长直焊缝自动焊接设备研究_郑世茂.pdf

2023 年 5 月下127Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备长直焊缝自动焊接设备研究*郑世茂1，刘玉国2，王豪3，王新佩4，陈洪堂1（1.济南大学机械工程学院，山东 济南 250022；2.山东省创新发展研究院，山东 济南 250100；3.山东睿控电气有限公司，山东 济南 250014；4.山东省五金与衡器行业协会，山东 济南 250002）摘要：【目的】长直焊缝焊接是工业焊接技术中的一个技术难点，工业设备中长直焊缝的焊接大多采用手工焊接的方法，存在焊接效率低、焊接质量难以保障的问题。【方法】课题组针对工业设备中长直焊缝焊接工艺的特点和要求，设计了一种直角坐标焊接机器人，进行了直角坐标焊接机器人的运动学推导，利用D-H参数建立了直角坐标焊接机器人的运动学模型，并推导了直角坐标焊接机器人的正运动学公式。【结果】该焊接机器人1轴可以根据焊缝的长度自由调整，结构简单，适用性强，极大地提高了焊接效率，提升了焊接质量。【结论】该直角坐标焊接机器人为工业设备中长直焊缝的焊接问题提出了一种切实可行的自动焊接方法，应用前景广阔。关键词：长直焊缝；D-H参数；焊接；直角坐标焊接机器人中图分类号：TG43；TG409 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.038Abstract:Objective Welding of long straight welding seam is a technical difficulty in industrial welding technology,and the welding of long straight welding seam in industrial equipment is mostly done by manual methods,which has the problems of low welding efficiency and difficult to guarantee welding quality.Method According to the characteristics and requirements of the welding process for long straight welding seam in industrial equipment,the research team designed a right-angle coordinate welding robot,carried out the kinematic derivation of the right-angle coordinate welding robot,established the kinematic model of the right-angle coordinate welding robot using the D-H parameters,and derived the positive kinematic equation of the right-angle coordinate welding robot.Result The 1 axis of this welding robot can be freely adjusted according to the length of the weld seam,with a simple structure and strong applicability,which greatly improves the welding efficiency and enhances the welding quality.Conclusion The right-angle coordinate welding robot provides a practical and feasible automatic welding method for the welding of long straight welding seam in industrial equipment,with broad application prospects.Keywords:long straight welding seam;D-H parameters;welding;right-angle coordinate welding robot1 直角坐标焊接机器人长直焊缝是工业焊接中常见的一种焊缝，车体车身的长直焊缝如图1所示1，并且长直焊缝焊接是工业焊接技术中的一个技术难点。由于机器人工作空间的限制，目前的长直焊缝大多是由焊工手工焊接而成，但是手工焊接的方式工人劳动强度大，工作环境恶劣，生产效率不高，并且存在焊缝质量差、变形大、易出现裂纹、未熔合等焊接缺陷。因此，设计一种设计较为简单，适用性强的自动焊接设备可以提高焊接效率，从而提高具有长直焊缝设备制造的生产率，有着很好的应用前景。目前，直角坐标机器人作为一种系统结构简单、成本低廉的机器人，被广泛应用于焊接、喷涂、码垛、包装、搬运、上下料、装配、印刷等常见的工业生产领域2-3，但是直角坐标机器人的工作空间有限，不合适长直焊缝的焊接。因此本文设计了如图2所示的直角坐标焊接机器人，其运动学模型如图3所示4，可以根据焊缝的长度选择合适长度的直角坐标焊接机器人，为实现长直焊缝的自动化焊接奠定了基础。图1车体车身的长直焊缝2 运动学模型为了简化焊枪相对于焊缝位姿调整的步骤，本文设计的焊枪与机器人的连接机构为加粗弹簧，这样通基金项目：山东省重点研发计划（2018CXGC0808）作者简介：郑世茂（2001），男，山东汶上人，本科，研究方向为车辆工程。通信作者：陈洪堂（1981），男，山东高唐人，硕士研究生，讲师，研究方向为机器人技术。1282023 年 5 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备过手工调整加粗弹簧就可实现焊枪位姿的调整，从而大大减轻了焊工的工作负担5。固定机构1轴2轴3轴焊枪角度调整图2直角坐标焊接机器人图3直角坐标焊接机器人运动学模型为了描述本文设计的直角坐标焊接机器人运动时焊枪末端相对世界坐标系的位置和姿态，按照Denavit-Hartenberg表示法对直角坐标焊接机器人的每个杆件在其关节轴处建立笛卡尔坐标系(Xi,Yi,Zi)，其中i=1,2,3,n（n是自由度数），如图3所示6。根据机器人关节连杆几何参数的定义，求得图 3 所示模型下直角坐标机器人的关节连杆参数ai-1，i-1，di，i，如表1所示7-10。表1D-H模型杆件参数ii-1ai-1dii100d102-900d2-903900d3040a300按照图3中的D-H模型，ai-1，i-1，di，i的定义如下：ai-1为沿着 Xi轴，从Zi移动到Zi+1的距离；i-1为沿着 Xi轴，从Zi旋转到Zi+1的距离；di为沿着Zi轴，从 Xi-1移动到 Xi的距离；i为沿着Zi轴，从 Xi-1旋转到 Xi的距离。由Denavit-Hartenberg表示法可确定联系坐标系i和坐标系i-1的齐次变换矩阵i-1Ti，变换过程为：1）将Xi-1轴绕Zi-1轴转i角，使Xi-1轴与Xi轴对准；2）沿Zi-1轴平移距离di，使Xi-1轴与Xi轴重合；3）沿Xi轴移动距离ai，使坐标系i与坐标系i-1的原点及X轴重合；4）绕Xi轴转i角，使坐标系i与坐标系i-1完全重合。i-1Ti的定义如下：i-1Ti=RX(i-1)DX(ai-1)RZ(i)DZ(di)=0cosi-1sini-1010000-sini-1cosi-1000011000ai-100101000010 cosisini000010-sinicosi000001100000di101000010 =cosicosi-1sinisini-1sini00-sini-1cosi-10-sinicosi-1cosisini-1cosi0ai-1-disini-1dicosi-11（1）机器人末端工具即焊枪到机器人基坐标系的齐次变换矩阵为Tt，得出：04T=01T12T23T34T （2）则运动学方程为：04T=01T12T23T34T=r11r21r310r12r22r320r13r23r330PXPYPZ1 （3）式中，PX=-d3，PY=d2，PZ=a3+d1。3 逆运动学逆运动学直角坐标焊接机器人的逆向运动学问题11-13，即已知连杆的结构参数（表1）和矩阵中的各个元素、机器人本体中电机轴的直径以及减速比等参数，可求解相应的关节变量1，2，3。4 结论本文结合不同长直焊缝自动焊接工艺的特点和要求，设计了一种直角坐标焊接机器人，并利用D-H参数建立了直角坐标焊接机器人的运动学模型14，为长直焊缝的焊接问题提出了一种切实可行的焊接方法。本文设计的焊接机器人1轴可以根据焊缝的长度自由调整，从而拓宽了本文设计的机器人的应用场合，并大大提高了长直焊缝的焊接效率15。参考文献：1 于跃.长直焊缝铣削机器人设计与研究（下转第154页）1542023 年 5 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备3 结论膝部安全气囊是汽车被动安全的重要组成部分，可在汽车发生碰撞时与副驾驶安全气囊、侧气帘等一起保护车内乘员免受伤害。膝部安全气囊按布置位置可分为底置式和中置式，本研究介绍了膝部安全气囊常见的设计要求，如与地毯、仪表板等周边件的匹配要求以及其撕裂线形式和布置要求等，可以为后续车型的开发提供相应参考；同时介绍了某乘用皮卡的膝部安全气囊静态展开试验方法、要求及合格判断依据，完整地阐述了膝部安全气囊从设计到试验的整个设计开发流程。参考文献：1 孙振东，刘玉光.汽车正面碰撞试验中后排乘员伤害特性的研究J.汽车工程，2011，33(8)：664-668.2 周厚林.某轿车膝部气囊保护区域的定义及其气袋设计J.汽车实用技术，2017(13)：83-84+90.3 李丽，朱西产，王晶晶，等.汽车膝部气囊设计与优化J.汽车技术，2014，460(1)：1-6+62.4 王含玉，杨济匡，蒋小晴，等.大客车前碰撞中驾驶员膝部气囊优化设计研究J.机械科学与技术，2015，34(11)：1738-1743.5 栾海，田国红，程海东.膝部安全气囊仿真与优化J.汽车零部件，2023(1)：14-17.6 刘灿灿，刘伟东，何成.正碰中驾驶员侧膝部气囊对乘员损伤影响研究J.科技与创新，2020(6)：46-48+51.7 曾煊.膝部气囊对正面碰撞中驾驶员下肢保护性能研究J.内燃机与配件，2019(7)：215-216.8 潘如杨，张海洋，卢冬梅，等.小膝部空间车型驾驶员膝部伤害及优化J.汽车工程师，2015(3)：23-26.9 王美松.安全气囊性能仿真及优化研究D.广州：华南理工大学，2014.10 王挺.整车安全及膝部安全气囊仿真方法的研究D.合肥：合肥工业大学，2013.D.长春：吉林大学，2016.2 蔡自兴，谢斌 机器人学（第三版）M 北京：清华大学出版社，2015.3 克来格.机器人学导论M.贠超，译.北京：机械工业出版社，2006.4 廖强.直角坐标型弧焊机器人机构与控制方法研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2018.5 林浩.木材上下料直角坐标机器人模拟试验台设计研究D.哈尔滨：东北林业大学，2020.6 王伟.直角坐标机器人运动轨迹跟踪控制D.太原：太原科技大学，2020.7 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