陳亞維，張 巍

（中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州450007）

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筒體內(nèi)壁馬鞍焊接機(jī)器人焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

陳亞維，張 巍

（中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州450007）

摘要：針對筒體內(nèi)壁馬鞍焊接設(shè)備自動化程度不高問題，進(jìn)行了筒體內(nèi)壁馬鞍焊接機(jī)器人焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，研發(fā)出能自動完成內(nèi)馬鞍曲線焊接且結(jié)構(gòu)緊湊的“三軸一體”焊接系統(tǒng)，提高了筒體內(nèi)壁馬鞍焊接機(jī)器人的自動化程度及焊接精度。關(guān)鍵詞：筒體內(nèi)壁；馬鞍焊接；三軸一體

在鍋爐、電力、化工、石油等很多行業(yè)中，經(jīng)常遇到筒體與其相應(yīng)接管焊成的馬鞍形接縫［1］。目前針對外馬鞍焊接技術(shù)及焊接設(shè)備的研究較多，而對筒體內(nèi)壁馬鞍焊接的研究相對較少，且筒體外馬鞍焊接機(jī)多設(shè)計(jì)成焊炬在橫梁上運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，使得焊機(jī)沿立管直徑方向體積較大，不適于筒體內(nèi)壁馬鞍焊接，尤其是密排立管［2-3］。故這些內(nèi)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(nèi)壁馬鞍焊接的效率低下，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。為此，專門研制了管子外徑為Φ51 mm與內(nèi)徑為Φ800 ～Φ2 400 mm筒體正交的內(nèi)壁馬鞍形管-管全位置自動焊接機(jī)器人。

本文重點(diǎn)闡述筒體內(nèi)壁馬鞍焊接機(jī)器人焊接系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且針對筒體內(nèi)壁空間狹小的特點(diǎn)首次提出“三軸一體”的設(shè)計(jì)方案。

1　馬鞍焊接特點(diǎn)

1.1馬鞍焊縫特點(diǎn)

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(yīng)的落差h，稱為馬鞍落差，如圖1所示，上為外馬鞍、下為內(nèi)馬鞍［4-5］。

圖1　筒體與接管相交示意圖

根據(jù)其焊縫特點(diǎn)，滿足馬鞍形焊縫的焊接設(shè)備的運(yùn)動功能應(yīng)有以下幾點(diǎn)：

（1）焊炬沿焊縫繞立管的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

（2）焊炬上下提升以實(shí)現(xiàn)馬鞍落差的運(yùn)動。

（3）焊接時的送絲運(yùn)動

一個完整的馬鞍焊接運(yùn)動系統(tǒng)應(yīng)能同步實(shí)現(xiàn)焊炬的回轉(zhuǎn)、上下往復(fù)運(yùn)動，以及送絲過程，即焊炬能夠在送絲的同時走出相應(yīng)的馬鞍曲線。

1.2馬鞍曲線方程

如圖1所示，設(shè)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(zhuǎn)角；r為立管半徑；R為橫管半徑；z為焊炬馬鞍落差。

焊炬運(yùn)動滿足上述方程時，可以形成馬鞍軌跡，實(shí)現(xiàn)馬鞍焊接［6］。

2　焊接系統(tǒng)運(yùn)動分析

2.1技術(shù)要求

考慮到作業(yè)對象和焊接環(huán)境的特殊性，要將焊接機(jī)器人能夠替代人工進(jìn)行焊接，實(shí)現(xiàn)馬鞍焊接的自動化作業(yè)，需要內(nèi)壁馬鞍焊接機(jī)器人的焊接系統(tǒng)滿足如下要求：

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)要緊湊，結(jié)構(gòu)要簡單

機(jī)器人需在筒體內(nèi)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(tǒng)需結(jié)構(gòu)緊湊、簡單。

（2）具有較好的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性

由于焊接機(jī)器人是針對目前管焊接存在的問題進(jìn)行的研發(fā)，故所設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人要有好的實(shí)用性和較高的性價比。

（3）較高的精度

機(jī)器人應(yīng)具有較高的定位精度，馬鞍曲線軌跡精度，以滿足焊接質(zhì)量高的要求。

2.2運(yùn)動分析

本焊接系統(tǒng)具有三個運(yùn)動：焊炬沿焊縫繞立管的回轉(zhuǎn)運(yùn)動、焊炬上下提升以實(shí)現(xiàn)馬鞍落差的運(yùn)動和焊接時的送絲運(yùn)動。實(shí)現(xiàn)三個運(yùn)動的方案分析：

（1）焊炬沿焊縫繞立管的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。如圖2所示，采用步進(jìn)電機(jī)帶動齒輪副運(yùn)動，從動輪通過花鍵與回轉(zhuǎn)軸連接，使回轉(zhuǎn)軸在電機(jī)的驅(qū)動下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)焊接過程中焊炬沿焊縫旋轉(zhuǎn)一周的運(yùn)動。

圖2　回轉(zhuǎn)運(yùn)動簡圖

整個焊機(jī)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(jī)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(zhuǎn)精度。定位軸不可以回轉(zhuǎn)，為固定軸。

（2）焊炬上下提升以實(shí)現(xiàn)馬鞍落差的運(yùn)動。如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠上的滑塊做上下往復(fù)運(yùn)動，將焊炬安裝在滑塊上，從而實(shí)現(xiàn)馬鞍落差運(yùn)動。

圖3　提升運(yùn)動簡圖

（3）焊接時的送絲運(yùn)動。送絲電機(jī)驅(qū)動主齒輪和主送絲輪旋轉(zhuǎn)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過上述分析，設(shè)計(jì)出將回轉(zhuǎn)軸、定位軸及絲杠結(jié)構(gòu)高度緊湊的“三軸一體”焊接系統(tǒng)，如圖4所示。該焊接系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、提弧機(jī)構(gòu)及送絲機(jī)構(gòu)組成。

圖4　焊接系統(tǒng)機(jī)構(gòu)示意圖

3.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)焊炬沿著焊縫做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。如圖5所示，將定位軸1與電機(jī)4同時固定在箱壁上，通過齒輪傳動副帶動回轉(zhuǎn)軸2繞定位軸1旋轉(zhuǎn)，將焊炬固定在回轉(zhuǎn)軸2上，從而實(shí)現(xiàn)焊接過程中焊炬沿焊縫的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖5　回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖

3.2提弧機(jī)構(gòu)

提弧機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)焊接過程中焊炬的馬鞍落差補(bǔ)償，即焊炬的上下運(yùn)動。如圖6所示，固定在回轉(zhuǎn)軸2上的電機(jī)1，帶動絲杠3轉(zhuǎn)動，焊炬固定在螺母4上，由此實(shí)現(xiàn)焊炬隨回轉(zhuǎn)軸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時完成馬鞍落差補(bǔ)償。

圖6　提升機(jī)構(gòu)示意圖

提弧機(jī)構(gòu)中焊炬馬鞍落差z，需根據(jù)焊炬回轉(zhuǎn)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(shè)主軸的轉(zhuǎn)速為v，其轉(zhuǎn)角θ，則轉(zhuǎn)角隨時間t的變化為

焊炬的回轉(zhuǎn)運(yùn)動數(shù)學(xué)模型可表示為

x2+y2=r2

焊炬上下往復(fù)運(yùn)動隨時間t的變化的數(shù)學(xué)模型也可表示為

3.3送絲機(jī)構(gòu)

送絲機(jī)構(gòu)一般可以分成為兩輪送絲和四輪送絲機(jī)構(gòu)，由于受到整體空間限制，焊接系統(tǒng)將采用兩輪推式送絲機(jī)構(gòu)。主要由送絲電機(jī)、壓緊機(jī)構(gòu)、焊絲導(dǎo)向管等組成。送絲電機(jī)驅(qū)動主送絲輪和主齒輪旋轉(zhuǎn)，通過主動齒輪和從動齒輪嚙合傳到壓緊輪上，焊絲經(jīng)過導(dǎo)向管在兩輪之間通過，使進(jìn)入焊炬的焊絲比較直，在焊接的過程中不會發(fā)生卡絲現(xiàn)象。如圖7所示。

圖7　送絲機(jī)構(gòu)示意圖

4　結(jié)束語

綜上分析得出：

（1）所研制的筒體內(nèi)壁馬鞍焊接機(jī)器人焊接系統(tǒng)，取代了內(nèi)馬鞍手工焊接，且結(jié)構(gòu)簡單、成本低，焊接質(zhì)量穩(wěn)定且焊縫美觀，有較好的市場前景。

（2）焊接系統(tǒng)采用“三軸一體”緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大縮小了沿立管直徑上的體積，適于筒體內(nèi)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(tǒng)同樣適用于密排立管的外馬鞍管—管焊接技術(shù)上。

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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(xiàn)標(biāo)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(dǎo)師，研究方向：機(jī)械制造及其自動化。