焊接機械臂結構設計研究

何成文

（太原市科技評估中心，山西 太原 034000）

引言

隨著工業機器人行業的不斷發展，工業機器人的應用已普及到各行各業。在一些工作環境十分惡劣，且需連續不斷提供焊接作業的工作場所，人力提供焊接較為困難，焊接機器人成為解決這一問題的主力軍。焊接機器人可以在惡劣的工作環境下提供連續不斷的焊接作業，降低工作生產風險，同時焊接機器人由于程序化的設置，可進行流程化作業，提供持續穩定的高質量焊接作業，可降低人員要求與成本預算。本文擬針對日常焊接作業中常見焊縫，針對性設計出一臺焊接機械臂，并進行相應的動力學仿真分析，以期對企業焊接技術發展有所幫助。

1 焊接機械臂功能設計分析

在日常焊接作業中，對于直線型的鋼板焊縫以及直角或非直角類的鋼管相交的相貫線焊縫采用人工焊接方法存在困難。本文擬針對該類焊縫設計出一臺專用小型焊接機械臂，以滿足企業日常生產需求，其焊接的對象如圖1 所示。

圖1 焊接機械臂焊接對象示意圖

在功能方面，由于機械臂的主要功能為實現工作對象的焊接作業，故焊接功能必不可少；同時，焊接機械臂需依據焊縫的位置不斷輸入信號變換焊槍位置，從而形成特定軌跡，完成焊接作業，故焊接機械臂也應具有定位功能，完成焊接作業。在性能方面，焊接機械臂需滿足工作空間、負載以及焊接速度的要求。其中，負載主要是焊接作業時機械臂的慣性力以及自重；速度要求需符合焊接工藝，與焊接的作業方式相匹配[1-2]。

2 焊接機械臂結構設計研究

焊接機械臂能否完美完成設定的焊接作業任務，其中最關鍵的因素是焊接機械臂結構形態設計是否合理，其對機械臂運動方式和運動軌跡的控制至關重要。在機械臂結構設計中，除了需考慮焊接任務需求外，還應對機械臂的經濟性、可靠性以及高效性進行考慮。

2.1 結構部件設計選型

2.1.1 驅動方式

驅動設備是焊接機械臂的主要動力來源。傳統的驅動設備主要分為液壓、氣壓以及電機三種驅動方式。由上述需求分析可知，焊接機械臂的設計需滿足精準的定位需求及其相應的力學負載能力，定位精度主要用于平面定位，載荷主要由兩個關節進行承受，這就要求驅動設備需滿足高精度且設備運行需靈敏，故本設計擬選用交流伺服電動機中的步進電機。

2.1.2 傳動方式

機械臂的傳動一般有齒輪傳動、行星輪傳動、齒輪齒條傳動和諧波傳動等傳動方式。大小臂由于需承受載荷，故選用推力圓錐滾子軸承加行星減速器的組合。大臂與小臂之間選用齒輪傳動，可為后續的使用提供方便。末端執行機構需在Z 軸方向直線與旋轉運動，同時該機構要求質量要輕，結構需緊湊，故本文進行了如下頁圖2 所示的設計。其中，大小臂電機選擇三菱的交流伺服電機HF-KN23（B）J-S100，減速器選擇上海柯雄FBR60-70-S2-P1。

圖2 傳統系統設計示意圖

2.1.3 機械臂大小臂結構設計

機械臂的大臂與小臂為焊接機械人的主要執行機構，該部位運動多、受力復雜且承受載荷較大，在運行過程中需承受較大的慣性力和震動沖擊，極易發生損壞，故該部位設計時首先應具有較高的剛性強度，同時部件本身質量應較輕，以達到反應快、加速好、運行穩、定位準、強度大、承載力強等性能目標。

機械臂大臂設計為旋轉關節串聯，第一個關節設計為行星式，可使機械臂大臂運行靈活，同時伸出軸具有行星架，可使兩軸拉緊增強剛性，保證大臂穩定運行。第二關節使用電機驅動小臂軸，可通過齒輪傳動使小臂實現旋轉。機械臂小臂豎直移動設計為蝸輪蝸桿減速電機驅動，通過齒輪齒條傳動實現。其中，齒條在立軸之上，齒輪傳動與電機在上臂上。立軸內設計內轉軸，使結構更加緊湊，減輕重量。內轉軸下方設置擺動機構，各部件轉動、升降設置獨立的電動機進行驅動。

2.2 總體結構設計方案

通過上述對焊接機械臂進行分析后，可對焊接機械臂進行整體結構設計。機械臂具體可分為基座、大臂、小臂等，部件由4 個轉動關節和1 個移動關節連接。大臂采用螺栓連接與基座連接，可在基座軸平面內自由轉動，小臂與大臂立軸連接，可在立軸平面內旋轉，小臂外設升降立軸，立軸設內轉軸，內轉軸鉸接腕部擺動機構，實現焊槍的靈活動作。其具體的結構設計示意圖如圖3 所示。為降低研發與制造成本，縮短設計研發期限，本設計所使用部件盡量選用標準件，以降低成本，提高效率。

圖3 焊接機械臂總體結構設計示意圖

3 機械臂動力仿真分析

由于機械臂所設計的焊接對象為直線焊縫與相貫線焊縫，故本文擬采用ADAMS 軟件分別對兩種焊縫進行動力學仿真分析，其末端軌跡示意圖如圖4 所示。

圖4 動力學末端軌跡示意圖

對仿真數據分析后可知，機械臂大小臂的旋轉角度、角速度、加速度、力矩在運行過程中變化平穩，未出現較大波動現象；焊接過程較為平滑，符合焊接工藝要求。由于大臂與小臂為整個焊接機械臂中載荷承受的關鍵點，故對大臂與小臂進行了力矩分析。運用ADAMS 分析可知，大臂關節所受最大關節力矩為39 N·m，小臂的最大關節力矩為51 N·m，大臂驅動所選用的電動機型號為HF-KN23(B)J-S100,小臂選用的電動機型號為HF-KJ13(B)J-S100，其額定力矩分別為134.4 N·m、64 N·m，最大力矩分別為420 N·m、200 N·m，大小臂關節力矩均符合電機設置，故該機械臂設計符合實際使用要求[3-5]。

4 結論

1）焊接機械臂主要針對直線焊縫與相貫線焊縫；在功能方面，需有焊接功能和定位功能；在性能方面，焊接機械臂需滿足工作空間、負載以及焊接速度的要求。

2）依據焊接機械臂的使用需求，設計出了機械臂的整體結構方案，并對其進行了相應的結構力學仿真分析。

3）經力學仿真分析后發現，機械臂大小臂的旋轉角度、角速度、加速度、力矩運行變化平穩；臂關節所受最大關節力矩為39 N·m，小臂的最大關節力矩為51 N·m，所選電動機額定力矩分別為134.4 N·m、64 N·m，最大力矩分別為420 N·m、200 N·m，大小臂關節力矩均符合電機設置，各節點力矩符合要求。