0引言
焊接機器人類型很多,但一般都是結合零件工藝開發的專用機器人,如在油氣長管線施工中,設計開發出一種管道全位置焊接機器人;對于大型工件(如儲氣罐)的焊接工序,設計開發出復雜長焊縫焊接機器人;針對箱型鋼結構需要進行環縫焊接,設計開發出一種箱型鋼結構環縫焊接機器人;針對管與管之間以正交?斜交方式連接產生的相貫線焊接,設計開發出一種卡管式插接管焊接機器人等?
熱管散熱器中熱管換熱效率高,其導熱能力是同等銀導熱量的2000倍?紫管的6000倍;熱管內腔的蒸汽處于飽和狀態,飽和蒸汽從蒸發段流向冷凝段所產生的壓降很小,溫降很小,因而熱管具有優良的等溫性,可以減少裝備的維修成本;熱管散熱器的設計結構緊湊,流動阻力小,換熱方式靈活,而且體積小?重量輕;因為熱管內沒有吸液芯這一構件,所以和一般的熱管進行對比,不僅結構設計方面簡單?制造方便?制造成本低,而且導熱性能良好?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,基于此現狀,提出了采用感應焊接熱管散熱器,為了配合感應焊接設備,需研制與之相對應的運動控制裝置,完成熱管散熱器的焊接任務?于是本文設計了一種運動控制裝置并進行運動分析,用來解決熱管散熱器進行自動感應焊接的問題?
1感應焊接熱管散熱器控制裝置的運動過程分析
圖1和圖2分別為所需焊接熱管散熱器和感應焊機,感應焊機固定不動,若對每一根熱管進行焊接,則需把熱管散熱器安裝固定在所設計的運動控制裝置上,設計其運動路徑軌跡來配合感應焊機進行焊接?運動控制裝置配合完成熱管焊接工作的運動過程如下:①將熱管散熱器運送到感應焊環正下方,使焊環與所要焊接的第一根熱管上下精確對準;②將熱管散熱器豎直向上運送,使將要焊接的第一根熱管運動到感應焊環焊接范圍之內;③裝置停止運動,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送,然后再水平運動,使要焊接的第二根熱管對應在感應焊環正下方;⑤繼續將熱管散熱器豎直向上運送,使第二根將要焊接的熱管在感應焊環焊接范圍內;⑥焊接工作開始,此時裝置停止運動,等待第二根熱管焊接工作完成?運動控制裝置依次循環運動,直至將散熱器內的熱管全部焊接完成?
2運動控制裝置設計及三維建模
2.1運動控制裝置設計
基于上述運動過程分析設計了一種結構簡單?成本低?控制精度高的二自由度運動控制裝置來實現所需要的運動過程?本文采用直角坐標式的二自由度運動控制裝置來實現上?下和前進?后退兩個自由度的運動?第一自由度和第二自由度均為直線運動,驅動電機采用交流伺服電機,傳動方式為絲杠螺母副?二自由度運動控制裝置總體結構示意圖如圖3所示?
伺服電機1?2通過聯軸器與水平導軌和垂直導軌相連接,將電機的旋轉運動變換為直線運動,垂直導軌的底端通過內六角螺釘與水平導軌滑塊上的連接板相連接,同樣支撐板與垂直導軌的滑塊相固接,夾具將熱管散熱器固定并定位在支撐板上面?把運動控制程序編入工控機中分別通過驅動器1?2及控制電機1?2帶動水平導軌和垂直導軌運動,從而實現熱管散熱器預期的上升?下降和前進?后退運動?
2.2裝置實體模型
為了更加直觀地了解裝置的結構和運動狀態,對裝置中的機械結構進行了三維實體模型的建立?運用Pro/E軟件分別對導軌?連接板和支撐板進行實體建模,如圖4~圖6所示?
運用Pro/E中的裝配功能將所建立的零件模型通過約束條件進行裝配,得到二自由度運動控制裝置三維模型,如圖7所示?
3運動控制裝置運動分析及仿真
3.1D-H坐標系建立
運用D-H法建立運動控制裝置的坐標系,建立了固定坐標系O0x0y0z0和關節移動坐標系O1x1y1z1?O2x2y2z2,移動坐標系O1x1y1z1?O2x2y2z2的原點O1?O2分別設置在水平導軌與垂直導軌的運動滑塊上,z1?z2軸方向與滑塊運動方向相同,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;水平導軌為固定基座,固定坐標系O0x0y0z0的原點O0設置在固定基座一端,z0軸方向與水平導軌上滑塊運動方向相同,正方向以方便計算為原則選定,x0軸與x1軸方向相同;各個y軸由右手法則確定,如圖8所示?運動控制裝置的連桿參數見表1,其中ai表示沿xi軸從zi移動到zi+1的距離,αi表示繞xi軸從zi旋轉到zi+1的角度,di表示沿zi軸從xi-1移動到xi的距離,θi表示繞zi軸從xi-1旋轉到xi的角度?各連桿的變換矩陣如下:
由推導結果可知:P點相對于固定坐標系O0x0y0z0的坐標為(0,-d2,S1+d1),若將所有未知變量給出,即可求出運動控制裝置末端位姿?
3.2運動控制裝置ADAMS運動學仿真
為獲得運動控制裝置的主要工作參數,采用ADAMS中的階躍函數(STEP)來控制X?Y軸的行程,階躍函數格式為:
其中:x為自變量;x0為自變量的初始值;t0為x小于x0時的函數值;x1為階躍結束后的自變量值;t1為x大于x1時的函數值?
根據模型尺寸,建立的虛擬樣機模型如圖9所示?因運動控制裝置運動主要由滾珠絲杠組成,故主要使用移動副?運動副建立之后,根據運動控制裝置的實際運動對運動控制裝置模型施加驅動,其函數形式見表2?仿真時間為100s,仿真步數為100步,得出的運動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,運動控制裝置末端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運動學仿真分析,結果表明運動控制裝置末端平臺按照預先設計的路徑進行運動?同時根據虛擬樣機模型可對各種工作狀態?各種型號樣機進行仿真分析,為運動控制裝置的精確設計提供了理論依據?圖10?圖11精確表明運動控制裝置完成一次作業所用的時間,以及運動控制裝置豎直上升和下降?水平方向位移的準確位置,此運動數據為了解運動控制裝置的運動特性提供了理論支撐?
4結論
提出了一種高效焊接熱管散熱器的方法并對相應的運動控制裝置進行了設計?
將Pro/E和ADAMS軟件相結合,建立了運動控制裝置的仿真模型,通過對運動學仿真結果的分析,得出運動控制裝置末端位移?速度?加速度曲線,為運動控制裝置的精準設計提供了理論依據?
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