舰船焊接机器人地设计与分析(ⅰ)

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第3卷第1—2期常熟高专学报V0I．3No．1—21994年6月JournalofChangshuCollegeJun．1994舰船焊接机器人的设计与分析(]卜157董金城钱炜3t7tz~-2．3摘要根据建造舰船的需要．研制7一种小型的采用高速旋转电弧_片接法的五自由度自行式焊接机器人泰文首先叙述j其机械系统的总体设计和操作机的运动学分析。其余部分将在后续文章中加以讨论。词一～、-——～’、—一貌州r制J迄0一、序言．焊接是舰船制造的关键工艺之一。据统计，船体焊接工作量约占其制造总工作量的30～40左右(其中角焊缝又

2、约占船体各类焊缝总数的70)。舰船焊接结构的特点是：尺寸大；单件生产多；船体内部特别是底层结构焊接时的工作场地窄，劳动条件差；焊接路径偏差大，要求随时调整等。因此逐步提高造船焊接自动化水平具有积极而现实的意义。目前虽然有些角焊缝已采用重力焊接、CO：半自动焊等高效焊接方法，但它们仍离不开手工操作，受人的影响大，不能大幅度地提高焊接效率，致使舰船制造周期仍较长，成本仍较高，而且焊接质量有时也难以保证如成功地采用机器人焊接，则不但可以减轻焊工劳动强度，提高焊接生产率，缩短造船周期，而且可以降低成本，保证质量。根据对作业和任务特点的分析，在考虑本类焊接机器人的选型时，需

3、要一种不依靠轨道但能自动跟踪焊缝，且能适应各种变化情况、自行调整工作参数和可以重新编程，能适应多品种少批量生产特点的焊接机器人。因此一个满足上述要求的机器人系统应具有：1、适合于角焊缝的跟踪装置。2、应用于焊接的计算机专家系统，以提供最忧的焊接规范参数，保证角焊缝的质量。3、不需要导轨的自行式尺寸小重量轻的机器人本体，以适台狭窄空间的角焊缝和长角焊●缝的焊接4、能对机器人运动实现精确定位和控制的次级控制系统。5、方便的人机对话功能，并能实现多台机器人协同作业的机器人群控高级控制系统。本文的任务是从机器人系统的机械学方面，首先叙述对机器人机械总体设计的研究成果，并随

4、后对操作机构的运动进行分析。二、总体设计冉见船连造中所需焊接的钢板R寸较大．有的平直角焊缝长度约为20米。所以若采用固定维普资讯http://www.cqvip.com72常熟高专学报(自然科学版)1994正式焊接机器人，则工件(焊接钢结构)就必须移动．这不但需要庞大的移动设备-还要相应地增大作业场地。显然，这样做很不经济，也是不切实际的。为此选用无轨道自行式焊接机器人的方案，由机器人移动而工件固定不动。在作业对象的调查统计中又了解到，有的舰船隔板的间距比较小，考虑到机器人使用中的通用性，对机器人的宽度尺寸要求小於400毫米，这样一来，考虑到机器人运行中的稳定性，

5、再考虑到焊接工艺的要求，即采用高速旋转电弧焊后，焊枪的工作要常处·在平直角焊缝的45*位置上(如图1所示)。所以机器人的高度必须很低矮。总体设计时在满足上述外形尺寸等要求的前提下，还考虑了机器人使用中圈1图2的灵活性，对不同方向角焊缝的适应性，以及在尽量简化机械结构的同时，能否扩大机器人的焊接工艺范围等问题。根据这些设计要求，集中分析研究了确定机器人的自由度数目以及选择坐标形式等问题。它们不但是机器人机械系统设计中的关键，也是机器人控制系统设计的基础，自由度数和坐标形式选定得是否恰当，直接影响到软件编制的复杂程度，间接影响到实时控制的速度能否满足焊接作业的要求a经

6、过各种方案反复的比较和论证，最后确定了如简图2所示的总体设计方案。机器^的下部是自行式小车(行走机构)，上部是操作机(工作机构)。共有五个自由度。在直角坐标系中，将自行小车的行走方向定为{胥Y轴的移动。工作机构是球坐标型RRRH四自由度空间机构。其中机器人蹊关节绕z轴的转动，可用来对拐角处进行连续的焊接操作；机器人臂绕Y轴的转动，可用来对拐角处的立角焊缝进行焊接；机器人腕绕x轴的转动，可以用来对法兰等一些圆形零件进行焊接；最后，机器人臂可沿x轴伸缩，晟大移动量h一160mm。这样的设计满足了预期的各种要求。具体的结构特点是：●(1)具有复合关节(2)减速装置用谐波

7、减速器(3)焊枪的移动采用滚珠丝杠传动。(4)最后一个关节(焊枪的旋转)，并不在机器人的最高处。其结构简图如图3所示。外形尺寸：长：340mm宽：290mm高：380mm重：约30kg运动参数：焊枪运动：沿x轴移动h一160mm囤维普资讯http://www.cqvip.com第1-2期董金城钱炜：舰船焊接机器人的设计与分析(I)73回转架运动：绕X轴转动一360回转架运动：绕Y轴转动札一+45。～一25。腰座运动：绕Z轴转动帆一+60。～-60。小车运动：沿Y轴移动由于机器人工作时是对焊缝进行坡13仿形，进行实时控制，所以要求各运动部件总重量尽可能小，从而使得运

8、动惯量小，