【摘 要】
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通风管道被广泛运用于现代建筑物和基础设施,它由多个矩形管道拼接而成,其主要功能是流通空气和排放有害气体。角钢法兰是通风管道的重要连接件,其需求数量大,规格尺寸种类多。当前,角钢法兰是在施工现场由人工手工焊接而成,加工劳动强度大,焊接效率低,焊接质量难以保证。本研究针对角钢法兰自动装夹、自动焊接和适应多尺寸规格需求,设计适应性强和自动化程度高的角钢法兰焊接机器人系统,采用Solidworks、ADA
【基金项目】
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中建四局安装工程有限公司科研项目《型钢支架自动组对焊接平台的研发及应用》
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通风管道被广泛运用于现代建筑物和基础设施,它由多个矩形管道拼接而成,其主要功能是流通空气和排放有害气体。角钢法兰是通风管道的重要连接件,其需求数量大,规格尺寸种类多。当前,角钢法兰是在施工现场由人工手工焊接而成,加工劳动强度大,焊接效率低,焊接质量难以保证。本研究针对角钢法兰自动装夹、自动焊接和适应多尺寸规格需求,设计适应性强和自动化程度高的角钢法兰焊接机器人系统,采用Solidworks、ADAMS、ANSYS和MATLAB和Design Expert等相关软件,对角钢法兰焊接机器人进行结构设计与优化及焊接工艺研究,主要开展以下研究工作:（1）针对角钢法兰规格尺寸种类多、工件组框效率低和焊接工艺复杂的问题,对现有的焊接工艺进行分析,设计出可适时快速调整的组框装夹紧机构,在此基础上,确定了焊接机器人的结构形式,对关键传动机构和驱动电机进行了选型,建立了焊接机器人系统三维实体模型。（2）对角钢法兰焊接机器人主要运动部件进行了动态响应分析,利用ADAMS多体动力学软件建立焊接机器人动力学简化模型,在MATLAB的Simulink组件中搭建了伺服电机模型,将焊接机器人机械模型与控制系统进行联合仿真分析。以阶跃信号和连续信号为输入,对比分析了四个轴的动态响应,获得Y轴动态响应速度较慢,提出了优化方案。（3）对角钢法兰焊接机器人的龙门架结构进行了轻量化设计,利用ANSYS平台建立了龙门架结构有限元模型,分析其静力学和动力学性能。采用了拉丁超立方设计试验获取结构尺寸与性能指标样本点,并对各设计变量进行灵敏度分析,确定主要优化参数。利用Kriging模型和NPR模型响应面法建立了龙门架结构近似代理模型,获得Kriging模型对非线性结构具有较好拟合精度,并结合遗传算法实现了轻量化设计,其质量减轻了46.43%,1阶模态频率提高了15.66%。（4）在加工角钢法兰焊接机器人样机的基础上,对角钢法兰焊接工艺参数进行了分析与优化,以角焊缝的焊缝宽度、焊脚尺寸和焊缝凸度为焊缝成形质量评判依据,建立了焊接工艺三因素三水平正交试验,获得各焊接参数对性能指标的影响主次和最优化组合。为获得合理焊接工艺优化,对焊接参数进行三因素五水平的二次回归正交旋转组合设计试验,并建立了优化指标的数学模型,获得满足角钢法兰焊接工艺参数为:焊接电流102.7A、焊接电压16.8V和焊接速度4.75mm/s。
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