The design and analysis of the structure of the card inserted pipe welding robot

康俊峰1，烏日圖1，田紅巖1，丁國強(qiáng)1，杜宏旺2

KANG Jun-feng1, WU Ri-tu1, TIAN Hong-yan1, DING Guo-qiang1, DU Hong-wang2

（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）

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卡管式插接管焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

The design and analysis of the structure of the card inserted pipe welding robot

康俊峰1，烏日圖1，田紅巖1，丁國強(qiáng)1，杜宏旺2

KANG Jun-feng1, WU Ri-tu1, TIAN Hong-yan1, DING Guo-qiang1, DU Hong-wang2

（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）

摘 要：通過對馬鞍形空間曲線的研究，設(shè)計了一種適用于主、支管管道插接的卡管式焊接機(jī)器人。由馬鞍形焊縫的數(shù)學(xué)模型入手，描述了焊接機(jī)器人的組成及運動關(guān)系，對焊接機(jī)器人的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并用運當(dāng)今主流的CAD、CAE軟件技術(shù)對機(jī)器人的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析，保證了結(jié)構(gòu)合理性，從而為機(jī)器人運動學(xué)仿真奠定了基礎(chǔ)。然后對所設(shè)計的機(jī)器人進(jìn)行運動學(xué)仿真，從而得出具有指導(dǎo)實際生產(chǎn)的曲線數(shù)據(jù)。進(jìn)一步驗證了卡管式插接管焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、實用性。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；數(shù)學(xué)模型；馬鞍曲線；靜力學(xué)分析；運動學(xué)仿真

0 引言

在船舶、石油、電力等眾多領(lǐng)域中，經(jīng)常會遇到馬鞍形焊縫的問題，而如今重大型裝備生產(chǎn)中多數(shù)還是采用人工焊接，不但工作效率低，外觀、質(zhì)量差，而且對人身體傷害大，因此設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊、焊接方法多樣，焊接精度高的通用性焊接機(jī)器人來解放工人勞動強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，也是工業(yè)現(xiàn)代化時代的召喚。

1 馬鞍形焊縫的數(shù)學(xué)模型

馬鞍形焊縫就是管與管之間以正交、斜交等方式連接時產(chǎn)生的相貫線，是一條三維的空間曲線。其在水平面上的投影是個圓，隨著角度的變化，他在高度方向上的落差h也隨之發(fā)生改變，這個落差被稱為馬鞍落差。為便于建模計算，本文針對正斜交馬鞍焊縫建立模型，如圖1所示。

其中：

h為馬鞍落差；

R為主管半徑；

r為支管半徑；

θ為斜交相慣角；

α為支管轉(zhuǎn)角；

β為主管轉(zhuǎn)角的余角；

聯(lián)立式(1)～式(4)可解得：

圖1　正斜交馬鞍形焊縫

2 焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)制造業(yè)裝備工藝的有關(guān)知識，將機(jī)械結(jié)構(gòu)大致分為：直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)四種結(jié)構(gòu)類型[1]，本文有機(jī)的將直角坐標(biāo)型和圓柱坐標(biāo)型兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點結(jié)合，所設(shè)計出的插接管焊接機(jī)器人使得該綜合型設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，方便攜帶、靈活性好、剛度、精度高等特點，其模型如圖2所示。

該機(jī)構(gòu)主要由腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、水平伸縮機(jī)構(gòu)、豎直升降機(jī)構(gòu)和焊槍腕部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪回轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動主動齒輪繞回轉(zhuǎn)支撐旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)框帶動橫臂、豎直臂、焊槍等其他裝備做周向運動。

圖2　焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)

橫向伸縮機(jī)構(gòu)主要由齒條、直線滑軌、升降框架等組成。橫向伸縮機(jī)構(gòu)采用的是齒輪齒條—直線滑軌機(jī)構(gòu)傳動，驅(qū)動電機(jī)帶動小齒輪沿齒條移動，同時配合有直線滑軌實現(xiàn)了伸縮臂的伸縮運動。

豎直伸縮機(jī)構(gòu)裝配有腕部可調(diào)的焊槍機(jī)構(gòu)，通過齒輪齒條以及導(dǎo)軌滑塊的合理配合，實現(xiàn)了縱向的升降；同時，靈活的腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了焊槍位置的精確定位，保證了馬鞍焊縫的質(zhì)量。

3 伸縮臂的靜力學(xué)分析

由于伸縮臂是連接在回轉(zhuǎn)框控制中心與后續(xù)幾個動作機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其重量要求嚴(yán)格，并承受著其他各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重力、沖擊等載荷作用，其剛度和強(qiáng)度決定著所設(shè)計的機(jī)器人是否滿足實際作業(yè)要求，所以，對其進(jìn)行靜力學(xué)分析，對其應(yīng)力、應(yīng)變所產(chǎn)生的位置加以了解，可以輔助機(jī)器人伸縮臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到合理的設(shè)計機(jī)構(gòu)。圖3、圖4分別為伸縮臂的應(yīng)變、應(yīng)力云圖。

圖3　伸縮臂應(yīng)變云圖

圖4　伸縮臂應(yīng)力云圖

從圖3可以看出最大變形位移發(fā)在伸縮臂的末端，從圖4可以得出，伸縮臂在極限工況下最大應(yīng)力集中在滑塊與導(dǎo)軌的接觸處。總體來看，結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理，在實際使用中應(yīng)減少極限工況下使用的次數(shù)，延長伸縮臂及整個機(jī)器人的使用壽命。

4 運動學(xué)仿真

在對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、分析后得到各機(jī)構(gòu)部件后，利用SolidWorks三維建模軟件對其進(jìn)行裝配得到機(jī)構(gòu)整體模型。為了確保分析時數(shù)據(jù)的單一性，利用SolidWorks自身所集成的運動學(xué)仿真分析插件SolidworksMotion，并通過定義各運動副的運動形式和驅(qū)動方式、方向等一系列操作來實現(xiàn)整個機(jī)械結(jié)構(gòu)的運動學(xué)仿真；另外，為了減少分析計算量，需對整個裝配體進(jìn)行必要的簡化，去掉對分析影響較小的零部件，同時設(shè)定焊接機(jī)器人從馬鞍形焊縫最低點起焊并順時針旋轉(zhuǎn)焊接一周。為便于觀察分析，這里標(biāo)記焊槍末端一點為點A如圖5所示。

圖5　焊槍末端標(biāo)記點

通過仿真分析可提取到各部件的角位移、角速度等必要的時間曲線圖，對這些數(shù)據(jù)曲線圖進(jìn)行導(dǎo)出并加以后處理，可以得到以下結(jié)論：焊槍和腕部輸出運動相似，速度、位移曲線基本一致；焊槍的運動和升降臂輸入軸的運動基本相同，只是從起焊點到達(dá)焊接最高點后，有小幅的波動，此時是腕部在調(diào)整焊槍的位置姿態(tài)，隨后兩者的運動基本相同；伸縮臂與回轉(zhuǎn)軸的輸出曲線除了在開始調(diào)整起焊點位置時有所差別，以后基本保持不變。綜上，最終得到的焊槍焊接軌跡如圖6所示。

圖6　焊接軌跡曲線

圖6可以得出，焊接機(jī)器人的焊接位置軌跡與焊縫的軌跡相同，該焊接機(jī)器人的設(shè)計滿足焊接要求，可以完成焊接任務(wù)。

5 結(jié)論

對吊卡式插接管接管焊接機(jī)器人作業(yè)對象進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的建立，并依據(jù)模型對機(jī)械結(jié)構(gòu)本體進(jìn)行了設(shè)計，對重要的部件加以靜力學(xué)分析，以及對對整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運動學(xué)仿真和位置仿真。通過以上分析，方便了對吊卡式插接管焊接機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)及運動學(xué)特性等方面的深入了解，從而為馬鞍焊設(shè)備的生產(chǎn)與運動控制奠定了必要的理論基礎(chǔ)。

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【上接第58頁】

圖6　仿真結(jié)果圖

2 結(jié)束語

變電站絕緣設(shè)備水沖洗機(jī)器人可以快速的對變電站的絕緣子進(jìn)行污穢的沖洗，替代人工沖洗的方式[8,9]，提高了效率，大大降低了閃絡(luò)事故的發(fā)生。本文首先采用參數(shù)化方法對水沖洗機(jī)器人的機(jī)械臂進(jìn)行參數(shù)確定，采用加權(quán)因子的方法根據(jù)不同部分的重要性，實現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的確定，然后用輪換坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法求取目標(biāo)參數(shù)，通過MATLAB聯(lián)合仿真確定了運算結(jié)果的可行性。

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作者簡介：康俊峰（1990 -），男，內(nèi)蒙古人，碩士研究生，研究方向為機(jī)器人技術(shù)。

收稿日期：2015-10-10

中圖分類號：TH12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0059-03