卡管式插接管焊接機器人的結(jié)構(gòu)設計與分析

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 機械學院，呼和浩特 010051；2.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001）

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卡管式插接管焊接機器人的結(jié)構(gòu)設計與分析

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 機械學院，呼和浩特 010051；2.哈爾濱工程大學 自動化學院，哈爾濱 150001）

摘 要：通過對馬鞍形空間曲線的研究，設計了一種適用于主、支管管道插接的卡管式焊接機器人。由馬鞍形焊縫的數(shù)學模型入手，描述了焊接機器人的組成及運動關系，對焊接機器人的主體機械結(jié)構(gòu)進行了設計，并用運當今主流的CAD、CAE軟件技術(shù)對機器人的關鍵機構(gòu)進行了分析，保證了結(jié)構(gòu)合理性，從而為機器人運動學仿真奠定了基礎。然后對所設計的機器人進行運動學仿真，從而得出具有指導實際生產(chǎn)的曲線數(shù)據(jù)。進一步驗證了卡管式插接管焊接機器人結(jié)構(gòu)設計的合理性、實用性。

關鍵詞：焊接機器人；數(shù)學模型；馬鞍曲線；靜力學分析；運動學仿真

0 引言

在船舶、石油、電力等眾多領域中，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器人來解放工人勞動強度，改善工作環(huán)境，是我國經(jīng)濟發(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 焊接機器人的結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)制造業(yè)裝備工藝的有關知識，將機械結(jié)構(gòu)大致分為：直角坐標、圓柱坐標、極坐標和多關節(jié)四種結(jié)構(gòu)類型[1]，本文有機的將直角坐標型和圓柱坐標型兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點結(jié)合，所設計出的插接管焊接機器人使得該綜合型設備具有結(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。

該機構(gòu)主要由腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)、水平伸縮機構(gòu)、豎直升降機構(gòu)和焊槍腕部旋轉(zhuǎn)機構(gòu)組成。腰部回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用齒輪回轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)，電機驅(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　焊接機器人結(jié)構(gòu)

橫向伸縮機構(gòu)主要由齒條、直線滑軌、升降框架等組成。橫向伸縮機構(gòu)采用的是齒輪齒條—直線滑軌機構(gòu)傳動，驅(qū)動電機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。

豎直伸縮機構(gòu)裝配有腕部可調(diào)的焊槍機構(gòu)，通過齒輪齒條以及導軌滑塊的合理配合，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)幾個動作機構(gòu)的關鍵部件，其重量要求嚴格，并承受著其他各執(zhí)行機構(gòu)的重力、沖擊等載荷作用，其剛度和強度決定著所設計的機器人是否滿足實際作業(yè)要求，所以，對其進行靜力學分析，對其應力、應變所產(chǎn)生的位置加以了解，可以輔助機器人伸縮臂的結(jié)構(gòu)設計，得到合理的設計機構(gòu)。圖3、圖4分別為伸縮臂的應變、應力云圖。

圖3　伸縮臂應變云圖

圖4　伸縮臂應力云圖

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力集中在滑塊與導軌的接觸處。總體來看，結(jié)構(gòu)設計基本合理，在實際使用中應減少極限工況下使用的次數(shù)，延長伸縮臂及整個機器人的使用壽命。

4 運動學仿真

在對機器人的結(jié)構(gòu)進行設計、分析后得到各機構(gòu)部件后，利用SolidWorks三維建模軟件對其進行裝配得到機構(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)整個機械結(jié)構(gòu)的運動學仿真；另外，為了減少分析計算量，需對整個裝配體進行必要的簡化，去掉對分析影響較小的零部件，同時設定焊接機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，這里標記焊槍末端一點為點A如圖5所示。

圖5　焊槍末端標記點

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)曲線圖進行導出并加以后處理，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，焊接機器人的焊接位置軌跡與焊縫的軌跡相同，該焊接機器人的設計滿足焊接要求，可以完成焊接任務。

5 結(jié)論

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

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【上接第58頁】

圖6　仿真結(jié)果圖

2 結(jié)束語

變電站絕緣設備水沖洗機器人可以快速的對變電站的絕緣子進行污穢的沖洗，替代人工沖洗的方式[8,9]，提高了效率，大大降低了閃絡事故的發(fā)生。本文首先采用參數(shù)化方法對水沖洗機器人的機械臂進行參數(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)目標函數(shù)的確定，然后用輪換坐標轉(zhuǎn)換法求取目標參數(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，研究方向為機器人技術(shù)。

收稿日期：2015-10-10

中圖分類號：TH12

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0059-03