基于运动学建模仿真的大型构件自动焊接系统设计方法 .pdf

学兔兔 t缛搭 一 … 一 基于运动学建模仿真的大型构件自动 焊接系统设计方法 清华大学机械工程系 先进成形制造教育部重点实验室(北京市 100084) 王 力 王 鹏 曾 凯 都 东 摘要 在先进制造领域，许多重要的大型结构件焊接生产有其特殊性和复杂性。因此，要求设计研制具 有多个运动自由度协调数控功能的自动焊接专机系统。阐述了在这类系统设计过程中运动学和动力学建模 仿真的必要性，并针对一种大型椭球薄壁构件自动焊接专机系统的设计，给出了运动学建模及仿真计算的应 用实例。 关键词： 大型构件焊接自动化 多轴数控 运动学建模和仿真 中图分类号： TP271．4 仅就运动学建模和仿真分析方法，在自动焊接专机系 0 前 言 统设计中的应用进行阐述。 在先进制造工业领域，许多重要的大型结构件的 1 系统构成 弧焊生产自动化有其特殊性和复杂性： (1)焊接质量要求高，需要对焊接过程中电弧参 对图1所示的椭球型构件，要求在瓜瓣焊缝椭圆 数(电流、电压等)和焊枪与工件相对位置及运动参数 轨迹自动电弧焊接过程中保证： (位姿精度、轨迹精度、速度精度)等进行严格控制； (1)始终处于平焊位置。 (2)焊缝轨迹为三维几何曲线，给焊缝跟踪对中 (2)始终保持焊枪位于构件椭球母线(平面椭圆 和焊接空间位置控制造成一定困难； 弧)的切点法线。 (3)被焊工件体积和质量大，对焊枪与工件相对 (3)保证焊速恒定。 运动可达范围和运动控制系统动态性能有较大影响。 (4)保证弧长恒定。 对于重要大型结构件的批量生产，一般很难直接 采用商品化焊接机器人系统，而是要有针对性地专门 设计制造自动化焊接系统。这类系统具有多个运动自 由度，在焊接过程中采用多轴数字控制器(CNC)或运 ． ． 动控制器(MC)进行协调联动控制，同时还有必要配置 y 弧长自动补偿调节装置、焊枪自动补偿对中装置、高性 能弧焊电源等。 这类自动焊接专机系统也被称为是一种“机器人 化的机器”。在设计过程中，采用运动学建模和仿真分 析方法，可给出系统各运动自由度行程和速度范围等 图1 具有椭圆轨迹焊缝的大型构件示意图 参数，为系统机构设计和多轴协调运动数控软件编制 提供极大便利；同时，采用动力学建模和仿真，有助于 根据上述