التحليل الحركي وتطبيق روبوت لحام الأنابيب المربعة
تحتل الأنابيب المربعة نسبة كبيرة في مجال الهياكل الفولاذية، وتعد وصلات المفاصل T هي الأكثر شيوعًا. نظرًا لهياكلها الخاصة، فإن وضع اللحام غالبًا ما يكون لحامًا علويًا، والذي يتم حاليًا يدويًا. ومع ذلك، فإن استقرار جودة المفصل غير كافٍ، وتعتمد جودة اللحام بشكل كبير على خبرة الفنيين في اللحام. يؤدي ذلك إلى دورات تصنيع طويلة وكثافة عمالية عالية.
مع ظهور مفاهيم مثل الصناعة 4.0، أصبح التصنيع الذكي هو الاتجاه السائد في التطوير الصناعي. أصبحت الروبوتات المستخدمة في اللحام أكثر تنوعًا وذكاءً ومرونة. ومع ذلك، فإن معظم الروبوتات المستخدمة في اللحام ليست قابلة للنقل بسهولة ولا يمكنها إجراء لحام مستمر موحد. لذلك، يعد تطوير معدات ذكية خصيصًا للحام وصلات المفاصل T للأنابيب المربعة أمرًا بالغ الأهمية لدفع تكنولوجيا اللحام الذكي في الصين.
تعد حركيات الروبوتات أساسًا للتحكم في الحركة وتخطيط المسار. يتم تطبيق طريقة النمذجة المستخدمة عادة في دينا فيت هارتمبيرغ (D-H) لإنشاء معادلات الحركيات الأمامية للروبوتات، رغم أن حل هذه المعادلات غالبًا ما يكون معقدًا. يمكن تقسيم الحلول العامة إلى فئتين: الحلول العددية والحلول المغلقة. استخدم تانغ جيان [1] طريقة D-H لاشتقاق حلول المفاصل لروبوت ER10-C60 ودرس صحة حلول الحركيات العكسية المتعددة. درس تشيان يونغهنغ [2] روبوت سطح المكتب وحصل على الحلول العددية له.
بالنسبة للروبوت الذي تم تطويره حديثًا والذي يحتوي على أربعة درجات من الحرية، تم استخدام طريقة D-H لاشتقاق معادلات الحركيات والحصول على الحلول العددية. للتعامل مع المستوى المنخفض من الأتمتة الصناعية في لحام وصلات المفاصل T للأنابيب المربعة، درست الدراسة حركيات الروبوت بناءً على الخصائص الهيكلية للأنابيب المربعة. تم التحقق من قابلية الوصول للروبوت، وتم تخطيط المسار في الفضاء المشترك لضمان دقة حلول الحركيات. تم بناء نموذج أولي لإجراء تجارب اللحام، للتحقق من جدوى وموثوقية المعدات الخاصة باللحام، مما يوفر الدعم النظري لتطوير الروبوتات المستقبلية والتحكم في الحركة.
1. تصميم الروبوت والتحليل الحركي
1.1 تصميم هيكل روبوت اللحام
بناءً على متطلبات اللحام للوصلات T في الهياكل الفولاذية، يحتاج الروبوت إلى تنفيذ حركة منسقة متعددة المحاور مع خطوط مستقيمة دائرية وأقواس دائرية لتناسب مسار اللحام. يجب على الروبوت تنفيذ الحركات المحيطية والمحورية والشعاعية حول الأنبوب المربع، جنبًا إلى جنب مع تأرجح شعلة اللحام. يتطلب هذا على الأقل أربع درجات من الحرية. نظرًا لأن بعض عمليات اللحام تتطلب تعديلات في الوقت الفعلي، هناك حاجة إلى درجة حرية دوارة إضافية للتحكم في الشعلة، مما يتيح إجراء تعديلات في الوقت الفعلي على معلمات اللحام ووضعية الشعلة أثناء اللحام.
بناءً على مبادئ تصميم الروبوتات التسلسلية، تم اختيار هيكل تسلسلي ذو خمس درجات من الحرية لروبوت لحام الأنابيب المربعة. بما أن قطع العمل المصنوعة من الأنابيب المربعة عادة ما تكون ثقيلة، ومع مراعاة تكلفة الأجهزة وطرق تثبيت العمل، تم تصميم الروبوت ليتشابك مع قطعة العمل باستخدام نظام سكة حديدية والتحرك بالنسبة لقطعة العمل لإكمال مسار اللحام.
استنادًا إلى هذا التحليل، تم تصميم هيكل الروبوت كما هو موضح في الشكل 1. المحاور J1 و J2 و J5 هي محاور دوارة، بينما المحاور J3 و J4 هي محاور انتقالية. يتم استخدام المحاور J1 و J2 و J3 و J4 لتناسب مسار اللحام، بينما يتم استخدام المحور J5 لضبط وضعية شعلة اللحام.
في الهندسة العملية، يتراوح قطر قطع العمل من الأنابيب المربعة عمومًا من 80 إلى 150 مم. وبالنظر إلى الكتل الفاصلة (بسمك 5-20 مم) وعرض سكة التوجيه، يتم تحديد قطر سكة القطعة المصممة على 380 مم. يمكن لجسم الروبوت تحقيق دوران بزاوية ±365° حول السكة بسرعة تتراوح من 0 إلى 5 دورات في الدقيقة، قابلة للتعديل بناءً على متطلبات عملية اللحام. يتراوح نطاق الدوران إلى 730°، ولمنع تكوين الحفرة في نهاية اللحام، يستمر الحركة لمدة 3-5 مم إضافية بعد انطفاء القوس لتجنب العيوب في نقاط البدء والإيقاف.
كما هو موضح في الشكل 2، تم تصميم نظام السكة الدائرية لاستيعاب أحجام مختلفة من الأنابيب المربعة عن طريق تثبيت كتل فاصلة بأحجام مختلفة (من 5 إلى 20 مم) على الجانب الداخلي. تسمح هذه الكتل بإجراء التعديلات على الحجم بناءً على مواصفات الأنابيب المربعة المختلفة، بينما تزيد أيضًا من الاحتكاك الساكن بين السكة وجدار الأنبوب.
“تتضمن الجوانب الداخلية والخارجية للسكك مسارات دليلة، وقد تم تصميم جهاز توجيه مركزي على جانب واحد لضمان المحاذاة بين مركز السكة ومركز الأنبوب، مما يقلل من أخطاء تحديد موضع قطعة العمل ويقلل من تأثير أخطاء التشغيل والتثبيت اليدوي على جودة اللحام.
بالنظر إلى بيئة العمل، وتكاليف الأدوات، والصيانة المستقبلية، تم اختيار آلية قفل باستخدام الكام لتثبيت نظام السكك. تسمح هذه الآلية بالتركيب والفك السريع للسكك الخاصة بالروبوت، مما يقلل من وقت إعداد الأدوات بينما يحسن كفاءة العمل.”
