0引言
焊接机器人类型很多,但一般都是结合零件工艺开发的专用机器人,如在油气长管线施工中,设计开发出一种管道全位置焊接机器人;对于大型工件(如储气罐)的焊接工序,设计开发出复杂长焊缝焊接机器人;针对箱型钢结构需要进行环缝焊接,设计开发出一种箱型钢结构环缝焊接机器人;针对管与管之间以正交､斜交方式连接产生的相贯线焊接,设计开发出一种卡管式插接管焊接机器人等｡
热管散热器中热管换热效率高,其导热能力是同等银导热量的2000倍､紫管的6000倍;热管内腔的蒸汽处于饱和状态,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,温降很小,因而热管具有优良的等温性,可以减少装备的维修成本;热管散热器的设计结构紧凑,流动阻力小,换热方式灵活,而且体积小､重量轻;因为热管内没有吸液芯这一构件,所以和一般的热管进行对比,不仅结构设计方面简单､制造方便､制造成本低,而且导热性能良好､工作安全可靠｡但是目前热管散热器加工过程中的焊接工序还处于人工焊接阶段,基于此现状,提出了采用感应焊接热管散热器,为了配合感应焊接设备,需研制与之相对应的运动控制装置,完成热管散热器的焊接任务｡于是本文设计了一种运动控制装置并进行运动分析,用来解决热管散热器进行自动感应焊接的问题｡
1感应焊接热管散热器控制装置的运动过程分析
图1和图2分别为所需焊接热管散热器和感应焊机,感应焊机固定不动,若对每一根热管进行焊接,则需把热管散热器安装固定在所设计的运动控制装置上,设计其运动路径轨迹来配合感应焊机进行焊接｡运动控制装置配合完成热管焊接工作的运动过程如下:①将热管散热器运送到感应焊环正下方,使焊环与所要焊接的第一根热管上下精确对准;②将热管散热器竖直向上运送,使将要焊接的第一根热管运动到感应焊环焊接范围之内;③装置停止运动,焊接工作开始,等待第一根热管焊接工作完成;④焊接完成后,将热管散热器垂直向下运送,然后再水平运动,使要焊接的第二根热管对应在感应焊环正下方;⑤继续将热管散热器竖直向上运送,使第二根将要焊接的热管在感应焊环焊接范围内;⑥焊接工作开始,此时装置停止运动,等待第二根热管焊接工作完成｡运动控制装置依次循环运动,直至将散热器内的热管全部焊接完成｡
2运动控制装置设计及三维建模
2.1运动控制装置设计
基于上述运动过程分析设计了一种结构简单､成本低､控制精度高的二自由度运动控制装置来实现所需要的运动过程｡本文采用直角坐标式的二自由度运动控制装置来实现上､下和前进､后退两个自由度的运动｡第一自由度和第二自由度均为直线运动,驱动电机采用交流伺服电机,传动方式为丝杠螺母副｡二自由度运动控制装置总体结构示意图如图3所示｡
伺服电机1､2通过联轴器与水平导轨和垂直导轨相连接,将电机的旋转运动变换为直线运动,垂直导轨的底端通过内六角螺钉与水平导轨滑块上的连接板相连接,同样支撑板与垂直导轨的滑块相固接,夹具将热管散热器固定并定位在支撑板上面｡把运动控制程序编入工控机中分别通过驱动器1､2及控制电机1､2带动水平导轨和垂直导轨运动,从而实现热管散热器预期的上升､下降和前进､后退运动｡
2.2装置实体模型
为了更加直观地了解装置的结构和运动状态,对装置中的机械结构进行了三维实体模型的建立｡运用Pro/E软件分别对导轨､连接板和支撑板进行实体建模,如图4~图6所示｡
运用Pro/E中的装配功能将所建立的零件模型通过约束条件进行装配,得到二自由度运动控制装置三维模型,如图7所示｡
3运动控制装置运动分析及仿真
3.1D-H坐标系建立
运用D-H法建立运动控制装置的坐标系,建立了固定坐标系O0x0y0z0和关节移动坐标系O1x1y1z1､O2x2y2z2,移动坐标系O1x1y1z1､O2x2y2z2的原点O1､O2分别设置在水平导轨与垂直导轨的运动滑块上,z1､z2轴方向与滑块运动方向相同,x1轴垂直于z0､z1轴且指向靠近z1轴的方向,x2轴垂直于z1､z2轴且指向靠近z2轴的方向;水平导轨为固定基座,固定坐标系O0x0y0z0的原点O0设置在固定基座一端,z0轴方向与水平导轨上滑块运动方向相同,正方向以方便计算为原则选定,x0轴与x1轴方向相同;各个y轴由右手法则确定,如图8所示｡运动控制装置的连杆参数见表1,其中ai表示沿xi轴从zi移动到zi+1的距离,αi表示绕xi轴从zi旋转到zi+1的角度,di表示沿zi轴从xi-1移动到xi的距离,θi表示绕zi轴从xi-1旋转到xi的角度｡各连杆的变换矩阵如下:
由推导结果可知:P点相对于固定坐标系O0x0y0z0的坐标为(0,-d2,S1+d1),若将所有未知变量给出,即可求出运动控制装置末端位姿｡
3.2运动控制装置ADAMS运动学仿真
为获得运动控制装置的主要工作参数,采用ADAMS中的阶跃函数(STEP)来控制X､Y轴的行程,阶跃函数格式为:
其中:x为自变量;x0为自变量的初始值;t0为x小于x0时的函数值;x1为阶跃结束后的自变量值;t1为x大于x1时的函数值｡
根据模型尺寸,建立的虚拟样机模型如图9所示｡因运动控制装置运动主要由滚珠丝杠组成,故主要使用移动副｡运动副建立之后,根据运动控制装置的实际运动对运动控制装置模型施加驱动,其函数形式见表2｡仿真时间为100s,仿真步数为100步,得出的运动控制装置末端位移曲线､速度曲线和加速度曲线如图10所示,运动控制装置末端X方向的位移曲线和Y方向的位移曲线如图11所示｡通过ADAMS运动学仿真分析,结果表明运动控制装置末端平台按照预先设计的路径进行运动｡同时根据虚拟样机模型可对各种工作状态､各种型号样机进行仿真分析,为运动控制装置的精确设计提供了理论依据｡图10､图11精确表明运动控制装置完成一次作业所用的时间,以及运动控制装置竖直上升和下降､水平方向位移的准确位置,此运动数据为了解运动控制装置的运动特性提供了理论支撑｡
4结论
提出了一种高效焊接热管散热器的方法并对相应的运动控制装置进行了设计｡
将Pro/E和ADAMS软件相结合,建立了运动控制装置的仿真模型,通过对运动学仿真结果的分析,得出运动控制装置末端位移､速度､加速度曲线,为运动控制装置的精准设计提供了理论依据｡
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