鋼鋁復合柱翼型散熱器自動焊接系統設計與實現

張 冠,趙冬梅，梁楚華

(1.新疆大學 工程訓練中心，新疆烏魯木齊 830047;2.新疆大學 機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

自動焊接技術是先進制造技術的重要組成部分，在航空、船舶、汽車、石油天然氣、電力電子、海洋開發、工程機械、橋梁與建筑等行業都得到了廣泛的應用[1-3]。國內市場上散熱器的種類繁多，相對于先前的鑄鐵型散熱器，人們更傾向造型美觀、節省空間、大小可定制的鋼鋁復合柱翼型散熱器[4]。鑒于該種散熱器的T型結構，本文將其簡稱為T型散熱器。T型散熱器生產廠家需要一種價格適中、生產效率高的專用焊接設備來代替人工。

目前，國內相關廠家對該種自動焊接機的研制雖取得了一定成果，但還是存在著焊接效率不夠高，焊縫一致性、美觀性比較差，經常存在焊漏、漏焊等缺陷，使散熱器使用壽命降低[5]。

本文就焊接動作分解及數學模型的建立、焊接路徑規劃及機械系統工作原理、各動作模塊的控制邏輯、焊接系統整體電路裝配及焊接測試進行闡述。

1 焊接動作分解及數學模型建立

1.1 焊接動作分解及插補原理

自動焊機的焊接對象是T型散熱器橫管與豎管插接相貫的空間曲線，相貫線種類包括圓形與馬鞍形，如圖1所示。

圖1 焊接對象簡化建模與局部放大模型

馬鞍形曲線是一種復雜的空間曲線，需要多個自由度相互配合，才能完成空間曲線擬合及焊接[6]。

圓柱與圓柱插接相貫的馬鞍形曲線，和圓柱與D型管插接相貫的圓形曲線其俯視圖都是圓形，但前者是三維空間曲線，后者是平面二維曲線，在實現控制角度上認為后者是前者的一個特例。本文只對馬鞍形曲線進行建模。在實現正交的三軸運動控制時可以調用運動控制卡的函數命令來實現圓弧插補，本文涉及到的是非正交機床，需要結合動作建立適合本控制系統的數學模型。

插補原理如圖2所示，焊臂帶動焊槍向一邊旋轉45°，圖中虛線焊槍是焊臂帶動焊槍在沒有自身擺動的情況下的理論位置，實際當焊槍旋轉45°的時候，焊槍本身擺動極限角度a，焊臂帶動焊槍向內進給X的距離，這樣就實現了工作臺旋轉90°，插補出180°的軌跡，從而實現前后雙槍360°擬合及焊接。前后雙槍對稱焊接有利于保證焊接應力的對稱[7-8]。T型散熱器有多組豎管且排列緊密，焊接小車帶動焊接工作臺實現當前豎管到下一組豎管的精確移動。

圖2 插補原理示意圖

1.2 數學模型建立

焊槍擺動及前后進給模型如圖3所示。

圖3 焊槍擺動及前后進給模型

插補運動數學模型參數定義見表1。

基準角變量為

表1 數學模型參數定義

α=ωt

γ=(π/4)-(ωt/2)

焊槍旋轉角為

焊臂轉角為

解三角形可得

焊槍旋轉中心到焊臂旋轉中心的長度f為

舍去一個不符合條件的值，則有

散熱器局部放大圖的主視圖、俯視圖、左視圖如圖4所示，由圖中表示的關系解三角形得

圖4 焊接對象高度方向插補模型

2 焊接路徑規劃及機械系統工作原理

自動焊接機前后焊槍同時繞豎管中心旋轉，焊槍軸向中心指向豎管中心，雙槍繞豎管中心對稱焊接，規劃的焊臂運動路徑及焊接路徑如圖5所示。

圖5 焊臂運動路徑規劃及焊接路徑

前后焊槍繞豎管中心運動到達的左右極限示意圖如圖6所示。圖7為插補運動的執行機構，焊臂帶動前后進給機構、焊槍擺動機構、焊槍夾持機構實現焊槍的旋轉運動和插補運動，位置檢測模塊夾持在調節機構上，機構固定在焊臂上。

圖6 前后焊槍運動到左右極限示意圖

圖7 插補運動執行機構示意圖

垂直插補機構實現垂直方向上的插補運動，旋轉機構實現整個焊臂機構的旋轉。橫梁上的V型定位塊固定焊接工件。這些機構完成旋轉運動、插補運動及位置檢測，共同實現T型散熱器的焊縫擬合及焊接。

3 各動作模塊控制邏輯

多軸運動控制卡嵌入工控機中，作為系統從機，構成主從分布式體系結構。運動控制卡單元承擔實時控制任務，操作簡單方便，互換性強，技術強大，高度模塊化，可實現單軸到多軸的速度、位置、軌跡插補、運動規劃等功能[9-10]。工控機+運動控制卡的雙核心架構大幅提高系統運行速度，集合了工控機與運動控制卡各自的優點，使系統具有很好的開放性[11-12]。

自動焊接機的動作分為焊接小車的水平移動和插補機構的插補運動，僅利用順序控制不能達到理想的焊接效果，為此本控制系統相對之前的設計增加了位置檢測模塊。

工作臺焊接過程中空行程的移動效率是整個焊接過程效率的決定性因素，但焊接速度不能無限增加。工作臺移動模塊的控制邏輯如圖8所示。

圖8 工作臺移動的邏輯圖

散熱器橫管和豎管的管壁較薄，環焊接過程焊槍的槍頭只有精確擬合焊縫才能不焊漏從而保證焊接質量。插補運動保證焊槍能夠精確擬合焊縫，控制邏輯如圖9所示。

圖9 插補運動控制邏輯圖

焊接工件在連續焊接過程中產生焊接變形且焊接變形無法預測，無法通過焊接補償的方法來實現焊槍精確擬合焊縫。位置檢測模塊能夠檢測到變形后的橫管和豎管的位置信息，焊接控制程序通過重新計算焊接軌跡來適應焊接變形。位置檢測邏輯如圖10所示。

圖10 位置檢測邏輯圖

4 焊接系統整體電路裝配及焊接測試

4.1 整體電路裝配調試

自動焊接機的整體電路包括：控制柜里的工控機、運動控制卡、驅動器、電源等，以及機床床身上的各步進電機、傳感器、原點極限開關等?？刂乒窦按采碇g連接用航空電纜及端子排連接以提高穩定性。機床床身與控制柜與執行元件連接如圖11所示。

圖11 床身、控制柜與執行元件連接方式

自動焊接機裝配調試后的整機系統見圖12。

圖12 自動焊接機整機系統

4.2 焊接測試及達到的焊接效果

整個上位機程序包括自動焊接程序和單通道調試程序。焊接控制程序實現焊接過程中各項參數的修改，實時顯示焊接過程狀態，完成自動成組焊接及單柱焊接；單通道調試實現單軸控制用于整體裝配過程中單獨檢驗。焊接控制界面如圖13所示。

圖13 焊接控制界面

自動焊接機實現了單柱管件自動焊接及多組管件連續自動焊接。圖14是進行連續自動焊接過程。

圖14 多組管件連續自動焊接

自動焊接機進行多組管件連續自動焊接時的焊接效果如圖15所示，焊縫平整光滑，能夠與母材很好地融合，焊縫寬度≥7mm。

圖15 多組管件焊接效果

5 結束語

本文對鋼鋁復合柱翼型散熱器自動焊接設備設計思路及原理進行了闡述，并進行了焊接試驗。經過試驗，自動焊接設備的各項指標均符合設計標準，在焊接連續性、焊接質量上與之前設計的焊機均有很大提高。

單組焊縫焊接時間9s，每小時能夠完成120柱管件的焊接，焊縫光滑平整與母材融合很好。

[1] 馬卓.先進焊接技術發展現狀與趨勢[J].科技創新與應用,2013(3):128.

[2] 李曉延,武傳松,李午申.中國焊接制造領域學科發展研究[J].機械工程學報,2012,48(6):19-31.

[3] 孔萌,林濤,陳善本.機器人焊接智能化技術的現狀與最新發展[J].航空制造技術,2008(8):40-43.

[4] 楚廣明,牟靈泉,張雙喜,等.銅(鋼)鋁復合柱翼型散熱器設計方法[J].暖通空調,2003(5):51-54.

[5] 苗雨來,梁楚華,周建平,等.T型管自動焊機適時控制系統設計[J].機械設計與制造,2012(10):18-20.

[6] 王克軍,潘厚宏.四軸聯動馬鞍形焊接系統的槍姿誤差分析[J].電焊機,2010(12):60-63.

[7] 方洪淵.焊接結構學[M].北京:機械工業出版社,2008:129-156.

[8] 張傳宇.基于T型管焊接數控焊槍運動方法的研究[D].烏魯木齊:新疆大學機械學院,2010.

[9]chunhaoLV,Guolijin,Lijingdong.ResearchofMotionControlSystemBasedonPCI-1243[C]//2012ThirdInternationalConferenceonDigitalManufacturing&Automation.2012(1):662-665.

[10] 周剛,鄔義杰,潘曉弘.數控系統軟件模塊實時調度方法[J].機械工程學報,2009,45(1):162-166.

[11] 文立偉,王永章.基于開放結構控制器的可重構數控系統[J].計算機集成制造系統，2003，11(9):1018-1022.

[12] 劉青山,高霖.基于運動控制卡的PC數控進給速度前瞻控制[J].機械科學與技術，2009(9):80-83.