90°彎管內(nèi)壁堆焊機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析

孟 帥，賀利樂，郭明玄，劉佳敏，馮云堂

（1.西安建筑科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710055；2.中山市春興建筑科技有限公司，中山 528400）

90°彎管作為管道中的特殊結(jié)構(gòu)之一，其內(nèi)壁一旦發(fā)生磨損就會(huì)造成不可估量的損失，甚至發(fā)生重大事故，對(duì)人身安全造成威脅。堆焊是減少其內(nèi)壁磨損最有效的方法，主要的加工方法有2種：一是彎管分段堆焊，即將90°彎管分成3段，完成其內(nèi)壁堆焊之后再進(jìn)行拼焊；二是彎管整體堆焊，采用專用堆焊機(jī)器人進(jìn)行彎管內(nèi)壁的整體堆焊。前者制造工序煩瑣，生產(chǎn)周期長，質(zhì)量不易保證。

近年來，國內(nèi)已有部分單位如哈焊所、中國一重、唐山開元等開發(fā)了針對(duì)90°彎管內(nèi)壁堆焊的專用焊接設(shè)備，取得一定成效，然而設(shè)備的自動(dòng)化程度不夠高，尚存在生產(chǎn)缺陷，嚴(yán)重影響堆焊設(shè)備的實(shí)用性[1]。而國外的堆焊機(jī)器人大多采用串并混合的聯(lián)式結(jié)構(gòu)，需要使用精密的控制系統(tǒng)才能進(jìn)行工作，且運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，制造和維修使用都比較困難。

90°彎管堆焊機(jī)器人本體——機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，有串聯(lián)形式、并聯(lián)形式、混合形式。并聯(lián)和混合形式的機(jī)械臂都存在運(yùn)動(dòng)過程復(fù)雜，各個(gè)部件不易實(shí)現(xiàn)控制的缺陷。串聯(lián)形式的90°彎管堆焊機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)緊湊靈活、工作范圍大等突出優(yōu)點(diǎn)。考慮90°彎管堆焊機(jī)械臂的實(shí)際工況，并借鑒實(shí)際生產(chǎn)中直管堆焊機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式，文中所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂采用串聯(lián)形式。根據(jù)90°彎管內(nèi)壁堆焊的工藝要求，提出了由支撐裝置的運(yùn)行軌跡出發(fā)對(duì)90°彎管內(nèi)壁堆焊機(jī)械臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析[2]。

1 90°彎管內(nèi)壁堆焊支撐裝置

1.1 支撐裝置

90°彎管內(nèi)壁堆焊支撐裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。支撐裝置固定在基座上，基座的兩側(cè)分別設(shè)置有工件支撐裝置、堆焊機(jī)械臂。工件支撐裝置安裝有可旋轉(zhuǎn)的L形板，其上設(shè)置了工件翻轉(zhuǎn)變位機(jī)。用于固定工件的夾具總成安裝在工件掉頭變位機(jī)上。

圖1 支撐裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of support device structure

該支撐裝置共有3個(gè)自由度：①工件繞回轉(zhuǎn)變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其回轉(zhuǎn)范圍為±360°；②工件在變位機(jī)上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其回轉(zhuǎn)范圍為±180°；③工件繞翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其工作范圍為±90°。要實(shí)施90°彎管內(nèi)壁的整體堆焊，彎管在裝夾完畢后，需要先繞工件翻轉(zhuǎn)變位機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，將彎管待堆焊部位調(diào)整到與工件回轉(zhuǎn)變位機(jī)平行的位姿，然后由電機(jī)帶動(dòng)工件回轉(zhuǎn)變位機(jī)以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)焊接機(jī)械臂末端應(yīng)隨著支撐裝置一起在彎管內(nèi)端面行走，直至完成90°彎管的所有堆焊。

1.2 堆焊機(jī)械臂工作軌跡的要求

由于90°彎管的內(nèi)外徑長度不一，考慮到支撐裝置特殊的支撐形式，堆焊機(jī)械臂焊槍末端的軌跡為一系列規(guī)則圓與不規(guī)則圓相間排列的圓形序列[3]，如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂焊槍末端軌跡示意Fig.2 Schematic diagram of end track of mechanical arm welding gun

2 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)分析

2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)支撐變位機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況，文中設(shè)計(jì)了一款專用機(jī)械臂與之配合。該機(jī)械臂為直角坐標(biāo)型，由底座、滑動(dòng)臂、升降臂、調(diào)整臂以及焊槍5個(gè)部件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。其中，底座下端有滑槽，可以實(shí)現(xiàn)焊槍在平焊位置一個(gè)方向上的調(diào)整；在滑動(dòng)臂下端同樣設(shè)計(jì)有滑槽，可以實(shí)現(xiàn)焊槍在平焊位置另一方向上的調(diào)整；升降臂可以在垂直方向上進(jìn)行滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)焊槍在垂直方向上的調(diào)整；調(diào)整臂可以在135°～225°之間進(jìn)行旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)焊槍的調(diào)整；焊槍可以在45°～160°之間旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)焊槍位姿的調(diào)整。

圖3 機(jī)器臂結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of mechanical arm structure

在整個(gè)堆焊過程中，基座、滑動(dòng)臂、升降臂的滑動(dòng)及調(diào)整臂、焊槍的轉(zhuǎn)動(dòng)由各自獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由專門的測(cè)量裝置對(duì)其滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，最后通過控制器實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件的滑動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)[4-5]。

2.2 機(jī)械臂各部件運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)于需要完成的90°彎管內(nèi)壁堆焊，機(jī)械臂具有5個(gè)自由度來調(diào)整焊槍在空間的位姿。其中，底座、滑動(dòng)臂、升降臂用于調(diào)整焊槍在空間3個(gè)方向上的位姿變化；調(diào)整臂用于配合支撐變位機(jī)帶動(dòng)90°彎管實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過程中的不同位姿，其回轉(zhuǎn)范圍如圖3所示的θ；焊槍的回轉(zhuǎn)范圍如圖3所示的β。

在支撐裝置帶動(dòng)90°彎管旋轉(zhuǎn)時(shí)，底座、滑動(dòng)臂、升降臂、調(diào)整臂、焊槍各自調(diào)整自己的位姿，配合支撐裝置完成整個(gè)堆焊，不僅能夠完成堆焊，而且堆焊過程中間不停頓，保證90°彎管內(nèi)壁的堆焊質(zhì)量，還可以提高工作效率。該直角坐標(biāo)型堆焊機(jī)械臂，與關(guān)節(jié)型機(jī)械臂相比，具有調(diào)整靈活、作業(yè)范圍廣、工作空間大等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

堆焊機(jī)械臂模型如圖4所示，鑒于該機(jī)械臂的特殊結(jié)構(gòu)，采用拉格朗日法建立相應(yīng)的坐標(biāo)系。由圖可見，在所有的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中，基座、滑動(dòng)臂、升降臂、調(diào)整臂的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系均與機(jī)械臂基坐標(biāo)系方向一致，且遵循右手法則。其中，機(jī)械臂的基坐標(biāo)系為 O0-X0Y0Z0，為 O 系；各個(gè)關(guān)節(jié)分別為 1，2，3，4，5系；工具坐標(biāo)系為T系[1]。

圖4 堆焊機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖Fig.4 Surfacing robot kinematic sketch

由圖清晰可見機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)之間的連接關(guān)系，包括關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)參考點(diǎn)等，便于建立該模型的D-H連桿坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[6]。矩陣A1，A2，A3，A4，A5分別為基座坐標(biāo)系相對(duì)于底座坐標(biāo)系、滑動(dòng)臂坐標(biāo)系相對(duì)于基座坐標(biāo)系、升降臂坐標(biāo)系相對(duì)于滑動(dòng)臂坐標(biāo)系、調(diào)整臂坐標(biāo)系相對(duì)于升降臂坐標(biāo)系、焊槍所在坐標(biāo)系相對(duì)于調(diào)整臂坐標(biāo)系的位姿，則該五連桿（基座、滑動(dòng)臂、升降臂、調(diào)整臂、焊槍）機(jī)械臂焊槍所在坐標(biāo)系相對(duì)于固定參考坐標(biāo)系下的位姿T5，等于從固定參考坐標(biāo)系到焊槍所在坐標(biāo)系的各連桿坐標(biāo)系之間變換矩陣的乘積。

各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系之間的變換矩陣如下：

故基座所在坐標(biāo)系和焊槍所在坐標(biāo)系之間的總變換，即機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

焊槍長度為h，焊槍末端相對(duì)于O5-X5Y5Z5的變換矩陣為

則焊槍末端點(diǎn)相對(duì)于基坐標(biāo)系的變換矩陣為

其中

2.4 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

以所建立的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為基礎(chǔ)，可以得到該機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)之間的連接變量[7-8]。通過分析式 A1，A2，A3，A4，A5和其中，l3和 l4已知，由 A1可以求出將其左乘于式（3）兩邊，由對(duì)應(yīng)項(xiàng)相等可以求出基座相對(duì)于參考坐標(biāo)系的未知量——位移量lO0O1。同理，可以求得即

式中：pxi，pyi，pzi均為堆焊機(jī)械臂采樣時(shí)的位置描述參數(shù)。以上給出堆焊機(jī)械臂的逆解結(jié)果[6]。

3 機(jī)械臂的三維模型建立

確定堆焊機(jī)械臂各個(gè)部件尺寸時(shí)，應(yīng)依據(jù)所需堆焊的90°彎管內(nèi)徑、重量及彎管轉(zhuǎn)動(dòng)之后的堆焊距離 （即完成整個(gè)堆焊過程對(duì)機(jī)械臂x，y，z方向的堆焊距離要求）等參數(shù)，設(shè)計(jì)和分析機(jī)器人的工作空間。

在此，以內(nèi)徑為250 mm的90°彎管為例，將該彎管置于已知的支撐裝置上，根據(jù)所要堆焊的一系列環(huán)形焊縫的最大、最小直徑，得到該機(jī)械臂各個(gè)部件的工作范圍：底座0～350mm，滑動(dòng)臂0～450mm，升降臂 0～350mm，調(diào)整臂 135°～225°，焊槍 45°～160°。由此在Pro/e中建立的堆焊機(jī)械臂三維模型如圖5所示，其虛擬樣機(jī)如圖6所示。

圖5 堆焊機(jī)器人三維模型Fig.5 Surfacing robot 3d mode

圖6 堆焊機(jī)器人的虛擬樣機(jī)Fig.6 Surfacing robot virtual prototype

4 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡驗(yàn)證

將堆焊機(jī)械臂的5個(gè)逆解函數(shù)導(dǎo)入到Matlab中，使用多項(xiàng)式插值法求得底座、滑動(dòng)臂、升降臂的位移與時(shí)間的變化曲線，調(diào)整臂、焊槍的角度與時(shí)間的變化曲線。

半徑為66 mm時(shí)滑動(dòng)臂、升降臂的位移-時(shí)間曲線分別如圖7，圖8所示；調(diào)整臂θ和焊槍?duì)碌慕嵌?時(shí)間曲線分別如圖9，圖10所示；圖11為底座的位移-時(shí)間曲線。由底座、滑動(dòng)臂、升降臂、調(diào)整臂運(yùn)動(dòng)關(guān)系變化的樣條曲線，可以得到求解堆焊機(jī)械臂正解的已知條件。根據(jù)ADAMS提供的樣條函數(shù)，把樣條曲線的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)作為已知條件，生成底座、滑動(dòng)臂、升降臂、調(diào)整臂、焊槍的驅(qū)動(dòng)函數(shù)[9]。

圖7 滑動(dòng)臂位移-時(shí)間曲線Fig.7 Slip arm displacement-time curve

圖8 升降臂位移-時(shí)間曲線Fig.8 Lift arm displacement-time curve

圖9 調(diào)整臂角度-時(shí)間曲線Fig.9 Adjustment arm angle-time curve

圖10 焊槍角度-時(shí)間曲線Fig.10 Welding gun angle-time curve

圖11 底座位移-時(shí)間曲線Fig.11 Base displacement-time curve

根據(jù)ADAMS提供的函數(shù)功能，給底座、滑動(dòng)臂、升降臂、調(diào)整臂、焊槍5個(gè)驅(qū)動(dòng)臂添加5個(gè)位移隨時(shí)間變化的驅(qū)動(dòng)函數(shù)[10]。然后，把點(diǎn)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為無效模式，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行360 s，800步的仿真，得到堆焊機(jī)械臂焊槍末端的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖12所示。

圖12 焊槍末端x，y，z方向的位移曲線Fig.12 Displacement curve of x，y and z at welding gun end

由圖可見，焊槍末端的軌跡為不規(guī)則的圓；從得到的曲線和生成的數(shù)據(jù)文件可以看出，焊槍末端能夠按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。故機(jī)械臂能夠與支撐裝置協(xié)調(diào)配合，完成彎管內(nèi)壁的堆焊[11]。

5 結(jié)語

針對(duì)90°彎管內(nèi)壁堆焊過程中支撐裝置的運(yùn)動(dòng)情況，確定堆焊機(jī)器人本體——機(jī)械臂的焊槍末端運(yùn)動(dòng)軌跡，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型五自由直度角坐標(biāo)型90°彎管內(nèi)壁堆焊機(jī)械臂；確定了堆焊機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)形式，給出了采用拉格朗日法建立機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方程，進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；依據(jù)彎管堆焊實(shí)例建立了三維實(shí)體模型。運(yùn)用MatLab的多項(xiàng)式插值法求得驅(qū)動(dòng)函數(shù)；以ADAMS為基礎(chǔ)，對(duì)90°彎管堆焊機(jī)械臂焊槍末端軌跡進(jìn)行仿真驗(yàn)證。通過機(jī)械臂與90°彎管支撐機(jī)構(gòu)的緊密配合，使90°彎管的堆焊效率更高，堆焊焊縫更加平整；從分析結(jié)果可以看出所設(shè)計(jì)的堆焊機(jī)械臂可以滿足支撐裝置的工作要求。

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