卡管式插接管焊接机器人的结构设计与分析

The design and analysis of the structure of the card inserted pipe welding robot

康俊峰1，乌日图1，田红岩1，丁国强1，杜宏旺2

KANG Jun-feng1, WU Ri-tu1, TIAN Hong-yan1, DING Guo-qiang1, DU Hong-wang2

（1.内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051；2.哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001）



卡管式插接管焊接机器人的结构设计与分析

The design and analysis of the structure of the card inserted pipe welding robot

康俊峰1，乌日图1，田红岩1，丁国强1，杜宏旺2

KANG Jun-feng1, WU Ri-tu1, TIAN Hong-yan1, DING Guo-qiang1, DU Hong-wang2

（1.内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051；2.哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001）

摘 要：通过对马鞍形空间曲线的研究，设计了一种适用于主、支管管道插接的卡管式焊接机器人。由马鞍形焊缝的数学模型入手，描述了焊接机器人的组成及运动关系，对焊接机器人的主体机械结构进行了设计，并用运当今主流的CAD、CAE软件技术对机器人的关键机构进行了分析，保证了结构合理性，从而为机器人运动学仿真奠定了基础。然后对所设计的机器人进行运动学仿真，从而得出具有指导实际生产的曲线数据。进一步验证了卡管式插接管焊接机器人结构设计的合理性、实用性。

关键词：焊接机器人；数学模型；马鞍曲线；静力学分析；运动学仿真

0 引言

在船舶、石油、电力等众多领域中，经常会遇到马鞍形焊缝的问题，而如今重大型装备生产中多数还是采用人工焊接，不但工作效率低，外观、质量差，而且对人身体伤害大，因此设计一种结构紧凑、焊接方法多样，焊接精度高的通用性焊接机器人来解放工人劳动强度，改善工作环境，是我国经济发展的要求，也是工业现代化时代的召唤。

1 马鞍形焊缝的数学模型

马鞍形焊缝就是管与管之间以正交、斜交等方式连接时产生的相贯线，是一条三维的空间曲线。其在水平面上的投影是个圆，随着角度的变化，他在高度方向上的落差h也随之发生改变，这个落差被称为马鞍落差。为便于建模计算，本文针对正斜交马鞍焊缝建立模型，如图1所示。

其中：

h为马鞍落差；

R为主管半径；

r为支管半径；

θ为斜交相惯角；

α为支管转角；

β为主管转角的余角；

联立式(1)～式(4)可解得：

图1　正斜交马鞍形焊缝

2 焊接机器人的结构设计

根据制造业装备工艺的有关知识，将机械结构大致分为：直角坐标、圆柱坐标、极坐标和多关节四种结构类型[1]，本文有机的将直角坐标型和圆柱坐标型两种结构的优点结合，所设计出的插接管焊接机器人使得该综合型设备具有结构简单、紧凑，方便携带、灵活性好、刚度、精度高等特点，其模型如图2所示。

该机构主要由腰部回转机构、水平伸缩机构、竖直升降机构和焊枪腕部旋转机构组成。腰部回转机构采用齿轮回转支撑机构，电机驱动主动齿轮绕回转支撑旋转，旋转框带动横臂、竖直臂、焊枪等其他装备做周向运动。

图2　焊接机器人结构

横向伸缩机构主要由齿条、直线滑轨、升降框架等组成。横向伸缩机构采用的是齿轮齿条—直线滑轨机构传动，驱动电机带动小齿轮沿齿条移动，同时配合有直线滑轨实现了伸缩臂的伸缩运动。

竖直伸缩机构装配有腕部可调的焊枪机构，通过齿轮齿条以及导轨滑块的合理配合，实现了纵向的升降；同时，灵活的腕部结构设计实现了焊枪位置的精确定位，保证了马鞍焊缝的质量。

3 伸缩臂的静力学分析

由于伸缩臂是连接在回转框控制中心与后续几个动作机构的关键部件，其重量要求严格，并承受着其他各执行机构的重力、冲击等载荷作用，其刚度和强度决定着所设计的机器人是否满足实际作业要求，所以，对其进行静力学分析，对其应力、应变所产生的位置加以了解，可以辅助机器人伸缩臂的结构设计，得到合理的设计机构。图3、图4分别为伸缩臂的应变、应力云图。

图3　伸缩臂应变云图

图4　伸缩臂应力云图

从图3可以看出最大变形位移发在伸缩臂的末端，从图4可以得出，伸缩臂在极限工况下最大应力集中在滑块与导轨的接触处。总体来看，结构设计基本合理，在实际使用中应减少极限工况下使用的次数，延长伸缩臂及整个机器人的使用寿命。

4 运动学仿真

在对机器人的结构进行设计、分析后得到各机构部件后，利用SolidWorks三维建模软件对其进行装配得到机构整体模型。为了确保分析时数据的单一性，利用SolidWorks自身所集成的运动学仿真分析插件SolidworksMotion，并通过定义各运动副的运动形式和驱动方式、方向等一系列操作来实现整个机械结构的运动学仿真；另外，为了减少分析计算量，需对整个装配体进行必要的简化，去掉对分析影响较小的零部件，同时设定焊接机器人从马鞍形焊缝最低点起焊并顺时针旋转焊接一周。为便于观察分析，这里标记焊枪末端一点为点A如图5所示。

图5　焊枪末端标记点

通过仿真分析可提取到各部件的角位移、角速度等必要的时间曲线图，对这些数据曲线图进行导出并加以后处理，可以得到以下结论：焊枪和腕部输出运动相似，速度、位移曲线基本一致；焊枪的运动和升降臂输入轴的运动基本相同，只是从起焊点到达焊接最高点后，有小幅的波动，此时是腕部在调整焊枪的位置姿态，随后两者的运动基本相同；伸缩臂与回转轴的输出曲线除了在开始调整起焊点位置时有所差别，以后基本保持不变。综上，最终得到的焊枪焊接轨迹如图6所示。

图6　焊接轨迹曲线

图6可以得出，焊接机器人的焊接位置轨迹与焊缝的轨迹相同，该焊接机器人的设计满足焊接要求，可以完成焊接任务。

5 结论

对吊卡式插接管接管焊接机器人作业对象进行了数学模型的建立，并依据模型对机械结构本体进行了设计，对重要的部件加以静力学分析，以及对对整体机构进行了运动学仿真和位置仿真。通过以上分析，方便了对吊卡式插接管焊接机器人的本体结构及运动学特性等方面的深入了解，从而为马鞍焊设备的生产与运动控制奠定了必要的理论基础。

参考文献：

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[8] 陈超祥,胡其登.SolidWorks Motion运动仿真教程[M].北京:机械工业出版社,214,6.

【上接第58页】

图6　仿真结果图

2 结束语

变电站绝缘设备水冲洗机器人可以快速的对变电站的绝缘子进行污秽的冲洗，替代人工冲洗的方式[8,9]，提高了效率，大大降低了闪络事故的发生。本文首先采用参数化方法对水冲洗机器人的机械臂进行参数确定，采用加权因子的方法根据不同部分的重要性，实现目标函数的确定，然后用轮换坐标转换法求取目标参数，通过MATLAB联合仿真确定了运算结果的可行性。

[1] 关志成.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京:清华大学出版社,2006:88.

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[3] 肖娟,鲁守银,刘存根,于蕾.变电站水冲洗机器人运动控制系统设计[J].济南大学学报.2015(01).

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[9] 鲁守银,刘珍娜,刘金存.基于任务流的带电作业机器人控制系统[J].制造业自动化.2013(23):24-27.

作者简介：康俊峰（1990 -），男，内蒙古人，硕士研究生，研究方向为机器人技术。

收稿日期：2015-10-10

中图分类号：TH12

文献标识码：A

文章编号：1009-0134(2016)01-0059-03