磨削機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)
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水輪機(jī)葉片在運(yùn)行一段時(shí)間后，表面會(huì)出現(xiàn)因汽蝕、磨蝕而產(chǎn)生的蝕坑，導(dǎo)致水輪機(jī)過流部件，特別是轉(zhuǎn)輪葉片表面快速破壞，不僅降低了水輪機(jī)運(yùn)行效率，而且危及部件的結(jié)構(gòu)安全，使水輪機(jī)工作效率降低，直接影響電站的發(fā)電能力和經(jīng)濟(jì)效益［1］。需要對(duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行修復(fù)作業(yè)，人工修復(fù)葉片工作周期長，間接地降低水輪機(jī)工作效率。采用磨削用機(jī)器人，不僅能縮短檢修周期，還能把工人從繁重、惡劣的工作條件中解放出來，這勢必帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
1復(fù)雜曲面磨削機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案
水輪機(jī)葉片屬于典型的復(fù)雜曲面，下面以水輪機(jī)葉片為例分析復(fù)雜曲面磨削機(jī)器人機(jī)械臂的設(shè)計(jì)方案。水輪機(jī)葉片的80%屬于馬鞍面，15%屬于碗面，其余部分屬于復(fù)雜曲面。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在葉片不同部位對(duì)焊縫的磨削工作，能夠適應(yīng)復(fù)雜曲面的形狀要求，并且磨削作業(yè)面積要達(dá)到葉片的70%，這就要求機(jī)械臂應(yīng)具有多個(gè)可動(dòng)關(guān)節(jié)，但關(guān)節(jié)數(shù)目過多，會(huì)使機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的剛度降低［2］。基于以上分析，設(shè)計(jì)出一種應(yīng)用于復(fù)雜曲面的焊縫磨削機(jī)器人。機(jī)器人本體由移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂和磨削加工單元組成。移動(dòng)平臺(tái)的前后移動(dòng)以及磨削加工單元的上下移動(dòng)和左右擺動(dòng)可以完成在復(fù)雜曲面上的加工作業(yè)。本文針對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)作出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1.1機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)及自由度分析
被修磨葉片表面形狀復(fù)雜，為了保證機(jī)械臂可以修復(fù)葉片表面大部分位置的焊縫，在設(shè)計(jì)上要求機(jī)械臂具有很高的靈活性，能夠加工復(fù)雜曲面70%以上位置的焊縫，同時(shí)要提高機(jī)械臂的剛度要求。水輪機(jī)葉片構(gòu)形復(fù)雜，在水輪機(jī)葉片上650mm×200mm區(qū)域范圍內(nèi)，水輪機(jī)葉片近似為水平面，將該區(qū)域稱為單位修復(fù)作業(yè)區(qū)域。要求移動(dòng)平臺(tái)吸附于某一單位修復(fù)作業(yè)區(qū)域后，機(jī)械臂大臂能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)左右擺動(dòng)、上下俯仰、前后伸縮三個(gè)動(dòng)作，這三個(gè)動(dòng)作保證了機(jī)械臂能夠到達(dá)水輪機(jī)葉片單位修復(fù)作業(yè)區(qū)域內(nèi)的焊縫處。由于葉片在該區(qū)域的焊縫分布的不均勻性、焊縫余高的存在以及該區(qū)域?qū)嶋H存在的曲率，要求機(jī)械臂小臂能夠相對(duì)機(jī)械臂大臂左右擺動(dòng)、上下升降和曲面自適應(yīng)三個(gè)動(dòng)作，這三個(gè)動(dòng)作保證機(jī)械臂能和被磨削的焊縫處在有利的加工位置。基于復(fù)雜曲面的特點(diǎn)對(duì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的要求設(shè)計(jì)了如圖1所示的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂具有5個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)包括大臂左右擺動(dòng)關(guān)節(jié)、大臂上下擺動(dòng)關(guān)節(jié)、大臂前后伸縮關(guān)節(jié)、小臂上下進(jìn)給關(guān)節(jié)和小臂左右擺動(dòng)關(guān)節(jié)。每個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)均具有一個(gè)自由度。其中前三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)用于末端工具的位置和大的姿態(tài)調(diào)整，使作業(yè)工具和葉片表面達(dá)到合適的相對(duì)加工位置，在作業(yè)過程中這三個(gè)關(guān)節(jié)鎖緊，使得軸、大臂、小臂變?yōu)閯偠群玫蔫旒芙Y(jié)構(gòu)。后兩個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)用于控制磨削作業(yè)過程中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。被動(dòng)關(guān)節(jié)是機(jī)械臂為了適應(yīng)曲面的不同曲率的要求而設(shè)計(jì)的。它由彈簧自適應(yīng)裝置構(gòu)成，隨葉片曲率變化來及時(shí)調(diào)整小臂的位姿，使末端磨削加工單元更好的完成對(duì)焊縫的打磨工作。
1.2關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
結(jié)合水輪機(jī)葉片復(fù)雜的曲面特點(diǎn)的要求，設(shè)計(jì)了葉片磨削用機(jī)器人應(yīng)具有的關(guān)節(jié)以及分析了各關(guān)節(jié)具有的自由度。以上5個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)保證了作業(yè)工具對(duì)水輪機(jī)葉片絕大多數(shù)位置的焊縫進(jìn)行較準(zhǔn)確地修復(fù)作業(yè)。每個(gè)關(guān)節(jié)都有獨(dú)自的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)合復(fù)雜曲面的特點(diǎn)，分別對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)予以設(shè)計(jì)。大臂左右擺動(dòng)關(guān)節(jié)通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪帶動(dòng)蝸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)接在軸上的大臂機(jī)構(gòu)的左右擺動(dòng)。大臂的上下擺動(dòng)關(guān)節(jié)通過四連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，如圖1所示，電機(jī)通過絲杠帶動(dòng)BD桿上下滑動(dòng)，BD桿帶動(dòng)AD桿和CD桿上下擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)大臂關(guān)節(jié)的上下擺動(dòng)。大臂前后伸縮關(guān)節(jié)通過滾珠絲杠平臺(tái)傳動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑塊左右運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)大臂前后伸縮關(guān)節(jié)的伸縮運(yùn)動(dòng)。小臂上下進(jìn)給關(guān)節(jié)也是通過滾珠絲杠平臺(tái)傳動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠帶動(dòng)聯(lián)接在它上面的小臂機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小臂上下進(jìn)給關(guān)節(jié)的升降運(yùn)動(dòng)。小臂左右擺動(dòng)關(guān)節(jié)通過電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。小臂的自適應(yīng)關(guān)節(jié)是通過彈簧機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的。
2磨削機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)和受力計(jì)算
2.1機(jī)械臂結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡如圖1所示，圖中EH為大臂的長，MN為小臂的長。根據(jù)葉片空間構(gòu)型進(jìn)行機(jī)械臂作業(yè)空間的分析。機(jī)械臂配合移動(dòng)平臺(tái)的加工范圍要達(dá)到約葉片表面的70%，則每次移動(dòng)平臺(tái)固定后機(jī)械臂的作業(yè)空間如圖2所示。在葉片表面上的加工區(qū)間為面積為1500cm2的環(huán)形區(qū)域，如圖2a中的區(qū)域D。機(jī)械臂加工范圍應(yīng)滿足表1所示。所設(shè)計(jì)的四連桿中，連桿AB、BC、CD、AD、CE的尺寸分別為為:AB=100mm、BC=100mm、CD=150mm、AD=120mm、CE=50mm。最短桿BC的鄰邊AD桿作為固定桿，故所設(shè)計(jì)的四連桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)［3］。其中BD是大臂驅(qū)動(dòng)桿，可通過以下計(jì)算求出其伸縮量。綜上，所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍是:大臂伸縮關(guān)節(jié)行程為100mm，小臂擺幅0°～27°，大臂上下擺幅0°～18°，大臂伸縮行程為100mm，滿足表1所示的范圍要求。
2.2機(jī)械臂主要關(guān)節(jié)受力計(jì)算
由于機(jī)器人對(duì)葉片進(jìn)行修復(fù)的各類作業(yè)中，磨削作業(yè)會(huì)產(chǎn)生最大的反作用力，對(duì)機(jī)械臂的強(qiáng)度和剛度要求最高，因此以磨削作業(yè)為主考慮機(jī)械臂受力［4］。使用測力機(jī)構(gòu)測出磨削時(shí)機(jī)械臂受到的磨削力為200N，壓深力為400N。根據(jù)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖1，可求解出個(gè)各關(guān)節(jié)的受力情況。對(duì)機(jī)械臂小臂關(guān)節(jié)受力情況詳細(xì)分析如下(圖3)。其中FG⊥、FH⊥為G、H兩點(diǎn)的處置紙面的力，F(xiàn)磨為吸附磁體和葉輪表面的摩擦力(因?yàn)殇撲撃Σ料禂?shù)為0.15左右，所以F磨=0.15×800=120N)。因?yàn)镚點(diǎn)處為彈簧結(jié)構(gòu)，不能承受較大的垂直紙面的力，所以令FG⊥約為0，同時(shí)FG為彈簧提供的彈力，而且圖中為彈簧最大壓縮處，同時(shí)為FH力臂最小處。為保證安全，這里也可以令FG為0計(jì)算出FH的最大值，以保證機(jī)械臂的作業(yè)安全。從以上考慮可以得出:FH=750N、FH⊥=158N。
3磨削機(jī)械臂三維模型仿真
根據(jù)以上機(jī)械臂結(jié)構(gòu)計(jì)算尺寸，利用CATIA軟件繪制機(jī)械臂三維模型如圖4所示。
4結(jié)論
在滿足復(fù)雜曲面磨削機(jī)器人設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)雜曲面磨削工藝的要求，設(shè)計(jì)了一種五個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)加一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)形式的磨削機(jī)械臂。所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求，結(jié)構(gòu)尺寸小且剛性好，在移動(dòng)平臺(tái)的配合下能完成焊縫的修復(fù)操作。在后續(xù)的工作中將繼續(xù)對(duì)機(jī)械臂在材質(zhì)的選擇及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性上進(jìn)一步優(yōu)化。