环形焊缝自动焊接机构的研制

参考文献
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［３］ 谭蓉． 全位置自动焊焊枪移动和摆动机构的设计［Ｊ］． 焊接技术， ２００１， ３０（６） ： ３２￣３３． ［４］曹俊芳， 蒋力培， 孙亚玲等． 管道全位置焊接机器人 机械系统研制． ［Ｊ］． 电焊机， ２００６， ３６（１２） ： １０￣１２．
动机构可实现多种 轨迹的摆动要求， 满足不同焊接工艺 要求 。 ［３］［４］
４ 焊缝自动跟 踪系统
在对筛管自动 焊接施工时，虽然 轨道有足够的刚度， 但因为管壁的小孔 比较多，焊接厚度 薄，以往的方法是 焊工焊接时人工进行实时对中调节， 注意力过度集中，易疲劳，经常出现 跑偏现象。因此必须解决焊接过程的 焊缝自动对中问题。 目前，焊缝自动跟踪方法有很多， 如光电式和激光式等，但这些跟踪装 置费用高，且不适合野外施工。经过 多次的研究和试验，自行研制开发了 接触式的筛管焊缝自动跟踪装置，跟 踪原理如图３所示。它由位移传感器、 信号处理器、调整机构和跟踪轨道等 组成。预先设置与所焊焊缝平行跟踪 轨道作为跟踪参考轨迹，该辅助轨道 和电动机转动轴同轴，保证轨道与电 动机同步运转。焊缝跟踪系统的位移 传感器检测焊枪运动轨迹与辅助轨道
间位置自动焊一维、二维、三维曲线 焊缝的要求［２］。
机构装置如图１所示。
３ 机构的组成和结构特点
该机构的工作原理如图２所示，机 构的特点如下： ３．１ 主体采用不锈钢材料，具有重量 轻、移动方便等特点，适用于多种现 场施工； ３．２ 所采用的电机体积小、功率大， 电磁性能好，能充分满足机构焊接空 间曲线焊缝对驱动力的要求； ３．３ 齿轮齿条机构及丝杠传动机构运 行平稳，精度高，可确保机构的使用 要求； ３．４ 焊接速度可实现无级调节，且速 度稳定，调节方便，易操作和维护； ３．５ 焊枪转动速度及两端停留时间可 预置和调节，配合齿轮齿条和丝杠传
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３ 结束语
尽管弧焊设备电磁兼容性的研究 工作已取得了一些成果，并在实践中 得到应用，但其深度和广度还很不够。 研究中主要采用问题解决法，就事论 事，风险大、成本高、周期长，远不 能满足日益提高的电磁兼容标准。今 后，弧焊设备电磁兼容性研究的方向 应是采用系统法，对弧焊设备的电磁 兼容性进行预测。只有如此，才能节 约研究成本，缩短研究周期，满足更 高的要求。
图３ 自动跟踪原理
６ 技术的创新和突破
环形焊缝自动焊接机构的研制在 （下转第Ｊ－１５页）
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ＡＣ
整流 电器
滤波 晶体管逆变 火花隙式 耦合输 网络 升压电路 振荡电路 出电路
１
Ｎ
图４ 晶体管逆变式高频引弧器原理框图
２ 机构技术要求和工作原理
根据空间位置的焊接工艺要求， 为保证焊接质量，焊前应调整水平与 垂直方向导轨和焊枪位置姿态，根据 焊缝位置曲线使其能对准接缝，并有 良好的运行轨迹。双排工字型导轨保 证滑块在行走过程中的平稳性和精度 要求。丝杠传动机构实现上下垂直方 向的调节，通过纵向伺服电动机转动 带动丝杠从而带动横向移动的滑块实 现垂直方向的往复运动。伺服电动机 的减速比是３０：１，能够保证丝杠传动 的精度。齿轮齿条机构实现水平方向 的调节，通过横向直流电动机转动带 动齿轮转动将齿轮的圆周运动转化成 直线运动，滑块便在齿轮齿条的带动
节之前取样，既消除系统振荡，又满 足输出滤波的要求。 ２．２．２ 从传导途径上加以抑制 ２．２．２．１ 功率滤波。功率滤波主要是 用来抑制谐波电流流入电网。弧焊变 压器通常采用并联一条电容和电感串 联支路，构成单调谐滤波器的方法来 滤除谐波。 ２．２．２．２ ＥＭＩ滤波。由于逆变焊机的 快速发展和大量应用，对滤除逆变器
［关键词］ 自动焊；焊枪移动和摆动机构；环形焊缝
１概述
在采油工作中，对于油层在３５００ ￣６０００ｍ、地层温度处于１００￣１４６℃的油 田，储层疏松、易于出砂并含有ＣＯ２等 腐蚀介质等，这些特点决定了必须选 用“采油防砂筛管”来过滤这些杂质。 采油防砂筛管结构：从内到外由基管、 复合防砂过滤套及不锈钢外保护套等 组成。基管采用ＡＰＩ标准套管或油管； 防砂过滤套采用多层不锈钢微孔网结 构复合而成，采用焊接技术工艺与基 管进行焊接，形成了一套具有高渗透 性、高强度、高变形能力及高抗腐蚀 性能的防砂过滤筛管。在抽油过程中， ０．０７ｍｍ以上的砂粒被挡在防砂过滤套 外，并不断发展成为稳定的砂拱，形 成第二道防砂屏障，细粉砂随油流排 出井简。过滤套与基管联接焊缝是环 形的密封性角焊缝，所要求的焊接厚 度为１ｍｍ，管长为３ｍ，约２００孔／米。其 特点在于焊接的工作量大，焊件的厚 度薄，而且对焊缝的质量要求比较高， 为了解决这些问题需要有相应设备能 够实现这种焊接以保证熔深和熔透性，
（上接第Ｊ－１２页） 技术创新上有以下几点： ６．１ 微处理器采用ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机实 现了环焊缝的焊接，极大地提高了焊 接效率，降低了劳动强度。 ６．２ 伺服电动机采用ＰＷＭ脉宽调制信 号控制，无级调速，保证了足够的控 制精度和调速范围。 ６．３ 伺服电动机直接控制焊枪，电动 机的旋转速度即为焊枪的旋转速度。
下实现Ｙ轴方向的往复运动。旋转方向 直流电动机能够带动焊枪实现Ｚ轴方向 的旋转，电机的转动速度即为焊枪的 旋转速度。利用该机构进行自动焊时， 首先低速启动纵向伺服电动机通过丝 杠传动机构使焊枪接触管壁的焊缝区 域，手动微调横向直流电动机通过齿 轮齿条机构使焊枪对准环焊缝的任意 位置，启动旋转方向直流电动机通过 旋转电动机旋转带动焊枪实现圆周运 动。完成一个防砂过滤片单元的焊接 后，通过控制纵向伺服电动机使焊枪 自动提起，横向直流电动机转动带动 齿轮使焊枪水平移动对准下一个预焊 的焊缝位置，纵向伺服电动机再次启 动使焊枪下降接触到焊缝，引弧，起 焊。如此循环，焊枪完成一个周期的 工作之后，转胎转动筛管对下一组防 沙单元进行焊接。
为适应不同半径环形焊接需要， 设计了微调装置，由固定横杆、伸缩 杆和固定销等组成。焊接施工时，根 据环形焊缝的半径大小，通过水平伸 缩杆把焊枪调节到焊缝位置，然后用 固定销来固定焊枪。除此之外，通过 合理控制三个电动机可以实现各种空
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
蔽并接地。 ２．２．３ 降低接收电路受干扰水平
对于弧焊设备受到的电磁辐射干 扰的防护，采取了如下措施：将易受 干扰的接收电路置于设计良好并接地 的电磁屏蔽体内，如金属外壳；控制 信号线选用屏蔽良好的双绞线，并远 离焊接电缆，以及缩短信号线长度和 贴近地面布设；印刷电路板采用低输 入电阻，高抗干扰容限的设计并尽量 远离辐射源。对于传导干扰，多采用 隔离变压器、光电耦合器和滤波器进 行隔离防护。
环形跟踪轨道 焊枪
信号处理器 调整机构
之间的偏差，并驱动电动机执行机构 自动纠正焊枪位置，保证焊枪不偏离 焊缝。本装置操作方便，精度高，跟 踪精度可达到±０．５ｍｍ，抗干扰能力强， 适合野外施工作业。
５ 电动机控制系统
伺服电机是一种用作自动控制装 置中执行元件的微特电机，又称执行 电动机。其功能是将电信号转换成转 轴的角位移或角速度。整个电动机控 制系统的微处理器采用ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片 机控制，Ｐ１６Ｆ８７７单片机为４０引脚微处 理器，其除了具有ＰＩＣ系列单片机的 共同特点外，还具有如下特点：①振 荡频率达（ＤＣ）２０ＭＨｚ；②有４ＫＢ的 ＦＬＡＳＨ程序存储器（１４位）；③１２８ 字节的Ｅ２ＰＲＯＭ数据区；④１９２字节的 数据存储器；⑤３３条Ｉ／Ｏ线；⑥３个定 时器；⑦８路１０位Ａ／Ｄ口通道；⑧２个 ＰＷＭ输出口。由于ＰＩＣ１６Ｆ８７７已在片 中集成了这么多的外围设备，可使控 制系统的硬件电路更为简单，并且大 大提高了系统的可靠性，因此其特别 适用伺服电机的驱动控制。为了满足 自动焊焊接质量的较高要求，伺服电 机与直流电机调速控制电路应保证足 够的控制精度和调速范围。采用ＰＷＭ 脉宽调制信号的方法，在软件的支持 下，与小型快速响应的直流伺服电机 配合，可以获得较宽的频带，有利于 提高调速系统的控制性能，实现快速 动作和高精度随动，而且无论高速还 是低速运行时电流的脉动都很小。伺 服系统结构框图如图４所示。
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环形焊缝自动焊接机构的研制
R&D of automatic welding mechanism of girth welds
沈阳大学机械工程学院 贾宝丽 王 滨 张文明
［摘要］ 为了解决采油筛管过滤单元环形焊缝自动焊接的问题，利用现有的焊接装备，设计了一种焊枪移动和摆 动机构。采用熔化极氩弧焊，实现了采油筛管过滤单元环形焊缝的自动焊接技术，提高了焊接质量和效率。其关键技 术，包括设计控制焊枪的横向行走机构、焊枪纵向行走机构以及焊枪的旋转机构。机构传动控制系统采用了单片机控 制，在环焊缝焊接过程中采用了焊缝自动跟踪系统，提高了控制精度和稳定性。对环缝自动焊接机的各个传动部件及 控制系统进行了运行实验，结果表明，系统的稳定性和焊接效率能够满足采油筛管过滤单元环形焊缝的质量要求。
作者简介：贾宝丽（１９８３－），女，汉族，辽宁沈阳人，沈 阳大学２００６级硕士研究生；研究方向为焊接设备及自动化。
提高管道焊接的质量和焊接生产率， 减轻工人劳动强度。这种环焊缝的焊 接通常采用手工焊打底填充、ＣＯ２半自 动保护焊打底填充等两种方法［１］。第一 种方法效率低、合格率低、劳动强度 大；第二种方法效率低、劳动强度大。 针对上述焊接方法的缺点，我们研制 了环焊缝自动焊接装置，提高了焊接 环焊缝的焊接质量和焊接效率。
所产生电磁干扰的ＥＭＩ滤波研究也较 多。图３所示为目前应用于焊接电源中 的ＥＭＩ滤波器。其中，图３ａ和图３ｂ是 电源ＥＭＩ滤波器，即接在电源的输入 端具有滤除线路噪声和焊机噪声的双 重滤波功效。图３ａ主要是用来滤除共 模噪声，图３ｂ既可以滤除共模噪声又 可以滤除差模噪声；图３ｃ是有源ＥＭＩ 滤波器，用以过滤逆变电源产生的脉 动波纹及尖峰，消除其对电源本身和 过程控制产生的负面影响。采用具有 强抗电磁干扰能力的Ｉ－Ｎ－Ｉ（Ｉｍｐｕｌｓｅ－ Ｎｏｎｐｕｌｓａｔｉｏｎ－Ｉｍｐｕｌｓｅ）电路结构设计高 频引弧器，可以达到有效抑制高频干 扰的目的，电路原理如图４所示。图４ 中Ｎ环节为控制产生高频电流的网络。 通过采用设计合理的Ｎ环节，可以有 效地消除引弧器对电网的高频干扰， 获得无干扰脉冲的输入电流。 ２．２．２．３ 其他措施。对ＴＩＧ焊高频引 弧时高频电磁噪声的辐射强度与焊接 电缆和屏蔽接地之间的关系进行了研 究。结果表明，为了抑制电缆中高频 电磁噪声的辐射强度，可以采取以下 方法：一是尽可能地减小焊接电缆和 焊机输入线的长度；二是尽量使高频 引弧器和焊机输入线用金属管良好屏