基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的五軸攪拌摩擦焊接機(jī)床設(shè)計(jì)

周法權(quán) ，廖佳音 ，林永勇 ，徐曉霞 ，郭立杰 ，張華德 ，李衛(wèi)紅

（1.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245；2.上海航天技術(shù)研究院，上海200245）

0 前言

近年來，攪拌摩擦焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、船舶汽車等行業(yè)。對(duì)于有色金屬材料的連接，攪拌摩擦焊在焊接方法、接頭力學(xué)性能和生產(chǎn)效率等方面都顯示出其他焊接方法無可比擬的優(yōu)越性，是一種高效、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的綠色清潔環(huán)保戰(zhàn)略技術(shù)[1-5]。

傳統(tǒng)的串聯(lián)式攪拌摩擦焊接機(jī)床適用于直縫焊接和較為簡(jiǎn)單的二維平面焊接，串聯(lián)設(shè)備工作空間大，控制簡(jiǎn)單，但同時(shí)響應(yīng)速度慢，剛性較差，誤差傳遞大；對(duì)較為復(fù)雜的二維曲線和空間曲面焊接需求難以滿足。隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)攪拌摩擦焊接設(shè)備的要求也越來越高，并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、精度高、動(dòng)力性能好、多功能且靈活性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)串聯(lián)式攪拌摩擦焊接設(shè)備在大型復(fù)雜空間曲面零件焊接能力的不足。3PRS并聯(lián)結(jié)構(gòu)是一種三自由度的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用于快速組建多坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床[6-7]。在此就串并聯(lián)相結(jié)合的五軸攪拌摩擦焊接機(jī)床的3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1 3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)要求和組成

1.1 3-PRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)要求

攪拌摩擦焊接設(shè)備在焊接過程中主要受焊接頂鍛力和前進(jìn)抗力，設(shè)備要求具有剛性高、承載扭矩大的特點(diǎn)。3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要用于安裝攪拌摩擦焊接設(shè)備主軸機(jī)頭，因此，3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同樣要滿足攪拌摩擦焊接過程中的頂鍛力和前進(jìn)抗力的要求。

本研究設(shè)計(jì)指標(biāo)：以60 kN頂鍛力，40 kN前進(jìn)抗力為受力要求，X/Y向有效行程1 200 mm；Z向分為三個(gè)分支分別為Z1、Z2、Z3，各項(xiàng)分支的有效行程600 mm；主軸S軸旋轉(zhuǎn)速度0～2 000 r/min。設(shè)計(jì)的并聯(lián)系統(tǒng)三維模型如圖1所示。

圖1 并聯(lián)系統(tǒng)三維模型

1.2 3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成

3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理如圖2所示。3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由動(dòng)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)軸、機(jī)架、支撐桿組成。動(dòng)平臺(tái)由三個(gè)并聯(lián)布置的支路共同支撐并驅(qū)動(dòng)，每個(gè)支路由一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸和一個(gè)支撐桿組成，機(jī)架—驅(qū)動(dòng)軸—支撐桿—?jiǎng)悠脚_(tái)之間依次采用移動(dòng)副（P）—回轉(zhuǎn)副（R）—球面副（S）連接。當(dāng)三個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的位置改變時(shí)，動(dòng)平臺(tái)可以獲得一個(gè)移動(dòng)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主機(jī)頭在豎直方向的運(yùn)動(dòng)和機(jī)頭姿態(tài)的調(diào)整。該機(jī)構(gòu)的一個(gè)移動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，分別與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的Z軸、A軸和C軸直接對(duì)應(yīng)，概念上便于直觀理解，運(yùn)動(dòng)學(xué)解耦計(jì)算相對(duì)容易。該機(jī)構(gòu)的支撐桿與驅(qū)動(dòng)軸分離，相比于支撐桿兼做驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)方式，動(dòng)平臺(tái)可以獲得更高的支撐剛度。

2 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭基本結(jié)構(gòu)參數(shù)說明

3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭基本結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：各支路平面布置角B1～B3，動(dòng)平臺(tái)球面副分布半徑r，定平臺(tái)回轉(zhuǎn)副分布半徑R，工具頭位置Th，支撐桿長(zhǎng)度L，回轉(zhuǎn)副外延距離Ts，如圖3所示。

圖2 3-PRS機(jī)構(gòu)原理

圖3 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)要求能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)范圍的要求，使得機(jī)構(gòu)受力性能最優(yōu)，結(jié)構(gòu)緊湊。

2.2 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的影響

（1）各支路平面布置角。

各支路平面布置角定義為支路在XY平面內(nèi)對(duì)稱線方向與X軸正向的夾角。各支路須按120°準(zhǔn)確布置，否則將引入控制模型以外的誤差。

（2）工具頭位置 Th。

該參數(shù)對(duì)各支臂受力的影響如圖4所示，其中Fr為支撐桿軸向力，F(xiàn)t為支撐桿切向力，F(xiàn)為支撐桿所受總力。可見F隨Th的增加而增加，為避免Fr過大，應(yīng)使Th盡可能小。

圖4 Th對(duì)支撐桿受力的影響

（3）動(dòng)平臺(tái)球面副分布半徑r。

該參數(shù)對(duì)各支臂受力的影響如圖5所示，F(xiàn)隨r的增加而減小，但r過大會(huì)使機(jī)構(gòu)尺寸增大，容易受干涉。因而應(yīng)在不產(chǎn)生干涉的條件下，將r取較大數(shù)值。

圖5 r對(duì)支撐桿受力的影響

（4）定平臺(tái)回轉(zhuǎn)副分布半徑R。

該參數(shù)對(duì)各支臂受力的影響如圖6所示，F(xiàn)隨R的增加而增加，故從受力性能和結(jié)構(gòu)緊湊性角度考慮，R均宜取較小數(shù)值。

圖6 R對(duì)支撐桿受力的影響

（5）支撐桿長(zhǎng)度L。

該參數(shù)對(duì)各支臂受力的影響如圖7所示，L對(duì)F的影響不大，為減小支撐桿所受的彎矩并使結(jié)構(gòu)緊湊，L應(yīng)取較小數(shù)值。

圖7 L對(duì)支撐桿受力的影響

（6）回轉(zhuǎn)副外延距離Ts。

該參數(shù)的目的是補(bǔ)償并聯(lián)頭Z方向的移動(dòng)距離，在Z方向行程滿足要求的條件下，該參數(shù)越小越好。

2.3 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選取結(jié)果

根據(jù)上述分析所確定的并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

3 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)范圍確定

3.1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭支路運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成

每個(gè)支路從驅(qū)動(dòng)軸到動(dòng)平臺(tái)共包含一個(gè)移動(dòng)副P和四個(gè)回轉(zhuǎn)副（J1～J4）。支路運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)成如圖8所示。

圖8 支路運(yùn)動(dòng)副的構(gòu)成

表1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2 支路運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)范圍

（1）移動(dòng)副P（絲杠副）。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，全向擺動(dòng)行程為300 mm，將其區(qū)間為：最低點(diǎn)Zrmin=250 mm；最高點(diǎn)Zrmax=550 mm。

對(duì)主軸全向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，得到移動(dòng)副運(yùn)動(dòng)范圍：最低點(diǎn)Pmin=938mm；最高點(diǎn)Pmax=1 538 mm。絲杠的有效行程為：P=Pmax-Pmin=600 mm。

由此可得主軸平動(dòng)可達(dá)行程為600 mm，其區(qū)間為：最低點(diǎn)Zmin=46 mm；最高點(diǎn)Zmax=646 mm。

如圖9所示，其中全向擺動(dòng)行程是指主軸頭實(shí)現(xiàn)全范圍A、C軸擺動(dòng)時(shí)可達(dá)的Z向行程；主軸平動(dòng)可達(dá)行程是指主軸頭保持A軸為0時(shí)可達(dá)的Z向行程。

（2）回轉(zhuǎn)副 J1～J4。

通過對(duì)主軸全姿態(tài)仿真計(jì)算，得各回轉(zhuǎn)副擺動(dòng)范圍如表2所示。

4 結(jié)論

隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)在航天航空等領(lǐng)域越來越廣泛的應(yīng)用，對(duì)攪拌摩擦焊接設(shè)備的大型復(fù)雜工件的焊接能力的需求越來越強(qiáng)烈。根據(jù)攪拌摩擦焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過分析3-PRS并聯(lián)運(yùn)動(dòng)頭基本結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的影響，設(shè)計(jì)研究并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。將并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的串聯(lián)式攪拌摩擦焊接設(shè)備相結(jié)合，剛性高、強(qiáng)度大，能夠適應(yīng)空間復(fù)雜曲面的攪拌摩擦焊接需求。

圖9 各支路平面布置角

表2各回轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動(dòng)范圍

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