磨削机械臂的机械结构

水轮机叶片在运行一段时间后，表面会出现因汽蚀、磨蚀而产生的蚀坑，导致水轮机过流部件，特别是转轮叶片表面快速破坏，不仅降低了水轮机运行效率，而且危及部件的结构安全，使水轮机工作效率降低，直接影响电站的发电能力和经济效益［1］。需要对水轮机叶片进行修复作业，人工修复叶片工作周期长，间接地降低水轮机工作效率。采用磨削用机器人，不仅能缩短检修周期，还能把工人从繁重、恶劣的工作条件中解放出来，这势必带来很好的经济效益和社会效益。

1复杂曲面磨削机器人机械臂设计方案

水轮机叶片属于典型的复杂曲面，下面以水轮机叶片为例分析复杂曲面磨削机器人机械臂的设计方案。水轮机叶片的80%属于马鞍面，15%属于碗面，其余部分属于复杂曲面。机器人要实现在叶片不同部位对焊缝的磨削工作，能够适应复杂曲面的形状要求，并且磨削作业面积要达到叶片的70%，这就要求机械臂应具有多个可动关节，但关节数目过多，会使机械臂结构的刚度降低［2］。基于以上分析，设计出一种应用于复杂曲面的焊缝磨削机器人。机器人本体由移动平台、机械臂和磨削加工单元组成。移动平台的前后移动以及磨削加工单元的上下移动和左右摆动可以完成在复杂曲面上的加工作业。本文针对机械臂关节作出结构优化设计。

1.1机械臂关节设计及自由度分析

被修磨叶片表面形状复杂，为了保证机械臂可以修复叶片表面大部分位置的焊缝，在设计上要求机械臂具有很高的灵活性，能够加工复杂曲面70%以上位置的焊缝，同时要提高机械臂的刚度要求。水轮机叶片构形复杂，在水轮机叶片上650mm×200mm区域范围内，水轮机叶片近似为水平面，将该区域称为单位修复作业区域。要求移动平台吸附于某一单位修复作业区域后，机械臂大臂能够实现相对于移动平台左右摆动、上下俯仰、前后伸缩三个动作，这三个动作保证了机械臂能够到达水轮机叶片单位修复作业区域内的焊缝处。由于叶片在该区域的焊缝分布的不均匀性、焊缝余高的存在以及该区域实际存在的曲率，要求机械臂小臂能够相对机械臂大臂左右摆动、上下升降和曲面自适应三个动作，这三个动作保证机械臂能和被磨削的焊缝处在有利的加工位置。基于复杂曲面的特点对机械臂结构的要求设计了如图1所示的机械臂结构。所设计的机械臂具有5个主动关节和1个被动关节。主动关节包括大臂左右摆动关节、大臂上下摆动关节、大臂前后伸缩关节、小臂上下进给关节和小臂左右摆动关节。每个主动关节均具有一个自由度。其中前三个主动关节用于末端工具的位置和大的姿态调整，使作业工具和叶片表面达到合适的相对加工位置，在作业过程中这三个关节锁紧，使得轴、大臂、小臂变为刚度好的桁架结构。后两个主动关节用于控制磨削作业过程中的进给运动。被动关节是机械臂为了适应曲面的不同曲率的要求而设计的。它由弹簧自适应装置构成，随叶片曲率变化来及时调整小臂的位姿，使末端磨削加工单元更好的完成对焊缝的打磨工作。

1.2关节运动的传动机构设计

结合水轮机叶片复杂的曲面特点的要求，设计了叶片磨削用机器人应具有的关节以及分析了各关节具有的自由度。以上5个主动关节和1个被动关节保证了作业工具对水轮机叶片绝大多数位置的焊缝进行较准确地修复作业。每个关节都有独自的传动机构，结合复杂曲面的特点，分别对每个关节的传动机构予以设计。大臂左右摆动关节通过蜗轮蜗杆机构传动，电机带动蜗杆转动，蜗杆带动蜗轮转动，涡轮带动蜗轮轴转动，从而实现联接在轴上的大臂机构的左右摆动。大臂的上下摆动关节通过四连杆机构传动，如图1所示，电机通过丝杠带动BD杆上下滑动，BD杆带动AD杆和CD杆上下摆动，从而实现大臂关节的上下摆动。大臂前后伸缩关节通过滚珠丝杠平台传动，电机带动滚珠丝杠旋转，丝杠旋转带动滑块左右运动，从而实现大臂前后伸缩关节的伸缩运动。小臂上下进给关节也是通过滚珠丝杠平台传动，电机带动丝杠旋转，丝杠带动联接在它上面的小臂机构上下运动，从而实现小臂上下进给关节的升降运动。小臂左右摆动关节通过电机带动回转机构实现传动。小臂的自适应关节是通过弹簧机构来实现关节运动的。

2磨削机械臂结构尺寸设计和受力计算

2.1机械臂结构尺寸设计

机械臂结构简如图1所示，图中EH为大臂的长，MN为小臂的长。根据叶片空间构型进行机械臂作业空间的分析。机械臂配合移动平台的加工范围要达到约叶片表面的70%，则每次移动平台固定后机械臂的作业空间如图2所示。在叶片表面上的加工区间为面积为1500cm2的环形区域，如图2a中的区域D。机械臂加工范围应满足表1所示。所设计的四连杆中，连杆AB、BC、CD、AD、CE的尺寸分别为为:AB=100mm、BC=100mm、CD=150mm、AD=120mm、CE=50mm。最短杆BC的邻边AD杆作为固定杆，故所设计的四连杆机构为曲柄摇杆机构［3］。其中BD是大臂驱动杆，可通过以下计算求出其伸缩量。综上，所设计的机械臂各关节运动范围是:大臂伸缩关节行程为100mm，小臂摆幅0°～27°，大臂上下摆幅0°～18°，大臂伸缩行程为100mm，满足表1所示的范围要求。

2.2机械臂主要关节受力计算

由于机器人对叶片进行修复的各类作业中，磨削作业会产生最大的反作用力，对机械臂的强度和刚度要求最高，因此以磨削作业为主考虑机械臂受力［4］。使用测力机构测出磨削时机械臂受到的磨削力为200N，压深力为400N。根据机械臂结构图1，可求解出个各关节的受力情况。对机械臂小臂关节受力情况详细分析如下(图3)。其中FG、FH为G、H两点的处置纸面的力，F磨为吸附磁体和叶轮表面的摩擦力(因为钢钢摩擦系数为0.15左右，所以F磨=0.15×800=120N)。因为G点处为弹簧结构，不能承受较大的垂直纸面的力，所以令FG约为0，同时FG为弹簧提供的弹力，而且图中为弹簧最大压缩处，同时为FH力臂最小处。为保证安全，这里也可以令FG为0计算出FH的最大值，以保证机械臂的作业安全。从以上考虑可以得出:FH=750N、FH=158N。

3磨削机械臂三维模型仿真

根据以上机械臂结构计算尺寸，利用CATIA软件绘制机械臂三维模型如图4所示。

4结论

在满足复杂曲面磨削机器人设计要求基础上，结合复杂曲面磨削工艺的要求，设计了一种五个主动关节加一个被动关节形式的磨削机械臂。所设计的机械臂结构满足机构的运动要求，结构尺寸小且刚性好，在移动平台的配合下能完成焊缝的修复操作。在后续的工作中将继续对机械臂在材质的选择及运动稳定性上进一步优化。