基于空间曲线的搅拌摩擦焊并联机器人关键技术研究

摘要

搅拌摩擦焊接作为高质量、高效率、低成本的绿色焊接方法而被广泛应用。搅拌摩擦焊接设备是该技术发展的载体，传统的搅拌摩擦焊接设备多以焊接长直焊缝与简单轨迹焊缝为主。然而在进行空间曲面搅拌摩擦焊接过程中需要焊接设备具有刚度大、承载扭矩大、多轴柔性控制等特点，传统串联式焊接设备在进行空间曲面零件的焊接时表现出能力不足。 东北大学自主研发的3-TPT混联机器人具有刚度大、负载能力强、精度高、动力性能好、工作空间大等一系列优点，可以很好的弥补串联式焊接设备在进行空间曲线搅拌摩擦焊接时的不足。为此，本文在3-TPT并联机构基础上进行再设计，将其改造成能够进行空间曲线搅拌摩擦焊接的五自由度并联机器人。为达到以上目标本文主要进行了以下方面的设计与研究: (1)针对空间曲线焊缝搅拌摩擦焊接工艺进行深入研究，探究其与简单焊缝焊接时工艺的区别。主要研究了焊接时轴肩下压量与轴肩半径之间的关系，在进行空间曲线焊接时对焊头轨迹进行分析研究，此外建立了搅拌头焊接受力模型并进行了实验验证。 (2)依据空间曲线焊缝焊接工艺要求对3-TPT并联机器人进行再设计。主要包括头部微动机构的设计与建模，二自由度数控回转工作台的设计与建模，然后将两者与3-TPT并联机构相结合构成五自由度搅拌摩擦焊并联机器人。 (3)对设计的五自由度搅拌摩擦焊并联机器人进行了运动学研究。首先，运用SolidWorks对装配完成的机器人进行运动仿真以验证模型建立及装配关系的正确性;然后，在3-TPT并联机构运动学方程的基础上改变基坐标系的同时添加两个回转自由度推导出带转台的五自由度搅拌摩擦焊并联机器人运动学方程。最后本文对运动学正逆解进行了理论分析验证，结果正确。 (4)由于搅拌摩擦焊对设备的刚度和强度有较高要求，为此本文还对设计的五自由度搅拌摩擦焊并联机器人进行了静力学研究。首次运用向量法建立了各杆受力大小与焊接时搅拌头受力之间的数学模型;在并联机器人的工作空间内运用MATLAB搜索了其中一杆受力最大时焊头的位置，并求得杆在此点受力大小;最后使用求得的最大力运用有限元方法对机器人主要零部件加载进行刚度和强度分析。 (5)为模拟空间曲线焊接，验证本文研究的工艺参数选择原则及搅拌头形状尺寸设计原则是否合理，本文还设计了一套用于环形焊缝焊接的专用工装夹具，并进行了加工制造与安装调试，然后将其安装于普通搅拌摩擦焊焊接机床上进行空间环形焊缝的搅拌摩擦焊实验，初步探究空间曲线焊缝焊接的工艺同时检验本文自主设计的环形焊缝焊接工装夹具性能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景、目的及意义

1．1．1课题研究背景

1．1．2课题研究目的

1．1．3课题研究意义

1．2多轴搅拌摩擦焊接关键技术的国内外研究现状

1．2．1串联式多轴搅拌摩擦焊接关键技术的国内外研究现状

1．2．2并联多轴搅拌摩擦焊接关键技术的国内外研究现状

1．3本文主要研究内容

第2章空间曲线的搅拌摩擦焊工艺研究

2．1搅拌摩擦焊概述

2．2搅拌头材料及形状的选择确定

2．2．1搅拌头常用材料

2．2．2搅拌针的形状尺寸

2．2．3轴肩的形状尺寸

2．3焊接工艺参数的选择原则

2．3．1焊头旋转速度及焊接速度

2．3．2焊接压力及线能量

2．3．3焊接倾角

2．4空间曲线焊缝焊接下焊头轨迹分析

2．5搅拌头的受力分析

2．5．1插入阶段受力分析

2．5．2稳定焊接阶段受力分析

2．5．3受力模型的实验验证

2．6本章小结

第3章面向空间曲线的搅拌摩擦焊并联机器人改进设计

3．1 3-TPT并联机构简介

3．2头部微动机构设计

3．3数控回转工作台的设计与建模

3．3．1回转工作台的结构设计

3．3．2伺服电机的选型

3．4本章小结

第4章带转台的搅拌摩擦焊并联机器人运动学方程的建立

4．1并联机器人的运动仿真

4．2运动学分析坐标系的建立

4．3带转台的搅拌摩擦焊并联机器人运动学方程的建立

4．3．1带转台的并联机器人运动学正解方程的建立

4．3．2带转台的并联机器人运动学逆解方程的建立

4．3．3运动学方程正确性验证

4．4本章小结

第5章搅拌摩擦焊并联机器人静力学分析

5．1并联机构受力模型的建立

5．1．1初始位置受力分析

5．1．2极限位置受力分析

5．2重要零部件的刚度与强度分析

5．2．1伸缩杆的刚度与强度分析

5．2．2虎克铰的刚度与强度分析

5．2．3焊头部件蜗轮蜗杆及套杯的刚度与强度分析

5．2．4翻转支撑轴的刚度与强度分析

5．3变形过大零件的优化设计

5．4本章小结

第6章管类环形焊缝焊接实验

6．1实验用回转工装夹具设计

6．1．1回转工装夹具传动系统设计

6．1．2回转工装夹具部分设计

6．1．3回转工装夹具轴承校核

6．2焊接实验

6．2．1实验目的

6．2．2实验设备及实验材料

6．2．3实验过程及结果

6．3本章小结

7．1结论

7．2建议

参考文献

致谢