空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周青青，陳志平，張巨勇，徐恩道

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周青青，陳志平，張巨勇，徐恩道

(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

文中為提高某種新型空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的裝配精度，對(duì)該節(jié)點(diǎn)的構(gòu)型特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念與手段開(kāi)發(fā)了一臺(tái)六自由度的空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)。通過(guò)調(diào)整裝配機(jī)的末端執(zhí)行器給節(jié)點(diǎn)支腿提供標(biāo)準(zhǔn)位姿，作為節(jié)點(diǎn)支腿的焊接工裝。研制開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并運(yùn)用點(diǎn)位控制的方法獲得了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與理論計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的自動(dòng)裝配機(jī)精度良好，達(dá)到了使用要求，同時(shí)節(jié)省了資源和降低了能耗。

鋼結(jié)構(gòu)；復(fù)雜節(jié)點(diǎn)；自動(dòng)裝配

引 言

衡量鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)在一個(gè)國(guó)家的發(fā)展?fàn)顩r，最直觀的指標(biāo)就是建筑用鋼量占全部鋼產(chǎn)量的比率[1]。2010年，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的用鋼量達(dá)到了3 000多萬(wàn)噸。盡管我國(guó)鋼材產(chǎn)量連續(xù)數(shù)年位居世界第一，但鋼結(jié)構(gòu)建筑的用鋼量?jī)H占全部鋼產(chǎn)量的5%，而日本和美國(guó)均已超過(guò)50%，在這方面我們和發(fā)達(dá)國(guó)家相比有著巨大的差距[2-3]。盡管無(wú)論從發(fā)展速度還是從發(fā)展規(guī)模來(lái)看，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)均處世界前列，但要實(shí)現(xiàn)其健康可持續(xù)發(fā)展，仍有許多問(wèn)題亟待解決。如鋼節(jié)點(diǎn)的耗鋼量占整個(gè)鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)用鋼量的15%～20%[4]，在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)裝配中，需要生產(chǎn)大量工裝對(duì)其進(jìn)行裝夾定位，不但費(fèi)時(shí)，增加成本，還會(huì)浪費(fèi)大量鋼材[5]。

目前各種新型鋼結(jié)構(gòu)建筑和設(shè)施層出不窮，隨著審美觀念的提高，新的設(shè)計(jì)理念和方法以及計(jì)算機(jī)軟硬件的更新使鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)節(jié)點(diǎn)的裝配精度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)加工與裝配方法已越來(lái)越不適應(yīng)這些要求。因此，有必要從工程實(shí)際出發(fā)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念與手段研制新的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)。

本文以工程項(xiàng)目中某一型號(hào)的空間鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，以提高鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的裝配精度、節(jié)省資源、降低能耗等為目的，開(kāi)發(fā)了一臺(tái)空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)。

1 空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)分析

本文通過(guò)調(diào)研和各類空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)構(gòu)型特點(diǎn)的對(duì)比分析，從工業(yè)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)相融合的視角審視空間鋼結(jié)構(gòu)曲面造型，研究了節(jié)點(diǎn)成形理論。以工程項(xiàng)目中某一型號(hào)的空間鋼結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)為例，如圖1(a)所示，節(jié)點(diǎn)是空間桁架的聯(lián)接樞紐，采用焊接連接。其中，單個(gè)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)重達(dá)130 kg，分別由上下2個(gè)六邊形平板外延6個(gè)支腿，6個(gè)支腿的截面為標(biāo)準(zhǔn)的矩形方管口，但位姿各異，上下2個(gè)六邊形空間錯(cuò)位,如圖1(b) 所示，為保證矩形方管口的標(biāo)準(zhǔn)形狀，6個(gè)支腿的上下表面必然是形狀各異的過(guò)渡曲面，在實(shí)際加工中變得更加復(fù)雜。該項(xiàng)目中共有200個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的支腿(牛腿)連接方向和扭曲角度各不相同，因此無(wú)法采用同一個(gè)工裝或模具。若采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要單獨(dú)開(kāi)模，模具重復(fù)利用率低，成本高；若采用焊接節(jié)點(diǎn)，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要不同的工裝，傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)裝配主要依靠三維模型借用裝配工裝進(jìn)行手工定位，定位精度低，工裝成本高，裝配效率低。因此，有必要從工程實(shí)際出發(fā)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念與手段研制新的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)。

圖1 某工程項(xiàng)目中的鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)

2 空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)工作原理

根據(jù)上述節(jié)點(diǎn)的基本特征，建立了用于其裝配的裝配機(jī)理論模型，如圖2所示。圖2中，左側(cè)為方位回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，作為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配的工作平臺(tái)；右側(cè)是一個(gè)5自由度機(jī)構(gòu)(3T2R)，通過(guò)一個(gè)機(jī)械手和定位板給節(jié)點(diǎn)提供支腿標(biāo)準(zhǔn)位姿，作為節(jié)點(diǎn)支腿的焊接工裝，裝配機(jī)末端執(zhí)行器為定位板。節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)含有6個(gè)自由度，即6個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，由底座、平行機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)等組成。平行機(jī)構(gòu)可采用模塊化設(shè)計(jì)，用于預(yù)裝機(jī)的X、Y、Z軸向運(yùn)動(dòng)，它由絲杠、滑臺(tái)、導(dǎo)向支撐座、軸承座、渦輪減速器、200W電機(jī)等部件組成，行程約350mm，移動(dòng)速度約6 mm/s。渦輪減速器帶自鎖功能，單獨(dú)的平行機(jī)構(gòu)模塊含有1個(gè)自由度；旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含100 W的電機(jī)、帶自鎖功能的渦輪減速器、靠山板、連接板等，行程為-20°～20°，轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為2°/s，此機(jī)構(gòu)包括2個(gè)自由度；轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)由減速箱、400 W電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、定位夾具等組成，其旋轉(zhuǎn)行程為0°～340°，旋轉(zhuǎn)速度約為2.5°/s，此機(jī)構(gòu)包括1個(gè)自由度。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證該自動(dòng)裝配模型的實(shí)用性。首先設(shè)置裝配機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后采集某一型號(hào)節(jié)點(diǎn)各個(gè)支腿(牛腿)的空間姿態(tài)，利用一套自主設(shè)計(jì)的正、逆解算法得到自動(dòng)裝配機(jī)在裝配某一型號(hào)節(jié)點(diǎn)的6個(gè)支腿各個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)的理論旋轉(zhuǎn)角度和位移，見(jiàn)表1。如圖3所示，利用伺服電機(jī)可控、高精度等特性，運(yùn)用點(diǎn)位控制法在裝配機(jī)上實(shí)現(xiàn)支腿空間位姿，對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)所做的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，得到各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)可從伺服電機(jī)的編碼器中取出相關(guān)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后得到各關(guān)節(jié)的位移量，見(jiàn)表2。

表1 裝配節(jié)點(diǎn)6個(gè)支腿各個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)的理論數(shù)據(jù)

圖3 運(yùn)用點(diǎn)位控制法實(shí)現(xiàn)支腿空間位姿

表2 裝配節(jié)點(diǎn)6個(gè)支腿各個(gè)機(jī)械關(guān)節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)

對(duì)比表1和表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：已知各個(gè)支腿的空間位姿，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的正、逆解算法得出的自動(dòng)裝配機(jī)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量與實(shí)驗(yàn)仿真得到的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)很接近，不影響節(jié)點(diǎn)的裝配精度。其中2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的最大偏差角度為0.07°，發(fā)生在裝配第2個(gè)支腿，Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)偏差時(shí)；3個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)的最大偏差位移為0.03 mm，發(fā)生在裝配第3個(gè)支腿，X軸向直線移動(dòng)出現(xiàn)偏差時(shí)。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的自動(dòng)裝配機(jī)運(yùn)用性很好，且誤差小，裝配精度良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文為解決工程項(xiàng)目中一類新型鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)裝配時(shí)對(duì)安裝精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高等問(wèn)題，研制了1臺(tái)六自由度空間鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)自動(dòng)裝配機(jī)，利用一套自主設(shè)計(jì)的正、逆解算法得到了自動(dòng)裝配機(jī)所需要的各關(guān)節(jié)相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明自動(dòng)裝配機(jī)裝配精度良好。

[1] 譚堅(jiān), 區(qū)彤, 李松柏,等. 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2011(S1): 829-835.

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[3] 陳霆.大型體育館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].山西建筑，2011，37(24):100-101.

[4] 楊林青，仲明明，沙蓓，等. 大型屋頂光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)網(wǎng)架設(shè)計(jì)[C]//第十一屆中國(guó)光伏大會(huì)暨展覽會(huì)會(huì)議論文集. 南京：東南大學(xué)出版社，2010.

[5] 劉偉, 王若竹. 鋼結(jié)構(gòu)住宅的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2008, 25(3): 27-29.

周青青(1988-)，女，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

Structure Design of Space Steel Structure Complex Joint Automatic Assembly Machine

ZHOU Qing-qing，CHEN Zhi-ping，ZHANG Ju-yong，XU En-dao

(CollegeofMechanicalEngineering,HangzhouUniversityofElectronicTechnology，Hangzhou310018,China)

In order to improve the assembly accuracy of a new kind of complex steel structure connection, the structure characteristics of this joint is analyzed. An automatic assembly machine with six degree of freedom is developed with the modern design philosophy and methods. The standard pose, which is used as the welding fixture for joint legs, is provided by adjusting the end effector of the machine. A prototype is developed for experiments and the related data, which is compared with the theoretical data, are obtained by point control method. The result shows that the automatic assembly machine has a good accuracy and it satisfies the requirement. Meanwhile, it can reduce the resource and energy consumption.

steel structure; complex joint; automatic assembly

2013-11-20

TH24

A

1008-5300(2014)01-0058-03