【毕业论文】水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟

水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 摘 要 随着世界范围内海洋平台、海洋立管、海底管道等钢结构种类和数量的日益增多，因自然环境载荷因素以及设计不合理等人为因素影响而导致的损伤不可避免，钢结构的水下损伤修复技术也因此而成为当今海洋石油工程领域不可或缺的安全保障配套技术。摩擦叠焊技术是一种新型的固相连接技术，在材料的成型加工尤其是钢结构的水下湿式维修方面具有巨大的应用潜力，因此近 10 年来该技术在欧洲得到了高度重视。我国在这方面的研究工作则刚刚开始起步，尚无成熟可靠的商业化作业产品。 将摩擦叠焊技术应用于水下钢结构维修的关键在于摩擦叠焊焊头的自动化工装夹具，根据欧盟的实践经验来看，主要通过将00并联机器人进行海洋化改造来实现。改造后的够提供重达 1520力，确保摩擦叠焊的成型过程顺利完成。本人在查阅大量文献资料的基础上，了解了应用三维设计软件进行了运动模拟；通过运用机械原理、机械零件等方面的知识完成了机械手主动支链的机构设计；最后进行了整个摩擦叠焊夹持机械手的三维实体模拟，并用述这些工作为我国自主研制开发摩擦叠焊夹持机械手奠定了一定基础。 关键词：摩擦叠焊，并联机器人，结构设计，三维模拟仿真 I 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 of as is in of of is a of its to in So at 0 s in of is no of of in is of to U 00 to of is a of it is to up 5 20 kN to on D D of is of a s 3D I 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 目 录 第一章 绪论 .擦叠焊技术 . 摩擦叠焊技术的出现. . 摩擦叠焊的成型过程描述. . 摩擦叠焊成型技术的特点. . 欧盟对摩擦叠焊技术工业化的有利支持. .联机构 . 并联机构起源. . 并联机构的应用. .文的工作 .二章 并联机器人的工作空间及其理论分析 .统简介和末端姿态描述 .度综合 . 设计空间. 14 寸参数关系. .作空间分析 .三章 摩擦叠焊夹持机械手的结构设计 .动支链结构设计 . 各构件的选型. . 各构件的定位装配. .动支链结构设计 .核计算 . 滚珠丝杠校核计算. . 滚动轴承校核计算. .下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 第四章 机械手运动分析及三维实体模拟 .械手运动仿真. 所用软件介绍. . 运动仿真过程. .际设计达到的工作空间.件图及装配图的三维实体模拟.五章 结论与建议 .论 .议 .考文献 .谢 .V 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 第一章 绪论 擦焊接新技术 摩擦焊接属于固相焊接技术，在许多场合，与电弧焊接比较，因为接头性能优异且高效、低耗、清洁、高精度而具有突出的优势，已经成为当前发展最为迅速的焊接技术。对于水下应用而言，摩擦焊接质量对于水不敏感、不同水深焊接参数几乎没有变化，这是电弧焊接难以比拟的巨大技术优势，所以，摩擦焊接成为当前深水结构物水下维修的热门研究领域。除摩擦螺柱焊 (持下已经成功地应用于深水阳极维修等众多场合之外，摩擦焊接的若干新技术，如英国焊接研究所(发明的搅拌摩擦焊接(摩擦叠焊(径向摩擦焊接(经成为具备良好发展 前景的 21 世纪水下维修新方法。 其中，摩擦叠焊是底管道维修为主要目的的固相焊接技术1。 擦叠焊技术的出现 摩擦叠焊技术的雏形出现于20世纪80年代末期，当时为解决世界知名石油公司K 厚1540国焊接研究所(一系列相应的预钻焊孔之中，通过搭接“缝合(出完整的焊缝而修复了裂纹。由于当时采用圆锥形旋转金属柱销2。 擦叠焊的成型过程描述 1992 年下半年，将其基本单元成型过程描述成为也称为摩擦液体填充过程焊或摩擦柱塞挤出技术 (单元成型过程可以结合图 1述如下：首先在基体母材上预钻一个直径为 9后在孔中高速旋转插入一个直径略小的金属柱销，同时在金属柱销上施加轴向力并保持一定的进给速度。当旋转金属柱销与焊孔底部接触时开始摩擦剪切过程，所产生的摩擦热1 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 使得金属柱销自身在底端的摩擦接触剪切面上发生塑性流动，随着塑性化金属材料不断填充焊孔以及表面杂质的不断排除，摩擦接触剪切界面迅速从焊孔底部上移，同时塑性化材料与焊孔内表面之间达到密切结合。根据材料厚度的不同，单个孔洞填充过程耗时5据预钻焊孔、旋转金属柱销截面几何形状的不同又可以分为圆柱形组合圆锥形组合两大类2。 随后,652),对 元成型过程进行了较为细致的研究,并为参与资助该项目的成员颁发了使用许可证以对该技术进行进一步的开发和工业化应用。 图 1擦塞焊与 元成型过程的不同之处在于,前者是在一个锥形通孔内完成焊接,因而焊接柱塞的直径取决于待焊母材的厚度；而形塞焊的截面图表明,柱塞仅在靠近表面接触区域发生塑性化,而据所需连接对象的实际几何尺寸情况,若干非连续性填充预钻焊孔的相互搭接“缝合”便构成了基本的搭接焊缝成型过程可用图 1象地表示,典型的焊缝成型效果如图1图 1典型的摩擦叠焊成型焊缝示意图 2 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 图 1摩擦叠焊的成型过程示意图 鉴于国内目前尚无该方面相关介绍的公开中文文献,北京石油化工学院海洋工程连接技术中心的相关专家首次在国内将这种以合”工艺命名为“摩擦叠焊”。由此可见, 虽然同样是利用摩擦生热,但摩擦叠焊与惯性摩擦焊、线性摩擦焊、径向摩擦焊尤其是与搅拌摩擦焊在成形连接机理上存在着较大差异2。 擦叠焊成型技术的特点 作为一种固相连接手段,摩擦叠焊技术 基本上保留了摩擦焊接技术的共同优点。图 1出了摩擦叠焊与常规电弧熔焊的工作原理对比示意图,从图中可以看出,摩擦叠焊极大地改变了常规电弧熔焊的工作方式。该技术除了可以连接用普通电弧熔焊方法难以处理的材料外(如不锈钢等钛合金) ,还具有以下优点:因温度低而使得焊接工件变形小；接头力学性能好(包括疲劳、拉伸、弯曲性能),不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷,并且其金相组织因塑性流动而得以细化；焊前及焊后处理简单,而且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊剂；操作简单、适应性好、效率高,用20300速度旋转时,充满 40右的高度耗时仅 15 s；焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪声及弧光等有害物质产生,是一种环保型的工艺方法；不受周围施工环境的影响,能够进行全位置的焊 接,具有适合于自动化和机器人操作的优点。 图 1擦叠焊与常规电弧焊的工作原理比较 3 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 尽管摩擦叠焊是一种新型的材料成型加工技术,但通过分析其成型机理不难发现,除了用于材料的焊接连接之外,该技术还可在以下场 合得到工业化应用: 用于母材裂纹的修理(摩擦铸模技术(零件内外表面的摩擦涂覆技术 (诸如涡轮增压器叶片类零件的固定连接成型技术(根据所应用场合具体情况的不同,旋转金属棒可以采用实心体结构,也可以采用空心体结构2。 盟对摩擦叠焊技术工业化的有力支持 1996年,包括德国国国家高压焊研究中心( 英国瑞典B,葡萄牙e 在内的7家单位联合向欧盟申请了代号为在研制开发基于电动机器人和摩擦叠焊焊头的无人操作水下裂纹修复系统,以此展示摩擦叠焊在海洋工程、海运、国防以及核工业中进行修复作业的巨大潜力。项目总预算约 370 万欧元,起止年限为 1997 年 6 月至2000 年 5 月,其中焊接工艺参数的研究制定工作由 责,并同 套系统完全自动化,可以实现遥控操作。 在 目启动 1 年之后,在研制开发用于深水油气管道修复用的轨道摩擦叠焊系统样机,其中 担焊接工艺参数的评估工作,目总预算约180万欧元,起止年限为1998年12月至2001年8月。 欧盟紧接着又资助了名为 项目,旨在探索利用摩擦叠焊技术进行深水海底管道的遥控不停产在线开孔作业,作业水深 1000 3000m,希望能够将现阶段的类似作业费用降低 50%；参加单位有 S,B 以及英国 项目总预算约137万欧元,起止年限为2001年10月至2003年3月。 得益于上述 3 个欧盟计划项目的连续支持,目前欧洲的一些海洋石油大国已经具备了应用摩擦叠焊技术进行海洋石油钢结构水下裂纹修复和海底油气管道在线开孔的商业化作业能力。此外不难看出,摩擦叠焊技术在海洋石油工业浮式生产储卸油轮(统以及各类工业船舶的无坞就地水下修复、核工业领域沸腾水反应4 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 器(压力水反应器(内部应急修复、国防工业战舰的水下应急修复等方面也存在着巨大的应用潜力。 载水下机器人焊接修复系统)一种水下机器人修复系统，这个系统包括一个海洋化的接修复系统配置在一个大的远程遥控车上，如图10。摩擦叠焊过程需要加载较大的轴向力，通常可达到15 20这样大的力靠人手不可能实现，故需采用机械手来完成，图1 图 1下工作的摩擦叠焊作业系统 图 1器人 5 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 联机构 并联机构英文名为 称 以定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。 联机构起源 并联机构的出现可以回溯至 20 世纪 30 年代。1931 年，其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置，如图1940年，于汽车的喷漆，如图1后， 962 年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置，如图 1示；三年后，将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，如图 1示，这种机构也是目前应用最广的并联机构，被称为 构或 构。从结构上看，个分支中含有一个联接动平台的球铰、一个移动副和一个连接定平台的球铰，为避免绕两个球铰中心连线的自转运动，通常也用一个万向铰来代替其中一个球铰。1978 年， 此拉开了并联机器人研究的序幕，但在随后近10年的时间里，并联机器人的研究似乎停滞不前。直到80年代末90年代初，并联机器人才引起了广泛注意，成为国际研究的热点。 图 1联娱乐装置图 图1并联机构 6 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 图 1联机构 图 1联机构 在国内，燕山大学的黄真教授于 1991 年研制出我国第一台六自由度并联机器人样机(图 11994 年研制出第一台柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿器(图11997年出版了我国第一部关于并联机器人理论及技术的专著。 图1山大学研制的六自由度并联样机 图 1自由度并联误差补偿器 联机构的应用 (1)飞行模拟器 1965 年首次提出把六自由度并联机构作为飞行模拟器，开此应用的先河。目前，国际上有大约 67 家公司生产基于并联机构的各种运动模拟器。图1 司生产的波音 737客机的六自由度飞行模拟器；图 1下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 是图 1波音 737 1行模拟器 8 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 (2)并联机床 并联机器人在工业上的一个突出应用是作为数控加工中心， 又被称为并联机床或虚拟轴机床，是机器人技术与机床技术结合的产物。与传统的串联式加工中心相比，并联机床具有结构简单、传动链短、刚度/重量比大、环境适应性强、响应速度快等特点，特别是很容易实现六轴联动，可用来加工复杂的三维曲面。因此，并联机床又被称为“21 世纪的机床”。20 世纪 90 年代初以来，国际学术界和工程界对并联机床的研究和开发非常重视，投入大量人力物力积极开发，相继推出了多种并联机床产品化样机。图 1美国 司 1994 年在美国芝加哥4博览会上推出的志着并联机构正式进入机床领域。1997 年在德国汉诺威国际机床博览会( 1999 年巴黎国际机床博览会(，又推出了多种并联机床样机。图100 型并联机床。图 1德国 司生产的 6X 型高速立式加工中心。图 1瑞士联邦技术学院研制的 联机床，可以加工长工件 。 图 1联机床 图100 并联机床 9 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 图 1联机床 图 1联机床 图1北大学于1998年研制了五轴联动三杆并联机床16。 图 1联机床 图1- 21 联机床 器人 迄今为止真正投入批量生产和应用的并联机器人只有瑞典上的相关市场，在以波音、通用汽车为代表的航空和汽车工业中已有较广泛应用。下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 型并联机床的发明人是1999年世界金机器人奖(得者卡勒 据美国机械师杂志报道，瑞典 器人公司开发的可以切割、钻孔、铣削的多用途机器人得到更为广阔的应用。这种机器人的加工速度和可靠性都胜过通常的数控机床，也适宜于激光焊接、磨削、装配和物料搬运。 这种型号为00的机器人，采用刚性异常好的一种不同寻常的六轴设计；框架结构中有个线性滚珠丝杠和一些机器人手关节交汇点。由于结构刚性好，可承受的最大压力达 15000N，搬运能力为 70种框形结构的另一优点是挠曲和振动都非常小(这是多关节型机器人经常遇 到的难于解决的问题)，因而工作精度、重复性、定位和路径跟踪精度都很高(重复精度 此外，在可达到的定位速度和精度水平下，这种机器人能提供优化的高速横向移动。瑞士一家主轴制造商将一种带有有源磁力轴承的主轴电动机(100000在而使这种机器人能以高速、高精度加工自由表面和三维几何形状零件。离线编程(最多255条程序)。编程后的机器人不需人工调试，因此加工准备时间要比一般的数控机械缩短3/4以上。 器人最早的型号为 00(如图 1经过多年来的研究和改进，其性能和精度都有了较高的提高。 瑞典00之后开发出的新型05(图105(图1000(图1新型机器人能够更好地完成工业上要求更高的加工任务，具有更高的刚度和加工精度。 图 105 图 105 图 1000 11 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 卡勒组建了原新发明了新一代破了阻碍并联机床发展与应用的诸多瓶颈与障碍，性能指标与易用性均大幅优于前一代 器人和其他类型并联、混联机床，该项技术由 际专利合作协议组织)审定为已通过括中国)获得了发明专利。 在第十届中国国际机床展览会展出了由哈尔滨量具刃具集团有限公司( 简称哈量集团) 引进 司并 联机床世界最新技术开发制造的新一代并联机床捷加工、一次装夹加工、复合角度加工、多重路径混合及消除拖刀纹楞等。 文的工作 当今世界，各个国家都把资源的占有和储存摆在了重要的地位，海底油气资源开发的重要性更是不言而喻。随着海洋油气资源的开采逐步向更深的海底发展，相应油气管道的铺设与维修也将向深海发展。因此，所设计的水下焊接维修系统要深水化、无人化。 本人试图通过对夹持机械手进行结构设计和三维实体模拟，进而在其工作空间找到最优尺寸，使之能够承受重载荷，且焊接质量达到最优。 所设计的机械手应满足以下条件：所夹持摩擦叠焊焊头的最大轴向压力为15000N，最高工作转速为 800012 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 第二章 并联机器人的工作空间及其理论分析 有工作空间大、刚度重量比高、可重构能力强、且可实现末端位置闭环反馈等优点，已被广泛应用于飞机结构件和汽车覆盖件模具的高速加工、发动机缸体的多位姿压力装配以及诸如激光和水射流等多种特种加工。 尺度综合是并联机构运动学设计的核心内容，涉及在给定设计空间后，确定可使操作性能和工作空间机构体积比趋于最优的主动关节变量变化范围和尺度参数。以上述并联机构为对象，在导出尺度参数间关系的基础上，提出一种可使全域综合操作性能趋优的尺度综合方法，并通过算例以示其有效性。 统简介与末端姿态描述 如图2静、动平台铰点构成的等边三角形的形心 立固定参考系 和连 。其中过当主动支链等长时与 和 分别满足右手定则。y3 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 在单闭链 在 系下的位矢OO , ,)可表示为 0 1, 2, 3i( = ) (2 = 式中，R 动平台的姿态矩阵； ， 动平台(从动虎克铰)的两个卡当角； , 主动支链0, 铰点 、 在系 系 下的位矢； i ； ( ； 点 、 在系 和系 下的位置角； 动平台半径； 静平台半径。 此外，点 的位矢还可以表示为 O (2式中, 从动支链杆长和单位矢量； ,0+ |； 。 度综合 写式(2 oi i + ( =1,2,3,) (2。 oi i 由式(2见,当仅考虑主动支链杆长约束 时，机构的可达空间为以 矢端为原点,以 和 为半径所生成6张球面片所辖区域的交集，且 成的平面内，故 W 一定包含一如图2面边界与此，定义该圆柱体为下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 机构的设计空间 。此外，定义当点 与 的顶面中心重合，且 与 平行时，主动支链的单位矢量 ，与 的夹角为如图2由旋转剖所得截平面内, W 与 的切点 ( =1,2,3)为 W 上边界的极值点，且=给定以根据切点和交点方程导出0 和与其他参数间的关系3。 图2达空间的最小截平面 寸参数关系 为方便计，暂略去支链下标。如图2在 平面内,点 在 W 上边界上的坐标为 ( )，铰点 。显见,点 的轨迹满足如下方程 ,)x (,)()xx + = (2注意到 ,故 而点以上两式代入式(2得 O22()()=0222=22()( )+2l=0 (2设切点则由极值条件可导出 (, ) +=0 (215 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 另一方面，因 还可表示为 (, )x() = (2故 与 , 及(ba b a r r + = + 0 (2图2度参数的几何关系 由式(2出 后，还可得到 2()(aT x + +)b)(2又设则有 ,(2()(aC x + +)b(2式中,2 ； 。 最后，还可解出从动支链的最小长度和最大长度 22) (222) (216 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 由上述分析可见，给定旦确定和可确定其他尺度参数为此,称和 为机构的基本设计参数。 作空间分析 综合出尺度参数后，利用可达空间边界一定为约束起作用边界的性质，用数值法可即确定给出仅考虑主动支链杆长约束时，在柱坐标(1)给定和r,以 (k=1，2，3)为约束条件，用黄金分割法沿 z 轴搜索可达空间上、下边界点的 z 坐标。 (2)循环 r,若 使得通过逆解模型解算出对应 的z 坐标小于对应 的z 坐标，则用黄金分割法搜索 ,直至两个 r z 坐标差值的模小于搜索精度。 图2可达空间边界 (3)循环 ，即可求出可达空间边界。 在计算过程中还可得到为达到设计空间边界所需的从动铰转角范围,以便为铰链结构和限位传感器设计提供依据。图2=,按上述算法得到的可达空间三维视图。表1示出达到设计空间边界所需的从动铰转角范围。 表1 从动支链的转角范围 主动支链 从动支链 静平台 动平台 |24 | 24|1|261|242|192|16 17 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 第三章 摩擦叠焊夹持机械手结构设计 体结构设计 如图 2示，平台、3 条可伸缩主动支链和1条可伸缩从动支链组成。各主动支链一端由虎克铰与静平台连接，另一端由球铰与动平台连接；主动支链通过伺服电机动支链两构件通过滑移副连接，一端由虎克铰与静平台连接，另一端直接与动平台刚性连接。在三条主动支链驱动下，该机构末端具有3个点位可控自由度，而姿态是点位的函数。因此，为了使得末端姿态可控，必须在其上串接一2自由度手腕，进而使整个机器人具有5自由度3。 虎克铰17 图3克铰又称为虎克万向节，由两个叉和一个十字轴组成。两个叉分别是主动件和被动件，十字轴是连杆。虎克铰的缺点是转动中速度比不为常数。 图 3克铰的结构示意图 18 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 球铰结构17 图3铰又称球铰式万向联轴器，由球壳、球铰、球头、销轴、扭力滑块、形阶梯通槽、弧形窝等构成。工作时，球壳被动力驱动旋转，并通过销轴、扭力滑块、形阶梯通槽、球头向球铰传送动力。 (a)( 单球铰式) 1 - 外套； 2 - 内套；3 - 沉头铆钉；4 - 耳爪；5 - 空心球 (b)( 双球铰式) 1 - 外套； 2 - 内套； 3 - 沉头铆钉； 4 - 耳爪； 5 - 空心球； 6 - 中间外套； 7 - 中间内套； 8 3铰的结构示意图 联轴器装配后应转动灵活，两端面平整光滑；空心球材质采用机械性能不低于078 中 35 钢的规定；空心球两相交孔轴线的垂直度公差为 爪、长耳爪材质采用机械性能不低于078 中45 钢的规定。耳爪两侧面对称度公差19 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 动支链由滚珠丝杠驱动，是机械手的主要动力来源。其设计方案及各构件尺寸见体如图3动支链主要包括以下构件：滚珠丝杠、联轴器、角接触球轴承、套筒、孔用弹性挡圈、螺栓、螺钉及密封垫圈等。 图 3动支链设计图 1栓；2线轴承；34栓；80丝杠；112345密封圈；167890 各构件的选型 滚珠丝杠选择法兰型单螺帽，型号为 径为 32程为10长为1000长为700他主要尺寸参见文献13所示。 角接触球轴承选择型号为7014C 292径70径110他相关参数参见文献12所示。 10(轴径10料 65处理1，经表面处理的 20 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 螺栓包括 12 两种螺栓。格为 d=6mm,7称长度 =30面氧化处理，0；格为 d=12mm,13称长度 l=35能等级为 ，表面氧化处理，1235。 l直线轴承选择型号为:珠条数为6，内径30径45度64他尺寸参见文献13所示。 伺服电动机选择型号为：西门子1速为1150r/出扭矩为162Nm。其他各项数据详见下表2中所示。 表 2 西门子伺服电机各项数据 伺服电机端盖处应加密封圈，防止海水的浸入，选择代号为118B 主要尺寸及装配尺寸详见文献12所示。 关于主动支链内轴承润滑剂的选择，由于机械手将工作在低温环境中(右)，选择的润滑剂应具有耐低温，在温度极低的情况下不发生凝固的特性，而锂基润滑脂恰恰具有这一特性，故此处的润滑剂选择为锂基润滑脂。