李生保，乌日图，谢振平，康俊峰，杜宏旺

（1.内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特 010051；2.哈尔滨工程大学 自动化学院，哈尔滨 150001）

0 引言

管道对接是管道铺设过程中一个重要的工序，它广泛应用于的油气、天然气输送管道等需要两管对接的行业。鉴于现在大直径管道焊接绝大多数还是采用传统的手工焊接，工作效率低，工作进度慢，对人身伤害大，进而设计一种适合大直径、全位置的焊接机器人对大直径管道铺设具有代表性的意义[1～3]。

1 焊接机器人组成介绍

焊接机器人采用了移动小车式，具有结构简单、便于携带、灵活性好等特点，其三维实体模型如图1所示，具有3个运动机构，分别是周向旋转机构、轴向摆动机构和径向伸缩机构。

图1 焊接机器人结构

周向旋转机构主要由车体、钢带型轨道、主动链轮、链条和张紧机构等组成。周向旋转机构采用齿轮链条机构，电机驱动主动齿轮旋转，齿轮带动链条，链条和钢带的摩擦力促使小车绕驱动方向的反方向运动。这里的链条的外链板具有齿锯，从而增加了链条和钢带的摩擦度。

轴向摆动机构主要由滚珠丝杠、直线导轨、支架等组成。轴向摆动机构采用的是滚珠丝杠—直线导轨机构传动机构，电机驱动滚珠丝杆，丝杆带动丝母在直线导轨上沿轴向来回摆动。

径向伸缩机构就是焊枪调整架的一部分，主要由齿轮、齿条、支架等组成。当电机驱动齿轮，齿轮带动齿条径向升降。

2 焊接机器人的结构设计

2.1 周向旋转机构

周向旋转机构是实现大管径、全位置焊接，以及便于装卸的关键内容。焊接小车是焊接机器人的主要承载体，其结构如图2所示。

图2 周向行走机构

2.2 轴向摆动机构

轴向摆动机构是使焊枪实现在焊道轴向摆动焊接的关节，其结构如图3所示。

图3 轴向摆动机构

2.3 径向伸缩机构

径向伸缩机构是使焊接机器人实现适应径向高度（随着焊道填充叠加）的关节，其结构因焊枪而选取，这里就不过多介绍。

3 运动学干涉分析

大直径管对接焊接机器人的运动学干涉问题就是：当小车环绕管道作旋转运动时，链条和小车车体可能存在干涉的问题。我们先用CAD作出管道和小车的几何关系图，如图4所示；再找出链条和钢带以及和主动齿轮分度圆的接触切点，也就是图8里的C、D两点；再测得小车车体和链条的垂直距离D。

图4 小车与链条的位置示意图

利用几何法，得出OO3与R、∂与OO3的关系：

其中：R为管道的半径，mm；

∂为OD与OO3的夹角，rad；

OO3为焊道中心到主动链轮中的距离，mm。

由式(1)和式(2)得到∂和R的关系式：

利用MATLAB拟合出∂和R关系曲线，如图5所示。

图5 R和∂的关系曲线

由图6可知，R、∂和D是一一对应的。这里我们可以通过CAD作图，通过R和∂确定出D的值，如表1所示。

表1 R、∂和D之间的对应值

利用MATLAB拟合出R和D二者的关系曲线，如图6所示。

图6 R和D二者的关系曲线

由图7可以看出来：R值越大，D的值也就越大。当管道半径取最小值（R=170mm）时，此时D＞0。这就可以得出，无论R取任何值，D都大于0。从而可以得出，链条和小车不存在干涉。

4 运动学仿真

这里对管径为400mm，管壁为10mm的圆形管道进行运动学仿真。设定小车的焊接速度为0.14rad/s，轴向摆动速度为0，从管道顶端顺时针绕一周。利用Pro/E软件对其进行运动学仿真，得到执行机构的位置轨迹和速度曲线，如图7、图8所示。

图7 执行机构的位置轨迹

图8 执行机构的速度曲线

图7可以看出来，焊接机器人执行机构（焊枪）的位置轨迹与焊缝的轨迹相同；图8可以看出，焊接速度起初是一个启动过程，速度增大到0.14rad/s后，趋于稳定，当快到顶端时，开始减速，最后停止。

5 结论

对大直径对接管焊接机器人进行了本体结构设计、运动学干涉分析、运动学仿真和位置仿真。通过上述分析，有利于对大直径对接管焊接机器人的本体结构及运动学特性等深入了解，从而为大直径对接管焊接机器人的生产与运动控制提供了理论依据。

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