楊 濤，魏 敏，薛良豪，盧永鑫，李增民

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003; 2.天業(yè)匯能工業(yè)設備安裝有限公司，新疆 石河子 832000)

0 引 言

在重型壓力容器的生產(chǎn)制造中,如石油、化工裝備中各種高溫高壓反應器以及大型鍋爐，經(jīng)常會遇到筒體與接管所形成的馬鞍形焊縫焊接作業(yè)[1]。對于這類復雜空間曲線焊縫的焊接，目前企業(yè)通常采用手工電弧焊進行焊接，手工電弧焊焊接效率低、勞動強度大、對焊工的焊接技術水平要求較高，且焊后一致性差，廢品率也高[2-3]。國外企業(yè)大多采用關節(jié)式焊接機器人對重型壓力容器馬鞍形焊縫進行焊接，雖然焊接效率高、焊接質量穩(wěn)定，但關節(jié)式焊接機器人焊接系統(tǒng)復雜、體積大、成本較高,而且目前國內市場上的馬鞍形焊縫焊接機器人大多只適用于中小型規(guī)格壓力容器馬鞍形焊縫的焊接[4-5]。因此，筆者針對馬鞍形焊縫空間曲線特點，設計了一種適用于重型壓力容器馬鞍形焊縫焊接的焊接機器人，對于推動重型壓力容器馬鞍形焊縫焊接自動化、縮短重型壓力容器制造周期、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

1 馬鞍形焊縫數(shù)學模型的建立

按照接管與筒體相交位置不同，接管與筒體的分布形式主要分為正交、正交偏置和斜交、斜交偏置四類[6]，以典型的接管與筒體正交所形成的馬鞍形焊縫為研究對象，如圖1所示。接管與筒體正交所形成的曲線是典型的馬鞍形曲線，其在水平面上的投影為一圓周曲線，在z軸方向上對應著不同的角度θ，并存在著相應落差h，通常被稱為馬鞍落差[7-8]，如圖2所示。

圖1 接管與筒體正交模型 圖 圖2 馬鞍形焊縫示意圖

由圖2所示馬鞍形焊縫示意圖。筒體半徑為R，接管半徑為r，以筒體軸線作為x軸，接管軸線作為z軸，兩軸線相交點作為坐標原點，則可知相貫線方程：

(1)

由式(1)得接管與殼體所形成相貫線參數(shù)方程：

(2)

式中：r為接管半徑，mm；R為殼體半徑，mm；θ為焊槍從焊接起始位置旋轉角度，(°)。

由圖1、圖2分析得出馬鞍形焊縫的焊接技術難點主要表現(xiàn)在兩個方面：焊縫各個位置具有不同焊縫角度以及各個位置馬鞍落差不同[9]，這給機器人的焊接作業(yè)帶來不小難度。通過馬鞍形焊縫數(shù)學模型的建立，為焊接機器人總體機構的設計與虛擬樣機運動學仿真提供了理論依據(jù)。

2 焊接機器人機構組成與工作原理

2.1 焊接機器人機構組成

根據(jù)馬鞍形焊縫曲線特點以及馬鞍形焊縫焊接工藝要求，焊接機器人機構主要有十字懸掛移動機構、升降定位機構、機身回轉機構、焊槍調整機構等組成，如圖3所示。通過各機構之間協(xié)調運動實現(xiàn)重型壓力容器馬鞍形焊縫焊接作業(yè)。

圖3 焊接機器人本體機構組成1.焊槍 2.焊槍調整機構 3.升降定位機構 4.十字懸掛移動機構 5.升降橫梁平臺 6. 機身回轉機構 7. 氣動三爪卡盤

2.2 焊接機器人工作原理

焊接作業(yè)前，將壓力容器筒體置于焊接機器人工作范圍內，根據(jù)壓力容器筒體與接管規(guī)格，利用氣動三爪卡盤將接管卡緊，將升降橫梁平臺上的焊接機器人升降至合適高度；利用十字懸掛移動機構、升降定位機構完成接管與筒體馬鞍形坡口的裝配；利用機身回轉機構、焊槍調整機構之間的協(xié)調運動，完成馬鞍形焊縫焊接作業(yè)。

3 焊接機器人機構設計

3.1 十字懸掛移動機構

十字懸掛移動機構通過電機驅動滾珠絲杠，在直線導軌的共同配合下，實現(xiàn)機器人在升降橫梁平臺上的徑向和橫向運動，完成焊接機器人對重型壓力容器馬鞍形焊縫焊接作業(yè)前接管與馬鞍形坡口坐標中心定位，其機構如圖4所示。

圖4 十字懸掛移動機構組成1.滾珠絲杠 2.絲母 3.滑動光杠支撐座 4.滑動光杠 5.驅動電機Ⅰ 6.保持架 7.驅動電機Ⅱ 8.直線導軌

3.2 升降定位機構

升降定位機構通過電機驅動卡盤轉軸旋轉，實現(xiàn)夾持在氣動三爪卡盤上的接管旋轉，在薄型氣缸下壓動作的配合下，實現(xiàn)接管與馬鞍形坡口的裝配，其機構如圖5所示。

圖5 升降定位機構組成

3.3 機身回轉機構

機身回轉機構通過電機驅動小帶輪與電機驅動滾珠絲杠實現(xiàn)焊槍在馬鞍形焊縫焊接過程中焊槍的回轉運動以及在x軸、y軸平面的徑向運動，其組成結構如圖6所示。

3.4 焊槍調整機構

焊槍調整機構通過電機驅動帶輪傳動，在直線導軌的配合運動下，實現(xiàn)焊槍在z軸方向的直線插補運動；通過電機驅動轉軸運動實現(xiàn)焊槍位姿角度的調節(jié)。其組成結構如圖7所示。

圖6 機身回轉機構組成1.支撐座 2.滑動光杠 3.保持板 4.驅動電機Ⅰ 5.支撐板Ⅰ 6.滾珠絲杠 7.絲母 8. 驅動電機Ⅱ 9.小帶輪

圖7 焊槍調整機構組成1.焊槍 2.轉軸 3.驅動電機I 4.驅動電機Ⅱ 5.同步帶輪 6.滾珠絲杠 7.絲母

焊接機器人通過各機構的協(xié)調運動實現(xiàn)重型壓力容器馬鞍形焊縫的焊接，具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 焊接機器人各項性能參數(shù)

4 焊接機器人運動學仿真分析

4.1 機器人結構的簡化與模型的建立

由于該機器人結構復雜、零件多，為了保證仿真優(yōu)化精度，減少約束定義，對機器人結構進行了簡化，只保留機器人焊接作業(yè)時的運動機構，利用Solidworks軟件建立好簡化的幾何模型，通過Adams提供的軟件接口，將三維模型轉換成Parasolid(x_t)格式，導入Adams軟件[10-11]。這里對筒體直徑為2 282 mm與接管直徑為398 mm所形成的馬鞍形焊縫進行運動學仿真，約束定義與焊槍仿真運行軌跡，如圖8所示。

圖8 約束定義與焊槍仿真運行軌跡

4.2 仿真結果與分析

對機器人運動仿真后，利用Adams/Post Processor后處理模塊，對焊槍末端運行軌跡進行分析，分析結果如圖9所示。

圖9 焊槍末端運動位移曲線

由圖9可以看出紅色、藍色、粉色曲線分別為焊槍末端標定點在x、y、z軸隨時間位移運行軌跡，焊槍末端標定點在x、y軸方向位移運行軌跡為一圓周曲線，符合馬鞍形焊縫數(shù)學模型，而焊槍末端標定點在z軸方向運行軌跡應為類似于正弦曲線的軌跡，由圖9可以看出焊槍末端標定點在z軸方向運行軌跡有所偏差，經(jīng)過分析是由于插補算法精度低造成的，后續(xù)進行改進。焊接機器人的運動學仿真為機器人機構與控制算法優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。

圖10 焊接機器人焊接試驗

5 馬鞍形焊縫焊接機器人試驗

對機器人進行優(yōu)化改進后，2018年6月在天業(yè)匯能工業(yè)設備安裝有限公司進行壓力容器馬鞍形焊縫焊接試驗。試驗結果表明，通過分析和優(yōu)化后的焊接機器人在焊接作業(yè)時運行更加平穩(wěn)，焊縫合格率達到98%，可以較好的滿足壓力容器馬鞍形焊縫焊接作業(yè)，如圖10所示。

6 結 語

對重型壓力容器馬鞍形焊縫焊接機器人進行了馬鞍形焊縫數(shù)學模型的建立、本體機構的設計、運動學仿真以及焊接試驗。通過上述分析和研究，有利于對重型壓力容器馬鞍形焊縫焊接機器人的機構設計、運動學特性等有更加深層次的了解，為重型壓力容器馬鞍形焊縫焊接機器的生產(chǎn)制造和控制系統(tǒng)的設計及選擇提供了重要的理論依據(jù)。