李生保，烏日圖，謝振平，康俊峰，杜宏旺

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051；2.哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

管道對接是管道鋪設(shè)過程中一個重要的工序，它廣泛應(yīng)用于的油氣、天然氣輸送管道等需要兩管對接的行業(yè)。鑒于現(xiàn)在大直徑管道焊接絕大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的手工焊接，工作效率低，工作進(jìn)度慢，對人身傷害大，進(jìn)而設(shè)計一種適合大直徑、全位置的焊接機(jī)器人對大直徑管道鋪設(shè)具有代表性的意義[1～3]。

1 焊接機(jī)器人組成介紹

焊接機(jī)器人采用了移動小車式，具有結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、靈活性好等特點(diǎn)，其三維實(shí)體模型如圖1所示，具有3個運(yùn)動機(jī)構(gòu)，分別是周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向擺動機(jī)構(gòu)和徑向伸縮機(jī)構(gòu)。

圖1 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)

周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由車體、鋼帶型軌道、主動鏈輪、鏈條和張緊機(jī)構(gòu)等組成。周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪鏈條機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動主動齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動鏈條，鏈條和鋼帶的摩擦力促使小車?yán)@驅(qū)動方向的反方向運(yùn)動。這里的鏈條的外鏈板具有齒鋸，從而增加了鏈條和鋼帶的摩擦度。

軸向擺動機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、支架等組成。軸向擺動機(jī)構(gòu)采用的是滾珠絲杠—直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)傳動機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿，絲桿帶動絲母在直線導(dǎo)軌上沿軸向來回擺動。

徑向伸縮機(jī)構(gòu)就是焊槍調(diào)整架的一部分，主要由齒輪、齒條、支架等組成。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動齒輪，齒輪帶動齒條徑向升降。

2 焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)大管徑、全位置焊接，以及便于裝卸的關(guān)鍵內(nèi)容。焊接小車是焊接機(jī)器人的主要承載體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 周向行走機(jī)構(gòu)

2.2 軸向擺動機(jī)構(gòu)

軸向擺動機(jī)構(gòu)是使焊槍實(shí)現(xiàn)在焊道軸向擺動焊接的關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軸向擺動機(jī)構(gòu)

2.3 徑向伸縮機(jī)構(gòu)

徑向伸縮機(jī)構(gòu)是使焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)適應(yīng)徑向高度（隨著焊道填充疊加）的關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)因焊槍而選取，這里就不過多介紹。

3 運(yùn)動學(xué)干涉分析

大直徑管對接焊接機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)干涉問題就是：當(dāng)小車環(huán)繞管道作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，鏈條和小車車體可能存在干涉的問題。我們先用CAD作出管道和小車的幾何關(guān)系圖，如圖4所示；再找出鏈條和鋼帶以及和主動齒輪分度圓的接觸切點(diǎn)，也就是圖8里的C、D兩點(diǎn)；再測得小車車體和鏈條的垂直距離D。

圖4 小車與鏈條的位置示意圖

利用幾何法，得出OO3與R、?與OO3的關(guān)系：

其中：R為管道的半徑，mm；

?為OD與OO3的夾角，rad；

OO3為焊道中心到主動鏈輪中的距離，mm。

由式(1)和式(2)得到?和R的關(guān)系式：

利用MATLAB擬合出?和R關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 R和?的關(guān)系曲線

由圖6可知，R、?和D是一一對應(yīng)的。這里我們可以通過CAD作圖，通過R和?確定出D的值，如表1所示。

表1 R、?和D之間的對應(yīng)值

利用MATLAB擬合出R和D二者的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 R和D二者的關(guān)系曲線

由圖7可以看出來：R值越大，D的值也就越大。當(dāng)管道半徑取最小值（R=170mm）時，此時D＞0。這就可以得出，無論R取任何值，D都大于0。從而可以得出，鏈條和小車不存在干涉。

4 運(yùn)動學(xué)仿真

這里對管徑為400mm，管壁為10mm的圓形管道進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。設(shè)定小車的焊接速度為0.14rad/s，軸向擺動速度為0，從管道頂端順時針繞一周。利用Pro/E軟件對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置軌跡和速度曲線，如圖7、圖8所示。

圖7 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置軌跡

圖8 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度曲線

圖7可以看出來，焊接機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)（焊槍）的位置軌跡與焊縫的軌跡相同；圖8可以看出，焊接速度起初是一個啟動過程，速度增大到0.14rad/s后，趨于穩(wěn)定，當(dāng)快到頂端時，開始減速，最后停止。

5 結(jié)論

對大直徑對接管焊接機(jī)器人進(jìn)行了本體結(jié)構(gòu)設(shè)計、運(yùn)動學(xué)干涉分析、運(yùn)動學(xué)仿真和位置仿真。通過上述分析，有利于對大直徑對接管焊接機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動學(xué)特性等深入了解，從而為大直徑對接管焊接機(jī)器人的生產(chǎn)與運(yùn)動控制提供了理論依據(jù)。

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[3] 宋金虎.我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀[J].電焊機(jī),2009, (04)：18-21.

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