筒體內壁馬鞍焊接機器人焊接系統的設計開發

陳亞維，張 巍

（中原工學院機電學院，河南 鄭州450007）

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筒體內壁馬鞍焊接機器人焊接系統的設計開發

陳亞維，張 巍

（中原工學院機電學院，河南 鄭州450007）

摘要：針對筒體內壁馬鞍焊接設備自動化程度不高問題，進行了筒體內壁馬鞍焊接機器人焊接系統的設計，研發出能自動完成內馬鞍曲線焊接且結構緊湊的“三軸一體”焊接系統，提高了筒體內壁馬鞍焊接機器人的自動化程度及焊接精度。關鍵詞：筒體內壁；馬鞍焊接；三軸一體

在鍋爐、電力、化工、石油等很多行業中，經常遇到筒體與其相應接管焊成的馬鞍形接縫［1］。目前針對外馬鞍焊接技術及焊接設備的研究較多，而對筒體內壁馬鞍焊接的研究相對較少，且筒體外馬鞍焊接機多設計成焊炬在橫梁上運動的結構，使得焊機沿立管直徑方向體積較大，不適于筒體內壁馬鞍焊接，尤其是密排立管［2-3］。故這些內馬鞍接縫一般采用手工焊接或自動化程度較低的焊接裝置焊接，使得筒體內壁馬鞍焊接的效率低下，焊接質量不穩定。為此，專門研制了管子外徑為Φ51 mm與內徑為Φ800 ～Φ2 400 mm筒體正交的內壁馬鞍形管-管全位置自動焊接機器人。

本文重點闡述筒體內壁馬鞍焊接機器人焊接系統的結構設計，且針對筒體內壁空間狹小的特點首次提出“三軸一體”的設計方案。

1　馬鞍焊接特點

1.1馬鞍焊縫特點

接管與筒體兩柱面正交形成一相貫線，為三維空間曲線，在焊接中通常稱之為馬鞍形焊縫。馬鞍形焊縫在水平面投影上為一圓周曲線，高度方向上對于不同的角度θ，存在相應的落差h，稱為馬鞍落差，如圖1所示，上為外馬鞍、下為內馬鞍［4-5］。

圖1　筒體與接管相交示意圖

根據其焊縫特點，滿足馬鞍形焊縫的焊接設備的運動功能應有以下幾點：

（1）焊炬沿焊縫繞立管的回轉運動。

（2）焊炬上下提升以實現馬鞍落差的運動。

（3）焊接時的送絲運動

一個完整的馬鞍焊接運動系統應能同步實現焊炬的回轉、上下往復運動，以及送絲過程，即焊炬能夠在送絲的同時走出相應的馬鞍曲線。

1.2馬鞍曲線方程

如圖1所示，設筒體與接管半徑分別為R和r，并且r＜R，兩圓柱體方程分別為：

x2+y2=r2，y2+z2＝R2則其相貫線方程為：

其中：θ為焊炬繞立管轉角；r為立管半徑；R為橫管半徑；z為焊炬馬鞍落差。

焊炬運動滿足上述方程時，可以形成馬鞍軌跡，實現馬鞍焊接［6］。

2　焊接系統運動分析

2.1技術要求

考慮到作業對象和焊接環境的特殊性，要將焊接機器人能夠替代人工進行焊接，實現馬鞍焊接的自動化作業，需要內壁馬鞍焊接機器人的焊接系統滿足如下要求：

（1）機械結構要緊湊，結構要簡單

機器人需在筒體內部完成焊接，空間狹小，并且接管在筒體上分布較密，因此焊接系統需結構緊湊、簡單。

（2）具有較好的實用性和經濟性

由于焊接機器人是針對目前管焊接存在的問題進行的研發，故所設計的焊接機器人要有好的實用性和較高的性價比。

（3）較高的精度

機器人應具有較高的定位精度，馬鞍曲線軌跡精度，以滿足焊接質量高的要求。

2.2運動分析

本焊接系統具有三個運動：焊炬沿焊縫繞立管的回轉運動、焊炬上下提升以實現馬鞍落差的運動和焊接時的送絲運動。實現三個運動的方案分析：

（1）焊炬沿焊縫繞立管的回轉運動。如圖2所示，采用步進電機帶動齒輪副運動，從動輪通過花鍵與回轉軸連接，使回轉軸在電機的驅動下做回轉運動，可實現焊接過程中焊炬沿焊縫旋轉一周的運動。

圖2　回轉運動簡圖

整個焊機通過定位軸安裝固定在立管上。定位軸前端需通過卡盤裝置將焊機固定在立管上，且卡盤中心要盡可能與立管軸線相重合，以保證焊炬良好的回轉精度。定位軸不可以回轉，為固定軸。

（2）焊炬上下提升以實現馬鞍落差的運動。如圖3所示，步進電機帶動絲杠上的滑塊做上下往復運動，將焊炬安裝在滑塊上，從而實現馬鞍落差運動。

圖3　提升運動簡圖

（3）焊接時的送絲運動。送絲電機驅動主齒輪和主送絲輪旋轉，通過齒輪間的嚙合傳動，將焊絲傳遞到焊接位置。

3　焊接系統結構設計

通過上述分析，設計出將回轉軸、定位軸及絲杠結構高度緊湊的“三軸一體”焊接系統，如圖4所示。該焊接系統由回轉機構、提弧機構及送絲機構組成。

圖4　焊接系統機構示意圖

3.1回轉機構

回轉機構的作用是實現焊炬沿著焊縫做回轉運動。如圖5所示，將定位軸1與電機4同時固定在箱壁上，通過齒輪傳動副帶動回轉軸2繞定位軸1旋轉，將焊炬固定在回轉軸2上，從而實現焊接過程中焊炬沿焊縫的回轉運動。

圖5　回轉機構示意圖

3.2提弧機構

提弧機構的作用是實現焊接過程中焊炬的馬鞍落差補償，即焊炬的上下運動。如圖6所示，固定在回轉軸2上的電機1，帶動絲杠3轉動，焊炬固定在螺母4上，由此實現焊炬隨回轉軸做回轉運動的同時完成馬鞍落差補償。

圖6　提升機構示意圖

提弧機構中焊炬馬鞍落差z，需根據焊炬回轉角度來確定，由式2已知馬鞍落差方程為：

若令i=r/R，成為筒徑比。設主軸的轉速為v，其轉角θ，則轉角隨時間t的變化為

焊炬的回轉運動數學模型可表示為

x2+y2=r2

焊炬上下往復運動隨時間t的變化的數學模型也可表示為

3.3送絲機構

送絲機構一般可以分成為兩輪送絲和四輪送絲機構，由于受到整體空間限制，焊接系統將采用兩輪推式送絲機構。主要由送絲電機、壓緊機構、焊絲導向管等組成。送絲電機驅動主送絲輪和主齒輪旋轉，通過主動齒輪和從動齒輪嚙合傳到壓緊輪上，焊絲經過導向管在兩輪之間通過，使進入焊炬的焊絲比較直，在焊接的過程中不會發生卡絲現象。如圖7所示。

圖7　送絲機構示意圖

4　結束語

綜上分析得出：

（1）所研制的筒體內壁馬鞍焊接機器人焊接系統，取代了內馬鞍手工焊接，且結構簡單、成本低，焊接質量穩定且焊縫美觀，有較好的市場前景。

（2）焊接系統采用“三軸一體”緊湊型結構設計，大大縮小了沿立管直徑上的體積，適于筒體內壁狹小空間下的焊接，尤其對密排立管，效果更加明顯。

（3）該焊接系統同樣適用于密排立管的外馬鞍管—管焊接技術上。

參考文獻：

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［3］杜洪旺.接管焊接機器人關鍵技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［4］薛龍，鄒勇，曹瑩瑜，等.基于軌道焊接機器人的馬鞍形焊縫焊接技術研究［J］.電焊機，2010，40（1）：19-23.

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［9］胡中華，陳煥明，熊震宇，等.弧焊機器人馬鞍形工件焊槍姿態規劃研究［J］.設計與研究，2007，（04）：11-13.

Design and Development of Welding System of Saddle Welding Robot for Inner Plate

CHEN Ya-wei，ZHANG Wei
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou Henan 450007，China）

Abstract：Aiming at the problem that the welding automation is not high in the inner plate of the barrel body，design welding system of saddle welding robot for inner plate.Developed to complete the welding system of three axes together that can weld of saddle curve automatically and have a compact structure，improve the degree of automation of saddle welding robot of inner plate barrel body and precision of welding.

Key words：inner plate of barrel body；saddle weld；three axis together

中圖分類號：TG44

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0059-04

收稿日期：2015-12-30

作者簡介：陳亞維（1962-），女，河南鄭州人，教授，碩士生導師，研究方向：機械制造及其自動化。