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        船舶復(fù)雜曲面爬行機(jī)器人自動(dòng)焊接的關(guān)鍵技術(shù)研究

        2018-10-22 08:20:40俞國慶王曉佳郜世杰石永華
        船電技術(shù) 2018年10期
        關(guān)鍵詞:電弧船體曲面

        俞國慶,王曉佳,郜世杰,石永華

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        船舶復(fù)雜曲面爬行機(jī)器人自動(dòng)焊接的關(guān)鍵技術(shù)研究

        俞國慶1,王曉佳2,郜世杰1,石永華2

        (1. 海裝廣州局,廣州 510320;2. 華南理工大學(xué),廣州 510640)

        針對(duì)船舶船體復(fù)雜曲面的焊接存在曲率變化大、焊縫長(zhǎng)和焊接姿態(tài)變化多等問題,本文設(shè)計(jì)了爬行式機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)。通過旋轉(zhuǎn)電弧V形坡口上坡和下坡焊等焊接試驗(yàn)對(duì)爬行式機(jī)器人自動(dòng)焊接的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示爬行式機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)船舶船體復(fù)雜曲面的自動(dòng)焊接,并且能保證焊接質(zhì)量、提高船舶焊接效率。結(jié)果表明爬行式機(jī)器人在船舶復(fù)雜曲面的自動(dòng)焊接技術(shù)具有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。

        船舶 爬行式機(jī)器人 自動(dòng)焊接

        0 引言

        隨著全球經(jīng)濟(jì)化的影響,船舶制造業(yè)得到了迅速地的發(fā)展。焊接是船舶制造中的一項(xiàng)重要工藝技術(shù),其工作量占船舶制造總工作量的40%以上[1]。因此焊接技術(shù)對(duì)船舶船體質(zhì)量和性能、制造周期、制造成本等方面有著重要的影響[2]。

        目前,船舶分段建造和合攏中存在大量的曲面焊縫,由于這些曲面焊縫的焊接過程中存在曲率變化大、焊縫長(zhǎng)度長(zhǎng)和焊接姿態(tài)變化多等特點(diǎn),因此焊接環(huán)境較為復(fù)雜,大多由人工焊接完成[3]。然而,人工焊接存在成本高、效率低、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn),因此迫切需要采用新的自動(dòng)化焊接技術(shù)來提高焊接質(zhì)量和焊接效率。

        爬行式機(jī)器人是一個(gè)集成的自動(dòng)化焊接系統(tǒng),它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面自動(dòng)焊接,這不僅可以提高船舶焊接質(zhì)量和效率,也降低了生產(chǎn)成本。因此對(duì)船舶復(fù)雜曲面爬行式機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。

        1 爬行式機(jī)器人自動(dòng)焊接關(guān)鍵技術(shù)研究

        爬行式機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)主要由機(jī)械本體及驅(qū)動(dòng)、無線控制、焊縫位置檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)電弧焊接等四個(gè)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

        圖1 爬行機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)組成框架

        1.1 機(jī)械本體及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

        機(jī)器人機(jī)械本體及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由四輪驅(qū)動(dòng)底盤(底部裝有永磁鐵)、二維移動(dòng)平臺(tái)、送絲裝置、伺服電機(jī)以及旋轉(zhuǎn)電弧裝置組成,如圖2所示。機(jī)械本體對(duì)外連接氣瓶和焊機(jī),實(shí)現(xiàn)電氣輸入。機(jī)械本體通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)四輪機(jī)構(gòu),可利用永磁鐵吸附于船體表面并進(jìn)行爬行。二維平臺(tái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧焊槍進(jìn)行水平方向和高度方向的移動(dòng)。送絲裝置把焊絲送往焊槍末端,通過旋轉(zhuǎn)電弧裝置,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)電弧焊接任務(wù)。

        圖2 機(jī)器人的機(jī)械本體及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

        永磁吸附裝置的設(shè)計(jì)是爬行機(jī)器人本體及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵,它將影響著爬行機(jī)器人在船體的運(yùn)動(dòng),因此需要對(duì)爬行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。爬行機(jī)器人的受力情況如圖3 所示,機(jī)器人在船體表面移動(dòng)時(shí)機(jī)器人受到船體對(duì)機(jī)器人的支持力N1、N2,輪子與船體表面的摩擦力1、2,機(jī)器人上的磁鐵對(duì)船體的吸引力以及機(jī)器人本身的重力。

        由于機(jī)器人前后兩輪之間的距離很小且船體表面的弧度不大,因此可以認(rèn)為兩輪之間的船體表面近似平面。兩輪的連線與水平線的夾角為,長(zhǎng)2。N1、N2垂直于指向機(jī)器人,輪子與船體表面的摩擦因數(shù)為。吸引力的作用點(diǎn)在兩輪的正中間,即線的中點(diǎn),方向垂直于指向船體表面。機(jī)器人重力為,重心在方向上與的距離為,在方向上與的距離為。

        圖3 爬行機(jī)器人受力分析

        對(duì)O求矩:

        機(jī)器人在船體表面移動(dòng)時(shí)可能由于吸引力沒有足夠大,導(dǎo)致機(jī)器人不能正常移動(dòng),甚至墜落。此時(shí),有以下三種情況:

        情況一:

        機(jī)器人前輪先離開船體表面。此時(shí),2=F= 0,代入上式,解得:

        情況二:

        機(jī)器人后輪先離開船體表面。此時(shí),1= F= 0,代入上式,解得:

        情況三:

        機(jī)器人不能靜止在船體表面,沿著船體表面滑下,此時(shí)有1=μF1,2=μF2,解得:

        根據(jù)上述受力分析計(jì)算可得:機(jī)器人整機(jī)不超過60kg,磁鐵安裝高度不超過16 mm的情況下,可確保機(jī)器人倒吸于船體上而不會(huì)墜落。為了讓機(jī)器人輪胎與船體表面產(chǎn)生足夠大的摩擦力,需要把磁鐵安裝高度控制在12 mm以內(nèi),以提供足夠的正壓力。

        1.2 無線控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

        無線控制系統(tǒng)包括底層控制系統(tǒng)和無線手持控制器。

        1.2.1 底層控制系統(tǒng)

        底層控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖4所示,底層控制系統(tǒng)是連接機(jī)械及電氣系統(tǒng)與無線手持控制器的關(guān)鍵系統(tǒng),該子系統(tǒng)對(duì)外負(fù)責(zé)接收無線手持控制器的控制信號(hào),反饋傳感器信號(hào)到手持控制器,進(jìn)行圖像采集及無線傳輸,驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)直流電機(jī)以完成運(yùn)動(dòng)控制,并控制底盤剎車開關(guān)和旋轉(zhuǎn)電弧轉(zhuǎn)速。子系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸則由FPGA和MT7620N兩個(gè)核心芯片控制。

        1.2.2 無線手持控制器

        無線手持控制器提供良好的人機(jī)操作界面,對(duì)通過底層控制系統(tǒng)進(jìn)行移動(dòng)焊接機(jī)器人的手動(dòng)和自動(dòng)控制。本文設(shè)計(jì)的無線手持控制器的主要軟件界面如圖5所示。無線手持控制器與底層控制系統(tǒng)之間的控制信號(hào)傳輸,采用基于UDP網(wǎng)絡(luò)接口與串口相互轉(zhuǎn)換的自定義通信協(xié)議,如圖6所示。該協(xié)議包括兩部分,無線控制器發(fā)送部分以及器接收部分。

        圖4 底層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

        圖5 無線手持控制器主要軟件界面

        1.3 焊縫檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

        為實(shí)現(xiàn)焊縫位置檢測(cè)和焊接表面質(zhì)量監(jiān)控兩種功能,本研究采用兩個(gè)CCD工業(yè)相機(jī)進(jìn)行圖像采集,前置相機(jī)用于焊縫位置檢測(cè),后置相機(jī)用于焊縫表面質(zhì)量監(jiān)控,具體方案如圖7所示。

        焊縫位置檢測(cè)是基于坡口內(nèi)熔池質(zhì)心的,關(guān)鍵是如何求取最大連通域質(zhì)心。最大連通域反映了V型坡口內(nèi)熔池的區(qū)域范圍,此區(qū)域存在對(duì)稱性,可以通過求取質(zhì)心的縱向線的位置得出焊縫的中心位置。求解過程中,把白色區(qū)域灰度記為()=1,黑色區(qū)域的像素值記為()=0,質(zhì)心坐標(biāo)求解公式如下:

        采用提取最大連通域的方法可以有效地去除飛濺等小區(qū)域的干擾,鎖定熔池區(qū)域,圖8為飛濺情況下提取最大連通域的效果。

        1.4 旋轉(zhuǎn)焊接系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

        旋轉(zhuǎn)電弧裝置設(shè)計(jì)是關(guān)鍵技術(shù)。旋轉(zhuǎn)電弧裝置主要用于焊縫跟蹤,其原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的電弧,采集每一周的電流信號(hào)進(jìn)行分析,進(jìn)而計(jì)算出焊縫偏差。用于焊縫跟蹤的旋轉(zhuǎn)電弧一般旋轉(zhuǎn)頻率偏高,可達(dá)到50 Hz以上。高速旋轉(zhuǎn)的電弧有利于在較短的移動(dòng)距離內(nèi),盡可能多地采集旋轉(zhuǎn)過程中的電流信號(hào),以計(jì)算出更為精確的焊縫偏差。

        圖6 自定義通信協(xié)議

        圖7 視覺方案示意圖

        圖8 飛濺情況下提取最大連通域

        如圖9所示,電弧裝置可以直接通過螺紋安裝于現(xiàn)有的機(jī)器人焊槍的頭部。裝置主要由空心軸電機(jī)、連接件、氣罩、彈簧、壓緊滑塊和偏心機(jī)構(gòu)組成。送絲軟管直接延伸到偏心機(jī)構(gòu)上端,偏心緊固螺釘控制偏心滑塊的偏心距離,實(shí)現(xiàn)焊絲的偏心??招妮S電機(jī)為偏心機(jī)構(gòu)提供了動(dòng)力,使其迫使焊絲末端進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)焊接過程中電弧的旋轉(zhuǎn)。

        2 爬行機(jī)器人自動(dòng)焊接關(guān)鍵技術(shù)實(shí)船應(yīng)用

        在船廠進(jìn)行了爬行機(jī)器人實(shí)船焊接試驗(yàn),分別進(jìn)行上坡焊和下坡焊實(shí)船焊接應(yīng)用,如圖10所示。

        圖9 旋轉(zhuǎn)電弧焊槍結(jié)構(gòu)示意圖

        圖10 爬行機(jī)器人實(shí)船焊接應(yīng)用

        圖11 旋轉(zhuǎn)電弧傾斜平板堆焊焊縫

        實(shí)船焊接結(jié)果表明,焊縫質(zhì)量受到電流、電壓、保護(hù)氣體、焊槍姿態(tài)、坡口大小、焊接速度等的影響,通過工藝優(yōu)化,上坡焊和下坡焊的焊縫有明顯均勻的魚鱗狀,焊縫平滑美觀,余高基本恒定,焊接接頭力學(xué)性能滿足要求,說明該機(jī)器人焊接系統(tǒng)可滿足船舶曲面焊縫的自動(dòng)焊接要求。

        3 結(jié)論

        本文設(shè)計(jì)了一種用于船舶曲面焊縫焊接的爬行機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng),并進(jìn)行了船舶V形坡口上下坡焊和仰焊等實(shí)船焊接應(yīng)用。結(jié)果表明適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電弧參數(shù)和焊接參數(shù)可以獲得良好的焊縫,爬行機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)在船舶復(fù)雜曲面的焊接具有廣闊的應(yīng)用前景。

        [1] 王一鳴. 高級(jí)焊接工藝在大型船舶建造中的重要意義[J]. 中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè), 2018, (8): 152.

        [2] 陳家本. 船舶焊接技術(shù)的進(jìn)展及對(duì)再發(fā)展的建議[J]. 造船技術(shù), 2004, (3): 29-33.

        [3] 倪慧鋒. 船舶焊接技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代焊接, 2007, (11): 23-24.

        [4] 錢曉莉. 回歸方程的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[J]. 財(cái)貿(mào)研究, 1994, (2): 66.

        Research on Key Technologies of a Crawl Type Robot in Automatic Welding of the Ship Complex Surfaces

        Yu Guoqing1, Wang Xiaojia2, Gao Shijie1, Shi Yonghua2

        (1. Navy Equipment Bureau at Guangzhou, Guangdong 510320, China;2. South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)

        TP242

        A

        1003-4862(2018)10-0005-05

        2018-05-14

        俞國慶(1966-),男,高級(jí)工程師,主要從事船舶裝備監(jiān)造與管理。E-mail: 50094525@qq.com

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