高压空气环境下TIG焊接机器

范文一：高压空气环境下TIG焊接机器人关键技术

高压空气环境下TIG焊接机器人关键技术

第27卷第12期2006年12月

焊接学报

TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTION

Vol.27 No.12December 2006

薛龙, 王中辉, 周灿丰, 焦向东

(北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室,北京 102617)

摘要:针对渤海湾石油管道的技术特点和项目内容要求,研制出一种在60,100m深的水域完成输油管道的修补作业的水下高压全位置焊接的焊接机器人。使用PPI通信协议,控制系统实现多机工作的协调和管理,解决了对机器人的运动参数的控制和焊接参数的接管控制。采用人机交互系统,实现了对机器人的控制和对焊接状态、场景的监控,同时解决了高压环境下的无人操作自动焊接问题。在0.1,0.3,0.

5和0.7MPa压力下,进行16Mn试件的焊接工艺研究,果。试验研究表明,提高焊接机器人的控制水平、,的关键技术。

关键词:;;:15:A 文章编号:0253-360X(2006)12-017-04

薛龙

0 序言

早在20世纪50年代,美国就开展了水下管道维修技术和机具的研究,到了20世纪70年代,随着

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海上油气田的开发转向深水海域,国外石油公司相继开发了深水管道的维修技术和设备。

在陆地管道工程建设施工中,主要的手段仍然是焊接。那么水下管道的维修,自然首选焊接这一成熟的技术手段。水下焊接维修法是在水下环境中进行的焊接作业,水下焊接修补主要有3种方法,即,水下湿法焊接、水下局部干法焊接和水下干式焊接。近年来,又出现了水下摩擦叠焊、等离子焊等新

[1,5]

方法。

在水下管道维修的高压干式焊接施工作业中,目前国外多采用高压轨道式TIG焊接系统进行,较为知名的作业系统有OOTO系统、PRS系统及

[6,9]

THOR21系统等。OOTO系统由英国AberdeenSubseaOffshoreLtd1

开发,其核心部分是焊接接头和轨道,还包括电气控制部分、气体供应室、焊接监控室和潜水监控室等,整个系统采用光纤传导和计算机进行监控。在高压舱中配备潜水员,主要是为了更换电极、调整送丝角度和位置,一旦焊接过程开始,就不再需要潜水员干预。PRS系统由挪威Statoil

收稿日期:2005-10-14

基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目

(2002AA602012);

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光机电装备技术北京市重点实验室开放课题(KF05-02);北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目

公司组织开发,所涉及的研究单位包括英国Isotek公司、挪威SINTEF、挪威NorskHydro等单位。该系统的设计目标是能从事1000m水深处的焊接,施工全过程由计算机控制完成;水面和水底之间的通讯系统由水面PC机和水底微处理器组成,在焊接接头两侧安装有送丝装置和摄像头,可以上行焊接和下行焊接;预热、调整、退磁及保护气体输送等全部准备工作由水面焊接控制室遥控,在潜水员手工辅助下完成。在结合不同水深针对该系统各个模块进行广泛测试的基础上(最深达334m),1994年秋季,将该系统首次用于Troll近海项目中。国内海洋石油和天然气的勘探和开发起步较晚,与国外相比,在技术、设备等方面仍有不小的差距,几乎还没有能够实施水下管线维修的作业装置,相应水下管线的维修工作几乎都是委托给国外的工程公司进行,费用昂贵。

1 水下高压TIG焊接机器人总体设计

111 水下高压焊接机器人技术要求

根据渤海石油管道的技术特点和项目的内容要求,在60,100m深的水域完成输油管道的修补作业,焊接由水面焊接专家遥控指导,经过初步焊接专业培训的潜水员在高压舱中只完成更换钨极、姿态调整等简单辅助操作工作,关键核心工作由焊接机器人自动完成,因而要求焊接机器人有很高的控制水平、可靠性、可操作性和安全操作性。

18焊接学报第27卷

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112 水下高压焊接机器人系统总成

根据要求和国外相对研究比较成熟经验,研制

一套TIG焊接机器人,其系统主要构成有焊接行走小车、钨极高度自动调节器、钨极横向自动调节器、钨极二维精细调准器、焊接摆动控制器、遥控盒、送丝机构、导轨、TIG焊接电源、TIG焊炬、水冷系统、气体保护系统、弧长控制器、角度检测器、场景监视系统、控制箱等部分组成。为保证施工现场安全,所有驱动电机均采用24V直流伺服电机或步进电机。要求行走机构采用变位调节装置,可以方便适应直导轨和圆导轨的焊接要求。113 水下高压焊接机器人系统空间配置

根据美国API有关规范的要求:干式舱内只提供36V低压电,按照式舱总体设计方案,开放置,

、100m的焊接专用脐带相连。

焊接专用脐带传送焊接过程所需要的电力、气体和控制信号,并将有关的焊接数据传输到焊接电源控制计算机。焊接专用脐带设计由14根缆管组成,其中焊接电缆4根,送丝机控制信号线缆2根,AVC控制信号线缆1根,弧压反馈信号线缆1根,焊接电流反馈信号线缆1根,焊机位置(角度)反馈信号线缆1根,保护气管3根,焊接电弧视频信号线缆1根。控制信号线缆与反馈信号线缆设计充分考虑备用、选择双层屏蔽双绞线解决信号传输损失和干扰等。

干式舱内的焊接由舱内潜水员使用轨道自动焊机完成,潜水员不直接控制焊接电源,而是通过声讯系统与支持母船上的焊接监督工程———————————————————————————————————————————————

师实现信息交流,焊接监督工程师掌握焊接过程信息的另一个重要手段是参考焊接电源控制计算机上显示的焊接电流、电弧电压以及轨道焊机位置信号。

支持母船上TIG焊接电源的电力供应是通过440VΠ380V三相变压器来实现的,干式舱内与焊接有关的设备供电则是由水下分线箱AC36V转换输出来实现,

提供2路DC?12V、2路VDC?5V、2路DC24V,为轨道焊机控制器、送丝机、焊机驱动直流电机以及焊机控制电机和传感器供电。

难度大,要求相应的焊接设备自动化程度高、可靠性

和可操作性高,对于所研制的水下高压TIG焊接机器人,控制器选用西门子可编程控制器,各种伺服驱动器及传感器均选用成熟的国际知名品牌的产品。212 控制系统功能构成水下油气管道焊接修补施工方案是由焊接专家在支撑母船上监控操作焊接,非焊接专业的潜水员在高压舱内辅助焊接机器人实施焊接,这样要求焊接机器人的自动化程度较高,能够实现管道的全位置焊接。其控制系统功能构成见图

1。

图1 水下高压TIG焊接机器人系统方框图

Fig.1 Blockdiagramofhyperbaricall2positionTIG

weldingrobotsystem

控制系统对运动参数的伺服控制,如行走小车的全位置的速度伺服控制、钨极高度的设定和弧压跟踪的自动调节控制、钨极横向的自动调节器和手动的调节控制、钨极二维精细调准控制、焊接的4种摆———————————————————————————————————————————————

动方式的设定和摆动控制、送丝机的设定和恒速控制。

控制系统对焊接参数的控制,通过电源控制电路接口板,接管TIG焊接电源,实现对TIG焊接电源的焊接方式、焊接电流、脉冲频率与占空比、接触引弧、水冷系统、气体保护系统等控制。控制系统对参数监控调整人机交互系统控制,通过遥控操作盒可以实现对运动参数和焊接参数的实时设定、调整和监控参数的显示等控制,通过场景监视器可以监控焊接运行状态和焊接熔池成形状

2 水下高压焊接机器人控制系统设计

211 元器件选择

由于水下油气管道修补技术复杂,施工成本高、

况。

213 计算机的协调控制

控制系统采用多机控制管理模式如图2所示,选用PPI主—从协议,主站主要负责焊接参数和运动参数的数据管理,把高压焊接工艺试验参数存储到主站的数据管理区中,建立高压焊接专家系统,为水下高压焊接提供工艺参数,同时主站也负责工作管理。从站1负责机器人的运动参数控制,从主站获取运动参数和控制指令,实现管道全位置焊接的各种运动功能。从站2主要实现水下高压焊接机器人的人机交互功能,通过遥控器和监视器,发送焊接操作各种指令、监视焊接场景和焊接熔池

。

———————————————————————————————————————————————

312 环境气体压力对电弧阴阳极压降之和与弧柱

电场强度的影响

试验条件为焊接电流I=130A,测量环境压力和阴阳极压降之和、弧柱电场强度的试验数据。

由图4可以看出,随着环境压力的增加,电弧阴阳极压降之和增加

。

图4 电弧阴阳极压降之和与环境压力的关系

Fig.4 Relationsbetweenarccathode2anodevoltage

andenvironmentpressure

图2 控制系统PPI通讯协议

Fig.2 PPIagreementofcontrolsystem

对阴阳极压降之和数据进行线性拟和得

UAK=9.445+2.83p,

(2)

3 高压空气环境下电弧特性

311 高压空气环境压力对电弧电压的影响

式中:UAK为电弧阴阳极压降之和;p为环境压力。

对弧柱电场强度数据进行线性拟和得

E=0.32857+1.34286p,

(3)

试验条件为:电弧长度L=3mm,焊接电流

I=130A,测量环境压力和电弧电压的试验数据。 ———————————————————————————————————————————————

式中:E为弧柱电场强度;p为环境压力。

由图5可以出看,随着环境压力的增加,弧柱电场强度增加

。

由图3可以看出,随着环境压力的增加,电弧电压增大。由Saha方程知,随着环境气体压力的增加,气体的热电离度降低,电场强度增大,最终导致电弧电压增大

。

图5 弧柱电场强度与环境压力的关系

Fig.5 Relationsbetweenarccolumnelectricfieldintensity

andenvironmentpressure

图3 电弧电压与环境压力的关系

Fig.3 Relationsbetweenarcvoltageandenvironmentpressure

313 高压空气环境下的电弧静特性

试验条件为电弧长度L=5.5mm,环境压力p分别为

0.1MPa,0.2MPa,0.3MPa和0.4MPa,测量焊接电流和电弧电压的试验数据。

由图6可以看出,在一定的电弧长度下,电弧静特性曲线随气体介质压力的升高而上移。这说明在

对电弧电压与环境压力数据进行线性拟和得

(1)U=9.808+12.834p,式中:U为电弧电压;p为环境压力。

20焊接学报第27卷

焊接电流和电弧长度相同的条件下,在高气压下的 ———————————————————————————————————————————————

电弧电压比在常压下高

。

材16Mn的抗拉强度520MPa,并且拉伸试件的断裂部位都在母材,可以判定,接头的拉伸试验力学性能合格。所有接头的冲击吸收功也都大于标准推荐的下限值,也是合格的。

5 结论

(1)研制了水下高压TIG焊接机器人,该机器

图6 高压空气环境下氩弧的静特性曲线

Fig.6 StaticcharacteristiccurveofTIGarcin

high2pressureaircondition

人可靠性高、稳定性好,精度完全可以满足高压干式焊接的质量要求。

(2)究,、弧。,为高。

(3)利用自制的水下焊接机器人,进行了高压空气环境下全位置焊接工艺试验,选用合理的焊接工艺参数,实现了焊缝的单面焊双面成形,焊缝质量符合标准要求。

314 U=5.3445+9.84167p+0.6333L+0.01972I,(4)

式中:U为电弧电压;p为环境压力;L为电弧长度;I为焊接电流。

参考文献:

4 焊接工艺试验与接头力学性能

[1] 李煌英,高光军,吴锋.国外旧管道不停输维修技术[J].油

在自制的高压焊接模拟试验装置系统中进行了高压空气环境下———————————————————————————————————————————————

TIG平板焊接工艺试验,选用合适的材料,采用合理的坡口形式,正确选择焊接方法和合理的焊接参数,在0.1MPa,0.3MPa,0.5MPa和0.7MPa压力下,对于八个位置16Mn试板进行焊接试验,均获得单面焊双面成形的良好效果。

试验标准是参考美国AWS(美国焊接学会)下属的海洋结构委员会(CommitteeonMarineConstruc2tion)的水下焊接子委员会

(SubcommitteeonUnderwa2terWelding)制定的AWSD3.6M:1999标准,根据JB4708—2000标准推荐的评定内容,开展8段平板

气储运,2000,19(3):53-57.

[2] 魏中格,齐雅茹,刘鸿升,等.海底管道维修技术[J].石油工

程建设,2002,28(4):30-32.

[3] 宋宝天.我国水下焊接与切割技术发展与展望[A].第八届全

国焊接会议论文集[C],深圳,1992,220-223.

[4] 刘桑,钟继光,王国荣.水下焊接技术研究与应用的新进展

[J].中国修船,2000,6(3):10-12.

[5] 俞建荣,张奕林,蒋力培.水下焊接技术及其进展[J].焊接

技术,2001,30(4):2-4.

] ScottLyonsR,MiddletonTB.UnderwaterorbitalTIGwelding[J].

MetalConstruction,1985,5(8):504-507.

[7] JohnHNixon,IanMRichardson.Thedesignandconstructionofa

———————————————————————————————————————————————

250barhyperbaricweldingresearchfacility[J].MaterialsEngineering,1995,3(2):553-562.

[8] DavidGibson,KevinBarratt,JanPaterson.Roboticequipmentfor

pipelinerepair[J].MaterialsEngineeringASME,1995,3(2):509-515.

[9] DosSantosJF,SzelagowskiP,ManzenriederH.Diverlesspipeline

weldingbeyond600msW[J].MaterialsEngineeringASME,1992,3(2):153-163.

不同压力下的焊接工艺试验研究。

由表1可知,不同压力下的抗拉强度都大于母

表1 不同压力下焊缝的力学性能

Table1 Mechanicalpropertiesofweldindifferent

environmentpressure

MPa环境压力pΠMPa抗拉强度RmΠ

0.10.30.50.7

547.8540.8583.3588

冲击吸收功Akv(-10?J)Π

74Π136Π60111Π132Π91116Π120Π100150Π186Π118

作者简介:薛龙,男,1966年出生,教授。主要研究方向为机电

一体化技术和机器人技术,发表论文40余篇。

Email:xuelong@bipt.edu.cn

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MAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDS

Numericalsimulationofweldingresidualstressoftube2to2tubesheetjointinheatexchangers

JIANGWen2chun,GONGJian2ming,CHENHu,TUShan2dong(CollegeofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China).p1-4

Abstract:Usingfiniteelementprogram2ABAQUS,theweldingresidualstressoftube2to2tubesheetjointinheatexchangershadbeennumericallysimulated.Thedistributionofweldingresidualstresswasobtained.AcomparisonbetweentubeendextendedoutoftubesheetweldedjointandinsideholeweldedjointwassidualstressofinsidethanoftubeendofSoweldedjointcanofcorrosioncracking(SCC).TheradialstressexistsintheHAZoutsidesur2faceoftubesheet,whichhasgreatinfluenceontubesheetsurfacecracks.Themaximumofhoopstressappearsintheweldroot,whichhasgreatinfluenceontheconnectionfailurebetweentubeandtubesheet.Theresidualstressofformerpipebeadisdecreasedduetothelaterpipeweldingheating,whichisusefulfordecreasingthesusceptibilityofSCC.Thisworkprovidesatheoryreferenceforopti2mizingtheweldingprocedureandcontrolingtheweldingresidualstressfortube2to2tubesheetjoint.

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Keywords:heatexchanger;tubeandtubesheet;weldingre2sidualstress;finiteelementABAQUS

LasercladedNi2basedalloycoatingsreinforcedbynano2Sm2O3particles

LIMing2xi,ZHANGShi2hong,LIHui2sheng,HEYi2zhu(ResearchCenterforLaserProcessing,AnhuiUniversityofTechnology,Maanshan243002,Anhui,China).p5-8

ndCr23C6existinthecoatings1Fe7Sm,Ni3SiandNi3Barealsofoundbyadd2ingnano2Sm2O31Finemicrostructureandequiaxeddendriteareob2servedwithnano2Sm2O3addition1Athinlayerofmetallurgicalbond2ing,thewhiteandbrightstrip,isobservedbyaddingtherareearthoxide1Thehardnessandwearresistanceofthecoatingswithnano2Sm2O3additionarebetterthanthatwithmicro2Sm2O31Themecha2nismwasfoundfromabrasiveΠadhesiveweartofrettingwear1

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Keywords:lasercladding;nano2Sm2O3;microstructure;mi2crohardness;wearresistance

KeytechniquesofTIGweldingrobotinhigh2pressureaircondi2tion

XUELong,WANGZhong2hui,ZHOUCan2feng,JIAOXiang2dong(BeijingInstituteofPetro2ChemicalTechnology,Beijing102617,China).p17-20

Abstract:AccordingtothespecialtechnicalfeaturesoftheoilPreliminarydiscussionaboutimagecharacterofgasporeinMAGweldingbasedonvisionsensing

WANGKe2hong,YOUQiu2rong,SHENYing2ji(DepartmentofMaterials,NanjingUniver2sityScience&Technology,Nanjing210094,China).p13-16

Abstract:ApassivevisionsensingsystemtoacquiretheimageofmoltenpoolinMAGweldingwassetupandmanytypicalmoltenpoolimageswereobtained.Therelationshipbetweenthetypicalgasporesandthecharacteristicsofmoltenpoolimageswerestudiedbysynccontrastexperiments.Manymoltenpool

imageswithsurfacegasporesandinnergasporeswereobtained,andthechangeoftheimag2esandthestrangecharacterswerestudiedfromtheviewofgraymeanandgraystandarddeviation.Theexperimentsindicatethatitisfeasibletojudgetheporesbycharacteristicsofthevisionimageswhichoffersthetechnologicalfoundationforautomaticidentificationofweldingdefectonthebaseofvisionsensing.Theexperimentsandtheanalysisindicatethatonetypeofimage———————————————————————————————————————————————

maypredicateseveraltypesofweldingdefect,onetypeofweldingdefectmayalsoshowsseveraltypesofimagecharacters.

Keywords:metalactive2gaswelding;visionsensing;weld2ingdefect;moltenpoolcharacter

Movementcontrolalgorithmofautomaticweldingforcomplexintersectionseam

HUOMeng2you,YUEShao2jian,WANGXin2gang(SchoolofMechanicalEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China).p9-12

boardandstepmotor1Tocontrolautomaticweldingprocessofcom2plexintersectionseamusingthesoftwarealgorithmintroduced,thesystembecomesmoreversatileandthecostofequipmentcanbede2creasedconsiderably1

Keywords:automaticwelding;intersectionlineseam;servo2controlalgorithm

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pipelinesinBohaiSeaandtherequirementsoftheprogram,anall2positionhyperbaricTIGweldingrobotforunderwaterpipelinerecov2eryworkindeepwaterof60-100mwasdeveloped.Initscontrolsystemtheharmonyandmanagementofmulti2controllerswasachie2vedbyadoptingPPIagreement.Theparametersofcommandmove2mentandthatofweldingmovementfortheweldingrobotwerecon2trolled.Byaman2machineconversationsystem,thecontrolsoftherobot,weldingstatesandscenescouldbemanipulatedandsuper2vised.Theunmannedweldingprobleminhyperbariccircumstancewassolvedatthesametime.Underthedifferentpressures,suchas0.1MPa,0.3MPa,0.5MPand0.7MPa,theweldingsimulationshadbeendonewitha16Mnsteelplateandthebettereffectofonesideweldingwithbackformationwasobtiained.ExperimentalresultsshowthatahighercontrollevelandremotecontrolbyadoptioninarobotarethekeytechniquesofTIGweldinginhigh2pressureaircon2dition.

Keywords:underwaterpipeline;arc;weldingrobot

MultimodeinthermosonicflipchipbondingZhi2li,WUYun2xin,HANLei,ZHONGJue(CollegeofElectromechanicalEngineering,CentralSouthUni2versity,Changsha410083,China).p21-24,28

Abstract:Multimodevibrationoftransduceranditseffectonbondingqualityw———————————————————————————————————————————————

asinvestigated1Thevelocitiesofdifferentcharac2teristicmarksinthehornandbondingtoolwereacquiredupbyLaserDopplerVibrometer1Theexperimentalresultsshowedthatthevibra2tionoftransduceristhecouplingresultofdifferentmodes1Theve2locityratioofnon2dominantmodetodominantmodewasgained1Thelongitudinalflexuralvibrationisthemainnon2dominantmode1Thiskindoflongitudinalflexuralvibrationwould”flap”thechip,influ2encingthebondingarea,bondingstrengthandparallelbetweengoldbumpsandsubstrate1Theoriginofmultimodeintransducerwasana2lyzedbyFEMmodel,andsomesuggestionsaboutrestrainingthenon2dominantmodewasbroughtforward1

Keywords:multimodevibration;ultrasonictransducer;bond2ingquality;thermosonicflipchipbonding

InfluentialfactorsofthresholdpowerdensityforNd?

YAGlaserbeamweldingofberyllium

LISheng2he,XIEZhi2qiang,JIANGYun2bo,WUDong2zhou(ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,Sichuan,China).p25-28

onlightcouplingintotheresonator1SomorestrongQ2switchedpulsewasformedinthecavity1ThenthresholdpowerdensityofHIPberylliumwilldecrease1Forthesamediameterofberylliumcylinder,whentheangelofinci2dentlaserbeamwasadjustedfrom0?to3?,theback2reflectionlasercanbeovercome1ThresholdpowerdensityofHIPberylliumwillin2crease1Inexperiment,theratioofdepthtowidthusuallyis110-Comparisonofpressurecharacteristicsbetweentwofrictionweldingmachinehydraulicsystems

WANGXi2feng,DUSui2

122

geng,GONGCheng,YANNan2fei(1.KeyLaboratoryofMinis2

115fordeeppenetrationwelding1However,theratioofdepthtowidthusuallyis012forheatconductionwelding1

Keywords:Nd?

YAGlaser;thresholdpowerdensity;berylliumCurrent2zeroperiodprocessanditscharcteristicsofACTIGarc

HUKun2ping,SONGYong2lun,XIAYuan,CHENZhi2xiang,(BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China).p29-33

Abstract:Asanimportantheatsourceinwelding,TIGarciswidelyusedinmanufacturingindustry,especiallyforaluminumalloyjoiningprocesses1Butuptono———————————————————————————————————————————————

w,theknowledgeconcerningtheal2ternativeTIGarcduringtheperiodofthecurrenttraversingzeroaswellasitsinfluenceonweldingprocessareenough1Basedonaspectralstatisticsam2,duringtheinTIGarcsforboththegeneralrulesandthefeaturesoftheanalyzedanddiscussed1Itmayenhancetheknowledgeonthearcprocessanditscontrollevel1

Keywords:alternativetunsteninert2gasarc;arcnearandacrosszero;electrondensity;spectraldiagnosis

ChaoscharacteristicsofelectrodedisplacementsignalsinspotweldingprocessbasedonLyapunovexponent

LUOZhen,SHANGPing,GAOZhan2jiao,LIUPeng2fei(SchoolofMaterialSci2enceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China).p34-36

Abstract:Basedonchaostheoryandthenonlineardynamicalsystems,theelectrodedisplacementsignalwasstudiedinthespotweldingprocess1FourqualitystatesofspotweldingwerestudiedandthelargestLyapunovexponentsarecalculated1TheseresultsshowthatthegreatestLyapunovexponentsarepositivenumberinthefourdifferentdisplacementsignals1AccordingtothetheoryofphasespacereconstructionandLyapunovexponent,therearesomechaoticcharacteristicsinthedisplacementsignalofspotweldingandrela2tionshipsbetweenspotweldingqualityandLyapunovexponent1Thisresearchprovidesan———————————————————————————————————————————————

ewmethodtomeasureandforecastingthespotweldingquality1

Keyword:spotwelding;electrodedisplacementsignals;Lya2punovexponent;chaostimeseries

tryofEducationforContemporaryDesignandIntegratedManufactur2ingTechnology,NorthwesternPolytechnicalUniversity,

Xi’an7l0072,China;2.Xi’anBranchofChinaCoalResearchInstitute,Xi’an710054,China).p37-41

Abstract:Inordertoanalyzethenecessityandfeasibilityofclose2loopprocesscontrolbyelectro2hydranlicrationinthefrictionwelding,thestaticanddynamiccharacteristicsandtheaxialpressurefluctuationsinlongperiodweldingproductionoftwohydraulicsys2temsoffrictionweldingmachinewerecompared.Onesystemiscon2

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范文二：高压空气环境下TIG焊接机器人关键技术

收稿日期 :2005-10-14

基金项目 :国家 863高技术研究发展计划资助项目 (2002AA602012) ;

光机电装备技术北京市重点实验室开放课题 (K F05-02) ; 北京市属市管高等学校人才强教计划资助项目

高压空气环境下 TIG 焊接机器人关键技术

薛　龙 , 　王中辉 , 　周灿丰 , 　焦向东

(北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室 , 北京　 102617)

摘　要 :针对渤海湾石油管道的技术特点和项目内容要求 , 研制出一种在 60~100m 深的水域完成输油管道的修补作业的水下高压全位置焊接的焊接机器人。使用 PPI 通信协议 , 控制系统实现多机工作的协调和管理 , 解决了对机器人的运动参数的控制和焊接参数的接管控制。采用人机交互系统 , 实现了对机器人的控制和对焊接状态、场景的监控 , 同时解决了高压环境下的无人操作自动焊接问题。在 0. 1,0. 3

,0. 5和 0. 7MPa 压力下 , 进行 16Mn 试件的焊接工艺研究 , 果。试验研究表明 , 提高焊接机器人的控制水平、 , 的关键技术。

关键词 :; ; :15:A 　　文章编号 :0253-360X (2006) 12-017-04

薛　龙

0　序　　言

早在 20世纪 50年代 , 美国就开展了水下管道维修技术和机具的研究 , 到了 20世纪 70年代 , 随着

海上油气田的开发转向深水海域 , 国外石油公司相继开发了深水管道的维修技术和设备。

在陆地管道工程建设施工中 , 主要的手段仍然是焊接。那么水下管道的维修 , 自然首选焊接这一成熟的技术手段。水下焊接维修法是在水下环境中进行的焊接作业 , 水下焊接修补主要有 3种方法 , 即 , 水下湿法焊接、水下局部干法焊接和水下干式焊接。近年来 , 又出现了水下摩擦叠焊、等离子焊等新

方法 [1~5]

。

在水下管道维修的高压干式焊接施工作业中 , 目前国外多采用高压轨道式 TIG 焊接系统进行 , 较为知名的作业系统有 OOT O 系统、 PRS 系统及

TH OR21系统等 [6~9]

。 OOT O 系统由英国 Aberdeen Subsea O ffshore Ltd 1开发 , 其核心部分是焊接接头和轨道 , 还包括电气控制部分、气体供应室、焊接监控室和潜水监控室等 , 整个系统采用光纤传导和计算机进行监控。在高压舱中配备潜水员 , 主要是为了更换电极、调整送丝角度和位置 , 一旦焊接过程开始 , 就不再需要潜水员干预。 PRS 系统由挪威 Statoil

公司组织开发 , 所涉及的研究单位包括英国 Is otek 公司、挪威 SI NTEF 、挪威 Norsk Hydro 等单位。该系统的设计目标是能从事 1000m 水深处的焊接 , 施工全过程由计算机控制完成 ; 水面和水底之间的通讯系统由水面 PC 机和水底微处理器组成 , 在焊接接头两侧安装有送丝装置和摄像头 , 可以上行焊接和下行焊接 ; 预热、调整、退磁及保护气体输送等全部准备工作由水面焊接控制室遥控 , 在潜水员手工辅助下完成。在结合不同水深针对该系统各个模块进行广泛测试的基础上 (最深达 334m ) ,1994年秋季 , 将该系统首次用于 Troll 近海项目中。国内海洋石油和天然气的勘探和开发起步较晚 , 与国外相比 , 在技术、设备等方面仍有不小的差距 , 几乎还没有能够实施水下管线维修的作业装置 , 相应水下管线的维修工作几乎都是委托给国外的工程公司进行 , 费用昂贵。

1　水下高压 TIG 焊接机器人总体设计

111　水下高压焊接机器人技术要求

根据渤海石油管道的技术特点和项目的内容要求 , 在 60~100m 深的水域完成输油管道的修补作业 , 焊接由水面焊接专家遥控指导 , 经过初步焊接专业培训的潜水员在高压舱中只完成更换钨极、姿态调整等简单辅助操作工作 , 关键核心工作由焊接机器人自动完成 , 因而要求焊接机器人有很高的控制水平、可靠性、可操作性和安全操作性。

第 27卷第 12期 2006年 12月

焊　接　学　报

TRANS ACTI ONS OF THE CHI NA WE LDI NG I NSTIT UTI ON

Vol. 27　 No. 12December 　 2006

112　水下高压焊接机器人系统总成

根据要求和国外相对研究比较成熟经验 , 研制

一套 TIG 焊接机器人 , 其系统主要构成有焊接行走小车、钨极高度自动调节器、钨极横向自动调节器、钨极二维精细调准器、焊接摆动控制器、遥控盒、送丝机构、导轨、 TIG 焊接电源、 TIG 焊炬、水冷系统、气体保护系统、弧长控制器、角度检测器、场景监视系统、控制箱等部分组成。为保证施工现场安全 , 所有驱动电机均采用 24V 直流伺服电机或步进电机。要求行走机构采用变位调节装置 , 可以方便适应直导轨和圆导轨的焊接要求。 113　水下高压焊接机器人系统空间配置

根据美国 API 有关规范的要求 :干式舱内只提供 36V 低压电 , 按照式舱总体设计方案 , 开放置 ,

、 100m 的焊接专用脐带相连。

焊接专用脐带传送焊接过程所需要的电力、气体和控制信号 , 并将有关的焊接数据传输到焊接电源控制计算机。焊接专用脐带设计由 14根缆管组成 , 其中焊接电缆 4根 , 送丝机控制信号线缆 2根 , AVC 控制信号线缆 1根 , 弧压反馈信号线缆 1根 , 焊接电流反馈信号线缆 1根 , 焊机位置 (角度 ) 反馈信号线缆 1根 , 保护气管 3根 , 焊接电弧视频信号线缆 1根。控制信号线缆与反馈信号线缆设计充分考虑备用、选择双层屏蔽双绞线解决信号传输损失和干扰等。

干式舱内的焊接由舱内潜水员使用轨道自动焊机完成 , 潜水员不直接控制焊接电源 , 而是通过声讯系统与支持母船上的焊接监督工程师实现信息交流 , 焊接监督工程师掌握焊接过程信息的另一个重要手段是参考焊接电源控制计算机上显示的焊接电流、电弧电压以及轨道焊机位置信号。

支持母船上 TIG 焊接电源的电力供应是通过 440V Π380V 三相变压器来实现的 , 干式舱内与焊接有关的设备供电则是由水下分线箱 AC36V 转换输出来实现 ,

提供 2路 DC ±12V 、 2路 VDC ±5V 、 2路 DC24V , 为轨道焊机控制器、送丝机、焊机驱动直流电机以及焊机控制电机和传感器供电。

2　水下高压焊接机器人控制系统设计

211　元器件选择

由于水下油气管道修补技术复杂 , 施工成本高、

难度大 , 要求相应的焊接设备自动化程度高、可靠性

和可操作性高 , 对于所研制的水下高压 TIG 焊接机器人 , 控制器选用西门子可编程控制器 , 各种伺服驱动器及传感器均选用成熟的国际知名品牌的产品。 212　控制系统功能构成水下油气管道焊接修补施工方案是由焊接专家在支撑母船上监控操作焊接 , 非焊接专业的潜水员在高压舱内辅助焊接机器人实施焊接 , 这样要求焊接机器人的自动化程度较高 , 能够实现管道的全位置焊接。

其控制系统功能构成见图 1。

图 1　水下高压 TIG 焊接机器人系统方框图

Fig. 1　 Block diagram of hyperbaric all 2po sition TIG

welding robot system

控制系统对运动参数的伺服控制 , 如行走小车的全位置的速度伺服控制、钨极高度的设定和弧压跟踪的自动调节控制、钨极横向的自动调节器和手动的调节控制、钨极二维精细调准控制、焊接的 4种摆动方式的设定和摆动控制、送丝机的设定和恒速控制。

控制系统对焊接参数的控制 , 通过电源控制电路接口板 , 接管 TIG 焊接电源 , 实现对 TIG 焊接电源的焊接方式、焊接电流、脉冲频率与占空比、接触引弧、水冷系统、气体保护系统等控制。控制系统对参数监控调整人机交互系统控制 , 通过遥控操作盒可以实现对运动参数和焊接参数的实时设定、调整和监控参数的显示等控制 , 通过场景监视器可以监控焊接运行状态和焊接熔池成形状

18焊　接　学　报第 27卷

况。

213　计算机的协调控制

控制系统采用多机控制管理模式如图 2所示 , 选用 PPI 主 — 从协议 , 主站主要负责焊接参数和运动参数的数据管理 , 把高压焊接工艺试验参数存储到主站的数据管理区中 , 建立高压焊接专家系统 , 为水下高压焊接提供工艺参数 , 同时主站也负责工作管理。从站 1负责机器人的运动参数控制 , 从主站获取运动参数和控制指令 , 实现管道全位置焊接的各种运动功能。从站 2主要实现水下高压焊接机器人的人机交互功能 , 通过遥控器和监视器 , 发送焊接操作各种指令、监视焊接场景和焊接熔池

。

图 2　控制系统 PPI 通讯协议

Fig. 2　 PPI agreement of control system

3　高压空气环境下电弧特性

311　高压空气环境压力对电弧电压的影响

试验条件为 :电弧长度 L =3mm , 焊接电流

I =130A , 测量环境压力和电弧电压的试验数据。

由图 3可以看出 , 随着环境压力的增加 , 电弧电压增大。由 Saha 方程知 , 随着环境气体压力的增加 , 气体的热电离度降低 , 电场强度增大 , 最终导致电弧电压增大

。

图 3　电弧电压与环境压力的关系

F ig. 3　 Relations between arc voltage and environment pressure

对电弧电压与环境压力数据进行线性拟和得

U =9. 808+12. 834p , (1) 式中 :U 为电弧电压 ; p 为环境压力。

312　环境气体压力对电弧阴阳极压降之和与弧柱

电场强度的影响

试验条件为焊接电流 I =130A , 测量环境压力和阴阳极压降之和、弧柱电场强度的试验数据。

由图 4可以看出 , 随着环境压力的增加 , 电弧阴阳极压降之和增加

。

图 4　电弧阴阳极压降之和与环境压力的关系

Fig. 4　 Relations between arc cathode 2anode voltage

and environment pre ssure

对阴阳极压降之和数据进行线性拟和得

U AK =9. 445+2. 83p ,

(2)

式中 :U AK 为电弧阴阳极压降之和 ; p 为环境压力。

对弧柱电场强度数据进行线性拟和得

E =0. 32857+1. 34286p ,

(3)

式中 :E 为弧柱电场强度 ; p 为环境压力。

由图 5可以出看 , 随着环境压力的增加 , 弧柱电场强度增加

。

图 5　弧柱电场强度与环境压力的关系

Fig. 5　 Relations between arc column electric field intensity

and environment pre ssure

313　高压空气环境下的电弧静特性

试验条件为电弧长度 L =5. 5mm , 环境压力 p 分别为 0. 1MPa ,0. 2MPa ,0. 3MPa 和 0. 4MPa , 测量焊接电流和电弧电压的试验数据。

由图 6可以看出 , 在一定的电弧长度下 , 电弧静特性曲线随气体介质压力的升高而上移。这说明在

第 12期薛　龙 , 等 :高压空气环境下 TIG 焊接机器人关键技术

焊接电流和电弧长度相同的条件下 , 在高气压下的

电弧电压比在常压下高

。

图 6　高压空气环境下氩弧的静特性曲线

Fig. 6　 Static characteristic curve of TIG arc in

high 2pre ssure air condition

314　 U =5. 3445+9. 84167p +0. 6333L +0. 01972I , (4)

式中 :U 为电弧电压 ; p 为环境压力 ; L 为电弧长度 ; I 为焊接电流。

4　焊接工艺试验与接头力学性能

在自制的高压焊接模拟试验装置系统中进行了高压空气环境下 TIG 平板焊接工艺试验 , 选用合适的材料 , 采用合理的坡口形式 , 正确选择焊接方法和合理的焊接参数 , 在 0. 1MPa ,0. 3MPa ,0. 5MPa 和 0. 7MPa 压力下 , 对于八个位置 16Mn 试板进行焊接试验 , 均获得单面焊双面成形的良好效果。

试验标准是参考美国 AWS (美国焊接学会 ) 下属的海洋结构委员会 (C ommittee on Marine C onstruc 2tion ) 的水下焊接子委员会 (Subcommittee on Underwa 2ter Welding ) 制定的 AWS D3. 6M :1999标准 , 根据 JB4708— 2000标准推荐的评定内容 , 开展 8段平板

不同压力下的焊接工艺试验研究。

由表 1可知 , 不同压力下的抗拉强度都大于母

表 1　不同压力下焊缝的力学性能

Table 1　 Mechanical propertie s of weld in different

environment pre ssure

环境压力 p ΠMPa 抗拉强度 R m Π

MPa 冲击吸收功 A kv (-10°) Π

J 0. 1547. 874Π136Π600. 3540. 8111Π132Π910. 5583. 3116Π120Π1000. 7

588

150Π186Π118

材 16Mn 的抗拉强度 520MPa , 并且拉伸试件的断裂部位都在母材 , 可以判定 , 接头的拉伸试验力学性能合格。所有接头的冲击吸收功也都大于标准推荐的下限值 , 也是合格的。

5　结　　论

(1) 研制了水下高压 TIG 焊接机器人 , 该机器

人可靠性高、稳定性好 , 精度完全可以满足高压干式焊接的质量要求。

(2) 究 , 、弧。 , 为高。

(3) 利用自制的水下焊接机器人 , 进行了高压空气环境下全位置焊接工艺试验 , 选用合理的焊接工艺参数 , 实现了焊缝的单面焊双面成形 , 焊缝质量符合标准要求。

参考文献 :

[1]　李煌英 , 高光军 , 吴　锋 . 国外旧管道不停输维修技术 [J]. 油

气储运 , 2000, 19(3) :53-57.

[2]　魏中格 , 齐雅茹 , 刘鸿升 , 等 . 海底管道维修技术 [J]. 石油工

程建设 , 2002, 28(4) :30-32.

[3]　宋宝天 . 我国水下焊接与切割技术发展与展望 [A ].第八届全

国焊接会议论文集 [C], 深圳 , 1992, 220-223.

[4]　刘　桑 , 钟继光 , 王国荣 . 水下焊接技术研究与应用的新进展

[J]. 中国修船 , 2000,6(3) :10-12.

[5]　俞建荣 , 张奕林 , 蒋力培 . 水下焊接技术及其进展 [J]. 焊接

技术 , 2001, 30(4) :2-4.

[6]　 Scott Ly ons R , M iddleton T B. Underwater orbital TIG welding [J].

M etal C onstruction , 1985, 5(8) :504-507.

[7]　 John H Nix on , Ian M Richards on. The design and construction of a

250bar hyperbaric welding research facility[J].M aterials Engineering , 1995,3(2) :553-562.

[8]　 David G ibs on , K evin Barratt , Jan Paters on. R obotic equipment for

pipeline repair [J].M aterials Engineering AS ME , 1995,3(2) :509-515.

[9]　 D os Santos J F , S zelag owski P , M anzenrieder H. Diverless pipeline

welding bey ond 600msW[J].M aterials Engineering AS ME ,1992,3(2) :153-163.

作者简介 :薛　龙 , 男 ,1966年出生 , 教授。主要研究方向为机电

一体化技术和机器人技术 , 发表论文 40余篇。

Email :xuelong @bipt.edu. cn

20焊　接　学　报第 27卷

MAIN TOPICS ,ABSTRACTS &KEY WORDS

Numerical simulation of w elding residu al stress of tube 2to 2 tubesheet joint in heat exch angers 　　 J I ANG Wen 2chun , G ONG Jian 2ming , CHE N Hu , T U Shan 2dong (C ollege of Mechanical and P ower Engineering , Nanjing University of T echnology , Nanjing 210009,China ) . p1-4

sidual stress of inside than of tube end of S o weld ed joint can of corrosion cracking (SCC ) . The radial stress exists in the H AZ outside sur 2 face of tubesheet , which has great in fluence on tubesheet surface cracks. The maximum of hoop stress appears in the weld root , which has great in fluence on the connection failure between tube and tubesheet. The residual stress of former pipe bead is decreased due to the later pipe welding heating , which is useful for decreasing the susceptibility of SCC. This w ork provides a theory reference for opti 2 mizing the welding procedure and controling the welding residual stress for tube 2to 2tubesheet joint.

K ey w ords :heat exchanger ; tube and tubesheet ;welding re 2 sidual stress ; finite element ABAQUS

Laser claded Ni 2b ased alloy coatings reinforced by nano 2Sm 2O 3 p articles 　　 LI Ming 2xi , ZH ANG Shi 2hong , LI Hui 2sheng , HE Y i 2zhu (Research Center for Laser Processing , Anhui University of T echnology , Maanshan 243002,Anhui , China ) . p5-8

Abstract :Ni 2based alloy coatings with nano Πmicro 2Sm 2O 3par 2 ticles addition produced by a 5kW C O 2laser on Q235low carbon steel were introduced 1Cross 2section of the coatings was examined to reveal their microstructure using optical microscope , scanning elec 2 tron microscope , and X 2ray diffraction instrument 1The hardness and wear resistance were measured with microhardness tester and M M200 type sliding wear machine 1The results showed that γ2Ni and Cr 23C 6 exist in the coatings 1Fe 7Sm , Ni 3S i and Ni 3B are als o found by add 2 ing nano 2Sm 2O 31Fine microstructure and equiaxed dendrite are ob 2 served with nano 2Sm 2O 3addition 1A thin layer of metallurgical bond 2 ing , the white and bright strip , is observed by adding the rare earth oxide 1The hardness and wear resistance of the coatings with nano 2 Sm 2O 3addition are better than that with micro 2Sm 2O 31The mecha 2 nism was found from abrasive Πadhesive wear to fretting wear 1 K ey w ords :laser cladding ; nano 2Sm 2O 3; microstructure ; mi 2 crohardness ; wear resistance Movement control algorithm of autom atic w elding for complex intersection seam 　　 H UO Meng 2y ou , Y UE Shao 2jian , W ANG X in 2gang (School of Mechanical Engineering , Shandong University , Jinan 250061,China ) . p9-12

Abstract :On the basis of structure and principle of the five 2 axes linkage NC welding machine abstract , it mainly studied the m control welding for the conjuga 2 , it the construction of seam , the discrete point pa 2 interpolating and fitting the intersection seam using line interpolation , the adjusting calculation of welding torch and the method of how to realize the serv o control system with digital I ΠO board and step m otor 1T o control automatic welding process of com 2 plex intersection seam using the s oftware alg orithm introduced , the system becomes m ore versatile and the cost of equipment can be de 2 creased considerably 1

K ey w ords :automatic welding ; intersection line seam ; serv o 2 control alg orithm

Preliminary discussion about im age ch aracter of gas pore in MAG w elding b ased on vision sensing 　　 W ANG K e 2hong , Y OU Qiu 2rong , SHE N Y ing 2ji (Department of Materials , Nanjing Univer 2 sity Science &T echnology , Nanjing 210094, China ) . p13-16 Abstract :A passive vision sensing system to acquire the image of m olten pool in M AG welding was set up and many typical m olten pool images were obtained. The relationship between the typical gas pores and the characteristics of m olten pool images were studied by sync contrast experiments. Many m olten

pool images with surface gas pores and inner gas pores were obtained ,and the change of the imag 2 es and the strange characters were studied from the view of gray mean and gray standard deviation. The experiments indicate that it is feasible to judge the pores by characteristics of the vision images which offers the technological foundation for automatic identification of welding defect on the base of vision sensing. The experiments and the analysis indicate that one type of image may predicate several types of welding defect , one type of welding defect may als o shows several types of image characters.

K ey w ords :metal active 2gas welding ; vision sensing ; weld 2 ing defect ; m olten pool character

K ey techniques of TIG w elding robot in high 2pressure air condi 2 tion 　　 X UE Long , W ANG Zhong 2hui , ZH OU Can 2feng , J I AO X iang 2dong (Beijing Institute of Petro 2Chemical T echnology , Beijing 102617,China ) . p17-20

Abstract :According to the special technical features of the oil Ⅰ 　　　　　　

pipelines in Bohai Sea and the requirements of the program , an all 2 position hyperbaric TIG welding robot for underwater pipeline recov 2 ery w ork in deep water of 60-100m was developed. In its control system the harm ony and management of multi 2controllers was achie 2 ved by adopting PPI agreement. The parameters of command m ove 2 ment and that of welding m ovement for the welding robot were con 2 trolled. By a man 2machine conversation system , the controls of the robot , welding states and scenes could be manipulated and super 2 vised. The unmanned welding problem in hyperbaric circumstance was s olved at the same time. Under the different pressures , such as 0. 1MPa , 0. 3MPa , 0. 5MP and 0. 7MPa , the welding simulations had been done with a 16Mn steel plate and the better effect of one side welding with back formation was obtiained. Experimental results show that a higher control level and rem ote control by adoption in a robot are the key techniques of TIGwelding in high 2pressure air con 2 dition.

K ey w ords :underwater pipeline ; arc ; welding robot

Multimode in thermosonic flip chip bonding Zhi 2li , W U Y un 2xin , H AN Lei , ZH ONG Jue (C ollege of E lectromechanical Engineering , Central S outh Uni 2 versity , Changsha 410083, China ) . p21-24,28

Abstract :Multim ode vibration of transducer and its effect on bonding quality was investigated 1The velocities of different charac 2 teristic marks in the horn and bonding tool were acquired up by Laser D oppler Vibrometer 1The experimental results showed that the vibra 2 tion of transducer is the coupling result of different m odes 1The ve 2 locity ratio of non 2dominant m ode to dominant m ode was gained 1The longitudinal flexural vibration is the main non 2dominant m ode 1This kind of longitudinal flexural vibration w ould ” flap ” the chip , in flu 2 encing the bonding area , bonding strength and parallel between g old bumps and substrate 1The origin of multim ode in transducer was ana 2 lyzed by FE M m odel , and s ome suggestions about restraining the non 2dominant m ode was brought forward 1

K ey w ords :multim ode vibration ; ultras onic transducer ; bond 2 ing quality ; therm os onic flip chip bonding

I nfluential factors of threshold pow er density for Nd ∶ YAG laser beam w elding of beryllium 　　 LI Sheng 2he , XIE Zhi 2qiang , J I ANG Y un 2bo , W U D ong 2zhou (China Academy of Engineering Physics , Mianyang 621900, S ichuan ,China ) . p25-28

Abstract :Laser threshold power density of hot is ometric pres 2 sure (HIP ) beryllium in laser beam welding was investigated 1The results show that the threshold power density was sensitive to the di 2 ameter of beryllium cylinder 1It is seemed that m ore large diameter of beryllium cylinder , m ore power of back 2reflection light coupling into the res onator 1S o m ore strong Q 2switched pulse was formed in the cavity 1Then threshold power density of HIP beryllium will decrease 1 F or the same diameter of beryllium cylinder , when the angel of inci 2 dent laser beam was adjusted from 0°to 3°, the back 2reflection laser can be overcome 1Threshold power density of HIP beryllium will in 2 crease 1In experiment , the ratio of depth to width usually is 110- 115for deep penetration welding 1H owever , the ratio of depth to width usually is 012for heat conduction welding 1

K ey w ords :Nd∶ Y AG laser ;threshold power density ; beryllium

Current 2zero period process and its ch arcteristics of AC TIG arc 　　 H U K un 2ping , S ONG Y ong 2lun , XI A Y uan , CHE N Zhi 2 xiang , (Beijing University of T echnology , Beijing 100022, China ) . p29-33

Abstract :As an important heat s ource in welding , TIG arc is widely used in manu facturing industry , especially for aluminum alloy joining processes 1But up to now , the knowledge concerning the al 2 ternative TIG arc during the period of the current traversing zero as well as its in fluence on welding process are enough 1Based on a spectral statistic sam 2 , during the in TIG arcs for both the general rules and the features of the analyzed and discussed 1It may enhance the knowledge on the arc process and its control level 1

K ey w ords :alternative tunsten inert 2gas arc ; arc near and across zero ; electron density ; spectral diagnosis

Ch aos ch aracteristics of electrode displacement signals in spot w elding process b ased on Lyapunov exponent 　　 LUO Zhen , SH ANG Ping , G AO Zhan 2jiao , LI U Peng 2fei (School of Material Sci 2 ence and Engineering , T ianjin University , T ianjin 300072, China ) . p34-36

Abstract :Based on chaos theory and the nonlinear dynamical systems , the electrode displacement signal was studied in the spot welding process 1F our quality states of spot welding were studied and the largest Lyapunov exponents are calculated 1These results show that the greatest Lyapunov exponents are positive number in the four different displacement signals 1According to the theory of phase space reconstruction and Lyapunov exponent , there are s ome chaotic characteristics in the displacement signal of spot welding and rela 2 tionships between spot welding quality and Lyapunov exponent 1This research provides a new method to measure and forecasting the spot welding quality 1

K ey w ord :spot welding ; electrode displacement signals ; Lya 2 punov exponent ; chaos time series

Comp arison of pressure ch aracteristics betw een tw o friction w elding m achine hydraulic systems 　　 W ANG X i 2feng 1,DU Sui 2 geng 1, G ONG Cheng 2, Y AN Nan 2fei 2(1. K ey Laboratory of Minis 2 try of Education for C ontemporary Design and Integrated Manu factur 2 ing T echnology , N orthwestern P olytechnical University ,

X i ’ an 7l0072,China ;2. X i ’ an Branch of China C oal Research Institute , X i ’ an 710054,China ) . p37-41

Abstract :In order to analyze the necessity and feasibility of close 2loop process control by electro 2hydranlic ration in the friction welding , the static and dynamic characteristics and the axial pressure fluctuations in long period welding production of tw o hydraulic sys 2 tems of friction welding machine were compared. One system is con 2Ⅱ 　　　　　　

范文三：工业机器人的关键技术

工业机器人的关键技术

摘要：本文简单的介绍了机器人的技术：定义、组成及分类，着重阐述了工业机器人关键技术，并对六种工业机器人：移动机器人、点焊机器人、弧焊机器人、激光加工机器人真空机器人及洁净机器人等的关键技术进行了详细分析。

关键词：工业机器人关键技术制造业

1工业机器人技术概述1.1

定义

工业机器人（英语：industrial robot□简称IR)是种能自动控制、可重复编程、多功能、多自山度的操作机。它们通常配有机械手、刀具或其它装配的加工工具，能够搬运材料、工件，完成各种作业，是种柔性自动化设备。

1.2 结构组成

工业机器人一般由主构架(手臂)、手腕、驱动系统、测量系统、控制器及传感器等组成。机器人手臂具有3个自由度(运动坐标轴)，机器人作业空间由手臂运动范围决定。手腕是机器人工具(如焊枪、喷嘴、机加工刀具、夹爪)与主构架的连接机构，它具有3 个自由度。

驱动系统为机器人各运动部件提供力、力矩、速度、加速度。

测量系统用于机器人运动部件的位移、速度和加速度的测量。

控制器(RC)用于控制机器人各运动部件的位置、速度和加速度，使机器人手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。通过传感器获得搬运对象和机器人本身的状态信息，如工件及其位置的识别，障碍物的识别，抓举工件的重量是否过载等。工业机器人的典型结构如图1所示。

图1机器人的典型结构

1.3分类

工业机器人按臂部的运动形式分为四种。直角坐标型的臂部可沿三个直角坐标移动；圆柱

坐标型的臂部可作升降、回转和伸缩动作；球坐标型的臂部能回转、俯仰和伸缩；关节型的臂

部有多个转动关节。

工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业;连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。

工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。

示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。

2工业机器人的关键技术

机器人控制系统是机器人的大脑，是决定机器人功能和性能的主要因素。工业机器人控制技术的主要任务就是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等。具有编程简单、软件菜单操作、友好的人机交互界面、在线操作提示和使用方便等特点。

关键技术包括：

1) 开放性模块化的控制系统体系结构：采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

2) 模块化层次化的控制器软件系统:软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Lmux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次：硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

3) 机器人的故障诊断与安全维护技术：通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

4) 网络化机器人控制器技术：目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生产线进行监控、诊断和管理。

3六种典型工业机器人

3.1 移动机器人(AGV)

移动机器人（AGV)是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统（以AGV作为活动装配平台）；同时可在车站、机场、邮局的物品分捡中作为运输工具。

国际物流技术发展的新趋势之一，而移动机器人是其中的核心技术和设备，是用现代物流技术配合、支撑、改造、提升传统生产线，实现点对点自动存取的高架箱储、作业和搬运相结

合，实现精细化、柔性化、信息化，缩短物流流程，降低物料损耗，减少占地面积，降低建设投资等的高新技术和装备。

3.2 点焊机器人

焊接机器人具有性能稳定、工作空间大、运动速度快和负荷能力强等特点，焊接质量明显优于人工焊接，大大提高了点焊作业的生产率。

点焊机器人主要用于汽车整车的焊接工作，生产过程由各大汽车主机厂负责完成。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。

随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008年9月，机器人研究所研制完成国内首台165公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009年9月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水

平。

3.3 弧焊机器人

弧焊机器人主要应用于各类汽车零部件的焊接生产。在该领域，国际大型工业机器人生产企业主要以向成套装备供应商提供单元产品为主。本公司主要从事弧焊机器人成套装备的生产，根据各类项目的不同需求，自行生产成套装备中的机器人单元产品，也可向大型工业机器人企业采购并组成各类弧焊机器人成套装备。在该领域，本公司与国际大型工业机器人生产企业既是竞争亦是合作关系。

关键技术包括：

1) 弧焊机器人系统优化集成技术：弧焊机器人采用交流伺服驱动技术以及高精度、高刚性的RV减速机和谐波减速器，具有良好的低速稳定性和高速动态响应，并可实现免维护功能。

2) 协调控制技术：控制多机器人及变位机协调运动，既能保持焊枪和工件的相对姿态以满足焊接工艺的要求，又能避免焊枪和工件的碰撞。

3) 精确焊缝轨迹跟踪技术：结合激光传感器和视觉传感器离线工作方式的优点，采用激光传感器实现焊接过程中的焊缝跟踪，提升焊接机器人对复杂工件进行焊接的柔性和适应性，结合视觉传感器离线观察获得焊缝跟踪的残余偏差，基于偏差统计获得补偿数据并进行机器人运动轨迹的修正，在各种工况下都能获得最佳的焊接质量。

3.4 激光加工机器人

激光加工机器人是将机器人技术应用于激光加工中，通过高精度工业机器人实现更加柔性的激光加工作业。本系统通过示教盒进行在线操作，也可通过离线方式进行编程。该系统通过对加工工件的自动检测，产生加工件的模型，继而生成加工曲线，也可以利用CAD数据直接加工。可用于工件的激光表面处理、打孔、焊接和模具修复等。

关键技术包括：

1) 激光加工机器人结构优化设计技术：采用大范围框架式本体结构，在增大作业范围的同时，保证机器人精度；

2) 机器人系统的误差补偿技术：针对一体化加工机器人工作空间大，精度高等要求，并结合其结构特点，采取非模型方法与基于模型方法相结合的混合机器人补偿方法，完成了几何参数误差和非几何参数误差的补偿。

3) 高精度机器人检测技术：将三坐标测量技术和机器人技术相结合，实现了机器人高精度在线测量。

4) 激光加工机器人专用语言实现技术：根据激光加工及机器人作业特点，完成激光加

工机器人专用语言。

5) 网络通讯和离线编程技术：具有串口、CAN等网络通讯功能，实现对机器人生产线的监控和管理;并实现上位机对机器人的离线编程控制。

3.5 真空机器人

真空机器人是一种在真空环境下工作的机器人，主要应用于半导体工业中，实现晶圆在真空腔室内的传输。真空机械手难进口、受限制、用量大、通用性强，其成为制约了半导体装备整机的研发进度和整机产品竞争力的关键部件。而且国外对广东买家严加审查，归属于禁运产品目录，真空机械手已成为严重制约国内半导体设备整机装备制造的“卡脖子”问题。直驱型真空机器人技术属于原始创新技术。

关键技术包括：

1) 真空机器人新构型设计技术：通过结构分析和优化设计，避开国际专利，设计新构型满足真空机器人对刚度和伸缩比的要求；

2) 大间隙真空直驱电机技术:涉及大间隙真空直接驱动电机和高洁净直驱电机开展电机理论分析、结构设计、制作工艺、电机材料表面处理、低速大转矩控制、小型多轴驱动器等方面。

3) 真空环境下的多轴精密轴系的设计。采用轴在轴中的设计方法，减小轴之间的不同心以及惯量不对称的问题。

4) 动态轨迹修正技术：通过传感器信息和机器人运动信息的融合，检测出晶圆与手指之间基准位置之间的偏移，通过动态修正运动轨迹，保证机器人准确地将晶圆从真空腔室中的一个工位传送到另一个工位。

5) 符合SEMI标准的真空机器人语言：根据真空机器人搬运要求、机器人作业特点及SEMI标准，完成真空机器人专用语言。

6) 可靠性系统工程技术：在1C制造中，设备故障会带来巨大的损失。根据半导体设备对MCBF的高要求，对各个部件的可靠性进行测试、评价和控制，提高机械手各个部件的可靠性，从而保证机械手满足1C制造的高要求。

3.6洁净工机器人

洁净机器人是一种在洁净环境中使用的工业机器人。随着生产技术水平不断提高，其对生产环境的要求也日益苛刻，很多现代工业产品生产都要求在洁净环境进行，洁净机器人是洁净环境下生产需要的关键设备。

关键技术包括：

1) 洁净润滑技术:通过采用负压抑尘结构和非挥发性润滑脂，实现对环境无颗粒污染, 满足洁净要求。

2) 高速平稳控制技术：通过轨迹优化和提高关节伺服性能，实现洁净搬运的平稳性。

3) 控制器的小型化技术：根据洁净室建造和运营成本高，通过控制器小型化技术减小洁净机器人的占用空间。

4) 晶圆检测技术：通过光学传感器，能够通过机器人的扫描，获得卡匣中晶圆有无缺片、倾斜等信息。

3结束语

在21世纪，工艺与装备技术的发展仍将体现在高精度、高效率、低成本、高柔性和洁净化等几个方面。发展工业机器人技术是促进我国传统制造行业的技术改造与产业升级，

实现跨越式发展的迫切需要

范文四：工业机器人关键技术

工业机器人关键技术

工业机器人的关键技术包括:(1)开放性模块化的控制系统体系结构:采用分布式CPU计算机结构，分为机器人控制器(RC)，运动控制器(MC)，光电隔离I/O控制板、传感器处理板和编程示教盒等。机器人控制器(RC)和编程示教盒通过串口/CAN总线进行通讯。机器人控制器(RC)的主计算机完成机器人的运动规划、插补和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、传感器处理等功能，而编程示教盒完成信息的显示和按键的输入。

(2)模块化层次化的控制器软件系统:软件系统建立在基于开源的实时多任务操作系统Linux上，采用分层和模块化结构设计，以实现软件系统的开放性。整个控制器软件系统分为三个层次:硬件驱动层、核心层和应用层。三个层次分别面对不同的功能需求，对应不同层次的开发，系统中各个层次内部由若干个功能相对对立的模块组成，这些功能模块相互协作共同实现该层次所提供的功能。

(3)机器人的故障诊断与安全维护技术:通过各种信息，对机器人故障进行诊断，并进行相应维护，是保证机器人安全性的关键技术。

(4)网络化机器人控制器技术:目前机器人的应用工程由单台机器人工作站向机器人生产线发展，机器人控制器的联网技术变得越来越重要。控制器上具有串口、现场总线及以太网的联网功能。可用于机器人控制器之间和机器人控制器同上位机的通讯，便于对机器人生

产线进行监控、诊断和管理。移动机器人(AGV)移动机器人(AGV)是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，它可广泛应用于机械、电子、纺织、卷烟、医疗、食品、造纸等行业的柔性搬运、传输等功能，也用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统(以AGV作为活动装配平台);同时可在车站、机尝邮局的物品分捡中作为运输工具。

近年来工业机器人供应量在大多数行业都呈现出上涨的态势。而服务机器人发展历史较短。其在功能上的主要不同体现在两个方面:一是与人的沟通协作;二是在复杂环境下代替人的部分工作。下面让我们一起来了解一下机器人关键技术～

工业机器人和用于运行工业机器人的方法

一种工业机器人，具有机器人臂和与所述机器人臂相连接的数据采集模块，所述数据采集模块设计为用于无线通讯，其特征在于，所述数据采集模块具有利用换能器单元实现的自给自足的能量供应，借助于所述换能器单元，机械能可以转换为电能，其中为此充分利用了来自所述机器人臂的运动的能量。

本发明涉及一种工业机器人，其具有机器人臂和与该机器人臂相连接的数据采集模块，该数据采集模块设计为用于无线通讯，其特征在于，该数据采集模块具有利用换能器单元实现的自给自足的能量供应，借助于该换能器单元，机械能可以转换为电能，其中为此充分利用了来自机器人臂的运动的能量。

工业机器人产品开发技术

本研究所拥有美国PUMA、法国Staubli工业机器人多台，掌握工业机器人编程及应用技术，可以向用户提供工业机器人产品应用技术、机器人编程、柔性自动生产线研制等技术服务，也可以和用户共同开发工业机器人产品。可应用于各种移动机器人应用领域。

具有plc功能的六轴工业机器人

具有PLC功能的六轴工业机器人除了传统的机器人顺序执行程序外，增加了具有循环扫描运行的电气工程师熟悉的可编程逻辑控制器(PLC)功能，并通过工业触摸屏编程方法在示教器上实现人机交互功能。

工业机器人作为最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，机器人自动化生产线的市场将越来越大，逐渐成为自动化生产线的主要形式，运用工业机器人可以有效地降低产品废品率，提高劳动生产率和产品的整体质量。

高性能工业机器人控制系统

针对点焊(弧焊)机器人和重载搬运机器人的应用，开展机器人控制器核心技术相关研究，研究开发自主知识产权的高性能低成本的工业机器人控制器，实现工程应用。研究工业机器人控制器核心技术，完成控制器的研究与开发并实现工程化，实现示范应用及产业化目标。

近年来市场对机器人的需求持续攀升，各国政府、相关研究机构和企业，都非常重视机器人技术的发展，投入了大量的资源，机器人技术的发展呈现良好态势。而机器人技术中的高精尖问题，更激发

着全球众多优秀的机器人研发团队不断创新，开拓进取。我认为，在

未来，机器人必将成为日常生活中必不可少的工具，带给人们更加舒

适便捷的生活。

范文五：采摘机器人关键技术

中文标题：采摘机器人关键技术

农机091 第三组

摘要果蔬采摘机器人是针对水果和蔬菜，通过编程能完成这些作物的采摘，输送，装箱等相关作业任务的具有感知能力的自

动化机械收获系统。设计果蔬采摘机器人需解决的主要问题是识别和定位果实，在不损害果实也不损害植株的条件下，按照一定的标准完成果蔬的收获。同时，也要考虑经济因素，要保证其成本不比其所替代的人工成本高。

英文标题：The Picking Robot key technology

Abstract :Fruit and vegetable harvesting robot for fruits and vegetables, programming to completethe harvesting of these

crops, transportation, packing and other related tasks in theperception of automated mechanical harvesting system. The design of fruit and vegetable picking robot needs to solve the main problem is to identify and locate the fruit,and completed in accordance with certain criteria in conditions that do not damage thefruit does not damage plants, fruit and vegetable harvest. , We must also consider economic factors, to ensure that its cost than its alternative high labor costs

0 引言

果品采摘作业是水果生产链中最耗时，最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用月约占成本的50%-70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。

1.6 中国农业大学的孙明等人为苹果采摘机器人开发了一套果实识别机器视觉系统。

1.7 西班牙研制了柑橘采摘机器人，有摘果手、彩色视觉系统和超声传感电位器3部分组成。

1.8 浙江大学利用机器视觉技术研究了树上柑橘的识别方法。此外，各国研究人员还在进行西瓜、甘蓝、茄子等果蔬的采摘机器人技术研究。

2 关键技术

农业机器人的关键技术

农业机器人集传感、监测、人工智能、通讯，图像识别和精密及系统集成等多种前沿科学技术与一身。 2.1机器人的结构简单，如图一所示：

1 国内外现状

国外农业机器人发展迅速。自1983年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经20多年，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑橘、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。我国采摘机器人的研究也逐渐起步，如上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究，浙江大学对七自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化设计研究，中国农业大学对采摘机械手的视觉识别系统进行了研究。目前，比较典型的采摘机器人有西红柿，黄瓜，草莓和多功能葡萄采摘机器人等。

1.1 1984年，日本京都大学的川村等人开始开始了对番茄采摘机器人的研究，并研制出一台具有5自由度关节型机械手的机器人。

1.2 近藤等人研制出气吸式草莓采摘机器人，针对特定栽培模式---坡面上种植和平面种植，研制出了3种草莓采摘机器人并分别进行了实验。 1.3 荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄瓜采摘机器人。机械手有7个自由度，采用三菱RV -E26自由度机械手，在底座上增加了1个线性滑动由度，采摘成功率约为80%，每采摘1条黄瓜需时间45s 。 1.4 中国农业大学汤修映等人研制了6自由度黄瓜采摘机器人，采用基于RGB 三基色模型的G 分量来进行图像分割，在特征提取后确定果实采摘点，末端执行器的活动刃口平移接近固定刃口，通过简单的开合动作剪切掉黄瓜。

1.5 韩国庆北大学研制了苹果采摘机器人，具有4自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。

2.2农业机器人的感觉系统

机器人的手采用带有弹性触点的触敏元件、热敏元件、质量传感器、电位器等装置，在一定程度上有了手的功能。奇迹人的视觉系统和人的视觉系统类似，由信息获取，信息处理与特征抽取比较、判断分类等部分组成。 2.3机械手臂的自适控制系统如图2所示：

2.4目标的探测与定位技术：对作业对象的正确识别和定位是任何农业机器人正常工作所必需的前提。

2.5自主导航与路径规划：自主导航是具有开放式结构农业机器人应具备的重要认知特性。

2.6 苹果采摘机器人末端执行器如下图：

3农业机器人的发展与展望

发展目前，大部分果蔬采摘机器人还处于研究阶段，离实用化和商品化还有一定的距离。其主要原因是：1机器人智能化程度没有达到农业生产的要求。农业生产的非结构性和田间工作的不确定性要求采摘机器人具有较高的的智能和柔性生产的能力。2采摘效率不高，普遍低于人工采摘。这主要是由于图像处理时间较长，以及机器人的自由度多，对其控制需要话费较长时间。3机器人的制造成本较高，而且其应用的季节性较强，使用效率较低。

展望：果智能化机器人的研究需要在一下几个方面进行努力：1 开发出智能化程度高的视觉处理系统，能够对要采摘的成熟果蔬进行准确的识别和精确定位。2 提高图像处理硬件的处理速度，优化软件的算法，同时简化机器人结构，降低控制难度，从而提高采摘工作效率 3 设计开放式的采摘机器人，提高机器人的通用性。通过更换末端执行器既能采摘不同的果蔬，提

高机器人使用效率。另外，还需要在机械手的结构、采摘工作方式和壁障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才可能达到实用化。

4 结论

目前，农业机器人额适应性和通用性不足，智能化程度仍旧不够高等使得难以适应复杂多变的农业生产环境；再者，现在农业机器人的生产成本高、效率低。这两方面的原因使得农业机器人尚不合适走出实验室进行广泛的推广使用。

随着各国对农业机器人发展的不断重视，同时对农业机器人的开发研究在资金和人力上的不断支持，相信农业机器人会得到一个长足的发展，并最终会走出应用，为农业发展做出自己的贡献。随着我国民经济的高速发展，农业产业结构的调整以及新技术的应用，机器人也定会广泛的应用到我国农业生产中。

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