焊接機器人的結構設計與分析范文

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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構進行了設計，并用運當今主流的CAD、CAE軟件技術對機器人的關鍵機構進行了分析，保證了結構合理性，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的曲線數據。進一步驗證了卡管式插接管焊接機器人結構設計的合理性、實用性。

關鍵詞：

焊接機器人；數學模型；馬鞍曲線；靜力學分析；運動學仿真

在船舶、石油、電力等眾多領域中，經常會遇到馬鞍形焊縫的問題，而如今重大型裝備生產中多數還是采用人工焊接，不但工作效率低，外觀、質量差，而且對人身體傷害大，因此設計一種結構緊湊、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，改善工作環境，是我國經濟發展的要求，也是工業現代化時代的召喚。

1馬鞍形焊縫的數學模型

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。

2焊接機器人的結構設計

根據制造業裝備工藝的有關知識，將機械結構大致分為：直角坐標、圓柱坐標、極坐標和多關節四種結構類型[1]，本文有機的將直角坐標型和圓柱坐標型兩種結構的優點結合，所設計出的插接管焊接機器人使得該綜合型設備具有結構簡單、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。該機構主要由腰部回轉機構、水平伸縮機構、豎直升降機構和焊槍腕部旋轉機構組成。腰部回轉機構采用齒輪回轉支撐機構，電機驅動主動齒輪繞回轉支撐旋轉，旋轉框帶動橫臂、豎直臂、焊槍等其他裝備做周向運動。橫向伸縮機構主要由齒條、直線滑軌、升降框架等組成。橫向伸縮機構采用的是齒輪齒條—直線滑軌機構傳動，驅動電機帶動小齒輪沿齒條移動，同時配合有直線滑軌實現了伸縮臂的伸縮運動。豎直伸縮機構裝配有腕部可調的焊槍機構，通過齒輪齒條以及導軌滑塊的合理配合，實現了縱向的升降；同時，靈活的腕部結構設計實現了焊槍位置的精確定位，保證了馬鞍焊縫的質量。

3伸縮臂的靜力學分析

由于伸縮臂是連接在回轉框控制中心與后續幾個動作機構的關鍵部件，其重量要求嚴格，并承受著其他各執行機構的重力、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要求，所以，對其進行靜力學分析，對其應力、應變所產生的位置加以了解，可以輔助機器人伸縮臂的結構設計，得到合理的設計機構。圖3、圖4分別為伸縮臂的應變、應力云圖。從圖3可以看出最大變形位移發在伸縮臂的末端，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，結構設計基本合理，在實際使用中應減少極限工況下使用的次數，延長伸縮臂及整個機器人的使用壽命。

4運動學仿真

在對機器人的結構進行設計、分析后得到各機構部件后，利用SolidWorks三維建模軟件對其進行裝配得到機構整體模型。為了確保分析時數據的單一性，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動方式、方向等一系列操作來實現整個機械結構的運動學仿真；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。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，對這些數據曲線圖進行導出并加以后處理，可以得到以下結論：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，此時是腕部在調整焊槍的位置姿態，隨后兩者的運動基本相同；伸縮臂與回轉軸的輸出曲線除了在開始調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結論

對吊卡式插接管接管焊接機器人作業對象進行了數學模型的建立，并依據模型對機械結構本體進行了設計，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構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與運動控制奠定了必要的理論基礎。

參考文獻：

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作者：康俊峰 烏日圖 田紅巖 丁國強 杜宏旺 單位：內蒙古工業大學 機械學院 哈爾濱工程大學 自動化學院