爬壁机器人焊缝高效修形技术研究_陈咏华.pdf

第 59 卷第 9 期 2023 年 5 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.59 No.9 May 2023 DOI：10.3901/JME.2023.09.012 爬壁机器人焊缝高效修形技术研究*陈咏华1 孙振国1,2 张 文1 陈 强1,2(1.清华大学先进成形制造教育部重点实验室 北京 100084；2.浙江清华长三角研究院 嘉兴 314006)摘要：针对大型容器建造过程中焊缝余高打磨效率低、质量不稳定、自动化程度低等问题，首先应用力学原理探讨了加工力大小及方向对爬壁式焊缝修形机器人影响，优化了爬壁机器人焊缝修形刀具姿态等条件。在此基础上进一步通过切削反力及修形效率的建模分析，提出了一种适用于爬壁机器人的焊缝修形“锉铣”新技术，设计并研制了相应的“锉铣”刃具和焊缝修形爬壁机器人系统；实验结果表明，机器人系统能对焊缝余高进行高效切削，且加工质量优于国家和行业标准的相关规定，同时还较传统加工方法显著改善了生产环境。关键词：爬壁机器人；焊缝修形；力学分析；切削刀具 中图分类号：TP242 Research on High Efficiency Weld Modification Technology for Wall-climbing Robot CHEN Yonghua1 SUN Zhenguo1,2 ZHANG Wen1 CHEN Qiang1,2(1.Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology of Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing 100084;2.Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University,Jiaxing 314006)Abstract：In order to improve the efficiency,quality and automation of weld reinforcement grinding in the process of large vessels manufacturing,the influence of the amplitude and direction of machining force on the wall-climbing robot for weld modification is discussed by using the principle of mechanics,and the conditions such as the posture of the weld cutting tool are optimized.Then,through the modeling and analysis of cutting reaction force and modification efficiency,a novel filing-milling weld modification technology suitable for wall-climbing robot is proposed,and the corresponding milling-filing cutting tools and the wall-climbing robot system are designed and developed.The experimental results show that the robot system can cut the weld reinforcement efficiently,and the machining quality is better than the relevant provisions of national and industrial standards.Moreover,the production environment has been significantly improved compared with the traditional methods.Key words：wall-climbing robot；weld modification；mechanical analysis；cutting tool 0 前言*为了提高疲劳寿命、延长服役年限，石化容器在设计和制造过程中要求去除焊缝余高1-8。目前，大型容器的焊缝修形作业大多采用人工手持角磨机或砂轮机进行打磨，近年来也有一些专用机械的使 苏州-清华创新引领行动专项资助项目(2016SZ0218)。20220613 收到初稿，20221024 收到修改稿 用9-11。角磨机打磨力较小，但效率低，例如兰石重型装备股份有限公司筒节人工角磨机打磨实测焊缝去除(速)率约为 16 mm3/s，而且角磨片损耗迅速，打磨过程中需频繁更换角磨片，无法满足机器人高效连续作业的要求。手持砂轮机磨削力较小、重量轻，但材料去除效率很低，与角磨机效率接近。高速砂带磨削加工效率较高，例如一重集团大连核电石化有限公司加氢反应器砂带打磨焊缝去除(速)率约为月 2023 年 5 月 陈咏华等：爬壁机器人焊缝高效修形技术研究 13 94 mm3/s，但机器自重、体积较大，一般固定于地面，被加工件须在辅助机械帮助下旋转，无法搭载于爬壁机器人上在大型容器表面开展作业12-13。工程上适用于钢结构件长直焊缝修形的焊缝铣削专用机械，多采用通用平面铣刀对焊缝进行切削，效率较高，而且机身尺寸、重量较小，但切削力较大且为三向切削力，为了保证其切削稳定性，通常配合专用导轨使用14。采用爬壁机器人替代人工，对大型压力容器焊缝余高进行自动高效切削修形，可以显著改善工人劳动环境、降低劳动强度，提高大型容器制造行业的装备水平、降低制造成本。如图 1 所示，焊缝修形爬壁机器人由运动平台及搭载在平台上的修形工具以及相关的驱动控制部分组成。为实现全位置的运动和加工，机器人被吸附于工件表面以克服空间重力以及焊缝修形时的加工反作用力。显然，在有限的机器人自重和体积、吸附力及驱动功率等约束下，尽可能减小加工反作用力就成为降低吸附力(同时降低了吸附装置的自重和体积)，提高修形加工效率(降低驱动和切削功耗)的重要途径。图 1 爬壁机器人结构尺寸示意图 1.工件壁面 2.运动平台 3.左驱动轮 4.右驱动轮 5.滚动轴承随动球形轮 论文在解析爬壁机器人焊缝修形过程中加工反力与吸附力及驱动功率关系的基础上，提出了修形工具姿态与焊缝走向之间关系的优化；通过对常规金属材料切削刀刃受力分析基础上，比较总结了现行焊缝修形方法的加工特点，提出了一种适用于爬壁机器人特殊作业要求的“锉铣”技术，设计并研制了相应的“锉铣”刃具和爬壁机器人系统，经实验验证了所提方法的有效性。1 爬壁机器人力学分析 如图 1 所示，运动平台各轮上的吸附装置将机器人吸附于工件壁面；左右两个侧轮(轮 2、轮 3)实现差速驱动，随动球形轮(轮 1)起支撑作用。三个车轮与壁面接触点形成等边三角形，机器人重心 o 在三角形的投影与三角形中心重合，与随动轮与壁面接触点距离为 L，重心到工作壁面的垂直距离为 H。图 2 中，由世界坐标系wwwwo x y z绕wx轴逆时针转 2,2 角度生成工作壁面上的参考坐标系RRRRo x y z；再绕Rz轴逆时针转动,角度生成运动坐标oxyz。图 2 机器人全位置作业静力学分析等效模型 记G为作用在o处的机器人总重(包括自重、作业装置以及其他相关载重)；()1,2,3asjFj=分别为三只车轮吸附装置产生的对工件壁面的吸附力；xyzFFF、为机器人所受加工反力；xyzMMM、分别是各加工反力矩。jN为壁面对车轮的正压力；jf是车轮与工作壁面间摩擦力，其与x轴夹角为0,2j。由于工件壁面曲率半径相对于爬壁机器人轮间距足够大，因此可将机器人下方的局部区域近似为平面处理。1.1 爬壁机器人静态平衡时所需吸附力 Fasj 以轮j为分析对象，约定：3j=时，+1 1j=；1j=时，13j =。则爬壁机器人静态平衡方程为 110:coscossin0jxijiixFfGF+=(1)110:sincoscos0jijiiyyFfGF+=(2)112(1):o030c sjziizjiiMfLM+=|+(3)机 械 工 程 学 报 第 59 卷第 9 期期 14 ()()sin2coscos3sin23c32(1)32(1)32(1)3oszxyyjsxa jGNFHGLHFLHjjFMjFM+=|+|+(4)设j为各轮摩擦因数，以0jjjNf为爬壁机器人在工件壁面的静态稳定性判据；通过极值运算(如拉格朗日函数法)可得各车轮的吸附装置应提供的吸附力()()2222113933122(1)cos arctan3322(1)2(1)sincos333zzasjjjxxyjyyxMFHFGLLFHjFFLFjjMML+|+|(5)1.2 爬壁机器人壁面运动所需驱动功耗 考虑机器人在工件壁面的平移和转动速度较低，可近似为等速运动。轮2、轮3在平行于y轴方向上有相对于壁面的速度2v、3v，两轮速度差23vvv=；根据差动性质得到机器人质心加速度 ()22262 3vxyvvvaaLL=(6)记机器人质量为m，g为重力加速度，驱动轮最大线速度为maxv，则机器人单轮需提供的最大驱动功耗 2maxmaxmax2332 33yxzDvGGPvgLLFFM=+(7)1.3 相对于焊缝的刀具姿态及切削方向的择优 无论是asjF或DP都与机器人的重量、体积成正比，为此工程上需要尽可能降低上述各量，以提高机器人系统的灵活性和加工效率。设机器人沿图2所示y轴正方向对焊缝进行修形加工，自式(5)与(7)可以看出以下几点。(1)zM的减小利于asjF和DP的降低；为此宜采用=0zM的滚式切削加工方式，而传统的角磨或盘铣都会产生较大的zM。(2)yM对支撑轮的吸附力无作用，对两个驱动轮的吸附力影响相反；为此滚刀轴应与焊缝垂直可使=0yM。图2所示方向的xM增加导致支撑轮的吸附力减小，而两个驱动轮的吸附力则加大，需统筹优化。(3)xF的增加导致asjF变大；yF的减小利于asjF的降低，但当yF与驱动轮速度方向一致时反而有降低DP的作用；因而可用顺切方式进行加工，使得=0 xF且yF沿y轴正向。(4)法向反力zF总是导致asjF变大，应尽量降低。2 爬壁机器人焊缝修形“锉铣”技术 普通磨削具有单个磨粒切削量小、切削力小的优点，但又因切削厚度甚小导致加工效率低下；铣削工效虽高却伴随较大的切削反力。针对爬壁机器人焊缝修形的特殊要求，除了上述以切削刃具姿态和切削方向的优化来控制加工反力分布之外，本文提出一种刀具结构参数及切削工艺参数介于铣削和磨削之间的，适用于爬壁机器人焊缝修形的特殊“锉铣”技术。主要通过对刀刃几何参数及排布规则以及切削和进给速度进行优选；相对磨削能可增加切削速率，相对铣削可大幅减小切削反力，很好地提高了爬壁机器人焊缝修形效率。2.1 滚动切削刀具受力模型 滚动切削刀具如图3所示，为出屑采用错刃排列；即相邻各刃在排列间均有一个刃的空位。月 2023 年 5 月 陈咏华等：爬壁机器人焊缝高效修形技术研究 15 图 3 错刃滚动切削刀具示意 图3与图4中cO为刀具圆心；fv为刀具沿焊缝的切向进给速度，sv为刀具周向切削线速度；ea为法向切削切深度；sC是周向两相邻刀刃间弧距，sB是刀刃轴向宽度；B为刀具宽度，焊缝宽度BB，且两者的中心线重合。tF为刀具所受沿壁面法向切削反力，nF为沿壁面法向切削反力；因 图2中机器人的加工反力仅为切削反力，则=tyFF、=nzFF，yM即两力对cO的合力矩。图 4 切削刃受力示意图 如图4，刀具对焊缝的加工面弧长crcR，()coscrcecRaR=，宽为B；