基于馬鞍型焊縫焊接的機器人結構設計及仿真

羅泳薇

摘 要：目前對于壓力容器特別是各種馬鞍型殼體焊縫的人工焊接主要由各種人工接縫完成，人工接縫焊接后的工作由于環境惡劣、工作效率低、難以有效保證好的焊接工作質量，迫切需要開發研制針對該類人工焊縫的一種專用人工焊接操作機器人。硏制馬鞍型立式焊縫自動焊接操作機器人不僅它能有效改善人在焊接設備工作中的環境，提高人的焊接工作效率和改善焊接工作質量，而且它還能夠有效推動和豐富其在焊接工作自動化相關領域的技術研究，具有非常重要的應用意義。希望本文的研究可以對相關的研究人員給與一定的幫助。

關鍵詞：馬鞍型焊縫焊接;機器人結構設計;仿真;

1、壓力容器焊接簡述

壓力容器箱構件是廣泛指一種可以盛裝大量機械液體或其他機械氣體的并且可以同時承載一定不同程度機械壓力的大型箱體密閉箱的機械設備，屬于現代工業機械特種設備的一種，根據實際使用生產或者使用過程中的特殊需要，可以被自行設計和制成或者被加工后制成不同的各種箱體構件結構或者箱體形式。一般的壓力容器由整個液壓泵的殼體、接管、法蘭、封頭和殼體壓力容器底座等部分焊接構成，最終通過焊接加工組裝焊接把各個殼體壓力容器部件直接進行加工組裝和焊接完成融為一體。

2、馬鞍型焊縫焊接機器人概述

在實際生產工程中的焊接操作過程中，管管焊縫插接技術形成的這種馬鞍型管管焊縫手工焊接方式是常見的一種焊縫焊接形式，其由于焊縫結構形狀復雜、焊接操作工藝和對在焊接材料質量上的要求高，早期國內對該類型的馬鞍型管管焊縫的手工焊接大多分為采用手工自動焊接和采用手工自動控制或是機械焊接操作臂的兩種半自動化方式焊接，這種傳統焊接工藝方式致使焊接工藝質量難長久保持，勞動生產周期長，生產工藝效率低下，制造工藝周期長;而且由于壓力容器內的筒壁較厚，在進行焊接前我們需要對筒體內的焊接重點部位筒壁進行高溫預熱，預熱后的溫度往往可以達到150攝氏度甚至高溫更高，工人在使用送種溫度高溫相對安全密閉的特殊工作條件環境下對工人身體健康造成很大的心理傷害。

3、馬鞍型焊縫焊接機器人結構設計

機器人對各種馬鞍型連接焊縫零件進行人工焊接時，一般方法是先分別使用點焊前端和末端焊槍靠近不同焊縫點，然后根據不同焊接所有者定義的焊接工藝技術要求，調整不同焊槍在每一個不同焊縫焊接點的不同焊槍運動姿態。在一個全局由度坐標下，用6個獨立的由度變量就已經可準確地表達當前每個焊縫中間點的焊槍位置和空間焊槍的運動姿態，其中每個空間焊槍位置和每個空間焊槍姿態各分別需要3個獨立自由度變量進行準確描述。然而，在采用馬鞍型相貫式直線連接焊縫的加工焊接中，焊接螺絲自身橫向旋轉對接縫焊接過程無太大影響。所以，本研究課題所要設計的一種馬鞍型立體焊縫材料焊接加工機器人必須包括5個焊接自由度。這5個點的自由度大致可以劃分為兩個部分！保證每個焊槍不發生偏離或在焊縫連接點的特殊情況下可圍繞焊槍腰部工作軸線進行旋轉;通過改變每個焊槍的不同焊接操作姿態可以滿足不同焊接操作工藝上的要求。

機器人的結構對其控制系統有著很大的影響，采用一種彼此之間互不產生影響的容易解鍋的機械運動方式機械控制機構設計可以直接使機械控制傳動系統及其設計工作變得簡單。因此，在實際進行通用機器人驅動機構系統設計時，應盡可能多地采用解耦器的結構。

4、總體結構設計注意事項

4.1剛度

剛度度量是一種機器人驅動機身各個零部件能夠抵抗各種外力作用運動變形的主要能力，可以根據機身所受的各種外力在其運動作用范圍方向上的運動變形和質量系數來進行度量。剛體的質量變形約少，剛度越大。為了有效提高工業機器人的移動剛度，在產品設計使用過程中我們應該特別注意如何選擇合理的人體形狀、尺寸等并設計合理、合理化的布置和使機器人的以作用運動為主的方向和移動位置。

4.2精度

機器人的點焊精度直接影響點焊機器人最終的一次焊接工作質量，其主要因素反映在每個焊接點和手腕的特定位置焊接精度上。焊接加工機器人的加工精度和焊接機身和串聯焊接加工手腕的內部結構和焊接位置之間有密切的連接關系，特別是由于串聯焊接機器人各個焊接關節之間存在精度累積上的誤差。

4.3平穩性

機器人在進行焊接工作過程中，由于使用機器人的內部運動以及構件參數較多，且構件體積和運動質量較大，當使用機器人運動時，將不會產生較大振動和重力沖擊。不但可能會直接影響整個機器人的的自動定位精度，而且還有可能會直接損壞整個機器人的驅動電機，使整個機器人系統不能平穩進行工作。所以在實際設計使用過程中，應該注意采取一定的控制方法，提高移動機器人的平穩性。

5、仿真分析

完成焊接仿真結果分析后，需要對焊接仿真分析結果可以進行一些必要的仿真分析和后處理，來幫助判斷使用該新型焊接仿真機器人在本次焊接一個馬鞍形整體焊縫的整個過程中，能否完全到達本次焊接仿真要求，保證能夠完成本次焊接仿真任務。而這其中最重要的一個影響要素因數就是噴槍焊接仿真過程中每個焊接點的速度，因此本文在進行仿真之前在每個焊槍焊接端點中心處預先建立了一個marker點，方便利用后續仿真進行焊接速度等相關物理學變量的計算分析與仿真研究。在maadams中對自動焊槍焊接端點的速度marker點速度進行橫向x、y、z三個方向的角加速度及軸向加速度分別測量，并在焊接后處理控制模塊中進行顯示，如下面框圖所示。

利用了ADAMS對其進行運動仿真，模擬馬鞍形焊縫焊接的工作運動軌跡，仿真結果表明該馬鞍形焊縫焊接機器人工作較平穩，基本能夠實現馬鞍形焊縫曲線焊道的模擬焊接。焊接速度穩定，較為真實的模擬了其實際焊接的工作情況，驗證了該方案的可行性，機構設計合理可行。

參考文獻：

[1]薛良豪，魏敏，張立新，楊濤，盧永鑫.馬鞍形焊縫焊接機器人運動學分析及MATLAB仿真[J].機床與液壓，2019（15）：58-62.