伸臂式焊接变位机设计--总体设计和旋转减速器设计

摘要

焊接变位机运动系统的设计是焊接变位机方案设计的核心内容，而焊接变位机运动自由度的确定是其前提条件。焊接变位机的关键是对变位机进行最佳位置焊接所需要的运动自由度的设计，如平动或转动的设计。

伸臂式焊接变位机是将工件回转，翻转，以便使工件上的焊缝置于水平和船形位置的机械装置。伸臂式焊接变位机是应用最广泛的一种焊接变位机，载重量一般不超过1吨。伸臂式焊接变位机的主体部分是翻转机构、回转机构、底座。本设计主要论述了焊接变位机械的组成，工作原理，重点讲述了其中的旋转减速机构的设计，旋转减速机构通过电机驱动，经过带传动，二级蜗杆蜗轮减速器的传动，起到减速和工作台的旋转运动的效果。包括了电机的选择，键的选择，轴承的选择等，还有带轮传动的计算，蜗轮蜗杆传动的计算，蜗杆轴的校核，轴承的校核等一系列设计计算。

焊接变位机有利于实现最佳位置的焊接过程、提高工作效率、降低疲劳强度并达到良好的焊缝成型。

关键词：焊接变位机械；带传动；蜗轮蜗杆传动；减速器

Abstract

The design of the moving system of the welding positioner is the core content of the scheme design,but the system depends on the moving freedom`s certainty.The key part of the design of the welding positioner is the design of the moving freedom, according to the best welding position.

The main parts of the welding positioner include overturning machinery, circumgyrating machinery and the base.The arm-extending welding posioner is used most widely ,the load is less than one ton.The arm-extending welding positioner is the machine which makes the workpiece circumgyrate and overturn to make the welding line on the workpiece park the level direction and cymbate position. The welding positioner`s makeup and operating principle make up of the paper ,which disserates the design of the turning gear of the machine .The belt driving and two stage worm wheel retarder make the turning gear realize the man`s anticipating speed.The use of the techogenerator which will feed back the instant speed to the generator and then the controller will adjust the speed makes sure of the high welding line quality.

Welding positioner is in favor of the welding process to achieve the best possible position,improving efficiency,reducing the fatigue strength,and forming a good weld.

Key words:welding posioner,belt drive,worm drive,reducer

前言

随着现代工业的发展和焊接技术的不断进步，焊接作为一种金属连接的工艺方法。在金属结构生产中已基本取代了铆接连接工艺。许多传统的铸锻制品也有焊接制品或铸-焊，锻-焊制品所代替。

焊接结构广泛用于是由于化工工业重型与矿山机械，起重与运输设备，汽车与船舶制造，航空航天技术，建筑结构与国防工业等领域中。许多产品，例如大型的超高压容器，除采用焊接工艺外，难以设想有更好的方法。在先进的工业国中，焊接产品的用钢量已达到总用钢量的43%以上，为了制造如此庞大的焊接结构产品，需建立大量专门制造焊接结构的工厂，而其中焊接变位机则是满足其焊接工艺的重要基础。

本次论文主要介绍0.5t 伸臂式旋转焊接变位机的总体设计及其装配，重点介绍其中的回转机构的设计及其组装，由于作者水平有限，时间仓促，错误再所难免，还请读者朋友们批评指正。

第1章 绪论

1.1课题研究现状及意义

国外大型结构件的焊接一般应用机械手，从国内目前的工艺现状及设备投入情况，完全用焊接机器人代替手工焊接作业条件还不成熟。但是如果没有焊接变位机，对于复杂结构件内的一些立焊缝、仰焊缝等单纯靠人工调整至容易焊接的平焊或船焊位置是不可能的。工人无法按焊接工艺执行，焊接质量也无法保证。

再者，工程机械大部分结构件很不规则，如装载机的前车架、挖掘机的大臂等类工件，焊缝复杂，外形大且重量较重，靠行车或其它吊装设备人工翻转，不仅频繁占用吊装设备，焊接效率低，而且现场操作不规范，存在一定的安全隐患。因此，近年来人工焊接变位机得到国内工程机械行业的广泛共识，都在加大这方面的投入。

本次论文处于对大学四年所学的知识进行的一次综合性的梳理及应用，对学生的综合能力进行的一次较为实质性的锻炼。

1.2焊接变位机械概述

随着焊接产品在国防工业，船舶运输，机械化工中的广泛使用，对焊接产品的质量要求也越来越高，传统的手工定位已不能够满足其精度要求，焊接变位机械便应运产生使用，近几年并随着控制理论的成熟发展，将其运用到其机械当中，发挥了越来越大的作用。

1.2.1 焊接变位机械的结构及使用特点

通常焊接变位机械可分为变位机、翻转机、滚轮架、升降机等四大类：

一、变位机

是通过工作台的旋转和翻转运动，使工件所有焊缝处于最理想的位置进行焊接，使焊缝质量的提高有了可靠的保证，它是焊接各种轴类、盘类、筒体等回转体零件的理想设备，同时也可用来焊接机架、机座、机壳等非长形工件。

选用变位机时应注意以下几点：

（1）应根据工件的质量、固定在工作台上的工件重心至台面的重心高度、重心偏心距来选用适当吨位的变位机。

（2）要在变位机上焊接圆形焊缝时，应根据工件直径与焊接速度计算出工作台的回转速度；如变位机仅用于工件的变位，工作台的回转速度及倾翻速度应根据工件的几何尺寸及重量选择，对大型、重型工件速度应慢些。

（3）工作台的倾翻速度一般是不能调节的，如在倾翻时要进行焊接工作，应对变位机提出特殊要求。

（4）工作台应有联接焊接地线的位置，且不受工作台回转的影响。不允许将焊接地线接在变位机机架上，从而使焊接电流通过轴承的转动零件。

（5）批量生产定型工件时，可选用具有程序控制性能的变位机。

（6）变位机只能使工件回转、翻动，要使焊接过程自动化、机械化，还应考虑用相应的焊接操作机械。

二、翻转机

是将工件绕水平轴翻转，使之处于有利施焊位置的机械，适用于梁、柱、框架、椭圆容器等长形工件的装配焊接。

焊接翻转机种类繁多，常见的有头架式、头尾架式、框架式、转环式、链条式及油压千斤顶式。

（1）头尾架式翻转机 这种翻转机由主动的头架及从动的尾架组成，它们之间的距离可根据所支撑的工件长度调节。当工作较重时应考虑将头尾架固定在基础上，防止倾倒。

头尾架式翻转机的缺点是工件由两端支承，翻转时头架端要施加扭转力，因而不适用于刚性小，易挠曲的工件；另外，当设备安装不当，头尾架的两根枢轴不在同一轴线上时，工件会受到过大的扭转力矩使翻转困难，甚至造成工件扭坏或枢轴因发生超负荷而扭断。对于短工件可以不考虑两端支撑，可仅将工件固定在头架上进行反转，而不用尾架。

（2）框架式翻转机 用一根横梁连接在头尾架的枢轴上或工作台上，可构成框架式翻转机。工作时工件固定在横梁上有横梁带动工件一起翻转。为减小驱动力矩，应使横梁—工件合成的纵向重心线尽可能与枢轴的轴线相重合。

（3）转环式翻转机 这类翻转机使用于长度和重量均较大，截面又多变化的工件翻转。

（4）液压千斤顶式翻转机 液压千斤顶式翻转机结构简单，载重量大，通常用于将工件作的翻转。

三、滚轮架

是借助焊件与主动滚轮间的摩擦力带动圆筒形焊件旋转的机械装置。主要应用于回转体工件的装配与焊接，其载重可从几十千克到千吨以上。按其结构形式可分为三大类：

1、自调式滚轮架

2、长轴式焊接滚轮架。

3、组合式焊接滚轮架。

四、升降机

是用来将工人及装备升降到所需的高度的装置，主要用于高大焊件的手工焊和半自动焊及装配作业。其主要结构形式有：

1、管结构肘臂式。

2、管筒肘臂式。

3、板结构肘臂式。

4、立柱式。

1.2.2 焊接变位机械的工作原理

焊接变位机械主要为焊接工艺提供合适的工作焊点，其具体的实现过程是：回转机构由电动机拖动，电动机输出一定的转速，经过带轮一次减速后，然后经过二级蜗轮蜗杆减速器两次减速，最后由回转主轴，经过工作台输出焊件所需要的焊接速度，以期达到所需要的焊缝要求；

倾斜机构主要实现工件在空间上的倾斜，本次论文所要研究的是倾斜机构空间四十五度范围内的倾斜，其具体的实现过程：整个倾斜机构由电动机拖动，电动机输出一定的转速，经过带轮一次减速后，然后经过二级蜗轮蜗杆减速器两次减速，最后其输出轴与锥角四十五度的伸臂梁相连接，伸臂梁与回转机构相连从而实现工作台在空间上的四十五度倾斜。底座在整个机械工作过程中起到抗振，平衡的作用。

1.3 论文主要研究内容

本次论文从整体上对焊接变位机械进行设计，它包括焊接机械当中的倾斜机构，回转机构，以及底座的总体设计，同时对机械当中的旋转减速机构进行了详细的设计描述：包括电动机的选择，二级蜗轮蜗杆减速器的设计，带轮及其传动带的设计计算，箱体的设计等。

第2章 带传动的设计

2.1.电动机的选择

根据设计需要，选择三相电动机Y801—4，其相关数据如下：

额定转速

额定功率

2.2.带传动的设计计算

此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩

② 验算带速

根据资料[1]式8-13计算带的速度

（2-3）

带速不宜过高或过低，

（2-4）

故带速合适。

③ 计算大带轮的基准直径

由可得

（2-5）

其中为大小带轮之间的传动比。

故取带轮直径。

（4）确定中心距，并选择带的基准长度

① 结合资料[1]式,初定中心距。

② 计算相应的带长

（2-6）

带的基准长度，根据由资料[1]表8-2选取，可得。

③ 计算中心距及其变动范围:

传动的实际中心距近似为

（2-7）

考虑到带轮的制造误差,带长误差，带的弹性以及因带的松弛而产生的补充张紧的需要，常给出中心距的变动范围。

（5）验算小带轮上的包角

（2-8）

故满足小带轮的包角条件。

（6）确定带的根数Z.

带的根数

（2-9）

式中：

——当包角不等于180度时的修正系数，参见资料[1]表8-2；

——当带长不等于试验所规定的特定带长时的修正系数参见资料[1]表8-2。

（7）计算单根V带的初拉力的最小值()

由资料[1]表8-3得Z型带的单位长度质量，所以

（2-10）

应使带的实际初拉力。

（8）计算压轴力

压轴力的最小值为

（2-11）

（9）带轮选材

大带轮的材料为，小带轮的材料为Q235-A。

基准直径，由于安装带轮的轴径为20mm。

故带轮可采用腹板式（图2-1）。

图2-1 腹板式带轮

第3章 旋转减速器设计

3.1传动比的分配

由电动机经带轮传动后，输出功率为0.55Kw，输出速度，

故总传动比，初分高低速级传动比分配为，

确定高速级传动比，低速级传动比。

3.2二级蜗杆传动设计

3.2.1高速级蜗杆传动设计

电动机输入功率为，电机转速，传动比为，输出转速设使用寿命为四年每年工作300d，每天工作8h，JC=40%。

（1）选择传动的类型，精度等级和材料

考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度8CGB10089—1988，其示意图见图3-1。

图3-1 高速级蜗杆传动示意图

蜗杆用35CrMo，表面淬火，硬度为45~50HRC；表面粗糙度1.6。蜗轮选用20Cr。

（2）选用蜗杆蜗轮的齿数

传动比

参考资料[2]表16.5-5，取，

（3）确定许用应力

（3-1）

由资料[2]表16.5-14查得=220N/，，按图16.5-2查得，由图16.5-3，采用浸油润滑，得。

轮齿应力循环次数

（3-2）

查资料[2]图16.5-4得，。

（3-3）

（3-4）

（4）接触强度设计

（3-5）

式中：载荷系数K=1.2。

蜗轮轴的转矩

（3-6）

（式中暂取）。代入上式

=945 （3-7）

查资料[2]表16.5-4，接近于=945的是1000，相应m=5mm， =50mm。

查表16.5-6，按i=30，m=5mm， =50mm，其a=100mm，，，蜗轮分度圆直径，导程角。

（5）求蜗轮的圆周速度，并校核效率

实际传动比

蜗轮的圆周速度

（3-8）

滑动速度

（3-9）

求传动的效率，按

式中：

由资料[2]表16.5-16查得；

取。则

（3-10）

与暂取值0.75接近。

（6）校核蜗轮齿面的接触强度

按资料[2]表16.5-10，齿面接触强度验算公式为

（3-11）

式中：查资料[2]表16.5-11得=155；

按表16.5-12取=0.9（间歇工作）；取=1.1；取=1.1。

蜗轮传递的实际转矩

（3-12）

当时，查资料[2]图16.5-4得。

（3-13）

将上述诸值，代入公式

（3-14）

（7）蜗轮齿根弯曲强度校核

按资料[2]表16.5-10，齿根弯曲强度验算公式

（3-15）

式中：按及，查图16.5-18得=3.34

将上述诸值，代入公式

（3-16）

（8）选取蜗杆传动的润滑方法

根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度，载荷类型为重型载荷，故可采用油池润滑。

（9）高速级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置

（3-17）

式中:

——周围空气的温度，常温情况下可取20C；

——蜗杆蜗轮的传动效率,；

——箱体的表面传热系数，可取=(8.15~17.45)，当周围空气流动良好时可取偏大值。这里取；

——输入功率，。

由于,其中80℃为临界温度，故在通风良好的情况下，不需要加散热装置。

（10）几何尺寸计算

已知：a=100mm，，，，，。

取=50mm。

3.2.2低速级蜗杆传动设计

经高速级传动后输入功率为，输入轴转速，输出转速设使用寿命为四年每年工作300d，每天工作8h，JC=40%。

（1）选择传动的类型，精度等级和材料

考虑到传递的功率不大，转速较低，选用ZA蜗杆传动，精度8 c GB10089—1988，其示意图见图3-2。

图3-2 低速级蜗杆传动示意图

蜗杆用35CrMo，表面淬火，硬度为45~50HRC；表面粗糙度1.6。蜗轮选用HT200铸造。

（2）选用蜗杆蜗轮的齿数

传动比

参考资料[2]表16.5-5，取，。

（3）确定许用应力

（3-18）

由资料[2]表16.5-14查得=220N/，。按图16.5-2查得，由图16.5-3知，采用浸油润滑，得。

轮齿应力循环次数

（3-19）

查资料[2]图16.5-4得，

（3-20）

（3-21）

（4）接触强度设计

（3-22）

式中：载荷系数K=1.2。

蜗轮轴的转矩

（3-23）

（式中暂取）。代入上式

=8662 （3-24）

查资料[2]表16.5-4，接近于=8662的是9000，相应m=10mm， =90mm。查表16.5-6，按i=31，m=10mm， =90mm，其a=200mm，，，蜗轮分度圆直径，导程角。

（5）求蜗轮的圆周速度，并校核效率

蜗轮的圆周速度

（3-25）

滑动速度

（3-26）

求传动的效率，按

式中：

由表16.5-16查得；

取。则

（3-27）

（6）校核蜗轮齿面的接触强度

按资料[2]表16.5-10，齿面接触强度验算公式为

（3-28）

式中：查资料[2]表16.5-11得=155；

按资料[2]表16.5-12取=0.9（间歇工作）；取=1.1；取=1.1。

蜗轮传递的实际转矩

（3-29）

当时，查资料[2]图16.5-4得。

（3-30）

将上述诸值，代入公式

（3-31）

（7）蜗轮齿根弯曲强度校核

按资料[2]表16.5-10，齿根弯曲强度验算公式

（3-32）

式中：按及，查图16.5-18得=2.54。

将上述诸值，代入公式

（3-33）

（8）选取蜗杆传动的润滑方法

根据蜗轮蜗杆的相对滑动速度，载荷类型为重型载荷，故可采用油池润滑。

（9）高速级蜗杆蜗轮传动热平衡计算校核及其选用冷却装置

（3-34）

式中:

——周围空气的温度，常温情况下可取20C；

——蜗杆蜗轮的传动效率,；

——箱体的表面传热系数，可取:，当周围空气流动良好时可取偏大值。这里取；

——输入功率，；

由于,其中80℃为临界温度，故在通风良好的情况下，不需要加散热装置。

（10）几何尺寸计算

已知：a=200mm，，，，，。

取=100mm。

3.3蜗杆轴的设计计算及校核

（1）利用已知条件求蜗杆上的功率，转速n和转矩T

（2）初步估算直径

选择轴的材料为45钢，经调质处理，由资料[2]表19.1-1查得材料力学性能数据为：

根据表19.3-1公式初步计算轴径，由于材料为45钢，由资料[2]表19.3-2，选取A=115，则得

（3-35）

因最小直径显然是带轮的内径，所选的轴径与带轮的内径相适应，故最小轴径为20mm。

（3）轴的结构设计及校核

1）拟定装配方案见图3-3

图3-3 轴装配尺寸方案图

2）根据轴向定位的要求，确定轴的各段直径和长度

1 为了满足带轮的轴向定位要求轴段f处有一定位轴肩，故轴g-f的直径为20mm，轴长为40mm。

2 初步确定滚动轴承，因此轴为蜗杆轴，应考虑轴向力，从而选用能承受轴向力的单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据，确定选用32006型轴承，其尺寸为，所以轴e-f直径为30mm，而长度为50mm。

3 因轴段c-d为蜗杆轮齿部分，其分度圆直径为50mm，全齿宽为50mm，考虑与其配合的蜗轮外圆直径为170mm，取轴b-e的轴径为36mm，长度为210mm。

4 轴a-b长度为轴承宽度，故轴长度为17mm，轴径为30mm。

3）轴向零件的周向定位

带轮与轴的周向定位均采用平键连接，按查资料[3]可得平键截面尺寸，键长30mm，采用公差配合为H7/k6，滚动轴承与轴的轴向定位是借过渡配合来保证的，此处轴的直径公差为m6。

4）确定轴上倒角

轴上倒角为。

5）求轴上的载荷

1 做出轴的简图，在确定轴的支点位置时，应从资料[2]中查取轴承压力中心偏离值，因此，作为简支梁的支撑跨距为317mm。

2 轴传递的转矩

（3-36）

蜗杆所受的圆周力

（3-37）

蜗杆所受的径向力

（3-38）

蜗杆所受的轴向力

（3-39）

带轮的切向力

（3-40）

式中：Z为V带的根数；

为单根V带的初拉力最小值；

为带轮上的包角。

3 求支反力

1）在水平平面的支反力，由

由得

2）在垂直平面内的支反力，

（3-41）

6）作弯矩图和扭矩图

1 在水平平面的弯矩图

2 在垂直平面内的弯矩图

3 合成弯矩计算：

（3-42）

（3-43）

④作弯扭矩图见图3-4

图3-4 弯扭矩图

7）轴的强度校核

确定危险截面

截面e处弯矩最大，属危险截面，现对e截面进行强度校核。

1 按弯扭合成应力校核轴的强度

取，轴的计算应力

（3-44）

又因轴的材料为45钢，调质处理，查手册得

轴的强度符合要求。

3.4轴承的选择及校核

3.4.1对低速级蜗杆轴轴承进行选择校核

由资料[2]选单列圆锥滚子轴承的型号33110可知：

基本额定动载荷为；

基本额定静载荷为；

内径为；

外径为；

计算系数为。

将受力其简化为力学模型见下图3-5。

（1）根据静力学公式可求得轴承处的水平及竖直方向得力：

其中:

图3-5 轴承受力力学模型

B,E处所受总的力大小为：

（3-45）

（3-46）

（2）求两轴承的计算轴向力：

由派生的轴向力

（3-47）

（3-48）

轴向受力分析如下图3-6：

图3-6 轴承轴向受力图

可见B轴承压紧，E轴承放松。

两轴承轴向力分别是：

（3）求轴承的当量动载荷

（3-49）

（3-50）

由资料[1]表13-15分别查表和插值计算得径向载荷系数或轴承载荷系数。

对于轴承B：；

对于轴承E：。

由资料[1]表13-6，，取。

（3-51）

（3-52）

按照轴承B的受力大小及寿命进行校核：

（3-53）

可知满足其寿命要求。

3.4.2 对高速级轴轴承进行校核

根据资料[2]选单列圆锥滚子轴承的型号32006可知：

基本额定动载荷为；

基本额定静载荷为；

内径为；

外径为；

计算系数为。

将受力其简化为力学模型见图3-7。

图3-7 轴承受力力学模型

（1）根据静力学公式可求得轴承处的水平及竖直方向的力

其中：

A，B 处所受总的力大小为：

（2）求两轴承的计算轴向力

由派生的轴向力

轴向受力分析如下图3-8。

图3-8 轴承轴向受力图

可见A轴承压紧，B轴承放松。

两轴承轴向力分别是：

（3）求轴承的当量动载荷

（3-54）

（3-55）

由资料[1]表13-15分别查表和插值计算得径向载荷系数或轴承载荷系数。

对于轴承B：；

对于轴承A：。

由资料[1]表13-6，，取。

（3-56）

（3-57）

按照轴承A的受力大小及寿命进行校核：

（3-58）

可知满足其寿命要求。

3.5键的选择及校核

3.5.1大带轮处的键选择及校核

根据资料[3]由带轮处的直径选择键，其型号GB1096 -79(90)，相关尺寸：

分别校核键的挤压强度和剪切强度

（1）挤压强度

根据公式：

（3-59）

式中：

——输入转矩；

——轴直径，；

——键与轮毂的接触高度，；

——键的工作长度，。

故其挤压强度满足强度要求。

（2）剪切强度

根据公式：

（3-60）

式中：

——轴直径,；

——键的工作长度；

——输入扭矩；

——键的宽度，。

故其挤压强度满足强度要求。

3.5.2低速级涡轮轴上的键选择及校核

根据资料[3]由轴径选择键，其型号为GB1096 -79(90) ，其相关尺寸：

分别校核键的挤压强度和剪切强度

（1）挤压强度

根据公式：

（3-61）

式中：

——输入转矩；

——轴直径,；

——键与轮毂的接触高度，；

——键的工作长度，。

（3-62）

故其挤压强度满足强度要求。

（2）校核其剪切强度

根据公式：

（3-63）

式中：

——轴直径,；

——键的工作长度；

——输入转矩；

——键的宽度，。

故其挤压强度满足强度要求。

第4章 焊接变位机的总体设计

4.1 伸臂梁的设计计算

整个回转机构的重量，载重，机身重，则：。

由工作情况可知，臂梁所承受的最大弯矩发生在当回转机构处于水平位置时，整个臂梁可视作悬臂梁，其力学模型简化如下图4-1：

图4-1 伸臂梁力学模型

则计算其相关力有：，

（4-1）

（4-2）

（4-3）

（4-4）

（4-5）

（4-6）

当时，

这里取。

4.2底座和箱体的简单设计

底座和箱体等零件工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗振性能；当同时用作滑道时，滑道部分还应具有足够的耐磨性。此外，对具体的机械，还应满足特殊的要求，并力求具有良好的工艺性。

底座和箱体的结构尺寸和大小，决定于安装在它的内部或外部的零件和部件的形状和尺寸及其相互配置，受力与运动情况等。设计时应使所装的零件和部件便于装拆与操作。

底座和箱体的一些结构和尺寸，如壁厚，凸缘宽度，肋板厚度等，对机座和箱体的工作能力，材料消耗，质量和成本，均有重大的影响。但是由于这些部位的形状不规则和应力的分布复杂性，基本上按照经验公式，经验数据，或比照现用的类似机件进行设计，而略去强度和刚度等的分析与校核。

此次论文设计采用的机座和箱体的设计采用经验公式和比照的方法进行设计。

结论

本论文全面介绍了伸臂式焊接变位机械的综合设计，包括回转机构，倾斜机构及底座等几部分的设计计算，其中回转机构和倾斜机构的减速器均采用二级蜗轮蜗杆减速器，从而得到了较低而又平稳的工作转速，在回转机构中测速发电机的使用将其工作台的速度及时反馈到电动机的控制装置，进而调节电动机的转速以适应工作台的速度，将其稳定在某个范围内，保证其焊缝质量。

参考文献

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致谢

本次论文是在终结大学四年学习的情况下进行的，力求对大学之所学能够来一次集中巩固及其创新利用。它涵盖面很广，涉及了机械的所有内容，是培养高级工程技术人才的一次综合训练。经过论文的选材，开题，构思，设计等一系列的训练，相信自己对设计有了进一步的认识，在计算能力，英文文献阅读翻译，查找相关信息等多种能力得到了一次深刻的锻炼，在整个过程中，可以说完成了工程师基本训练和逐步具有从事科学研究的工作能力，受益匪浅，相信对以后的学习工作会有很大帮助。

论文是在刘琨明老师及其院里老师的悉心帮助，指导下完成的，在此给予衷心的感谢！

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关于焊接遥控操作遥控机器人系统的多模态人机交互界面

李海超，高洪明，吴林，张广军

摘要

在焊接遥控操作遥控机器人系统中，人机界面是提高生产力和生产效率的一个最重要的因素，该论文提出了关于焊接遥控操作系统人机界面的设计：焊接多模态人机界面。人机界面综合几个共同控制的控制模式，电教、远程监控和地方自主控制。空间鼠标，全景摄像头和图形仿真系统还融入了焊接遥控操作的人机界面．最后，焊缝跟踪和焊接实验的马蹄形焊缝都是由这些模式分别控制，结果表明，该系统在人机交互和复杂环境的焊接时具有更好的性能。

关键词：多模态界面，控制模式，遥控机器人系统，焊接遥控操作

0 绪论

远程遥控焊接吸引了很多关注的核电厂，水下工程施工．焊接遥控系统由人类操作员(HO)，人机交互界面(HMI)，焊接遥控操作机器人系统和通信连接装置。一般来说，HMI对HO来说是整个系统的一个界面。目前，遥控机器人的HMI有以下问题：信息反馈的系统状态是不够的； HO的信息无法正确预计到偏远焊接环境；高级别接口如虚拟的不能提高系统效率．

多模态界面利用HO采用多通道并行互动，这是基于视觉再现，声音识别, 手动命令输入，视觉反馈和图形仿真技术，制图仿真技术。 Zaatri 提出的概念，多式联运执行者界面，早期的遥控焊接研究在远端环境信息反馈上停留在宏观的二维视觉反馈上。如加拿大Douglus Point核电站的核反应堆泄漏事故中进行的修补工作。此工程中使用双机械臂远程遥控焊接修补泄漏处，负责任务执行的机械臂一个装载焊枪，另一个载有7台摄像机从不同的视角进行监控_2 J。宏观视频监控只能反馈二维视觉信息，操作者不能获得深度信息，由于有多个视频监控系统，操作者在操作远端的机器人时，易“迷失自我”，不易掌握摄像机、焊枪、工件三者之间的位姿关系，不易控制焊枪的移动轨迹和姿态调整，增大了操作难度，易与环境发生碰撞。

一般来说，在机器人遥操作领域发展了视觉临场感技术，其核心是立体视觉显示技术，通过两幅不同角度的图像进行交替显示的方法来获得远端环境的深度感觉，立体视觉显示技术在焊缝跟踪中具有重要作用。焊接操作中，操作者的注意力集中在电弧周围的一个小区域中，视觉空间沿着焊接方向随着焊枪一起移动，立体视觉在此过程中提供给操作者具有深度感的信息，操作者可以随时调整焊枪的运动姿态与跟踪焊缝的横向偏差，保持一定适当速度导引焊枪跟踪焊缝，控制过程更加直观有效，防止工具与环境发生碰撞。焊接机器人遥操作系统要求具有较高的轨迹跟踪精度和焊接过程中的平稳性。在开发焊接机器人遥操作系统时，合理的控制方法和控制策略能够提高操作的灵活性。

本文在焊接机器人柔性加工单元的基础上进行深层次改造，采用我们自行开发的基于页面交换模式的桌面式立体视觉系统对远端的焊接环境进行显示，空间鼠标作为手控器直接对远端的焊接机器人进行控制，提高了手动跟踪焊缝的精度，对于角焊缝、对接焊缝和空间曲线焊缝都能够满足手动调整和跟踪的要求。通过基于立体视觉的遥控示教方法进行机器人轨迹规划，最后，焊接实验和焊缝跟踪对人机界面的性能测试。

1 焊接多模态人机交互界面设计

1.1一般方案

焊接遥控系统的实施是由接口在远程站点的焊接机器人控制软件，视频显示系统，视觉传感系统，图形仿真系统，手控制器和通信连接装置组成。

在立体图像显示系统中，为了保证两幅具有视差的左右眼视图是在同一时刻，对同一场景采集到的，要求用来采集现场环境信息的一对2D摄像机具有外同步触发功能。具有该功能的摄像机每次采集一帧图像时，都需要外部同步电平信号的触发，否则处于等待状态。通常的做法是用一路视频信号作为外同步信号来触发另一路摄像机。在本系统中，利用左摄像机触发右摄像机。具体做法是把从左摄像机采集到的视频信号输入到视频分配器，在输出端把一路视频信号直接输入到图像采集卡，另选一路视频信号作为触发信号去触发右眼摄像机。这样，每当左摄像机采集一帧图像，就触发右摄像机同时采集，从而保证左右摄像机采集到的图像是同时刻采集的。

1.2焊接结构的多模态人机界面

人机界面的功能结构包括以下五个模块：

参数设置，控制模式设置，手动控制输入，系统状态显示和视频显示。

根据不同的人机交互水平，焊接遥控分为手动控制、共同控制，交互控制，监督控制和自主控制在遥控焊接任务，控制策略可以看作是某种控制模式或几个相结合的互动控制模式。

在远程焊接时，有效的控制模式是手动控制，远程和监督的基础上控制图形环境和自主控制。

图1中显示主要界面，其中包括三个观点：查看任务、控制期和视频显示，理想的控制模式和命令都可以通过鼠标选择。

手动控制可连续生成命令，许多对话和弹出式菜单可以援引相结合并利用所有功能。

控制命令分别传送到真正的机器人和传感器系统图形仿真系统。每个选定的模式调用一个弹出式菜单，可让操作者修正参数和况人机合作，策划开发了控制模式翻译和命令解释。

当它作用时，用户操作空间鼠标遥控鼠标的图形环境。这个图形环境得到机器人状态信息和实时联合值控制虚拟机器人。

图1主窗口焊接多模态人机界面

2系统的物理结构

在地方网站，物理结构由全景视频监控，立体视频显示，图形工作站，监督的计算机和空间鼠标组成。

在远程站点，这些组件的激光视觉传感器，数码变焦的摄像头，双眼立体摄影机，机器人控制器和TIG焊枪。通信连接装置是基于TCP/IP协议和客户端/服务器网络模型。

在机器人控制器工程断绝在监管系统上运行的操作系统是计算机运行系统运行SG1工作站的图形系统。在六自由度和氩弧焊焊接机器人的焊接动议。

3人机界面的实现

3.1激光视觉传感的远程协助

如果焊缝是不规则或间断。激光视觉传感不能用于自主控制。然而，提取的特征点可用于联合激光视觉传感器的远程焊接路径远程包括三个阶段：制定焊缝类型、扫描联合剖面和处理信息、教学焊接路径。在人机界面的教参数设置，如焊接速度，插值模式和弧线位置，然后传送的人机界面的联合数据信号控制器。目前的位置和构成发送到人机界面，并将它记录在一个文件中。最后，整个焊接路径是下载到远程控制器

3.2共同控制

共同控制意味着机器人自由度的自主控制系统，在该系统中，视觉传感器的工程作为自主路径规划参加的焊枪位置与空间鼠标。

人机界面进行共享控制由是自由度分区和自由度融合这两种方法

（1）自由度融合方法

和是规模因素，是速度的手动控制，是驱动器载体的自主控制。

（2）自由度分区方法

是自由度组成部分手动控制命令；

是自由度组成部分视觉传感器自主命令；

焊枪末端的驱动矩阵△T可用得到。

关节角度和在下次循环的机械臂伺服可以通过逆运动学解决。因此，驱动器载体的空间鼠标V和驱动器载体D是相同的位置和焊枪的样式。

3.3虚拟环境的计划和控制

图4显示了进程螺旋焊缝跟踪和遥控焊接现场，在虚拟环境中，各功能模块可以观察手动控制模块通信模块和虚拟环境标定模块的研制焊接环境。这些观点在焊接路径规划可以执行的研制焊接环境中也可以看到。因为这个错误的虚拟环境校准约2毫米。

图2虚拟环境的计划和控制 图3实验过程

4 试验结果

遥控焊接任务可分为若干子和不同的控制模式，用于执行特定的焊接，远程操作简便，并能弥补机械手的错误。当障碍存在，焊枪是调整共享控制。实验提出马蹄形曲线焊缝远程协助激光视觉传感器的表现，图3显示中工作过程，接头工件的直径是200毫米和100毫米，自动变焦数码摄像机和2眼立体视频被用作视觉装置，观察环境和机器人运动。

由人机界面之间的执行者，记录特征点。焊接路径文件发送到虚拟环境实时的人机界面。

5 结论

本文介绍的是先进的多模态焊接遥系统人机界面设计和实施。

操作员参加了不同层次的控制系统与人机界面的相互作用，人机界面结合全球决策能力的执行者和焊接机器人系统的自主能力，由于非结构化环境的特殊性，焊接任务可由远程监控基于虚拟环境和自主控制。实验结果表明，人机界面可以有效显示系统和环境的信息，它也增强了系统的性能和灵活性。

外文资料翻译2

激光熔透焊接时工件上及焊缝内光致等离子体体的特性

段爱琴，陈俐，巩水利

摘要：在此论文中，用一个高速摄像机和一个光学放射监视器来探究激光熔透焊接不锈钢时光致等离子体的特性。透过光致等离子体光学发散的结果显示其存在两个特有频段，它们分别是100-500HZ和1500-3500HZ。与此同时，光致等离子体和熔池的不断变化的图像也显示了其存在两个不稳定的频率段。其中一个不稳定的频段显示出焊缝内光致等离子体的特性，它处于167-500HZ之间，另一个不稳定的频段则位于1500-3500HZ之间，这显然是由保护气体引起的。某些因素可能会导致焊缝等离子和保护气体等离子之间频率的差异，其中的一个原因就是焊缝内光致等离子体的压力会慢慢地增长。

关键词：激光焊接，光致等离子体，焊缝，频段

0 序言

如今，激光焊接 已经广泛应用于许多领域，例如航空航天零部件的激光焊接 。然而，由于特殊的应用环境它需要更高的焊接质量。尤其是，保证长焊缝或复杂的部件的焊接质量被证明是很难的，因为金属的激光焊接本身就是一个不稳定的过程。全世界已经有许多关于焊接稳定性的研究。．回顾前面的研究成果，就能看出大部分焊接质量的不稳定是由于不稳定的焊接过程引起的，尤其在激光焊接中，主要的原因就是光致等离子导致焊接稳定性很难控制。

在激光深熔焊接中，光致等离子是一种重要的物理现象。因为焊缝和熔池难以直接观察，所以大部分关于激光焊接过程的研究都集中于能够间接地显示焊缝和熔池运动的光致等离子身上。例如，许多关于光致等离子的研究都通过它的光传播和声音传播来监测焊缝的缺陷。然而，光致等离子的物理性能还没有引起足够的重视。例如，焊缝中光致等离子的不稳定频段是否和被加工工件的相同，焊缝中的光致等离子有怎样的组成和运动等等。实际上，所有这些基本问题不是很清楚。本文介绍了用高速摄像机和光学放射监视器对激光焊接中光致等离子的研究。

1材料及焊接工艺

在这个研究中，实验材料是304不锈钢，厚度为2毫米。激光焊接是利用4kW快速轴流Q型激光实现的．光致等离子体和熔池的图像是通过带有精密光学滤波器的幻影V4.1高速相机拍摄到的。激光是通过一个特别的激光监控系统计算获得的。在整个激光焊接加工过程中氩被用来作为同轴保护气体。

2结果和讨论

在304不锈钢激光焊接过程中，典型的频谱由光致等离子体显示在图1中。

图1波长/nm

这表明，光谱成分的范围大多是400-700纳米氩。而较高强度的谱线波长都在400-600纳米范围内。这些结果显示波动范围从400纳米到600纳米的光学发射信号的波动特性可用来描述波动光致等离子体。实验数据显示在这个变动范围的波长的相对强度的发射光的波动具有周期性，并且，已有的研究结果也表明他在一个不稳定的周期中波动。快速傅里叶变换

(FFr)技术是一种有用的分析信号频率的方法，因此在本文中被用来识别焊接工艺的特征频率。

FFTCO2激光焊接304不锈钢的光学发射频谱是图2。

图2频率/HZ

图3样本数据

图4频率/Hz

结果表明，高频成分的光致等离子体相当复杂，并没有主导频率成分。然而，有两个特征频带存在，一个是100-500赫兹（范围A）和另一个为1500-3500赫兹（范围B）。红外线（IR：1564nm）的排放量从焊接工艺可以间接揭示辐射热。这种辐射主要来自光致等离子体和熔池。图3是在与图2同一进程的原始时间依赖曲线的红外光谱测量结果。此图显然反映了红外发射可分为变动部分和不变的组成部分。据悉，熔池热辐射的变化只与熔池的大小和和温度有关。这也已经充分证明，一个稳定的过程中，熔池规模和熔池温度几乎不变。因此，FFT频谱的100-6000赫兹带通滤波器发射的红外线，主要是与光致等离子体的热辐射相关，如图4所示。图2和图4两个几乎有相同的频率分布。然而，它们的强度有很大不同。因为范围A和范围B的红外辐射强度几乎相同。可以得出这样的结论，A和B在波动频率范围内分别为两种不同的过程。这一进程中相关范围A具有明显的热效应，但这范围B显示明显的辐射现象。

两种不同的光致等离子体是通过工件上方的带有狭窄的过滤器的高频摄像头观察，其波动频率明显不同。图5显示了两种光致等离子体的几种典型图像。

图5光致等离子体图像

图5a同时显示了两个光致等离子体，C区是氩气等离子体形象而D区是光致等离子体通过小孔后的图像，而在图5b中，只描述了氩气等离子体的图像。但是，在图5c中，氩气等离子体完全消失，只有通过小孔后的光致等离子体出现。因此，可以认为，光致等离子体两个不同部分由锁孔和天然气分别屏蔽。比较的结果，光发射的两个不同的频率范围A和B显然是造成这两种不同的水汽/等离子体。下面的问题是描述小孔内光致等离子体频谱特性的。

光致等离子不断变化的图像显示在图6中，一个典型的波动期是从1ms至5ms，另一个过程是从5ms至8ms。在每个波动期间，焊缝中的光致等离子先发射出来然后逐渐地消失。焊缝中的光致等离子的频段在67HZ-500HZ之间，这也可以从焊接过程渗透时底池的图像显示出来。

附件2

外文资料

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/eea2edadb9f67c1cfad6195f312b3169a451eade.html