焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的論文
0引言
管道對(duì)接是管道鋪設(shè)過程中一個(gè)重要的工序，它廣泛應(yīng)用于的油氣、天然氣輸送管道等需要兩管對(duì)接的行業(yè)。鑒于現(xiàn)在大直徑管道焊接絕大多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的手工焊接，工作效率低，工作進(jìn)度慢，對(duì)人身傷害大，進(jìn)而設(shè)計(jì)一種適合大直徑、全位置的焊接機(jī)器人對(duì)大直徑管道鋪設(shè)具有代表性的意義[1～3]。
1焊接機(jī)器人組成介紹
焊接機(jī)器人采用了移動(dòng)小車式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶、靈活性好等特點(diǎn)，其三維實(shí)體模型如圖1所示，具有3個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別是周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、軸向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和徑向伸縮機(jī)構(gòu)。周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由車體、鋼帶型軌道、主動(dòng)鏈輪、鏈條和張緊機(jī)構(gòu)等組成。周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用齒輪鏈條機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，齒輪帶動(dòng)鏈條，鏈條和鋼帶的摩擦力促使小車?yán)@驅(qū)動(dòng)方向的反方向運(yùn)動(dòng)。這里的鏈條的外鏈板具有齒鋸，從而增加了鏈條和鋼帶的摩擦度。軸向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、支架等組成。軸向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的是滾珠絲杠—直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，絲桿帶動(dòng)絲母在直線導(dǎo)軌上沿軸向來回?cái)[動(dòng)。徑向伸縮機(jī)構(gòu)就是焊槍調(diào)整架的一部分，主要由齒輪、齒條、支架等組成。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪，齒輪帶動(dòng)齒條徑向升降。
2焊接機(jī)器人的`結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
周向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)大管徑、全位置焊接，以及便于裝卸的關(guān)鍵內(nèi)容。焊接小車是焊接機(jī)器人的主要承載體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2軸向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)
軸向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)是使焊槍實(shí)現(xiàn)在焊道軸向擺動(dòng)焊接的關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.3徑向伸縮機(jī)構(gòu)
徑向伸縮機(jī)構(gòu)是使焊接機(jī)器人實(shí)現(xiàn)適應(yīng)徑向高度（隨著焊道填充疊加）的關(guān)節(jié)，其結(jié)構(gòu)因焊槍而選取，這里就不過多介紹。
3運(yùn)動(dòng)學(xué)干涉分析
大直徑管對(duì)接焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)干涉問題就是：當(dāng)小車環(huán)繞管道作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鏈條和小車車體可能存在干涉的問題。我們先用CAD作出管道和小車的幾何關(guān)系圖，如圖4所示；再找出鏈條和鋼帶以及和主動(dòng)齒輪分度圓的接觸切點(diǎn)，也就是圖8里的C、D兩點(diǎn)；再測(cè)得小車車體和鏈條的垂直距離D。由圖7可以看出來：R值越大，D的值也就越大。當(dāng)管道半徑取最小值（R=170mm）時(shí)，此時(shí)D>0。這就可以得出，無論R取任何值，D都大于0。從而可以得出，鏈條和小車不存在干涉。
4運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
這里對(duì)管徑為400mm，管壁為10mm的圓形管道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。設(shè)定小車的焊接速度為0.14rad/s，軸向擺動(dòng)速度為0，從管道頂端順時(shí)針繞一周。利用Pro/E軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置軌跡和速度曲線，如圖7、圖8所示。圖7可以看出來，焊接機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)（焊槍）的位置軌跡與焊縫的軌跡相同；圖8可以看出，焊接速度起初是一個(gè)啟動(dòng)過程，速度增大到0.14rad/s后，趨于穩(wěn)定，當(dāng)快到頂端時(shí)，開始減速，最后停止。
5結(jié)論
對(duì)大直徑對(duì)接管焊接機(jī)器人進(jìn)行了本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)干涉分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和位置仿真。通過上述分析，有利于對(duì)大直徑對(duì)接管焊接機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性等深入了解，從而為大直徑對(duì)接管焊接機(jī)器人的生產(chǎn)與運(yùn)動(dòng)控制提供了理論依據(jù)。
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