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阀门焊接机械手的机构及控制方案设计

孙峰磊  
【摘要】:随着工业自动化水平的逐渐提高,越来越多的手工焊接领域逐渐被焊接机械手所取代。使用机械手进行焊接,不仅可以减少人工劳动成本,而且还可以提高焊接的效率和精度。本文针对的是某种特定阀门阀体密封面的焊接,通过对机械手的机构及控制方案研究,使其能够应用于阀门阀体密封面的焊接任务。具体工作如下:⑴通过参考、借鉴和对比等方法,选择了电机驱动方式的六关节六自由度串联机械手,并利用Solidworks软件建立了焊接机械手装配模型。然后运用D-H法对该机械手系统进行了运动学分析,包括机械手-变位机协同运动建模以及机械手和变位机各自正、逆运动学的求解。此外,还在机械手运动学分析的基础上进行了焊接机械手工作空间的分析,并给出了工作空间的平面投影图;⑵采用拉格朗日法进行机械手的动力学研究,并通过构造机械手拉格朗日方程求解出此焊接机械手的动力学方程。然后基于牛顿-欧拉方程杆件质心的惯性力和惯性力矩表达式,推导并计算出了焊接机械手各关节驱动力和驱动力矩表达式;⑶将建立好的机械手模型导入ADAMS中进行机械手运动学与动力学仿真。通过机械手运动学仿真,得出其关节角、杆件质心位移以及关节角速度与角加速度都在各自的变化范围内。此外,基于机械手-变位机协同焊接运动学模型及参数求解方法的运动学仿真结果表明:协同焊接过程中机械手和变位机关节角也都在合理范围内,机械手关节转角曲线呈周期性变化、平滑无突变,确保了焊枪的追踪运动平稳。焊枪末端点轨迹拟合出空间椭圆曲线,表明焊枪末端能够实时追踪到阀体内壁的椭圆焊缝并与其以较高精度贴合。通过ADAMS动力学仿真各个关节驱动力和驱动力矩随时间的变化情况可知:驱动力和驱动力矩都在变化范围之内,机械手系统在焊接作业过程中运行平稳,没有发生干涉或者与阀体内壁碰撞等不良现象,也就证实了机械手在狭小空间内实现焊接的可行性;⑷提出一种基于EtherCAT总线进行主控制器和伺服运动控制之间通信的焊接机械手控制系统总体方案,主要解决了通信和控制算法两大问题。此外,还研究了焊接工作站的组成及整体布局,然后介绍了焊接试验的工艺要求,并给出了弧焊试验结果。结果表明:焊接过程平稳,所形成的椭圆环形焊缝轨迹平滑、精度较高,能够达到实际生产中阀门阀体密封面的焊接要求。


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