磨削機械臂的機械結構論文

磨削機械臂的機械結構論文

　　水輪機葉片在運行一段時(shí)間后，表面會(huì )出現因汽蝕、磨蝕而產(chǎn)生的蝕坑，導致水輪機過(guò)流部件，特別是轉輪葉片表面快速破壞，不僅降低了水輪機運行效率，而且危及部件的結構安全，使水輪機工作效率降低，直接影響電站的發(fā)電能力和經(jīng)濟效益［1］。需要對水輪機葉片進(jìn)行修復作業(yè)，人工修復葉片工作周期長(cháng)，間接地降低水輪機工作效率。采用磨削用機器人，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(lái)，這勢必帶來(lái)很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。

　　1復雜曲面磨削機器人機械臂設計方案

　　水輪機葉片屬于典型的復雜曲面，下面以水輪機葉片為例分析復雜曲面磨削機器人機械臂的設計方案。水輪機葉片的80%屬于馬鞍面，15%屬于碗面，其余部分屬于復雜曲面。機器人要實(shí)現在葉片不同部位對焊縫的磨削工作，能夠適應復雜曲面的形狀要求，并且磨削作業(yè)面積要達到葉片的70%，這就要求機械臂應具有多個(gè)可動(dòng)關(guān)節，但關(guān)節數目過(guò)多，會(huì )使機械臂結構的剛度降低［2］�；�于以上分析，設計出一種應用于復雜曲面的焊縫磨削機器人。機器人本體由移動(dòng)平臺、機械臂和磨削加工單元組成。移動(dòng)平臺的前后移動(dòng)以及磨削加工單元的上下移動(dòng)和左右擺動(dòng)可以完成在復雜曲面上的加工作業(yè)。本文針對機械臂關(guān)節作出結構優(yōu)化設計。

　　1.1機械臂關(guān)節設計及自由度分析

　　被修磨葉片表面形狀復雜，為了保證機械臂可以修復葉片表面大部分位置的焊縫，在設計上要求機械臂具有很高的靈活性，能夠加工復雜曲面70%以上位置的焊縫，同時(shí)要提高機械臂的剛度要求。水輪機葉片構形復雜，在水輪機葉片上650mm×200mm區域范圍內，水輪機葉片近似為水平面，將該區域稱(chēng)為單位修復作業(yè)區域。要求移動(dòng)平臺吸附于某一單位修復作業(yè)區域后，機械臂大臂能夠實(shí)現相對于移動(dòng)平臺左右擺動(dòng)、上下俯仰、前后伸縮三個(gè)動(dòng)作，這三個(gè)動(dòng)作保證了機械臂能夠到達水輪機葉片單位修復作業(yè)區域內的焊縫處。由于葉片在該區域的焊縫分布的不均勻性、焊縫余高的存在以及該區域實(shí)際存在的曲率，要求機械臂小臂能夠相對機械臂大臂左右擺動(dòng)、上下升降和曲面自適應三個(gè)動(dòng)作，這三個(gè)動(dòng)作保證機械臂能和被磨削的焊縫處在有利的加工位置�；�于復雜曲面的特點(diǎn)對機械臂結構的要求設計了如圖1所示的機械臂結構。所設計的機械臂具有5個(gè)主動(dòng)關(guān)節和1個(gè)被動(dòng)關(guān)節。主動(dòng)關(guān)節包括大臂左右擺動(dòng)關(guān)節、大臂上下擺動(dòng)關(guān)節、大臂前后伸縮關(guān)節、小臂上下進(jìn)給關(guān)節和小臂左右擺動(dòng)關(guān)節。每個(gè)主動(dòng)關(guān)節均具有一個(gè)自由度。其中前三個(gè)主動(dòng)關(guān)節用于末端工具的位置和大的姿態(tài)調整，使作業(yè)工具和葉片表面達到合適的相對加工位置，在作業(yè)過(guò)程中這三個(gè)關(guān)節鎖緊，使得軸、大臂、小臂變?yōu)閯偠群玫蔫旒芙Y構。后兩個(gè)主動(dòng)關(guān)節用于控制磨削作業(yè)過(guò)程中的進(jìn)給運動(dòng)。被動(dòng)關(guān)節是機械臂為了適應曲面的不同曲率的要求而設計的。它由彈簧自適應裝置構成，隨葉片曲率變化來(lái)及時(shí)調整小臂的位姿，使末端磨削加工單元更好的完成對焊縫的打磨工作。

　　1.2關(guān)節運動(dòng)的傳動(dòng)機構設計

　　結合水輪機葉片復雜的曲面特點(diǎn)的要求，設計了葉片磨削用機器人應具有的關(guān)節以及分析了各關(guān)節具有的自由度。以上5個(gè)主動(dòng)關(guān)節和1個(gè)被動(dòng)關(guān)節保證了作業(yè)工具對水輪機葉片絕大多數位置的焊縫進(jìn)行較準確地修復作業(yè)。每個(gè)關(guān)節都有獨自的傳動(dòng)機構，結合復雜曲面的特點(diǎn)，分別對每個(gè)關(guān)節的傳動(dòng)機構予以設計。大臂左右擺動(dòng)關(guān)節通過(guò)蝸輪蝸桿機構傳動(dòng)，電機帶動(dòng)蝸桿轉動(dòng)，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉動(dòng)，渦輪帶動(dòng)蝸輪軸轉動(dòng)，從而實(shí)現聯(lián)接在軸上的大臂機構的左右擺動(dòng)。大臂的上下擺動(dòng)關(guān)節通過(guò)四連桿機構傳動(dòng)，如圖1所示，電機通過(guò)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)現大臂關(guān)節的上下擺動(dòng)。大臂前后伸縮關(guān)節通過(guò)滾珠絲杠平臺傳動(dòng)，電機帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉，絲杠旋轉帶動(dòng)滑塊左右運動(dòng)，從而實(shí)現大臂前后伸縮關(guān)節的伸縮運動(dòng)。小臂上下進(jìn)給關(guān)節也是通過(guò)滾珠絲杠平臺傳動(dòng)，電機帶動(dòng)絲杠旋轉，絲杠帶動(dòng)聯(lián)接在它上面的小臂機構上下運動(dòng)，從而實(shí)現小臂上下進(jìn)給關(guān)節的升降運動(dòng)。小臂左右擺動(dòng)關(guān)節通過(guò)電機帶動(dòng)回轉機構實(shí)現傳動(dòng)。小臂的自適應關(guān)節是通過(guò)彈簧機構來(lái)實(shí)現關(guān)節運動(dòng)的。

　　2磨削機械臂結構尺寸設計和受力計算

　　2.1機械臂結構尺寸設計

　　機械臂結構簡(jiǎn)如圖1所示，圖中EH為大臂的長(cháng)，MN為小臂的長(cháng)。根據葉片空間構型進(jìn)行機械臂作業(yè)空間的分析。機械臂配合移動(dòng)平臺的加工范圍要達到約葉片表面的70%，則每次移動(dòng)平臺固定后機械臂的作業(yè)空間如圖2所示。在葉片表面上的加工區間為面積為1500cm2的環(huán)形區域，如圖2a中的區域D。機械臂加工范圍應滿(mǎn)足表1所示。所設計的四連桿中，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，故所設計的四連桿機構為曲柄搖桿機構［3］。其中BD是大臂驅動(dòng)桿，可通過(guò)以下計算求出其伸縮量。綜上，所設計的機械臂各關(guān)節運動(dòng)范圍是:大臂伸縮關(guān)節行程為100mm，小臂擺幅0°～27°，大臂上下擺幅0°～18°，大臂伸縮行程為100mm，滿(mǎn)足表1所示的范圍要求。

　　2.2機械臂主要關(guān)節受力計算

　　由于機器人對葉片進(jìn)行修復的各類(lèi)作業(yè)中，磨削作業(yè)會(huì )產(chǎn)生最大的反作用力，對機械臂的強度和剛度要求最高，因此以磨削作業(yè)為主考慮機械臂受力［4］。使用測力機構測出磨削時(shí)機械臂受到的磨削力為200N，壓深力為400N。根據機械臂結構圖1，可求解出個(gè)各關(guān)節的受力情況。對機械臂小臂關(guān)節受力情況詳細分析如下(圖3)。其中FG⊥、FH⊥為G、H兩點(diǎn)的處置紙面的力，F磨為吸附磁體和葉輪表面的摩擦力(因為鋼鋼摩擦系數為0.15左右，所以F磨=0.15×800=120N)。因為G點(diǎn)處為彈簧結構，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計算出FH的最大值，以保證機械臂的作業(yè)安全。從以上考慮可以得出:FH=750N、FH⊥=158N。

　　3磨削機械臂三維模型仿真

　　根據以上機械臂結構計算尺寸，利用CATIA軟件繪制機械臂三維模型如圖4所示。

　　4結論

　　在滿(mǎn)足復雜曲面磨削機器人設計要求基礎上，結合復雜曲面磨削工藝的要求，設計了一種五個(gè)主動(dòng)關(guān)節加一個(gè)被動(dòng)關(guān)節形式的磨削機械臂。所設計的機械臂結構滿(mǎn)足機構的運動(dòng)要求，結構尺寸小且剛性好，在移動(dòng)平臺的配合下能完成焊縫的修復操作。在后續的工作中將繼續對機械臂在材質(zhì)的選擇及運動(dòng)穩定性上進(jìn)一步優(yōu)化。

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