核电压力容器J型坡口焊接机器人设计与仿真

摘要

发展核电是减轻我国当前碳排放压力的现实性选择。随着我国核电事业的不断发展壮大，一大批应用于核电配套设备的装备不断产生，核电领域装备国产化已成为一种趋势。与别的领域不同，核电装备具有高质量，高性能和高可靠性的要求。然而，国内的核电焊接自动化设备尚未普及，核电设备的焊接目前主要以手工焊接为主，不能保证核电焊接的质量和效率。因此，必须在核电设备中推广和应用先进的自动化焊接技术。
　　 本文主要研究核电反应堆压力容器上封头与控制棒驱动机构管座之间的自动化焊接技术，设计出核电压力容器J型坡口焊接机器人。本文的主要内容包括：
　　 1)分析焊接工件和焊接坡口的特点，建立适合机器人填丝氩弧焊焊接的焊缝坐标系，给出针对J型坡口的焊缝倾角和焊缝转角的表达式，建立焊枪位姿和焊缝位姿之间的坐标关系。在焊枪位姿模型中，引入具体焊枪，给出焊枪保持架与工件不发生干涉的许用工作角。
　　 2)论述核电反应堆压力容器焊接的特性，提出J型坡口焊接机器人系统对焊接工艺和机械结构的要求。在参考国外同类焊接机器人设计的基础上，对焊接机器人辅助定位部件和焊接机器人本体进行创新性设计。对所选用的驱动和传动关键零件进行选型和校核，采用有限元方法校核设计的关键零件强度，为焊接机器人的设计提供理论依据。
　　 3)给出焊接机器人运动学求解的数学基础，研究焊接机器人运动学正解和运动学逆解的求解方式。针对J型坡口焊接机器人，建立其运动学正解的参数矩阵和运动学逆解的表达式，采用Matlab软件实现焊接机器人运动学仿真，为焊接机器人电机的控制提供参考数据。通过几何法确定焊接机器人的工作空间。经焊接实验，所设计的机器人完全满足J型坡口焊接的要求，取得了满意的效果。