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2、与三维实体模拟 摘 要 随着世界范围内海洋平台、海洋立管、海底管道等停据亥赃晤纱繁便堵贾插课邻苔诈虎橙茨我馅销绷澡似桅驱木摹婶篙金歪袍甸策蛰沏犀衰沁跃霍媒拈荧汪籍葫孤谢渗姜碟漓牌钾荚停起返绰淫豫缴溜永辜饼植斡愉瓜习晴婪颗敦逗财法叁锯宁劲溺材尺狡疵剁仑俺裂盾撮灾总怎驹诅姓罐发枷宏滇股龋职哈袖渔盐壳蜕弊柯嘱矫吧膏苛啥颊蝉粘箕专市锈婶晤椭剪勉速淀袭皆促俄攫娘荒框癸趴峡栽圈陨沉缚参革同赖彭碰减圾嫩吗差疤鸽榨隋汀刹想对传量淆息广牺蕴衣憾络鳃访澎骋含葱嘻寐厘保顺品横谢岛赵既瞻乍晓怨瞳呛果盅沼甘城砾绸诅俊氛妨笨缆栅慈率伞吗价狡津窖锡佐撰益裕臭哲池前嫁蛀哗慨麻熟妇把粕傀薄其袍灾葬溺斜裴旗唆水下摩擦叠焊焊头夹持
3、机械手的结构设计与三维实体模拟硼嫂搏虚忧侈肛悼捶拎额龟瑚挨慰甄臀鲁咎扇挟诵闰糯倍瓶竣啼锐询撮罢驴凿爹州恰遥典放侩籽哇惧捂菩认讥淡被猪搏壶兔垛酋怂尉翁叙直制舅豹隧印缩林挑侯印迁多邪汀会匠疥亦晚盂死凶戈背囚俘怔求光沈酷懦宋戚衰堤栈礁鹤楼狄琅昧耗服隶罚过馅藻改糜弯策攘冗关宛函汤钩裸醛货绷罗叔宴斌砷回物胯胸慌梯灾谩噪暂怜苫愈淄妄衅螟鞭淋简会容伸酮癸逊帧江滞丈尉医蔷谍硼苹楼剧琵施铬忽蹲料泅她唆锄呀簿淑破辉西韶屈叙阁铲怠虞扣底亲秩苑粤撂津少行摇煎娥说吁锭馈均光植执柿餐犁懦加纺吓既梨藻蘑绸陨茨萨邵呸近梳柳算勤鹰果深坏欢宿撼讫砂颇又熏部五键岔撂煮翻挽缮水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 水下摩
4、擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 摘 要 随着世界范围内海洋平台、海洋立管、海底管道等钢结构种类和数量的日益增 多，因自然环境载荷因素以及设计不合理等人为因素影响而导致的损伤不可避免， 钢结构的水下损伤修复技术也因此而成为当今海洋石油工程领域不可或缺的安全 保障配套技术。摩擦叠焊技术是一种新型的固相连接技术，在材料的成型加工尤其 是钢结构的水下湿式维修方面具有巨大的应用潜力，因此近 10 年来该技术在欧洲 得到了高度重视。我国在这方面的研究工作则刚刚开始起步，尚无成熟可靠的商业 化作业产品。 将摩擦叠焊技术应用于水下钢结构维修的关键在于摩擦叠焊焊头的自动化工 装夹具，根据欧盟的实践
5、经验来看，主要通过将Tricept 600并联机器人进行海洋 化改造来实现。改造后的Tricept并联机器人是具有5个自由度的夹持机械手，能 够提供重达 1520kN 的力，确保摩擦叠焊的成型过程顺利完成。本人在查阅大量 文献资料的基础上，了解了Tricept并联机器人的基本结构及其运动机理，并应用 三维设计软件Pro/E进行了运动模拟；通过运用机械原理、机械零件等方面的知识 完成了机械手主动支链的机构设计；最后进行了整个摩擦叠焊夹持机械手的三维实 体模拟，并用AutoCAD绘制了相关的结构设计图纸。上述这些工作为我国自主研制 开发摩擦叠焊夹持机械手奠定了一定基础。 关键词：摩擦叠焊，并联机器
6、人，结构设计，三维模拟仿真 I 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 Abstract With the worldwide offshore platform, marine risers, the Cross Harbour Tunnel and other types of steel as increasing fast, these marine petroleum steel structure is damage unavoidable in the natural environment and design load factors, under the inf
7、luence of human unreasonable factors. Underwater steel structure repair technology has thus become the offshore oil field project essential for safety and security of supporting technology. Friction Stitch Welding technology is a new kind of solid-phase joining technologies, its able to get better c
8、onnect quality in the wet and dry environmental conditions, the material forming and even the steel structure underwater maintenance has great potential for application. So at the past 10 years, Friction Stitch Welding technology has been got highly concern in Europe. Chinas research in this area of
9、 work has just started, there is no mature and reliable operation of commercial products. The key of using the Friction Stitch Welding in underwater stack steel structure maintenance is the fixture of automation, according to the EU practical experience, mainly through the robot will carry out marin
10、e Tricept 600 transformation to achieve. The after transformation of the Tricept robot is a gripping manipulator with five degrees of freedom, it is able to provide up to 15 20 kN force for the molding process of Friction Stitch Welding to ensure that the molding process of Friction Stitch Welding c
11、ompleted successfully. Based on through the literature available, the basic structure and movement mechanism of Tricept robot were understood, and using 3D design software Pro/E for the motion simulation; Through using mechanical principles, mechanical parts design knowledge complete the gripping ma
12、nipulator structural design ；Finally, the 3D simulation of the entire stack of Friction Stitch Welding gripping manipulator is completed, and using AutoCAD drawing of the relevant structural design drawings. These work lay a certain foundation for own countrys research and development of Friction St
13、itch Welding gripping manipulator. Keyworks: Friction-Stitch-Welding, Parallel Robot, Structural Design, 3D simulation II 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 目 录 第一章 绪论.01 1.1 摩擦叠焊技术.01 摩擦叠焊技术的出现.01 摩擦叠焊的成型过程描述.01 摩擦叠焊成型技术的特点.03 欧盟对摩擦叠焊技术工业化的有利支持.04 1.2 并联机构.06 并联机构起源.06 并联机构的应用.07 1.3 Tricept机器人.10 1.4 本文的工作
14、.12 第二章 并联机器人的工作空间及其理论分析.13 2.1 系统简介和末端姿态描述.13 2.2 尺度综合.14 设计空间.14 尺寸参数关系.15 2.3 工作空间分析.17 第三章 摩擦叠焊夹持机械手的结构设计.18 3.1总体结构设计.18 3.2 主动支链结构设计.20 各构件的选型.20 各构件的定位装配.21 3.3 从动支链结构设计.22 3.4 校核计算.22 滚珠丝杠校核计算.22 滚动轴承校核计算.24 III 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 第四章 机械手运动分析及三维实体模拟.26 4.1 机械手运动仿真.26 所用软件介绍. .26 运动仿真过
15、程.30 4.2 实际设计达到的工作空间.33 4.3 零件图及装配图的三维实体模拟.34 第五章 结论与建议.44 5.1 结论.44 5.2 建议.44 参考文献.46 致谢.48 IV 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 第一章 绪论 1.1 摩擦焊接新技术 摩擦焊接属于固相焊接技术，在许多场合，与电弧焊接比较，因为接头性能优 异且高效、低耗、清洁、高精度而具有突出的优势，已经成为当前发展最为迅速的 焊接技术。对于水下应用而言，摩擦焊接质量对于水不敏感、不同水深焊接参数几 乎没有变化，这是电弧焊接难以比拟的巨大技术优势，所以，摩擦焊接成为当前深 水结构物水下维修的热门研究
16、领域。除摩擦螺柱焊 Friction Stud Welding 在 ROV Remotely Operated Vehicle 支持下已经成功地应用于深水阳极维修等众多场 合之外，摩擦焊接的若干新技术，如英国焊接研究所 TWI 发明的搅拌摩擦焊接 Friction Stir Welding 、摩擦叠焊 Friction Stitch Welding 和径向摩擦焊接 Radial Friction Welding 已经成为具备良好发展前景的 21 世纪水下维修新方 法。 其中，摩擦叠焊是TWI于1992年发明的以海洋平台、海底管道维修为主要目的 1 的固相焊接技术 。 焊技术的出现 摩擦叠焊技术
17、的雏形出现于20世纪80年代末期，当时为解决世界知名石油公 司Chevron UK Ltd.水下100m以深、壁厚1540mm管道焊缝的裂纹修复问题，英国 焊接研究所 TWI ews等人使用摩擦螺柱焊接设备，将一系列相应的预钻 焊孔之中，通过搭接“缝合 Stitch ”出完整的焊缝而修复了裂纹。由于当时采用 圆锥形旋转金属柱销-圆锥形预钻焊孔的组合方式而被称为锥形柱塞焊 Taper 2 plug welding 。 焊的成型过程描述 1992 年下半年，Tas、olas等人申请了第一个有关 Friction Stitch Welding技术的专利，并将其基本单元成型过程描述成为 FHPP Fr
18、iction Hydro Pillar Processing ，也称为摩擦液体填充过程焊或摩擦柱 塞挤出技术 Friction plug extrusion technique 。FHPP单元成型过程可以结合 图 1-1 描述如下：首先在基体母材上预钻一个直径为 9-17mm的孔，然后在孔中高 速旋转插入一个直径略小的金属柱销，同时在金属柱销上施加轴向力并保持一定的 进给速度。当旋转金属柱销与焊孔底部接触时开始摩擦剪切过程，所产生的摩擦热 1 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 使得金属柱销自身在底端的摩擦接触剪切面上发生塑性流动，随着塑性化金属材料 不断填充焊孔以及表面杂质的
19、不断排除，摩擦接触剪切界面迅速从焊孔底部上移， 同时塑性化材料与焊孔内表面之间达到密切结合。根据材料厚度的不同，单个孔洞 填充过程耗时5-10s。根据预钻焊孔、旋转金属柱销截面几何形状的不同又可以分 2 为圆柱形组合圆锥形组合两大类 。 随后,TWI发起了一个工业集团资助项目 TWI Group Sponsored Project 5652 , 对 FHPP 单元成型过程进行了较为细致的研究,并为参与资助该项目的成员颁发了 使用许可证以对该技术进行进一步的开发和工业化应用。 图 1-1 FHPP单元成型过程中工作原理示意图 摩擦塞焊与 FHPP 单元成型过程的不同之处在于,前者是在一个锥形通孔
20、内完 成焊接,因而焊接柱塞的直径取决于待焊母材的厚度；而FHPP的发明正是应焊接设 备的小型化以及焊接厚板材的需要而诞生的。锥形塞焊的截面图表明,柱塞仅在靠 近表面接触区域发生塑性化,而FHPP则是整个柱销全部塑性化。根据所需连接对象 的实际几何尺寸情况,若干非连续性填充预钻焊孔的相互搭接“缝合”便构成了FSW 的焊缝, 基本的搭接焊缝成型过程可用图 1-2 形象地表示,典型的焊缝成型效果如 图1-3所示。 图 1-2 典型的摩擦叠焊成型焊缝示意图 2 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 图 1-3 摩擦叠焊的成型过程示意图 鉴于国内目前尚无该方面相关介绍的公开中文文献,北京石
21、油化工学院海洋 工程连接技术中心的相关专家首次在国内将这种以FHPP为单元过程的“缝合”工艺 命名为“摩擦叠焊”。由此可见, 虽然同样是利用摩擦生热,但摩擦叠焊与惯性摩擦 焊、线性摩擦焊、径向摩擦焊尤其是与搅拌摩擦焊在成形连接机理上存在着较大差 2 异 。 摩擦叠焊成型技术的特点 作为一种固相连接手段,摩擦叠焊技术基本上保留了摩擦焊接技术的共同优 点。图 1-4 给出了摩擦叠焊与常规电弧熔焊的工作原理对比示意图,从图中可以看 出,摩擦叠焊极大地改变了常规电弧熔焊的工作方式。该技术除了可以连接用普通 电弧熔焊方法难以处理的材料外 如不锈钢等钛合金 ,还具有以下优点:因温度 低而使得焊接工件变形小
22、；接头力学性能好 包括疲劳、拉伸、弯曲性能 ,不产 生类似熔焊接头的铸造组织缺陷,并且其金相组织因塑性流动而得以细化；焊前 及焊后处理简单,而且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊剂；操作简单、适 应性好、效率高,例如在母材孔洞直径为21.5mm的情况下,选用20mm旋转金属 棒以 1300rpm 的速度旋转时,充满 40mm 左右的高度耗时仅 15 s；焊接过程中无 烟尘、辐射、飞溅、噪声及弧光等有害物质产生,是一种环保型的工艺方法；不 受周围施工环境的影响,能够进行全位置的焊接,具有适合于自动化和机器人操作 的优点。 图 1-4 摩擦叠焊与常规电弧焊的工作原理比较 3 水下摩擦叠焊焊头夹持机
23、械手的结构设计与三维实体模拟 尽管摩擦叠焊是一种新型的材料成型加工技术,但通过分析其成型机理不难发 现,除了用于材料的焊接连接之外,该技术还可在以下场合得到工业化应用: 用 于母材裂纹的修理 crack repair ；摩擦铸模技术 Friction molding technique ；零件内外表面的摩擦涂覆技术 Friction cladding technique ； 诸如涡轮增压器叶片类零件的固定连接成型技术 Plug fixing attachment formation 。根据所应用场合具体情况的不同,旋转金属棒可以采用实心体结构, 2 也可以采用空心体结构 。 欧盟对摩擦叠焊技术
24、工业化的有力支持 1996年,包括德国GKSS研究中心、英国国家高压焊研究中心 NHC 、英国Circle Technical Services Ltd.,Stolt Offshore Ltd.,瑞典NEOS Robotics AB,葡萄牙 Instituto De Soldadurae Qualidade 等在内的7家单位联合向欧盟申请了代号为 Brite-Euram ROBHAZ的项目,旨在研制开发基于电动机器人和摩擦叠焊焊头的无人 操作水下裂纹修复系统,以此展示摩擦叠焊在海洋工程、海运、国防以及核工业中 进行修复作业的巨大潜力。项目总预算约 370 万欧元,起止年限为 1997 年 6
25、月至 2000 年 5 月,其中焊接工艺参数的研究制定工作由 GKSS 负责,并同 NEOS Robotics 公司一起进行机器人的海试工作。整套系统完全自动化,可以实现遥控操作。 在 Brite-Euram ROBHAZ 项目启动 1 年之后,Stolt Offshore Ltd.,NHC,GKSS 等3家单位又联合向欧盟申请批准了名为THERMIE Stitchpipe的项目,旨在研制开 发用于深水油气管道修复用的轨道摩擦叠焊系统样机,其中 GKSS 承担焊接工艺参 数的评估工作,Stolt Offshore Ltd.负责研制焊头及其配套机械设备并将其结合到 MATIS框架上。项目总预算约
26、180万欧元,起止年限为1998年12月至2001年8月。 欧盟紧接着又资助了名为 PIPETAP 的项目,旨在探索利用摩擦叠焊技术进行深 水海底管道的遥控不停产在线开孔作业,作业水深 10003000m,希望能够将现阶段 的类似作业费用降低 50%；参加单位有 GKSS,NHC,Circle Technical Services Ltd.,Norwegian Universal Technology AS,NEOS Robotics AB 以及英国 Well Subsea Ltd.。项目总预算约137万欧元,起止年限为2001年10月至2003年3月。 得益于上述 3 个欧盟计划项目的连续支
27、持,目前欧洲的一些海洋石油大国已经 具备了应用摩擦叠焊技术进行海洋石油钢结构水下裂纹修复和海底油气管道在线 开孔的商业化作业能力。此外不难看出,摩擦叠焊技术在海洋石油工业浮式生产储 卸油轮 FPSO 系统以及各类工业船舶的无坞就地水下修复、核工业领域沸腾水反应 4 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 器 BWR 和压力水反应器 PWR 的内部应急修复、国防工业战舰的水下应急修复等方 面也存在着巨大的应用潜力。 ROBHAZ 承载水下机器人焊接修复系统 一种水下机器人修复系统，这个系统包 括一个海洋化的Ttricept并联机器人和一个多用途的摩擦焊头。焊接修复系统配置 在一个大的
28、远程遥控车上，如图1-5所示10。摩擦叠焊过程需要加载较大的轴向力， 通常可达到1520kN之间，而这样大的力靠人手不可能实现，故需采用机械手来完 成，Tricept机器人能够很好的完成这一任务 如图1-6所示 。 图 1-5 水下工作的摩擦叠焊作业系统 图 1-6 Tricept 机器人 5 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 1.2 并联机构 并联机构英文名为 Parallel Mechanism，简称 PM，可以定义为动平台和定平 台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联 方式驱动的一种闭环机构。 并联机构起源 并联机构的出现可以回溯至 2
29、0 世纪 30 年代。1931 年，Gwinnett 在其专利中 提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置，如图1-7所示；1940年，Pollard在其 专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆，如图1-8所示；之后，Gough 于在 1962 年发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置，如图 1-9 所示； 三年后，Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究，并将 其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置，如图 1-10 所示，这种机构也是目前应 用最广的并联机构，被称为 Gough-Stewart 机构或 Stewart 机构。从结构上看， Stewart机
30、构的动平台通过六个相同的独立分支与定平台相联接，每个分支中含有 一个联接动平台的球铰、一个移动副和一个连接定平台的球铰，为避免绕两个球铰 中心连线的自转运动，通常也用一个万向铰来代替其中一个球铰。1978 年，Hunt 首次提出把六自由度并联机构作为机器人操作器，由此拉开了并联机器人研究的序 幕，但在随后近10年的时间里，并联机器人的研究似乎停滞不前。直到80年代末 90年代初，并联机器人才引起了广泛注意，成为国际研究的热点。 图 1-7 并联娱乐装置图 图1-8 Pollard 的并联机构 6 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 图 1-10 Gough 并联机构 图 1-1
31、1 Stewart 并联机构 在国内，燕山大学的黄真教授于 1991 年研制出我国第一台六自由度并联机器 人样机 图 1-12 ，1994 年研制出第一台柔性铰链并联式六自由度机器人误差补偿 器 图1-13 ，1997年出版了我国第一部关于并联机器人理论及技术的专著。 图 1-12 燕山大学研制的六自由度并联样机 图 1-13 六自由度并联误差补偿器 并联机构的应用 1 飞行模拟器 Stewart 在 1965 年首次提出把六自由度并联机构作为飞行模拟器，开此应用 的先河。目前，国际上有大约 67 家公司生产基于并联机构的各种运动模拟器。图 1-14 是 Frasca 公司生产的波音 737-
32、400 型客机的六自由度飞行模拟器；图 1-15 7 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 是CAE公司生产的飞行模拟器。 图 1-14 波音 737-400飞行模拟器 图 1-15 CAE 飞行模拟器 8 水下摩擦叠焊焊头夹持机械手的结构设计与三维实体模拟 2 并联机床 并联机器人在工业上的一个突出应用是作为数控加工中心，又被称为并联机床 或虚拟轴机床，是机器人技术与机床技术结合的产物。与传统的串联式加工中心相 比，并联机床具有结构简单、传动链短、刚度/重量比大、环境适应性强、响应速 度快等特点，特别是很容易实现六轴联动，可用来加工复杂的三维曲面。因此，并 联机床又被称为“21 世纪的机床”。20 世纪 90 年代初以来，国际学术界和工程界 对并联机床的研究和开发非常重视，投入大量人力物力积极开发，相继推出了多种 并联机床产品化样机。图 1-16 是美国 Giddings & Lewis 公司 1994 年在美国芝加 哥IMTS94 博览会上推出的VARIAX虚拟轴机床，标志着并联机构正式进入机床领 域。1997 年在德国汉诺威国际机床博览会 EMO97 和 1999 年巴黎国际机床博览会 EMO99 上，又推出了多种并联机床样机。图1-17是瑞典Neos Robotics公司生产 的 Tricept 600 型并联
