毕业设计（论文）-管道外圆自动焊接机的结构设计.docx

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1、摘要野外焊接环境十分恶劣，焊工劳动强度大，技术难度高，因此，工程上迫切需要实现管道的自动焊接，用以提高生产率、保证焊接质量、降低劳动强度和施工成本，而且自动焊接还能大幅度降低操作技术难度，解决焊工培养困难，流失严重等问题。本文是对管道建设野外作业的管道外圆自动焊接机进行结构设计以达到体积小、重量轻、加工成本低、运动精度高、操作简便并且满足各项性能指标的要求。本文首先，通过对管道外圆自动焊接机现状进行全方位调研，在此基础上提出了该自动焊接机方案；然后，设计并校核了各主要构成件的结构及强度；最后，通过AutoCAD制图软件绘制了机械手装配图、主要零件图并采用Pro/E软件进行三维设计及运动仿真。通

2、过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图及Pro/E软件进行三维设计软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键字：管道，焊接，设计，仿真5Abstractorder to achieve small volume, light weight, low processing cost, high precision ofmovement, easy operation and meet the requirements of various performance indicato

3、rs.First of all, through a comprehensive survey of the current situation of the automatic pipewelding machine, the scheme of the automatic welding machine is put forward. Then, thestructure and strength of the main components are designed and checked. Finally, the AutoCADdrawing software is used to

4、draw the drawings of the mechanical hand assembly, the main partsand the Pro/E software. Three-dimensional design and motion simulation are carried out.Through this design, we have consolidated the professional knowledge of the University,such as mechanical principle, mechanical design, material mec

5、hanics, tolerance andinterchangeability theory, mechanical drawing, and so on. It has mastered the design method ofmechanical products and is able to use AutoCAD drawing and Pro/E software to carry outthree-dimensional design software skillfully. It is of great significance.Keywords: Orbital welding

6、 machine;pipeline;construction design;Manipulator摘要IABSTRACT II第1章绪论51.1 课题背景及意义5L2国内外的研究现状51.2 . 1国内研究现状5L2.2国外研究现状61.3 发展及应用61.3.1 发展历程71.3.2 国内外应用现状 71.3.3 技术展望8第2章总体结构方案设计92.1设计要求92. 2基本参数及功能选定92. 3结构方案设计102.1.1 小车行走机构102.1.2 焊枪X、Y向调整机构 112.1.3 焊丝送进机构112.1.4 焊接轨道112. 4总体方案确定及原理分析13第3章主要构件设计及校核13

7、3. 1电动机的选择133. 2传动比计算153.3齿轮传动的设计 153. 3. 1高速级圆柱齿轮设计153. 3.2低速级圆柱齿轮设计183.4轴的设计223.4.1 尺寸与结构设计计算223.4.2 强度校核计算233. 5送丝机构设计25第4章 基于PR0/E的三维设计及仿真264. 1 Pro/E三维设计软件概述265. 2三维设计284.2.1 小车行走机构284.2.2 总体装配模型284. 3运动仿真294. 4本章小结29总结31参考文献3233第1章绪论1.1 课题背景及意义现代工业的飞速发展，不断对焊接技术提出更新更高层次的要求，而现代工业和科学技术取得的新成就又为焊接方

8、式和焊接设备的发展提供了雄厚的技术基础。焊接设备和焊接工艺就是在科学技术和现代工业的推动下迅速发展起来的。而管道运输是油气运输中最主要的也是最经济、快捷、可靠的运输方式，也可用于输送水、天然气、原油、成品油等，具有输送量大、距离远、安全性高、成本低等优点，在各国油气运输业中发展迅速。据有关统计，国外一些发达国家油气运输业中管道运输方式的输油量约占油气运输总量的2/3之多，油气的管道运输对从原油、天然气的生产、精炼、储存及到用户的全过程起到了重要作用。目前管道施工已逐渐从手工焊接方式向全自动焊接方向发展。管道建设地区跨度大沿线施工环境恶劣，加之管道输送逐步向大口径、高压方向发展，这对管道环焊缝的

9、焊接要求提出了更高的标准，管道环焊缝的焊接质量成为制约整个工程质量和建设周期的关键因素。野外焊接环境非常恶劣，焊工劳动强度大，技术难度高；因此，工程上迫切需要实现管道的自动化焊接要求，以提高生产率、降低劳动强度、保证焊接质量和施工成本。而且自动化焊接还能大幅度降低操作技术难度，解决焊工技术培养困难，人员流失严重等问题。本设计的目的是针对管道建设野外作业的管道外圆自动焊接机进行结构设计以达到重量轻、体积小、加工成本低、运动精度高、操作简便快捷并且满足各项性能指标的要求。1.2 国内外的研究现状1.1 .1国内研究现状近年来，工业管道在不同的部门如化工、石化和石油中均起到了重要性的作用。我国管道建

10、设起始于20世纪70年代，管道焊接施工方式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的功能,这就需要操作者必须时刻观察焊接位置并调整焊枪角度。如果操纵者操作方法不正确就会导致焊缝缺陷，所以焊缝位置跟踪全自动焊接机就应运而生。虽然我国管道事业发展较快，但具有自主知识产权的管道外圆自动焊机还比较少。国内典型的管道自动焊接机在引进国外先进的自动焊接机经验的基础上，国内一些单位也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接机，其中以中国天然气集团公司工程技术研究院研制的石油管道特种施工机具研究所研制的PAW2000管道外圆自动焊机和APW-II型外圆自动焊

11、机为代表。APW-H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，在管道外圆自动焊接过程中，焊接参数如电压、电流、焊枪摆动速度、摆动幅度、焊速、两端停留时间等既可以预先设定又可以分别实时调节。焊机的这一特点，使之更加适用长输管线现场施工的复杂情况，在坡口存在错边、宽窄不一等工作情况下，通过实时调节，均可获得优良的焊接焊缝。PAW2000管道外圆自动焊机整套设备由焊接小车、手操作盒、计算机自动控制柜、环形可拆卸轨道、计算机和其他一些辅助配件组成。APWJI型外圆自动焊机，主要用于中大口径管道外环填充焊道、焊缝热焊道、盖面焊道的焊接。每台焊接工程车均具有根焊、热

12、焊、填充焊和盖面焊的功能。1.2 . 2国外研究现状管道焊接机广泛应用于各个工程领域当中，比如：油气工业、化工厂与热能工厂和核能。管道外圆自动焊接机，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(焊接电压、电流、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，还有美国MAGNATE

13、CH公司、德国VIETZ公司、荷兰VERAWELD公司、法国SERIMER DASA公司、英国Noreast公司、意大利PWT公司等。CRC公司智能化的P-500、P-600型以及SERIMERDASA公司的双枪焊接系统在世界范围内具有很高的技术水平。法国SERIMERDASA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

14、体积偏大。到目前为止，CRC公司生产了P300, P400, P500和P600 4个型号的管道外圆自动焊接机。其中P500和P600是双焊炬管道外圆自动外焊接机，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，给实际应用带来许多不便。其中，CRC公司生产的自动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

15、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发展及应用71.3.1发展历程自1959年美国推出世界上第一台Ultimate型机器人以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增长，通常他们用在焊接、拾取搬运、变薄拉伸、喷涂、装配、检测和测量中，其中有半数为焊接机器人。在重工业的很多领域中，大直径管道环缝焊需要高劳动强度的手工焊，这对操作者来说需要有严格的技能要求和集中力。由于人们对焊接柔性和焊接产量的高需求和高要求，自动焊接机器人就为很多工业领域提高焊接速度尤其是提高焊接质量提供极大的可能。到目前为止,焊接机器人大致可分为三代:第一代是基于示教再现工作方式的焊接机器人,由于操作简便，不需要环境模型，示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代是基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人；第三代是指装有多种传感器，接受作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应智能机器人。焊接机器人主要从事弧焊和点焊工作。弧焊机器人大多采用二氧化碳或二氧化碳与僦、氮混合气