0引言

焊接機(jī)器人類型很多,但一般都是結(jié)合零件工藝開發(fā)的專用機(jī)器人,如在油氣長(zhǎng)管線施工中,設(shè)計(jì)開發(fā)出一種管道全位置焊接機(jī)器人;對(duì)于大型工件(如儲(chǔ)氣罐)的焊接工序,設(shè)計(jì)開發(fā)出復(fù)雜長(zhǎng)焊縫焊接機(jī)器人;針對(duì)箱型鋼結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行環(huán)縫焊接,設(shè)計(jì)開發(fā)出一種箱型鋼結(jié)構(gòu)環(huán)縫焊接機(jī)器人;針對(duì)管與管之間以正交?斜交方式連接產(chǎn)生的相貫線焊接,設(shè)計(jì)開發(fā)出一種卡管式插接管焊接機(jī)器人等?

熱管散熱器中熱管換熱效率高,其導(dǎo)熱能力是同等銀導(dǎo)熱量的2000倍?紫管的6000倍;熱管內(nèi)腔的蒸汽處于飽和狀態(tài),飽和蒸汽從蒸發(fā)段流向冷凝段所產(chǎn)生的壓降很小,溫降很小,因而熱管具有優(yōu)良的等溫性,可以減少裝備的維修成本;熱管散熱器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊,流動(dòng)阻力小,換熱方式靈活,而且體積小?重量輕;因?yàn)闊峁軆?nèi)沒有吸液芯這一構(gòu)件,所以和一般的熱管進(jìn)行對(duì)比,不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面簡(jiǎn)單?制造方便?制造成本低,而且導(dǎo)熱性能良好?工作安全可靠?但是目前熱管散熱器加工過程中的焊接工序還處于人工焊接階段,基于此現(xiàn)狀,提出了采用感應(yīng)焊接熱管散熱器,為了配合感應(yīng)焊接設(shè)備,需研制與之相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置,完成熱管散熱器的焊接任務(wù)?于是本文設(shè)計(jì)了一種運(yùn)動(dòng)控制裝置并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,用來解決熱管散熱器進(jìn)行自動(dòng)感應(yīng)焊接的問題?

1感應(yīng)焊接熱管散熱器控制裝置的運(yùn)動(dòng)過程分析

圖1和圖2分別為所需焊接熱管散熱器和感應(yīng)焊機(jī),感應(yīng)焊機(jī)固定不動(dòng),若對(duì)每一根熱管進(jìn)行焊接,則需把熱管散熱器安裝固定在所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制裝置上,設(shè)計(jì)其運(yùn)動(dòng)路徑軌跡來配合感應(yīng)焊機(jī)進(jìn)行焊接?運(yùn)動(dòng)控制裝置配合完成熱管焊接工作的運(yùn)動(dòng)過程如下:①將熱管散熱器運(yùn)送到感應(yīng)焊環(huán)正下方,使焊環(huán)與所要焊接的第一根熱管上下精確對(duì)準(zhǔn);②將熱管散熱器豎直向上運(yùn)送,使將要焊接的第一根熱管運(yùn)動(dòng)到感應(yīng)焊環(huán)焊接范圍之內(nèi);③裝置停止運(yùn)動(dòng),焊接工作開始,等待第一根熱管焊接工作完成;④焊接完成后,將熱管散熱器垂直向下運(yùn)送,然后再水平運(yùn)動(dòng),使要焊接的第二根熱管對(duì)應(yīng)在感應(yīng)焊環(huán)正下方;⑤繼續(xù)將熱管散熱器豎直向上運(yùn)送,使第二根將要焊接的熱管在感應(yīng)焊環(huán)焊接范圍內(nèi);⑥焊接工作開始,此時(shí)裝置停止運(yùn)動(dòng),等待第二根熱管焊接工作完成?運(yùn)動(dòng)控制裝置依次循環(huán)運(yùn)動(dòng),直至將散熱器內(nèi)的熱管全部焊接完成?

2運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)及三維建模

2.1運(yùn)動(dòng)控制裝置設(shè)計(jì)

基于上述運(yùn)動(dòng)過程分析設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單?成本低?控制精度高的二自由度運(yùn)動(dòng)控制裝置來實(shí)現(xiàn)所需要的運(yùn)動(dòng)過程?本文采用直角坐標(biāo)式的二自由度運(yùn)動(dòng)控制裝置來實(shí)現(xiàn)上?下和前進(jìn)?后退兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)?第一自由度和第二自由度均為直線運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流伺服電機(jī),傳動(dòng)方式為絲杠螺母副?二自由度運(yùn)動(dòng)控制裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示?

伺服電機(jī)1?2通過聯(lián)軸器與水平導(dǎo)軌和垂直導(dǎo)軌相連接,將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為直線運(yùn)動(dòng),垂直導(dǎo)軌的底端通過內(nèi)六角螺釘與水平導(dǎo)軌滑塊上的連接板相連接,同樣支撐板與垂直導(dǎo)軌的滑塊相固接,夾具將熱管散熱器固定并定位在支撐板上面?把運(yùn)動(dòng)控制程序編入工控機(jī)中分別通過驅(qū)動(dòng)器1?2及控制電機(jī)1?2帶動(dòng)水平導(dǎo)軌和垂直導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)熱管散熱器預(yù)期的上升?下降和前進(jìn)?后退運(yùn)動(dòng)?

2.2裝置實(shí)體模型

為了更加直觀地了解裝置的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)裝置中的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維實(shí)體模型的建立?運(yùn)用Pro/E軟件分別對(duì)導(dǎo)軌?連接板和支撐板進(jìn)行實(shí)體建模,如圖4~圖6所示?

運(yùn)用Pro/E中的裝配功能將所建立的零件模型通過約束條件進(jìn)行裝配,得到二自由度運(yùn)動(dòng)控制裝置三維模型,如圖7所示?

3運(yùn)動(dòng)控制裝置運(yùn)動(dòng)分析及仿真

3.1D-H坐標(biāo)系建立

運(yùn)用D-H法建立運(yùn)動(dòng)控制裝置的坐標(biāo)系,建立了固定坐標(biāo)系O0x0y0z0和關(guān)節(jié)移動(dòng)坐標(biāo)系O1x1y1z1?O2x2y2z2,移動(dòng)坐標(biāo)系O1x1y1z1?O2x2y2z2的原點(diǎn)O1?O2分別設(shè)置在水平導(dǎo)軌與垂直導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)滑塊上,z1?z2軸方向與滑塊運(yùn)動(dòng)方向相同,x1軸垂直于z0?z1軸且指向靠近z1軸的方向,x2軸垂直于z1?z2軸且指向靠近z2軸的方向;水平導(dǎo)軌為固定基座,固定坐標(biāo)系O0x0y0z0的原點(diǎn)O0設(shè)置在固定基座一端,z0軸方向與水平導(dǎo)軌上滑塊運(yùn)動(dòng)方向相同,正方向以方便計(jì)算為原則選定,x0軸與x1軸方向相同;各個(gè)y軸由右手法則確定,如圖8所示?運(yùn)動(dòng)控制裝置的連桿參數(shù)見表1,其中ai表示沿xi軸從zi移動(dòng)到zi+1的距離,αi表示繞xi軸從zi旋轉(zhuǎn)到zi+1的角度,di表示沿zi軸從xi-1移動(dòng)到xi的距離,θi表示繞zi軸從xi-1旋轉(zhuǎn)到xi的角度?各連桿的變換矩陣如下:

由推導(dǎo)結(jié)果可知:P點(diǎn)相對(duì)于固定坐標(biāo)系O0x0y0z0的坐標(biāo)為(0,-d2,S1+d1),若將所有未知變量給出,即可求出運(yùn)動(dòng)控制裝置末端位姿?

3.2運(yùn)動(dòng)控制裝置ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為獲得運(yùn)動(dòng)控制裝置的主要工作參數(shù),采用ADAMS中的階躍函數(shù)(STEP)來控制X?Y軸的行程,階躍函數(shù)格式為:

其中:x為自變量;x0為自變量的初始值;t0為x小于x0時(shí)的函數(shù)值;x1為階躍結(jié)束后的自變量值;t1為x大于x1時(shí)的函數(shù)值?

根據(jù)模型尺寸,建立的虛擬樣機(jī)模型如圖9所示?因運(yùn)動(dòng)控制裝置運(yùn)動(dòng)主要由滾珠絲杠組成,故主要使用移動(dòng)副?運(yùn)動(dòng)副建立之后,根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制裝置的實(shí)際運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制裝置模型施加驅(qū)動(dòng),其函數(shù)形式見表2?仿真時(shí)間為100s,仿真步數(shù)為100步,得出的運(yùn)動(dòng)控制裝置末端位移曲線?速度曲線和加速度曲線如圖10所示,運(yùn)動(dòng)控制裝置末端X方向的位移曲線和Y方向的位移曲線如圖11所示?通過ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析,結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)控制裝置末端平臺(tái)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)?同時(shí)根據(jù)虛擬樣機(jī)模型可對(duì)各種工作狀態(tài)?各種型號(hào)樣機(jī)進(jìn)行仿真分析,為運(yùn)動(dòng)控制裝置的精確設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)?圖10?圖11精確表明運(yùn)動(dòng)控制裝置完成一次作業(yè)所用的時(shí)間,以及運(yùn)動(dòng)控制裝置豎直上升和下降?水平方向位移的準(zhǔn)確位置,此運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)為了解運(yùn)動(dòng)控制裝置的運(yùn)動(dòng)特性提供了理論支撐?

4結(jié)論

提出了一種高效焊接熱管散熱器的方法并對(duì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)?

將Pro/E和ADAMS軟件相結(jié)合,建立了運(yùn)動(dòng)控制裝置的仿真模型,通過對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果的分析,得出運(yùn)動(dòng)控制裝置末端位移?速度?加速度曲線,為運(yùn)動(dòng)控制裝置的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)?

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