一種用于手工焊接的新型角度定位器的設(shè)計(jì)

張雨成 趙子涵

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，中國(guó)·上海 200082

1 引言

在焊接電動(dòng)巴哈賽車車架的過程中，發(fā)現(xiàn)許多具有不同連接角度的支撐件和連接管件，通過傳統(tǒng)確定方式固定焊件具有繁瑣復(fù)雜，效率底下、精度不足等缺點(diǎn)，不僅浪費(fèi)時(shí)間，焊接的質(zhì)量也難以保證。

近些年來，隨著數(shù)字化的設(shè)備加工功能的擴(kuò)大化，給今后的定位器的快速定位提出了更高的要求。定位器的可重組性、可重構(gòu)性及可擴(kuò)展性功能強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，通用性好，定位器利用率高，經(jīng)濟(jì)效益就越高。對(duì)于電動(dòng)巴哈車隊(duì)所使用的較為傳統(tǒng)的角度確定及固定方式，是首先確定管件兩端連接位置，進(jìn)而再將通過機(jī)械夾具的方式進(jìn)行固定，最后在連接處完成焊接的方式。此種方式通過位置的確定來間接控制角度，精度低，對(duì)于一些不能使用機(jī)械固定方法固定的位置，通常通過人手夾持來進(jìn)行焊接，大大增加了安全隱患。此種方法對(duì)于手工焊接并不適用，手工焊接所需的操作簡(jiǎn)便靈活、效率高、準(zhǔn)確度高成為傳統(tǒng)定位方式的主要提升方向。

為了更加適用在手工焊接方面，可參考手動(dòng)千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)可活動(dòng)的平行四邊形結(jié)構(gòu)，以達(dá)到改變角度的目的。同時(shí)選擇相鄰的兩邊加入磁鐵，使得可以在測(cè)量角度的同時(shí)，將兩焊件固定在該角度位置上，以方便焊接工作。為提高角度的準(zhǔn)確度，使用M12 螺距為4mm 的滾珠絲桿，加入步進(jìn)電機(jī)將角度的變化轉(zhuǎn)化為絲桿上螺母更精確的平動(dòng)，以達(dá)到手工焊接所需要的精度。此套定位器小巧方便，使用靈活，精度較高，可基本滿足所有手工焊接的場(chǎng)所[1]。

2 系統(tǒng)總體組成架構(gòu)方案設(shè)計(jì)

定位器分為感測(cè)部分和顯示部分，感測(cè)部分參照手動(dòng)千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為平行四邊形結(jié)構(gòu)，雙臂裝有磁鐵用于將焊件固定；顯示部分由stm32 單片機(jī)，2.8 寸電容屏，步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲桿和激光傳感器構(gòu)成。

定位器實(shí)現(xiàn)的功能是：在觸摸屏輸入擬焊接角度，定位器雙臂張開并固定在對(duì)應(yīng)角度上，通過磁鐵吸附接焊件進(jìn)行手工焊接。

Stm32 作為控制器，主要負(fù)責(zé)處理顯示屏傳回的角度數(shù)據(jù)，運(yùn)用PID 算法得出控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作以及接收激光傳感器傳回的距離數(shù)據(jù)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行修正[2]。

激光傳感器用于反饋定位器平行四邊形結(jié)構(gòu)中心線的距離，從而對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行修正，可保證定位器長(zhǎng)久使用后因?yàn)榻z桿螺紋損壞帶來的精度問題。

系統(tǒng)中動(dòng)作執(zhí)行部分主要是步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲桿，步進(jìn)電機(jī)通過輸入給定的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)圈數(shù)；滾珠絲桿用來將步進(jìn)電機(jī)角位移轉(zhuǎn)化為線位移，并通過此信息控制定位器定位角度。

顯示屏用于數(shù)據(jù)的輸入，啟動(dòng)電源開關(guān)，輸入角度清零信號(hào)，定位器進(jìn)行角度復(fù)位，校準(zhǔn)完畢后輸入角度值，顯示屏將數(shù)據(jù)傳輸至控制器。

3 電氣硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，須具有一定的抗干擾能力，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此系統(tǒng)應(yīng)該具備以下各個(gè)模塊，各個(gè)模塊之間協(xié)調(diào)運(yùn)行，才能達(dá)到預(yù)期效果。系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)組成

3.1 控制器

由于該設(shè)計(jì)作為焊接定位裝置將來應(yīng)用于手工焊接當(dāng)中，故應(yīng)選用性價(jià)比較高的嵌入式設(shè)備，既能運(yùn)行好我們訓(xùn)練好的嵌入式程序，又能滿足價(jià)格低廉的要求。故采用stm-32f103c8t6 核心板，開發(fā)板外觀如圖2所示。stm32f103c8t6是一款基于ARM 內(nèi)核的32 位MCU 系列，具有高性能，低電壓，低功耗等優(yōu)點(diǎn)，支持串口、IIS、GPIOs、藍(lán)牙等接口[3]。

圖2 stm32f103c8t6 核心板外觀圖

3.2 顯示屏

電容屏是現(xiàn)在主流的觸控屏，也稱作“硬屏”，利用存在于人體的電流感應(yīng)進(jìn)行操作，由四層的復(fù)合玻璃屏組成，表面是一電容面，從手指吸走的電流通過電極流出，形成信息完成觸屏控制[4]。本系統(tǒng)采用2.8 寸vlcds HMI 電容觸摸屏如圖所示（帶GPU）支持Arduino I2C 接口，LCD 模式為65k TFT，模塊由3.3V/5VTTL 電平供電，如圖3所示。

圖3 2.8 寸vlcds HMI 電容觸摸屏外觀圖

3.3 步進(jìn)電機(jī)模塊

步進(jìn)電機(jī)模塊選用28★40 推力100N 絲桿，步進(jìn)電機(jī)輸入電流0.7A，身高40mm，步距角為1.8°，保持扭矩90mNm，工作轉(zhuǎn)速15mm/s；絲桿長(zhǎng)度為200mm，螺桿規(guī)格為Tr5，螺距為4mm，水平最大負(fù)載為11kg，其外觀如圖4所示。

圖4 28 微型絲桿電機(jī)外觀圖

3.4 激光傳感器

由于該系統(tǒng)對(duì)測(cè)量的長(zhǎng)度精度較高，故選用ZLDS100R-4-39 傳感器，量程為2mm-250mm，分辨率為0.1mm，通過I2C 接口與控制器連接，如圖5所示。

圖5 ZLDS100R-4-39 傳感器外觀圖

4 系統(tǒng)定位技術(shù)研究

4.1 針對(duì)固定焊件設(shè)計(jì)方案

通過對(duì)于查閱資料了解了目前普遍使用的焊接材料為磁性材料能夠有效吸附磁鐵，因此本組固定焊件裝置采用強(qiáng)力磁吸式，磁鐵通過子母鉚釘與碳纖維板進(jìn)行連接固定如圖6所示。焊接手柄采用碳纖維材料，其具有重量輕、韌性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，符合產(chǎn)品輕量化特點(diǎn)并且可以效解決磁鐵相互干擾問題。

圖6 焊接定位器外觀圖

4.2 針對(duì)角度變化的設(shè)計(jì)研究

根據(jù)平行四邊形邊與夾角存在的函數(shù)關(guān)系，將測(cè)量角度巧妙地轉(zhuǎn)化為測(cè)量長(zhǎng)度，通過顯示器輸入角度數(shù)據(jù)，上位機(jī)接受信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)工作。

4.3 針對(duì)角度固定方式的設(shè)計(jì)研究

在手工焊接中，定位器連接兩焊件后改變其角度的外力和焊接時(shí)的抖動(dòng)幅度較小，固系統(tǒng)采用螺栓螺母固定以及部分光軸采用固定環(huán)進(jìn)行固定。由于感測(cè)部分和顯示部分分開，電子電路遠(yuǎn)離焊接干擾源，具有較強(qiáng)抗干擾性。

5 定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)及證明

5.1 精度的計(jì)算證明

通過對(duì)電動(dòng)巴哈車隊(duì)以往賽季手工焊接的分析與測(cè)量，可得知兩焊件的夾角均處在30°～150°范圍內(nèi)，角度過大或過小都會(huì)導(dǎo)致連接處結(jié)構(gòu)不合理且無法焊接，因此對(duì)于設(shè)計(jì)的定位器角度要求在30°～150°范圍內(nèi)即可。由于對(duì)精度的要求是由工藝本身決定的，而不是因?yàn)楹附觿×覔u晃會(huì)引起角度偏差，所以實(shí)際焊接對(duì)精度要求不高。通過實(shí)際焊接及測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在手工焊接過程中，定位器精度達(dá)到0.5°可很好地滿足手工焊接要求，達(dá)到比傳統(tǒng)定位方式更精確的目的。

該定位器雙臂為平行四邊形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度D 均為100mm，其角度的調(diào)節(jié)模型可簡(jiǎn)化如圖7所示。在使用時(shí)，θ 為需要定位的兩管件角度，且θ 的范圍為30°～150°。根據(jù)幾何關(guān)系可知，角度與絲桿長(zhǎng)度存在如下關(guān)系：

圖7 定位器雙臂簡(jiǎn)化圖

將（1）式兩邊分別對(duì)θ 求導(dǎo)得出：

即當(dāng)θ 的范圍為30°～150°時(shí)L 隨θ 的增大而減小。

將（2）式兩邊分別對(duì)θ 求導(dǎo)得出：

即當(dāng)θ 的范圍為30°～150°時(shí)△L 隨θ 的增大而減小，即|△L|隨θ 的增大而增大。

角度（θ）與絲桿長(zhǎng)度（L）函數(shù)圖像如圖8所示(橫坐標(biāo)為角度，縱坐標(biāo)為絲桿長(zhǎng)度)。

圖8 角度與絲桿長(zhǎng)度函數(shù)圖像

通過計(jì)算不同情況下的θ 可得到表1中的數(shù)據(jù)。

表1 不同情況下的θ 的數(shù)據(jù)

綜合上述計(jì)算過程可得，在要求絲桿長(zhǎng)度精確到小數(shù)點(diǎn)后一位時(shí)，通過步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)可以使定位器在30°～150°之間變化，并且角度的變化精度為0.5°，對(duì)于手工焊接，此時(shí)調(diào)節(jié)的范圍與角度精度均已基本適用于手工焊接的各種場(chǎng)合，并且已達(dá)到相對(duì)精準(zhǔn)的要求。

5.2 磁吸裝置設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上存在的焊接定位器大多采用磁吸式，相對(duì)于夾具式而言，磁吸式具有操作簡(jiǎn)單拆裝快捷的優(yōu)點(diǎn)，更加適用于小型焊接定位裝置中，在使用電弧焊手工焊接鋼管時(shí)，焊縫層間溫度為200～250°C，由于靠近焊點(diǎn)處溫度迅速升高導(dǎo)致磁鐵發(fā)生退磁現(xiàn)象以及強(qiáng)磁鐵本身質(zhì)脆和強(qiáng)磁性可能會(huì)對(duì)電子元件的精密性產(chǎn)生影響，因此選擇合適的磁鐵十分重要[5]。通過查閱相關(guān)資料，不同種類磁鐵性質(zhì)如表2所示。

表2 不同種類磁鐵性質(zhì)

通過對(duì)不同種類的磁鐵進(jìn)行性能比較，該產(chǎn)品選用50*20*10mm 釹磁鐵，兩側(cè)添加碳板，正面覆蓋環(huán)氧樹脂涂層使得產(chǎn)品防腐蝕性能優(yōu)良和解決磁鐵質(zhì)脆缺點(diǎn)。

6 仿真分析

焊接定位器手柄為碳纖維材料，比重輕且耐高溫，螺栓螺母為304 不銹鋼材質(zhì)，子母鉚釘為鋁合金，整體強(qiáng)度必須滿足Ansys 仿真要求，不然會(huì)出現(xiàn)固定點(diǎn)斷裂的情況，嚴(yán)重的會(huì)影響焊接安全[6]。模擬實(shí)際手工焊接條件下，定位器所受載荷主要來自焊件自身重力以及焊件晃動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力，當(dāng)垂直于手柄方向施加壓力時(shí)，定位器應(yīng)力仿真結(jié)果如圖9、圖10 所示。

圖9 定位器30°工作條件下應(yīng)力仿真結(jié)果

圖10 定位器150°工作條件下應(yīng)力仿真結(jié)果

仿真分析結(jié)果表明：當(dāng)定位器手柄受到100N 壓力條件下，各緊固點(diǎn)在X、Y、Z 三個(gè)方向上滿足強(qiáng)度要求，因此論文采用的螺紋緊固連接以及子母鉚釘連接滿足實(shí)際要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目基于手工焊接設(shè)計(jì)一種新型焊接定位器，加入步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿等主要部件，操作簡(jiǎn)單能夠滿足手工焊接的要求，通過單片機(jī)與顯示屏完成工作任務(wù)的輸入，通過激光傳感器結(jié)合PID 控制算法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，定位器手柄采用高強(qiáng)度的碳纖維材質(zhì)等。對(duì)比傳統(tǒng)焊接定位器有很大進(jìn)步，相信未來將與數(shù)字化機(jī)床等技術(shù)結(jié)合起來完成又一次創(chuàng)新，將實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化的廣闊前景。