磨削機械臂的機械結構論文
水輪機葉片在執行一段時間後，表面會出現因汽蝕、磨蝕而產生的蝕坑，導致水輪機過流部件，特別是轉輪葉片表面快速破壞，不僅降低了水輪機執行效率，而且危及部件的結構安全，使水輪機工作效率降低，直接影響電站的發電能力和經濟效益［1］。需要對水輪機葉片進行修復作業，人工修復葉片工作週期長，間接地降低水輪機工作效率。採用磨削用機器人，不僅能縮短檢修週期，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濟效益和社會效益。
1複雜曲面磨削機器人機械臂設計方案
水輪機葉片屬於典型的複雜曲面，下面以水輪機葉片為例分析複雜曲面磨削機器人機械臂的設計方案。水輪機葉片的80%屬於馬鞍面，15%屬於碗麵，其餘部分屬於複雜曲面。機器人要實現在葉片不同部位對焊縫的磨削工作，能夠適應複雜曲面的形狀要求，並且磨削作業面積要達到葉片的70%，這就要求機械臂應具有多個可動關節，但關節數目過多，會使機械臂結構的剛度降低［2］。基於以上分析，設計出一種應用於複雜曲面的焊縫磨削機器人。機器人本體由移動平臺、機械臂和磨削加工單元組成。移動平臺的前後移動以及磨削加工單元的上下移動和左右擺動可以完成在複雜曲面上的加工作業。本文針對機械臂關節作出結構最佳化設計。
1.1機械臂關節設計及自由度分析
被修磨葉片表面形狀複雜，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，能夠加工複雜曲面70%以上位置的焊縫，同時要提高機械臂的剛度要求。水輪機葉片構形複雜，在水輪機葉片上650mm×200mm區域範圍內，水輪機葉片近似為水平面，將該區域稱為單位修復作業區域。要求移動平臺吸附於某一單位修復作業區域後，機械臂大臂能夠實現相對於移動平臺左右擺動、上下俯仰、前後伸縮三個動作，這三個動作保證了機械臂能夠到達水輪機葉片單位修復作業區域內的焊縫處。由於葉片在該區域的焊縫分佈的不均勻性、焊縫餘高的存在以及該區域實際存在的曲率，要求機械臂小臂能夠相對機械臂大臂左右擺動、上下升降和曲面自適應三個動作，這三個動作保證機械臂能和被磨削的焊縫處在有利的加工位置。基於複雜曲面的特點對機械臂結構的要求設計瞭如圖1所示的機械臂結構。所設計的機械臂具有5個主動關節和1個被動關節。主動關節包括大臂左右擺動關節、大臂上下襬動關節、大臂前後伸縮關節、小臂上下進給關節和小臂左右擺動關節。每個主動關節均具有一個自由度。其中前三個主動關節用於末端工具的位置和大的姿態調整，使作業工具和葉片表面達到合適的相對加工位置，在作業過程中這三個關節鎖緊，使得軸、大臂、小臂變為剛度好的桁架結構。後兩個主動關節用於控制磨削作業過程中的進給運動。被動關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，隨葉片曲率變化來及時調整小臂的位姿，使末端磨削加工單元更好的完成對焊縫的打磨工作。
1.2關節運動的傳動機構設計
結合水輪機葉片複雜的曲面特點的要求，設計了葉片磨削用機器人應具有的關節以及分析了各關節具有的自由度。以上5個主動關節和1個被動關節保證了作業工具對水輪機葉片絕大多數位置的焊縫進行較準確地修復作業。每個關節都有獨自的傳動機構，結合複雜曲面的特點，分別對每個關節的傳動機構予以設計。大臂左右擺動關節透過蝸輪蝸桿機構傳動，電機帶動蝸桿轉動，蝸桿帶動蝸輪轉動，渦輪帶動蝸輪軸轉動，從而實現聯接在軸上的大臂機構的左右擺動。大臂的上下襬動關節透過四連桿機構傳動，如圖1所示，電機透過絲槓帶動BD杆上下滑動，BD杆帶動AD杆和CD杆上下襬動，從而實現大臂關節的上下襬動。大臂前後伸縮關節透過滾珠絲槓平臺傳動，電機帶動滾珠絲槓旋轉，絲槓旋轉帶動滑塊左右運動，從而實現大臂前後伸縮關節的伸縮運動。小臂上下進給關節也是透過滾珠絲槓平臺傳動，電機帶動絲槓旋轉，絲槓帶動聯接在它上面的小臂機構上下運動，從而實現小臂上下進給關節的升降運動。小臂左右擺動關節透過電機帶動迴轉機構實現傳動。小臂的自適應關節是透過彈簧機構來實現關節運動的。
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
機械臂結構簡如圖1所示，圖中EH為大臂的長，MN為小臂的長。根據葉片空間構型進行機械臂作業空間的分析。機械臂配合移動平臺的加工範圍要達到約葉片表面的70%，則每次移動平臺固定後機械臂的作業空間如圖2所示。在葉片表面上的加工區間為面積為1500cm2的環形區域，如圖2a中的區域D。機械臂加工範圍應滿足表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。最短杆BC的鄰邊AD杆作為固定杆，故所設計的四連桿機構為曲柄搖桿機構［3］。其中BD是大臂驅動杆，可透過以下計算求出其伸縮量。綜上，所設計的機械臂各關節運動範圍是:大臂伸縮關節行程為100mm，小臂擺幅0°～27°，大臂上下襬幅0°～18°，大臂伸縮行程為100mm，滿足表1所示的範圍要求。
2.2機械臂主要關節受力計算
由於機器人對葉片進行修復的各類作業中，磨削作業會產生最大的反作用力，對機械臂的強度和剛度要求最高，因此以磨削作業為主考慮機械臂受力［4］。使用測力機構測出磨削時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，可求解出個各關節的受力情況。對機械臂小臂關節受力情況詳細分析如下(圖3)。其中FG⊥、FH⊥為G、H兩點的處置紙面的力，F磨為吸附磁體和葉輪表面的摩擦力(因為鋼鋼摩擦係數為0.15左右，所以F磨=0.15×800=120N)。因為G點處為彈簧結構，不能承受較大的垂直紙面的力，所以令FG⊥約為0，同時FG為彈簧提供的彈力，而且圖中為彈簧最大壓縮處，同時為FH力臂最小處。為保證安全，這裡也可以令FG為0計算出FH的最大值，以保證機械臂的作業安全。從以上考慮可以得出:FH=750N、FH⊥=158N。
3磨削機械臂三維模型模擬
根據以上機械臂結構計算尺寸，利用CATIA軟體繪製機械臂三維模型如圖4所示。
4結論
在滿足複雜曲面磨削機器人設計要求基礎上，結合複雜曲面磨削工藝的要求，設計了一種五個主動關節加一個被動關節形式的磨削機械臂。所設計的機械臂結構滿足機構的運動要求，結構尺寸小且剛性好，在移動平臺的配合下能完成焊縫的修復操作。在後續的工作中將繼續對機械臂在材質的選擇及運動穩定性上進一步最佳化。