基于马鞍型焊缝焊接的机器人结构设计及仿真

罗泳薇

摘 要：目前对于压力容器特别是各种马鞍型壳体焊缝的人工焊接主要由各种人工接缝完成，人工接缝焊接后的工作由于环境恶劣、工作效率低、难以有效保证好的焊接工作质量，迫切需要开发研制针对该类人工焊缝的一种专用人工焊接操作机器人。硏制马鞍型立式焊缝自动焊接操作机器人不仅它能有效改善人在焊接设备工作中的环境，提高人的焊接工作效率和改善焊接工作质量，而且它还能够有效推动和丰富其在焊接工作自动化相关领域的技术研究，具有非常重要的应用意义。希望本文的研究可以对相关的研究人员给与一定的帮助。

关键词：马鞍型焊缝焊接;机器人结构设计;仿真;

1、压力容器焊接简述

压力容器箱构件是广泛指一种可以盛装大量机械液体或其他机械气体的并且可以同时承载一定不同程度机械压力的大型箱体密闭箱的机械设备，属于现代工业机械特种设备的一种，根据实际使用生产或者使用过程中的特殊需要，可以被自行设计和制成或者被加工后制成不同的各种箱体构件结构或者箱体形式。一般的压力容器由整个液压泵的壳体、接管、法兰、封头和壳体压力容器底座等部分焊接构成，最终通过焊接加工组装焊接把各个壳体压力容器部件直接进行加工组装和焊接完成融为一体。

2、马鞍型焊缝焊接机器人概述

在实际生产工程中的焊接操作过程中，管管焊缝插接技术形成的这种马鞍型管管焊缝手工焊接方式是常见的一种焊缝焊接形式，其由于焊缝结构形状复杂、焊接操作工艺和对在焊接材料质量上的要求高，早期国内对该类型的马鞍型管管焊缝的手工焊接大多分为采用手工自动焊接和采用手工自动控制或是机械焊接操作臂的两种半自动化方式焊接，这种传统焊接工艺方式致使焊接工艺质量难长久保持，劳动生产周期长，生产工艺效率低下，制造工艺周期长;而且由于压力容器内的筒壁较厚，在进行焊接前我们需要对筒体内的焊接重点部位筒壁进行高温预热，预热后的温度往往可以达到150摄氏度甚至高温更高，工人在使用送种温度高温相对安全密闭的特殊工作条件环境下对工人身体健康造成很大的心理伤害。

3、马鞍型焊缝焊接机器人结构设计

机器人对各种马鞍型连接焊缝零件进行人工焊接时，一般方法是先分别使用点焊前端和末端焊枪靠近不同焊缝点，然后根据不同焊接所有者定义的焊接工艺技术要求，调整不同焊枪在每一个不同焊缝焊接点的不同焊枪运动姿态。在一个全局由度坐标下，用6个独立的由度变量就已经可准确地表达当前每个焊缝中间点的焊枪位置和空间焊枪的运动姿态，其中每个空间焊枪位置和每个空间焊枪姿态各分别需要3个独立自由度变量进行准确描述。然而，在采用马鞍型相贯式直线连接焊缝的加工焊接中，焊接螺丝自身横向旋转对接缝焊接过程无太大影响。所以，本研究课题所要设计的一种马鞍型立体焊缝材料焊接加工机器人必须包括5个焊接自由度。这5个点的自由度大致可以划分为两个部分！保证每个焊枪不发生偏离或在焊缝连接点的特殊情况下可围绕焊枪腰部工作轴线进行旋转;通过改变每个焊枪的不同焊接操作姿态可以满足不同焊接操作工艺上的要求。

机器人的结构对其控制系统有着很大的影响，采用一种彼此之间互不产生影响的容易解锅的机械运动方式机械控制机构设计可以直接使机械控制传动系统及其设计工作變得简单。因此，在实际进行通用机器人驱动机构系统设计时，应尽可能多地采用解耦器的结构。

4、总体结构设计注意事项

4.1刚度

刚度度量是一种机器人驱动机身各个零部件能够抵抗各种外力作用运动变形的主要能力，可以根据机身所受的各种外力在其运动作用范围方向上的运动变形和质量系数来进行度量。刚体的质量变形约少，刚度越大。为了有效提高工业机器人的移动刚度，在产品设计使用过程中我们应该特别注意如何选择合理的人体形状、尺寸等并设计合理、合理化的布置和使机器人的以作用运动为主的方向和移动位置。

4.2精度

机器人的点焊精度直接影响点焊机器人最終的一次焊接工作质量，其主要因素反映在每个焊接点和手腕的特定位置焊接精度上。焊接加工机器人的加工精度和焊接机身和串联焊接加工手腕的内部结构和焊接位置之间有密切的连接关系，特别是由于串联焊接机器人各个焊接关节之间存在精度累积上的误差。

4.3平稳性

机器人在进行焊接工作过程中，由于使用机器人的内部运动以及构件参数较多，且构件体积和运动质量较大，当使用机器人运动时，将不会产生较大振动和重力冲击。不但可能会直接影响整个机器人的的自动定位精度，而且还有可能会直接损坏整个机器人的驱动电机，使整个机器人系统不能平稳进行工作。所以在实际设计使用过程中，应该注意采取一定的控制方法，提高移动机器人的平稳性。

5、仿真分析

完成焊接仿真结果分析后，需要对焊接仿真分析结果可以进行一些必要的仿真分析和后处理，来帮助判断使用该新型焊接仿真机器人在本次焊接一个马鞍形整体焊缝的整个过程中，能否完全到达本次焊接仿真要求，保证能够完成本次焊接仿真任务。而这其中最重要的一个影响要素因数就是喷枪焊接仿真过程中每个焊接点的速度，因此本文在进行仿真之前在每个焊枪焊接端点中心处预先建立了一个marker点，方便利用后续仿真进行焊接速度等相关物理学变量的计算分析与仿真研究。在maadams中对自动焊枪焊接端点的速度marker点速度进行横向x、y、z三个方向的角加速度及轴向加速度分别测量，并在焊接后处理控制模块中进行显示，如下面框图所示。

利用了ADAMS对其进行运动仿真，模拟马鞍形焊缝焊接的工作运动轨迹，仿真结果表明该马鞍形焊缝焊接机器人工作较平稳，基本能够实现马鞍形焊缝曲线焊道的模拟焊接。焊接速度稳定，较为真实的模拟了其实际焊接的工作情况，验证了该方案的可行性，机构设计合理可行。

参考文献：

[1]薛良豪，魏敏，张立新，杨涛，卢永鑫.马鞍形焊缝焊接机器人运动学分析及MATLAB仿真[J].机床与液压，2019（15）：58-62.