管-板自动焊接机器人系统设计 - 图文

管板自动焊接机器人系统设计 I

摘要

在化工、轻工、核能等设备中，管与管板的焊接接头不仅数量多，操作难度大，而且焊接质量要求高。目前上海某工厂管板焊接是手工操作的，生产效率低、工人劳动强度大、焊接质量不稳定。所以本文针对上述情况，设计出管板自动焊接机器人系统。本文所设计的管板自动焊接机器人，包括机械系统、视觉自动定位系统、PLC控制系统和基于触摸屏的人机交互界面。根据工件及焊接工艺要求，焊接基本参数通过触摸屏设定，采用触摸屏实现初始定位精度调试,确定视觉传感识别管孔中心并将位置信息传递给以PLC为控制核心的控制系统，引导焊接初始位置自动识别、焊接。实现了对管板焊接机器进行自动化改造， 使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，视觉定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。

关键词：管板焊接，视觉定位，触摸屏，PLC

管板自动焊接机器人系统设计 II

Abstract

In chemical, light industry,nuclear industry and other equipment, as for the tube-plate welding, despite the large number of welding joints and the complicated operation process, high welding quality are required. There exsits tube-plate welding based on mannual work at a factory in Shanghai, of which the production efficiency is low, the worker labor intensity is heavy, the welding quality is unstable. This paper about design of tube-plate automatic robots, includes mechanical system, visual automatic positioning system, PLC, man-machine interface system based on the touch screen.According to Requirements of the workpiece and the welding technology, welding basic parametersare is set by the touch screen, which was adopted to realize the initial positioning adjustment,determine center of the visual sensing identify pipe hole and transfer the location information to control system of PLC as the control core; guiding automatic identifications of the initial position and welding. By the implement of automation renovation for the tube-plate welding,transform the original artificial positioning, artificial control of welding process into automatic drive by step motor, visual positioning and welding equipments on the basis of a complete automatic control pocesss.

Keyword: tube-plate welding, visual positioning, touch screen, PLC

管板自动焊接机器人系统设计 III

目录

1 绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 课题来源 ............................................................................................................ 1 1.2 课题目的与意义 ................................................................................................ 1 1.3 管-板焊接应用现状与发展 .............................................................................. 2 1.4 主要研究内容 .................................................................................................... 6

2 机械系统设计 ........................................................................................... 7

2.1 引言 .................................................................................................................... 7 2.2 技术要求 ............................................................................................................ 8 2.3 X方向传动系统的设计 ..................................................................................... 8 2.4 Y方向传动系统的设计 ................................................................................... 16 2.5 旋转传动系统的设计 ...................................................................................... 23 2.6 焊机机头机械系统的设计 .............................................................................. 32

3 视觉传感系统设计 ................................................................................. 36

3.1 视觉传感系统的设计目标及功能特点 .......................................................... 36 3.2 系统工作原理 .................................................................................................. 36 3.3 视觉系统硬件组成 .......................................................................................... 37 3.4 视觉系统软件部分 .......................................................................................... 41

4 运动控制系统设计 ................................................................................. 44

4.1 运动控制系统控制要求 .................................................................................. 44 4.2 运动控制系统硬件设计 .................................................................................. 44 4.3 运动控制系统软件设计 .................................................................................. 53

5 人机交互界面设计 ................................................................................. 68

5.1 引言 .................................................................................................................. 68 5.2 控制面板设计 .................................................................................................. 68 5.3 基于触摸屏的人机界面设计 .......................................................................... 69

6 管板焊接试验 ......................................................................................... 76

6.1 样机研制及其操作流程 .................................................................................. 76 6.2 焊接试验过程 .................................................................................................. 78 6.3模拟工件焊接试验效果 ................................................................................... 79

管板自动焊接机器人系统设计 IV

6.4焊接试验结论 ................................................................................................... 79

7 结论 ......................................................................................................... 80

7.1 课题结论 .......................................................................................................... 80 7.2 课题展望 .......................................................................................................... 80

参考文献 ..................................................................................................... 81 致谢 ............................................................................................................. 83

管板自动焊接机器人系统设计 1

1 绪论

1.1 课题来源

在化工、核能等设备中，管板与管的焊接接头不仅仅数量多，焊接难度大，而且焊接精度要求非常高，虽然有些场合可用胀管连接，但在要求较高的情况下，大多数仍需要焊接。由于管子多、管径小、排列间距小等特点，给焊接带来许多困难。国内有些厂家从国外引进管一板全自动焊机焊接管与管板的角环焊缝，由于被焊工件尺寸的精度及装配的质量问题，从而使得设备难以正常使用，还有的厂家从国外引进弧焊机器人焊接管与管板的环焊缝，由于操作人员和维修人员的素质跟不上，或者由于关键部件需要进口，使55％的焊接机器人不能很好地用于生产。也由于进口设备昂贵，使我国管板的焊接工作长期停留在手工焊接的水平上，不但操作困难，而且质量也难保证[1]。本课题是来自教师科研项目，是对上海某工厂内现有的相对落后、自动化程度不高的人工焊接机器进行自动化改造， 使原来人工定位，人工控制焊接进程的机械手变为由步进电机驱动，视觉传感定位和焊接过程自动化控制的一整套焊接设备。

1.2 课题目的与意义

作为柔性焊接设备的焊接机器人正逐浙成为焊接过程自动化的一个重要部分，是提高关键结构件的焊接质量的重要手段。管板焊接机器人的应用，不仅提高了焊接质量和生产率，而且降低了工人的劳动强度，作业环境也得以改善。归纳起来采用管-板焊接机器人有下列主要意义：

（1）提高焊接质量。焊接参数如焊接电压、电流、焊接速度等对焊接结果起决定作用。采用管-板焊接机器人焊接时对于每个管孔的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响较小,因此降低了对工人操作技术的要求，使焊接质量提高。而人工焊接时，由于焊接速度、干伸长等因素都是变化的，因此很难做到焊接质量的均一性。

（2）改善了工人的劳动条件。采用管-板机器人焊接工件时，工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、飞溅等。对于焊接工人来说他们不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从强度非常大的体力劳动中解脱出来。

（3）提高企业生产率。管-板焊接机器人没有疲劳，一天可以24小时连续生产，而且随着高速又高效焊接技术的应用，使用管-板焊接机器人焊接，效率提高的更加明显。

（4）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。

（5）产品周期明确，容易控制产品产量。管-板焊接机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。

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