U形板焊接機器人設計與運動仿真

郎志勇，高延峰，周依霖，張 華

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

1 引言

船舶制造過程中，各個部件的連接占船舶制造總負荷的四成以上，焊接起著至關重要的作用［1］。現有焊接機器人一類為工業焊接機器人，固定于地表，活動范圍有限［2］，多用于流水線生產；另一類為移動焊接機器人［3-4］，但通常需要大于本身尺寸三倍以上的作業空間，故針對船艙狹小空間U形板的焊接，仍需人工焊接。

國外某大學研制了一種四輪式移動焊接機器人，兩驅動輪兩萬向輪完成差速轉彎，通過齒輪齒條滑塊調節焊炬的焊接位置，達到直線和直角轉彎的恒定速度焊接，能在大于機器人尺寸4倍以上船艙格子中進行直角焊縫的自主焊接［5］；國外某大學和某造船與海洋工程聯合將RRX3移動平臺和六軸焊接機器人結合，RRX平臺置于兩個縱向加強肋，平臺上安裝機械手臂，實現在雙船體結構中對縱向肋接作業［6］，但機器人作業空間一般為大型船艙結構中長肋板的焊接；文獻［7］設計的一款以旋轉電弧焊炬為執行器，移動平臺配合四自由度機械臂的冗余焊接機器人，能對典型格子型角焊縫精確跟蹤，實現勻速穩定焊接，但需空曠船艙格子內焊接。

針對U形板焊接件的焊接工況，由于板件周圍存在各類焊接件，缺乏機器人的作業空間，且現存的移動機器人多為輪式或履帶式，焊縫識別控制難度大［8］，無法進行焊接作業，設計了一款類軌道懸掛式的移動焊接機器人，能夠適應船艙狹小空間中U形板角焊縫焊接，且降低了焊縫跟蹤的難度。

2 U形板懸掛式焊接機器人結構

船艙焊接中較為常見的U 形板焊接件，圓弧轉角半徑550mm，板件高度100mm，如圖1所示。船艙中該焊接件周圍空間狹小，一般的移動焊接機器人無法實現自動化焊接，旨設計一款類軌道懸掛式移動焊接機器人，可實現該圓弧半徑U形板的移動焊接。該焊接機器人主要由移動機器人本體、十字滑臺機械臂及焊炬組成，如圖2所示。移動機器人本體包含結構3、4、5、6、7、11；十字滑臺機械臂包含結構1、2、8、9；焊炬為10。移動機器人本體懸掛于圖1中U形板焊接件上進行類軌道式移動焊接，十字滑臺機械臂置于移動機器人本體上，實現焊炬Y、Z兩方向的位置調節，兩者結合實現了焊炬的三自由度移動，能精確控制焊炬的焊接位置點，并在焊接位置點出現偏移時的及時調整。

圖1 U形板焊接件Fig.1 Weldment of U-Type Steel Structure

圖2 移動焊接機器人總體結構Fig.2 General Structure of Mobile Welding Robot

移動焊接機器人進行移動焊接作業主要依賴于移動機器人本體、十字滑臺機械臂及焊炬三者的協調配合。移動機器人本體主要功能是將整個機器人懸于U形板焊接件頂端，并能夠實現機器人沿焊接件切線方向的移動；十字滑臺的功能是實現焊炬末端點相對機器人本體在Y、Z方向位置的調節，由于焊接工程中焊炬末端點存在偏移振動，若出現大誤差偏移，則可由距離傳感器將偏移信息傳遞給控制板，進而控制十字滑臺進行偏移的位置補償，實現精確焊接；焊炬則是實現焊接的重要工具。

整個移動焊接機器人在焊接件上穩定的懸掛，主要依賴于焊接件上端壓緊輪的吸附力及焊接件右側夾緊輪的夾緊力。驅動輪位于焊接件左側，采用小直徑長度大的橡膠輪緊貼焊接件，為移動焊接機器人提供驅動力，同時防止移動機器人本體的偏移；兩個夾緊輪位于焊接件右側，分置于移動焊接機器人本體的前后，配合驅動輪，通過彈簧的壓緊力保證移動機器人本體穩定夾緊于焊接件上；移動機器人本體上端有兩個壓緊輪，壓緊輪內部空心，內置圓柱形永磁體，保證壓緊輪能吸附在焊接件的上端面，確保焊炬穩定焊接。

3 U形板懸掛式焊接機器人圓弧過渡

3.1 圓弧面轉彎半徑

移動焊接機器人在U形板上的移動主要分為五個階段，第一階段，如圖3（a）所示。整個移動機器人本體均位于直板段，受彈簧預緊力F0；第二階段，如圖3（b）所示。前夾緊輪進入圓弧段，后夾緊輪仍處于直板段上，隨著前夾緊輪進入圓弧段時間的延伸，夾緊輪彈簧的壓縮量也在不斷的增加；第三階段，如圖3（c）所示。兩個夾緊輪均進入圓弧段內，此時壓緊輪彈簧的壓縮量處于最大；第四、第五階段即分別為第二、第一階段的逆向。

圖3 轉彎過程Fig.3 The Process of Turning

根據力學平衡原理，移動焊接機器人本體勻速移動過程中，系統在任意瞬態均受力平衡。驅動輪位于小車左側的中間；夾緊輪位于小車右側，相對于驅動輪對稱分布；小車的移動方向總是驅動輪接觸點的切線方向。系統受力情況如圖3（b）中所示。驅動輪受到焊接件的支持力F，方向指向驅動輪與焊接件接觸點的法向；前、后夾緊輪受焊接件的支持力分別為F1、F2，方向指向壓緊輪與焊接件接觸點的法線方向；由受力圖對驅動輪中心點做系統受力平衡分析，系統瞬時平衡狀態下的力、力矩分別滿足式（1）、式（2）：

由于整個移動機器人本體的結構對稱，故前后夾緊輪彈簧的受力基本一致，彈簧的壓縮變形量近似相等，夾緊輪的偏轉角度相近，只存在微量可控誤差，故在移動作業工程中，兩夾緊輪的距離相對驅動輪總是對稱的，即b1=b2，帶入式（2）得F1=F2，φ1=φ2，再由式（1）得F1=F2=F∕2。

由以上受力分析可知，移動過程中，機器人本體相對于U形板焊接件的位置，如圖3（c）所示。移動機器人本體的轉彎半徑受小車多個變量的限制，主要變量有移動機器人本體的長度、寬度，夾緊輪兩固定鉸鏈間的距離，彈簧的壓縮量限制等。移動機器人的轉彎半徑R1推導如下：

式中：L2—移動焊接機器人本體長度；

H0—移動焊接機器人本體寬度；

R1—轉彎曲面內徑；

R0—轉彎曲面內徑R0-R1=U形板焊接件厚度（10mm）；

H3—夾緊輪固定鉸鏈的長度；

L3—夾緊輪固定鉸鏈相隔距離；

R2—兩夾緊輪固定鉸鏈的長度H3及距離L3限制下的最小轉彎半徑；

R3—移動焊接機器人本體長度L2限制下的最小轉彎半徑。

式（3）～式（5）聯立解得：

半徑R1的大小主要受式（3）、式（4）、式（5）三種情況的影響，情況式（3）是針對兩夾緊輪固定鉸鏈的長度H3及距離L3對轉彎半徑的限制；情況式（4）是針對移動焊接機器人本體長度L2對轉彎半徑的限制；兩者解得的半徑R1范圍求出交集，即為轉彎半徑的初步解。其次，式（5）考慮到彈簧的壓縮量限制，在初始安裝焊接機器人時的壓縮彈簧長度為L0，轉彎時的最大壓縮時彈簧長度為L1，彈簧的壓縮量必須小于選用彈簧的最大壓縮量20mm，并求出當彈簧在最大壓縮量時的轉彎半徑R1，再與初步解求交集，得出移動焊接機器人最終的轉彎半徑R1=500mm ＜R=550mm，滿足轉彎需求。

3.2 焊炬安裝位置

移動焊接機器人本體的移動過程經過弧面，焊炬的軌跡控制直接決定焊接的質量。因此需尋找一個合適的焊炬安裝位置，確保焊炬末端在移動機器人本體的移動過程中，焊炬末端與目標焊接軌跡偏移較小，一方面焊接過程中的控制將得到簡化，另一方面，焊接過程穩定，更有利于提高焊接質量。

以焊炬處于機器人本體中心為零點，焊炬在不同的位置做運動仿真，得到焊炬末端的軌跡。焊炬由直板段進入圓弧段時焊炬末端軌跡，如圖4（a）所示。焊炬由圓弧段進入直板段時焊炬末端軌跡，如圖4（b）所示。由圖可知，當焊炬末端處于機器人本體長度的對稱中心時，焊接軌跡與末端點的移動軌跡對稱，沒有發生單向偏移，與目標軌跡較為貼合；當安裝位置前偏或后偏時，在進入圓弧段和離開圓弧段時會發生較大的偏移。由直板段進入圓弧段，焊炬安裝位置后偏時，偏移較大且非恒定，而前偏時，偏移主要發生在圓弧段，且為恒定偏移，如圖4（a）所示。

圖4 不同安裝位置下焊炬末端軌跡偏移Fig.4 Trajectory Offset of Torch End in Different Installation Positions

由圓弧段進入直板段，焊炬安裝位置前偏時，偏移較大且非恒定，而后偏時，偏移主要發生在圓弧段，且為恒定偏移，如圖4（b）所示。綜上所述，為了較容易實現軌跡的控制，將機器人本體對稱中心的位置確定為焊炬的最終安裝位置。

4 焊炬末端偏移、振動分析

移動焊接機器人系統懸于U形焊接件上進行焊接實驗，除了焊接軌跡偏移量的控制難度問題外，其焊接的穩定性也是一項重要參數，通過ADAMS對移動焊接機器人移動過程運動仿真，可以得出焊接U形焊接件的過程中焊炬末端在Y、Z方向的偏移及振動情況。

影響參數包含：彈簧預緊力、彈簧剛度、彈簧阻尼、壓緊輪X向間距x1、夾緊輪X向間距x2、夾緊輪Z向位置z等，經仿真分析，主要影響因素包括：夾緊輪Z向位置z、彈簧剛度K、彈簧預緊力F0。以下是各主要因素對焊炬末端在Y、Z方向的振動情況仿真分析。在ADAMS中重新搭建三維模型，對各變量做參數化處理，并為其添加必要的連接約束、作用力及驅動，模型。如圖5所示。以目標焊接軌跡為零偏移點，進行偏移、振動分析。

圖5 參數化ADAMS三維模型Fig.5 Parametric ADAMS 3D Model

4.1 夾緊輪Z向位置z對焊炬末端Y、Z方向偏移、振動.的影響

改變夾緊輪Z向位置z，仿真焊炬末端在Y方向的偏移、振動，發現在直板段，夾緊輪z值改變對焊炬末端偏振影響小，對焊接影響微弱，偏振主要發生在圓弧段。z=22.25mm下整個運動時段偏振，如圖6（a）所示。（0～50）s移動機器人靜止，50s時機器人啟動，然后在直板段勻速移動，偏移振動微弱，然后由直板段過渡到圓弧段，偏移量逐漸增加，圓弧段偏移振動值達到最大，隨后圓弧段過渡到直板段，偏移振動隨之減小。在圓弧段時不同夾緊輪Z向位置z對偏移量、振幅影響變化，隨夾緊輪z值增大，焊炬末端偏移逐漸減小，振動幅度也有明顯下降，如圖6（b）所示。故為減小Y方向的振動，應盡量提高夾緊輪Z向位置。

圖6 不同夾緊輪Z向位置下焊炬末端Y方向偏移振動Fig.6 Offset and Vibration of Torch End in Y Direction Under Different Z-Direction Position of the Clamping Wheel

夾緊輪在不同的Z向位置仿真得到焊炬末端Z方向的偏移、振動結果，如圖7所示。

圖7 不同夾緊輪Z向位置下焊炬末端Z方向偏移振動Fig.7 Offset and Vibration of Torch End in Z Direction Under Different Z-Direction Position of the Clamping Wheel

焊接機器人移動過程中，焊炬末端Z方向偏移量在不同時段有異，圓弧段的偏振差異較大。隨著夾緊輪Z向位置的改變，焊炬末端在U形焊接件直線段的Z方向偏移無明顯變化，在圓弧段，焊炬末端Z方向的偏移則隨著夾緊輪Z向位置的增高而減小。

而隨著夾緊輪Z向位置的增高，焊炬末端點在U形焊接件直線段Z方向的振動無明顯變化，圓弧段Z方向的振動則出現了最優解，在Z向位置低于24.25mm時，隨著z值增大，振動幅度有明顯下降，而Z向位置高于24.25mm時，振動幅度又出現了回升。

綜上所述，為了保證移動焊接機器人在U形焊接件上移動的穩定性，保證移動過程中偏移量的穩定極其必要。當z為24.25mm時，Z方向在直線段和圓弧段的偏移量基本恒定，振幅最小，而Y方向的振動和偏移也得到了一定程度的降低，最大程度上保證了整個移動焊接過程的穩定，降低了控制難度。

4.2 彈簧剛度K對焊炬末端Y、Z方向偏移振動的影響

經ADAMS仿真，彈簧剛度K主要對焊炬末端點在圓弧段Z方向的振動影響較大。不同彈簧剛度K下焊炬末端點在Z方向上的偏移振動情況，如圖8所示。

圖8 不同彈簧剛度下焊炬末端Z方向偏移振動Fig.8 Offset and Vibration in Z Direction of Torch End under Different Spring Stiffness

隨著彈簧剛度K的增加，在直線段的偏移和振動均沒有明顯的變化；而隨著彈簧剛度K的增加，圓弧段的偏移振動情況均得到了明顯的改善，偏移量逐漸減小并與直線段趨于一致，振動大幅度減小。綜上所述，在滿足結構安裝的前提下，應盡可能選擇剛度較大的彈簧。

4.3 彈簧預緊力F0對焊炬末端Y、Z方向偏移振動的影響

彈簧的預緊力決定了移動機器人本體能否夾緊在焊接件上進行移動焊接，經仿真分析，彈簧預緊力主要對直板段的偏移、振動有明顯的影響。不同彈簧預緊力下Y方向的偏移振動結果，如圖9（a）所示。

圖9 不同彈簧預緊力下焊炬末端偏移振動Fig.9 Offset and Vibration of Torch End Under Different Spring Preloads

由圖知，隨著預緊力的增大，Y方向偏移減小，且振動幅度下降，尤其預緊力由10N變為20N時，改善效果較為明顯。不同彈簧預緊力下Z方向的偏移振動結果，如圖9（b）所示。由圖可知，彈簧預緊力的增大在平穩移動時對Z方向的偏移及振動影響影響很小，只影響在啟動瞬間的Z方向振動，彈簧預緊力越大，振動越小，預緊力由10N變為20N時，振動改善較大。綜上所述，預緊力F0為20N時，Y、Z方向偏移、振動均得到較大改善。

5 結論

通過對移動焊接機器人三維實體模型簡化、運動特性分析及仿真，驗證了該移動焊接機器人工作原理的可行性，優化提升了移動焊接的穩定性，主要研究內容如下：（1）針對U形板角焊縫的焊接機器人結構功能需求，建立了該焊接機器人的三維空間模型及簡化的參數模型，并分析了其運動學特性；（2）利用仿真軟件ADAMS 對移動焊接機器人在U 形板焊接件上進行運動仿真模擬，確保各幾何設計參數滿足圓弧轉彎半徑要求，并通過調整焊炬的安裝位置，得到焊炬末端點運動曲線圖，與實際軌跡線對比貼合情況，確定焊炬最佳安裝位置為移動機器人本體對稱中心；（3）通過對多個影響變量的參數化，利用ADAMS進行仿真模擬，確定夾緊輪Z向位置z、彈簧剛度K、彈簧預緊力F0為主要影響變量，仿真曲線變化反映移動焊接機器人運動中焊炬末端在Y、Z方向的偏移和振動情況，結果表明：夾緊輪Z向位置為24.25mm，焊接過程中的Z方向偏移穩定，Y、Z方向振動微小；滿足結構安裝的前提下，應盡可能選擇剛度較大的彈簧；預緊力F0為20N時，Y方向偏移和Z方向振動都得到較大改善。