焊接機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

何成文

（太原市科技評(píng)估中心，山西 太原 034000）

引言

隨著工業(yè)機(jī)器人行業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已普及到各行各業(yè)。在一些工作環(huán)境十分惡劣，且需連續(xù)不斷提供焊接作業(yè)的工作場(chǎng)所，人力提供焊接較為困難，焊接機(jī)器人成為解決這一問(wèn)題的主力軍。焊接機(jī)器人可以在惡劣的工作環(huán)境下提供連續(xù)不斷的焊接作業(yè)，降低工作生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)焊接機(jī)器人由于程序化的設(shè)置，可進(jìn)行流程化作業(yè)，提供持續(xù)穩(wěn)定的高質(zhì)量焊接作業(yè)，可降低人員要求與成本預(yù)算。本文擬針對(duì)日常焊接作業(yè)中常見焊縫，針對(duì)性設(shè)計(jì)出一臺(tái)焊接機(jī)械臂，并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)仿真分析，以期對(duì)企業(yè)焊接技術(shù)發(fā)展有所幫助。

1 焊接機(jī)械臂功能設(shè)計(jì)分析

在日常焊接作業(yè)中，對(duì)于直線型的鋼板焊縫以及直角或非直角類的鋼管相交的相貫線焊縫采用人工焊接方法存在困難。本文擬針對(duì)該類焊縫設(shè)計(jì)出一臺(tái)專用小型焊接機(jī)械臂，以滿足企業(yè)日常生產(chǎn)需求，其焊接的對(duì)象如圖1 所示。

圖1 焊接機(jī)械臂焊接對(duì)象示意圖

在功能方面，由于機(jī)械臂的主要功能為實(shí)現(xiàn)工作對(duì)象的焊接作業(yè)，故焊接功能必不可少；同時(shí)，焊接機(jī)械臂需依據(jù)焊縫的位置不斷輸入信號(hào)變換焊槍位置，從而形成特定軌跡，完成焊接作業(yè)，故焊接機(jī)械臂也應(yīng)具有定位功能，完成焊接作業(yè)。在性能方面，焊接機(jī)械臂需滿足工作空間、負(fù)載以及焊接速度的要求。其中，負(fù)載主要是焊接作業(yè)時(shí)機(jī)械臂的慣性力以及自重；速度要求需符合焊接工藝，與焊接的作業(yè)方式相匹配[1-2]。

2 焊接機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

焊接機(jī)械臂能否完美完成設(shè)定的焊接作業(yè)任務(wù)，其中最關(guān)鍵的因素是焊接機(jī)械臂結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì)是否合理，其對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)軌跡的控制至關(guān)重要。在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了需考慮焊接任務(wù)需求外，還應(yīng)對(duì)機(jī)械臂的經(jīng)濟(jì)性、可靠性以及高效性進(jìn)行考慮。

2.1 結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)選型

2.1.1 驅(qū)動(dòng)方式

驅(qū)動(dòng)設(shè)備是焊接機(jī)械臂的主要?jiǎng)恿?lái)源。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備主要分為液壓、氣壓以及電機(jī)三種驅(qū)動(dòng)方式。由上述需求分析可知，焊接機(jī)械臂的設(shè)計(jì)需滿足精準(zhǔn)的定位需求及其相應(yīng)的力學(xué)負(fù)載能力，定位精度主要用于平面定位，載荷主要由兩個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行承受，這就要求驅(qū)動(dòng)設(shè)備需滿足高精度且設(shè)備運(yùn)行需靈敏，故本設(shè)計(jì)擬選用交流伺服電動(dòng)機(jī)中的步進(jìn)電機(jī)。

2.1.2 傳動(dòng)方式

機(jī)械臂的傳動(dòng)一般有齒輪傳動(dòng)、行星輪傳動(dòng)、齒輪齒條傳動(dòng)和諧波傳動(dòng)等傳動(dòng)方式。大小臂由于需承受載荷，故選用推力圓錐滾子軸承加行星減速器的組合。大臂與小臂之間選用齒輪傳動(dòng)，可為后續(xù)的使用提供方便。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需在Z 軸方向直線與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)該機(jī)構(gòu)要求質(zhì)量要輕，結(jié)構(gòu)需緊湊，故本文進(jìn)行了如下頁(yè)圖2 所示的設(shè)計(jì)。其中，大小臂電機(jī)選擇三菱的交流伺服電機(jī)HF-KN23（B）J-S100，減速器選擇上海柯雄FBR60-70-S2-P1。

圖2 傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2.1.3 機(jī)械臂大小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂的大臂與小臂為焊接機(jī)械人的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該部位運(yùn)動(dòng)多、受力復(fù)雜且承受載荷較大，在運(yùn)行過(guò)程中需承受較大的慣性力和震動(dòng)沖擊，極易發(fā)生損壞，故該部位設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)具有較高的剛性強(qiáng)度，同時(shí)部件本身質(zhì)量應(yīng)較輕，以達(dá)到反應(yīng)快、加速好、運(yùn)行穩(wěn)、定位準(zhǔn)、強(qiáng)度大、承載力強(qiáng)等性能目標(biāo)。

機(jī)械臂大臂設(shè)計(jì)為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)，第一個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)為行星式，可使機(jī)械臂大臂運(yùn)行靈活，同時(shí)伸出軸具有行星架，可使兩軸拉緊增強(qiáng)剛性，保證大臂穩(wěn)定運(yùn)行。第二關(guān)節(jié)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂軸，可通過(guò)齒輪傳動(dòng)使小臂實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。機(jī)械臂小臂豎直移動(dòng)設(shè)計(jì)為蝸輪蝸桿減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)。其中，齒條在立軸之上，齒輪傳動(dòng)與電機(jī)在上臂上。立軸內(nèi)設(shè)計(jì)內(nèi)轉(zhuǎn)軸，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，減輕重量。內(nèi)轉(zhuǎn)軸下方設(shè)置擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，各部件轉(zhuǎn)動(dòng)、升降設(shè)置獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

通過(guò)上述對(duì)焊接機(jī)械臂進(jìn)行分析后，可對(duì)焊接機(jī)械臂進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械臂具體可分為基座、大臂、小臂等，部件由4 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和1 個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)連接。大臂采用螺栓連接與基座連接，可在基座軸平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，小臂與大臂立軸連接，可在立軸平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，小臂外設(shè)升降立軸，立軸設(shè)內(nèi)轉(zhuǎn)軸，內(nèi)轉(zhuǎn)軸鉸接腕部擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)焊槍的靈活動(dòng)作。其具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖3 所示。為降低研發(fā)與制造成本，縮短設(shè)計(jì)研發(fā)期限，本設(shè)計(jì)所使用部件盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件，以降低成本，提高效率。

圖3 焊接機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3 機(jī)械臂動(dòng)力仿真分析

由于機(jī)械臂所設(shè)計(jì)的焊接對(duì)象為直線焊縫與相貫線焊縫，故本文擬采用ADAMS 軟件分別對(duì)兩種焊縫進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，其末端軌跡示意圖如圖4 所示。

圖4 動(dòng)力學(xué)末端軌跡示意圖

對(duì)仿真數(shù)據(jù)分析后可知，機(jī)械臂大小臂的旋轉(zhuǎn)角度、角速度、加速度、力矩在運(yùn)行過(guò)程中變化平穩(wěn)，未出現(xiàn)較大波動(dòng)現(xiàn)象；焊接過(guò)程較為平滑，符合焊接工藝要求。由于大臂與小臂為整個(gè)焊接機(jī)械臂中載荷承受的關(guān)鍵點(diǎn)，故對(duì)大臂與小臂進(jìn)行了力矩分析。運(yùn)用ADAMS 分析可知，大臂關(guān)節(jié)所受最大關(guān)節(jié)力矩為39 N·m，小臂的最大關(guān)節(jié)力矩為51 N·m，大臂驅(qū)動(dòng)所選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為HF-KN23(B)J-S100,小臂選用的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為HF-KJ13(B)J-S100，其額定力矩分別為134.4 N·m、64 N·m，最大力矩分別為420 N·m、200 N·m，大小臂關(guān)節(jié)力矩均符合電機(jī)設(shè)置，故該機(jī)械臂設(shè)計(jì)符合實(shí)際使用要求[3-5]。

4 結(jié)論

1）焊接機(jī)械臂主要針對(duì)直線焊縫與相貫線焊縫；在功能方面，需有焊接功能和定位功能；在性能方面，焊接機(jī)械臂需滿足工作空間、負(fù)載以及焊接速度的要求。

2）依據(jù)焊接機(jī)械臂的使用需求，設(shè)計(jì)出了機(jī)械臂的整體結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析。

3）經(jīng)力學(xué)仿真分析后發(fā)現(xiàn)，機(jī)械臂大小臂的旋轉(zhuǎn)角度、角速度、加速度、力矩運(yùn)行變化平穩(wěn)；臂關(guān)節(jié)所受最大關(guān)節(jié)力矩為39 N·m，小臂的最大關(guān)節(jié)力矩為51 N·m，所選電動(dòng)機(jī)額定力矩分別為134.4 N·m、64 N·m，最大力矩分別為420 N·m、200 N·m，大小臂關(guān)節(jié)力矩均符合電機(jī)設(shè)置，各節(jié)點(diǎn)力矩符合要求。