傅 旻，金麗媛，唐 鑫，張 文

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

在鋼坯生產(chǎn)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追蹤，檢測(cè)鋼坯缺陷產(chǎn)生原因，消除混坯事件的發(fā)生，需對(duì)鋼坯進(jìn)行在線標(biāo)示[1-2].常用鋼坯標(biāo)示方法主要以沖印式和電弧噴涂式為主.沖印式標(biāo)示的特點(diǎn)在于：鋼坯表面不需任何處理，字符一次成型，可永久保存；因?yàn)樵跇?biāo)示過(guò)程中字模高頻次接觸紅熱鋼坯，對(duì)字模的材質(zhì)及成型性能要求較高，余熱易通過(guò)字模向標(biāo)示系統(tǒng)內(nèi)部傳遞，給控制系統(tǒng)造成安全隱患[3].電弧噴涂式標(biāo)示的特點(diǎn)在于：標(biāo)示機(jī)構(gòu)不與鋼坯接觸，避免了鋼坯余熱對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響，字符大小可調(diào)，噴涂前需除去鋼坯氧化皮；受其工作原理限制，字符筆畫(huà)寬度大，不適用于小字符標(biāo)示[4]，因絲材熔點(diǎn)較低，標(biāo)示完成后，鋼坯不宜進(jìn)行后續(xù)熱處理.可見(jiàn)，常用標(biāo)示方法不能同時(shí)滿足小規(guī)格鋼坯端面的多字符標(biāo)示及后處理需求.

本文提出一種新的鋼坯端面標(biāo)示方法，即通過(guò)高能束槍對(duì)鋼坯表面進(jìn)行刻蝕.高頻電弧將電極間的空氣離子化，當(dāng)噴嘴移動(dòng)至工件表面時(shí)，高壓氣體將極細(xì)的弧柱沿噴嘴吹出，切口處的材料迅速融化，借助高壓氣流將熔融金屬吹出，形成軌跡[5].此方法的優(yōu)點(diǎn)在于，槍體不與鋼坯接觸，采用去除材料的方式，后續(xù)熱處理工藝對(duì)標(biāo)示內(nèi)容無(wú)影響；不需處理氧化皮，標(biāo)示深度可達(dá)5,mm，字符大小可調(diào)，筆畫(huà)寬度細(xì)，可實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的多字符標(biāo)示.

1 標(biāo)示機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 標(biāo)示機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)形式

標(biāo)示機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)高能束標(biāo)示的載體，其動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程直接影響標(biāo)示效果.因直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人具有位置精度高、控制無(wú)耦合、避障性好等特點(diǎn)，綜合考慮設(shè)備運(yùn)動(dòng)要求及成本，選用直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，如圖1 所示.圖1 定性描述了機(jī)構(gòu)沿點(diǎn)Pa移至點(diǎn)Pb時(shí)，各軸軌道的運(yùn)行情況.因滾珠絲杠摩擦力小，響應(yīng)迅速，動(dòng)作安全可靠，傳動(dòng)效率高達(dá)90%,以上，故選用滾珠絲杠作為直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[7].伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)X、Y、Z 三個(gè)方向滾珠絲杠協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)槍體按預(yù)定軌跡完成包括數(shù)字、字母、特殊字符在內(nèi)的符號(hào)成型，將相關(guān)信息標(biāo)示至鋼坯表面.

圖1 直角坐標(biāo)型機(jī)器人示意圖Fig.1 Sketch of Cartesian coordinating robot

標(biāo)示機(jī)構(gòu)中的每個(gè)桿件可視為剛體，給定剛體上任一點(diǎn)的位置和姿態(tài)，則剛體在空間上可用唯一的位姿矩陣進(jìn)行描述：設(shè)坐標(biāo)系{i}和坐標(biāo)系{j}具有相同的姿態(tài)，但坐標(biāo)原點(diǎn)不重合，在選定的坐標(biāo)系{j}中，對(duì)標(biāo)示機(jī)構(gòu)工作空間內(nèi)一點(diǎn)P(x，y，z)，沿矢量[pij]=px[i]+py[j]+pz[k ]平移，其中 px、py、pz分別為點(diǎn)P 在坐標(biāo)系{j}中的坐標(biāo)分量，[i]、[j]、[k]分別為直角坐標(biāo)系中X、Y、Z 坐標(biāo)軸的單位矢量，可得到用于描述桿件平移變換的齊次坐標(biāo)變換矩陣

根據(jù)上述坐標(biāo)變換原理，將各項(xiàng)平移組合起來(lái)，即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的坐標(biāo)變換[7].因?yàn)闃?biāo)示機(jī)構(gòu)工作時(shí)與紅熱鋼坯(溫度為600,℃左右)間的距離小，設(shè)備中的電氣元件易受輻射熱影響，為保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將標(biāo)示機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成“鵝頸式”懸臂結(jié)構(gòu).標(biāo)示字符采用筆畫(huà)式(類似書(shū)寫(xiě)形式)，相比沖印式的單個(gè)字符成型時(shí)間更長(zhǎng)，要求機(jī)構(gòu)短時(shí)間內(nèi)快速響應(yīng)，在頻繁的加減速運(yùn)動(dòng)中，滿足穩(wěn)定性要求.

1.2 標(biāo)示機(jī)構(gòu)模型的建立

標(biāo)示機(jī)構(gòu)由包括三個(gè)方向的滾珠絲杠及對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)、高能束槍體和“鵝頸式”懸臂組件等組成.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況以及字符大小、個(gè)數(shù)、行數(shù)等要求選擇適當(dāng)?shù)慕z杠行程，綜合工作空間、標(biāo)示區(qū)域、組件運(yùn)動(dòng)行程等因素，初步設(shè)計(jì)標(biāo)示機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式如圖2 所示.X、Y 向的絲杠用于實(shí)現(xiàn)槍體沿鋼坯端面的運(yùn)動(dòng).基于高能束槍體的工作特性，槍體距鋼坯的距離應(yīng)控制在20,mm 以內(nèi)；鋼坯經(jīng)切割后，端面質(zhì)量的一致性較差，常出現(xiàn)一定的傾角(一般不大于3°)，故Z 向絲杠運(yùn)動(dòng)用于補(bǔ)償因斷面傾斜等因素造成的距離差，以保證標(biāo)示的正常進(jìn)行.

圖2 標(biāo)示機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Configuration schema of the marking mechanism

2 標(biāo)示機(jī)構(gòu)模態(tài)分析及改進(jìn)

2.1 模態(tài)分析

由于高能電弧的弧柱較細(xì)，標(biāo)示字符筆畫(huà)寬度窄，加之標(biāo)示機(jī)構(gòu)組成相對(duì)復(fù)雜，在每個(gè)字符的標(biāo)示中絲杠都需經(jīng)過(guò)“加速—?jiǎng)蛩佟獪p速”階段.為確定標(biāo)示機(jī)構(gòu)的固有頻率，避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，需要對(duì)機(jī)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行分析.模態(tài)分析是對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的描述，其實(shí)質(zhì)是求解具有有限個(gè)自由度的無(wú)阻尼、無(wú)外載狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)方程的模態(tài)矢量(忽略結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)模態(tài)頻率及振型的影響)[8].

為便于分析，在保證結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上對(duì)模型作簡(jiǎn)化：除去結(jié)構(gòu)中的螺紋、小圓孔、狹小面、小凸臺(tái)、圓角等對(duì)機(jī)構(gòu)性能無(wú)明顯影響的特征，以利于網(wǎng)格劃分；假定結(jié)構(gòu)中涉及的螺栓連接均為剛性連接.

選用ANSYS Workbench 默認(rèn)的分塊Lanczos 法特征值求解器.由振動(dòng)理論可知：低階模態(tài)在系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)過(guò)程中起主要作用，較高階模態(tài)振型對(duì)系統(tǒng)影響不大，故僅分析模型前六階模態(tài)[9].

將簡(jiǎn)化后的UG 模型導(dǎo)入至Workbench 工作界面，通過(guò)定義材料屬性和單元類型、劃分網(wǎng)格、施加約束、模態(tài)分析等操作，得出模型的前六階振型.圖3 給出了對(duì)標(biāo)示效果影響明顯的一階和五階振型圖.表1 給出了前六階的模態(tài)分析結(jié)果及振型說(shuō)明.

圖3 標(biāo)示機(jī)構(gòu)的部分模態(tài)振型圖Fig.3 Partial modal shapes of the marking mechanism

表1 模態(tài)頻率與振型描述Tab.1 Mode frequencies and shapes

由模態(tài)分析可知：標(biāo)示機(jī)構(gòu)前六階多為局部模態(tài)，涉及了X、Y、Z 方向的擺動(dòng)，扭轉(zhuǎn)和彎曲；標(biāo)示機(jī)構(gòu)的最低模態(tài)頻率為16.855,Hz，而伺服電機(jī)在3 個(gè)方向上的驅(qū)動(dòng)頻率分別為732、1,173、199,Hz，遠(yuǎn)大于機(jī)構(gòu)最低固有頻率，不存在共振危險(xiǎn)；但槍體擺動(dòng)幅度明顯，機(jī)構(gòu)的剛性還需進(jìn)一步提升.

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對(duì)標(biāo)示機(jī)構(gòu)采取了如表2 所示的改進(jìn)措施.改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖4.

表2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施Tab.2 The improved structure

圖4 改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of the improved structure

對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，部分振型見(jiàn)圖5.改進(jìn)后模型的前六階模態(tài)頻率見(jiàn)表3.在前六階模態(tài)振型中整體模態(tài)占多數(shù)，模型最低頻率由16.855,Hz 提高至37.592,Hz，提高123.03%,，在不引起共振的前提下，結(jié)構(gòu)剛性顯著提高.通過(guò)振型對(duì)比可知：輔助滑軌增加了Y 向絲杠的固定面，擺動(dòng)現(xiàn)象得到明顯改善，懸掛部分的擺動(dòng)和彎曲情況有所緩解，改進(jìn)方案對(duì)設(shè)備剛度貢獻(xiàn)明顯.

圖5 優(yōu)化后標(biāo)示機(jī)構(gòu)的部分模態(tài)振型圖Fig.5 Partial modal shapes of the improved marking mechanism

表3 改進(jìn)前后的模態(tài)頻率對(duì)比Tab.3 Comparison of mode frequencies before and after improvement

兩種方案下樣機(jī)的標(biāo)示效果見(jiàn)圖6.可以看出：原方案的字符有明顯抖動(dòng)的現(xiàn)象，弧線段不圓滑，機(jī)構(gòu)雖能完成標(biāo)示內(nèi)容，但字符筆畫(huà)失穩(wěn)嚴(yán)重，不美觀；改進(jìn)方案的筆畫(huà)流暢、工整，改善效果明顯.

圖6 改進(jìn)前后的標(biāo)示效果對(duì)比Fig.6 Marking effect of the original and improved structure

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)比不同標(biāo)示方法基礎(chǔ)上，本文采用高能束槍體設(shè)計(jì)了直角坐標(biāo)型鋼坯在線標(biāo)示機(jī)構(gòu)，能夠滿足小規(guī)格鋼坯標(biāo)示多字符以及熱處理后字符清晰可辨的設(shè)計(jì)要求.利用ANSYS Workbench 軟件對(duì)標(biāo)示機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析可知，機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生共振，但機(jī)構(gòu)擺動(dòng)幅度明顯，對(duì)標(biāo)示不利.結(jié)構(gòu)改進(jìn)后標(biāo)示機(jī)構(gòu)的固有頻率提高，標(biāo)示效果明顯改善.

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