xiàn)，解決了交流電機(jī)在伺服系統(tǒng)中的控制方法問題，使得交流電機(jī)可以像直流電機(jī)那樣進(jìn)行控制[21]。 交流伺服電機(jī)可以通過控制信號(hào)方便的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；調(diào)速范圍寬，且在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)特性具有線性關(guān)系，運(yùn)行平穩(wěn)；控制功率小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；機(jī)電時(shí)間常數(shù)小，始動(dòng)電壓低，控制信號(hào)變化時(shí)反應(yīng)快

59、速靈敏。 同步型交流伺服電機(jī)比異步型控制方便，性能更好，用途更廣，尤其是在要求高的系統(tǒng)中更傾向于使用永磁同步交流伺服電機(jī)。因此，論文設(shè)計(jì)選用兩個(gè)交流伺服同步電機(jī)作為行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)，分別用于驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪。本論文采用日本Panasonic的MSMA永磁同步交流伺服電機(jī)和MSMA系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 [22]。 車體左、右兩側(cè)磁輪分別由左、右側(cè)交流電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng), 而每側(cè)前、后面磁輪通過二級(jí)雙伸軸蝸輪蝸桿減速器由該側(cè)電動(dòng)機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng), 二級(jí)蝸輪蝸桿的減速比n=1000，交流電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n1N =3000r/min，磁輪直徑D=70mm，則爬行機(jī)構(gòu)的額定行走速度VN 為 V

60、N = n1N p D/n=3000 p 70/1000=659mm/min 11mm/s 擬定交流電動(dòng)機(jī)額定功率 P1N =75W，減速器功率傳遞系數(shù)(效率)η=0.09，則每側(cè)磁輪輸出的功率 P2 N 為： P2 N = P1N η=75 0.09=6.75W 每側(cè)磁輪輸出的額定轉(zhuǎn)矩T2 N 為： T2 N =9550 P2 N / n2 N 其中， n2 N 為磁輪的額定轉(zhuǎn)速, n2 N =  n1N /n，則： T =9550 P n/ n =9550 6.75 1000 10-3 /3000=21.488N

61、 m 2 N 2 N 1N 2 N 兩側(cè)磁輪(四個(gè))共同輸出的轉(zhuǎn)矩設(shè)為T ，則 T 2 N =2 T2 N =21.488 2=42.976N m 當(dāng)爬行機(jī)構(gòu)勻速垂直上升行走時(shí)，可帶動(dòng)的總重量 W 為: 2 N W =2 T /D=2 42.976/0.07 1227.886N 125kg 3.5 磁輪機(jī)構(gòu)裝配工藝 為了便于磁輪的安裝操作,我們采用先充磁后裝配的工藝。裝配的過程中,要保證 2 個(gè)半輪的內(nèi)端面與磁芯的端面接觸良好,以便減少磁隙損耗。由于銅套比磁芯 軸向長度要求短些,所以 2 個(gè)半輪裝配

62、壓實(shí)后,達(dá)到設(shè)計(jì)的尺寸鏈長度時(shí),即可保證其端面基本要求，進(jìn)行磁力計(jì)算 磁力的分布，在磁輪的兩個(gè)半輪上,沿軸向在外端母線上各均勻取 20 個(gè)點(diǎn),測(cè)量磁力分布,統(tǒng)計(jì)如表 3-3。 磁力計(jì)算，磁輪與管道接觸面的磁力估算公式為: g F=5.017610 -3 R 3 D B 2 式中:R—磁輪半徑 D—半輪磁輪母線長度 Bg —磁感應(yīng)強(qiáng)度 根據(jù)表 3-3 磁力分布情況,考慮磁輪與管道的內(nèi)外壁的不同的接觸面以及一定的安全系數(shù)范圍內(nèi),計(jì)算得 Bg ≈1.22(T)。 解出:F=1114.75N 表3-3 磁力沿磁輪母線分布表 分布點(diǎn) 0 2 4 6

63、 8 10 12 14 16 18 20 左半輪 （左至右） 1.30 0.95 0.90 0.85 0.81 0.99 1.02 1.55 1.99 2.21 4.20 右半輪 （右至左） 1.30 0.94 0.91 0.85 0.82 0.94 1.05 1.60 2.00 2.20 4.23 氣刨小車脫落可能性最大的位置是仰焊,兩邊安裝防脫落的保護(hù)裝置,車輪慢速前進(jìn),進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。逐漸加掛每塊 10kg 重物,至 8 塊時(shí),開始出現(xiàn)脫落跡象。 由于氣刨小車的重量為 50kg,所以實(shí)驗(yàn)表明 4 個(gè)磁輪的承重能力

64、可達(dá) 130kg, 大于理論計(jì)算,表明整個(gè)裝置設(shè)計(jì)磁力系統(tǒng)滿足安全要求。 第四章：齒輪的計(jì)算與校核 4.1 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 4.1.1 選定齒輪類型，精度等級(jí)，材料齒數(shù) (1) 設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案有六個(gè)節(jié)圓直徑為50mm和兩個(gè)節(jié)圓直徑為30mm直齒圓柱齒輪。 (2) 焊接機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，故而選用7級(jí)精度(GB10095-88)。 (3) 材料的選擇：由工作手冊(cè)可查得，選取小齒輪材料為40 Cr (調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))，硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 (4) 選取小齒輪齒數(shù)為Z1 =30,大齒輪

65、齒數(shù)為Z2 ＝i Z1 ＝50／3030＝50。故而取Z2 ＝50。 4.1.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)公式進(jìn)行試算得， 2 KT m 1 ? Z ? d1t 2.323 t 1 ? ?E ? (4-1) fd m ? [s H ] ? 式中： d1t ——小齒輪的節(jié)圓直徑，mm Kt ——載荷系數(shù) m ——大小齒輪粘合的傳動(dòng)比 T1 ——小齒輪所受的扭矩，N m fd ——齒寬系數(shù) ZE ——彈性影響系數(shù), MPa1/2 [s H ] ——接觸疲勞強(qiáng)度, MPa (1) 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 ① 試選擇載荷系數(shù)

66、 Kt =1.3。 ② 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 T1 = T i = 0.098300 = 29400N mm 式中：i——速器的減速比 T——電機(jī)輸出的額定轉(zhuǎn)矩 ③ 圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表可以選取齒寬系數(shù)fd = 1 ④ 由彈性影響系數(shù)表可以查得材料的彈性影響系數(shù) 1 2p ? ? 1- m 2 ? ? E ? 1 ? 1 ZE = = 189.8MPa 2 H ⑤ 由調(diào)質(zhì)處理鋼的s 圖，按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 lim H H s ＝930MPa,大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限s ＝820MPa lim1 lim 2 ⑥ 根據(jù)齒輪的工作應(yīng)力循環(huán)次數(shù)公式： N1 = 60n1 jLh  (4-2) 選取工作壽命10年（設(shè)每年工作300天），兩班制。 N = 60n jL =60101(2830010)= 2.88107 1 1 h N2 = 2.88107