新型焊接熱管散熱器的機器人設(shè)計及運動分析

熱設(shè)計 2022-06-15

0引言

焊接機器人類型很多,但一般都是結(jié)合零件工藝開發(fā)的專用機器人,如在油氣長管線施工中,設(shè)計開發(fā)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(shè)計開發(fā)出復(fù)雜長焊縫焊接機器人;針對箱型鋼結(jié)構(gòu)需要進行環(huán)縫焊接,設(shè)計開發(fā)出一種箱型鋼結(jié)構(gòu)環(huán)縫焊接機器人;針對管與管之間以正交?斜交方式連接產(chǎn)生的相貫線焊接,設(shè)計開發(fā)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(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)計結(jié)構(gòu)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(nèi)沒有吸液芯這一構(gòu)件,所以和一般的熱管進行對比,不僅結(jié)構(gòu)設(shè)計方面簡單?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,需研制與之相對應(yīng)的運動控制裝置,完成熱管散熱器的焊接任務(wù)?于是本文設(shè)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(yīng)焊接的問題?

1感應(yīng)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(yīng)焊機,感應(yīng)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(shè)計的運動控制裝置上,設(shè)計其運動路徑軌跡來配合感應(yīng)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(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(yīng)焊環(huán)焊接范圍之內(nèi);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(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(huán)運動,直至將散熱器內(nèi)的熱管全部焊接完成?

2運動控制裝置設(shè)計及三維建模

2.1運動控制裝置設(shè)計

基于上述運動過程分析設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單?成本低?控制精度高的二自由度運動控制裝置來實現(xiàn)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(xiàn)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(qū)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(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示?

伺服電機1?2通過聯(lián)軸器與水平導(dǎo)軌和垂直導(dǎo)軌相連接,將電機的旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動,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?把運動控制程序編入工控機中分別通過驅(qū)動器1?2及控制電機1?2帶動水平導(dǎo)軌和垂直導(dǎo)軌運動,從而實現(xiàn)熱管散熱器預(yù)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(jié)構(gòu)和運動狀態(tài),對裝置中的機械結(jié)構(gòu)進行了三維實體模型的建立?運用Pro/E軟件分別對導(dǎo)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(guān)節(jié)移動坐標系O1x1y1z1?O2x2y2z2,移動坐標系O1x1y1z1?O2x2y2z2的原點O1?O2分別設(shè)置在水平導(dǎo)軌與垂直導(dǎo)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(dǎo)軌為固定基座,固定坐標系O0x0y0z0的原點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(shù)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(zhuǎn)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(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(xué)仿真

為獲得運動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時的函數(shù)值?

根據(jù)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(jù)運動控制裝置的實際運動對運動控制裝置模型施加驅(qū)動,其函數(shù)形式見表2?仿真時間為100s,仿真步數(shù)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(xué)仿真分析,結(jié)果表明運動控制裝置末端平臺按照預(yù)先設(shè)計的路徑進行運動?同時根據(jù)虛擬樣機模型可對各種工作狀態(tài)?各種型號樣機進行仿真分析,為運動控制裝置的精確設(shè)計提供了理論依據(jù)?圖10?圖11精確表明運動控制裝置完成一次作業(yè)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(shù)據(jù)為了解運動控制裝置的運動特性提供了理論支撐?