大型復雜構(gòu)件數(shù)控焊接機床的設計與分析

戴飛銘，聶曉根

(福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350108)

0 引言

焊接是應用廣泛的加工工藝，手工焊接環(huán)境惡劣，對操作者技能要求高且工作強度大，隨著技術(shù)的進步，焊接加工越來越多地采用自動化焊接裝備完成?；诜奖闼徒z，當前自動化焊接裝備主要采用焊接機器人。機器人焊接具有工作空間幾乎能達到一個球體，可以靈活地完成空間曲線接縫的焊接任務，但是在大行程焊接及復雜形體內(nèi)部焊接上存在行程不夠和容易產(chǎn)生干涉等不足。如某工程車焊接車身，車身長超過2m，焊縫不僅分布在車身的外側(cè)，而且在車身內(nèi)部也大量存在;又如大型液壓油箱，為了提高油箱焊接質(zhì)量及避免產(chǎn)生焊縫漏油現(xiàn)象，通常選擇從箱體內(nèi)部焊接或內(nèi)、外接縫同時焊接，焊接機器人都難以適應這些場合的應用。

針對以上問題，以焊接車身和大型焊接油箱為對象，對大行程空間曲線接縫自動焊接的數(shù)控焊接裝備進行了研究和設計，該機采用五軸運動實現(xiàn)焊槍在三維空間中的平移和旋轉(zhuǎn)，可適應大型復雜構(gòu)件內(nèi)、外焊縫的焊接要求。在設計該機床三維模型的基礎上，對該機整機和零部件進行了動、靜態(tài)特性分析和優(yōu)化設計，保證了機床具有良好的動、靜態(tài)特性和優(yōu)良的作業(yè)性能，為大行程空間復雜構(gòu)件數(shù)控焊接機床研制提供技術(shù)支持。

1 機床總體方案設計與分析

1.1 焊件結(jié)構(gòu)分析與加工運動學分析

如圖1 所示分別為某工程車焊接車身和焊接液壓油箱及其焊縫分布圖，由此可知，其焊縫是由復雜的空間線段或曲線構(gòu)成，且焊縫分布在焊件的內(nèi)、外側(cè)。焊接加工中焊槍姿態(tài)是影響焊縫成形和焊接質(zhì)量的一個重要因素，要求焊槍姿態(tài)必須滿足焊接工藝、無碰撞及運動過程中運動平穩(wěn)等要求。為了實現(xiàn)這些焊接任務，在機器人焊接復雜構(gòu)件中通常采用多軸變位機來實現(xiàn)，但大型復雜構(gòu)件因工件較重不適宜使用多軸變位機，理想的加工方式是焊接中工件保持不動，因此不僅要求焊槍具備平動功能，還要求焊槍具有擺動的功能，以保證焊槍軸線在焊接過程中時刻平分相貫線焊縫上各插補點所在位置的二面角，從而達到焊槍以最佳姿態(tài)實現(xiàn)接縫的焊接。

1.2 五聯(lián)動焊接機床的機械本體設計

根據(jù)對焊件特點的分析，為實現(xiàn)焊槍以最佳姿態(tài)進行焊接，該數(shù)控焊接機床至少需要X/Y/Z/A/C五個軸的運動，為此，設計如圖2 所示的機床結(jié)構(gòu)。設計的機床焊槍同時具有三軸平移運動和兩軸旋轉(zhuǎn)運動，平移運動裝置中的Y、Z 軸的十字滑臺安裝在龍門式床身的滑座上沿著X 軸方向運動，焊槍頭的A、C 軸旋轉(zhuǎn)裝置固定連接在Z 軸滑座上沿著豎直上下方向運動，焊槍頭作A、C 軸擺動和旋轉(zhuǎn)，機床為3個直線軸和兩個回轉(zhuǎn)軸的五軸運動系統(tǒng)。

圖1 焊件構(gòu)件及其焊縫模型

如圖2 所示的機床，焊接加工過程中，焊件定位后固定不動，焊槍沿X 軸、Y 軸和Z 軸作直線運動，實現(xiàn)空間焊接軌跡的運動，同時，焊槍分別繞A 軸和C 軸作回轉(zhuǎn)運動，以實現(xiàn)焊槍以最佳姿態(tài)進行焊接，并避免焊槍與工件產(chǎn)生干涉。焊接過程中，焊槍按照設定的速度運動，其速度大小由焊縫、焊接材料和焊接工藝參數(shù)決定，這種結(jié)構(gòu)的機床可實現(xiàn)焊件經(jīng)一次定位裝夾完成工件的完整焊接加工，且定位精度高。同時，結(jié)合焊件的規(guī)格，兼顧適當?shù)母挥嗔浚O計焊接機床X/Y/Z 軸的工作行程為3000mm/2000mm/1500mmA 軸為－120° ～+120°，C 軸為0 ～360°。C 軸可通過軟限位在一定的角度范圍，如0 ～400°，這樣既能實現(xiàn)整周的連續(xù)焊接加工，又可避免線纜和焊絲產(chǎn)生纏繞現(xiàn)象。又根據(jù)焊件加工精度及效率，制定數(shù)控焊接機床的定位精度為± 0.02/1000mm，重復定位精度為0.02mm，最大直線移動速度為2m/min。

圖2 數(shù)控焊接機床加工原理圖

設計傳動結(jié)構(gòu)時綜合考慮工作行程、減小摩擦阻力、提高傳動精度和剛度、消除傳動間隙和減小運動慣量等因素以保證進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性。其中X 軸的進給運動采用伺服電機經(jīng)精密齒輪減速器帶動同步帶驅(qū)動滑座運動;Y、Z 兩軸的進給運動均采用伺服電機通過高精度的滾珠絲杠副驅(qū)動滑座運動;為保證焊槍運動精度高、平穩(wěn)、承載能力強，且能夠承受較大的傾覆力矩，直線運動軸的導軌均采用直線滾動導軌;A、C 兩個回轉(zhuǎn)軸的運動分別采用伺服“電機+同步帶”和“伺服電機+渦輪蝸桿”的傳動方式，“電機+同步帶”結(jié)構(gòu)使得焊槍前臂結(jié)構(gòu)緊密，“伺服電機+渦輪蝸桿”結(jié)構(gòu)具有向自鎖性，并能通過軟件有效地消除反向間隙，調(diào)整磨損間隙，延長傳動副使用壽命。在各軸進給機構(gòu)上采用自動供油方式，定時潤滑機床的摩擦面，同時在機構(gòu)上設置限位裝置，滿足五軸焊接機床工作安全、可靠性的要求。

2 機床結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)特性分析

為便于進行有限元分析，將在CREO 中建立的機床床身結(jié)構(gòu)實體模型，簡化諸如忽略不影響分析結(jié)果的工藝孔、過渡小圓角以及凸臺等。采用焊接結(jié)構(gòu)床身，材料為:Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼，密度ρ=7.8kg/m2，楊氏模量E=200GPa，泊松比μ=0.3。本文選取最薄弱的機床工作狀態(tài)，即將Y、Z 軸的十字滑臺滑移到X 軸橫梁的中間位置，且Y 軸滑枕開到行程最大處。圖3 所示為由CREO 導入到ABAQUS 中并采用2 階六面體網(wǎng)格對整個機床結(jié)構(gòu)離散模型。

圖3 數(shù)控焊接機床床身簡化離散模型

2.1 靜態(tài)特性的分析

靜力學分析是機床結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析的基礎，它不考慮結(jié)構(gòu)的慣性與內(nèi)部阻尼，主要計算在固定載荷作下，結(jié)構(gòu)所承受的應力及應變等長期響應。靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度的關(guān)系:

其式中，Kj為靜剛度系數(shù);Kd為動剛度系數(shù);ξ 為機床阻尼比;Fd為廣義動態(tài)力的幅值;fd為廣義動態(tài)壓偏量的振幅;ω、ωn為激振頻率和固有頻率。

由(1)式可得，當ω =0 時，動靜剛度相等即:Kd=Kj;當相同頻率比λ=ω/ωn條件下，靜剛度與動剛度成線性關(guān)系。

因此經(jīng)過以上分析可知，合理提高機床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率，從而也使提高機床結(jié)構(gòu)的動剛度。本文首先對機床在自身重力作用下整機靜態(tài)特性進行分析，其機床結(jié)構(gòu)的靜態(tài)變形云圖如圖4 所示。

從圖4 中可知在重力作用下，機床在Z 軸方向上的最大變形量為0.6mm，不能滿足該機床的工藝精度要求，需對影響Z 軸形變的支承結(jié)構(gòu)加以改進。為此，通過加寬Y 軸支座長度和增加Y 軸導軌的厚度，大幅提高了機床焊槍頭架的靜態(tài)剛度，如圖5 所示，其在自重下，Z 軸方向上的最大變形量為0.0062mm，并且經(jīng)過計算分析得出其應力值遠低于材料的強度極限應力集中不會影響床身的剛度所以滿足其工藝精度要求。

圖4 機床的靜態(tài)變形云圖

圖5 改進后機床靜態(tài)變形云圖

2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析用于確定設計結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設計中的重要參數(shù)。所以在進行機床主體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時，可以得到其動態(tài)特性即經(jīng)過計算分析可得系統(tǒng)的固有頻率和主振型。

由于作用在機床上的激勵力頻率一般與最低幾階模態(tài)的固有頻率才可能存在重合或接近，高階模態(tài)屬于局部模態(tài)，對于加工質(zhì)量的影響不大，故只研究機床的低階模態(tài)。應用ABAQUS 仿真分析系統(tǒng)對該機床床身進行了模態(tài)分析，得到床身前6 階固有頻率的振型圖，得到如圖6 所示的振型圖和如表1 所示的主振型。

圖6 機床模態(tài)的1 ～6 階振型圖

表1 模態(tài)分析結(jié)果

因此從機床結(jié)構(gòu)的前6 階模態(tài)振動頻率(表1)可知，機床的固有頻率都在正常工作頻率范圍以外由此可以看出其動態(tài)性能較好。即使該機床的前幾階的固有頻率比較低，會在機床的開關(guān)機時會出現(xiàn)共振現(xiàn)象，但是在正常工作狀態(tài)下的激振頻率遠大于固有頻率，因此該現(xiàn)象不影響該機床工藝精度此設計滿足設計需要。

3 結(jié)論

根據(jù)大型復雜構(gòu)件焊接及其加工技術(shù)要求，設計開發(fā)了一款適合大型復雜構(gòu)件焊接的數(shù)控焊接機床，在對機床進行總體設計的基礎上，應用CREO 軟件機床進行了三維實體模型的建立、裝配、運動仿真并應用ABAQUS 有限元軟件對所設計的機床進行靜力分析與模態(tài)分析的基礎上，對機床結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，為一種適應大型復雜構(gòu)件焊接數(shù)控機床的成功開發(fā)提供技術(shù)支持。在此基礎開發(fā)的樣機，達到了預期目標。

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